开关电源设计PPT学习教案

1、会计学1开关电源设计开关电源设计6.1 小功率开关电源小功率开关电源6.1.1 50W电源设计电源设计本节以小型电源的设计为例，说本节以小型电源的设计为例，说明电源设计的方法。明电源设计的方法。1电源设计指标电源设计指标第1页/共129页控制电路形式为它激式，采控制电路形式为它激式，采用用UC3842为为PWM控制电路。电控制电路。电源开关频率的选择决定了变换器源开关频率的选择决定了变换器的特性，开关频率越高，变压器、的特性，开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但随着频率的提高，响应也越好。但随着频率的提高，电源中，选定工作频率为电源中，选

2、定工作频率为85kHz。第2页/共129页2电路结构的选择电路结构的选择小功率开关电源可以采用单小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路，端反激式或者单端正激式电路，电源结构简单，工作可靠，成本电源结构简单，工作可靠，成本第3页/共129页第4页/共129页单端正激式开关稳压电源加单端正激式开关稳压电源加有磁通复位电路，以释放励磁电有磁通复位电路，以释放励磁电路的能量。在图路的能量。在图6-1中，开关管中，开关管VT导通时导通时VD1导通，次级绕组导通，次级绕组N2向负载供电，向负载供电，VD4截止，反馈电截止，反馈电绕组绕组N3的电流为零；的电流为零；VT关断时关断时3达到减少发热

3、、提高效率的目的。达到减少发热、提高效率的目的。第5页/共129页3变压器和输出电感的设变压器和输出电感的设计计依据依据UC3842应用方式，选用应用方式，选用定时电阻定时电阻RT=18k，定时电容，定时电容CT=3300pF。确定开关频率。确定开关频率(6-2) H44. 4104 . 06lSL变压器初级绕组匝数N1为(6-3) SBtUNmaxoni1第6页/共129页87211NLLmH 次级绕组匝数为DUUUUNNLiVD1o12)(6-4) 式中：UVD1为整流二极管VD1的压降，UL为输出电感L的压降。取UVD1+UL=0.7V，代入式(6-4)，得N2=28匝。由式(6-2)，

4、次级绕组电感为48.3222NLLmH (6-5) 第7页/共129页设开关管断开时，设开关管断开时，N1两端感两端感应电动势应电动势e=300V；反馈绕组向；反馈绕组向(6-6) A 77.1707.05 .2o2DII导线电流密度取4A/mm2，所需绕组导线截面积为1.77/4 0.44mm2。同样可选择初级绕组导线，初级电流有效值为(6-7) 21o10.35ANIIDN第8页/共129页导线截面积为 0.35/4=0.0875 mm2，选用截面积为 0.1 mm2的导线。取输出电感的电流变化量 IL=0.2Io=0.5 A，则输出电感为 onoVD12tIUUULL (6-8) 式中，

5、U2为次级绕组电压。计算得： 4 .25VD1o2DUUUULV (6-9) 取 UVD1=0.5 V，Uo=12 V，代入式(6-8)得 L=429.57 H。 根据输出电感上的电流 IL=Io，绕组导线截面积约为 2.5/4=0.65 mm2，选择截面积为 0.75 mm2的导线。 第9页/共129页4开关管、整流二极管和续流二极管的选择 由于开关管断开时初级绕组 N1两端的感应电动势限制为 eL 300 V，交流输入电压经全波整流、电容滤波后，直流输入电压的最大值 为 3392240maxiUV (6-10) 整流二极管所承受的最高反向电压为 6012DNNeU V (6-11) 续流二

6、极管所承受的最高反向电压为 6812maxiFNNUU V (6-12) 整流二极管和续流二极管的最大电流为 75. 21 . 1oVD2VD1III A (6-13) 第10页/共129页5反馈电路的设计反馈电路的设计电流反馈电路采用电流互感电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图为采样电流，原理如图6-2所示。所示。电流互感器的输出分为电流瞬时电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。开上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使关管上的电流变化会使UR2变化

7、，变化，UR2接入接入UC3842的保护输入端的保护输入端3脚，脚，与主电路隔离，同时与电阻采样与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。个电源的效率。第11页/共129页电压反馈电路如图电压反馈电路如图6-3所示。所示。输出电压通过集成稳压器输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到和光电耦合器反馈到UC3842的的1脚，调节脚，调节R1、R2的分压比可设定的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳和调节输出电压，达到较高的稳小，可通过反馈调节使之升高。小，可通过反馈调节使之升高。第12页/共129页第13页/共129页第14页

