電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)論文---隔爆兼本安buck變換器設(shè)計(jì)

1、<p>　　編號(hào)：（ ）字 號(hào)</p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目： </p><p><b>　　二〇一一年六月</b></p><p>　　畢業(yè)論文題目： 隔爆兼本安BUCK變換器的設(shè)

2、計(jì)</p><p>　　畢業(yè)論文專題題目： </p><p>　　畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　1.了解本質(zhì)安全理論及意義</p><p>　　2.掌握BUCK電路的工作原理</p><p>　　3.控制芯片的選擇及使用</p><p>　　4.本質(zhì)安全變換器的設(shè)計(jì) </p

3、><p>　　5.本質(zhì)安全變換器輸出保護(hù)電路</p><p><b>　　6.轉(zhuǎn)換器的仿真</b></p><p>　　7.完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容相關(guān)的英文翻譯（近三年的文獻(xiàn)），不少于3000漢字</p><p>　　院長(zhǎng)簽字： 指導(dǎo)教師簽字：</p><p><

4、b>　　摘 要</b></p><p>　　開關(guān)電源具有高效率、體積小、性能可靠、電路簡(jiǎn)單，等優(yōu)點(diǎn)，BUCK變換器是開關(guān)電源一種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓總是低于它的輸入電壓，在現(xiàn)代科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　工作在含有爆炸性混合物環(huán)境的電子設(shè)備必須滿足防爆的要求，本質(zhì)安全型是最佳的防爆形式，本質(zhì)安全變換器是本質(zhì)安全電源的核心，因此研

5、究本質(zhì)安全開關(guān)變換器是研究本質(zhì)安全開關(guān)電源的基礎(chǔ)。</p><p>　　本文首先介紹了本質(zhì)安全電路理論、背景及發(fā)展史和電路放電的三種形式，并對(duì)BUCK變換器的原理及濾波電感的連續(xù)、斷續(xù)及臨界三種狀態(tài)進(jìn)行分析說(shuō)明。本文采用PWM電壓型控制芯片UC3573進(jìn)行控制，它可以使開關(guān)電源的元器件數(shù)量大幅地減少，提高開關(guān)電源的性能，使電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) ,并對(duì)UC3573芯片的原理和各個(gè)管腳的功能做了詳細(xì)的介紹。對(duì)本質(zhì)安全BUC

6、K變換器的保護(hù)原理進(jìn)行分析，并給出輸入、輸出過壓保護(hù)電路和輸出過流、短路保護(hù)電路及原理分析。</p><p>　　最后進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形并進(jìn)行了分析，結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源； 本質(zhì)安全； BUCK變換器； UC3573</p><p><b>　　Abstract</b></p

7、><p>　　Switching power supply with high efficiency, small size, reliable performance, simple circuit, etc., BUCK converter is a basic topology switching power supply, the output voltage is always lower than its

8、 input voltage, in modern scientific research and industrial production is more and more widely used.</p><p>　　Work environment in the presence of an explosive mixture of electronic equipment must meet the r

9、equirements of explosion-proof, intrinsically safe is the best form of proof, intrinsically safe intrinsically safe power supply converter is the core, the study of intrinsically safe switching converter is intrinsically

10、 safe switch power base.</p><p>　　This paper introduces intrinsically is safe circuit theory, history and background and three forms of discharge circuit, and the BUCK converter and the filter inductance pri

11、nciple of continuous, intermittent, and that the critical analysis of three states. In this paper, the control chip is UC3573 PWM voltage control, switching power supply which can reduce substantially the number of compo

12、nents is to improve the performance of switching power supply, so that the advantages of simple circuit, an</p><p>　　Finally, simulation and experimental is researched, experimental waveforms are given and a

13、nalyzed, the results verify the feasibility of the design.朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p>　　Keywords: switching power supply; intrinsically safe; BUCK converter; UC3573</p><p><b>　　目 錄</b>&

14、lt;/p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1研究的意義1</p><p>　　1.2本質(zhì)安全理論產(chǎn)生的背景1</p><p>　　1.3本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)理論發(fā)展簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.4本質(zhì)安全開關(guān)電源發(fā)展與現(xiàn)狀2</p><p

15、>　　1.5本質(zhì)安全電路基本原理及電氣放電形式3</p><p>　　1.5.1本質(zhì)安全電路基本原理3</p><p>　　1.5.2電氣放電形式3</p><p>　　1.6本質(zhì)安全防爆開關(guān)電源的特點(diǎn)4</p><p>　　1.7本質(zhì)安全開關(guān)變換器的組成及原理5</p><p>　　2 降壓型（BUC

16、K）電路7</p><p>　　2.1 BUCK型開關(guān)電源原理7</p><p>　　2.2降壓式變換電路（Buck電路）7</p><p>　　2.2.1開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電路的動(dòng)態(tài)工作過程分析8</p><p>　　2.2.2電感電流連續(xù)模式下的工作過程分析9</p><p>　　2.2.3電感電流斷

17、續(xù)模式下的工作過程分析。12</p><p>　　2.2.4電感電流臨界模式13</p><p><b>　　3 電路設(shè)計(jì)15</b></p><p>　　3.1控制IC的選擇15</p><p>　　3.1.1UC3573的性能及技術(shù)參數(shù)15</p><p>　　3.1.2管腳引線功能

18、介紹17</p><p>　　3.2電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.2.1UC3573控制的BUCK主電路圖20</p><p>　　3.2.2主要參數(shù)的計(jì)算20</p><p><b>　　4 保護(hù)電路23</b></p><p>　　4.1本質(zhì)安全BUCK變換器輸出保護(hù)電路2

19、3</p><p>　　4.2輸入、輸出過壓保護(hù)電路25</p><p>　　4.3輸出過流、短路保護(hù)電路25</p><p>　　4.4仿真結(jié)果26</p><p><b>　　5 結(jié)論29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p&g

20、t;<p><b>　　英漢翻譯32</b></p><p><b>　　英文原文32</b></p><p><b>　　中文譯文41</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　

21、1 緒論</b></p><p><b>　　1.1研究的意義</b></p><p>　　作為通訊、監(jiān)控、檢測(cè)、報(bào)警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，本質(zhì)安全電源主要應(yīng)用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。隨著電力電子技術(shù)的迅速的發(fā)展以及現(xiàn)代化水平的不斷提高，自動(dòng)控制設(shè)備和儀器在煤礦井下的使用越來(lái)越廣泛，用電設(shè)備發(fā)生的漏電、短路、電火花等電氣事故，成

