畢業(yè)設(shè)計(jì)---多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) </p><p>　　題 目： 多路輸出開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) </p><p>　　Multi-output Switching Power Supply</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文比較全面地闡明了開(kāi)關(guān)電源的基本原

2、理。首先介紹了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，然后介紹了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)。再后介紹了開(kāi)關(guān)電源的控制原理，并簡(jiǎn)單介紹了隔離技術(shù)。當(dāng)然也介紹了有關(guān)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)用多路數(shù)出開(kāi)關(guān)電源。這個(gè)開(kāi)關(guān)電源為220V交流輸入，±5V，±12V輸出，頻率為50kHz。首先對(duì)主電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)了一個(gè)半橋型電路。其次，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制電路以SG3525為核心。<

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞 開(kāi)關(guān)電源 多路輸出 SG3525 電壓型控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The fundamental of the switching power supply is illustrated in this paper. Firstly, the development

4、tendency is introduced. And then the main circuit of the power supply is introduced, and the comparison between them is given. Last, introduce the control theory and also introduce the isolation technology. Of course the

5、 soft switching technique is also introduced. And then the Multi-output Switching Power Supply was designed. The switching power supply is AC220V input and ±5V, ±12V output, the f</p><p>　　Keywords

6、 switching power Multi-output SG3525 voltage control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　1.1 電源技術(shù)的發(fā)展及方向1</p><p>　　1.1.

7、1 線性電源1</p><p>　　1.1.2 開(kāi)關(guān)電源2</p><p>　　1.2 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的分類3</p><p>　　1.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)3</p><p>　　1.4 本文的工作4</p><p>　　第2章 開(kāi)關(guān)電源電路原理與方案論證5</p><

8、p>　　2.1 DC/DC變換器拓?fù)?</p><p>　　2.1.1 基本DC/DC變換器拓?fù)?</p><p>　　2.1.2 正激變換器(Forward Converter)6</p><p>　　2.1.3 反激變換器(Flyback Converter)6</p><p>　　2.1.4 推挽變換器(Push

9、-Pull Converter)7</p><p>　　2.1.5 半橋變換器(Half-bridge Converter)7</p><p>　　2.1.6 全橋變換器(Full-Bridge Converter)8</p><p>　　2.2 軟開(kāi)關(guān)的選用9</p><p>　　2.2.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展9</p

10、><p>　　2.3 控制電路10</p><p>　　2.3.1 開(kāi)關(guān)電源控制方式10</p><p>　　2.3.2 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本原理11</p><p>　　2.3.3 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源控制方法的選擇11</p><p>　　2.4 開(kāi)關(guān)電源電路的隔離技術(shù)13</p>

11、<p>　　第3章 電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1 具體指標(biāo)及電路結(jié)構(gòu)形式的選擇14</p><p>　　3.2 主電路的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1 主變壓器的設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2.3 開(kāi)關(guān)器

12、件及二極管的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3 控制電路的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3.1 總體控制方案18</p><p>　　3.3.2 PWM控制器的設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.3.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)23</p>

13、;<p>　　3.3.5 小結(jié)24</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)26</b></p><p><b>　　謝 辭27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　第1章 引言</b>

14、;</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而任何電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源。進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都己廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的

15、時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者脈沖頻率調(diào)制方式(PFM)控制IC和外部電路構(gòu)成。</p><p>　　1.1 電源技術(shù)的發(fā)展及方向</p><p>　　1.1.1 線性電源</p><p>　　在開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)之前，線性穩(wěn)壓電源已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)間。而后開(kāi)關(guān)電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn)的，開(kāi)關(guān)電源這一稱謂

16、也是相對(duì)于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。圖1.1是線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。</p><p>　　圖1.1 線性穩(wěn)壓電源</p><p>　　圖1.1所示的線性穩(wěn)壓電源雖然可以滿足所需直流電壓的高低和供電質(zhì)量（精度、波紋等）的要求但有兩個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是調(diào)整管V工作在線性放大狀態(tài)，損耗很大，因而使整個(gè)電源效率很低；二是需要一個(gè)工頻變壓器T，使得電源體積大、重量重。</p><p

17、>　　線性電源雖然還有輸出精度低、效率低、散熱問(wèn)題大以及很難在一個(gè)通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作等問(wèn)題。但最主要的缺陷還是在體積和重量上。雖然通過(guò)調(diào)整器可以使輸出精度增加，但這更增加功率消耗，并使效率更低。線性電源要達(dá)到50%的效率就很不容易了，而這些消耗掉的無(wú)用功還帶來(lái)散熱問(wèn)題。如果使線性電源在一個(gè)通用輸入電壓范圍內(nèi)工作，會(huì)導(dǎo)致線性電源的效率更低。而單一輸入電壓值的線性電源會(huì)給生產(chǎn)廠家?guī)?lái)不少麻煩，因?yàn)樗麄儾坏貌粶?zhǔn)備很多規(guī)格的電源。&

18、lt;/p><p>　　1.1.2 開(kāi)關(guān)電源</p><p>　　由于體積和重量上的問(wèn)題，在便攜式電器日益增多的今天，線性電源的應(yīng)用越來(lái)越受到限制。一般來(lái)說(shuō)，凡用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形式轉(zhuǎn)換成另一種電源形式的主電路都叫做開(kāi)關(guān)變換電路。轉(zhuǎn)換時(shí)采用自動(dòng)控制的閉環(huán)電路來(lái)穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的稱為開(kāi)關(guān)電源(Switch Power Supply)。開(kāi)關(guān)電源自從上世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)

19、，就在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。蘋(píng)果公司是最早在它的電腦中應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的公司之一，開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用也是蘋(píng)果電腦價(jià)格低廉的一個(gè)重要原因。而現(xiàn)在，幾乎所有的計(jì)算機(jī)都采用各種開(kāi)關(guān)電源技術(shù)來(lái)滿足不同的需要。開(kāi)關(guān)電源中主要的組成部分有：PWM控制器、功率開(kāi)關(guān)管、變壓器和反饋電路。圖1.2顯示的就是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源電路。</p><p>　　工頻交流 直流 高頻交流 脈動(dòng)直流

20、穩(wěn)定直流</p><p>　　圖1.2 開(kāi)關(guān)電源電路</p><p>　　圖1.2中的整流電路是把交流電源直接經(jīng)過(guò)二極管整流電路和電容C濾波后得到直流電壓ui，再由逆變器逆變成高頻交流方波脈沖電壓。逆變器輸出經(jīng)高頻變壓器T隔離并變換成適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，再?jīng)過(guò)整流和濾波變成所需要的直流輸出電壓uo。</p><p>　　當(dāng)交流輸入電壓、負(fù)載等變化時(shí)，直流輸出電壓uo也