8、/共129页6保护电路的设计保护电路的设计图图6-4所示为变压器过热保护所示为变压器过热保护电路，电路，NTC为测变压器温度的一为测变压器温度的一个负温度系数的热敏电阻。由个负温度系数的热敏电阻。由NTC、R2、运放、运放A1构成滞环比较构成滞环比较器。在正常工作时，变压器温度器。在正常工作时，变压器温度正常，正常，NTC的阻值较大，运放两的阻值较大，运放两输入端电压输入端电压U+U-，输出为零；，输出为零；第15页/共129页第16页/共129页图图6-6所示为空载保护电路。所示为空载保护电路。为了防止变压器绕组上的电压过为了防止变压器绕组上的电压过高，同时也为了使电源从空载到高，同时也为了

9、使电源从空载到满载的负载效应较小，开关稳压满载的负载效应较小，开关稳压电源的输出端不允许开路。在图电源的输出端不允许开路。在图6-6中，中，R2、R3给运放同相输入端给运放同相输入端提供固定的电压提供固定的电压U+。R8为取样负为取样负U+U，运放的输出电压为零，运放的输出电压为零，VT截止，将截止，将R7断开。断开。第17页/共129页第18页/共129页第19页/共129页7调试调试在输入电压为在输入电压为220V的条件下，的条件下，输入功率是个脉冲序列，周期为输入功率是个脉冲序列，周期为第20页/共129页表 6-1 不同负载下的输出电压 输出电压/V 输入电压/V 空载 半载(10)

10、满载(5) 90 12.456 12.360 12.242 110 12.459 12.368 12.247 220 12.467 12.375 12.265 250 12.471 12.381 12.262 第21页/共129页实测各种负载状况下的效率如表 6-2 所示。 表 6-2 不同负载下的效率 负 载 空 载 半 载(10 ) 满 载(5 ) 输入功率/W 3.00 20.03 36.02 输出功率/W 0 15.29 30.04 效率 0 76.34% 83.40% 第22页/共129页6.1.2 120W/24V电源设计电源设计1设计要求设计要求以图以图6-7所示的所示的120W

11、、24V开关稳压电源原理图来说明其设开关稳压电源原理图来说明其设第23页/共129页第24页/共129页2器件选择器件选择选择选择TOP系列的系列的TOP248Y作作为开关器件。由于为开关器件。由于TOP248Y工作工作在输出功率的上限，电流设定在在输出功率的上限，电流设定在最大值，即将最大值，即将TOP248Y的的X端直端直。第25页/共129页0LUIL(6-14) 式中：U0为初级电感两端的电压；为开关脉冲宽度。脉冲变压器的初级电感值在3003000H之间，输出功率大时应取下限，反之则取上限。变压器初级电感值不能太小，否则会造成TOP248Y中的功率MOSFET的漏极电流太大，使开关损耗

12、增加，同时易造成过流保护动作，使电源难以启动。同样，初级电感值也不能太大，否则不能满足输出功率的要求。第26页/共129页4电源次级电路的设计 次级电路设计主要是选择整流管和滤波电容。 整流管的选择应根据输出电流和电压进行，其最大值为 10522oRLC IIA (6-15) URLC nUimax (6-16) minomax iDUUn (6-17) 式中：Uo为输出电压；Io为输出电流；Ui max为最大直流输入电压；Dmin为开关的最小占空比；n 为脉冲变压器的变比。 第27页/共129页将 Ui max=375 V，Uo=24 V，Dmin=0.25 代入式(6-17)，得到脉冲变压

13、器的变比为 n 4。此时脉冲变压器的初级励磁电流为 51.25 A4LI (6-18) 此值远小于 TOP248Y 的漏极电流 7.2 A。 电源次级整流管在输出电压较低的情况下采用肖特基二极管，以减小二极管的损耗。当输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管。当开关频率较高时，应采用超快恢复二极管作整流管，以减小其反向电流对初级的影响。滤波电容 C7的容量应满足输出电压纹波的要求， L1及 C9应能有效地滤除开关过程所产生的高频噪声干扰。 第28页/共129页5反馈电路的设计反馈电路的设计图图6-7所示电路的反馈电路采所示电路的反馈电路采用光电耦合器和可调式三端稳压用光电耦合器和可调式三端稳压器