22、為這些危險(xiǎn)性環(huán)境可燃?xì)怏w或物質(zhì)爆炸的隱患。所以要求應(yīng)用于煤礦、石油等易燃、易爆危險(xiǎn)性環(huán)境的電氣設(shè)備必須滿足防爆的要求。防爆電源作為危險(xiǎn)環(huán)境下系統(tǒng)不可缺少的部分[1]。</p><p>　　危險(xiǎn)環(huán)境的所以設(shè)備必須滿足防爆要求，根據(jù)防爆措施，可把防爆電氣設(shè)備分為本質(zhì)安全型、隔爆型、增安型、正壓型、油侵型等，其中應(yīng)用較多的是隔爆型和本質(zhì)安全型。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備有很多優(yōu)點(diǎn)：安全程度高、體積小、攜帶維護(hù)方便、價(jià)格低廉。因

23、此本質(zhì)安全電源將更為廣泛的應(yīng)用，所以對(duì)本質(zhì)安全的研究會(huì)越來(lái)越重要。</p><p>　　當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率高速器件的出現(xiàn)，PWM芯片的性能越來(lái)越強(qiáng)大，使本質(zhì)安全電源具有更高的性能和優(yōu)越性。開關(guān)電源對(duì)于實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全輸出最重要的優(yōu)勢(shì)是隨著開關(guān)頻率的提高，電源的輸出電感、電容可以很小，其所具有釋放的能量很小，更具有本質(zhì)安全性能，更安全。</p><p>　　1.2本質(zhì)安全理論產(chǎn)生的背景

24、</p><p>　　1886年由普魯士瓦斯委員會(huì)委托亞琛（Aachen）工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了瓦斯爆炸方面的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，并在1898年的后續(xù)試驗(yàn)過程中得出了“任何電火花都能夠引起爆炸”重要結(jié)論。</p><p>　　1911和1913年英國(guó)威爾士（Welsh）和圣海德（Senghenydd）煤礦因電鈴信號(hào)線路產(chǎn)生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數(shù)百人死亡的嚴(yán)重后果。為此，當(dāng)時(shí)任英國(guó)內(nèi)政部技術(shù)官員

25、R.V.Wheeler教授開始研究電鈴信號(hào)電火花的引燃特性，并設(shè)計(jì)了火花試驗(yàn)裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項(xiàng)研究工作，在1916年提出了本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)方法和理論，這一理論的提出標(biāo)志著本質(zhì)安全理論正式創(chuàng)立[1]。</p><p>　　1.3本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)理論發(fā)展簡(jiǎn)介</p><p>　　隨著電子器件的更新和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，本質(zhì)安全電氣設(shè)備的種類和形式發(fā)生了巨大的變化

26、，英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)于1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會(huì)布拉格會(huì)議期間，經(jīng)過對(duì)火花放電提交的不同試驗(yàn)結(jié)論比較，決定采用聯(lián)邦德國(guó)西門子公司一組工作人員設(shè)計(jì)的火花試驗(yàn)裝置所作的試驗(yàn)結(jié)果，并將該試驗(yàn)裝置推選為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)火花試驗(yàn)裝置。</p><p>　　1978年國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括“本質(zhì)安全和附屬設(shè)備的構(gòu)造和試驗(yàn)”標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)：IEC刊物79-1

27、1。在此期間，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織CENELEC也制定了一系列關(guān)于“可燃性環(huán)境中電氣設(shè)備的構(gòu)造與試驗(yàn)”歐洲標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為：EN50020。歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)于1981年制定有關(guān)本質(zhì)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測(cè)試的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)為：EN50039，與之相當(dāng)?shù)挠?guó)標(biāo)準(zhǔn)為：BS5501：1982年美國(guó)在本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)方面，先后制定了本質(zhì)安全國(guó)家電氣規(guī)程（NEC504-2條），1995年保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL913）和美國(guó)儀表學(xué)會(huì)（ISA），出版了

28、用于檢驗(yàn)和安裝本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/ISA-PR12.6-1995）。在本質(zhì)安全電器產(chǎn)品檢驗(yàn)方面，世界各國(guó)都有專門授權(quán)的防爆檢驗(yàn)部門從事本質(zhì)安全電路和電氣設(shè)備及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的檢驗(yàn)[1]。 </p><p>　　目前，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設(shè)備防爆技術(shù)有：隔爆型 (Exd)、本質(zhì)安全型 (Exi)、正壓型 (Exp)、增安型 (Exe)、油浸型、充砂型、澆封型、n型、特殊型、粉塵防爆型等。以上每種方式都

29、有其各自的優(yōu)點(diǎn)，其中隔爆型、本質(zhì)安全型和正壓型應(yīng)用較為廣泛。比較三種主要防爆型式的優(yōu)缺點(diǎn)可知，本質(zhì)安全型電氣設(shè)備從電路的電氣參數(shù)上保證了防爆，省去了隔爆外殼，具有安全程度最高、體積最小、重量最輕、攜帶與維護(hù)最方便和造價(jià)最低廉的五大優(yōu)點(diǎn)。因此，用于爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣系統(tǒng)和電氣設(shè)備，凡是可以或有希望設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全型的，總是盡量設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全型，而不設(shè)計(jì)成隔爆型或其它類型。直流電源是電子產(chǎn)品必不可少的重要組成部分，也是功率較大的電子設(shè)備，因

30、此其面臨的本質(zhì)安全問題更為突出[2]。</p><p>　　我國(guó)開始從事本質(zhì)安全電路理論研究，雖然我國(guó)起步比較晚，但是從目前國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，無(wú)論在理論研究方面，還是本質(zhì)安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面發(fā)展的速度都很快。特別是最近幾年國(guó)內(nèi)在本質(zhì)安全理論研究方面進(jìn)步很快，已經(jīng)接近國(guó)際水平。對(duì)電阻性電路的放電特性從理論上分析研究；在此基礎(chǔ)上，通過大量的具體試驗(yàn)對(duì)電感電路先后進(jìn)行了全面的研究和分析；此后，一些專家和學(xué)者又對(duì)電容性電路

31、以及復(fù)雜電路的放電特性與引燃特性做了深入的研究和理論分析，并且分別建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[3]。</p><p>　　1.4本質(zhì)安全開關(guān)電源發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　自20世紀(jì)60年代得到發(fā)展和應(yīng)用的DC/DC功率變換技術(shù)是一種硬開關(guān)技術(shù)。功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷是在電壓和電流不為零的狀態(tài)下進(jìn)行的，開關(guān)損耗較大，頻率不易太高。為提高電源效率和開關(guān)頻率，減小開關(guān)損耗，在硬開關(guān)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

32、的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外電力電子界和電源設(shè)計(jì)界不斷研究開發(fā)高頻軟開關(guān)技術(shù)。它應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件中電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化，當(dāng)電流或電壓自然過零時(shí)，使開關(guān)管關(guān)斷或開通，降低功率開關(guān)器件的損耗，提高開關(guān)頻率到MHz數(shù)量級(jí)。其損耗很小[4]。</p><p>　　我國(guó)從七十年代起開始研制本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源，提出基于非隔離Buck變換器的開關(guān)型本質(zhì)安全電源。它由變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護(hù)電路組成，采用工頻變