21、會(huì)變化。這時(shí)可以調(diào)節(jié)逆變器輸出的方波脈沖電壓的寬度，使直流輸出電壓uo保持穩(wěn)定。</p><p>　　上述電路看起來(lái)比線性穩(wěn)壓電源復(fù)雜，但比起線性穩(wěn)壓電源卻有幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。首先，該電路中起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的逆變電路中的電力電子器件都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗很小，使得電源效率可以達(dá)到90%以上，甚至95%以上，其次，電路中起隔離和電壓變換作用的變壓器T是高頻變壓器，其工作頻率多為20kHz以上。因?yàn)楦哳l變壓器的體積可以

22、做得很小，從而使整個(gè)電源的體積大為縮小，重量也大大減輕。當(dāng)然，由于工作頻率高，濾波器體積也大為減小。</p><p>　　雖說(shuō)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始對(duì)線性電源構(gòu)成了威脅，但是早期的開(kāi)關(guān)電源除了PWM控制器和功率開(kāi)關(guān)管外，還包括大概40到80個(gè)分立元件構(gòu)成一些輔助電路。這不但增加了成本和體積，而且還使可靠性受到了影響，所以從提高開(kāi)關(guān)電源的競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)說(shuō)，提高控制電路、保護(hù)電路的可集成性，使電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。

23、多年來(lái)，由于技術(shù)上的障礙(高壓、大功率)，開(kāi)關(guān)電源集成電路在集成化上一直得不到很大的進(jìn)步，但是最近幾年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，能將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機(jī)結(jié)合，出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的問(wèn)世，導(dǎo)致了中小型功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。因此目前可以通過(guò)集成復(fù)雜的功能電路來(lái)進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的性能和安全

24、性，這包括熱關(guān)斷電路、限流電路、過(guò)/欠壓保護(hù)電路等等。通過(guò)上面的分析我們可以看到，與線性電源相比，開(kāi)關(guān)電源輸出精度高、轉(zhuǎn)換效率高，性能可靠。除此之外，開(kāi)關(guān)電源最大的優(yōu)勢(shì)還在于能夠大幅度縮小變壓器的體積和重量，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源的變壓器工作于50kHz到1 MHz的高頻</p><p>　　1.2 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的分類</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源可以根據(jù)不同類型分類：根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能可分為AC/

25、DC和DC/DC兩個(gè)大類DC/DC變換器現(xiàn)己實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并己得到用戶的認(rèn)可。但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題；根據(jù)控制模式可分為電流模式和電壓模式兩個(gè)大類，電流模式是以電流作為電路中的信號(hào)變量，并通過(guò)處理電流變量來(lái)決定電路功能。而電壓模式是以電壓作為電路中的信號(hào)變量，并通過(guò)處理電壓變量來(lái)決定電路功能。電路中的電壓信號(hào)和電流信號(hào)總是彼此

26、關(guān)聯(lián)，相互作用的，任何處理電流信號(hào)的電路必然會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部電壓信號(hào)擺幅。但是，作為電流模式電路，電路的功能取決于電流信號(hào)的處理結(jié)果。</p><p>　　1.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。而當(dāng)我們把開(kāi)關(guān)電源的研究擴(kuò)

27、大到可調(diào)高電壓、大電流時(shí)，以及將研究新技術(shù)應(yīng)用于DC/DC變換器，即開(kāi)拓了大功率應(yīng)用領(lǐng)域，又使開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到了從發(fā)電廠設(shè)備至家用電器的所有應(yīng)用電力、電子技術(shù)的電氣工程領(lǐng)域，作為節(jié)能、節(jié)材、自動(dòng)化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)的開(kāi)關(guān)電源，它的產(chǎn)品展現(xiàn)了廣闊的市場(chǎng)前景。例如，發(fā)電廠的貯能發(fā)電設(shè)備、直流輸電系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、機(jī)車(chē)牽引、交直流電機(jī)傳動(dòng)、不停電電源、汽車(chē)電子化、開(kāi)關(guān)電源、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備以及電視、通訊、辦公自動(dòng)化設(shè)備等。

28、電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類。線性穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓性能好，輸出電壓波紋很小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，并且調(diào)整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大，效率低。開(kāi)關(guān)電源SPS被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方</p><p>　　1.4 本文的工作

29、</p><p>　　本文的主要工作是對(duì)開(kāi)關(guān)電源有關(guān)知識(shí)進(jìn)行比較全面的介紹，并設(shè)計(jì)一種低成本的計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源。本文比較全面地闡明了開(kāi)關(guān)電源的基本原理。首先介紹了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，然后介紹了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)。再后介紹了開(kāi)關(guān)電源的控制原理，并簡(jiǎn)單介紹了隔離技術(shù)。當(dāng)然也介紹了有關(guān)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)用開(kāi)關(guān)電源。這個(gè)開(kāi)關(guān)電源為220V交流輸入，±5V，±12V輸

30、出，頻率為50kHz。首先對(duì)主電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)了一個(gè)半橋型電路。其次，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制電路以SG3525為核心。 </p><p>　　第2章 開(kāi)關(guān)電源電路原理與方案論證</p><p>　　2.1 DC/DC變換器拓?fù)?lt;/p><p>　　將一種直流電壓變換成另一種或多種(固定或可調(diào)的)直流電壓稱為DC/DC變換

31、(亦稱直流變換器)，這種技術(shù)被廣泛地應(yīng)用。</p><p>　　DC/DC變換器按輸入與輸出是否有電氣隔離可分為兩類：無(wú)電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器?；镜牟桓綦x的直流變換器有降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、升降壓(Buck-Boost)變換器、Cuk變換器、Sepic變換器和Zeta變換器等六種，有隔離的直流變換器有正激(forward)、反激(flyb

32、ack)、推挽(push-pull converter)、半橋（half-bridge converter）、全橋（full-bridge converter）等。</p><p>　　2.1.1 基本DC/DC變換器拓?fù)?lt;/p><p>　　基本DC/DC變換器拓?fù)渲饕蠦uck變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器、Cuk變換器、Sepic變換器和Zeta變換器等六種，

33、其中最常見(jiàn)的是Buck變換器和Boost變換器。上述六種DC/DC變換器拓?fù)淙鐖D1-1所示。</p><p>　?。╝）Buck變換器 （b）Boost變換器</p><p>　?。╟）Buck-Boost變換器 （d）Cuk變換器</p><p>　　（d）Sepic變換器

