毕业设计----开关电源设计.doc

绪 论随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制ic和mosfet构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。直流稳压系统，即稳压电源，是各种电子电路的动力源，被人们誉为电路的心脏。人所皆知，所有的用电设备，包括电子仪表、家用电器、工业用电器设备等，对供电电压都有一定的要求。例如，有的电视机要求220v的电网供电电压变化不能超过10%，即从198v到242v之间。如果超出这个范围，电视机就不能正常收看，甚至会因电压过高而烧坏电视机。至于精密电子仪器，对供电电压保持稳定不变的要求就更加严格。为解决用电设备要求供电稳定，而是点电网又难以保证的供求矛盾，人们便研制了各种各样的稳定电源。所谓 “稳定”是指电压或电流的变化小到可以允许的程度，并不是绝对不变的。稳压问题的提出，可追溯到19世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压器。到20世纪初，就已经出现了铁磁稳压器及相应的技术文献。电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器，20世纪40年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压器，至今还在应用中。20世纪50年代，随着半导体工业的飞速发展，晶体管的诞生使串联调整型晶体管稳压电源成了直流稳压电源的中心，这种局面一直维持到20世纪60年代中期。这种电源虽然性能优良，但它的最大的弱点是由于功率调整管与负载串联，并且晶体管工作在线性区域。稳压器的输出电压调节与稳定借助于功率调整管上电压降的调整来实现，因而在输出电压低、电流大的场合，效率非常低且功率晶体管发热也很严重，散热变成了很大的问题。随着半导体技术的进步，电子设备开始从分立元件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的问题日益显露。20世纪60是年代后期，科技工作者对稳定电源技术进行了一次新的总结，是开关电源和可控硅电源得到了快速的发展。与此同时，将稳压器的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压器也在不断发展。从1967年美国bob widlar发明了第一块集成稳压器a723至今，集成稳压器种类之多，系列之全使人们刮目相看。简述之，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源都是由开关电源担任的；要求供电电压高，电流大的设备的电源有可控硅电源代之；要求控制电电流小，电压低的仪器仪表会家用电器都采用集成稳压器。至于一些对电源稳定度要求很高的精密测量仪器或在其他高电压，小电流的供电场合，仍摆脱不了串联型晶体管稳压电源。除稳压电源外，稳定电源还包括稳流电源。稳流电源的功能是稳定负载电流。因为在实际生活中，有一些用电设备要求流过的电流保持稳定。对稳流电源的研究比稳压电源晚一些，但就其工作原理来说，稳流电源和稳压电源很相似。完全可以说，稳流实质上是稳定某一个负载电流成比例的电压。如果这个电压稳定，与之成比例的电流自然也就稳定了。这样，让负载电流流过一个可以认为是不变的精密电阻，在精密电阻上产生的电压与负载电流成比例，想办法是这个电压稳定，负载电流也就稳定了。不过，在具体作时，稳流电源比稳压电源要复杂些，问题还要多一些。 现代电子设备使用的稳压电源按工作方式大致可分为线性稳压源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压源，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源主要缺点是变换率低，一般只有百分之三十五到百分之六十左右。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积较大的散热器。因此，它的应用受到了很大的限制。开关稳压电源的调整管工作在开关状态。主要优点就是变换效率高，可达百分之七十到百分之九十五。体积小，重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小，稳压范围宽，对电网造成污染小，而且滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。本设计即是利用开关稳压电源的诸多优点来实现直流稳压系统的设计。应用pwm脉宽调制技术，采用现代新型电力半导体器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistorigbt)作为本稳压系统的调整管，其具有耐压高，电流容量大，开关频率高，损耗小等特点。