1000W大功率开关电源设计方案

1 1000W 大功率开关电源设计 第 1 章 开关电源的基本原理 开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。 关电源的组成与工作原理 关电源的工作原理 开关电源的工作原理可以用图 1行说明。图中输入的直流不稳定电压 加至输入端， S 为受控开关，是一个受脉冲控制的开关 调整管。开关 S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的直流输出电压 a） 原理电路 O O b）波形图 图 1关电源工作原理 2 定义脉冲占空比如下： 1 式中， T 表示开关 S 的开关重复周期： 在一个开关周期中的导通时间。 开关电源直流输出电压 （ 1 由上面两式可以看出： （ 1） 若开关周期 T 一定，改变开光 S 的导通时间可改变脉冲占空比 D，达到调节输出电压的目的，这种保持 T 不变而只改变为脉冲宽度调节（ ）。由于式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此式开关电源用的较多。 （ 2） 若保持用改变开关频率来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压为脉冲频率调制 （ ）。由于开关频率不固定，所以方式的输出滤波电路的设计不易实现最优化。 （ 3） 既改变改变 T，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，称为脉冲调频调宽方式。 在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。 关电源的构成 开关电源由以下四个基本环节组成（如图 1 （ 1） C 变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。C 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。 （ 2） 驱动器：开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、整形，以适应开关管的驱动要 求。 （ 3） 信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是 信号，也可以是 号或其他信号。 （ 4） 比较放大器：对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到稳定输出电压的目的。 D C / D 器驱 动 器 信 号 源比 较放 大 器关电源基本组成框图 除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。 开关电源与线性电源相比，输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能 得到改善。负载变换瞬态响应主要由输出端 波器的特性决定。所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器 值的方法改善瞬态响应特性。 关电源的特点 开关电源具有以下特点： （ 1） 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小、效率高。调整管的效率一般为 80%90%，高的可达 90%以上。 （ 2） 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的 1/5，体积也大大缩小。 （ 3） 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270V 范围变化时 ，输出电压的变化在 2%以下。合理设计电路还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。 4 （ 4） 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。 （ 5） 元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20上，所以滤波元件的数值可以大大减小。 （ 6） 功率小。功率开关管工作在开关转台，其损耗小；电源温升低，不需要采用大面积散热器。采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。 关电源的主要类型 下面从电路的控制方式和输出取样方式两方面对开关电源做一 大致分类。 