多路輸出式dc_dc變換器的制作和功能畢業(yè)論文模板(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 二極管即使在大的正向電流作用下，其正向壓降也很低，僅有 左右。由于它具有這一優(yōu)點(diǎn)，使得肖特基勢壘整流二極管特別適用于 5V 左右的低電壓輸出電路中。因?yàn)樵谝话闱闆r下，低電壓輸出所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流都較大。而且隨著結(jié)溫的增加，其正向壓降更低。 肖特基勢壘整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是可以忽略不計(jì)的，因此該器件是多數(shù)載流子半導(dǎo)體器件，在器件的開關(guān)過程中，沒有清除少數(shù)載流子存在電荷的問題。 肖特基勢壘整流二極管存在著兩個(gè)主要缺點(diǎn)。 第一是其反向截止電壓的承受能力較低，目前的產(chǎn)品大約 為 100V。 第二是它們具有較大的反向漏電流，使得該器件比其它類型的整流器件更容易受熱擊穿。當(dāng)然，這些問題也可以通過增加瞬時(shí)過壓保護(hù)電路及適當(dāng)控制結(jié)溫來克服。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 19 圖 是一個(gè)半橋式脈寬調(diào)制 (PWM）變換器開關(guān)電源的輸出電路，它利用肖特基勢壘整流二極管 VD1 和 VD2 作為全波整流器件。變壓器次級(jí)一半的電壓 VS最小是 2VOUT。因此，每支二極管所能承受的截止電壓必須是 2VS或者說是 4VOUT。 高頻變壓器的漏電感和肖特基勢壘整流二極管的結(jié)電容在管子截止 時(shí)，形成了一個(gè)諧振回路，它會(huì)引起瞬時(shí)過壓振蕩。振蕩脈沖的振幅足以超過肖特基勢壘整流二極管的截止電壓，在管子截止期間，會(huì)使管子損壞，為此，需增加 RC 吸收回路進(jìn)行抑制。 增加了 RC 吸收電路之后，會(huì)使振蕩波形的振幅下降到安全范圍內(nèi)。對(duì)于大電流輸出的電路，把吸收回路跨接在每個(gè)整流器的兩端。對(duì)于那些小電流輸出的電路，把一個(gè) RC 吸收回路加在變壓器次級(jí)的兩端即可。第三種吸收回路用齊納二極管將過高的振蕩脈沖電壓降至允許的范圍內(nèi)。 RC 吸收回路的電阻 RS 值可以由下邊的公式求出。 T 1SJLR Cn? (13) 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 12 公式中 LT：變壓器的漏電感， H； CJ：肖特基勢壘管的結(jié)電容， F； n：變壓器初級(jí)對(duì)次級(jí)的匝數(shù)比， NP/NS。 吸收回路中的電容器 CS的值可以在 F 到 F 之間任意選擇，電阻上的功率損耗 PR可以由下式求出： 212 inRSVP C fn??? ???? （ 14） 其 中 f 是變換器的工作頻率。 功率輸出電感的特性 在設(shè)計(jì)隔離式高頻開關(guān)電源時(shí)，大多數(shù)人都使用電感作為輸出濾波電路的一部分。電感的存在，有兩方面的作用。第一個(gè)作用是它可以存儲(chǔ)能量，以便在開關(guān)功率管截止或“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)，能夠給負(fù)載提供連續(xù)不斷的電流；第二個(gè)作用就是使輸出的直流電壓更加平滑，使輸出電壓波紋能夠達(dá)到允許的標(biāo)準(zhǔn)。 目前，市場上有多種材料制成的磁芯可供設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電感時(shí)選擇。常用的磁芯有鐵氧體磁芯，鐵粉磁芯和坡莫合金（ MPP）磁芯。這些磁芯對(duì)于設(shè)計(jì)電感都是很好用的。基本的設(shè)計(jì)原則是 要與成本、重量和實(shí)用性等因素綜合起來考慮。 鐵粉磁芯與 MPP 磁芯一般是圓環(huán)形狀，由于具有如下特點(diǎn)，所以最適合于作扼流圈。 （ 1）飽和磁通密度高，可達(dá)4800010??T 以上。 （ 2）能量存儲(chǔ)能力強(qiáng)。 （ 3）由于有固有的氣隙口，因此無須對(duì)磁芯再開氣隙口。 （ 4）供選擇的尺寸寬。 對(duì)于鐵氧體磁芯來說，由于其飽和磁通密度 Bsat 低，所以必須要開氣隙口，它們對(duì)溫度比較敏感，其體積也較大。鐵氧體扼流圈的特點(diǎn)是容易繞制。它更適于使用粗導(dǎo)線繞制電感線圈。如果用罐形磁芯作輸出電感，由于其固有 的屏蔽特性，電感所輻第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 12 射的射頻干擾會(huì)減小。 開關(guān)電源的控制電路 當(dāng)今的開關(guān)電源大部分采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) (PWM)，這一技術(shù)主要是在主變換器工作周期不變的情況下，通過改變開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間，以控制輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)先確定的電壓值上。 