14、器VZD2以及以及RP6、R10、R11组成的组成的R4、4第29页/共129页6.2 大功率开关电源大功率开关电源6.2.1 技术指标技术指标交流输入电压：三相，交流输入电压：三相，380 V，50Hz；第30页/共129页6.2.2 功率变换部分功率变换部分电路的功率变换部分是采用电路的功率变换部分是采用第31页/共129页第32页/共129页1主电路主电路经过经过VD1VD6组成的三相全组成的三相全波整流后，得到约波整流后，得到约560V直流电压，直流电压，再经输入滤波电容再经输入滤波电容C2、C3分压，分压，它们各承受约它们各承受约280V电压。当电压。当VT1的门极电压的门极电压U1

15、达到一定电平值时，达到一定电平值时，VT1导通，电容器导通，电容器C2经过经过VT1的漏的漏极和源极、变压器极和源极、变压器T的初级绕组的初级绕组放电，给次级传递能量。当放电，给次级传递能量。当VT1时间，要求时间，要求“死区死区”时间必须大时间必须大于于VT1和和VT2的最长导通饱和延迟的最长导通饱和延迟时间。时间。第33页/共129页2RC缓冲电路缓冲电路如图如图6-8所示，以所示，以VT1为例，为例，当当VT1截止时，电容器截止时，电容器C4通过通过R4充电；当充电；当VT1导通时，电容器导通时，电容器C4经经R4放电。尽管放电。尽管RC缓冲电路消缓冲电路消掉。掉。第34页/共129页3

16、门极抗干扰钳位保护电门极抗干扰钳位保护电路路如图如图6-9所示，并联在所示，并联在IGBT的门极与发射极之间的稳压管极的门极与发射极之间的稳压管极第35页/共129页第36页/共129页4驱动电路驱动电路IGBT的驱动采用专用的混的驱动采用专用的混合集成驱动器，内部应具有退饱合集成驱动器，内部应具有退饱和检测与保护环节，当发生过电和检测与保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路发出故障，并向外部电路发出故障信号。本例采用信号。本例采用M57962L芯片，芯片，第37页/共129页在在IGBT的门极与源极之间，的门极与源极之间，应加应加11k的泄

17、放电阻。考虑正的泄放电阻。考虑正偏电压偏电压UGS的影响，当的影响，当UGS增加时，增加时，开通时间缩短，因而开通损耗减开通时间缩短，因而开通损耗减小。小。UGS的增加对减小通态电压的增加对减小通态电压和开通损耗有利，但是和开通损耗有利，但是UGS不能不能随意增加，因为当增加到一定程随意增加，因为当增加到一定程度后，对度后，对IGBT的负载短路能力的负载短路能力以及以及du/dt有不利影响，该电路有不利影响，该电路UGS=12V。第38页/共129页6.3 逆逆 变变 电电 源源6.3.1 系统设计系统设计1主电路设计主电路设计逆变电源系统框图如图逆变电源系统框图如图6-10第39页/共129

18、页第40页/共129页采用采用VICOR系列模块进行逆系列模块进行逆变电源的设计，其中的变电源的设计，其中的DC/DC模块采用了零电流模块采用了零电流/零电压零电压(ZCS/ZVS)技术，同时可以利用技术，同时可以利用其其I/O隔离的特性实现系统的隔隔离的特性实现系统的隔。第41页/共129页电源在正常工作时输出电压电源在正常工作时输出电压为为36V，若直流利用率为，若直流利用率为0.7，调，调制度为最大值制度为最大值1，则所需直流电，则所需直流电压为压为36/0.751.4V。输出电压为。输出电压为68V时，若直流利用率仍为时，若直流利用率仍为0.7，调制度为最大值调制度为最大值1，则所需直

19、流，则所需直流电压为电压为68/0.797V。这是空载。这是空载时所需的直流电压，当带重载时，时所需的直流电压，当带重载时，全桥，滤波网络中的电容采用三全桥，滤波网络中的电容采用三角形连接方式，以加强滤波作用。角形连接方式，以加强滤波作用。第42页/共129页2保护与控制电源保护与控制电源电源在有异常情况出现时，电源在有异常情况出现时，有两种切断输出方法：一是封锁有两种切断输出方法：一是封锁控制数据，选择控制数据，选择ROM数据全为数据全为零的空页，此法方便、快速；二零的空页，此法方便、快速；二光电耦合与之隔离。光电耦合与之隔离。第43页/共129页6.3.2 PWM控制控制第44页/共129

