单片机DCDC电子电路毕业设计.docx

第一章 设计概况1.1 相关信息 随着电子技术高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种，其中，开关电源分为ACAC电源、DC/DC电源、AC/DC电源和DC/AC电源。目前我国通信、家用电器等领域所使用的电源普遍是开关电源。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化和标准化，并已得到用户的认可。 开关电源SPS（Switching Power Supply）被誉为是高效节能电源，他代表着稳定电源的发展方向，现已成为稳定电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%90%，比普通线性电源效率提高了近一倍。开关电源亦称无工频变压器的电源，它是利用体积很小的变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就是为研究和开发高效率、高精度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。 开关电源时采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性地控制开关元件的通判时间和通判的频率来调整或维护输出电压恒定的装置。开关电源的输入可以是直流也可以是交流。电源是所有电器设备必不可少的动力源，只要用电就离不开电源。标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪声、及带负载时参数的变化等，涉及线性反馈、数字控制、变频调节、脉冲宽度调制技术、移项谐振、功率因数校正、驱动保护、传感采样、滤波、电磁兼容等技术。在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，因此电源的种类很多。1.1.1 开关电源的构成和发展方向 开关电源的构成框图如图11所示，由输入电路、功率变换电路、输出电路和控制电路几部分组成。输入电路包括线路滤波器、浪涌电流抑制电路及整流电路。功率变换电路时电源的核心部分，主要由开关电路及变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和它激式两种；功率变换电路分为非隔离式、隔离式和谐振式等；开关变压器因是高频工作，其铁心通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管采用开关速度高、导通和关断时间短的元件，最典型的功率开关管有功率晶体管（）、功率场效应管（）和绝缘柵双极型晶体管（IGBT）等。开关元件的导通控制分为脉宽调制、脉频调制、脉频和脉宽混合调制等，其中最主要的是脉宽调制方式（PWM）。控制电路的主要作用是向驱动电路提供矩形脉冲列，控制脉冲的宽度，从而达到改变输出电压的目的。输出电路是将高频变压器二次绕组输出的方波电压调整成单向脉动直流，并将其平滑滤波成设计要求的低纹波直流电压。 图1-1开关电源构成框图高频化、小型化、模块化、数字化、信息化及绿色电源开关是开关电源的发展方向。在电力电子技术的各种应用系统（如逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）中，开关电源技术始终处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的装置非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源，其体积和重量都会大幅度下降，而且可提高电源效率、节省材料、降低成本。（1） 高频化 高频化是小型化和模块化的基础。理论分析和实践经验表明，电器产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，目前开关频率达到数兆赫的开关电源已有使用，从节能、节约原材料方面带来显著的经济效益。（2） 模块化 模块化有两方面的含义。其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在使用方便、缩小整体提及，更重要的是取消传统连线，把计生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。另外，大功率的开关电源，一般采用多个独立的模块单元并联工作，并采用军流技术，所有模块共同分担夫在电流，一旦其中某个式小，其他模块在平均分担夫在电流。这样，不但提高了功率电容，而且通过增加功率很小的（相对整个系统来说）冗余电源模块，极大地提高系统的模块可靠性，即使出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为故障模块的修复提供充分的时间。（3） 数字化在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。