稳压电源论文

1、摘要：介绍了稳压电源的具体分类和稳压电源中的开关稳压电源电路各组成局部的工作原理.关键词：开关稳压电源的结构、设计开关管滤波电容储能电感一、引言稳压电源就是其输出电压相对稳定,它与人们的日常生活密切相关,也称为稳定电源、稳压器等.随着电子技术开展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,对稳压电源的要求更加灵活多样.电子设备的小型化和低本钱化,使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向开展.设计上,稳压电源也从传统的晶体管串联调整稳压电源向高效率、体积小、重量轻的开关型稳压电源迅速开展.日常工作中,电子工程师通常根据稳压电源中稳压器的稳定对象,把稳压器分为直流稳压器和交流稳压器两种,

2、并且直流稳压器输出电压是直流,交流稳压器输出电压是交流,两者一般都用市电供电.因此,就可以把稳压电源按稳压器的类型可分为直流稳压电源和交流稳压电源两大类.以下是对这两大类稳压电源进行简要的介绍见表1.见表1类型类别1类别2优点缺点交流稳压电源自耦调整型稳压电源机械调整型结构简单,造价低,输出波形失真小.容易烧毁,电压调整速度慢.改变抽头型电路简单,稳压范围宽,价格低.稳压精度低,工作寿命短.大功率补偿型抗干扰性能好,稳压精度高、响应快电路简单.输入电流失真度大,源功率因数较低；输出电压对输入电压有相移.参数调整型稳压电源结构简单,可靠性高,抗干扰水平强.能耗大、噪声大、笨重、造价高.开关型稳压

3、电源稳压性好,限制功能强.电路复杂,价格较Hj0苜流稳压电源化学电源小巧,灵活.供电水平缺乏,污染环境.线性电源稳定性高,纹波小,可靠性高.体积功耗大,转换效率低.开关型电源AC/DC电源体积小,重量轻,稳定可靠.纹波较大.DC/DC电源通信电源电台电源模块电源特种电源交流稳压电源分类和特点能够提供一个稳定的交流电压和频率的电源称为交流稳压电源,市面上的交流稳压电源大致分为以下几种：2.1 参数调整谐振型这类稳压电源,稳压的根本原理是LC串联谐振,早期出现的含有磁饱和型稳压器的稳压电源就属于这一类.它的优点是结构简单,所需元器件较少,稳压范围相当宽,可靠性高,抗干扰和抗过载水平强.缺点是能耗大

4、、噪声大、笨重且造价高.2.2 自耦(变比)调整型2.2.1 机械调压型以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的的绕组滑动面上移动,改变输出电压(Vo)对输入电压(Vi)的比值,以实现稳压电源输出电压的调整和稳定.它的特点是结构简单,造价低,输出波形失真小.但由于炭刷滑动,接点易产生电火花,造成电刷损坏以至烧毁而失效,且电压调整速度慢.2.2.2 改变抽头型将自耦变压器做成多个固定抽头,通过继电器或可控硅(固态继电器)做为开关器控件,自动改变抽头位置,从而实现输出电压的稳定.这种类型的稳压电源,优点是电路简单,稳压范围宽(130V-280V),效率高(A95%),价格低.缺点是稳压精度低(±

5、810%)工作寿命短,它适用于家庭给空调器供电.2.2.3 大功率补偿型净化型稳压器(含精密型稳压器)此种稳压电源用补偿环节实现输出电压的稳定,易实现微机控制.它的优点是抗干扰性能好,稳压精度高(w土1%)、响应快(4060ms)、电路简单、工作可靠.缺点是带计算机、程控交换机等非线性负载时有低频振荡现象；输入端电流失真度大,源功率因数较低；输出电压对输入电压有相移.由于具有稳压,抗干扰,响应速度快,价格适中等优点,应用比拟广泛.2.3 开关型交流稳压电源它应用于高频脉宽调制技术,与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入端同上频、同相的交流电压.它的输出电压波形有准方波、梯型波、正弦波等.

6、市场上的不间断电源UPS抽掉其中的蓄电源和充电器,就是一台开关型交流稳压电源.开关型交流稳压电源的稳压性好,限制功能强,易于实现智能化,是非常具有前途的交流稳压电源.但因其电路复杂,价格较高,所以推广较慢.三、直流稳压电源分类和特点直流稳压电源按习惯可分为化学电源、线性稳压电源和开关型稳压电源,下面我们将具体介绍这几类电源.3.1 化学电源我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、银镉、银氢、锂离子电池均属于化学电源,各有其优缺点.随着科学技术的开展,又产生了智能化电池；在充电电池材料方面,美国研制人员发现镒的一种碘化物,用它可以制造出廉价、小巧、放电时间长,屡次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池.