34、 （e）Zeta變換器</p><p>　　圖2.1 基本DC/DC變換器拓?fù)鋱D</p><p>　　Buck變換器如圖2.1 (a)所示，此種變換器只能降壓，不能升壓，輸出與輸入同極性，輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入電流脈動(dòng)大，適用于各種降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。</p><p>　　Boost變換器如圖2.1 (b)所示，此種變換器只能升壓，而不能降壓，

35、輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)小，但輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和需要對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制的場(chǎng)合(如功率因數(shù)校正電路)。</p><p>　　Buck-Boost變換器如圖2.1(c)所示，此種變換器既能升壓又能降壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于反相型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。</p><p>　　Cuk變換器如圖2.1 (d

36、)所示，此種變換器既能升壓又能降壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于對(duì)輸入輸出紋波要求高的反相型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。</p><p>　　Sepic變換器如圖2.1 (e)所示，此種變換器既能升壓又能降壓，輸出與輸入極性相同，輸入電流脈動(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于升降壓型功率因數(shù)校正電路。</p><p>　　Zeta變換器如圖2.1

37、(f)所示，此種變換器既能升壓又能降壓，輸出與輸入極性相同，輸入電流脈動(dòng)大，輸出電流脈動(dòng)小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用于對(duì)輸出紋波要求高的升降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。</p><p>　　2.1.2 正激變換器(Forward Converter)</p><p>　　正激變換器拓?fù)淙鐖D1-2所示，實(shí)際上該變換器是由Buck變換器變化而來(lái)的，是在Buck變換器中插入隔離變壓器而成。</p

38、><p>　　正激變換器具有電路簡(jiǎn)單、輸入輸出隔離、容易實(shí)現(xiàn)多輸出等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)百瓦一數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源中，但是有一個(gè)固有的缺陷，就是變壓器必須復(fù)位，否則變壓器的勵(lì)磁電流就會(huì)不斷的增加，最后導(dǎo)致磁芯飽和，損壞電路中的開(kāi)關(guān)器件。磁復(fù)位的基本要求是隔離變壓器的原邊勵(lì)磁和去磁過(guò)程中所加的伏秒面積相等，極性相反。正激變換器有多種磁復(fù)位方式。</p><p>　　圖 2.2 正激變換器</p

39、><p>　　2.1.3 反激變換器(Flyback Converter)</p><p>　　反激變換器拓?fù)淙鐖D1-3所示，該電路可以看成是將Boost變換器中的電感換成變壓器繞組W1和W2相互藕合的電感而得到的。故反激變換器中的變壓器工作總是經(jīng)歷著儲(chǔ)能放電的過(guò)程，其變壓器起著輸入輸出隔離和儲(chǔ)存能量的作用，這一點(diǎn)與正激變換器不同，正激變換器的隔離變壓器不起電感的作用，只是起到隔離升降壓的作

40、用。</p><p>　　圖2.3 反激變換器</p><p>　　反激型變換器通常工作在電流斷續(xù)模式，這樣變壓器磁芯的利用率較高、較合理，若工作在電流連續(xù)模式時(shí)，其變壓器磁芯的利用率會(huì)顯著下降。反激變換器的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，元器件少，成本較低，廣泛應(yīng)用于數(shù)瓦－數(shù)十瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源中，諸如各種家電、計(jì)算機(jī)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等設(shè)備中的開(kāi)關(guān)電源。該電路變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線平面的第一象限，利

41、用率低，且開(kāi)關(guān)器件承受的電流峰值很大，不適合應(yīng)用于較大功率的開(kāi)關(guān)電源。</p><p>　　2.1.4 推挽變換器(Push-Pull Converter)</p><p>　　推挽變換器拓?fù)淙鐖D2.4所示，該電路中，兩只開(kāi)關(guān)管輪流導(dǎo)通，輸出脈動(dòng)頻率提高一倍，脈動(dòng)電壓小，濾波容易，輸出電壓易高。變壓器能夠雙向勵(lì)磁，磁芯利用率高，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力高，達(dá)到輸入電壓的兩倍，所以推挽變換器適合用

42、在低輸入電壓的中、大功率的開(kāi)關(guān)電源中。該電路的二次側(cè)可以接成全波整流、全橋整流或倍流整流形式。另外，由于開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間不可能一致，容易引起變壓器偏磁，甚至飽和，須采取特別的方法來(lái)解決。過(guò)去常用的方法是選用特性較一致的開(kāi)關(guān)管，并適當(dāng)增加變壓器磁路中的氣隙，使之在電路不平衡狀態(tài)下，磁通不至于飽和?，F(xiàn)在主要采用電流控制，使電流峰值自動(dòng)平衡。</p><p>　　圖2.4 推挽變換器</p>&

43、lt;p>　　2.1.5 半橋變換器(Half-bridge Converter)</p><p>　　半橋變換器拓?fù)淙鐖D2.5所示，電路中只有一個(gè)橋臂采用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，另外一個(gè)橋臂是兩個(gè)電容串聯(lián)，這兩個(gè)電容用來(lái)分壓，流通高頻開(kāi)關(guān)工作的交流電流成份，也起到輸入電壓的濾波作用。與推挽變換器一樣，電路的二次側(cè)可以接成全波整流、全橋整流或倍流整流形式。半橋變換器電路的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力為輸入電源電壓，變換器開(kāi)通時(shí)

44、，變壓器原邊所加的電壓只有輸入電壓的一半，故該電路適用于較高的直流輸入電壓。限制了變換器的輸出功率，要增加輸出功率，必須提高開(kāi)關(guān)的電流應(yīng)力。半橋變換器電路利用輸入電容的充放電特性自動(dòng)調(diào)整兩個(gè)輸入電容上的電壓，使變壓器在工作周期的正負(fù)半周伏秒平衡，故該電路不容易發(fā)生變壓器偏磁和直流飽和的問(wèn)題。半橋變換器的橋臂為兩開(kāi)關(guān)管串聯(lián)。故存在橋臂直通的問(wèn)題，需要設(shè)適當(dāng)死區(qū)時(shí)間。</p><p>　　圖2.5 半橋變換器<

45、;/p><p>　　2.1.6 全橋變換器(Full-Bridge Converter)</p><p>　　全橋變換器拓?fù)淙鐖D2.6所示，全橋變換器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，該電路的逆變電路由四個(gè)開(kāi)關(guān)組成，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，而同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，這樣存在橋臂直通問(wèn)題，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間。</p><p>　　圖2.6 全橋變換器</p&g