但是现在数字信号、数字电路的优势变得越来越突出，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越强大的生命力便于计算机处理、控制，能够避免模拟信号的即便失真，减少杂散信号的干扰（提高抗干扰的能力），便于软件的调试和遥感、遥测、遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以在20世纪8090年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还是大有用武之地，诸如印制电路板的布图、电磁兼容（EMC）以及功率因数修正（PFC）等问题的解决，都离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，在用计算机控制时，就离不开数字化技术了。（4） 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义。首先是显著节点，这意味着发电容的降低，减少了对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染。事实上许多功率电子用电设备，往往就是对电网的污染源，如向电网注入高次谐波电流，使得供电系统总功率印数下降。世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。1.1.2 开关电源的技术动向（） 低待机损耗电源 电视机、等家用电器及传真机、复印机等办公设备在没有使用时，并不是完全切断电源。实际上，从插头接通的一刻起，他们就不停的在消耗电能，这就产生了待机损耗问题。一台电器设备的待机损耗一般只有几瓦，但大量的电器设备小时不间断的通电，这个综合就是一个不容忽视的数字。据统计，一台传真机所消耗的功率中有时代即损耗。在全球气候变暖问题日益凸现的今天，消减待机损耗更是电源研究者们的一个重要课题。经过调查发现，开关电源处于待机状态时，损耗主要是开关损耗、铁心损耗、的损耗、辅助电源的损耗等。削减待机损耗就要从这几个方面入手。开关损耗与电源的工作频率成正比，因此可以设法在党电源输出功率变小乃至进入待机状态时，使电源的工作频率降低。现在已有一些集成电路可以达到这个目的（如富士电机的控制）。输出夫在变小，使其内部振荡器的频率现行下降，结果降低了工作频率。另外，当电源处于待机状态时，使之自动进入间歇振荡控制模式，也可以减小开关损耗。在元器件选用时，还应尽量用功耗较小的，即驱动功率较小的开关管。（） 高次谐波电流的抑制 一般的开关电源都为电容输入型，这种输入电路波形成脉冲状，在这种脉冲的电流里面，除了基波分量外，还含有、等高次谐波电流占有相当的比例。这些高次谐波电流并没有被电源所转化，而是全部被返回到电网中，造成音响设备、电话网的噪音。大量的高次谐波电流使商用正弦电压的波峰处于凹陷，由此影响其它电器设备的正常工作。可以说，高次谐波电流在某种意义上与汽车尾气、工厂污水一样也是一种环境污染。限制高次谐波电路，将输入电流校正为正弦波，又很多方法可以达到这个目的。（） 谐振技术 为了使电源小型化，必须实现高频化。但是开关频率的提高使得开关损耗增加，随之而来的是噪声的增加。减少开关损耗的途径是实现开关管的软开关，写真电源利用、的谐振周期，当电源或电压经过正弦振荡下降到零时，关闭或开启开关管。前者称为零电流开关（），后者称为零电压开关（），他们可以解决上述矛盾。利用谐振技术，电源的效率得到了显著的提高，且大大地降低了电磁干扰，工作频率可以提高几兆赫，体积可以做到很小。随着专用控制的开发，利用谐振技术的软开关电源将得到广泛的应用。（） 实现低电压大电流一些计算机制造商常常学要诸如3.3V/40A,1.8V/50A,1.2V/60A输入的变换器，并要求有较高的转换效率、快速的负载瞬变响应速度。如何根据这些要求提出合理的设计方案呢？输出电压的降低，低的输出整流二极管的功耗在输入功率中所占的比重升高，导致转换效率的降低。如输出为3.3V/40A的变换器，假设输出侧为两个正向压降为的整流二极管，则二极管的功耗就可达。如果采用同步整流技术，用低导通电阻的场效应管代替整流二极管，若两个场效应管的导通电阻为毫安，那么他的功率损耗就可以降低至。若每只整流二极管处都采用两个场效应管并联来替代，则功耗可进一步降低至。理论上，采用多个场效应管并联，可以使功耗趋向于零。多相控制与传统的单相控制相比，增加了一个或多个变换通道，而且每个变换器的相位相对间隔度（n为相数）。这样使得功率分配在各通道中，提高了热性能。各个通道的输入、输出电流相互叠加，减小了波纹。降低了电磁干扰，而且可以采用更小型得输出电感和滤波电容，提高了负载的瞬变响应速度。1.2 开关电源的分类1.2.1 按负载前连接方式分类 开关电源中开关管与负载串联连接称为串联型开关电源，开关管与负载并联连接称为并联型开关电源。串连型开关电源的输出端通过开关调整管及整流二极管与电网直接相连，因电网隔离性差，整机地板带电，一般称为热板，这样不便于外界接口，如音频插口等。并联型自激式开关电源，其输出端与电网有高频变压器进行电的隔离。因此机板上除了与开关变压器初级相连的开关电源部分外，其余均不带电，称为冷板。其安全性好，也容易与外界接口，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出。1.2.2 按稳压控制方式分类 开关电源的调节稳压是通过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为T，在一个周期内，导通时间为ton ,则占空比定义为D=ton /T.