PWM 提供了優(yōu)越的性能，如良好的線性、負(fù)載調(diào)整率高以及在溫度變化過程中具有較高的穩(wěn)定性等。 開關(guān)穩(wěn)壓系統(tǒng)的隔離技術(shù) 隔離式高穩(wěn)定開關(guān)電源的任務(wù)主要有兩個(gè)方面，首先，它必須提供高度穩(wěn)定的若干組低輸出，為電子設(shè)備或機(jī)電電路提供充足的供電電源； 另一方面，它必須在輸出和輸出之間提供很高的隔離特性，以保護(hù)電器免受因高壓及沖擊電流引起的電氣短路的危害。 PWM 系統(tǒng) 盡管許多開關(guān)技術(shù)可用于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，但直到目前為止，使用最多的開關(guān)技術(shù)還是固定頻率的 PWM 技術(shù)。在一個(gè) PWM 系統(tǒng)中，通常是產(chǎn)生一組方波脈沖來對(duì)開關(guān)晶體管的開關(guān)進(jìn)行控制，用改變脈沖寬度的方法，來改變晶體管相應(yīng)的導(dǎo)通和截止時(shí)間，因而能夠使輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)定的值上。 PWM 控制電路可以是單端的，即能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)單晶體管變換器（如反激式和正激式變換器電路）。如果有兩個(gè)或 更多 的晶體管需要驅(qū)動(dòng)（采用半橋式或全橋式變換器電路），則需要采用一個(gè)雙路的 PWM 電路。 PWM 控制電路 一個(gè)簡單的閉環(huán)回路 PWM 控制電路，可用很少幾個(gè)分立元件構(gòu)成的半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)時(shí)鐘脈沖生成電路 IC1 產(chǎn)生一串固定頻率的不對(duì)稱方波脈沖，固定頻率為 20kHZ， IC1 可選用 555 時(shí)基電路或其他等效電路進(jìn)行設(shè)計(jì) PWM 控制器 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 12 近年來已開發(fā)出許多高頻開關(guān)電源控制集成電路，這些電路包含了建立 PWM 開關(guān)電源所需的所有功能，使開關(guān)電源用一片集成 電路和若干附加元件即可制成。圖 描述了一個(gè)簡單的 PWM 控制器的基本構(gòu)成框圖和它相關(guān)部位的波形。這個(gè)電路電路的工作過程如下：誤差放大器將從電源輸出端引入的反饋信號(hào)與其反相輸出端的固定參考電壓 Vref進(jìn)行比較，誤差信號(hào)被放大并送到比較器的反相輸入端，而比較器的同相輸入端輸入的是由一個(gè)固定頻率振蕩器產(chǎn)生的具有線性斜率的鋸齒波，振蕩器的輸出同時(shí)送到一個(gè)翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器（ F/F),產(chǎn)生方波輸出 Q 和 。 比較器的輸出方波和觸發(fā)器的方波輸出，都用于驅(qū)動(dòng)與門，使得兩個(gè)輸入信號(hào)均為“ 1”時(shí)輸出 ，這樣，在 A 路和 B 路最終得到的是可變脈沖占空比的脈沖串。圖 用虛線說明了，當(dāng)誤差信號(hào)幅度變化時(shí)，輸出脈沖的寬度是如何被調(diào)制的。通常 PWM 控制器在其外部經(jīng)緩沖后去驅(qū)動(dòng)主電源開關(guān)晶體管。這一類的電路可被用來驅(qū)動(dòng)兩支晶體管或是驅(qū)動(dòng)單晶體管，在后一種情況下，輸出可在片外進(jìn)行“與”處理（直接相與），或者只允許有一路作為驅(qū)動(dòng)。 這種 PWM 控制器的優(yōu)點(diǎn)是很突出的，包括可編程的固定頻率振蕩器，線性 PWM可從 0%~100%地調(diào)整占空比，防止輸出晶體管同時(shí)導(dǎo)致的死區(qū)時(shí)間調(diào)整，并具有電路簡捷、可靠性高和價(jià)格便宜的優(yōu) 點(diǎn)。 PWM 控制器及其應(yīng)用 早期出現(xiàn)的單片 PWM 集成控制電路是摩托羅拉公司生產(chǎn)的 MC3420 開關(guān)方式的穩(wěn)壓控制器和 SG 公司生產(chǎn)的 SG3524PWM 控制器，這兩種集成電路已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件。 這些 PWM 控制芯片在很長一個(gè)時(shí)期內(nèi)成為了開關(guān)電源設(shè)計(jì)的中心部分，它們既可以單端應(yīng)用，也可以雙端應(yīng)用，效果很好。而后許多生產(chǎn)廠家又相繼推出了多款PWM 控制芯片，其中德州儀器公司推出的 TL494 芯片就是對(duì) SG3524 的改進(jìn)，提供了可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，輸出晶體管也具有較高的拉、灌電流能力 ，改進(jìn)了限流控制，輸出方向控制等功能。 