46、t;<p>　　全橋變換器的變壓器雙向勵(lì)磁，并且與推挽變換器相比較，在輸入電壓相同的條件下，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2，因此全橋變換器適用于輸入電壓高的數(shù)百瓦－數(shù)十千瓦的各種工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源中。另外，若互為導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，會(huì)在變壓器一次電流中產(chǎn)生很大的直流分量，并可能造成磁路飽和，故全橋變換器應(yīng)避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次回路中串聯(lián)一個(gè)隔離電容。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選

47、取半橋型電路。</p><p>　　從目前市場(chǎng)上流行的微機(jī)電源看，按主回路的不同，大體可以分為單管自激式PWM可調(diào)穩(wěn)壓電源和它激式半橋型PWM可調(diào)穩(wěn)壓電源兩大類。前者電路簡(jiǎn)單、成本低，但輸出功率也較低，一般只適用于8bit微機(jī)。后者工作頻率較高、輸出功率較大，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，是目前PC市場(chǎng)上的主流電源。</p><p>　　2.2 軟開(kāi)關(guān)的選用</p><p

48、>　　在主電路中，是否采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也是一個(gè)破費(fèi)斟酌的問(wèn)題。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的小型化、輕量化最直接的途徑是提高開(kāi)關(guān)頻率。但是在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也同時(shí)增加，電路效率嚴(yán)重下降，電磁干擾也會(huì)增大，所以簡(jiǎn)單地提高開(kāi)關(guān)頻率是不行的。針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，它主要解決電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題，是開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。但實(shí)際上，在眾多的軟開(kāi)關(guān)電路中，具有實(shí)際使用價(jià)值的并不多，目前較

49、為成熟的是零電壓和零電流準(zhǔn)諧振電路、移相全橋型零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路及零電壓零電流轉(zhuǎn)換PWM控制電路等。</p><p>　　在設(shè)計(jì)中，通常需要綜合考慮可靠性、成本、效率等多方面因素?，F(xiàn)階段在一些情況下，采用硬開(kāi)關(guān)電路仍然合理的選擇，而對(duì)效率、體積和重量的要求非常高時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采用相應(yīng)的軟開(kāi)關(guān)電路。歲星和市場(chǎng)對(duì)電源體積和重量越來(lái)越苛刻的要求，軟開(kāi)關(guān)電路在電源中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因而從發(fā)展的角度看，軟開(kāi)關(guān)是未

50、來(lái)電源技術(shù)的主流。</p><p>　　2.2.1 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　開(kāi)關(guān)頻率的提高可以使開(kāi)關(guān)變換器(特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容)的體積、重量大為減小，從而提高變換器的功率密度。另外，提高開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)電源的音頻噪聲和改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。</p><p>　　早期的脈寬調(diào)制(PWM)開(kāi)關(guān)電源工作在硬開(kāi)關(guān)模式，即強(qiáng)迫功率器件在其兩端電壓

51、不為零時(shí)開(kāi)通，電流不為零時(shí)關(guān)斷，這種方式使得開(kāi)通和關(guān)斷損耗大。開(kāi)關(guān)頻率越高，損耗越大，限制了頻率的提高。變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是利用電感和電容對(duì)開(kāi)關(guān)的軌跡進(jìn)行整形，較好的解決了硬開(kāi)關(guān)PWM變換器的開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題。同時(shí)也解決了硬開(kāi)關(guān)引起的EMI問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外電力電子界自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，不斷研究高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，并得到較快的發(fā)展。最早是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。從能量的角度看，這種方法對(duì)變換器的變換效率沒(méi)有提高，甚至使效率降低。目

52、前所研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，而是真正的減小開(kāi)關(guān)損耗，不是開(kāi)關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。目前，直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)一般可分為以下幾類：</p><p>　　1. 全諧振變換器，一般稱為諧振變換器。該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器(SACS)和并聯(lián)諧振變換器(PRCS)兩類。在諧振變換器中，諧振元件一直參與諧振工作，參與能量變換的全過(guò)程。該變換器與負(fù)載的關(guān)系比較大。對(duì)

53、負(fù)載的變化比較敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。</p><p>　　2. 準(zhǔn)諧振變換器(QRCS)和多諧振變換器(MRCS)。這是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一次飛躍，該類變換器的特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一個(gè)階段，不是全過(guò)程參與。準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZCS QRCS)和零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器(ZVSQRCS)。多諧振變換器一般實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，該類變換器需采用頻率調(diào)制方法。</p>&l

54、t;p>　　3. 零開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero switching PWM converters)。它可分為零電壓開(kāi)關(guān)PWM變換器(Zero-voltage-switching PWM converters)和零電流開(kāi)關(guān)PWM變(Zero current-switching PWM converters)。該類變換器是在QRCS的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)恒頻率控制，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。與QRCS不同的是，零開(kāi)關(guān)PWM變換器的諧振元件的諧振工作時(shí)

55、間與開(kāi)關(guān)周期相比很短，一般為開(kāi)關(guān)周期的十分之一到十五分之一。</p><p>　　4. 零轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero transition converters)。它可分為零電壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-voltage-transition PWM converters, ZVT PWM converters)和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器(Zero-current-transition PWM converte

56、rs, ZCT PWM converters)。該類變換器是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的又一次飛躍。它的特點(diǎn)是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路僅在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，在其余的時(shí)間則不工作，這就使得輔助諧振電路的損耗比較小。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)從降低成本考慮，不采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。</p><p><b>　　2.3 控制電路</b></p

57、><p>　　開(kāi)關(guān)電源控制的主要目的就是要保持輸出電壓一定，而負(fù)載電流可以有很大的變化范圍，這就要通過(guò)負(fù)反饋來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。所有的電源控制器，無(wú)論線性電源還是開(kāi)關(guān)電源，都要檢測(cè)輸出電壓。反饋電壓輸入到稱之為電壓誤差放大器的高增益運(yùn)算放大器的反向端，參考電壓輸入到運(yùn)算放大器的同向端，運(yùn)算放大器輸出的就是參考電壓和輸出電壓的差值。運(yùn)算放大器把這誤差值放大了許多倍，這個(gè)輸出電壓稱為誤差電壓，用誤差電壓信號(hào)來(lái)控制電源供給負(fù)載

58、的能量。該值為正，說(shuō)明輸出電壓太低，電源要輸出更多的能量。反之如果是個(gè)負(fù)值，就說(shuō)明輸出電壓太高，要減小輸出的能量。</p><p>　　2.3.1 開(kāi)關(guān)電源控制方式</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的控制方式，大致有以下三種：</p><p>　　(1)脈寬調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫(xiě)為PWM)式。其特點(diǎn)式固定開(kāi)關(guān)頻率，通

