准谐振开关电源的设计

长春工程学院毕业设计(论文)摘要本文介绍了目前开关电源领域的发展概况，和典型开关电源主电路的拓扑结构。分析了存在于开关电源中的影响电源效率的因素，提出了当今高效率功率变换要解决的问题，那就是开关管的开关损耗问题，分析了一种提高开关电源效率论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算。确定各分电路和所选元控制芯片，结合信号检测技术，设计具有完善控制和保护功能的电源系统，开关变换器软开关效率AbstractAndswitchingonandetc.Highefficiencypowerconvertideaisputforward:quasi-长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文) 1长春工程学院毕业设计(论文)1绪论随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而讯、电子检测设备控制设备等都已广泛地使用了开关电源，正是由于开关电源的广泛应用和普及，使开关电源技术得到迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制和调节开关晶体管开通和关断，维持输出电压稳定的一种电源。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。随着集成电路的集成度的提高，微型计算机的体积也随之不断的减小，这时线性直流稳压电源已不再适应现代设备的工作应用。于是，开关型直流稳压电源替代了线性电源，并使电源的电路结构。直流电源是将工频电网电能转变成直流形式电源的一种电子仪器设备。直流电源已经广泛应用于各行各业。随着科学技术的不断发展进步，科学研究和工程应用实践对电源的需求的要求，现有的直流电源已经不能满足各领域中的许多要求，研究和开发适合要求的多种新型直流电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比较显著。变技术的逐步成熟，出现了大功率、高密度的开关电源，同线性电源相比较高频率开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、设计制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的线性直流电源。采用脉宽调制技术，实现了对输出电压稳压和输出电流的限流功能。本设计采用的是半桥变换器和零电流软开关技术结合。将工频电压双路整流，一路作为半桥功率变换的功率输入，一路经滤波稳压后为PWM控制电路提供稳定工作电压。设计具有完善控制和保护功能的电源系统，使我们设计的开关电源的效率达到85%以上。通过这次设计使我们掌握了开关电源设计技术，提高我们综合运用知识的能力以及设计和开发能力，为以后进一步学习和工作打下良好的基础。2长春工程学院毕业设计(论文)1.2选题的目的和意义发展，作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好等特点，正逐步取代传统电源的位置，成为了电源通常，把开关元件上的电压波形为正弦波状的变换器称为电压谐振变换器，即以零电压开关ZVS(ZeroVoltageSwitching)方式工作，把流过开关的电流波形为正弦波状的称为电流谐振变换器，即以零电流开关ZCS(ZeroCurrentSwitching)方式工作。以上两种变换器均称为准谐振变换器，谱振仅在开关管导通或截止时发生，使用了这类开关的变换器称为部分谐振变换器。部分谐振变换器叫做准谐振变换器，其中的零电压开关和零电流开关叫高频化使电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。实现准谐振开关电源的发展要求。增加、使用趋向自动化及智能化、体积小型化。开关电源的优势便显示出来，它已经广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的支撑。另一方面，由于集成电路技术的普及及应用，也促进了电子设备的小型化和多功能化，使电子仪器和设备的成本不断降低。但限制开关电源体积减小和重量减轻，主要是高后，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，而且还会大大降低电源装置本身的可靠性。目前，提高开关电源工作频率的最有效的方法，是采用软开关技术，即在开关管导通时加在开关两端的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可以减少开关损耗，又可以控制浪涌的发生，使得噪声很小。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3长春工程学院毕业设计(论文)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。基于以上考虑，针对于准谐振式开关电源的设计，既可以采用零电压开关，也可以采用零电流开关，使整个电源达到体积小、重量轻、电磁兼容性好、成本低、可靠性高等特点。1.3课题可行性分析目前，世界各国正在大力研制开发新型准谐振开关电源，包含新的电源理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。如何进一步提高开关稳压电源的效率，经历了谐振式开关模式、无源无损耗缓冲电路和同步整流器等几个过程。最初，阻碍开关稳压电源效率提高的最主要的因素是开关管的开关损耗，因此在这一阶段，提高开关稳压电源效率是以减小或消除开关损耗为目的。这种电路桥变换器电路拓扑，电路拓扑得到了比较广泛的应用。