7、3.2 线性直流稳压电源LPS线性直流稳压电源指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源.线性直流稳压电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、限制电路、保护电路等见图1线性直流稳压电源是先将交流电经过变压器变压,再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压,要到达高精度的直流电压,必须经过电压反应调整输出电压,可以到达很高的稳定度,波纹也很小,而且没有开关稳压电源具有的干扰与噪音.但是它的缺点是需要庞大而笨重的变压器,所需的滤波电容的体积和重量也相当大,而且电压反应电路是工作在线性状态,调整管上有一定的电压降,在输出较大工作电流时,致使调整管的功耗太大,转换效率低,还要安装很大的散热片.3.3 开关

8、型直流稳压电源开关型直流稳压电源是利用现代电力电子技术,限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.它的电路形式主要有单端反激式,单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式等.根本的开关型直流稳压电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、限制电路、保护电路如图2.开关型直流稳压电源的优点是体积小,重量轻,稳定可靠.缺点相对于线性直流稳压电源的纹波较大一般w1%VP-P.下面分类介绍几种开关型直流稳压电源：3.3.1 AC/DC电源该类型电源也称一次电源,它自电网取得能量,经过高压整流滤波得到一个直流高压,供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电

9、压,功率从几瓦几千瓦均有产品,用于不同场合.3.3.2 DC/DC电源在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获得一个或几个直流电压.3.3.3 通信电源通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源,只是它一般以直流48V或24V供电,并用后备电池作DC供电备份,将DC供电电压变换成电路工作电压.一般又分中央供电、分层供电和单板供电三种,单板供电可靠性最高.3.3.4 电台电源电台电源输入AC220V/110V,输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定.为预防AC电网断电影响电台工作,而需要电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13

10、.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能.3.3.5 模块电源随着科学技术飞速开展,对电源可靠性、容量、体积比要求越来越高,模块电源越来越显示其优越性,它工作频率高、体积小、可靠性高,便于安装和组合扩容,所以越来越被广泛采用.3.3.6 特种电源电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等,可归于此类,可根据特殊需要选用.四、开关稳压电源的开展4.1开关稳压电源开关稳压电源问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源.早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态.随着脉宽调制(PWM)技术的开展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的

11、载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%70%,而线性电源的效率只有30%40%.因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术开展史上被誉为20kHz革命.随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动等)更需要小型化、轻量化的电源.因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小.此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等.这

12、一切高新要求便促进了开关稳压电源的不断开展和进步.4.2开关稳压电源的三个重要开展阶段40多年来,开关稳压电源经历了三个重要开展阶段.第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件BPT、SCR、GT0开展为MOS型器件功率MOS-FET、IGBT、IGCT等,使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单.第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小.高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一.第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块IPEM技术开始开展,它是当今国际电力

13、电子界亟待解决的新问题之一.五、开关稳压电源技术的亮点5.1功率半导体器件性能1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它采用“超级结Super-Junction结构,故又称超结功率MOSFET.工作电压600800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有开展前途的高频功率半导体器件.IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A.很长一段时间内,耐压水平限于12001700V,经过长时间的探索研究和改良,现在IGBT的电压、电流额定值已分别到达3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已到达6500V,一般IGBT的工作频率上

14、限为2040kHz,基于穿通PT型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz硬开关和300kHz软开关.IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压水平三者的折中.随着工艺和结构形式的不同,IGBT在20年的开展进程中,有以下几种类型：穿通PT型、非穿通NPT型、软穿通SPT型、沟漕型和电场截止FS型.碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料,具优点是禁带宽、工作温度高可达600C、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件.可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料.5.2开关电源功率密度

15、提升开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标.这对便携式电子设备如移动,数字相机等尤为重要.使开关电源小型化的具体方法有以下几种.一是高频化.为了实现电源高功率密度,必须提升PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量.二是应用压电变压器.应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度.压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动变换和“振动-电压变换的性质传送能量,具等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一.三是采用新型电容器.为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改良电容器的性能,提升能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源

16、系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等.5.3高频磁性元件电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究.对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越.适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用.5.4软开关技术高频化以后,为了提升开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术.它是过去几十年国际电源界的一个研究热点.PWM开关电源按硬开关模式工作开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠,因而开关损耗大.高频化虽可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了.为此,必须研究开关电压