制方式 由开关电源输出直流电压表达式可知，控制开关管的导通时间以调整输出电压到输出稳压的目的。脉冲宽度调制（ 式是采用恒频控制，即固定开关周期 T，通过改变脉冲宽度关器件的开关频率 f 由自激或它激方式产生。 脉冲频率调制（ 式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲周期，实现调节脉冲占空比 D，从而达到输出稳压的目的。 这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度控制脉冲开关周期 T，以实现调节脉冲占空比 D，从而达到输出稳压的目的。 若触发信号利用电源电路中的开关管、高频脉 冲变压器构成正反馈环路，完成自激振荡，使开关电源工作，则这种电源称为自激式开关电源。 它激式开关电源需要外部振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。它激式电源大多数需要专用的 发集成电路。 5 接分类 电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；以功率开关管与供电电源、储能电感的连接方式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联开关电源。 出取样方式 取样电路是电源反馈电路的重要部分， 取样方式对系统的稳定性有决定作用。 （ 1） 直接取样电路。采用直接输出取样方式的开关电源安全性好，且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。 （ 2） 间接取样电路。该方式的缺点是响应慢。当输出电压因输入电压等原因发生突变时，输出电压的变化需经过开关变压器耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压的动态结果一般。 6 第 2 章 系统分析和选择 本章从整体上对开关电源的各个模块进行了介绍，主要介绍了各模块的结构、功能以及相互之间的关系，并对当前开关电源常用的变换器进行了分析。并据此分析，选择相应的电路元器件。 关电源系统概述 由第 1 章可知，开关电源由四个基本环节组成，分别是 C 变换器、驱动器、信号源、比较放大器。然而该系统设计中还应有辅助电路，主要为控制电路部分，其功能是产生电路所需的控制脉冲和提供各种保护。该系统结构框图如图 2示。 E M 器整 流 滤波高 频 变 换 器高 频 变 压 器高 频 整 流 滤 波 输出A 电源P W M 调 节 器 误 差 比 较 放 大 器电 压 电 流 取 样电 路基 准 电 压保 护 电 路控 制 电 路D 关电源结构框图 开关电源的主电路通过输入整流滤波、 C 变换、输出整流滤波将交流电压转换为所需的直流电压。由图 2知，开关电源主回路由以下三部分组成： 输入整流滤波电路。其作用是将交流电通过整流模块变成具有脉冲的直流电，然后通过滤波电容 将其变为较平滑的直流电。 功率开关电路。其作用是将滤波得到较平滑的直流电变为高频的方波电压，再通过高频变压器送到输出端。 7 输出滤波回路。其作用是将高频方波电压转变成为所需要的直流电压或者电流。 由于控制电路部分在整个电源中起到首脑的作用，控制整个系统工作并实现相应的保护功能。所以，开关电源主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲是由系统的控制电路部分提供的。一般情况下，控制电路都具有控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路等功能。 C/换器的选择 将一种直流电压变换成另一种直流电压（可 调或固定）的过程称为C 变换， C 变换是开关电源的主要功能之一，随着电子技术的发展， C 变换专用电路成为设计者常用的器件，称之为 C 变换器。 因为 C 变换器的输入电压较大，对开关器件而言选择全桥式电路比较合适。全桥式电路可以使变压器磁芯和绕组得到最优利用；使效率等得到优化。 另外，当功率开关器件安全运行时，最大反向电压不会超过加在输入整流滤波电路两端的输出电压。但是，由于系统中的功率元器件比较多的缘故，功率损耗也会很大。 现在，全桥式变换器常用的有硬开关式、谐振式以及移相式。 开关式全桥变换器 硬开关式 路（如图 2具有结构简单、控制方便的优点 。 在硬开关式 路中，开关管工作在硬开关状态，为了保证不必要的损耗，同时使功率器件正常运行，经常加入缓冲电路，如 收网络。但是系统总的损耗并没有减少，只是单纯地将开关损耗转移到了缓冲电路中。而且频率也会对开关损耗造成一定的影响。所以，当开关器件在高频下运行时，器件中的极间电容将占有不可忽略的地位。因为极间电容在进行电压转换时会产生较强的电磁干扰，影响开关电源系统的正常运行。 