开关电源效率的进一步提高成为社会需求的更高目标。用原有的改善效率的解决方案无法达到目的，需要重新以电子器件的最新发展为基础，研究高效率功率变换的基本思想和实现方式。通过上述的措施可以将开关电源减小开关损耗的各种软开关技术受到了人们的青睐，软开关技术使开关管工作在零开关状态，从而大大减小了开关损耗，提高了开关变换器的效率。准谐振开关技术结合了谐振技术和PWM技术的优点，代表了开关电源的一个发展方向，但在整机产品的普及方面还需要许多工作。本文以UC3867为核心芯片设计了一款零电流准谐振开关电源。4UU=Uon=DU2开关电源2.1开关电源的种类及特点顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，开关电源一般有三种工作模式：频率可变、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。频率可变、脉冲宽度固定模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；频率固定、脉冲宽度可变模式和频率、脉冲宽度可变模式多用于开关作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串面简称变压器开关电源)还可以进一步分成：单端变换和双端变换等多种；根据变压器的激下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo。TaiTi(1)5长春工程学院毕业设计(论文)Ui、Up0TonToffTb为占空比(Duty)，用D来表示，即：TD=on(2)TD=(3)以，串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出；但如果用于稳压输出，则必须要经过整流，对人身不安全。2.1.2反转式串联开关电源的工作原理长春工程学院毕业设计(论文)6长春工程学院毕业设计(论文)负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输在一般电路中大部分都是使用单极性电源，但在一些特殊场合，有时需要两组电源，其中一组为负电源。因此，选用图2-2所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图2.1.3并联式开关电源的工作原理并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5V或3V，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容Ua出的平均电压。7长春工程学院毕业设计(论文)始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会UpUi0TonToffTonToffTbtLL电流为：i=jtUidt=Uit+i(0)——K接通期间(5)LLL0(0)=0，由此可以求得流过储能UI=iT——K接通期间(D=0.5)(6)LmLon断时，储能电感L会把其存储的能量(磁能)通过反电动势进行释放，储能电感L产生的反L8长春工程学院毕业设计(论文)式中负号表示反电动势eL的极性与(4)式中的符号相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对(7)式阶微分方程求解得：URUi=iCeLt——K关断期间(8)LR然转为关断时，流过储能电感L中的电流iL不能突变，因此，i(Ton+)正好等于流过储能电感L的最大电流ILm，所以(8)式可以写为：i=i(ii=i(iiTK关断期间(9)LRRLonRURu=RiL=U(UiTK关断期间(10)RURoiiLon由(10)式可以看出，当t=0时，即：K关断瞬间，输出电压有最大值：UU=RiT——K关断瞬间(11)pLont压Ui，但这种情况一般不控制开关K的关断时间等不了那么长。从(11)式可以看出，当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。2.1.4正激式变压器开关电源正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较场合，经常使用。所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器好有功率输出。Ui极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。长春工程学院毕业设计(论文)9长春工程学院毕业设计(论文)端弄反，图2-4就不再是正激式变压器开关电源了。的幅值Up不变。因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方输出滤波电路。其工作原理与图2-2的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同，这里不器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，反馈线圈N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。由于控制开关突然关断，流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0，此时，流过反馈线圈N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值长春工程学院毕业设计(论文)N退磁。2.1.5反激式变压器开关电源工作原理反激式变压器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电最广泛。