開關電源的原理與設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 接在220V或110V交流電壓上，否則將使開關燒壞。日光燈短路或漏氣時，鎮流器的工作電流是正常工作電流的3倍以上，這時只要在鎮流器的輸出端與燈之間的電路上串接一只自動恢復開關，就能非常有效地進行過流保護，提高電子鎮流器的可靠性。 (2) 檢測方法 ① 電阻檢查用數字萬用表的電阻檔直接測量它的直流電阻，電阻值越小，自動恢復開關的容量越大。 ② 過流后自動恢復能力的檢查在直流穩壓電源輸出端，將自動恢復開關與電流表串聯，要求穩壓電源的輸出電流必須大于自動恢復開關的電流容量IH。穩壓電源的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數也在不斷增加。當穩壓電源的輸出電流接近或超過自動恢復開關的電流容量時，電流表上的電流讀數突然減小，此時自動恢復開關已進入高阻狀態。關斷電源后，穩壓電源的輸出電壓又從零點幾伏開始上升。觀察電流表，如果一段時間后電流表上的電流讀數升到一定值，這段時間就是自動恢復開關的自動恢復時間。 熱敏電阻熱敏電阻時有錳鈷鎳的氧化物燒結成的半導體陶瓷制成的，具有負溫度系數，隨著溫度的升高，其電阻值降低。熱敏電阻的主要參數有：(1) RT0：零功率電阻值，表示室溫為25℃時的電阻值。(2) ：零功率電阻系數，表示零功率下溫度每變化1℃所引起電阻值的相對變化率（%/℃）。(3) ：耗散系數，指熱敏電阻的溫度每變化1℃所消耗功率的相對變化量（mW/℃）。熱敏電阻在開關電源中起過溫度保護和軟啟動的作用。過溫保護時將熱敏電阻并接在輸入電路中。剛啟動時，溫度低，電阻值高，相當于開路。如果電路輸入電壓超高，熱敏電阻就會發熱，其電阻值降低，對輸入電流分流。當發熱越過極限值時，整流后的輸出電壓降低，開關電源高頻振蕩停振，或是由于熱敏電阻阻值降低后，將電路保險絲燒斷，電路與供電電源斷開，起到熱保護作用。所謂軟啟動是指電源剛通電時，因濾波電容C的電壓不能突變，容抗趨于零，瞬時對電容充電的電流很大，容易損壞電解電容。為了解決這一問題，一般是在電路中串接幾歐姆的電阻，在啟動瞬間對電流加以限制。但是，由于電阻功耗上升，電源效率下降。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。電路剛通電時，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時能對充電電流加以限制。隨著電流通過發出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動成功，功耗降低。這就是熱敏電阻對軟啟動的作用。3． 開關電源的設計基礎 開關電源的控制方式目前生產的開關電源多數采用脈寬調制方式，少數采用脈沖頻率調制方式，很少見到混合調制方式。脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation，PFM）是將脈沖寬度固定，通過調節工作頻率來調節輸出電壓。在電路設計上要用固定頻率發生器來代替脈寬調制器的鋸齒波發生器，并利用電壓、頻率轉換器（例如壓控振蕩器VCO）改變頻率。穩壓原理是：當輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而工作周期變長，使占空比減小，輸出電壓降低。調頻式開關電源的輸出電壓的調節范圍很寬，調節方便，輸出可以不接假負載，詳見圖31所示的波形圖。混合調制方式是指脈沖寬度與頻率都不固定，都可以改變。目前這種調節方式應用得不是很多，產品類型也不多，只是在個別實驗室中使用，其原因是兩種調制方式共存，相互影響較大，穩定性差。再者，這種開關電源電路比較復雜，集成控制電路也不是很多。但是它的占空比調節范圍很寬，輸出電壓能做到很低[6]。 (a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式圖31 PWM、PFM控制方式和波形圖開關電源采用脈寬調制方式的占很大比例，所以有必要對脈寬調制的基本原理加以了解。220V交流輸入電壓經過整流（BR）濾波后變為脈動直流電壓，供給功率開關管作為動力電源。開關管的基極或場效應管的柵極有脈寬調制器的脈沖驅動。脈寬調制器由基準電壓源、誤差放大器、PWM比較器和鋸齒波發生器組成，如圖32所示。開關電源的輸出電壓和基準電壓進行比較、放大，然后將其差值送到脈寬調制器。脈寬調制的頻率是不變的，當輸出電壓V0下降時，與基準電壓比較的差值增加，經發達后輸入到PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經開關晶體管功率放大后，驅動高頻變壓器，使變壓器初級電壓升高，然后耦合到次級，經過二極管VD整流和電容C2濾波后，輸出電壓上升，反之亦然。圖32 脈寬調制的原理圖脈沖頻率調制的過程是這樣的：如圖33所示，從輸出電壓中取出一信號電壓并由誤差放大器放大，放大后的電壓與5V基準電壓進行比較，輸出誤差電壓Vr，并以此電壓作為控制電壓來調制VCO的震蕩頻率f。再經過瞬間定時器、控制邏輯和輸出級，輸出一方波信號，驅動MOS開關管，最后經高頻變壓器TR和整流濾波獲得穩定的輸出電壓V0。假設由于某種原因而使V0上升或負載阻抗下降，控制電路立即進行下述閉環調整：V0↑→Vr↑→f↓→V0↓。該循環的結果是輸出電壓V0趨于穩定，反之亦然。這就是PFM的工作原理。假設電源效率為η，脈沖寬度為m，脈沖頻率為f，則有V0=。當確定后，通過調制VCO的震蕩頻率就可以調節輸出電壓V0，并實現穩定輸出。需要指出的是：a、b、c是壓控振蕩器外圍元件連接端，它們將決定振蕩的工作頻率和頻率調制靈敏度。D端為鋸齒波電壓輸入端，由它改變定時器的定時時間。圖33 脈沖頻率調制的基本原理 各類拓撲結構電源分析(1) 非隔離型開關變換器① 降壓變換器Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。由于穩態時，電感充放電伏秒積相等，因此： , (31) , (32)即，輸入輸出電壓關系為：(占空比)UoIDSIDVDIDLIDCID 圖34 Buck電路拓撲結構在開關管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負載端提供電流；當S關斷后，L通過二極管續流，保持負載電流連續。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。② 升壓變換器Boost電路：升壓斬波器，入出極性相同。利用同樣的方法，根據穩態時電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導出電壓關系： (33)UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID圖35 Boost電路拓撲結構這個電路的開關管和負載構成并聯。