8 V c Q 2D 1D 2Q 3Q 4D 4D 3D 5D 6L fR lC 开关式全桥变换电路 振式全桥变换器 硬开关式电路在频率较高时受到的影响较大，所以，我们可以考虑应用谐振式软开关电路。与硬开关式全桥电路相比，它主要增加了谐振电感和谐振电容两个元件。其主要作用是利用谐振作用控制开关器件的导通或关断。谐振变换电路的其基本结构是通过开关器件和谐振电感、谐振电容的串并联实现的。其基本电路结构如图 2示。 S L rC rC rL a）零电流开关 L rC rC r（ b）零电压开关 图 2振电路的基本结构图 由图 2-3(a)可知为一 关，是通过谐振元件和开关器件的串联来实现的。当开关管导通时，谐振网络接通 并产生谐振，此时电流按正弦规律变化，当电流谐振到零时，令开关管关断，使谐振停止。 由图 2-3(b)可知为 通过谐振元件和开关管的并联实现的。当 9 开关管关断时，谐振元件串联并产生谐振，此时电压按正弦规律变化，当电压谐振过零时，将开关管 采用谐振式全桥变换电路，可以大大提高开关电源工作的安全性。因为负载对谐振变换电路的影响较大，所以为了保证输出直流电压稳压的方式，采用了脉冲频率调制 ( 相式全桥变换器 由于移相控制全桥变换电路具有移相控制实现方便、开关损耗小、可靠性高等 优点，已经普遍的应用在大功率应用场合中。其功能是指保持每个开关管的导通时间不变，每个桥臂的功率管互补导通成 180，两个桥臂的导通角相差一个相位。因此它是通过调节移相角的大小来调节输出电压的。除此之外，它还利用谐作用振来实现零电压或零电流的开关换流。 由以上分析可知，采用移相式全桥变换电路较好。 制电路的设计 由于 C 变换器的正常工作运行是需要控制电路提供适当的驱动脉冲的，所以控制电路在开关电源系统中是不可或缺的。如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者误触发，则会导致短路，损坏开关器件。 由各电路的功能，我们可以将控制电路部分分为脉冲触发电路、反馈控制电路、保护电路等部分（如图 2。我们从图 2 可以看出，脉冲产生电路是由保护电路和软启动电路控制产生脉冲信号，然后经过触发电路作用于电源的主电路。 10 电 源 主 电 路触 发 电 路脉 冲 产 生 电 路软 启 动 电 路保 护 电 路电 压 反 馈 控 制 电路辅 助 电 路图 2关电源控制电路框图 电压反馈控制通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压与参考电压进行比较得到一个电压误差，再将电压误差进行处理后送给脉冲产生电路，从而调节输出脉冲的脉宽，实现输出电压稳压的目的。 驱动电路作为执行部分，其工作原理是将控制电路输出的 冲信号 驱动大功率开关管。由于所提供的脉冲幅度以及波形会影响开关管的开关过程，所以，应该选择适当的驱动电路。 因为电源的输出滤波电容较大，开始时会产生非常大的充电电流。它不仅使开关管有可能损坏，而且也会引起过流保护装置误动作。若为了避过流保护的误动作而将保护电路的动作时间延长，这将会降低过流保护的安全可靠性。输出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生。因此，软启动电路可以消除这种冲击，在启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，使其得到缓冲而慢慢建立起电压。 为了提高安全可 靠性，开关电源保护电路的功能为过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。其中，过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的；欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。 11 流滤波电路的设计 整流滤波包括输入和输出整流滤波，可以提高电压或者电流的稳定度。 入整流滤波回路 本文设计的是 1000W 大功率电源。为了减小电源的输入滤波电容，本文使用的输入整流滤波是通过三相桥式整流和谐振元件组成。 出整流滤波回路 在大功率电源的设计中，常用的输出整流滤波分为桥式整流和全波整流。桥式整流电路相比较于全波整流除了适合输出电压比较高的电路之外，还具有使变压器结构简单和降低整流管电压的作用，所以桥式整流电路在输出滤波上更好。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 第 3 章 开关电源主电路的设计 关电源的设计要求 本文 设计的大功率开关电源主要应用于电力系统的高频开关电源，确定 技术指标如下 : 380V 20%； 5010%； 上； 437V 5V； 320V 5V； 220V； 7. 