第1章 开关电源的分类及发展趋势1.1 开关电源的分类 开关电源技术领域主要有两大突破口，相关电力电子器件的开发与开关变频技术创新，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为ac/dc和dc/dc两大类，dc/dc变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ac/dc的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 1.1.1 dc/dc变换 dc/dc变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1） buck电路降压斩波器，其输出平均电压uo小于输入电压ui，极性相同。 （2） boost电路升压斩波器，其输出平均电压uo大于输入电压ui，极性相同。 （3） buck-boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，极性相反，电感传输。 （4） cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压uo 大于或小于输入电压ui,极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得dc/dc发生了质的飞跃，美国vicor公司设计制造的多种eci软开关dc/dc变换器，其最大输出功率有300w、600w、800w等，相应的功率密度为（6、2、10、17）w/cm3，效率为（80-90）%。日本nemiclambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块rm系列，其开关频率为（200300）khz，功率密度已达到27 w/cm3，采用同步整流器（mos-fet代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 1.1.2 ac/dc变换 ac/dc变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。ac/dc变换器输入为50/60hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如ul、ccee等）及emc指令的限制（如iec、fcc、csa），交流输入侧必须加emc滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制ac/dc电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决emc电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了ac/dc变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 ac/dc变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 1.2 开关电源的选用 开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.51）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点：输出电流的选择、接地设计、保护电路的选择。 1.2.1 输出电流的选择因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： is=kif 式中：is开关电源的额定输出电流； if用电设备的最大吸收电流； k裕量系数，一般取1.51.8。 1.2.2 接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ice1000en61000fcc等emc限制，形状开关电源均采取emc电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有emc电磁兼容滤波器。如利德华福技术的ha系列开关电源，将其fg端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 1.2.3 保护电路 开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。1.3 开关电源技术的发展趋势目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的khz、用制成的khz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用r-c或l-c缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1mhz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆hz的变换器的实用化研究。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（mn-zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。