在S通時，電流通過L平波，電源對L充電。當S斷時，L向負載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓，因而有升壓作用。③ 逆向變換器BuckBoost電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。電壓關系： (34)UiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖36 BuckBoost電路拓撲結構S通時，輸入電源僅對電感充電，當S斷時，再通過電感對負載放電來實現電源傳輸。所以，這里的L是用于傳輸能量的器件。④ 丘克變換器Cuk電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。電壓關系： (35)C1C2L2RUoVDL1SUi 圖37 Cuk變換器電路拓撲結構當開關S閉合時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1通過VD對C1進行充電。再當S閉合時，VD關斷，C1通過LC2濾波對負載放電，L1繼續充電。這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。(2) 隔離型開關變換器① 推挽型變換器下面是推挽型變換器的電路。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT圖38 推挽型變換電路S1和S2輪流導通，將在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。② 半橋型變換器圖39給出了半橋型變換器的電路圖。當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源S1TC2電源及電源C1TS2電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。同樣地，這個電路也相當于降壓式拓撲結構。C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2圖39 半橋式變換電路③ 全橋型變換器CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1圖310 全橋式變換電路當SS3和SS4兩兩輪流導通時，一次側將通過電源S2TS4電源及電源S1TS3電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。這個電路也相當于降壓式拓撲結構。④ 正激型變換器下圖為正激式變換器TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖311 正激型變換器電路當S導通時，原邊經過輸入電源N1S輸入電源，產生電流。當S斷開時，N1能量轉移到N3，經N3電源VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開期間續流。⑤ 隔離型Cuk變換器隔離型Cuk變換器電路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖312 隔離型Cuk變換器當S導通時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過LC2濾波后，對負載放電。這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。⑥ 電流變換器能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3圖313 能量回饋型電流變換器電路該電路與推挽電路類似。不同的是，在主通路上串聯了一個電感。其作用是在SS2斷開期間，使得變壓器能量轉移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。下面是升壓型變換器的電路圖：S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTLVD1VD2圖314 升壓型電流變換器電路該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯了一個電感。在開關導通期間，L積蓄能量。當一側開關斷開時，電感電動勢和Ui疊加在一起，對另一側放電。因此，L有升壓作用。(3) 準諧振型變換器在脈沖調制電路中，加入R、L諧振電路，使得流過開關的電流及管子兩端的壓降為準正弦波。這種開關電源稱為諧振式開關電源。利用一定的控制技術，可以實現開關管在電流或電壓波形過零時切換，這樣對縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開關速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開關電源是當前開關電源發展的主流技術。又分為：① ZCS——零電流開關。開關管在零電流時關斷。② ZVS——零電壓開關。開關管在零電壓時關斷。 諧振式電源與軟開關技術為了更好地理解諧振式電源，這里回憶一下電路諧振的條件及其特點。(1) 串聯電路的諧振一個R、L、C串聯電路，在正弦電壓作用下，其復阻抗： (36)一定條件下，使得XL=XC，即，此時的電路狀態稱為串聯諧振。明顯地，串聯諧振的特點是：① 阻抗角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。② 此時的阻抗最小，電路電流有效值達到最大。③ 諧振頻率：④ 諧振系數或品質因素： (37)由于串聯諧振時，L、C電壓彼此抵消，因此也稱為電壓諧振。從外部看，L、C部分類似于短路。而此時Uc、UL是輸入電壓U的Q倍。Q值越大，振蕩越強。這里的，我們稱為特性阻抗，它決定了諧振的強度。⑤ 諧振發生時，C、L中的能量不斷互相轉換，二者之間反復進行充放電過程，形成正弦波振蕩。(2) 并聯電路的諧振一個R、L、C并聯電路，在正弦電壓作用下，其復導納： (38)一定條件下，使得，即，Y=1/R，此時電路狀態稱為并聯諧振。明顯地，串并諧振的特點是：① 導納角等于零，電路呈純電阻性，因而電路端電壓U和電流I同相。② 此時的導納最小，電路電流有效值達到最小。③ 諧振頻率：。④ 由于并聯諧振時，L、C電流彼此抵消，因此也稱為電流諧振。從外部看，L、C部分類似于開路，L、C各自有效電流卻達到最大。⑤ 諧振發生時，C、L中的能量不斷互相轉換，二者之間反復進行充放電過程，形成正弦波振蕩。諧振式電源是新型開關電源的發展方向。它利用諧振電路產生正弦波，在正弦波過零時切換開關管，從而大大提高了開關管的控制能力，并減小了電源體積。同時，也使得電源諧波成分大為