33、壓器與電網(wǎng)隔離，穩(wěn)壓電路應(yīng)用了開關(guān)變換器，使電源效率得到提高。國(guó)外雖然在普通環(huán)境下直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究上進(jìn)展迅速，新技術(shù)不斷出現(xiàn)，但在煤礦本安防爆直流開關(guān)穩(wěn)壓電源的研究上基本與我國(guó)處在同一水平，然而開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，雖然存在控制電路較為復(fù)雜，瞬態(tài)響應(yīng)差，射頻、電磁干擾大，可靠性略差等缺點(diǎn)，但是它體積小，重量輕，輸出電壓穩(wěn)定，效率高達(dá)85％以上，特別是隨著VMOS管、肖特基勢(shì)壘二極管等新一代高頻大功率元件的出現(xiàn)及一些新穎的

34、電路拓?fù)浜涂刂萍夹g(shù)的采用，使開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率向高頻化發(fā)展，電源的體積和重量越來(lái)越小，而電氣性能指標(biāo)卻大幅度提高。所以開關(guān)穩(wěn)壓電源十分適合煤礦井下要求。可見，開關(guān)電源應(yīng)用于煤礦井下、石化行業(yè)或一些危險(xiǎn)的環(huán)境中有著廣闊的前景，因此，對(duì)本質(zhì)安全開關(guān)電源的研究具有重要意義[4]。</p><p>　　目前對(duì)本質(zhì)安全型電源的研究主要局限于對(duì)非隔離的本安型開關(guān)電源的研究，而在實(shí)際中應(yīng)用最多的還是隔離型開關(guān)電源。所以，目

35、前的非隔離型本安型開關(guān)電源遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需要，這就要求我們必須對(duì)隔離型本質(zhì)安全開關(guān)電源進(jìn)行研究。而隔爆兼本安開關(guān)電源，主要用于給危險(xiǎn)環(huán)境的電氣設(shè)備提供合適的工作電壓，其功率通常不是很大。</p><p>　　所以對(duì)本質(zhì)安全型變換器的研究不僅具有重要的意義，更是進(jìn)行本質(zhì)安全開關(guān)電源研究的進(jìn)一步拓展。此外，研究本課題有助于本質(zhì)安全技術(shù)的推廣應(yīng)用；有助于開關(guān)電源的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。在國(guó)內(nèi)、外對(duì)本領(lǐng)域的研究人員較少，而它

36、的市場(chǎng)潛力是很大的，因此具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.5本質(zhì)安全電路基本原理及電氣放電形式</p><p>　　本質(zhì)安全”就是通過限制電火花和熱教應(yīng)兩個(gè)可能的點(diǎn)燃源的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)表明， 對(duì)應(yīng)于各種危險(xiǎn)氣體都有其最小點(diǎn)燃能量，當(dāng)點(diǎn)燃能量小于這個(gè)能量時(shí)，將不能引起點(diǎn)燃而產(chǎn)生爆炸[5]。</p><p>　　1.5.1本質(zhì)安全電路基本原理&

37、lt;/p><p>　　本質(zhì)安全電路是指在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件（包括正常工作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的故障條件）下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。其特點(diǎn)是：電源電路內(nèi)部和引出線不論是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是安全的，所產(chǎn)生的電火花不會(huì)點(diǎn)燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合物。</p><p>　　本質(zhì)安全電氣設(shè)備防爆基本原理是：通過限制電氣設(shè)備電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來(lái)限制電路的火花

38、放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆。電火花和熱效應(yīng)是引起爆炸性危險(xiǎn)氣體爆炸的點(diǎn)燃源[6]。 </p><p>　　1.5.2電氣放電形式</p><p>　　本質(zhì)安全電路理論及檢測(cè)是與電氣放電密切相關(guān)的。正是被認(rèn)為可能發(fā)生短路、開路或接地等危險(xiǎn)點(diǎn)在火花試驗(yàn)裝置電極上開斷、閉合時(shí)，放電產(chǎn)生的能量若超過氣體引爆

39、能量就會(huì)造成氣體混合物的爆炸。所以應(yīng)首先研究電氣放電，分析放電形式及其規(guī)律。[6]</p><p>　　根據(jù)氣體放電理論，電路在切換時(shí)的基本放電形式有三種：火花放電，電弧放電，輝光放電，以及由三種放電形式組成的混合放電[7]。</p><p>　　1．火花放電：火花放電是在接通和斷開電容電路時(shí)，擊穿放電間隙中的氣體而產(chǎn)生的，其特點(diǎn)是低電壓大電流放電。</p><p>

40、;　　火花放電的過程可分為三個(gè)主要階段：第一階段火花形成階段，以施加外電壓瞬間起至間隙被擊穿止，此時(shí)火花帶的電流小而加在放電間隙上的電壓較穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間短約為10-9秒，火花形成階段的最后形成一個(gè)導(dǎo)通帶，第二階段開始，此時(shí)電容上的全部電荷將沿著所形成的火花帶流通，并使之加熱到10000-20000℃。間隙上的電壓迅速降到一個(gè)極小的數(shù)值，而電流卻可達(dá)到極大值102～104安。直到此階段終了時(shí)，電容一直在放電，而放電間隙的電阻從最大初始值降

41、到一個(gè)很小的終了值。第三階段（衰減階段）火花帶被破壞，這是由于高溫火花帶的熱輻射被周圍氣體層所吸收，使火花帶展寬而造成的。這三個(gè)過程約在10-6～10-8秒的極短時(shí)間內(nèi)完成。</p><p>　　火花放電所釋放的能量主要由兩部分組成，在放電電子束中散失的能量和電極表面?zhèn)鲗?dǎo)的能量。正是后者的大小決定著放電能否引燃爆炸性氣體混合物，十分明顯，電極表面?zhèn)鲗?dǎo)的能量小而在放電電子束中散失的能量大的火花容易點(diǎn)燃。</p

42、><p>　　2．電弧放電：電弧放電是由某種形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的，如高壓擊穿時(shí)產(chǎn)生的放電形式，特點(diǎn)是：可以產(chǎn)生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力強(qiáng)，電感性電路放電形式屬弧光放電。</p><p>　　在切換小電流、低電壓的本質(zhì)安全電路時(shí)，由于液態(tài)金屬橋的斷開形成電弧放電。液態(tài)金屬橋的形成情況是這樣的：在觸點(diǎn)斷開瞬間，接觸壓力急劇地降低，電極接觸面減少，

43、過渡電阻值增大。當(dāng)電極上電流、電壓達(dá)到與接觸點(diǎn)熔化相應(yīng)的數(shù)值時(shí)，在電極間便形成液態(tài)金屬滴。在電極繼續(xù)拉開的過程中，液態(tài)金屬滴被拉長(zhǎng)為連接兩電極的電橋。隨著橋上電壓的增加，金屬沸2電容性電路放電特性研究8騰，并使橋爆炸般地?cái)嚅_。熔點(diǎn)低的金屬容易形成液橋，熔點(diǎn)低的金屬沸騰溫度也低，使橋斷開的電流也比難熔金屬要小?；鸹ㄔ囼?yàn)裝置中采用了熔點(diǎn)相當(dāng)?shù)偷逆k，很容易成弧。</p><p>　　3．輝光放電：在高電壓小電流的條件下