输出电压范围 :176 为 10 5A； 325V 5V； 195V 5V； 在该 课题 的设计 过程中，主要对大功率开关电源的工 作原理、电路结构作了分析 ，并结合 开关电源 的 相关 参数，确定 并设计出了开关电源的电路结构。 路结构框图 通过对 大功率开关电源 设计的任务 要求， 我们对选取的方案作了一些验证和比较 。 通过图 3以看出 主电路 和控制电路的基本组成。其中，主电路包括输入整流滤波、高频逆变和输出整流滤波三个部分。控制电路洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 包括监控单元、控制和保护单元、辅助电源和反馈四个部分。 E N 整 流 滤 波 高 频 逆 变 整 流 滤 波交 流 输 入辅 助 电 源控 制 和 保 护 单 元反 馈直 流 输 出监 控 单 元集 中 监 控 单 元图 3关电源的电路结构框图 经过分析比较和电路元器件的选择后作具体的电路设计，如图 3示。该电路分为 输入整流滤波 电路、 单相逆变桥 和 输出整流滤 波电路 。 三相 交流 输入 电 首先要 经 过 流 滤波 ，其 作用 主要是 是 滤除功率管开关产生的电压电流尖峰和毛刺，减小对系统的干扰。然后再将信号送到全桥整流滤波电路，它采用了 波， 其主要 作用是 延长了电流导通时间，限制了电流峰值，从而达到提高电源的输入功率因数的目的。除此之外，电阻 1存在的目的 是 为了 平 衡串联电容上的电压，维持系统稳定。而高频电容与电解 电容的并联是为了滤除高频谐波，同时也弥补了电解电容在高频特性方面的不足。 C 9L 1C 1C 2C 3C 4R 1R 2C 5C 6C 7T 1T 2R 3L 2D 1D 2Q 1Q 2Q 3Q 4C 8C 1 0C 1 1C 1 2C 1 3L 3C 1 4 C 1 5L 4D 3D 4D 5D 6D 7C 1 6C 1 7C 1 8电 流 采 样图 3关电源的电路结构图 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 为了满足高压、高功率的要求，在 单相逆变桥电路中选择使用绝缘栅双极晶体管（ 其中，电容 联在两个桥臂之间，起到了降低两个桥臂之间的尖峰的干扰的作用。电感 电容 止变压器 直流偏磁的作用。为了检测原边电流是否满足要求，变压器的原边需要添加交流互感器。 在输出整流滤波电路中，选择全桥整流滤波电路，以满足高压的要求。其中，高频滤波电感 解电容（ 高频电容（ 14）是为了滤除高频谐波分量。共模电感 Y 电容（ 为了抑制共模分量。电流采样电阻和输出二极管 为了防止电池电流反灌。 入整流滤波电路 该电源的输入整流滤波电路为整流桥电路和输入滤波电路两部分。 流桥电路 工作频率为 50入电压为 380V 三相交流电压，采用三相整流桥。 （ 1） 耐压 整流桥输入电压的最大值 a x. （ 3 整流二 极管的电压峰值为 VU 201(38022 m a x. （ 3 选取的裕量为 50%时 501( 根据整流桥的实际电压参数，我们选择耐压为 1200V 的 整流桥 。 （ 2） 额定电流 因为电源的效率会随着输入功率的变化而变化，所以我们应选择电源的效率的最小值。因此，选择的电源效率为 80%。 输入功率为 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 WP p n 220 （ 3 因为最大输入电流选取的是交流输入电压的下限，所以 VU 0 4%803 8 0m a x. （ 3 最大输入线电流 753 m i n.m a x. （ 3 取整流桥的额定电流为 10A。 入整流电容 输入整流电容 决于输出保持时间和输入纹波电压的大小。当系统电压最低时接在三相桥式整流电路两端的平均输出电压 E 为 23 （ 3 其中， 考虑到本设计的相关参数得 201( （ 3 通过直流输入电路的平均电流为 01 3 7 5 （ 3 单 相全桥整流滤波电路的滤波电容为： IC 00400 （ 3 由于三相全桥整流滤波电路的基频为单相全桥整流滤波电路的 3 倍。因此，三相电路的滤波电容为： IC 00133 （ 3 代入相关参数得 m 6 7 0 （ 3 根 据计算结果，我们选择 4 个 1000F/400V 的电解电容。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 16 入滤波电感 输入滤波电感中最大电流为电路电压处于交流输入电压下限时通过输入电路的电流的平均值虑到滤波电感的作用，则其电感越大，电流脉冲就越小，输入功率因素越高。