17、/电流波形不交叠的技术,即所谓零电压开关ZVS/零电流开关ZCS技术,或称软开关技术,小功率软开关电源效率可提升到800%85%.上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的根底.随后新的软开关技术不断涌现,如准谐振上世纪80年代中全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM上世纪80年代末ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM/ZCT-PWM上世纪90年代初全桥移相ZV-ZCS-PWM上世纪90年代中等.我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中,效率达93%.5.5同步整流技术对于低电压、大电流WJ出的软开关变换器,进一步提升其效率的举措是设法降低开关的通态损耗.例如同步整

18、流SR技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管SBD,可降低管压降,从而提升电路效率.5.6功率因数校正PFC变换器由于AC/DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧交流输入端功率因数仅为0.6-0.65.采用功率因数校正PFC变换器,网侧功率因数可提升到0.950.99,输入电流THD<10%.既治理了对电网的谐波污染,又提升了电源的整体效率.这一技术称为有源功率因数校正APFC,单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和限制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究开展.高功率因数AC/

19、DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、本钱高.如果对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器.5.7全数字化限制电源的限制已经由模拟限制,模数混合限制,进入到全数字控制阶段.全数字限制是开展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用全数字限制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量,芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精

20、确；可以实现快速,灵活的限制设计.近两年来,高性能全数字限制芯片已经开发,费用也已降到比较合理的水平,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字限制芯片及软件.5.8电磁兼容性高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性.功率半导体器件在开关过程中所产生的di/dt和dv/dt,将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰,以及强电磁场通常是近场辐射.不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的平安.同时,电力电子电路如开关变换器内部的限制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰.上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容领域里

21、,存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究.国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究,并取得了不少可喜成果.5.9设计和测试技术建模、仿真和CAD是一种新的设计研究工具.为了仿真电源系统,首先要建立仿真模型,包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟限制电路以及磁元件和磁场分布模型等,还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型.各种模型差异很大,建模的开展方向是数字一模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等.电源系统的CAD,包括主电路和限制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综

22、合和优化设计等.用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD,可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析,是21世纪仿真和CAD技术的开展方向之一.此外,电源系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力开展的.5. 10系统集成技术电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、本钱高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、本钱更低.这些情况使电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低本钱等目标得以实现.实际上,在电源集成技术的开展进程中,

23、已经经历了电力半导体器件模块化,功率与限制电路的集成化,集成无源元件包括磁集成技术等开展阶段.近年来的开展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,可以使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数.在此根底上,可以实现一体化,所有元器件连同限制保护集成在一个模块中.六、弁联型开关稳压电源开关稳压电源分为串、并联型二种,下面注重并联型.6. 1结构并联型开关稳压电源的原理框图如图61所示.它是由开关晶体管V和二级管Vd及储能电感L、滤波电容C组成的.除此以外,通常还有较为复杂的驱动电路、调节电路、保护电路、基准电路以及构成闭环回路中的取样电路、放大电路和耦合电路等各个局部,如

24、VIAt%A.ht-口qL1一一一_-A._J1cCC一图61并联型开关稳压电源原理图及波形图集电极输出型;(b)发射极输出型;(c)发射极输出型电路的电流、电压波形用来对输出电压的在大小以及特性进行限制和调节.图61(a)是集电极输出式并联开关稳压电源的原理框图.图6-1(b)是发射极输出式并联型开关稳压电源的原理图,从形式看,它们之间的差别只是把图中的开关晶体管V与储能电感L的位置进行互换.从输出特性上看,它们的输出电压的极性刚好相反.以上只画出了发射极输出型电路各点的电流、电压波形图；下面讲述并联型开关稳压电源的工作原理.6. 2工作原理设开关晶体管V的开关转换周期T,导通期的时间为to

25、n,截止期的时间为toff,占空比为5(S=ton/T).其工作原理如下：当开关晶体管V处于导通期间,输出电压Ui加到储能电感L的两端,忽略V的饱和和压降,二极管Vd因被反向偏置截止.在此期间流过L的电流iL为近似线性地增加的锯齿波电流如6-1(C),并以磁能的形式储存在L中.在这期间电流iL的变化值为当开关晶体管V截止时,储能电感L两端的电压极性相反,此时二极管Vd被正向偏置而导通.储存在L中的能量通过二极管Vd输送给负载电阻Rl和滤波电容C.在此期间,L中的泄放电流iL是锯齿波电流的线性下降局部,如出6-1(b),这期间电流iL的变化值为同理,当开关晶体管V导通期间在储能电感L中增加的电流