由于功率 MOSFET 管的引入，又首次出現(xiàn)了 SG1525A 和 SG1526 系列芯片，它們采取圖騰柱式輸出方式，具有直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 和雙極性晶體管的功能。這些電路還具有低壓時(shí)鎖定輸出，可編程式軟啟動(dòng)，數(shù)字式電流限制，并可在高達(dá)400kHZ 的頻率下工作。 開關(guān)電源的輔助電路 為了增強(qiáng)開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性，還需要許多外圍電路和輔助電路。 在開關(guān)電源的主振回路中，廣泛的應(yīng)用了像光電耦合器一類的元器件，這些元器 件在反激式變換器和正激式變換器電路中，除了提供必要的輸入 輸出隔離功能外，它們還能提供良好的信號(hào)傳遞功能。 此外，主振回路還包括其它一些電路類型：如軟啟動(dòng)電路、過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路等，這些電路可以有效防止電源由于意外原因造成失效損壞。 光電耦合器 光電耦合器又叫做光電隔離器，在開關(guān)電源的主振回路中，它在輸入回路和輸出回路之間起隔離作用。同時(shí)，它還為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號(hào)傳遞通路。圖 表示的是一 個(gè)典型的光電耦合器結(jié)構(gòu)圖。 光電耦合器主要由兩個(gè)元件組成：一個(gè)是光源。實(shí)際上它是一個(gè)發(fā)光二極管（ LED），另一個(gè)是光敏器件，它可以是光電池、光敏三極管、光敏單向可控硅等器件。最通用的光電耦合器是把一個(gè)砷化鎵發(fā)光二極管（ LED）和一個(gè)硅光敏三極管封裝在一個(gè)完全與外界光線隔絕的外殼中。 光電耦合器的基本工作過程如下：當(dāng)有電流經(jīng)過 LED 時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)光源，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的強(qiáng)度，此光源照射到封裝在一起的 光敏三極管上后，控制光敏三極管產(chǎn)生一個(gè)與 LED 正向電流成比例的集電極電流。 開關(guān)電源主振 回路所使用的自舉式輔助電源 在高頻開關(guān)電源中，用驅(qū)動(dòng)變壓器推動(dòng)開關(guān)管的基極可以實(shí)現(xiàn)必要的輸入 輸出時(shí)間隔離，但通常是用在半橋式和全橋式變換器電路中。在大多數(shù)正激式和反激式變換電路中，都是利用光電耦合器作隔離器件。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 27 利用光電隔離器可以大大簡化電路的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗恍枰?qū)動(dòng)變壓器和輔助電源變壓器。在這種情況下，總的控制電路是以變壓器的初級(jí)側(cè)為基準(zhǔn)的。啟動(dòng)電路和自舉式輔助電源技術(shù)可以直接應(yīng)用于直流高壓線和高頻變壓器之間，并為控制電路提供電源。 自舉式輔助電源電路的功能如下：當(dāng)輸入交流電 壓加上后， PWM 控制和驅(qū)動(dòng)電路得到了啟動(dòng)電壓 VC,此電壓是由直接與直流高壓相連的 R VDW1 和 VT1 線性穩(wěn)壓電路形成的啟動(dòng)電壓。在電源啟動(dòng)后，主變壓器的輔助線圈提供了電壓 VD，其電壓值高于 VC，從而是二極管 D5 處于反向偏置。因此，把線性穩(wěn)壓器也關(guān)閉了。在這一條件下，電源提供了自舉的輔助電源電壓 VD 以保持它本身的工作，而啟動(dòng)穩(wěn)壓器即無功率消耗了。 在設(shè)計(jì)以上電路時(shí)，必須選用符合條件的晶體管。要求此晶體管在截止時(shí)，要能承受基極 集電極的高壓。這種電路形式只要稍加變化，便可在許多的實(shí)際電路中被采用。 開關(guān)電源中的軟啟動(dòng)電路 在大多數(shù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，都要有一個(gè)延時(shí)啟動(dòng)電路，目的是為了避免在電源開關(guān)接通的瞬間產(chǎn)生過流現(xiàn)象和使變壓器產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。完成這一功能的電路稱為“軟啟動(dòng)電路”。一般的軟啟動(dòng)電路都由 RC 網(wǎng)絡(luò)組成，它使得 PWM 控制電路輸出從零電壓上升到其工作電壓的過程是緩慢進(jìn)行的。 在 PWM 控制電路中軟啟動(dòng)電路的組成如圖 所示。 在圖 中電路可以使 PWM 控制信號(hào)從零到其工作電壓逐漸地上升，具體工作過程分析如下：在時(shí)間 t=0 時(shí)，電源開關(guān) 剛接通，電容器開始處于未被 充電狀態(tài)，而誤差放大器的輸出端通過二極管 VD1 保持在零電平。這樣，它就禁止了比較放大器的輸出。 第一章 多路輸出式單片電源開關(guān)的原理與應(yīng)用 31 在時(shí)間 t=0?時(shí)，電容器通過電阻 R 開始充電，充電時(shí)間常數(shù)由下式?jīng)Q定： RC??