但由于各方面的条件制约，我们只能选用1053215 径为 ，电感为 18工频电感。 变电路的 设计 率转换电路 通过第二章的分析可以知到，本文设计的开关电源为功率电源一类，选用全桥式功率转换电路较好。 定电路工作频率 考虑到开关管的相关参数、主电路及控制电路的特性等一系列因素，选取开关管的工作频率为 30 频变压器的计算 （ 1）选取工作磁通密度 考虑到高频变压器的相关参数，我们应选取的磁芯为 氧体材料，那么它的工作磁通密度为 900 （ 2）考虑磁芯规格并计算原边绕组匝数 根据开关电源所选用高频变压器的设计要求，我们采用环形磁芯。 那么，选用的环形磁芯的规格为： 0601 2 0 式中： D 环形磁芯的外径； d 环形磁芯的内径； h 环形磁芯的厚度。 高频变压器的原边总的截面积为： 1002 11 3 式中，工作频率0计算所得的占空比可洛阳理工学院毕业设计（论文） 17 知，导通时间取 11s； 1最大值为系统电压最大时的三相整流滤波输出电压。那么 201(380m a （ 3 磁芯截面积 2600202 601202 （ 3 那么，高频变压器原边绕组的匝数 1 062 1 0 41 N （ 3 高频变压器原边绕组的匝数应当取整，结果为 66。 （ 3）按照设计要求，输出电压的最大值为 286V。 考虑到线路传输的压降，选取该压降为 此，该 开关电源的输出电压最大值为： VV o a x. （ 3 考虑到相关参数和结算结果，我们选取输出整流二极管的压降为 2V，滤波电感的压降为 开关桥的最大占空比么，当满足输出电压最大值与额定负载时，高频变压器副边绕组电压最小值为： 5(m i （ 3 又因为理想变压器的原、副边的电压比与其绕组的匝数比相等，所以得高频变压器的副边绕组匝数的计算公式为： 1 （ 3 其中，原边绕组的电压最小值为： %)201(380m i （ 3 因此，通过计算我们可以得到高频变压器的副边绕组的匝数为： N （ 3 对上式结果取整后可以得到高频变压器副边绕组匝数为 79。 （ 4）实际占空比的计算 当满足输入电压最低和输出电压最高时，有最大脉冲占空比 洛阳理工学院毕业设计（论文） 18 %)201(380m i （ 3 i i （ 3 6 6 1 5m i n2.m a x.m a x V or 3 2m a xm a x. （ 3 通过计算结果可知，最大占空比为 通脉宽为 当满足输入电压最高和输出电压最低时，有最小脉冲占空比 446679m a a （ 3 假设，此时 ， 195m a i nm i n V or 3 2m i nm i n. （ 3 通过计算，我们可以得到最小脉冲占空比为 通脉宽为 （ 5）绕组导线的选取 当负载电流为额定电流的 105%时，流过输出电感的电流平均值为 AI 0552 ， 流 过 副 边 绕 组 的 电 流 幅 值 为a 。 由于运动中的电子具有趋肤效应，经查找相关资料，当工作频率为30，电子的穿透深度为 。所以，在选取导线时，其线径应当小于 。考虑到线圈的绕制问题，我们选取线径为 的导线，以便于绕制线圈。 折算后的原边绕组流过的电流为： m （ 3 折算后的励磁电流幅值及其平均值为： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 2 （ 3 （ 3 等效后的原边绕组的电流 （ 3 m （ 3 因此，我们选取原边绕组的线径为 ，电流密度为 2/3 ，单根导线载流量为 根，取整为 20 根。 （ 6）绕组面积的确定 2060120 磁芯的面积为： 220 282 64 （ 3 经查找相关资料可得，原边绕组的最大外径为 。 因此，原边绕组占有的标称面积为： 221 （ 3 副边绕组占有的标称面积为： 222 （ 3 占空系数 为： )( 021 3 因此，窗口面积足够。 （ 7）校核绕组压降及功耗 2060120 磁环的高度为 2 ，径向厚度为 3 ，设副边绕组的平均匝长为 15 。经过查找相关资料可知， 以副边绕组的截面积 2 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 22 （ 3 单个绕组电阻 2 （ 3 常温下，铜的电阻率为 . 2。 其副边绕组的功率损耗为： r （ 3 设原边绕组的平均匝长约为 12 ，所以原边绕组的截面积 1 21 其中，电阻 1 （ 3 原边绕组功耗为： r （ 3 变压器绕组总功耗 （ 3 压开关管的选择 （ 1）耐压 当系统输入电压取最大值时，加在整流电路两端的输出电压 201(3802 m （ 3 取 50%的裕量为501(。 （ 2）开关电流 通过计算，我们得知了最大占空比小占空比 流入整流滤波电路的输出电流的最大值为： 201(380 137 5m （ 3 D； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 。 