44、產(chǎn)生的放電形式，其特點(diǎn)是：放電能量不集中、能量散失大、點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物的能力差。由于弧光放電是最危險(xiǎn)的放電形式，在電壓很高而電流較小時(shí)，可以產(chǎn)生輝光放電。它的陰極電壓降比電弧放電要高，可達(dá)100~400伏。所以放電能量基本上散失在電極上，而不是作為引燃爆炸危險(xiǎn)混合物的能量出現(xiàn)。另外，輝光放電在實(shí)際的安全電路非常少見，所以一般不考慮這種情況。</p><p>　　通過對(duì)三種放電的分析可以看出，在本質(zhì)安全電路中，

45、火花放電、電弧放電引爆可燃性混合物所需能量比輝光放電所需能量小得多。因此，在本質(zhì)安全電路中火花放電、電弧放電是主要的放電形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素.因此電感性電路是研究本質(zhì)安全電路的重要內(nèi)容[8]。</p><p>　　1.6本質(zhì)安全防爆開關(guān)電源的特點(diǎn)</p><p>　　在爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中，本質(zhì)安全防爆開關(guān)電源與普通應(yīng)用型開關(guān)電源相比，具有許多特殊性[7]。</p&g

46、t;<p>　　1．輸出功率受限制本質(zhì)安全防爆直流開關(guān)電源與普通直流開關(guān)電源相比，必須限制電路的火花放電能量。具體地說(shuō)，就是限制電路放電的電流、電壓和放電時(shí)間。在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)上，就是要同時(shí)具有穩(wěn)壓（或限壓）、限流（或恒流）功能，對(duì)于輸出功率較大的本質(zhì)安全型直流開關(guān)電源，還應(yīng)具有過流（或短路）和過壓快速切斷保護(hù)措施。</p><p>　　2．輸入、輸出端必須電氣隔離由于本質(zhì)安全直流開關(guān)電源的輸入側(cè)為非

47、本質(zhì)安全的交流高壓端，而輸出側(cè)為本質(zhì)安全型輸出，電路內(nèi)部是一個(gè)由非本質(zhì)安全向本質(zhì)安全過渡的過程，為防止非本質(zhì)安全輸入傳入本質(zhì)安全輸出，要求輸入、輸出必須采取電氣隔離，可以采用變壓器隔離或光電耦合隔離，并且必須具備規(guī)定的耐壓等級(jí)。</p><p>　　3．保護(hù)、隔離環(huán)節(jié)必須多重化本質(zhì)安全型電氣設(shè)備根據(jù)安全程度的不同分為ia和ib兩個(gè)等級(jí)。ia等級(jí)：電路在正常工作，一個(gè)故障或兩個(gè)故障時(shí)均不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣

48、設(shè)備，為ia等級(jí)的電氣設(shè)備。正常工作，安全系數(shù)為2；一個(gè)故障，安全系數(shù)為1.5；兩個(gè)故障，安全系數(shù)為1.0。ib等級(jí)：ib等級(jí)的設(shè)備指在正常工作或一個(gè)故障時(shí)，不能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的電氣設(shè)備。正常工作，安全系數(shù)為2；一個(gè)故障，安全系數(shù)為1.5。若設(shè)備中正常工作有火花的觸點(diǎn)，如加隔爆外殼或氣密外殼保護(hù)，一個(gè)故障時(shí)，安全系數(shù)可取為1[2]。</p><p>　　因此，本質(zhì)安全直流開關(guān)電源的保護(hù)、隔離元件或組件，要根

49、據(jù)設(shè)計(jì)電源要求滿足本質(zhì)安全等級(jí)雙重化或多重化，以保證在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不引起周圍可燃性氣體混合物燃燒或爆炸。</p><p>　　4．適應(yīng)較大范圍的電網(wǎng)波動(dòng)在如煤礦井下等危險(xiǎn)性環(huán)境中，電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍大，可75%~115%，遠(yuǎn)高于地面電網(wǎng)的波動(dòng)約±10%，且在井下動(dòng)力設(shè)備功率大，供電距離遠(yuǎn)，大,本質(zhì)安全防爆直流開關(guān)電源的研究多直接啟動(dòng)，而且往往處于反復(fù)開停

50、的運(yùn)行狀態(tài)。因此要求應(yīng)用在煤礦井下的本質(zhì)安全型直流開關(guān)電源必須在75%~115%的輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。同時(shí)煤礦井下交流供電有多種電壓等級(jí)，如36、60、127、220、380V等，一種開關(guān)電源應(yīng)能盡可能多的適用于多種電壓等級(jí)，增強(qiáng)電源的通用性，因此需要開關(guān)電源具有寬的輸入電壓范圍。</p><p>　　5．在滿足本質(zhì)安全防爆要求的前提下提高輸出功率在控制電源輸出功率滿足本質(zhì)安全要求的前提下，還要努力改善電源

51、的輸出特性，提高輸出功率，降低電源的使用數(shù)量。通常使用的本質(zhì)安全電源具有線性負(fù)載特性，用提高電源內(nèi)阻OR的方法，將短路電流maxI限制在本質(zhì)安全允許范圍內(nèi)。</p><p>　　1.7本質(zhì)安全開關(guān)變換器的組成及原理</p><p>　　本質(zhì)安全型開關(guān)電源是本質(zhì)安全防爆電源發(fā)展的必然趨勢(shì)，其應(yīng)用前景十分的廣泛。對(duì)于功率變換環(huán)節(jié)的開關(guān)變換器，通過合理的設(shè)計(jì)和元件的選擇，可以滿足本質(zhì)安全的要求。

52、本質(zhì)安全開關(guān)變換器是本質(zhì)安全開關(guān)電源的核心，因此本質(zhì)安全變換器是本質(zhì)安全電源的基礎(chǔ)。要使開關(guān)變換器達(dá)到本質(zhì)安全要求，就必須使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體或其混合物。即必須將其故障火花能量限制在一定的范圍內(nèi)[9]。</p><p>　　本質(zhì)安全開關(guān)變換器的組成如1-1圖所，示其中含有儲(chǔ)能元件電感和電容，電感的分?jǐn)嗪碗娙莸亩搪肪鶗?huì)產(chǎn)生放電火花，從而又可能點(diǎn)燃爆炸性氣體。

53、對(duì)于輸出短路引起的放電火花能量，可來(lái)自三個(gè)部分：輸入電源、電感及輸出濾波電容，因此為了抑制輸出短路引起的電火花能量，除了對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)外，還必須在輸出發(fā)生短路時(shí)徹底關(guān)斷輸入電源[10]。</p><p>　　圖1-1 本質(zhì)安全變換器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　開關(guān)變換器的輸出屬于電容性電路，因此對(duì)于變換器輸出本質(zhì)安全主要考慮輸出發(fā)生短路的情況。</p><p&