smt技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的pwm开关技术进行创新，实现zvs、zcs的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成n1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。第2章 开关稳压电源的设计及应用在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在515v，电流在540a的电 源。而一般实验用电源最大电流只有5a、10a。为此专门开发了电压4v16v连续可 调，输出电流最大40a的开关电源。它采用了半桥电路，所选用开关器件为功率mos管 ， 开 关 工 作 频 率 为 50khz， 具 有 重 量 轻 、 体 积 小 、 成 本 低 等 特 点 。2.1 技术指标 （1） 交 流 输 入 电 压 ac220v 20 ； （2） 直 流 输 出 电 压 4 16v可 调 ；（3） 输 出 电 流 0 40a； （4） 输 出 电 压 调 整 率 1 ； （5） 纹 波 电 压 up p 50mv； （6） 显 示 与 报 警 具 有 电 流 /电 压 显 示 功 能 及 故 障 告 警 指 示 。 2.2 工作原理 控制电路反馈电路辅助电路emi滤波电路整流滤波电路半桥式变压器输出整流滤波图2.1 整体电源的工作框图该 电 源 的 原 理 框 图 如 图2.1所 示 。 220v交 流 电 压 经 过 emi滤 波 及 整 流 滤 波 后 ， 得 到 约 300v的 直 流 电 压 加 到 半 桥 变 换 器 上 ， 用 脉 宽 调 制 电 路 产 生 的 双 列 脉 冲 信 号 去 驱 动 功 率 mos管 ， 通 过 功 率 变 压 器 的 耦 合 和 隔 离 作 用 在 次 级 得 到 准 方 波 电 压 ， 经 整 流 滤 波 反 馈 控 制 后 可 得 到 稳 定 的 直 流 输 出 电 压 。 2.3 各主要功能描述 2.3.1 交流emi滤波及整流滤波电路 交 流 emi滤 波 及 整 流 滤 波 电 路 如 图 2.2所 示 。 图2.2 交流emi滤波及输入整流滤波电路 电 子 设 备 的 电 源 线 是 电 磁 干 扰 （ emi） 出 入 电 子 设 备 的 一 个 重 要 途 径 ， 在 设 备 电 源 线 入 口 处 安 装 电 网 滤 波 器 可 以 有 效 地 切 断 这 条 电 磁 干 扰 传 播 途 径 ， 本 电 源 滤 波 器 由 带 有 iec插 头 电 网 滤 波 器 和 pcb电 源 滤 波 器 组 成 。 iec插 头 电 网 滤 波 器 主 要 是 阻 止 来 自 电 网 的 干 扰 进 入 电 源 机 箱 。 pcb电 源 滤 波 器 主 要 是 抑 制 功 率 开 关 转 换 时 产 生 的 高 频 噪 声 。 交 流 输 入 220v时 ， 整 流 采 用 桥 式 整 流 电 路 。 如 果 将 jti跳 线 短 连 时 ， 则 适 用 于 110v交 流 输 入 电 压 。 由 于 输 入 电 压 高 ， 电 容 器 容 量 大 ， 因 此 在 接 通 电 网 瞬 间 会 产 生 很 大 的 浪 涌 冲 击 电 流 ， 一 般 浪 涌 电 流 值 为 稳 态 电 流 的 数 十 倍 。 这 可 能 造 成 整 流 桥 和 输 入 保 险 丝 的 损 坏 ， 也 可 能 造 成 高 频 变 压 器 磁 芯 饱 和 损 坏 功 率 器 件 ， 造 成 高 压 电 解 电 容 使 用 寿 命 降 低 等 。 所 以 在 整 流 桥 前 加 入 由 电 阻 r1和 继 电 器 k1组 成 的 输 入 软 启 动 电 路 。 2.3.2 半 桥 式 功 率 变 换 器 该 电 源 采 用 半 桥 式 变 换 电 路 ， 其 工 作 频 率 50khz，图2.3为半桥型变换器的电路图。当s1和s2轮流导通时，一次侧将通过电源-s1-t-c2-电源及电源-c1-t-s2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经l、c滤波，送给负载。图2.3 半桥式变换电路2.3.3 功 率 变 压 器 的 设 计 （1） 工 作 频 率 的 设 定 工 作 频 率 对 电 源 的 体 积 、 重 量 及 电 路 特 性 影 响 很 大 。 工 作 频 率 高 ， 输 出 滤 波 电 感 和 电 容 体 积 减 小 ， 但 开 关 损 耗 增 高 ， 热 量 增 大 ， 散 热 器 体 积 加 大 。 因 此 根 据 元 器 件 及 性 价 比 等 因 素 ， 将 电 源 工 作 频 率 进 行 优 化 设 计 ， 本 例 为 fs=50khz。 （2） 磁 芯 选 用 选 取 磁 芯 材 料 和 磁 芯 结 构 选 用 r2kb铁 氧 体 材 料 制 成 的 ee型 铁 氧 体 磁 芯 。 其 具 有 品 种 多 ， 引 线 空 间 大 ， 接 线 操 作 方 便 ， 价 格 便 宜 等 优 点 。 确 定 工 作 磁 感 应 强 度 bm r2kb软 磁 铁 氧 体 材 料 的 饱 和 磁 感 应 强 度 bs=0.47t， 考 虑 到 高 温 时 bs会 下 降 ， 同 时 为 防 止 合 闸 瞬 间 高 频 变 压 器 饱 和 ， 选 定 bm=1/3bs=0.15t。 