在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种：即脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PWM）。在脉冲宽度控制中，保持开关频率（开关调节周期T）不变，通过改变ton 来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。即D越大，滤波后输出电压也就越大；D越小，滤波后输出的电压就越小。在频率控制方式中，保持导通时间ton不变，通过改变频率（即开关周期T）而改变占空比。由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。1.2.3 按激励方式分类 开关调整管的启动所需要的激励信号来自开关电源外的称为它激式，若由于自激振荡产生激励的称谓自激式。一般它激式都是出行逆程脉冲作为开关调整管导通的激励信号，部分自激式开关电源为了使震荡频率与行频率同步，也采用了行逆程脉冲作为触发电平。目前应用最多的是采用PWM控制的自激式并联型开关电源。1.2.4 按输入电压方式分类 按输入电压方式开关电源分为AC/DC和DC/DC两大类。AC/DC变换是将交流变换为直流即整流。控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相、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。DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也成为直流斩渡，有Buck电路-降压斩波器，Boost电路-升压斩波器，Cuk电路升降压斩波器。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。1.3 开关电源的应用随着电力电子技术的发展，特别是大功率MOSFET管技术的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到150200KHz ，这是的功率损耗更小，电源的效率可达90%-95% 。用高频变压器取代工频变压器可大大减小体积，降低重量；同时输出电压纹波降低到0.05% 以内，稳定度可达0.5% -1% ，抗干扰能力强而且智能化程度高。因为这些优良的特性，高功率开关电源主要应用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术涌涌领域中。电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上，体积和重量只有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要用用于家电、IT等领域，如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。1.3.1 通信电源 通信业的迅速发展极大地推进了通信电源的发展。变频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器成为一次电源，而将直流-直流（DC/DC）变化器成为二次电源。 一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代，它通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50100KHz范围内，实现了高效率和小型化。近几年，一次电源的功率容量不断扩大，单击容量已从48V/12.5A扩大到48V/200A、48V/400A。 通信设备计算速度的不断提高。使得时钟频率不断提高，所用集成电路的种类繁多，其电源电压要求也各不相同，通常超过十种，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压（一般为48V直流）变换成所需要的各种直流电压。这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。1.3.2 高频逆变式蒸馏焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流（AC-DC-AC-DC）变换的方法。 50Hz 交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变程20KHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变换之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器作为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统作出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源的可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60% ，全载电压6070V，重量29Kg。