開關電源的原理與設計畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 向導通時，可以控制S3導通，因此S3為零壓導通。(d) S3導通上升沿觸發一單穩態脈沖，控制輔管Sc導通。此時，Cc電壓被瞬間接到變壓器副邊。從而在原邊產生一瞬間高壓，此較高電壓將加快原邊電流迅速復位歸零。(e) 當電流回零后，輔管關斷。此時副邊又被鉗制在近似短路的低電壓，原邊電壓也迅速降低。使得C3電壓反向加到S4上，促使S4在零電流下關斷。(f) 此時，在Lk作用下，同時可以零電流開通S2。電流換向成功，進入下半個周期。ViR0S1S3S2S4C1C2VD1VD2LKL0C0C3圖327 不對稱移相全橋零電壓零電流變換器 其它軟開關技術應用及發展概況其實，為了提高對輸入電壓、負載變化的適應能力，降低開關管電壓、電流應力，減少開關損耗等目的，其它改進型的軟開關類型還有很多，也有許多問題需要討論，遠遠不是這些篇幅所能探討的。這里只簡單瀏覽相關典型軟開關電路，感興趣者可查閱相關專業資料[7]。(1) 半橋不對稱PWM變換器與全橋變換器不同，在合適的控制方案下，半橋電路也可以組成不對稱ZVS變換器，但無法構成ZVZCS電路。它可以實現開關管的零壓切換，且在寬負載和輸入電壓范圍實現恒頻PWM調節。(2) 有源與無源軟開關一般的軟開關，分為有源和無源兩種。傳統的軟開關要附加有源器件（如開關）及控制電路，近幾年逐步開始開發無源軟開關，從而促進了電路的簡化和開關電源的成本降低。這項技術的關鍵是用簡單的電路結構來實現dv/dt、di/dt的降低，從而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除電路中的有源部分。(3) DC/DC變換器DC/DC變換器實際上就是前面講到的各類變換器。只是去掉開關電源的輸入電路及部分輸出整流器件，形成簡單的DC/DC轉換模塊。這類器件目前取得了較大范圍的應用，使得用戶可以簡單地構件自己的電源系統。(4) 軟開關逆變器借用軟開關的概念，在全橋電路上適當改進，可以構成軟開關全橋有源逆變器電路。所以，軟開關技術的應用不僅僅限于開關電源本身，其它類似功率變換電路也可以借用這個技術，而實現功率器件的軟開關，從而降低損耗，提高效率。典型的如變頻器、電機保護器。(5) 三電平電路在大功率高電壓變換電路中，管子的電壓應力必須盡量降低。因此，研發了所謂三電平電路。通過增加“變換電感”和電容器件，達到降低電壓應力的目的。這個方案可以使開關管電壓應力降低到輸入直流電壓的一半。(6) 其它電路及發展方向變換器電路實際還有很多問題需要討論，我們在有限的時間內不可能完全涉及。變換器目前的發展大體有如下兩個主要趨勢：① 朝高功率密度、大電流發展。以滿足高功率電源需要。② 朝低壓發展，以滿足低損耗系統的需要。目前在1VDC電源方向展開了一系列研究。4． 開關電源設計 開關電源集成控制芯片目前，集成開關電源控制芯片技術已經十分成熟，為開關電源的制造帶來極大便利，并促進了成本的下降。這類芯片含有：MOS智能開關、電源管理電路、半橋或全橋逆變器、PWM專用SPIC、線性集成穩壓器、開關集成穩壓器等。此次設計開關電源使用的電源控制芯片是：M51995AFP。下面介紹這種芯片。M51995AFP是M51995AP的擴展，M51995AP的管腳排列見圖41，各引腳定義如下：圖41 M51995AP管腳排列圖COLLECTOR：半橋電路輸出集電極Vout：半橋電路輸出EMITTER：半橋電路輸出發射極VF：VF控制端ON/OFF：工作使能端OVP：過壓保護端DET：檢測端F/B：電壓反饋端T－ON：計時電阻ON端CF：計時電容端T－OFF：計時電阻OFF端CT：斷續方式工作檢測電容端GND：芯片地CLM－：負壓過流檢測端CLM＋：正壓過流檢測端圖42 M51995APF管腳排列圖(1) 芯片特性：M51995AFP是MITSUBISHI公司推出的專門為AC/DC變換而設計的離線式開關電源初級PWM控制芯片。該芯片內置大容量半橋電路，可以直接驅動MOSFET。它不僅具有高頻振蕩和快速輸出能力，而且具有快速響應的電流限制功能。它的另一大特點是過流時采用斷續方式工作，具備過流及短路保護功能。