计 算 并 确 定 磁 芯 型 号 磁 芯 的 几 何 截 面 积 s和 磁 芯 的 窗 口 面 积 q与 输 出 功 率 po存 在 一 定 的 函 数 关 系 。对 于 半 桥 变 换 器 ， 当 脉 冲 波 形 近 似 为 方 波 时 为 （式2-1）式 中 ： 效 率 ； j 电 流 密 度 ， 一 般 取 300 500a/cm2； kc 磁 芯 的 填 充 系 数 ， 对 于 铁 氧 体 kc=1； ku 铜 的 填 充 系 数 ， ku与 导 线 线 径 及 绕 制 的 工 艺 及 绕 组 数 量 等 有 关 ， 一 般 为 0.1 0.5左 右 。 各参数的单位是：pww，scm2，qcm2，bst，fshz，ja/cm2。取pw=640w，ku=0.3，j=300a/cm2，bs = 0.15t。代入式2-1得 =4.558cm4 由 厂 家 手 册 知 ， ee55磁 芯 的 s=3.54 cm2,q= 3.1042 cm2,则 sq=10.9 cm4。 （3） 计 算 原 副 边 绕 组 匝 数 按 输 入 电 压 最 低 及 输 出 满 载 的 情 况 （ 此 时 占 空 比 最 大 ） 来 计 算 原 副 边 绕 组 匝 数 ， 已 知 umin=176v 经 整 流 滤 波 后 直 流 输 入 电 压 udmin=1.2 176=211.2v。对 于 半 桥 电 路 、 功 率 变 压 器 初 级 绕 组 上 施 加 的 电 压 等 于 输 入 电 压 的 一 半 , 即 upmin=udmin/2=105.6v， 设 最 大 占 定 比 dmax=0.9， 则 次 级 匝 数 计算 时 取 输 出 电 压最 大 值 uomax=16v。 次 级 电 路 采 用 全 波 整 流 ， us为 次 级 绕 组 上 的 感 应 电 压 ， uo为 输 出 电 压 ， uf为 整 流 二 极 管 压 降 ， 取 1v。 uz为 滤 波 电 感 等 线 路 压 降 。（4） 选 定 导 线 线 径 在 选 用 绕 组 的 导 线 线 径 时 ， 要 考 虑 导 线 的 集 肤 效 应 ， 一 般 要 求 导 线 线 径 小 于 两 倍 穿 透 深 度 ， 而 穿 透 深 度 由 （式 2-2）决 定 （式2-2）式 中 ： 为 角 频 率 ， =2 fs； 为 导 线 的 磁 导 率 ， 对 于 铜 线 相 对 磁 导 率ur=1，则u=u0ur =4p107h/m； 为 铜 的 电 导 率 ， =58 106m； 穿 透 深 度 的 单 位 为 m。 变 压 器 工 作 频 率 50khz， 在 此 频 率 下 铜 导 线 的 穿 透 深 度 为 =0.2956mm， 因 此 绕 组 线 径 必 须 是 直 径 小 于 0.59mm的 铜 线 。 另 外 考 虑 到 铜 线 电 流 密 度 一 般 取 3 6a/mm2， 故 这 里 选 用 0.56mm的 漆 包 线 8股 并 联 绕 制 初 级 共 10匝 ， 次 级 选 用 厚 0.15mm扁 铜 带 绕 制 2匝 。 2.3.4 辅 助 电 源 的 设 计 辅 助 电 源 采 用 rcc变 换 器 （ ringing choke converter） ， 见 图 2.4。 其 输 入 电 压 为 交 流 220v整 流 滤 波 电 压 ， 输 出 直 流 电 压 为 12.5v， 输 出 直 流 电 流 为 0.5a。 电 路 中 q3和 变 压 器 初 级 绕 组 线 圈 n1与 反 馈 绕 组 线 圈 n3构 成 自 激 振 荡 。 r72为 启 动 电 阻 。 q2、 r5构 成 辅 助 电 源 初 级 过 流 保 护 。 d20、 c1、 zd6、 q1、 r6、 r6构 成 电 压 检 测 与 稳 压 电 路 ， 控 制 q3的 基 极 电 流 的 直 流 分 量 ， 从 而 保 持 输 出 电 压 恒 定 ， 变 压 器 采 用 ee19、 lp3材 质 构 成 。 初 级 180匝 ， 反 馈 绕 组 5.5匝 ， 次 级 11匝 ， 初 级 电 感 量 是 2.6mh， 磁 芯 中 间 留 有 间 隙 0.4mm。 图2.4 辅助电源原理图2.3.5 驱 动 电 路 驱 动 电 路 如 附录1中所 示 。 tl494输 出 50khz的 脉 冲 信 号 ， 通 过 高 频 脉 冲 变 压 器 耦 合 去 驱 动 功 率 mos管 。 次 级 脉 冲 电 压 为 正 时 ， mos管 导 通 ， 在 此 期 间 q7截 止 ， 由 其 构 成 的 泄 放 电 路 不 工 作 。 当 次 级 脉 冲 电 压 为 零 时 ， 则 q7导 通 ， 快 速 泄 放 mos管 栅 级 电 荷 ， 加 速 mos管 截 止 。 r70是 用 于 抑 制 驱 动 脉 冲 的 尖 峰 ， r68、 d15、 r67可 以 加 速 驱 动 并 防 止 驱 动 脉 冲 产 生 振 荡 。 d17和 与 它 相 连 的 脉 冲 变 压 器 绕 组 共 同 构 成 去 磁 电 路 。2.3.6 风 扇 风 速 控 制 电 路 风 扇 风 速 控 制 电 路 见 图 2.5。 