1.3.3 大功率开关型高压直流电源 大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、木质改良、医用X光和CT机等大型设备。电压高达50159KV，电流达到0.5A以上，功率可达100KW。自从上个世纪70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术。将是电整流后逆变为3KHz左右的中频，然后升压。进入80年代。高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主要开关元件，将电源的开关频率提高到20 KHz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。 国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到55V，电流达到15mA 。工作频率为25.6KHz 。1.4 电力操作电源 在上个世纪90年代前。电力操作几乎全部选用相控电源，即采用可控硅整流充电设备，由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意，监控系统也不够完善，尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控，对直流系统的性能和可靠性要求更高，因此90年代之后更新换代为开关电源。变电所中的电力操作电源保证可靠供电必不可少的，它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。他的性能优势直接关系到变电所的正常安全供电，进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后，输入电压精度高，其输出纹波系数从2%提高到0.1% ，而电源稳定、稳流精度从2% 减小到0.5% ，能够保证对蓄电池的平稳充放电，延长了电池的使用寿命。由于采用模块化结构和N+1备份方式，可根据实际负载容量的大小，选择合适的整流模块数量。当1台电源故障时，只需要将该模块推出检修，而其它模块仍可以继续运行满载保证系统充电容量的前提下，为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统，其备件需要1个同样大小的硅整流模块，而改用高频开关后，只需被12个高频开关单元就可以了，减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于0.9，而常规整流功率因数仅为0.7左右，对同样的负载，采用高频开关模块可节省输入功率30%。第二章 构成开关电源的电路2.1 开关电源的整流电路在开关电源中有两个蒸馏电路，其一是直接与市电电源连接的工频整流电路，另外一个是对变压器次级高频电压进行整流的电路。两者的电压大小、工作频率有很大的差别，所以对整流器件的要求也有很大的不同。2.1.1工频整流和滤波电路工频整流电路一般为不可控整流电路，根据电源容量的大小，可以使单相整流，一般选用单相桥式结构，大容量的开关电源可用三相交流电源，整流电路可用三相半波和三相桥式不可控整流电路。整流电路中二极管额定电压和通态平均电流的选取与一般整流电路相同。小功率单相整流电路可用全桥或半桥整流模块。整流器件在满足额定电压和通态平均电流的前提下没有其他特殊的要求。二极管蒸整流后的滤波电路为电容滤波，使用大容量的电解电容一般几百、几千f 甚至更大。因为大容量的电解电容都存在着较大的等效电感，对于高频电流成分的通过有较大的阻碍作用，所以经常有一个容量较小的其他结构的电容与电解电容并联，为电流中的高频成分提供通路，改善滤波效果。现在的一些新型开关电源的工频整流电路采用高频整流这种全新的形式，有兴趣的读者可阅读有关资料。2.1.2 半波、全波和桥式整流输出端的整流电路是把来自高频变压器次级的电压转换为直流，所用的整流器件必须对频率的要求。整流电路的接线形式与变换器的形式有关（回扫式），此时整流电路只能用半波整流结构，因为变换器只有半个周期输出能量。 （a）单端正激 (b)单端反激图2-1单端变换器的半波整流电路如果开关电源中的逆变电路为桥式、半桥式或推挽式，逆变器生成的交流电压在两个周期中都向外输出能量，所以蒸馏电路应采用全波整流或桥式整流。全波整流需要在变压器的次级绕组中设中心抽头，并且要求两半的绕组尽量对称，对于供品变压器制作起来比较麻烦所以工频整流电路中一般不采用全波整流形式。但是工作频率达到20KHz以上的高频变压器一般绕组匝数比较少，结构比较简单，增加中心抽头比较容易，而且全波整流与桥式整流效果相同却减少了两个二极管，所以这种形式比较常用。全波整流电路的原理图如图2-2图2-2全波整流电路2.1.3 倍流整流在开关电源的高频整流电路中，还有一种倍流整流电路被采用，电路原理图如图2-3（a）所示 (a)电路原理图 (b)波形图图2-3倍流整流电路设变压器次级电压u2 为方波，在电路稳定工作状态电感L1和L2中电流保持连续。其工作原理分析如图中的t 0 t1 段，变压器次级电压u2为正，二极管VD1导通，电路中有两个导电回路，其一是VD1 负载L2变压器次级VD1 。另一条是VD1 负载L1 VD1 。由于L2 回路中有电源，L2 从电源u2获得能量，所以i l 2线性上升。L1 的回路中没有电源，L1 释放能量，使得IL1 下降。