54、gt;　　開關(guān)變換器的輸出端接有濾波電容，當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí)，輸出端會(huì)產(chǎn)生火花放電。同樣，由于開關(guān)變換器不能當(dāng)成簡(jiǎn)單的電容性電路，其中含有電感，而且變換器還存在多種工作模式，因此，在分析和判斷開關(guān)變換器的輸出本質(zhì)安全性能時(shí)，必須考慮短路時(shí)的最大電路輸出能量。</p><p>　　但是，開關(guān)變換器的輸出發(fā)生短路時(shí)的火花放電能量不僅來(lái)源于電容的儲(chǔ)能，還有電感的儲(chǔ)能，電感的儲(chǔ)能取決于電感的大小和流過電感的最大電流，而在輸

55、出發(fā)生短路時(shí)，從電源傳輸?shù)捷敵龆搪诽幍媚芰?，主要取決于保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。為了便于分析，將僅滿足輸出本質(zhì)安全的變換器，稱為輸出本質(zhì)安全型開關(guān)變換器。</p><p>　　2 降壓型（BUCK）電路</p><p>　　2.1 BUCK型開關(guān)電源原理</p><p>　　開關(guān)電源一般有BUCK型（也叫降壓型），BOOST型（也叫升壓），還有很少用到的BUCK-BOOS

56、T型（也叫升降壓型），BUCK型開關(guān)電源就是降壓到自己需要的電壓，其基本構(gòu)造一般是大功率開關(guān)管（比如大功率MOS管，一般都用MOS管，還有專門的POWERMOS）與負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，BOOST型一般是與負(fù)載并聯(lián)而成，早期的開關(guān)電源是利用開關(guān)管的線性區(qū)，通過改變MOS管的導(dǎo)通電阻的大小來(lái)改變其上的壓差，根據(jù)電阻分壓原理，從而改變負(fù)載上的電壓，從輸出電壓端采樣電壓后反饋到前級(jí)來(lái)有效控制MOS管的導(dǎo)通電阻，從而來(lái)獲得穩(wěn)定的輸出電壓[11]。<

57、;/p><p>　　于是隨后出現(xiàn)了MOS管工作在非線性區(qū)即開關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)電源，正是MOS管的開和斷，開關(guān)電源才因此而得名，對(duì)于AC/DC的BUCK型開關(guān)電源，前級(jí)還是要經(jīng)變壓器降壓，以及全波整流和濾波后得到Udc，此時(shí)Udc的紋波還是較大，波動(dòng)范圍大概與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)成線性比，大概在正負(fù)10%左右，假設(shè)MOS管導(dǎo)通的時(shí)間為T1，截止的時(shí)間為T2，那么T1比（T1+T2）的值就是占空比q，假設(shè)輸出電壓為Uo,那么理論

58、上Uo=qUdc，在Udc與Uo之間需要加續(xù)流肖特基和LC濾波電路，以便得到尖峰和紋波更小的輸出電壓Uo,電感和電容的值不能太小，否則開關(guān)電源會(huì)設(shè)計(jì)失敗，在Uo輸出端需要加電阻來(lái)采樣電壓，然后反饋到誤差放大器，誤差放大器輸出的電壓與鋸齒波構(gòu)成電壓比較器，輸出方波，然后加驅(qū)動(dòng)電路，也叫PWM驅(qū)動(dòng)電路，然后控制開關(guān)管，來(lái)及時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比，輸出穩(wěn)定的電壓[12]。</p><p>　　這就是BUCK型開關(guān)電源

59、的基本工作原理，這種電源的效率基本可以達(dá)到70%~80%，如果能有效控制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍，效率還可以提高，現(xiàn)在基本上比較好的電源的電網(wǎng)電壓波動(dòng)可以做到正負(fù)5%（這就涉及到變壓器技術(shù)）。對(duì)于DC/DC的BUCK型開關(guān)電源，效率可以更高。</p><p>　　2.2降壓式變換電路（Buck電路）</p><p>　　將一種直流電壓變換成另一種直流電壓稱為DC/DC 變換。在DC/DC 轉(zhuǎn)換技

60、術(shù)中，采用直流斬波技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、地鐵等交通工具中，其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得平穩(wěn)的加速、減速、快速響應(yīng)和節(jié)能效果，并且可以抑制電網(wǎng)諧波電流。</p><p>　　所謂降壓（BUCK）變換器也就是將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定輸出電壓。</p><p>　　輸出電壓（Vout）和輸入電壓（Vin）的關(guān)系為：Vout/Vin=δ（占空因數(shù)）Vin>Vout。</p>&l

61、t;p>　　直流變換器變換過程中都會(huì)存在諧波，使輸出紋波較大。因此在輸出端加入電感和電容進(jìn)行濾波。電感在電路中不僅起到濾波作用，還可以起到儲(chǔ)存能量，為變換器關(guān)斷時(shí)刻給負(fù)載提供能量。二極管在其中起到嵌位和形成回路的作用[13]。</p><p>　　負(fù)載越大，則輸出的電壓就越大，當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，二極管截止(t=0~DTs)，輸入電壓Vs向能量傳遞電感L充磁，同時(shí)提供能量給負(fù)載和電容；當(dāng)晶體管截止時(shí)，二極管導(dǎo)通

62、(t=DTs~Ts)，電感把前一階段貯存的能量全部釋放給負(fù)載和電容。</p><p>　　顯然，晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)，即D越大，負(fù)截獲得的能量越多，輸出電壓越高BUC變換器的穩(wěn)態(tài)電壓變比永遠(yuǎn)小于1，所以BUCK變換器也稱為降壓變換器</p><p>　　2.2.1開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電路的動(dòng)態(tài)工作過程分析[10]</p><p>　　圖2-1 開關(guān)導(dǎo)通、關(guān)斷的等效

63、電路圖</p><p>　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)如2-1（b圖），電容C開始充電，輸出電壓加在負(fù)載上。電容C在充電過程中電感L的電流逐漸增加，儲(chǔ)存的能量也逐漸增加，此時(shí)續(xù)流二極管反向截止。</p><p>　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開關(guān)管截止時(shí)如2-1（c圖），L開始釋放能量，L中的電流開始減小，L產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管導(dǎo)通，電流通過電感、續(xù)流二極管構(gòu)成回路給負(fù)載傳遞能量。當(dāng)負(fù)載電壓低于電

64、容C兩端的電壓時(shí)，C開始向負(fù)載釋放能量。驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)使開關(guān)管周而復(fù)始的重復(fù)上述過程，從而使輸出電壓趨向一個(gè)定值。</p><p>　　BUCK變換器有三種工作模式：第一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式。第二種時(shí)電感電流處于斷續(xù)的工作模式。第三種是電感電流處于臨界的工作模式。所謂的臨界模式是，在開關(guān)管截止到導(dǎo)通這個(gè)時(shí)間電感L中的能量剛好釋放完，也就是開關(guān)管截止終止時(shí)電感電流剛好為零[14]。</p>&