Up0TonToffTbtUp所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。激式变压器开关电源的电压输出波形。a调一下，原来变压器输出电压的正、负极性就会完全颠倒过来，图2-5-b所示的电压输出波b储能滤波电容的容量很大，a2.1.6双端式变压器开关电源长春工程学院毕业设计(论文)所谓双端式变压器开关电源，就是指在一个工作周期之内，变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。与单激式变压器开关电源不同，双端式变压器开关电源一般在整个双端式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。这种大功率双激式变压器开推挽式、半桥式、全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源。(1)推挽式变压器开关电源在双激式变压器开关电源中，推挽式变压器开关电源是最常用的开关电源。由于推挽式，也很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于DC/AC逆(2)半桥式变压器开关电源源也属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一。在半由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，因此，半桥式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合。它们工作的时候，总是一个接通，另一个关断，两个控制开关轮流交替工作；电容器C1、C2是储能滤波电容，同时也是电源分压电容，它们把电源电压一分为二；一个充满电的电容，长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)关电源。iNNR两端，使开关电源输出一个正半周电压。组进行放电；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与NR。。电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。等半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两个开关管轮流交替工作，长春工程学院毕业设计(论文)半桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，输出电压纹波和电流纹波就可以达到非常小。半桥式变压器开关电源最大的优点是，对两个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半。因为，半桥式变压器开关电源两个开关器件电压的两倍，这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半。因此，半桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是用半桥式变压器开关电源。半桥式开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组，这也是它的优点，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便。但对于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势，因为，大功率开关电源变压器的线圈需要半桥式变压器开关电源的缺点主要是电源利用率比较低，因此，半桥式变压器开关电源不适宜用于工作电压较低的场合。另外，半桥式变压器开关电源中的两个开关器件连接没有公共地，与驱动信号连接比较麻烦。两个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两个控制开关同时处于接通状态。这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程；而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程。于导通和截止过渡过程时，即两个开关器件都处于半导通状态时有通过变压器负载。因此，在两个控制开关K1和K2同时处于过渡过程期间，两个开关器件将会产生很大的功率损耗。为了降低控制开关过渡过程产生的损耗，一般在半桥式开关电源电路中，都有意让两个控制开关的接通和截止时间错开一小段时间。单电容半桥式变压器开关电源比双电容半桥式变压器开关电源节省一个电容器，这是它长春工程学院毕业设计(论文)的优点。另外，单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作的时候，输出电压差不多比双电容半桥式变压器开关电源是输出电压高一倍，这种特点最适用于作为荧光灯电源，例如，节能(3)全桥式变压器开关电源全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源。它同时具有推挽式变压器开关电源电压利用率高，又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特点。因此，全桥式变压器开关电源经常用于工作电压高，输出大功率大的场合。2.2开关电源的效率分析现在的电源对于效率的要求越来越高了，从节能方面的要求讲也是希望提高效率，但是效率提高的随之带来的是成本的提高，所以在效率与成本的权衡下选择效率提高的方式，下面简单介绍一下开关电源中提高效率的方法。