20、页按按SPWM基本原理，自然采基本原理，自然采样法中要求解复杂的超越方程，样法中要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。而规则采样法是一程应用不多。而规则采样法是一种工程实用方法，效果接近自然种工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。采样法，计算量小得多。规则采样法原理见图规则采样法原理见图6-11所所第45页/共129页第46页/共129页2规则采样法计算 规则采样法计算公式推导过程如下。正弦调制信号波公式中，a称为调制度，0 a 1；r为信号波角频率。从图 6-11 可得 taurrsin (6-19) 三角波的一周期内，脉冲两边间

21、隙宽度为 222sin1cDrTta (6-20) 对于三相桥逆变电路而言，通常三相的三角波载波公用，三相调制波相位依次差 120， 同一三角波周期内三相的脉宽分别为U、 V和 W，脉冲两边的间隙宽度分别为 U、V和 W，同一时刻三相正弦调制波电压之和为零。由式(6-20)得脉宽为 )sin1 (2DrctaT (6-21) 第47页/共129页由式(6-21)得间隙宽度为 )sin1 (4)(21DrcctaTT (6-22) 由式(6-21)可得一个周期内脉冲总宽度为 23cWVUT (6-23) 同样由式(6-23)可得一个周期内间隙总宽度为 43cWVUT (6-24) 利用式(6-2

22、3)和式(6-24)可简化三相 SPWM 波的计算。 第48页/共129页3产生产生PWM的程序流程图的程序流程图图图6-12是产生是产生PWM数据的程数据的程序流程图。序流程图。程序中以程序中以A相数据子程序计相数据子程序计算为例，算为例，B、C相可以通用。其相可以通用。其中一个参数是正弦调制波相位，中一个参数是正弦调制波相位，改变这个参数可分别计算出改变这个参数可分别计算出A、B、C数据，并且可以补偿因滤波元数据，并且可以补偿因滤波元件参数不一致而导致的三相不平件参数不一致而导致的三相不平期性地输出，再由驱动芯片期性地输出，再由驱动芯片IR2110驱动功率驱动功率MOSFET三相全三相全桥

23、进行逆变。桥进行逆变。第49页/共129页第50页/共129页6.3.3 输出电压控制输出电压控制V系列模块的调压原理如图系列模块的调压原理如图6-13所示，电压调节端所示，电压调节端TRIM同同时也是模块内部误差放大器的电时也是模块内部误差放大器的电压给定端，经一个压给定端，经一个10k电阻与电阻与2.5V基准电压串联。此端悬空时，基准电压串联。此端悬空时，误差放大器的给定电压为误差放大器的给定电压为2.5V，模块输出额定电压。由模块输出额定电压。由TRIM端端外接电阻外接电阻R4到到OUT端，与端，与。电压进行检测，若电压进行检测，若TRIM端电压端电压过高，将导致模块的过压保护动过高，将

24、导致模块的过压保护动作。作。第51页/共129页第52页/共129页使模块的电压调节端使模块的电压调节端TRIM随着系统输出电压有效值的变化随着系统输出电压有效值的变化而反向变化，即可构成负反馈闭而反向变化，即可构成负反馈闭环回路。系统有环回路。系统有68V、36V两次两次稳压过程，只需在切换数据页的稳压过程，只需在切换数据页的同时相应改变反馈系数即可。此同时相应改变反馈系数即可。此部分的电路如图部分的电路如图6-14所示。所示。止了止了TRIM端上的反馈电压过高。端上的反馈电压过高。第53页/共129页第54页/共129页如图如图6-14所示，通电后首先所示，通电后首先+15V电压经电压经R

25、对对C充电，充电时充电，充电时间常数由二者的乘积决定。当间常数由二者的乘积决定。当C上的电压不超过稳压管上的电压不超过稳压管VZD的稳的稳压值加压值加0.7V时，时，VT1不导通，集不导通，集电极输出为高电平到电极输出为高电平到ROM，选，选中中ROM里存储里存储68V数据的页面，数据的页面，同时三极管同时三极管VT2、达林顿光电耦、达林顿光电耦第55页/共129页PWM数据的调制度决定输数据的调制度决定输出电压幅度，确定此参数时，断出电压幅度，确定此参数时，断开负反馈环，开负反馈环，V模块输出额定电模块输出额定电压，系统带满载并能输出预定电压，系统带满载并能输出预定电压时的调制度为合适的取值