65、lt;p>　　等效的電路模型及基本規(guī)律[12]</p><p>　　圖2-2等效電路模型圖</p><p>　　（1）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計(jì)的原則是使 us(t) 的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 </p><

66、p>　?。?）電路工作頻率很高，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對(duì)于電容上 輸出的直流電壓Uo有：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。&

67、lt;/p><p>　?。?）一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變[14]。</p><p>　　這種

68、過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。</p><p>　?。?）開關(guān)S置于1位時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)S置于2位時(shí)，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：    </p><p><b>　

69、?。?-2）</b></p><p>　　此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)： </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。</p><p>

70、;　　這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。</p><p>　　2.2.2電感電流連續(xù)模式下的工作過程分析[12]</p><p>　　圖2-3電感電流連續(xù)工作模式電路圖</p><p>　　電感電流連續(xù)時(shí)開關(guān)導(dǎo)通的等效電路如2-3圖（a圖）所示。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為，關(guān)斷時(shí)

71、間為，，在t=t0時(shí)刻，開關(guān)加正脈沖導(dǎo)通，電感L上的電壓是（Ui-UO）且Ui>UO ，此時(shí)電感L上電流線性增加，其變化量為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　當(dāng)t=時(shí)，電感電流達(dá)到最大值，其變換量為：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><

72、p>　　當(dāng)t=時(shí)刻，開關(guān)管因基極驅(qū)動(dòng)脈沖變負(fù)而關(guān)斷，電感電流不能突變經(jīng)續(xù)流二極管、濾波電容、及負(fù)載形成回路。其等效電路如2-3圖（b圖）</p><p>　　此時(shí)電感電流線性下降，其變化量為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　當(dāng)t=TS時(shí)，電感電流達(dá)到最小值，此時(shí)電感中電流變化量為：</p>

73、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　電感電流連續(xù)的情況下，回路的電壓、電流波形圖如圖2-4。</p><p>　　圖2-4電感電流連續(xù)波形圖</p><p>　　電感電流的波形是一個(gè)三角波，一個(gè)周期內(nèi)從最大電感電流到最小電感電流之間的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)開關(guān)導(dǎo)通與截止期間的電流變化量相等。</p>&

74、lt;p>　　假定變換器損耗為零，那么輸入功率等于輸出功率，則輸入電流平均值Ii與輸出電流平均值IO可表達(dá)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　在電感電流連續(xù)下，其電感電流最大值為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　電感電

75、流連續(xù)下，其電感電流最小值為：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　2.2.3電感電流斷續(xù)模式下的工作過程分析。</p><p>　　電感電流斷續(xù)是指開關(guān)在截止時(shí)間終止前電感電流下降為零，直到下周期開始一直為零，此時(shí)負(fù)載電流因電感所提供的電流為零而依靠電容所儲(chǔ)存的能量維持。其波形如2-5圖所示。</p&g

76、t;<p>　　圖2-5電感電流斷續(xù)波形圖</p><p>　　在電感電流斷續(xù)的情況下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓為，電感電流線性增加可表示為:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　電感電流的最大值和最小值有波形圖可知</p><p><b>　?。?-12）<

77、/b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　輸入平均功率與輸出功率相等</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　輸出電壓可表示為</b></p><p><b>　　

78、（2-15） </b></p><p>　　從上式可知，在電感電流斷續(xù)的情況下，輸出電壓與輸入電壓和占空比有關(guān)，還與輸出負(fù)載電流IO、電感L有關(guān)。</p><p>　　2.2.4電感電流臨界模式</p><p>　　電感電流連續(xù)與斷續(xù)的邊界，就是臨界點(diǎn)，波形圖如2-6圖，開關(guān)關(guān)斷期間的終點(diǎn)，下一個(gè)周期的開始時(shí)刻，電感電流剛好下降到零[12]。</p

79、><p>　　圖2-6電感電流臨界狀態(tài)時(shí)波形圖</p><p>　　臨界點(diǎn)輸出電感電流表達(dá)式為：</p><p><b>　　（2-16）</b></p><p>　　此時(shí)的負(fù)載電流為電感電流臨界的負(fù)載電流，用表示,欲使必須要求IO滿足</p><p><b>　　（2-17）</b&

80、gt;</p><p>　　上式就是保證變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)的必要條件，則臨界電感的電感量為</p><p><b>　　（2-18）</b></p><p>　　在電感電流連續(xù)模式工作狀態(tài)下，負(fù)載電流IO的下限受臨界電流所制約。輸出濾波電感考慮臨界電流和變換器輸出電流紋波的要求，輸出紋波電流峰峰值在最大負(fù)載電流時(shí)，其值小于（30--5

81、0）%時(shí)，輸出濾波電感為</p><p><b>　　（2-19）</b></p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　3 電路設(shè)計(jì)</b></p><p&g

82、t;　　3.1控制IC的選擇</p><p>　　UC3573是一個(gè)能構(gòu)成降壓式DC\DC變換器的脈寬調(diào)（PWM）控制集成電路芯片，該芯片使用一個(gè)外部電感和一個(gè)外部PMOS功率開關(guān)就可以構(gòu)成一個(gè)完善的BUCK型DC\DC變換器。該芯片有一個(gè)高度的基準(zhǔn)源、一個(gè)以電壓模式工作的誤差放大器、一個(gè)振蕩器、一個(gè)具有邏輯觸發(fā)功能的PWM比較器和一個(gè)具有0.2A峰值電流的柵極驅(qū)動(dòng)器組成。</p><p>

83、;　　該芯片包含了一個(gè)欠壓封鎖電路和一個(gè)周期性脈沖限流電路。限流電路能夠有效的監(jiān)視處于工作狀態(tài)的輸入電源電壓，從而構(gòu)成欠壓保護(hù)功能[15]。</p><p>　　電壓型控制的最顯著的特點(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。要識(shí)別是不是電壓型控制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

84、。</p><p>　　電壓型控制IC的過流保護(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，輸出電流時(shí)通過負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)檢測(cè)。電流信號(hào)可以放大后輸入到補(bǔ)償電流誤差放大器中，當(dāng)電流放大器檢測(cè)到當(dāng)輸出電流接近到原先設(shè)計(jì)的限定值時(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)增大。平均電流反饋?zhàn)鳛殡娏鞅Ｗo(hù)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是響應(yīng)速度很慢。當(dāng)輸出突然短路時(shí)，會(huì)來(lái)不及保護(hù)過功率開關(guān)，導(dǎo)致在很短的