2.2.1开关损耗fet度。对于次级Diode的选取的话，我们可以通过选取一些Trr短的二极管，肖特基二极管。另外影响开关损耗的另一个关键的因素是变压器的漏感，如果可能的情况下，我们可以通过该设计的回路，尽可能的减小磁滞回线包含的面积，这个样子也能减小开关电源的损耗，提。还有就是选用谐振模式或者准谐振模式的电路拓扑结构，一样可以减少开关损耗。2.2.2导通损耗由于各个元器件并不是理想的元器件，所以工作的时候都有压降，这个过程中就产生了打开了，但是我们要让他们工作在过驱动状态，这个样子能减小通态电阻，减小导通损耗还有就是一个次级的整流二极管的导通损耗，很显然，减小Vf可以降低导通损耗。DCR而减小导通损耗。2.2.3其它的因素对于整流来说，我们可以采用同步整流的方法，用Mosfet来做，这个样子，可以减少用长春工程学院毕业设计(论文)管来整流的导通损耗。长春工程学院毕业设计(论文)3电路设计3.1软开关电路的种类、特点新型的软开关电路根据发展历程可分成三类:一类是以谐振技术为代表的准谐振电路,一般采用变频控制(PFM);第二类是零开关电路;第三类是零转换电路。第二类和第三类一般采用脉冲宽度控制(PWM)。3.1.1准谐振型电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波,因此称之为准谐振。准谐振电路可以分为振电路的基本开关单元。图3-1-b所示为零电压开关准谐振电路及工作波形。电路中所增加电路中S关断后,谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振,电路中电压或电流的波形类似于正弦半波。开关S两端的电压在开通前就已经降为了零。从图3-1-b可以看出谐振的引入使得电路的开关损耗和开关躁声都大大下降,但也带来一些负面问题;谐振电压峰值高,要求电力电子器件的耐压必须提高;而谐振电流的有效值很大,电路中存在大量的无功功率的交换,导致电路导通损耗加大;谐振周期随输入电压、负载变化而变化。a零电压开关准谐振电路的基本开关单元b零电流开关准谐振电路的基本开关单元c零电压开关多谐振电路的基本开关单元这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，零长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)Ig1Ig2长春工程学院毕业设计(论文)D从图3-3可以看出,零开关电路同谐振电路相比有很多明显优势:电压和电流基本上是方波,只是上升沿和下降沿较缓,开关承受的电压明显降低,电路可以采用开关频率固定的这类软开关电路仍然采用辅助开关控制谐振的开始时刻,谐振电路是与主开关并联的,因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小,电路在很宽的输入电压范围内从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小,这使得电路效率有长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)谐振,谐振结束时,开关S1和S2两端电压与流过两开关的电流均为零,开关S1和S2实极管的反向恢复得到抑制,开关电压电流应力较小电路结构简单。但电感Lr始终有电流流过,导致电流中环流较大,增大通态损耗。Ig1Ig2aZVT—PWM的电路bZVT—PWM的波形图3.2软开关电路的选用原则长春工程学院毕业设计(论文)其输出电压稳定度可达(0.5~1)%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应3.2.1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K1.5~1.8；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。3.2.3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。3.2.4开关电源技术的发展动向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SMT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，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长春工程学院毕业设计(论文)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N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。长春工程学院毕业设计(论文)4准谐振开关电源的设计4.1主电路的设计准谐振开关电源是一个完整的闭环系统，它包括主回路、控制回路和保护环节等。准谐振开关电源的系统图如图4-1所示。图4-1准谐振开关电源的系统框图由图4-1可看出准谐振开关电源的组成与传统PWM开关电源的结构类似，有所不同的是准谐振电源的功率环节是准谐振变换器，控制电路采用频率调制而不是脉宽调制。另外，准谐振开关电源比PWM开关电源多了一个零检测环节，以实现零电压或零电流准谐振变换器。4.1.1半桥变换器电路长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)1成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁=2onNT1，输出电压为：NUiUo=2N214.1.2反馈和调节电路设计反馈和调节电路是系统的关键环节。