26、。该压时的调制度为合适的取值。该电源在输出电压为电源在输出电压为68V、36V时时的调制度分别取为的调制度分别取为1.50、0.50，用，用以导通，负反馈环起不到调节作以导通，负反馈环起不到调节作用。用。第56页/共129页6.4 便携式开关电源便携式开关电源6.4.1 结构与系统设计结构与系统设计第57页/共129页(2) 优先选用具有多路输出优先选用具有多路输出电压的电源模块。单路电压输出电压的电源模块。单路电压输出与多路电压输出的电源模块各有与多路电压输出的电源模块各有优缺点：前者只有一路输出电压，优缺点：前者只有一路输出电压，是直接受调控的，因而输出电压是直接受调控的，因而输出电压的精

27、度高；后者输出电压有几路，的精度高；后者输出电压有几路，应优先选用多路电压输出的电源应优先选用多路电压输出的电源模块。模块。第58页/共129页(3) 采用低压差线性集成稳采用低压差线性集成稳压器进行二次稳压。在普遍采用压器进行二次稳压。在普遍采用开关式集成稳压模块的情况下，开关式集成稳压模块的情况下，线性集成稳压器，特别是低压差线性集成稳压器，特别是低压差的线性集成稳压器仍然广泛地被的线性集成稳压器仍然广泛地被采用。例如，采用三端低压差线采用。例如，采用三端低压差线性集成稳压器，将性集成稳压器，将5V电压经二电压经二第59页/共129页(5) 当无法从单块电源模块当无法从单块电源模块获得电源

28、部件所需的某些非标准获得电源部件所需的某些非标准输出电压时，可采用标准电压输输出电压时，可采用标准电压输出的小型电源模块进行相互串联出的小型电源模块进行相互串联得到。例如，将体积小的得到。例如，将体积小的15V第60页/共129页2系统设计系统设计设计一个高可靠性的稳压电源，需要在以下两个方面做好准备工作：一个是电源的设计一个高可靠性的稳压电源，需要在以下两个方面做好准备工作：一个是电源的第61页/共129页(2) 确定电源的系统方案。确定电源的系统方案。电源系统方案的确定在很大程度电源系统方案的确定在很大程度上决定了电源的性能和可靠性水上决定了电源的性能和可靠性水平，其主要内容有：选择高可靠

29、平，其主要内容有：选择高可靠性的电源元器件；设计电源系统性的电源元器件；设计电源系统的电路图，并做好必要的试验；的电路图，并做好必要的试验；采用合理的热设计和电磁兼容性采用合理的热设计和电磁兼容性设计；采取其他可靠性设计和可设计；采取其他可靠性设计和可维修性设计。维修性设计。90%，功率密度为，功率密度为37W/cm3，可靠性可靠性MTBF100万小时，适万小时，适应输入电压变化范围宽等。应输入电压变化范围宽等。第62页/共129页(4) 设计特殊要求的稳压电设计特殊要求的稳压电源。根据需要，整机可能提出某源。根据需要，整机可能提出某些有特殊要求的非标准稳压电源。些有特殊要求的非标准稳压电源。

30、例如，某负载需要例如，某负载需要10V精密电精密电源，要求稳定度不大于源，要求稳定度不大于0.1%，纹，纹波电压不大于波电压不大于2mV，温度系数不，温度系数不性设计。性设计。第63页/共129页6.4.2 主要元件参数计算主要元件参数计算1输入滤波电容的计算输入滤波电容的计算采用交流采用交流220V供电的开关电供电的开关电源，直接将源，直接将220V交流电整流、滤交流电整流、滤波成波成310V左右的直流电，再进行左右的直流电，再进行T253Ud1.2U (6-25)第64页/共129页2掉电保护电路的设计与掉电保护电路的设计与参数计算参数计算为了在瞬间掉电时不丢失信为了在瞬间掉电时不丢失信息

31、，要求电源具有掉电保护功能，息，要求电源具有掉电保护功能，如要求电源正常供电时提供一低如要求电源正常供电时提供一低电平，而在掉电瞬间电压由电平，而在掉电瞬间电压由+5V电耦合器，用以隔离输入、输出电耦合器，用以隔离输入、输出地线。地线。第65页/共129页第66页/共129页R1的计算需根据输入电压和使三极管饱和导通(UCE 0.3 V)的低电平及流过二极管的最小电流 I1确定。 取电流 I1=15 mA，则有 2 . 310153 . 04831Rk (6-26) 按供电电压 48 V 计算损耗功率为 W7 . 0015. 0)7 . 048(mIUP (6-27) 选 RJ1W-3.2 k