85、時(shí)間內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開關(guān)。</p><p>　　第二種過流保護(hù)的方法是，逐周過流保護(hù)，這種方法可以保證功率開關(guān)工作在最大的安全電流范圍內(nèi)。在功率開關(guān)管上串聯(lián)一個(gè)電流檢測(cè)電阻，這樣就可以檢測(cè)流過功率開關(guān)管的瞬時(shí)電流，當(dāng)這個(gè)電流超過原先設(shè)定的瞬時(shí)電流限制值時(shí)，就關(guān)斷功率開關(guān)管。</p><p>　　周期性脈沖限流電路能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電源電流，從而將輸入電源電流限定在用戶所規(guī)定的最大值

86、上，另外當(dāng)輸入電壓低于欠壓封鎖電路門限電壓時(shí)，鑲嵌在欠壓封鎖電路中的一個(gè)睡眠比較器就會(huì)將整個(gè)芯片關(guān)閉，使其處于休眠狀態(tài)，從而使該芯片的輸入電源電流減小到50，使其采用電池供電變?yōu)榭赡躘16]。</p><p>　　3.1.1UC3573的性能及技術(shù)參數(shù)</p><p><b>　　一．主要性能：</b></p><p>　　1．可以構(gòu)成一個(gè)僅需

87、一個(gè)小電感的BUCK型降壓式DC\DC變換器</p><p>　　2．具有一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng)外部PMOS功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器</p><p>　　3．包含一個(gè)UVLO欠壓封鎖電路</p><p>　　4．包含一個(gè)周期性脈沖限流電路</p><p>　　5．具有50微安的睡眠工作狀態(tài)</p><p><b>　　二．技術(shù)

88、參數(shù)</b></p><p><b>　　1．電性能參數(shù)，</b></p><p>　　UC3573的點(diǎn)電性能參數(shù)見下表</p><p>　　對(duì)于Ta=---+70以及VCC=5V，Ct=680pF，Ta=Tj的條件下測(cè)得</p><p>　　2．UC3573重要參數(shù)的極限值見下表</p>&l

89、t;p>　　注：表中電流正值為輸入電流，負(fù)值為吸收電流。</p><p>　　3.1.2管腳引線功能介紹</p><p>　　1腳（EAINV），誤差放大器的反相輸入端，輸出電壓的采樣反饋信號(hào)應(yīng)連接到該端，誤差放大器的正相輸入端電壓被內(nèi)置成3Vref/2，當(dāng)該端的電壓被外置成高于2.6V的電壓時(shí)，該芯片進(jìn)入休眠省電狀態(tài)。</p><p>　　2腳（EAOUT）

90、，誤差放大器的輸出端。構(gòu)成應(yīng)用電路是該端與EAINV端應(yīng)通過外部連接一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　3腳（CS）峰值電流限制采樣輸入端。峰值電流采樣信號(hào)是來(lái)自于跨越在Vcc與PMOS功率開關(guān)源極之間的電流采樣電阻上的電壓信號(hào)，當(dāng)該電壓信號(hào)超過0.4V時(shí)，該芯片的驅(qū)動(dòng)輸出端將輸出高電平，使PMOS功率開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)。</p><p>　　4腳（Vcc），輸入電源電壓端。</p>

91、;<p>　　其輸入電源電壓范圍是4.75V~30V。構(gòu)成應(yīng)用電路時(shí)，為了增加可靠性和穩(wěn)定性，該端到地應(yīng)接一個(gè)等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，</p><p>　　5腳(OUT)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出端。構(gòu)成電路時(shí)，與一個(gè)外部PMOS功率開關(guān)的柵極直接相連，外部PMOS功率開關(guān)有可能連接于Vcc與反極電感之間，也可能連接與Vcc與GND之間</p><p>　　6腳（GND）公

92、共接地端</p><p>　　7腳（RAMP）脈寬調(diào)制器的振蕩器和斜坡發(fā)生器的輸出端。構(gòu)成電路時(shí)，該端到GND端應(yīng)外接一個(gè)定時(shí)電容，該電容與振蕩頻率之間的關(guān)系式為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　振蕩器的頻率一般應(yīng)在10—200kHZ之間選擇。</p><p>　　8腳（3Vref）芯

93、片內(nèi)部3V高精度基準(zhǔn)電壓的輸出端。構(gòu)成應(yīng)用電路時(shí)，該端到GND之間應(yīng)外接一個(gè)等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，容量應(yīng)在100nF以上，以消除內(nèi)部的高頻竄擾。</p><p>　　UC3573的外形圖。</p><p>　　圖3-1為UC3573外部管腳圖</p><p>　　UC3573各引出端輸出波形時(shí)序圖。</p><p>　　圖3-2

94、 UC3573各端輸出波形時(shí)序圖</p><p>　　UC3573的內(nèi)部原理方框圖。</p><p>　　圖3-3 UC3573內(nèi)部原理圖</p><p><b>　　3.2電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.2.1UC3573控制的BUCK主電路圖</p><p>　　圖3-4 IC U

95、C3573 控制的BUCK主電路</p><p><b>　　要求技術(shù)指標(biāo)： </b></p><p>　　輸入電壓：24V, 輸出電壓：12V, 輸出電流：2A，輸出電壓紋波值取1%, f=100kHZ</p><p>　　3.2.2主要參數(shù)的計(jì)算</p><p><b>　　1．電感量的計(jì)算</b&g

96、t;</p><p>　　式中為t0時(shí)刻儲(chǔ)能電感L中的電流。在t1時(shí)刻，也就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)正半周要結(jié)束的時(shí)刻，儲(chǔ)能電感L中的電流上升到最大值，其最大值為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　儲(chǔ)能電感L中電流的變化量為：</p><p><b>　?。?-2）</b>&l

97、t;/p><p>　　在3-2式中當(dāng)t=t0時(shí)，儲(chǔ)能電感L中的電流變化量為最大，其最大變化量為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　功率開關(guān)管V的截止期：</p><p>　　在tOFF=t2-t1期間，功率開關(guān)管V截止，但在t1時(shí)刻，由于功率開關(guān)管V剛剛截止，并且儲(chǔ)能電感L中的電流不能突變

98、，于是L兩端產(chǎn)生了與原來(lái)電壓極性相反的自感電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)續(xù)流二極管VD開始正向?qū)?，?chǔ)能電感L所儲(chǔ)存的磁能將以電能的形式通過續(xù)流二極管VD和負(fù)載電阻RL開始泄放。這里的二極管VD起著續(xù)流和補(bǔ)充電能的作用，這也正是它別成為續(xù)流二極管的原因。儲(chǔ)能電感L所泄放的電流IL2的波形就是鋸齒波中隨時(shí)間線性下降的那一段電流波形[17]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將續(xù)流二極管VD的導(dǎo)通壓降忽略不計(jì)，因而儲(chǔ)能電感L兩端的電壓近似為U0,所通過的電流由下式計(jì)算。<