如果此时变压器次级电压的幅度为U2，则电感L2 中的电压为ul2=U2_U0 ,电感L1 中的电压为ul1=U 0 .此阶段的持续时间为ton 。 当变压器次级电压u 2为0时，由于电感的储能作用，iL1 、iL2 都不为0，分别通过VD1、VD2与负载形成回路，由于电感释放能量，iL1 、iL2 线性下降。此过程对应图中的t 1t 2段，持续时间为t off。此阶段uL1=uL2 =U0。 根据电感两端无直流电压降的原则，下式应该成立 U2-U0t on=U 0t off 令工作周期Ts为 Ts =ton+toff占空比为 D=toffTs负载电压U0与变压器次级电压的幅度U2之间的关系为 U0=DU2 倍流整流电路的两个电感中始终有电流同时供给负载，所以比同容量的恶桥式整流电路有更强的电流输出能力。就电感来看，当其与电源、负载串联形成回路时，电感从电源获得能量的补充，此时电源在补充电感能力的同时还向负载供给能量。当电感仅与负载形成回路时，电感向负载释放能量。倍流整流电路的主回路也为桥式结构，但是任何导通回路都只有一个二极管串联其中，而不像一般桥式电路那样有两个二极管串联在回路中，因此由于二极管导通压降造成的电压损失更小。在输出电压低、电流大的工作状态，可以大大地减少功率损耗提高效率。2.1.4 同步整流 同步整流的目的是尽可能地减少整流器件的通态压降造成的整流电压的损失。前面讲到的倍流整流能够减少整流元件的直流电压降，但整流回路中仍串联一个导通着的二极管。如果输出电压比较高，这个压降比输出电压小的多，是不会造成很大的不良影响的。但在一些输出电压很低、输出电流又很大的场合，即使二极管的导通压降仅有零点几伏也会造成很大功率损耗。因此寻找一种导通压降小得整流器件对降低电源的功耗是非常有利的。低电压的MOSFET的导通压降比二极管要低得多，用来做整流器件可以达到上述目的。图2-4是用低电压MOSFET组成的全波式整流电路，用低电压MOSFET 也可以组成其它类型的整流电路，如半波、倍流等。图2-4用MOSFET组成的整流电路MOSFET为可控器件，其进行整流必须配以相应的控制和驱动。对于全波整流，简单的方式是直接在变压器的次级增加绕组，如图2-5( a)所示。在普通全波整流变压器次级绕组的基础上再增加两个绕组，同名端如图，在变压器次级电压为正时，所有绕组的“ ”端为正，最上部得绕组为VT1提供驱动电压其导通，加在VT2栅极和源级之间的绕组为VT2的栅极家反向电压，VT2不能导通。同样，当变压器次级电压为负时，各绕组的“”端为负，VT2的栅极获得正向驱动电压而导通，VT1栅极的电压为负，不能导通。这种驱动方式MOSFET的驱动信号与变压器次级电压保持严格地同步，效果很好，另外这种电路结构简单，所以常被设计者采用。 (a)全波整流 (b)倍流整流图2-5同步整流的驱动图2-5（b）是倍流整流电路的MOSFET驱动电路，两个MOSFET的栅极电压分别取自变压器次级绕组的两端，当该变压器次级绕组上端电压为正时，经电阻R2、稳压管VW2为VT2提供正向栅极电压，使其导通。此时VT1的栅极为负电压，不能导通。如果变压器次级电压下端为正，VT1导通，VT2截止。2.2 开关电源的逆变电路开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的直流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。一些小功率的开关电源是通过单端式DC-DC变换器来实现的，如第四章介绍的单端正激、单端反激式直流变换器，属于斩波器的一部分。但多数开关电源的主电路中，工频整流滤波之后有一个逆变电路，将高压直流电能变换成高频、高压交流电能，然后在对其进行降压和整流最终得到负载所需的直流电压。开关电源中常用的逆变电路的形式为半桥式、全桥式、推挽式，如图2-6所示。 (a)半桥式 (b)全桥式(c)推挽式图2-6逆变电路的形式图2-6（a）为半桥式电路，输入直流电压U，电容C1、C2容量相等，使得两者的连接处的电位为电源电压的一半。并且C1、C2的容量足够大，在电路工作时两端的电压无明显的变化，一直保持U2。开关器件VT1、VT2（图中为晶体管，也可采用其它功率开关器件）的通断规律为：，每个开关周期为Ts ，第一开关周期仅为VT1工作，VT2保持截止状态，第一个周期中的VT1的导通持续时间为t on ,关断的时间为toff,toff +ton=T s。第二个周期中VT1保持截止状态，VT2的导通持续时间为ton,关断时间为toff。VT1、VT2交替工作。VT1导通时变压器初级绕组的电压为U2，VT2导通时变压器的初级绕组的电压为-U2，其波形如图2-7所示。图2-7变压器初级电压的波形由图可以看出，变压器初级电压经整流后其平均值为 U0，=DU/2式中D=t on/Ts-占空比如果变压器的变比K，则次级变压器整流后的直流输出为 U0=kDU/2 不难看出，VT1、VT2不能同时导通，否则会使直流电源短路。半桥电路结构简单，只有两个开关器件，不但降低了主电路的成本，控制电路也会因之有较大的简化，变压器也只有两个绕组，容易制作，所以在小功率开关电源中被广泛应用。图2-6（b ）为全桥式电路，输入直流电压仍为U，与一般桥式电路一样，电路工作时，在一个工作周期中VT1、VT4同时导通，此时VT3、VT2应关断，下一个周期中则是VT1、VT4同时关断，VT3、VT2同时导通。