32、。 R2由 +5 V 电压和流经三极管的电流 I2确定。 取 I2=5mA，则有 1)100005. 0() 3 . 05 (2R k (6-28) 025. 0005. 052RPW (6-29) 选 RJ-0.025W-1k。 第67页/共129页3模块输出电压调节模块输出电压调节微波发生器电源的微波发生器电源的DC/DC变换模块为了使用方便，设置了变换模块为了使用方便，设置了输出电压调节端。当输出电流较输出电压调节端。当输出电流较第68页/共129页第69页/共129页4保护电路保护电路第70页/共129页5电磁兼容性设计电磁兼容性设计电源的电磁兼容性电源的电磁兼容性(EMC)设设计主要

33、包括以下内容：计主要包括以下内容：(1) 在输入端加在输入端加EMI滤波器，滤波器，以抑制传导干扰。以抑制传导干扰。(2) 采用具有采用具有EMI功能的功能的VIC前端模块。前端模块。微波发生器电源系统框图如微波发生器电源系统框图如图图6-19所示。所示。第71页/共129页第72页/共129页6.4.3 机载小型电源的设计机载小型电源的设计1机载仪表电源的小型化设计实例机载仪表电源的小型化设计实例第73页/共129页2电源部件的设计方案电源部件的设计方案 第74页/共129页第75页/共129页6.4.4 机载三相交流电源的设计机载三相交流电源的设计机载交流稳压电源的主要功机载交流稳压电源的

34、主要功能是为特种电子系统中的传感器能是为特种电子系统中的传感器提供交流激磁信号，要求性能稳提供交流激磁信号，要求性能稳定、体积小、重量轻、效率高、定、体积小、重量轻、效率高、可靠性好。近几年来关于交流稳可靠性好。近几年来关于交流稳压电源研究的主要内容之一是线压电源研究的主要内容之一是线性谐振型技术及其改进，以及开性谐振型技术及其改进，以及开用比较少。用比较少。第76页/共129页开关型交流稳压电源采用了开关型交流稳压电源采用了先进的高频开关电源技术，具有先进的高频开关电源技术，具有效率高、响应速度快等优点。它效率高、响应速度快等优点。它先将交流电整流成脉动的直流电，先将交流电整流成脉动的直流电

35、，第77页/共129页1电路基本原理电路基本原理机载交流稳压电源是一种机载交流稳压电源是一种AC/AC变换器，其关键部分是单变换器，其关键部分是单相相48V、400Hz AC/AC变换稳压变换稳压第78页/共129页第79页/共129页在图 6-21 中，由 L1、VD1VD4、C3、VT 等构成高频 PWM 斩波电路。为减小 MOS 场效应管 VT 的开关损耗，加入了由电阻、电容和二极管等元器件组成的开通关断缓冲电路 RCD。图 6-21 中的电感L1和高频 PWM 斩波支路可用等效电感 LX表示，LX是功率场效应管VT 导通占空比的函数，经推导可得： DLLX1 (6-30) 式中，D 为

36、 VT 的导通占空比。 同理，图 6-21 中 LX、C2并联电路的阻抗 Z 也是 D 的函数，即 )1 ( j22XXLCLZ (6-31) 式中， 为输入电压 Ui的角频率。 第80页/共129页当输入电压降低或负载加重当输入电压降低或负载加重引起输出电压降低时，引起输出电压降低时，D增大，增大，L2、C2支路呈感性，支路电流在支路呈感性，支路电流在线性电感绕组线性电感绕组N2上的压降与上的压降与Ui同同相，耦合到相，耦合到N3绕组上的电压绕组上的电压UN3与与Ui串联相加后补偿了输入电压串联相加后补偿了输入电压的不足。的不足。当输入电压升高或负载减轻当输入电压升高或负载减轻第81页/共1

37、29页2电路参数选择电路参数选择将将L1和高频和高频PWM斩波器支路斩波器支路)( j)2( j)(223202i0oMMMMLMLLMLLMLLRLLURU(6-32) 式中：XXMLCLL221第82页/共129页i232222202220o)()(ULLLLRLMLRUMMM(6-33) 根据式(6-33)所提供的输入和输出电压之间的函数关系式，即可根据系统需求确定L1、L2、L3，从而设计出满足性能要求的主电路。在实际的电路参数选择中，为加快设计速度，提高设计质量，采用根据工程估算并结合仿真软件进行优化设计的方法。第83页/共129页根据以下原则估算根据以下原则估算L1、L2、L3等的