利 用 二 极 管 正 向 管 压 降 随 温 度 升 高 而 呈 下 降 趋 势的 特 性 ， 将 d1、 d2做 为 散 热 器 温 度 采 样 器 件 。 方 法 是 将 d1、 d2两 二 极 管 紧 靠 在 散 热 器 上， 当 散 热 器 随 输 出 功 率 加 大 而 温 度 升 高 时 ， 运 放 n2a正 相 输 入 端 电 平 降 低 ， 输 出 低 电 平 使 三 极 管 q1开 始 导 通 ， 风 机 上 电 压 升 高 ， 转 速 升 高 ， 最 终 到 达 最 高 转 速 。 当 负 载 较 轻 ， 使 散 热 器 温 度 低 于 50 时 ， n2a输 出 高 电 平 ， q1不 导 通 ， 辅 助 电 源 12.5v经 电 阻 rs降 压 给 风 机 供 电 ， 风 机 处 于 低 速 、 低 噪 声 运 行 状 态 。 此 电 路 可 以 提 高 风 机 工 作 寿 命 ， 增 加 电 路 可 靠 性 ， 亦 可 在 小 负 载 情 况 下 ， 减 少 风 机 带 来 的 噪 声 。 图2.5 风扇风速控制电路2.3.7 p w m 控 制 电 路 pwm控制方式是指在开关管工作频率恒定的前期下，通过调节脉冲宽度的方法来实现稳定输出。这是应用最多的方式，适用于中小功率的开关电源。2.3.7.1 零电流开关pwm变换器 图2.6 buck型zcs-pwm变换器上图是增加辅助开关控制的buck型零电流开关变换器。(1)线性阶段（s1、s2导通）：开始时，在lr作用下，s1零电流导通。随后，因uin作用，ilr线性上升，并到达ilr=io。(2)正向谐振阶段（s1、s2导通-关断）：当ilr=io时，因cr开始产生电压，vd在零电流下自然关断。之后，lr与cr开始谐振，经过半个谐振周期，ilr再次谐振到io，ucr上升到最大值，而icr 为零，s2关断，ucr和ilr将被保持，无法继续谐振。(3)保持阶段（s1导通、s2关断）：此状态保持时间由pwm电路要求而定，保持期间，uin正常向负载以i0供电。(4)反向谐振阶段（s1导通-关断、s2导通）：当需要关断s1时，可以控制重新打开s2，此时在lr作用下，s2电流为0。谐振再次开始，当ilr反向谐振到0时， s1可在零电流零电压下完成关断。(5)恢复阶段（s1关断、s2导通）：此后，ucr 在io作用下，衰减到0。(6)续流阶段（s1关断、s2导通-关断）：ucr衰减到0后，vd自然导通开始续流。由于vd的短路作用，s2可在此后至下一周期到来前以零压零电流方式完成关断。可见，s1在前四个阶段（线性、谐振、保持）均导通，恢复及续流时关断。s2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。s1、s2的有效控制产生了pwm的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。该电路的开关管及二极管均在零电压或零电流条件下通断，主开关电压应力低，但电流应力大（谐振作用）。续流二极管电压应力大，而且谐振电感在主通路上，因而负载、输入等将影响zcs工作状态。2.3.7.2 零电压开关pwm变换器uosvd1vd4llcsr0s1s2lri0vd2vd3图2.7 boost型zvs-pwm变换器上面是boost型零电压谐振变换器。在每次s1导通前，首先辅助开关管s2导通，使谐振电路起振。s1两端电压谐振为0后，开通s1。s1导通后，迅速关断s2，使谐振停止。此时，电路以常规pwm方式运行。同样，我们可以利用谐振再次关断s1，cr使得主开关管可以实现零关断。s1、s2的配合控制，实现软开关下的pwm调节。该电路实现了主开关管的零压导通，且保持恒频率运行。在较宽的输入电压和负载电流范围内，可以满足zvs条件二极管零电流关断。期缺点是辅助开关管不在软件开关条件下运行，但和主开关管相比，它只处理少量的谐振能量。 第3章 变压器工作原理 3.1 变压器工作原理变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。一种直流变压器，它是利用电容器电荷存储作用，采用机械或电子开关使电容器进行串并联的转换，升压时，并入串出；降压时，串入并出。它有两种基本工作方式即全串全并和全串单并。它可用于直流电器中的电压变换。另一种直流变压器，用机械或电子开关将电容器进行串联和并联的转换，其特征是：一组开关将电容器串联在一起，另一组开关将电容器并联在一起，两组开关分别导通和关断。 变压器工作原理：如果把两个线圈并列放置在一起，那么当其中的一个线圈通以交流电所产生的磁通切割另一线圈时，将产生感应电动势。如果将电压表跨接于这一线圈的两端，表针就会偏转，如图3.1所示。 图3.1 变压器简单工作原理改变两个线圈的圈数比就会在第二个线圈上得到不同的电压，变压器就是根据这个原理制成的一种电压变换装置。将初级线圈和次级线圈的圈数采用适当的比例，可以把电路中的电压升高或降低用公式可以的似地表示，即：初级电压（u1）/次级电压（u2）=初级圈数（n1）/次级圈数（n2）应该注意的是，任何一只变压器只能把电能由初级转移到次级，使电压升高或降低，但不能增大功率。变压器初、次级的电压之比等于次、初级的电流之比。在不考虑变压器损耗的情况下，可以说初级输入的功率等于次级输出的功率。