99、/p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　在t=t2時(shí)，儲(chǔ)能電感L中的電流達(dá)到最小值IL max，其最小值有下式計(jì)算</p><p><b>　?。?- 5）</b></p><p>　　有式3-4和3-5可以求出在功率開關(guān)管V截止期間，儲(chǔ)能電感;L中的電流變化值為：</p

100、><p><b>　　（3- 6）</b></p><p>　　功率開關(guān)管V導(dǎo)通期與截止期能量轉(zhuǎn)換的條件：</p><p>　　只有當(dāng)功率開關(guān)管V導(dǎo)通期間tON內(nèi)儲(chǔ)能電感L增加的電流等于功率開關(guān)管V截止期間tOFF內(nèi)減少的電流時(shí)功率開關(guān)管V才能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，才能保證儲(chǔ)能電感L中一直有能量，才能保證源源不斷的向負(fù)載電路提供能量和功率。這就是構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)

101、壓電源的基本條件，因此下面關(guān)系式一定成立</p><p><b>　?。?- 7）</b></p><p>　　將3-7整理得到輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?- 8）</b></p><p>　　D為占空比。由于占空比D永遠(yuǎn)是一個(gè)小于1的常數(shù)，因此輸出電壓

102、U0永遠(yuǎn)小于輸入電壓Ui。這就是降壓型開關(guān)電源輸入、輸出電壓之間的關(guān)系。</p><p>　　由于臨界電感量的定義可知功率開關(guān)截止的瞬間能使則臨界電感量為：</p><p><b>　　（3- 9）</b></p><p>　　要L工作在連續(xù)的狀態(tài)則有：</p><p><b>　?。?-10）</b&g

103、t;</p><p>　　2.輸出濾波電容的計(jì)算</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　3.功率開關(guān)管的選擇</p><p>　　(1)的導(dǎo)通飽和壓降Uces越小越好</p><p>　　(2)功率開關(guān)管截止時(shí)的反向漏電流Ico越小越好</p><

104、;p>　　(3)功率開關(guān)管的高頻特性要好</p><p>　　(4)開關(guān)時(shí)間短，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間快</p><p>　　(5)功率管的輸出端連接的是儲(chǔ)能電感L，因此在V的截止期間，其基極-射極之間的反向耐壓就等于儲(chǔ)能電感上的反向電動(dòng)勢(shì)與輸出電壓值U0之和，近似等于2U0[18]。因此所選擇的功率開關(guān)管的反向擊穿電壓應(yīng)該滿足下式：</p><p><b>

105、;　　（3-12）</b></p><p>　　功率開關(guān)選用P溝道的功率MOSFET。最大輸入電壓24V，因而額定值要大于30V。峰值電流為2.8A，同時(shí)為了使損耗小于1W，所以</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　4．流二極管的選擇[19]要符合下列條件：</p><p>

106、　?。?）正向額定電流必須大于或等于功率開關(guān)管的最大集電極電流即應(yīng)該大于負(fù)載電阻上的電流。</p><p>　?。?）VD的反向耐壓值必須大于輸入電壓值。</p><p>　　（3）為了減小轉(zhuǎn)換紋波電壓，VD應(yīng)該選擇反向恢復(fù)速度快和導(dǎo)通速度快的肖特基二極管。</p><p>　　（4）為了提高整機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，減小內(nèi)部損耗，一定要選擇正向?qū)▔航档偷男ぬ鼗O管。&l

107、t;/p><p><b>　　5．作頻率CT</b></p><p>　　參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，開關(guān)的頻率為：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　（取最接近的值680pF）</p><p><b>　　6．流檢測(cè)電阻R1</b>&

108、lt;/p><p>　　這種IC的保護(hù)方式是逐周電流檢測(cè)，當(dāng)電流信號(hào)超過0.47V的閥值時(shí)，就立刻關(guān)斷功率開關(guān)[20]。</p><p>　　在最大的電流峰值與保護(hù)的電流閥值之間留了25%的裕度（保護(hù)值1.252.8A=3.5A）</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　7．壓檢測(cè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)&

109、lt;/p><p><b>　　（3-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　4 保護(hù)電路</b></p><p>　　4.1本質(zhì)安全BUCK變換器輸出保護(hù)電路</p><p>　　當(dāng)BUCK變換器的輸出

110、端發(fā)生意外時(shí)，如果不能及時(shí)的徹底關(guān)斷電源輸出端得能量來(lái)源，則其產(chǎn)生的電火花的能量就會(huì)持續(xù)得到補(bǔ)充，很容易引爆易燃、易爆氣體，從而不能滿足本質(zhì)安全或防爆要求。因此必須在開關(guān)電源中采用輸出保護(hù)電路，迅速?gòu)氐捉財(cái)嚯娫聪蚨搪诽庉斔湍芰?。本質(zhì)安全BUCK變換器對(duì)輸出故障的保護(hù)提出了更為苛刻的要求：一方面，出現(xiàn)故障時(shí)能快速、徹底關(guān)斷變換器的輸入電源部分，截?cái)喙收夏芰康摹霸础保行б种乒收夏芰康脑黾?；另一方面，還有要求保護(hù)電路必須是可恢復(fù)型，即一旦故

111、障消除能自動(dòng)恢復(fù)正常工作[21]。</p><p>　　給出BUCK變換器輸出保護(hù)電路之前，先對(duì)經(jīng)典的本質(zhì)安全電源輸出保護(hù)電路做詳細(xì)分析，如4-1圖所示，當(dāng)本質(zhì)安全電源負(fù)載短路時(shí)，輸出直流電壓Vi將全部加在調(diào)整管的兩端，而且此時(shí)通過調(diào)整管的電流也相當(dāng)大[22]，所以消耗在調(diào)整管的功率還是很可觀的。如果按這種條件來(lái)選擇調(diào)整管，勢(shì)必要求其容量的額定值比正常情況大幾倍，所以在容量較大的電路中，希望一旦發(fā)生過載或短路，輸

112、出電壓和電流都能下降到腳底的數(shù)值，即要求其輸出特性如4-2圖所示。</p><p>　　圖4-1 截流式保護(hù)電路圖</p><p>　　具有如圖3-6圖所示的保護(hù)電路稱為截流式保護(hù)電路，工作原理為：電路中RS為電流取樣電阻，利用穩(wěn)壓二極管VZ1產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓，當(dāng)RS兩端的電壓達(dá)到給定值時(shí)對(duì)進(jìn)行分流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的控制。固定電壓經(jīng)</p><p>　　和分壓

113、后接到晶體管的基極，而輸出電壓經(jīng)和分壓后接到其發(fā)射極，電路取樣電阻接到和之間。</p><p>　　在正常工作時(shí)，電阻RS兩端的電壓較低，此時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)增加時(shí)，也增加，若其增加到使得導(dǎo)通后，將有如下的反饋過程。</p><p>　　顯然這是一個(gè)正反饋過程，于是和不斷增加使得迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓為，其中一般選定為1V左右，等于臨界導(dǎo)電值，而值很小所以當(dāng)保護(hù)電路動(dòng)作以后