26、数值应该等于开关管V截止期间在储能电感L中减少的电流值.只有这样才能到达动态平衡,才能给负载电阻Rl提供一个稳定的输出电压,因此就有将ton=TS和toff=T(1-S)代入得(1) 限制开关晶体管V基极鼓励脉冲的占空比S,就可以克服由于电网电压或输入电压的变化或其它参数的变化而对开关稳压电源输出电源输出电压的影响,能够起到降低输出电压波纹,稳定输出电压的作用.从后面的实用电路中可以看到,它们都是采用取样、放大、比拟、反应等环节构成闭环控制系统来自动实现占空比S的限制的.(2) 由于以上式中的占空比S总是小于1的,所以输出电压U总是大于输入电压Ui,这样就形成了升压式开关稳压电源.(3) 在串

27、联型开关稳压电源的工作原理中,有三种方法可以改变占空比S,而在并联型开关稳压电源中也可以采用这三种方法对占空比S进行调节.所以,并联型开关稳压电源同样也调宽型、调频型和混合型三种形式.(4) 在吞并稳压电源的工作原理中,不管是串联还是并联型电路,它们的工作都是靠开关晶体管V基极的驱动信号使开关晶体管V启动,而工作于导通与截止的开关状态的.这样,我们就可以在其输出端加一取样电路,将输出电流Io和电压Uo的变化量取出,再进行放大、比拟后,形成一个与输出电流和电压有关的驱动信号来限制和驱动开关晶体管V的工作.如果输出端出现短路而造成过流现象或者由于其它原因而造成输出端过压现象时,可以使加于开关晶体管

28、V基极的驱动信号将开关管V关断,并处于截止状态,使开关稳压电源停止工作.这样既保护开关稳压电源本身免遭损坏,又保护了供电负载系统免受损坏.七、弁联型开关稳压电源的设计并联型开关稳压电源的设计与串联型开关稳压电源的设计教程是相同的,也是讨论对开关晶体管V、二极管VD、储能电感L和滤波电容C的选择.7. 1开关晶体管V的选择7. 1.1集电极电压的选择从图61所示的并联型开关稳压电源的原理框图中可见,开关晶体管V上所承受的最大电压Uie又从输入电压与输出电压之间的关系式为Ui=Uo(1-S)/S.考虑到输入电压有10%的波动,电感L的反峰尖刺电压为稳压值的20%.开关晶体管V上所承受的电压实际为1

29、.1*1.2Ui=1.3Ui.通常选择管子时要有一定的裕量,所以取其工作电压80%的额定电压值,那么有1.32Ui=0.8Uceio得到Uceo为L32“H匚力1.65113)卬=飞下"'=1'65乜=&这就是设计并联型开关稳压电源时,选择开关晶体管V的集电极电压Uceo值应遵循的关系式.7. 1.2集电极电流的计算从并联型开关稳压电源的工作原理可见：在晶体管导通期间,流过开关晶体管V的电流也就是在高度该期间流过储能电感L中的电流,也就是输入电流I.如果不考虑电路中的其它耗散功率的话,那么就会有：1*/.1-/在选择管子时,也要留有一定的裕量,应把工作电流取为

30、80%的额定电流值,这样式改为0.st=/,=/*IfA/f25/,喷=1德曰7.1.3集电极耗散Pc的计算.开关晶体管在导通期间的直流平均损耗功率为在截止期间.由于集电极电流很小,可以认为这个时期的集电极损耗功率是零.在开与关的转换过程中,各种重叠损耗是直流平均损耗,因此就可以得到开关晶体管V的集电极功耗为-=-17-=r7.2二极管VD的选择7.2.1 反向电压的计算.在开关晶体管V导通期间,二极管VD因反向偏置而截止,此时VD上所承受的电压为输出电压UV的正向饱和压降被忽略.此外,在选择二极管时,都留有一定的裕量,一般留20%的裕量,所以二极管VD的反向耐压应为1"25Uu7.

31、2.2 正向导通电流Id的计算在开关晶体管V截止期间,二极管VD导通,流过二极管VD的电流Id正好就是输入电流Ie,也就是在这期间流过储能电感L的电流Il,因而/乩“r.考虑到二极管VD为发热器件,同时二极管的发热温度与流过的大小关系很大,所以,在选择二极管的工作电流应留有较大的裕量,通常选裕量为50%,因而有0-*77='U.1d解式可得出二极管VD的正向导通电流Id为一一前一人1一万7.3滤波电容C的选择7.3.1 电容量的计算并联型开关稳压电源到达稳态后,输出电压稳定在所设计的恒定电压值Uo上,输出直流电流为Io.由于在开关管V导通期间全部负载电阻Rl上的电流Io都是由电容C供应的,所以这时这时电容C上的电流就等于电源的输出电流Iv,并且在这期间电容C上的电压变化量为输出电压的波纹电压值AU.,此时就有如下关系式仅厂=区="x"CC从上式就能计算出所选择的滤