初级的功率p1=次级功率p2可写成：u1i1=u2i2可以变成u1/u2=i2/i1变压器在电中中通常用“b”表示。 3.2 变压器分类 (1) 按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。 (2) 按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。(3) 按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、c型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、c型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。 (4) 按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。 (5) 按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。 3.3 变压器工作原理之电源变压器的特性参数 (1) 工作频率 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。 (2) 额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 (3) 电压比 指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 (4) 空载电流 变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。 (5) 空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。 (6) 效率 指次级功率p2与初级功率p1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。(7) 绝缘电阻 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。3.4 音频变压器和高频变压器特性参数 (1) 频率响应 指变压器次级输出电压随工作频率变化的特性。(2) 通频带 如果变压器在中间频率的输出电压为u0，当输出电压（输入电压保持不变）下降到0.707u0时的频率范围，称为变压器的通频带b。 (3) 初、次级阻抗比 变压器初、次级接入适当的阻抗ro和ri,使变压器初、次级阻抗匹配，则ro和ri的比值称为初、次级阻抗比。在阻抗匹配的情况下，变压器工作在最佳状态，传输效率最高。第4章 直流开关稳压电源的保护技术直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。4.1 极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管d要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否,在图4.1中的二极管之后,接指示灯。 图4.1 简单的极性保护4.2 程序保护开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电，如图4.2所示。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。图4.2 软启动电路开关稳压器的控制电路中的逻辑组件或者运算放大器需用辅助电源供电。为此,辅助电源必须先于 开关电路工作。这可用开机程序控制电路来保证。一般的开机程序是:输 入电源的极性鉴别,电压保护开机程 序电路工作辅助电源工作并通过限流电阻 r对开关稳压器的输入电容器c充电 开关稳压器的调制电路工作，短路限流电阻开关稳压器 稳定工作。在开关稳压器中,刚开机时,因为其输出电容容量大,充到额定输出电压值需要一定时间。在这段时间内,取样放大器输入低的输出电压采样,根据系统闭环调节特性将迫使开关三极管的导通时间加长,这样一来,开关三极管就会在这段期间内趋于连续导通,而容易损坏。为此,要求在开机这一段时间内,开关调制电路输出给开关三极管基极的脉宽调制驱动信号，能保证开关三极管由截止逐渐趋于正常的开关状态，故而要加设开机保护以配合软启动。 4.3 过电流保护当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时,会引起流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大,发热,若没有过流保护装置,大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小,普通保险丝一般不能起到保护作用,常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但是,需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是,根据开关稳压器的特点,这种保护电路的输出不能直接控制开关三极管,而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令,去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中,这会影响电源的效率,因此多用于小功率开关稳压器的场合。