首先设计反馈电路，反馈量通常由分压电阻或电流采样电阻上获得。电流反馈取样电路如图4-3。输出电流的检测采用检测初级电流的方法。电路如图4-3，通过电流互感器，初级电流UC的10脚关闭端。4.1.3输出电路长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)平波，从而得到稳定的电压输出。C与R组成吸收电路，以吸收输出整理二极管通断和所接67次级线圈产生的浪涌电流。R为假负载电阻，使开关电源可空载运行。84.2软开关的设计对于开关电源大家并不陌生,电视、电脑中使用的都是开关电源,只是以往在电影行业中用得较少,电影从业人员因而可能接触较少。以前的开关电源大多数采用脉宽调制技术H关”功率变换技术,功率开关管导通或关断时,开关上的电压和电流不等于零,因此,功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗。而且,开关频率越高,开关损耗越大,变换器效率大为降低。提高开关频率是现代开关变换技术的重要发展方向之一。开关变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减小,从而提高开关变换器的功率密度,提高设备的集成化程度。此外,提高开关频率也有利于降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。同时“硬开关”电源产生的电磁干扰较大,所以对解码器、功放干扰大,可靠性也不高,不适合用于电影行业。我们都有这样的经验,合上电闸时会产生火花,断开电路时也会产生火花,通常断开电路所需时间比接通时要长,产生的火花要大,我们称之为拉闸电弧。为什么会产生这种现象电流时便会存储磁场能量,断开电路时电感阻碍电流的变化,产生很高的感应电压,通过电火花,电弧把磁场能量释放掉。这部分能量是白白消耗掉的,称之为开关损耗,而且会使闸刀发热,烧蚀,因此频繁开关会导致闸刀损坏。如果我们能在交流电压过零时合闸,在接通电路瞬间电流为零,就不会有火花产生;同理在电流过零时拉闸,断开电路瞬间寄电感储能为零,也不会产生拉闸电弧。这样,开关损耗为零,闸刀也就不会发热烧蚀,工作很安全,长春工程学院毕业设计(论文)长春工程学院毕业设计(论文)这就是软开关的最原始概念。当然开关电源不是闸刀,它是通过改变通断时间来调控输出电压的。其中通断一次的能量损耗乘以开关工作频率即为开关损耗,为了减小体积和重量,频率越高越好。但是频率升高开关损耗随之变大,电磁干扰变大。软开关技术在这种要求下应运而生,使开关电源能够在高频下高效率地运行。软开关技术是应用谐振原理,使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化,当开关管电流自然过零时,使开关管关断;开关管电压自然过零时,使开管导通,从而使开关管关断和导通损耗为零,实现了开关电源高频化的设计,提高了电源效率,温升亦低,工作可软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中,或是加于其上的电压为零,即零电压开关,或是通过开关器件的电流为零,即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开关过程中激起的振荡,可以大幅度地提高开关频率,为开关电源小型化、高效率。零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零电流转换全桥直流/直流变换器及钳位吸收技术均可实现软开关电源。r1r2r振电容。假定各元件都是理想的L》L,则滤波环节及负载可看成恒流源I。电路的工作r1r20过程可分成四个阶段来分析。长春工程学院毕业设计(论文)四个阶段分别是电感充电阶段、谐振阶段、电容阶段和续流阶段，如图4-6所示。tt感充电阶段(t0，t1)在这一阶段内续流二极管导通，谐振电感L。内电流线性增加。此阶段内的状态方程为：|i(|i(t)=int〈LnL2N(14)|Vc(t)0rti升到负载电流I0，S1导通，VD截止，电流i(t)一I0对C充电，iLr2Lr2rLr2和C进入谐振阶段。满足如下方程：r(|i(t)=I+Uinsino(t-t)〈Lnr202NZ1(15)容放电阶段(t2，t3)在t2时刻Sr关断，C通过输出回路以电流I0线性放电，直到电压降为零。此阶段的谐振rIV(t)=V(t)-0(t-t)ICrCr2C2r长春工程学院毕业设计(论文)此阶段电路通过续流二级管续流。Lr2r1Ilr2I0Ilr1I0Vcrt0t1t2t3t4(b)由上述工作原理的分析可以得出零电流准谐振变换器输出电压稳态关系式为：U=U(T／2＋T＋T)f／2N(17)inddds1式中U，U是变压器的输出、输入电压,T，T，T是各阶段的持续时间,f是开0ind1d2d3s1关频率,N是高频变压器变比。当电路参数确定后，开关管的导通时间就确定了，因此，零电流准谐振变换器是恒导通时间控制的，输出电压与开关频率成正比。从图4-7可以看出，在谐振阶段中，谐掇电感与电容发生谐振，使流过电感L和L。关电压没有重叠部分，从而实现了软开关。4.3控制电路的设计作为开关电源的核心，控制电路要实现以下功能：通过对逆变桥的控制，实现能量的传长春工程学院毕业设计(论文)防止直通；电路要闭环控制，输入与输出要隔离，不能将强电带入控制电路；尤其高电压数值的获取；输出值设定；电路的过流保护。并将电源的输出值转换为电路所需的控制信号形式，输出各开关管所需的PWM驱动信号，完综合各方面要求和信息，设计中驱动变压器将控制序列信号和功率变换器隔离；控制电压输入确定输出电压值。UC3867是Unitrode公司生产的零电流准谐振控制芯片。其主要特点是过零终止单稳脉单稳单稳态NI2INV3UVLO振频率，频率范围可达10kHz-1MHz，具有1A的驱动电流，欠压封锁等功能。