VT1、VT4同时导通时变压器初级的电压为U，而VT2、VT3同时导通时变压器初级电压为-U。变压器初级电压的波形与半桥电路相似，区别仅是电压的幅度为U而不是U/2。由此可以推知，逆变电路输出电压经变压器降压和整流后得到的直流电压为 U0 =kDU图2-6（c）为推挽式电路，与半桥电路一样主电路也是只有两个开关器件，但是其变压器的初级有中心抽头，而且要求抽头两侧的绕组要尽量对称。电路工作时也是VT1、VT2交替导通。VT1导通时，电流从电源的正极输入变压器初级绕组的中心抽头，流经变压器绕组的上半部分，从“”端流出，经VT1的集电极、发射极回到电源的负极。经变压器的降压作用，次级绕组的电压为U2。在VT2导通时，电流仍从直流电源的正极流入变压器初级绕组的中心抽头，但流经变压器绕组的下半部分，即从“”端 流入，另一端流出。然后经VT2的集电极、发射极回到电源的负极。经变压器的降压作用，此时次级绕组的电压为-U2。如果假设电子开关的导通持续时间为ton ,关断时间为toff,ton+toff=T s。在第一个开关周期Ts中为VT1工作，VT2保持截止状态，VT1的第二个周期中为VT2工作，VT2保持截止状态。变压器次级电压的波形与全桥式电路完全相同，变压器次级电压经整流后得到的直流电压也与全桥电路一致，可用式（2-7）来计算。比较全桥式和推挽式两种电路，全桥式电路需要4个电子开关器件，不仅主电路成本会提高，控制电路也会相应地复杂，而推挽电路的主回路有2个开关器件，相对简单一些。但是推挽电路的变压器相对复杂。另外，从电路结构上可以看出，全桥式电路电子开关承受的最大电压既是直流电源电压，而推挽电路在一个开关器件截止而另一个导通时，截止的器件承受的电压为初级两个绕组电压之和，为直流电源电压的2倍，在工作电压较高时，会较大地增加电子开关的成本。第三章 SG3525芯片3.1 SG3525 芯片介绍SG3525脉宽调制控制型控制器是美国通用电气公司的SG系列的第二代产品，最为SG3525的改进型，更适合运用于以MOS管作为开关器件的变换器，它采用双极型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少，管脚比较少只有十六脚，而且功能比较齐全。3.2 SG3525驱动芯片的原理介绍它的主要特点是：输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调，每一通道的驱动电流最大值可达200mA，灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管，工作频率可达20Hz-400KHz之间，具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。该电路由准电源、振荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700。基准电压为1.5V1%，工作电压范围很宽，为8V到35V。SG3525的内部结构见下图3-1，它由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。图3-1SG3525A的结构框图SG3525的管脚功能如下：反向输入端1（ERR-）：误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db ,其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以使纯电阻，也可以是电阻性元件和电容性元件的组合。该误差放大器共模输入电压范围为1.5-5.2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压反压后与基准电压相比较。同相输入端2（SYNC）为外同步用，需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的振荡频率，可以分别他们的4脚和3脚相连，这是所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。振荡器输出端4 （OSCout） ：振荡器的脉冲输出，4脚输出频率为输出脉冲频率的2倍。振荡器电容端5 （CT）：振荡电容直接至5脚，；另一端接地端。其取值范围为0.001uf到0.1uf。正常工作时，在CT两端可以得到一个从0.6V到3.3V变化的锯齿波。振荡电阻端6 （RT）：振荡电阻一端接至6脚，另一端接至地端，RT的阻值决定了内部恒流值对CT充电。其取值范围为2K到15K RT和CT越大充电时间越大，反之则充电时间短。放电端7（DIS）：CT的放电有5、7两端的死区电阻RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽，这对于SG3525有很大的优越性，其取值范围为0欧到500欧。放电电阻RD和CT越大放电时间越长，反之则放电时间短。这样，SG3525A的振荡频率可由下面的公式进行计算： fs=1Cr(0.7RT+3RD) (3-1)软启动8（SOFTSTATR）：比较器的反相端即软启动器控制器8，端8可外接软启动电容，该电容由内部Vf 的50uA 恒流源充电。