流入整流滤波电路的输出电流的最小值为： I 201(380 137 5（ 3 D； 。 所以，流过开关管的最大电流值为 通过对计算结果的分析，我们选取耐压为 1200V，电流容许值为 60管 为高压开光管。 直电容在第二章中，我们分析了电路的工作原理，计算了相关 参数，得出了初级电流的下降时间： （ 3 其中， D 为占空比。 在变压器的学习中，我们知道漏感与线圈的绕制方法以及磁芯材料等因素有关。在前面的计算中，我们选择的工作频率为 30到的占空比的最大值电容充电过程中，电流逐渐变小的时间为 4s。所以，隔直电容为： （ 3 出整流滤波电路 输出整流滤波通过滤波电感及滤波电容和快恢复整流二极管的整流将高频变压器输出的高频交变电压或电流按设计要求进行整流滤波输出。因为输出电压比较高（ 220V），所以为了提高安全可靠性，高频变压器副边绕组应选择桥式整流电路。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 22 出整流二极管 因为输出二极管工作于 高频状态（ 30所以应选用快恢复二极管。 （ 1）耐压 高频变器副边的输出电压峰值为： 201(38021m （ 3 所以加在输出整流二极管上的最高电压为 （ 2）电流 输出整流二极管的电流和输出滤波电感的电流相等，通过前面的计算我们知道流过输出滤波电感的电流为 以输出整流二极管的电流为 根据以上分析，同时考虑一定的裕量，选取 为输出二极管，其耐压为 120V，额定电流为 30A。 出滤波电感 根据相关参考文献资料 1中的理论公式，可以知道：假设%，即5m s 此时的电感电流增量应当小于或等于以， 6m （ 3 。 出滤波电容 （ 1）根据输出纹波电压0V来计算时，可以得到滤波电容的计算公式： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 23 32002m 032 )2032 )1( （ 3 （ 2）根据输出电压动态幅度0V来计算时，可以得到的滤波电容的计算公式为： 202（ 3 其中， 5A； 221V。 因此，可得输出滤波电容为： 34220221 2 23 在考虑一定裕量时，最后取值为 500 洛阳理工学院毕业设计（论文） 24 第 4 章 控制电路的设计 成控制器的基本原理 成控制器主要包括电压型控制器 和电流控制器。电压控制器只有电压反馈控制，能够满足稳压的要求；而电流型控制器还具有电流反馈控制的功能，除了稳压之外，还有以下优点： 负载动态响应快； 可减小输出滤波电容的容量； 多台开关电源并联工作时， 关控制器具有内在的均流能力； 当流过开关管的电流达到预 定值时，开关管自动关断。 常用的脉宽调制（ 集成控制器由推挽输出电路、脉宽调制比较器等组成。基准电压和采样反馈信号通过误差放大器比较放大后，输出的差值信号与锯齿波比较从而改变输出脉宽，以实现稳压。 速脉宽调制器 成控制芯片符合我们的设计要求 ，下面分析一下这个芯片的主要特点和工作原理。 要特点 具有较高的频率精度并可对死区进行控制，同时振荡器放电电流也可调； 具有全周期再启动的封锁式过流比较器； 适用于电压型或电流型开关电源电路； 输出脉冲 最大传输延迟时间为 50 带有双重抑制脉冲和全封闭逻辑； 开关频率最高可达到达 1 内有宽频带误差信号放大器； 洛阳理工学院毕业设计（论文） 25 内有逐脉冲限流比较器； 具有软启动控制； 上升沿封锁阈值可调，同时上升沿噪音可调，带隙基准电压可调； 启动电流小 （典型值为 100 在欠压锁定期间，输出低电平； 欠压锁定 16V/10V（ B 型）； 限参数 电源电压（ 15， B 脚） 22V 输出脚电流（流出或流入） （ 11,14 脚） 直流 冲 （ 线（ 12 脚） 拟输入 （ 1,2,7 脚） 7V （ 8,9 脚） 6V 时钟输出电流（ 4 脚） 差放大器输出电流（ 3 脚） 5启动电流（ 8 脚） 20荡器充电电流（ 5 脚） 耗（ 60时） 1W 储存温度范围 150 焊接温度（焊接时长为 10s） 300 （注：管脚电压以地线电压为基准；电流正方向以流入管脚为准） 部工作原理 内部工作电路结构如图 4示，主要由 较器、 输出驱动器、 基准电压源、软启动电路、故障锁存器 等部分组成。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 26 图 4部工作电路 （ 1）振荡器 564B l a n k i n 0 u 1 U C 3 8 2 5图 4荡电路 通过图 4以看出，锯齿波上升沿的斜率由 定 过最大占空比进一步计算选用的C。