芯片的主要特征如下：500kHz工作頻率；輸出電流達2A，輸出上升時間60μs，下降時間40μs；起動電流小，典型值為90μA；起動和關閉電壓間壓差大：起動電壓為16V，關閉電壓為10V；改進半橋電路輸出方法，穿透電流小；過流保護采用斷續方式工作；用逐脈沖方法快速限制電流；具備欠壓、過壓鎖存電路。(2) 推薦使用條件：電源：1236V。工作頻率：小于500KHz。振蕩頻率設置電阻：Ron：1075K，Roff：230K。(3) 特性圖及簡介：這里，有選擇地介紹該器件的主要特性。① 功率/溫度特性：它由功率上限、溫度上限、及負溫度特性的斜線組成。低溫區（25℃以下），主要受最大功耗限制，高溫區（85℃以上）受最高允許溫度限制。2585℃區域，呈負溫度特性。芯片使用應控制在這個范圍內。② Icc/Vcc特性：Icc、Vcc指電源電流、電壓的關系。該特性具有滯回特性，即開啟電壓比關閉電壓高。前者為16V，后者為10V。而且，頻率越高，芯片電流相對越大。③ 振蕩頻率/溫度特性該芯片內置了一個振蕩元件需要外接的振蕩電路，該電路頻率將隨溫度變化而呈現負溫度特性。④ 占空比/溫度特性占空比隨溫度變化不大，略成負溫度特性。實際上，溫度會影響很多器件的特性，對精密電路，這種影響是必須考慮的。⑤ 輸出高電平/拉電流特性這是芯片工作在灌電流/低電平狀態的特性。該器件額定電流為2A。⑥ 輸出低電平/灌電流特性這是芯片工作在拉電流/高電平狀態的特性。圖43 占空比F/B輸入電流曲線⑦ 占空比F/B輸入電流特性這個特性反應了電源反饋電流和占空比的關系。在小電流區，占空比基本不受反饋電流的影響，二者呈線性關系。反饋信號越強，占空比越低。利用這個特性，可以有效地實現反饋調節過程。(1) 芯片結構：M51995AFP的原理結構：它主要由振蕩器、反饋電壓檢測變換、PWM比較、PWM鎖存、過壓鎖存、欠壓鎖存、斷續工作電路、斷續方式和振蕩控制電路、驅動輸出及內部基準電壓等部分組成。(2) 芯片應用原理分析：① 振蕩器(a) 振蕩器原理：振蕩電路的等效電路如圖44所示。CF電壓由于恒流源的充放電而呈三角波。圖44 振蕩器等效電路Ron：充電電阻，Roff：放電電阻，Cf：計時電容如圖44，由內部充放電控制信號來控制對CF進行充放電。充電電流由Ron控制，放電電流由放電電阻Roff控制。(b) 振蕩器相關計算與分析：在斷續方式和振蕩器控制電路不工作時，有關數據核算關系為： 占空時間： （41）死區時間： （42）實際振蕩周期為二者之和。其中，。圖45 振蕩器波形圖芯片輸出脈寬為三角波的上升時間，而輸出關斷時間（死區時間）則為三角波的下降時間。當發生過流時，斷續方式和振蕩控制電路開始工作，此時T－off端電壓依賴于VF控制端電壓，振蕩器死區時間將延長。占空時間 （43） 死區時間 （44）實際振蕩周期為二者之和。其中，。 當，取；當,取；，取實際值。所以當時振蕩器的工作和沒有發生過流時一樣。此時的振蕩波形，除啟動時，三角波從零開始以外，穩態時與圖45類似。(c) VF端的應用方法：通常使VF端電壓正比于變換器的輸出電壓，這樣當發生過流而使輸出電壓變低時，VF也變低，使得Cf放電電流減小，死區時間（放電時間）也相應變長，從而進一步降低占空比。 當然，這個VF端反饋電壓也可以通過隔離變壓器的相關繞組分壓后獲得。 圖46 正激式變換器中VF端的應用② PWM比較鎖存部分圖47為PWM比較和鎖存部分的電路圖：圖47 PWM比較和鎖存F/B：電壓反饋端，E點OSC是振蕩電路產生的矩形波，高電平時對應充電，低電平對應放電。 從圖可以看出，A點電位與F/B波動規律相同，A點電位與振蕩三角波比較后鎖存，并與從振蕩器輸出的控制信號邏輯組合后輸出。故B、C、D、E各點的邏輯關系為：D點在三角波高出A點反饋時為高電平，低于A點時為低電平。B=D*E，可以得到B點波形。C=B*E，從而得到C點輸出波形。電源輸出越低，反饋電壓VF/B越高（IF/B小），C點波形脈沖越寬，該信號經過反向后，送芯片輸出開關管基極。這樣電源輸出開關管得到的基極激勵信號正好與電源輸出構成負反饋關系，實現了對電源輸出的調節。③ 輸出電路芯片輸出電路應該有優良的灌電流和拉電流能力，以便驅動MOSFET。