补偿端9（COMP）：在误差放大器的反相端9脚与误差放大器反相输入端1脚间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频相应特性。补偿端工作电压范围为1.5V到5.2V。关断端10（SHUTDOWN）：10端为PWM锁存器的一个输入端，一般在10端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软启动端8接的电容C被放电。一般用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端10脚，当脚10电压大于0.7V时，芯片将进行限流操作，当脚10电压超过1.4V时，将使PWM锁存器关断，直至下一个时钟周期才能够恢复。输出端11、14（OUTPUT A，OUTPUT B ）：输出末端采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11脚和14脚相位相差180，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为100ns。可以在VC处接一个0.1uf的电容滤去电压尖峰。接地端12（GND）：该芯片上的所有电压都是相对于GROUND）而言，既是功率的也是信号的。在实验电路中，由于接入误差放大器反向输入端的反馈电压也是相对于12脚而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。推挽输出电路电压输入端13（VC）：作为推挽输出极的电压源，提高输出极输出功率。可以和15脚公用一个电源，也可用更高电压的电源。电压范围是4.5V-35V。芯片电源端15（Vs ）:直流电源从15脚印如分为两路。一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.11%V的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压（Turn-off=8V）,该芯片内部电路锁定，停止工作 （基准电源及必要电路除外）使之消耗的电流降至很小（约2mV ）外，该脚电压最大不能超过35V，使用中应该用电容直接在旁路到GROUND端。基准电压端16（VREF）：基准电压端16脚的电压由内部控制在5.1V1%。可以分压后作为误差放大器的参考电压。SG3525 A在工作的过程中，振荡器通过外接的电阻RT、RD和电容Cr产生锯齿波，该锯齿波的振荡周期为最后输出驱动开关管的周期的一半。振荡器在CT脚产生锯齿波（幅值为0.63.3V）的同时，在振荡器的输出端产生时钟脉冲信号，其脉冲的宽度与锯齿波的下降沿时间相等，时钟脉冲的宽度决定上下桥臂开关管的死区间，同时作为有T触发器组成的分相器的触发信号，用来产一对方波T(Q)和T（Q）。误差放大器是一个双极差分式的放大器，经差分放大的信号ERR与振荡器输出的锯齿波UCT加至PWM比较器的正负输入端，比较器的输出调制信号UCOMPA经锁存后作为或非门的输入信号。或非门在正常工作的情况下有三个输入端：分相器的输出信号（）、（），的调制信号UCOMPA，时钟脉冲信号，或非门地输出信号和既为图腾柱电路的驱动信号。图3-2SG3525的驱动电路在如图所示SG3525 的驱动电路图中，1脚所接的电压值为变换器的输出整流波后得到的输出直流电压U0的分压，2脚接入的电压值为16脚输出的基准电压的分压值，两脚的电压值送入SG3525A内部的误差放大器。5、6和7脚所接入的电阻和电容值得大小确定了SG3525A的工作频率，其中如图所示的C1的充电时间值，值越大充电时间越长，C1和R4的值决定了C1 的放电时间，放电时间的长短可以控制输出脉冲波死区时间，所以调节R4的值就可以调节死区时间。8脚所接的电容C2用来控制SG3525的软启动，软启动时到达50%的时间由t=2.5510-6Cs来决定的。9脚可以串联一个电阻和电容构成一个反馈网络接到1脚，本驱动中直接了电容C3到地。13脚是从辅助电源接入的输入芯片的工作电压，11和14脚为脉冲输出脚，输出的脉冲经过功率放大和变压隔离可以驱动开关管。SG3525是一款功能齐全、通用性强的弹片集成PWM 芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器得控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM比较器欠压锁定电路、推拉输出形式。SG3525的基本外围电路接线图如图3-3所示。该芯片与其它同类型的芯片相比具有许多突出的特点。图3-3SG3525的基本外围接线图（） 频率可调，一般通过改变CT和Rt（见图3-3）的值来调节PWM波的输出频率，其频率的计算公式为：f=1C r(0.67RT+1.3RD)（） 死区时间可调，通过调节RD即可改变死区时间的大小，防止逆变桥的上下桥臂直通。（） 具有PWM脉冲信号封锁功能，当10脚电压高于2.5V时，可及时封锁脉冲输出，防止出现过压、过流、过热故障时对电路产生危害。（） 芯片内部振荡器工作频率为100H在Hz400kHz。设有引脚3为同步端，为多个SG3525联用提供方便。（） 具有软启动电路，比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容C。