59、過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)占空比。因開(kāi)關(guān)周期也是固定的，這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。其特點(diǎn)是受功率開(kāi)關(guān)最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，對(duì)輸出電源不能做寬范圍的調(diào)節(jié)；另外輸出端一般要接假負(fù)載，以防止空載時(shí)輸出高電壓。目前，集成開(kāi)關(guān)電源大多采用PWM方式。</p><p>　　(2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈頻調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，縮寫(xiě)為PFM)式。它是將脈沖寬度固定，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率來(lái)調(diào)節(jié)占空比

60、的。在電路設(shè)計(jì)上要用固定脈寬發(fā)生器來(lái)代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓頻率轉(zhuǎn)換器(例如壓控振蕩器VCO)改變頻率。其穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng)，使占空比減小，壓降低。PFM式開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接負(fù)載。</p><p>　　(3)混合調(diào)制方式，使指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。由于今和T均可調(diào)

61、節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合供實(shí)驗(yàn)室使用的輸出電壓可以寬度范圍調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源。</p><p>　　2.3.2 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源的基本原理</p><p>　　PWM控制電路由以下幾部分組成：1.基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器，提供一個(gè)供輸出電壓進(jìn)行比較的穩(wěn)定電壓和一個(gè)內(nèi)部IC電路的電源；2.振蕩器，為PWM比較器提供一個(gè)鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅(qū)動(dòng)脈沖控制電路的輸出；3.誤差放大器，使電源輸出電

62、壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；4.以正確的時(shí)序使輸出晶體管導(dǎo)通的脈沖倒相電路。振蕩頻率由外部電容Cext和電阻Rext加以設(shè)定。</p><p>　　其基本工作過(guò)程如下：輸出晶體管在鋸齒波的起始點(diǎn)t1被導(dǎo)通。由于鋸齒波電壓比誤差放大器輸出低，所以PWM比較器的輸出較高，因?yàn)橥叫盘?hào)以在斜坡電壓的起始點(diǎn)使倒相電路工作，所以脈沖倒相電路將這個(gè)高電位輸出倒相VT1，當(dāng)斜坡電壓比誤差放大器的輸出高時(shí)，PWM比較器的輸出電壓下降，

63、通過(guò)脈沖倒相電路使VT1截止，下一個(gè)斜坡周期則重復(fù)這個(gè)過(guò)程，不過(guò)，這時(shí)脈沖倒相電路將PWM的高電位輸出耦合到VT2，如果電源電壓下降，則輸出電壓的取樣將下降而低于基準(zhǔn)電壓變得比誤差放大器的輸出高的時(shí)間更長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)每個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，大部分PWM穩(wěn)壓器具有一個(gè)約為脈沖周期5%的最小死期時(shí)間，且可以由外部電阻或電壓分壓器來(lái)設(shè)定更長(zhǎng)的死期時(shí)間。</p><p>　　2.3.3 脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)電源控制方法的選擇&l

64、t;/p><p>　　選擇控制方法極其重要，如果選擇不正確，會(huì)使電源工作不穩(wěn)定而浪費(fèi)寶貴的時(shí)間。設(shè)計(jì)者要知道各種控制方法之間細(xì)微的差別。</p><p><b>　　1.電壓型控制</b></p><p>　　電壓型控制的最顯著特點(diǎn)就是誤差電壓信號(hào)被輸入到PWM比較器，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行比較。電壓誤差信號(hào)升高或降低使輸出信號(hào)的脈寬增大或減小。

65、要識(shí)別是不是電壓控制型IC，可以先找到RC振蕩器，然后看產(chǎn)生的三角波是不是輸入到比較器，并與誤差電壓信號(hào)進(jìn)行比較。</p><p>　　電壓型控制IC的過(guò)電流保護(hù)有兩種形式，早期的方法是用平均電流反饋。在這種方法中，輸出電流是通過(guò)負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)檢測(cè)的，電流信號(hào)可以放大輸入到補(bǔ)償用電流誤差放大器中。當(dāng)電流放大器檢測(cè)到輸出電流接近原先設(shè)定的限制值時(shí)，就阻礙電壓誤差放大器的作用，從而把電流加以限制，以免電流繼續(xù)增

66、大。平均電流反饋?zhàn)鳛殡娏鞅Ｗo(hù)有一個(gè)固有的缺點(diǎn)，就是響應(yīng)速度很慢。當(dāng)輸出突然短路，會(huì)來(lái)不及保護(hù)功率開(kāi)關(guān)，而且在磁性元件進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)也無(wú)法檢測(cè)。這些會(huì)導(dǎo)致在幾個(gè)微秒內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開(kāi)關(guān)。第二種過(guò)電流保護(hù)方法是逐周過(guò)電流保護(hù)。這種方法可以保證功率開(kāi)關(guān)工作在最大安全電流范圍內(nèi)。在功率開(kāi)關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)器(電阻或電流互感器)，這樣就可以檢測(cè)流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的瞬時(shí)電流。當(dāng)這個(gè)電流超過(guò)原先設(shè)定的瞬時(shí)電流限制值時(shí)，就關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管。保護(hù)

67、電路要求響應(yīng)很快，以實(shí)現(xiàn)包括磁保護(hù)電路的保護(hù)限制值是固定的，而且也不會(huì)因其他參數(shù)改變而變化，所以不是一種電流型控制。最后一種是“電壓滯環(huán)”的電壓控制，這種控制方法是非?；镜?。在這種控制方法中，固定頻率的振蕩器只是在輸出電壓低于有電壓反饋環(huán)給定的指令值時(shí)才轉(zhuǎn)成“通”的狀態(tài)。由于有</p><p>　　圖2.7 電壓型控制原理圖</p><p><b>　　2.電流型控制<

68、/b></p><p>　　電流型控制最好用在電流波形的線性坡度很大的拓?fù)渲?，如Boost、Buck-Boost、和反激型電路等升壓式拓?fù)洹ｋ娏餍涂刂品椒ㄊ强刂屏鬟^(guò)功率開(kāi)關(guān)管的峰值(有時(shí)是最小)電流的漂移點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這也等效于磁心的磁通密度的偏移量。從本質(zhì)上說(shuō)，是調(diào)節(jié)磁心的一些磁參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電流型控制最常見(jiàn)的方法是“定時(shí)開(kāi)通”的方法，有固定頻率的振蕩器給觸發(fā)器置位，有快速電流比較器給觸發(fā)器復(fù)位。觸發(fā)器狀態(tài)