38、参数：等的参数：(1) 由由L2、L3、C2等构成正弦等构成正弦能量分配网络，其自然谐振频率能量分配网络，其自然谐振频率应设在输入源频率的应设在输入源频率的1.52倍之倍之间，以保证源频率变化对网络的间，以保证源频率变化对网络的影响较小。在本设计中，由于电影响较小。在本设计中，由于电32良好的瞬态响应性能和负载特性良好的瞬态响应性能和负载特性等。等。第84页/共129页(3) 电路中由于谐波失真等电路中由于谐波失真等指标的限制，指标的限制，L1不能过小。在实不能过小。在实际的开关控制中，由于采用的是际的开关控制中，由于采用的是高频高频PWM方式，输出的高次谐方式，输出的高次谐波只要用小容量的电

39、容器波只要用小容量的电容器C3即可即可消除。当电源频率为消除。当电源频率为400Hz时，时，极性将逆转，不再具有稳压功能。极性将逆转，不再具有稳压功能。第85页/共129页3电路计算机仿真电路计算机仿真根据上述原则估算得出一组根据上述原则估算得出一组参数值后，在输出为参数值后，在输出为AC 48V、400Hz、50VA的条件下，运用的条件下，运用ISSPICE4模拟及数字混合电路仿模拟及数字混合电路仿真软件对主电路进行仿真。仿真真软件对主电路进行仿真。仿真波形如图波形如图6-23所示。所示。第86页/共129页第87页/共129页第88页/共129页6.5 多输出高精度直流电源多输出高精度直流

40、电源第89页/共129页表 6-4 输 出 电 压 变换器 输出电压 Uo 输出 1 输出 2 输出 3 输出 4 输出 5 输入 2436 V 5.0 V，15 A 9.0 V，5.0 A 12.0 V，3.5 A 15.0 V，2.5 A -9 V，1.0 A 第90页/共129页6.5.1 系统的结构与原理系统的结构与原理第91页/共129页第92页/共129页为了保证系统的可靠工作，为了保证系统的可靠工作，系统设计有两套检测保护电路系统设计有两套检测保护电路(其输出信号分别为其输出信号分别为SD-DRV、SD-PWM)。其中检测保护电路。其中检测保护电路用以防止输入过压或欠压，以及用以

41、防止输入过压或欠压，以及输出输出Uo5的过压。一旦这些故障的过压。一旦这些故障发生后，便产生一个发生后，便产生一个SD-DRV信信号去关闭变换器号去关闭变换器和变换器和变换器的的SD-PWM信号封锁变换器信号封锁变换器和变和变换器换器的的PWM控制器，从而中控制器，从而中止两个变换器的工作。止两个变换器的工作。第93页/共129页输入输入EMI滤波器的设计既要滤波器的设计既要满足满足EMI的要求，又要满足输入的要求，又要满足输入浪涌电流以及系统稳定性的要求。浪涌电流以及系统稳定性的要求。第94页/共129页6.5.2 控制单元原理控制单元原理电源系统有电源系统有3个功率级，其个功率级，其中两个

42、采用有源钳位正激变换器，中两个采用有源钳位正激变换器，用以实现主要的输出，第三个则用以实现主要的输出，第三个则采用反激电路，以实现辅助电源采用反激电路，以实现辅助电源和第和第5个输出。电源系统各部分个输出。电源系统各部分控制电路的原理如下。控制电路的原理如下。1变换器变换器和变换器和变换器的的第95页/共129页第96页/共129页第97页/共129页两个两个UC1822A是集成是集成PWM控控制器，经由同步电路制器，经由同步电路CD4013B、双双D触发器产生的两列尖脉冲加触发器产生的两列尖脉冲加至每一至每一UC1822A的的6脚，使两控脚，使两控制器产生同频且反相的控制信号，制器产生同频且

43、反相的控制信号，每个控制器都将检测的开关电流每个控制器都将检测的开关电流加上斜坡信号，由加上斜坡信号，由PWM输出信输出信号端号端9脚产生，加至各自芯片的脚产生，加至各自芯片的第98页/共129页2反激变换器的控制电路反激变换器的控制电路系统的变换器系统的变换器产生两个产生两个辅助电源辅助电源UCCP、UCCS和一个主输和一个主输出，两个辅助电源分别作为初级出，两个辅助电源分别作为初级控制电路和次级控制电路的供电控制电路和次级控制电路的供电电源。其电源。其PWM控制同样采用控制同样采用UC1822A，原理与变换器，原理与变换器和变和变换器换器的的PWM控制相似，只是控制相似，只是临时电源，进入