而在大功率的开关稳压电源中,考虑到功耗，应尽量避免取样电阻的接入。因此,通常将过电流保护转换为过、欠电压保护。4.4 过电压保护开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器所组成的保护电路如图4.3所示。图4.3 输入过电压保护在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻r， 使晶体管v导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。其中稳 压管的稳压值vz=esrmaxube。输入 电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性 保护鉴别与过电压保护电路。 输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5v的开关稳压器来说,它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时,开关稳压器的开关三极管突然损坏,输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值,瞬时造成很大的损失。常用的方法是晶闸管短路保护。最简单的过电压保护电路如图4.4所示。当输出电压过高时,稳压管被击穿,触发晶闸管导通,把输出端短路,造成过电流,通过保险丝或电路保护器将输入切断,保护了负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为510s。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。图4.4是改进后的电路。其中r1、r2是取样电路，vz是基准电压。 图4.4 简单的过电压输出保护输出电压esc突然升高，晶体管v1、v2导通，晶闸管就导通。基准电压vz由式来确定，ube1为v1的发射结（be）电压降。本电路的动作电压可变，并且动作点相当稳定。当稳压管为7v时，其温度系数和晶体管v1的发射结（be）电压的温度系数可以抵消，能使温度系数降得很低。但是对于输出为55.5v的直流开关稳压器来说，其常用的动作电压是 5.56v。那么稳压管电压必在3.5v以下，此电压附近的稳压管的温度变化系数是2030mv/。因此,温度变化大的场合保护电路还会发生误动作。采用集成电路电压比较器来检测开关稳压器的输出电压，是目前较为常用的方法，利用比较器的输出状态的改变跟相应的逻辑电路配合，构成过电压保护电路，这种电路既灵敏又稳定。4.5 欠电压保护输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或者输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设欠电压保护。简单的欠电压保护如图4.5所示图4.5输入欠电压保护当未稳压输入的电压值正常时，稳压管zd击穿，晶体管v导通，继电器动作，触点吸合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管zd不通，v截止，触点跳开，开关稳压器不能工作。开关稳压器内部，由于控制电路失常或者开关三极管失效会使输出电压下降；负载发生短路也会使输出电压下降。特别在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的，因而更加重要。实现方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器，如4.6所示。 图4.6欠电压保护方框图正常时，比较器没有输出，一旦电压跌落在允许值之下比较器就翻转，驱动告警电路;同时反馈到开关稳压器的控制电路，使开关三极管截止或切断输入电源。4.6过热保护开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率开关稳压器中应该设过热保护。 采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置于开关三极管的附近，一般大功率管允许的最高管壳温度是75，调节温度整定值为60。当管壳温度超过允许值后继电器就切断电器，对开关管进行保护。半导体热敏开关器件“热晶闸管”在超温保护方面有重要作用。它可以用作温度指示电路。根据p型控制栅热晶闸管(tt102)的特性，由rt值确定该器件的导通温度，rt越大，导通温度越低。当将其放置功率开关三极管附近，或在电源装置内时，它就能起到温度指示作用。当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关稳压器。它亦可以用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被n控制栅型热晶闸管tt201旁路，开关管截止，切断集电极电流,防止过热。 图4.7 过热保护结