则其计算公式为： )1)(100( 3 m R T （ 4 洛阳理工学院毕业设计（论文） 27 4 在设计应用中， k， （ 2） 上升沿封锁 图 4升沿封锁工作波形 由上升沿封锁工作波形如图 4示，输出脉冲的频率是振荡器频率的 1/2。所以，输出脉冲的频率是 100于功率管截止时间的问题，使得桥臂容易短路，所以输出脉冲占空比应该在 50%以下。同时，为了实现限制最大占空比的目的，在振荡电容放电期间，内部时钟脉冲对两路输出进行封锁。在内部时钟脉冲的下降沿，输出端为高电平。 一般情况下，脉 宽调制比较器会检测误差放大器的输出电压，从而终止输出脉冲。因为采用了上升沿封锁，在脉冲前沿的某一段时间内，脉宽调制比较器失效，从而有效抑制开关电源的固有噪声。而且在上升沿封锁的作用下，脉宽调制比较器的谐波输入不需要经过滤波环节。 我们在 应接入电容 C，使上升沿封锁时间得到了有效地调整。另外，为了更准确控制前沿封锁时间，可以在外部并联一个 2k（ 2%）电阻 R。前沿封锁时间 )10/(4 洛阳理工学院毕业设计（论文） 28 （ 3） 软启动以及故障处理 图 4启动和故障处理波形 软启动是通过软启动脚（ 的外接电容来实现的。通过图 4分析可知，当接通电源以后，外接电容开始放电，软启动脚处于低电平，误差放大器输出低电压，开关电源没有输出电压。当软启动脚的外接电容开始充电时，误差放大器的输出电压开始逐渐升高，闭环调节装置开始工作，开关电源 输出电压逐渐升高，直到达到输出电压额定值，完成充电。 当限流脚（ 电压大于 ，故障锁存器置位，输出脚变为低电平，软启动脚的外接电容放电。当软启动脚的外接电容放电结束后，限流脚电压降到 下时，故障锁存器复位，芯片开始软启动过程。 在软启动期间，若故障锁存器突然置位，输出会立即中止。但是软启动脚外接电容在充足电之前不会放电。这样，在故障连续出现的情况下，输出就会出现一个间断期。 （ 4） 大电流输出电路 洛阳理工学院毕业设计（论文） 29 U C 3 8 2 5U TP g n 2V D 1C 2U 率 驱动电路 功率 动电路如图 4示。 拉式输出电路的每个输出端都可输出峰值为 2A 的电流。该输出电流在 20可使 10005V。采用独立的集电极电源够减小大功率门极驱动噪声对集成电路内模拟电路的干扰。每个输出端（ A 的肖特基二极管（ 相同性能的器件），如图 4示。 该二极管可将输出电压的幅值箝位在电源电压，对任何感性和容性负载都是必不可少的。 调试 为 控制电路的核心，集成了相当多的功能。过去需要用分立单元完成的功能，现在都可以通过 完成，其一般结构如下图4示。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 30 图 4工作结构电路 在 工作结构电路图 4， 线性光耦合器控制部分提供工作电压； 用来调节 占空比口 2 为输入端口， 和 是 号的输出端口，信号的幅值由端口 13 的 和 输出的两个 号是相互之间有死区时间的互补信号。因为功率 截止时间比导通时间长，如果会导致桥臂短路的情况。 通过实验可知， 2 脚输入和 、 输出的 冲信号的占空比是满足线性 关系的。具体实验数据如表 4示。我们定义 2 脚输入为出的 号占空比为 D。 表 4入与输出占空比的关系 V） （ %） 0 4 8 12 16 20 24 V） D（ %） 28 32 36 40 从表 4的数据可以看出，端口 2 的数值范围为： 冲信号的占空比在 0%40%之间变化，与上述的结论基本吻合。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 31 馈电路的设计 高频开关电源包括内环和外环两个闭环环控制系统，内环是电流反馈控制，外环是电压反馈控制。电流反馈控制需要在开关变换器和高频变压器之间添加一个检测电流的互感器。其工作原理大致是将检测信号送到第 9 个管脚限流端，当负载电流过大时关断。 电压反馈控制在主电路的输出端进行采样，再将采样电压与整定电压进行比较后送到 比例积分放大器，然后送到 第 2 个管脚，以控制 号的占空比，从而达到控制主电路输出电压的目的。 +K 2+ 5 VV R 1I 1I 2I 3U 1图 4性光耦隔离的电压反馈电路 从图 4可以看出，线性光耦合隔离的电压反馈电路是由一个隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成的。反馈光二极管通过红外线的照射产生控制信号，以此调节二极管的驱动电流。输出光二极管产生的电流信号与 二极管 发出的伺服光通量成线性比例。 光电流 22 i，其与 电流成正比，比例系数为反馈传输增量 1K，即 112，运算放大器向 供足够的电流以保持运算放大器的正向和反向输入端等电压。同理，我们可得到： 212 （ 4 洛阳理工学院毕业设计（论文） 32