它的最高、最C的压控振荡器(VCO)的输出频率。当输出电压变大时。VCO输出脉冲的频率升高，反之则降流准谐振开关电源的另一个重要环节是零电流检测环节，电路中用电流互感器实现。主电路冲起到保护主电路的作用。目前使用零电流开关工作方式的电源很多，其中MC340066就是一个很不错的零电流控制芯片，但是最近传来MC340066停产的消息,为了寻求一个替代品,笔者选用了另外一种芯片UC3867,通过实践应用对芯片有了一定的认识。基准15V5VSoft-Ref16E/AOut4OutOutCvco8rrGndRC9长春工程学院毕业设计(论文)(2)输出为一对可驱动功率MOSFET的反相蹋腾柱结构，输出峰值电流达1A。产生后．具有可编程延时再次启动功能。部分电路、欠压锁定与软启动部分电路和逻辑驱动电路，下文将逐一解析各部分电路的组成4.3.2误差放大及电压控制振荡器NNI+INVE/AOutIminIrange5V3V/2V5VSVth2Vth1oRminCR长春工程学院毕业设计(论文)F=minR(18)min当三极管导通时，电流Irange通过电阻Range，电流Imin通过电阻Rmin，同时向振荡器供电，产生最离振荡频率Fmax容C放电电路与充电电源分开，设引脚7，引脚7。9919919C的放电时间，也改变了死区时间。而C的充电电流99则是由R规定的电流源决定的。3脚专为外同步用，18求应比振荡器的固有频率低些。4.3.3单稳态部分电路RCZERO路部分，有3个比较器电路1个比较器的门限为0.5V，另外2V=V=外围电阻、电容Rc和内部三极管构成1个Rc振荡器，该振荡器受CLOCK信号控制．形成1个振荡器。当Clock为l时，三极管导通，电容放电，输出OneShot为低电平。当Clock为0时，电平，sR触发器被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最小脉宽T决定：PW(MIN)T=0.3RC(22)PW(MIN)1)当Zero端输入信号脉宽<定时最小脉宽T时，只有当RC端充电超过Vth1的1．4vPW(MIN)长春工程学院毕业设计(论文)电平，sR触发器才被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最小脉宽T决定。PW(MIN)2)当定时最小脉宽T<Zero端输入信号脉宽<定时最大脉T时，只有当ZeroPW(MIN)PW(MIN)端输入信号由高至低于0．5V时，SR触发器才被触发置0,输出OneShot的脉宽由Zero端输人信3)当Zero端输入信号脉宽>定时最大脉宽T时，只有当Rc端充电超过vtn的3．2V电PW(MIN)平，sR触发器才被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最大脉宽T决定：PW(MAX)T=1.2RC(23)PW(MAX)4.3.4欠压锁定与软启动部分电路欠压锁定电路包括2部分：电源Vcc检测电路和5v基准发生器，见图4-12所示。5VOn/off5V5V发生器VthUVLO输出Vth故障输出端PwrGndFPwrGndFaultSS启动启动故4V启4V0.2VRR5VoffV当Vcc电压商于Vec—on门限，则UVLO信号置0，5V电压发生器工作，有驱动信号产生：当Vcc电压低于Vce—off门限，则UVLO信号置1，5V电压发生器关闭，无驱动信号产生；同时锁定故障锁存器和延时锁存器，启动20uARestartDelay电流源，给Soft—Ref端放电：若5v电压发生器有问题，输出电压低于4．9V，则UVLO信号置1，无驱动信号产生。当Fault端的故障电平低于3v门限时，故障锁存器输出Q端置0，即Fault置0，有输出驱动信号产生；当Fault端的故TT障电平超过3v门限时．故障锬存器输出口端置1．即Fault置1．关闭输出驱动信号；同时延时锁存器也被触发，其Q端置1，启动20uARestartDelay电流源，给Soft—Ref端放电，直至Soft—Ref端电平低于0．2V，故障锁存器和延时锁存器被复位，故障锁存器输出0端置o，端电平达到系统基准电压4V；这时若Fault端仍有高于3v的高电平存在，Fault仍为1，无输出驱动信号，同时延时锁存器将再被触发，再启动20uARestartDelay电流源，再给Solt-Ref端放电。之后再充电，这种连续型故障的延时再启动时间Trestart：T=C190(k)(24)不是从5v开始，因此单次故障的延时再启动时间TT=C190(k)=C240(k)(25)restart4srsr若想减短故障延时再启动时间可在旁路电容两端并联1个≥20KQ的电阻，即可将故障延时再启动时间限制在近似3倍的T。VVCCOUTOUTAOUTBUVLOPwrGnd4.3.5逻辑驱动电路图4-14为UC3867逻辑驱动电路，从图4-13可见，输出驱动为一对反相的图腾柱结构，腾柱结构的前级是OneShot信号和UVLO、FaultLatch信号构成的门电路。当UVLO、FauitLatch信号都置0时，即无UVLO故障和FauIt故障时，在OutA和OutB端产生1A峰值电流的驱动信号；长春工程学院毕业设计(论文)当UVLO、FaultLatch信号有1个置l时，即有UVLO故障或者Fault故障时，在OutA和OutB端长春工程学院毕业设计(论文)4.4交流滤波整流输入的设计EMI滤波器由电感与电容组成的低通滤波器构成，安装在电力线与开关电源之间，对频4-16中，C为差模滤波电容，C为共模滤波器电容；L为共模扼流圈，L为独立电感。1212要使EMI滤波器有良好的工作特性，元件在选材时有很多需要注意的地方。差模滤波电容(C)1通常选取金属膜电容，金属膜电容具有较大的电容值，自谐振频率