69、為，“1”時(shí)，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。顯示輸出電壓太低時(shí)，電流門(mén)檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一樣。電流型控制本身具有過(guò)電流保護(hù)功能，快速電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逐周限制。這種保護(hù)也是一種恒功率過(guò)載保護(hù)方法。這種保護(hù)通過(guò)電流和電流反饋來(lái)維持供給負(fù)載的恒功率，但并不是在所有產(chǎn)品中用這種方法都是最適合的，特別是在典型的失效會(huì)引起失效電流增大的場(chǎng)合下。此外，電路可以設(shè)置其他過(guò)載保護(hù)方法。</p><p>　　另外一種

70、電流型控制方法叫做電流滯環(huán)控制，這種方法對(duì)電流峰值和谷值都進(jìn)行控制。這種方法用在電流連續(xù)模式的Boost變換器中是比較好的。它的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，但它的響應(yīng)速度很快。這種方法并不是常用的控制方法，其控制頻率也是變化的。</p><p><b>　　3.其它控制方法</b></p><p>　　現(xiàn)在有些IC制造廠商為了提高所設(shè)計(jì)的電源整機(jī)效率，在一些工作點(diǎn)上自行設(shè)計(jì)新的控制

71、模式或新的控制方法。這種經(jīng)驗(yàn)比較模糊，除了設(shè)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合外，并不可以在其它所有應(yīng)用場(chǎng)合下工作。比如，有些Buck控制IC通過(guò)降低工作的頻率，可以使電感電流進(jìn)入斷續(xù)模式，進(jìn)入斷續(xù)模式后，反饋環(huán)的穩(wěn)定性會(huì)改變，所以他們用一些復(fù)雜的控制方法來(lái)補(bǔ)償可以預(yù)見(jiàn)的不穩(wěn)定性。</p><p>　　電壓滯環(huán)控制：這是經(jīng)常所說(shuō)的“打Amt型”控制方法，它用一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器調(diào)節(jié)輸出電壓，如果電壓低于某一限制值，PWM發(fā)生器就開(kāi)通一段時(shí)

72、間，直到超過(guò)這個(gè)限制值(加上某一滯環(huán)電壓值)為止。這種方法使輸出電壓紋波等于或大于控制電路上的滯環(huán)電壓值。變頻控制：固定頻率控制方法在輕載時(shí)由于開(kāi)關(guān)損耗固定，所以頻率下降。有些控制器在輕載時(shí)切換到頻率可變的時(shí)鐘，而采用的控制方法還是一樣的。</p><p><b>　　4.小結(jié)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用電壓模式PWM控制模式。</p>&

73、lt;p>　　2.4 開(kāi)關(guān)電源電路的隔離技術(shù)</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源一般有兩部分組成：一是功率主電路，二是控制電路。離線變換器功率主電路進(jìn)線往往與市電網(wǎng)連接，電壓高，但輸出電路和控制電路多由低壓電子元器件所組成。為了人身和低壓電子元器件的安全，功率主電路與輸出電路應(yīng)該電氣隔離，即兩者不共地。常用的電氣隔離方案有用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離方案和變壓器和光耦合器結(jié)合實(shí)現(xiàn)隔離的方案。光電偶合器由發(fā)光二極管和光敏晶體

74、管組成</p><p><b>　　第3章 電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　在第二章中我們討論過(guò)了開(kāi)關(guān)電源各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，在針對(duì)具體指標(biāo)要求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要對(duì)電路的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行初步的選擇，然后對(duì)電路的元器件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最后綜合考慮各種因素通過(guò)試驗(yàn)修改并確定電路的元器件參數(shù)。</p><p>　　3.1 具體

75、指標(biāo)及電路結(jié)構(gòu)形式的選擇</p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo)如下：</b></p><p>　　輸入電壓：AC 220V</p><p>　　輸出電壓：DC ±12V ±5V</p><p>　　輸出電流：最大20A</p><p>　　輸出紋波：紋波系數(shù)不大于0.5%&

76、lt;/p><p><b>　　效率85%以上</b></p><p><b>　　要求輸入輸出隔離</b></p><p>　　在研究了上述指標(biāo)后，可知所要求設(shè)計(jì)的電源有三個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　(1)這是一路輸入、四路輸出的變換器，并且要求在輸入與輸出之間要進(jìn)行隔離；</p>&

77、lt;p>　　(2)輸入電壓的變化范圍從50%變化到120%；</p><p>　　(3)在負(fù)載或輸入電源電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓最多變化11%，并且紋波峰峰值小于50mV。</p><p>　　3.2 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 主變壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　變壓器是開(kāi)關(guān)電源中的核心元件，許多其他主電路器件

78、的參數(shù)設(shè)計(jì)都依賴于變壓器的參數(shù)，因此首先進(jìn)行變壓器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　高頻變壓器工作時(shí)的電壓、電流都不是正弦波，因此其工作狀況同工頻變壓器是很不一樣的，設(shè)計(jì)公式也有所不同。所依據(jù)的參數(shù)是工作電壓、工作電流和工作頻率等。</p><p><b>　　1、電壓比kT</b></p><p>　　電壓比計(jì)算的原則是電路在最大占空比和最低輸入

79、電壓的條件下，輸出電壓能達(dá)到要求的上限，考慮到電路中的壓降，輸出電壓應(yīng)留有裕量，即</p><p>　　kT≤UiminDmax/Uomax+ΔU (3-1)</p><p>　　式中，kT為電壓比；Uimin為輸入直流電壓最小值，應(yīng)選取輸入電壓下限并注意考慮電壓的波紋；Dmax為最大占空比；Uomax為最高輸出電壓；ΔU為電路中的壓降

80、，應(yīng)包含整流二極管壓降和電路中的線路壓降等。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，Uimin取輸入電壓下限時(shí)的整流電壓，即約為150V。Dmax同控制電路有關(guān)，此處選0.9。Uomax本次設(shè)計(jì)中分別為5V和12V，ΔU選2V。將以上數(shù)據(jù)代入式3-1，可得</p><p>　　kT1≤（150×0.9）/（5+2）=19</p><p>　　kT1≤（150&#

81、215;0.9）/（12+2）=10</p><p><b>　　芯選取</b></p><p>　　計(jì)算出電壓比以后，可以根據(jù)以下公式選取合適的鐵心：</p><p>　　AeAw≥PT/fsΔBdckc (3-2)</p><p>　　史中