44、系统的自供运行临时电源，进入系统的自供运行状态。这种工作方式与传统的反状态。这种工作方式与传统的反激式开关电源类似。激式开关电源类似。第99页/共129页第100页/共129页3变换器变换器的磁放大器控的磁放大器控制电路制电路变换器变换器是一个三输出变换是一个三输出变换器，它的第一个输出被用来反馈器，它的第一个输出被用来反馈和控制初级开关的占空比，而另和控制初级开关的占空比，而另等优点。等优点。第101页/共129页第102页/共129页4保护电路保护电路本系统的保护电路主要由比本系统的保护电路主要由比较器和较器和D触发器实现，有下面几触发器实现，有下面几种保护功能：种保护功能：(1) 输入过

45、输入过/欠压保护。保护欠压保护。保护电路动作的结果是封锁辅助电源电路动作的结果是封锁辅助电源驱动器，实现系统的真正保护。驱动器，实现系统的真正保护。第103页/共129页第104页/共129页(2) 变换器变换器的输出过压和的输出过压和第105页/共129页(3) 变换器变换器和变换器和变换器的的第106页/共129页第107页/共129页6.6 通信系统电源通信系统电源通信系统的特点是需要多路通信系统的特点是需要多路低电压大电流共同输出的供电电低电压大电流共同输出的供电电源，如源，如3.3V、2.5V，甚至，甚至1.8V。由于由于MCU或或DSP的处理速率很高，的处理速率很高，因此消耗的电流

46、也很大，如因此消耗的电流也很大，如16路路系统电源实际电路。系统电源实际电路。第108页/共129页传统的通信产品需要的电源传统的通信产品需要的电源通常以通常以+5V为主输出，但是随着为主输出，但是随着高速、宽带通信系统的出现，高速、宽带通信系统的出现，DSP或或MCU所需要的供电电压越所需要的供电电压越来越低，内核电压已降至来越低，内核电压已降至3.3V、2.5V，甚至，甚至1.8V。另外，为了能。另外，为了能与外部芯片，例如与外部芯片，例如FLASH、SDRAM等及其他外围器件接口，等及其他外围器件接口，源进行优化设计。源进行优化设计。第109页/共129页6.6.1 线性调节器输出低压线

47、性调节器输出低压利用线性稳压器从利用线性稳压器从5V或或3.3V电源中采用降压方式获得所需要的电源中采用降压方式获得所需要的3.3V、2.5V或或第110页/共129页55. 03318oioPPP(6-35) 除此之外，该电源为了保证正常工作，需要占用很大的PCB面积以便散热；同时负载还需要与该电源保持一定距离，否则系统性能会由于温升太高而受到影响。第111页/共129页第112页/共129页6.6.2 升压型升压型DC/DC变换器变换器如果系统的外围器件所需要如果系统的外围器件所需要第113页/共129页第114页/共129页6.6.3 降压型开关电源降压型开关电源设计电源时除了功耗、价格

48、、设计电源时除了功耗、价格、体积等因素必须考虑外，电源的体积等因素必须考虑外，电源的输出噪声，特别是输出纹波的大输出噪声，特别是输出纹波的大小也必须考虑。如果小也必须考虑。如果DSP或或MCU消耗的电流保持不变，而工作电消耗的电流保持不变，而工作电压降低到压降低到1.8V，外围电路的供电，外围电路的供电要求应为要求应为+3.3V/2A。可以采用图可以采用图6-34所示的降压所示的降压开关整流技术，转换效率比普通开关整流技术，转换效率比普通变换器提高了变换器提高了7%8%，因而其，因而其电源的转换效率可高达电源的转换效率可高达90%以上。以上。第115页/共129页第116页/共129页高速、宽带通信产品由于高速、宽带通信产品由于DSP或或MCU的运算处理速率越来的运算处理速率越来越高，工作电压越来越低，消耗越高，工作电压越来越低，消耗的功率也越来越大，如果需要多的功率也越来越大，如果需要多路低压大电流供电，则传统的开路低压大电流供电，则传统的开关电源模块及线性电压调节器已关电源模块及线性电压调节器已第117页/共129页6.6.4 DC/DC变换器设计变换器设计DC/DC变换器是电源设备变换器是电源设备中最常用的功能电路之一，本节中最常用的功能电路之一，