该电容内部的基准电压Vref有恒流电源供电，可达2.5V的时间t=(2.5V/50A)C,占空比由小到大（50%）变化。（） 内置PWM（脉宽调制）锁存器将比较送来的置位信号锁存，并将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统地可靠性高。3.3 SG3525 的应用电路及工作原理 利用SG3525 建立的大功率直流开关电源控制电路如图3所示，下面主要介绍调压合限流模块。图3-4SG3525外围控制电路 如图3-4，电压反馈电路通过光电耦合器实现了强电输出部分与弱电控制部分的隔离。光电耦合器采用的是Hp4504，当输入端电流在04mA之间时，输入与输出只见的电流传递比呈线性关系，涉及的时候选择合适的限流电阻，控制输入端电流在03mA 之间变化。当输出电压Uout升高时，光电耦合器的输出端发射极电流le呈线性增大。是发射极电压Ve 增大，通过C2、C3、R4、R5的滤波稳压后输入到引脚1的V1也随之增大。当V1增大时，经误差放大9脚电压的下降，比较器输出的脉冲宽度变宽，11和14脚输出的PWM脉冲宽度反而变窄，从而使输出电压Uout 的上升和下降，最终都表现在11、14脚输出PWM脉冲的宽窄变化上，以实现电路的自动稳压调节。 利用光耦电流传输比的线性段，可以做到输入输出的线性变化，用在反馈电路当中，不仅降低了成本，而且使输入与输出隔离，同时在稳压效果上也能与电压传感相媲美，在实际应用当中，不失为一种可取的方法。 通过输出端电流传感器得到的电流采样信号Vi与给定的限流基准电压Urefi作比较，外接负载变化使输出电压Uout变化时，Vi也会相应的改变。当lout增大使Vi大于Vrefi时，运算放大器L1A的输出端Vb 为低电平。此时，L2A的输出端V2将被直接拉低为低电平，2脚相当于接地，输出端11和14脚无脉冲输出，开关电源出现“打嗝”现象，起到了限流作用。与此同时，输出电流lout 减小使得V2再次被拉高，11和14 脚恢复脉冲输出，开关电源正常工作，以此达到输出电流的动态平衡过程。3.4 SG3525引脚功能和内部框图 SG3525其各引脚如图3-5（a） 所示，内部框图3-5（b）所示。脚8为软启动端。(a)SG3525的引脚(b)内部框图图3-5SG3525引脚及内部框图SG3525芯片原理图3-6SG3525芯片原理框图芯片可以改进各种类型的电源的控制功能和使用较少的外部元器件。（） 脉宽调制集成芯片SG3525的特点a 芯片内振荡器工作频率为100Hz400kHz,设有引脚3为同步端，为多个SG3525联用提供方便。b 内置5.1V1.0% 的基准电压源。c 为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更快，末级输出或吸人电流最大值可达400mA 。d 内设欠压锁定电路，当输入电压小于8V时，芯片内部锁定，停止工作（基准源及必要电路除外，使其消耗电流将降至小于2mA）。e 有软启动电路，比较器的反相输入端即软启动控制芯片的引脚8，可外接软启动电容C。该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2.5V的时间为t=(2.5V/50A)C,占空比由小到大（50%）变化。f 内置PWM（脉宽调制）锁存器将比较器送来的置位信号锁存，并将误差放大器上的噪声、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统地可靠性高。（） SG3525的控制特性当SG3525调频电阻RT、调频电容Cr一定时，改变脉冲宽度，就会得到输出，脉冲宽度不同的一系列脉冲，得到引脚11、14输出调宽电压与占空比的关系，如图3-7所示。从图3-7中可以看出，当脉宽为周期的1/2时，输出电压幅度值最大。图3-7脉冲宽度与占空比间关系第四章 设计开关电源 设计要求：设计一个开关电源，在输入电压为220V、50Hz的条件下，输出电压为20V，输出电流为1.5A的开关电源。4.1 设计解决方案 根据设计要求，先画出了开关电源的整体框图如下图所示： 图4-1开关电源整体框图4.1.1桥式整流电容滤波电路（1）采用降压型变压器以便得到低压交流电；（2）通过整流滤波电路和与之并联的平滑电容，以便输出得到直流电压。4.1.2 整流输出纹波电压的减小 用二极管和电容并联组成的电路，以达到消除从桥式整流电容滤波电路所输出的直流电压中的纹波成分。4.1.3推挽式功率变换电路 推挽式功率变换电路由变换电路、高频变压器和整流滤波电路组成。推挽式功率变换电路时利用变压器把能量传递到负载，由于输出回路与输入回路不共地，所以可以利用变压器多个次级绕组实现多路输出。由于开关电路由MOSFET构成，开关控制中一般采用脉宽调制（PWM）控制电路，开关电源集成控制器就相当于这种电路。一般的开关集成控制器有一定的控制能力，因此，不需要集成控制器就相当于这种电路，但对于大功率用途，要增设电流放大电流。由于SG3525的双端输出11脚和14脚与MOSFET Q1和Q2 相接，且在Q1 和Q2柵极之间串接限流和加速电容，推动功率管MOSFET工作。4.1.4 SG3525SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。通过11和14脚输出的PWM脉冲与推挽式功率变换电路的MOSF