82、，Ae為鐵心磁路截面積；Aw為鐵心窗口面積；PT為變壓器傳輸?shù)墓β?；fs為開(kāi)關(guān)頻率；ΔB為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化范圍；dc為變壓器繞組導(dǎo)體的電流密度；kc為繞組在鐵心窗口中的填充因數(shù)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中PT取350w，開(kāi)關(guān)頻率fs取50kHZ，鐵心材料選為鐵氧體，其ΔB取0.2T，導(dǎo)體電流密度dc選取4A/mm2，即4×106A/m2，窗口填充因數(shù)選取0.5。將這些數(shù)據(jù)代入式(

83、3-2)，得AeAw≥1.75×10-8</p><p>　　按照鐵氧體鐵心生產(chǎn)廠家提供的手冊(cè)，可以選擇鐵心型號(hào)為EE65，其鐵心截面積為3.8×10-4m2，窗口面積為4.89×10-4m2鐵心截面積-窗口面積的積是1.86×10-7m4可以滿足要求。</p><p><b>　　副邊匝數(shù)</b></p><

84、;p>　　選定鐵心后，便可以計(jì)算繞組匝數(shù)。由于電壓比已知，可以首先計(jì)算一次或二次繞組匝數(shù)中任意一個(gè)，然后根據(jù)電壓比推算出另一個(gè)繞組的匝數(shù)。通常計(jì)算二次匝數(shù)更容易些，計(jì)算公式為：</p><p>　　N=SV/ΔBAe (3-3)</p><p>　　式中，N為所計(jì)算的繞組的匝數(shù)；為這一繞組承

85、受的最大伏-秒面積。</p><p>　　對(duì)半橋型，全橋型，推挽型等電路，有</p><p>　　Sv2max=max[∫0TonuT2dt]</p><p>　　=max[∫0Ts/2Uodt]</p><p>　　=∫0Ts/2Uomaxdt</p><p>　　=UomaxTs/2

86、 (3-4)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)代入式(3-3)(3-4)得</p><p><b>　　N12=7匝</b></p><p><b>　　N22=16匝</b></p><p>　　一次繞組可以由二次繞組匝數(shù)和電壓比推算得到，為</p><

87、;p><b>　　N11=133匝</b></p><p><b>　　N22=160匝</b></p><p>　　3.2.2 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　輸出濾波電路的作用是濾除二次側(cè)整流電路輸出的脈動(dòng)直流中的交流成分，得到平滑的直流輸出。在開(kāi)關(guān)電源中，通常采用一級(jí)LC濾波電路，當(dāng)要求輸出紋波很小時(shí)

88、，也采用兩級(jí)LC濾波電路。</p><p>　　濾波電路的設(shè)計(jì)應(yīng)首先進(jìn)行電感的設(shè)計(jì)，再進(jìn)行電容的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）濾波電感的設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)濾波電感應(yīng)根據(jù)輸出電壓、輸出電流和開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)半橋、半橋、推挽電路</p><p>　　L＝UOmax/4kTfsΔI (3

89、-5)</p><p>　　式中L為濾波電感的值；UOmax為輸出電壓最大值；fs為開(kāi)關(guān)頻率；ΔI為允許的電感電流最大紋波峰峰值。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，允許的電感電流最大紋波峰峰值ΔI取最大輸出電流的20%，即4A，把數(shù)據(jù)代入，得</p><p>　　L1=L2=0.01mH</p><p>　　L3=L4=0.04mH</

90、p><p>　　(2)濾波電容的確定</p><p>　　可以按如下公式計(jì)算濾波電容的阻抗：</p><p>　　xc≤2ΔU/ΔI (3-6)</p><p>　　由于已知電感電流最大紋波值，可以假設(shè)電感電流最大紋波有效值為ΔI/2=0.7A，而輸出電壓最大紋波值取為輸出電壓下限值的0.5%

91、，即</p><p>　　ΔU1=5×0.5%=0.025V</p><p>　　ΔU2=12×0.5%=0.06V</p><p>　　可以按照式(3-6)計(jì)算出濾波電容的阻抗為</p><p>　　xc1，2≤0.1Ω</p><p>　　xc3，4≤0.25Ω</p><p

92、>　　3.2.3 開(kāi)關(guān)器件及二極管的設(shè)計(jì)</p><p>　　1.變壓器二次側(cè)整流二極管的設(shè)計(jì)：</p><p>　　二極管承受的反向電壓最大值為整流電壓最大值除以變壓器的變比，分別取19V和36V，考慮到二極管關(guān)斷時(shí)會(huì)有過(guò)電壓，并考慮到輸入電壓的浪涌等因素，因此選卻取二極管的耐壓不低于60V。</p><p>　　流過(guò)二極管的峰值電流為</p>

93、<p>　　IDmax =Iomax+1/2ΔI (3-7)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中IDmax=21A</p><p>　　流過(guò)二極管的最大平均電流為</p><p>　　IDmax= 1/2Iomax (3-8)</p>

94、;<p>　　本次IDmax=10A</p><p>　　所選取的二極管允許的峰值電流應(yīng)大于(3-7)IDmax=21A</p><p>　　平均電流應(yīng)大于(3-8)IDmax=10A</p><p>　　根據(jù)二極管的平均電流可以估算其通態(tài)損耗為</p><p>　　PDon= IDmaxUD </p><

95、p>　　式中，UD取二極管在流過(guò)峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)UD取2V，則PDon= 20w</p><p>　　在每個(gè)二極管單獨(dú)安裝在一個(gè)散熱器的條件下，根據(jù)二極管的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限，可以計(jì)算出允許的散熱熱阻上限為：</p><p>　　RthJ-C+Rthc-A≦(TJM-TAM)/PSon+PDS

96、 (3-9)</p><p>　　式中RthJ-C為二極管的結(jié)殼熱阻；Rthc-A為散熱器的熱阻；TJM為二極管允許的最高結(jié)溫；TAM為技術(shù)要求中環(huán)境溫度的上限。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中，RthJ-C+Rthc-A≦2.6K/W</p><p>　　二極管的結(jié)殼熱阻加散熱器熱阻不能超過(guò)2.6K/W，這是選取二極管及其散熱器的

97、依據(jù)。</p><p>　　根據(jù)快速恢復(fù)二極管生產(chǎn)廠家提供的手冊(cè)，一種型號(hào)為DSEI30-06A的二極管，其反向耐壓為600V，正向電流37A，結(jié)-殼熱阻為1K/W，管殼與散熱器的接觸熱阻典型值為0.25K/W，散熱器臺(tái)面到環(huán)境的熱阻應(yīng)小于1.35K/W。</p><p>　　2.開(kāi)關(guān)器件的設(shè)計(jì)：</p><p>　　本次設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)器件選取電力MOSFET，其耐壓為輸