半橋電路恰好滿足了這一點，但它的穿透電流比較大。這樣將引起IC電流的增大，增加芯片損耗，并增加噪聲電壓。該芯片通過改進的半橋電路，穿透電流由常規的1A左右降低到了100mA。 圖48 輸出電路從邏輯關系看，輸出電路是在比較和鎖存電路的C點輸出高電平期間開通（芯片輸出高電平，電源開關管導通），從而觸發電源電路輸出的。因此，當電源電壓變低時，F/B反饋電壓越高（IF/B小），C脈沖越寬，輸出時間越長，從而使電源電壓回升；反之亦然。④ 電流限制電路如果A點波形和三角波的上升沿相交之前電流限制端CLM＋或CLM－的電壓超過閾值（＋200mV/－200mV），過流信號將使輸出截止并且這個截止狀態持續到下一個周期。實際上該信號控制的狀態在接下來的死區時間里被復位，所以電流限制電路在每個周期都可以起作用，被稱為“逐脈沖電流限制”。實際應用電路為了消除寄生電容引起的噪聲電壓的影響，需要使用RC組成的低通濾波器。 建議電阻采用范圍10100，以保證CLM端合適的輸入電流。⑤ 斷續方式和振蕩控制電路當CLM端達到閾值時，電流限制電路將以脈沖形式發出電流限制信號，在Vout輸出高電平期間，電流限制鎖存電路輸出高電平，用于控制下級電路。同時，斷續方式和振蕩控制電路開始工作，即輸出高電平。圖49為時序圖。另一種情況就是VF端反饋電壓低于3VDC時，該電路啟動工作。圖410給出的是非斷續時的時序圖。對照兩個圖形，可以看出該電路的工作方式。圖49 斷續方式和振蕩控制電路時序圖410 非斷續方式下電路各點信號時序⑥ 斷續方式工作電路在斷續方式和振蕩控制電路輸出為高電平或VF端電壓（間接反映Vout）下降到低于約3V的臨界值時，斷續方式電路開始工作。圖411為斷續方式電路的原理圖。當VF端電壓高于（來自斷續方式和振蕩控制電路）時，晶體管V導通，CT端電位接近于GND；當VF端電壓低于（過載斷續情況）時，晶體管V截止，CT將被充放電。SWA閉合而SWB斷開時，CT被120μA的電流充電，SWB閉合而SBA斷開時，CT被15μA的電流放電，所以CT端呈三角波。只有在CT端電壓上升期才會產生輸出脈沖。CT端的三角波頻率要遠遠低于開關振蕩頻率。這樣功率電路中包括次級整流二極管在內的元器件可被有效保護，以防過流引起的過熱。圖411 斷續方式工作電路圖⑦ 電壓檢測電路DET端可被用來控制輸出電壓。DET端和F/B端之間的電路與并聯型可調電壓基準芯片431非常相似。DET和F/B端具有反相特性，它們之間應接以串接的電阻和電容以利相位補償。由于兩點電位不同，絕不要只接電阻。加電容則不同，因為電容有隔直能力。DET端不用時，可以接地。圖412 檢測電路等效圖⑧ ON/OFF電路部分ON/OFF端子用來開關芯片工作。由于Q4基極接了恒流源，它具有遲滯特性，所以，即使外電路信號變化緩慢，也不會出現誤動作。在過壓保護（OVP）及OFF狀態下，芯片的工作電流均由起動電路提供。ON/OFF端為低電平時芯片才工作。圖413是建議的外部連接方法。圖中的開關可以用晶體管或光耦管代替。如果無須控制芯片工作時，ON/OFF端可以直接接地。圖413 ON/OFF外部電路⑨ 過壓保護（OVP）電路OVP端子用來實現過壓保護，并具有遲滯特性。QQ3構成正反饋電路。當OVP端高于750mV的閾值電壓時芯片進入過壓保護狀態（OVP），芯片被停止。為了復位，須使OVP端電壓低于閾值或使VCC低于OVP復位供電電壓（典型值為9V）。恒流源I2在OVP不操作時，大約為150μA，操作時減少到2μA。但必須輸入大于I2約800μA到8mA的電流，才能觸發OVP工作。在OVP作用期間，Icc應該至少提供20μA電流，這可以靠適當設置R1偏置來實現。如果需要OVP電位一直保持，則在OVP和地之間不要接電容。 開關電源電路分析該電路實際上是一個比較簡單的普通PWM開關電源電路。脈沖寬度的自動調節取決于反饋電平與振蕩器三角波的比較。 它是一個正激式隔離開關電源電路。隔離變壓器包括三個繞組，即原邊、副邊及第三繞組。第三繞組為芯片提供啟動電路電源。 從整個電路結構看，它使用了最簡單的單管結構。開關管使用了MOSFET器件，開關管型號：2SK1939（2501），富士電機產品，N溝道，電壓600V，8A，功率100W。 電路