98、入電壓整流后的峰值約為500V，考慮到關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓以及輸入電壓的浪涌，開(kāi)關(guān)器件的耐壓取800V以上。</p><p>　　流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的峰值電流為</p><p>　　ISmax1=(IOmax+1/2ΔI)/kT1 (3-10)</p><p><b>　　=1.7A</b>&

99、lt;/p><p>　　ISmax2=2.3A</p><p>　　流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的最大平均電流為</p><p>　　ISmax1＝1/2Dmax/ kT</p><p><b>　　=0.7A</b></p><p>　　ISmax2＝1.5A</p><p>　　根據(jù)開(kāi)關(guān)器

100、件的平均電流可以估算其開(kāi)關(guān)損耗為</p><p>　　PSon=ISmaxUs (3-11)</p><p>　　式中，US為開(kāi)關(guān)器件在流過(guò)峰值電流時(shí)的通態(tài)壓降。對(duì)于MOSFET等單極型器件，應(yīng)按通態(tài)電阻和流過(guò)其溝道的電流有效值計(jì)算通態(tài)損耗。考慮到計(jì)算簡(jiǎn)單，可以用開(kāi)關(guān)電流峰值為1/來(lái)估算，即開(kāi)關(guān)器件的電流有效值為0.7/=0.5A

101、和1.5/=1A，則開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗為</p><p>　　PSon=I2SmaxRDson=1W和1.5W</p><p>　　式中，ISmax為開(kāi)關(guān)器件電流有效值，即1.2A和1.6A，RDson為開(kāi)關(guān)器件通態(tài)電阻，根據(jù)手冊(cè)選取0.6歐姆。</p><p>　　開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗可以按通態(tài)損耗的1到1.5倍估算，得</p><p>　　

102、PSS=1.5W和2W</p><p>　　在每個(gè)二極管單獨(dú)安裝在1個(gè)散熱器的條件下，根據(jù)開(kāi)關(guān)器件的損耗功率和器件的結(jié)溫上限以及環(huán)境溫度的上限可以計(jì)算出允許的散熱熱阻的上限為</p><p>　　RthJ-C+Rthc-A≦(TJM-TAM)/PSon+PSS (3-12)</p><p><b>　

103、　=2.2K/W</b></p><p>　　在電力MOSFET生產(chǎn)廠家提供的手冊(cè)中，查到型號(hào)為IXFH15N80的器件，其耐壓為800V，電流為15A，通態(tài)電阻0.6，結(jié)-殼熱阻RthJ-C為0.7K/W，其管殼與散熱器的接觸熱阻典型值為0.5K/W，這樣每個(gè)MOSFET所需散熱器的熱阻應(yīng)該小于1.25K/W。</p><p>　　圖3.1 主電路電路圖</p>

104、<p>　　3.3 控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　控制電路是開(kāi)關(guān)電源的神經(jīng)中樞，開(kāi)關(guān)電源的各種功能的實(shí)現(xiàn)決定于控制電路。相同結(jié)構(gòu)的電源主電路，通過(guò)不同功能的控制電路，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。就本次研制開(kāi)發(fā)的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主電路為傳統(tǒng)的全橋式結(jié)構(gòu)，控制方式為采用PWM 控制，控制電路具有軟啟動(dòng)，過(guò)壓/欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路。下面對(duì)我們所設(shè)計(jì)的控制電路予以介紹。</p>&

105、lt;p>　　3.3.1 總體控制方案</p><p>　　電源控制方案的確定要從兩方面去考慮：一是負(fù)載和外部環(huán)境；二是電源的主電路的特性。電源設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)這兩方面的因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，使控制方案盡可能的滿足它們的要求。</p><p>　　3.3.2 PWM控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　PWM控制電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的控制量模擬信號(hào)

106、轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，該信號(hào)的開(kāi)關(guān)頻率固定，占空比跟隨輸入信號(hào)連續(xù)變化。常用的集成PWM控制器有SG3525、TL494和UC3825、UC3842/4/5/6、UC3875/6/7/8/9等。在這里我們選用SG3525。</p><p>　　SG3525的基本特性</p><p>　　SG3525主要技術(shù)參數(shù)如下表所示：</p><p>　　表3.1 SG3525主

107、要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　圖3.2（a） SG3525的引腳</p><p>　　圖3.2（b）SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　SG3525是SGS-Thomson公司生產(chǎn)的采用電壓模式控制的集成PWM控制器。電路由如下幾部分組成：基準(zhǔn)電壓，振蕩器，誤差放大器，PWM比較器及鎖存器，分相器，欠壓鎖定，輸出級(jí)，軟起動(dòng)及關(guān)斷電路。分述如下：</p

108、><p><b>　　1.基準(zhǔn)電壓源</b></p><p>　　基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)典型的三端穩(wěn)壓器，精度可達(dá)5. 1V士1%，采用了溫度補(bǔ)償。作為內(nèi)部電路的供電電源，并可向外輸出40mA電流。設(shè)有過(guò)流保護(hù)電路。</p><p><b>　　2.振蕩器</b></p><p>　　由一個(gè)雙門(mén)限比較器、一個(gè)

109、恒流器及電容充放電電路組成，其外部連結(jié)如圖3.3所示。在CT上產(chǎn)生一鋸齒波電壓，鋸齒波的峰點(diǎn)及谷點(diǎn)電平分別為UH=3. 3V和UL =0. 9V。內(nèi)部一恒流源使電容CT充電，鋸齒波的上升邊對(duì)應(yīng)CT充電，充電時(shí)間ti決定于RTCT，鋸齒波下降邊對(duì)應(yīng)CT放電，放電時(shí)間t2決定于RDCT。鋸齒波頻率可按下式計(jì)算</p><p>　　f=l/ (tl+t2)=1/ (CT (0.67RT+1.3RD)) </p&g

110、t;<p>　　由于比較器的門(mén)限電平(UH, UL)由基準(zhǔn)電壓分壓取得，而且CT的充電恒流源對(duì)電壓及溫度變化的穩(wěn)定性較好。所以，當(dāng)電源電壓Ucc1在8-35V范圍內(nèi)變化，鋸齒波的頻率穩(wěn)定度可達(dá)1%。當(dāng)溫度在55~+125C范圍變化，其頻率穩(wěn)定度為3%。</p><p>　　振蕩器在4腳輸出-對(duì)應(yīng)鋸齒波下降沿的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的寬度等于t2，故調(diào)節(jié)RD就調(diào)節(jié)了時(shí)鐘信號(hào)寬度。該控制器就是通過(guò)調(diào)節(jié)RD來(lái)