AC-DC开关电源设计--毕业设计.doc

设计（论文）用纸 第 0 页 课题名称 ac-dc 开关电源 设计 课题参数或研究 方向组数 3 课题类型 工程实际 模拟工程 实际科研开发 研究论文 调 查报告 课题来源工程实际课题起止日期2008.4 2008.6 指导教师职 称所在教研室指导班级 专 业指导学生数 辛伊波教授自动化自动化10 段春霞助教 课题主要 内容 1.分析负载对电源的特殊要求，说明电源设计的主要指标； 2.说明串联，并联式开关稳压电源的工作原理。画出串联，并联式 开关稳压电源原理图； 3.以开关电源为例，分析主要组成部分及功能： （1）整流滤波电路； （2）自激振荡电路； （3）高频脉冲整流电路； （4）误差取样放大电路； （5）脉宽调制； （6）保护电路。 4.分析电源常见故障现象，提出解决办法。 学生完成 课题目标 任务及主 要工作量 1.按学校对毕业设计要求，独立完成设计任务； 2.设计说明书附前言，目录； 3.各部分章节分配合理，插图标准；字数不少于 9000 字；4.二号图 纸1 张，计算机出图，图纸规范、标准； 课题进度 安排 第一周第三周：查找资料，了解对ac-dc 电源的特殊 求及有关指标； 第四周第七周：电路设计，主要元件参数计算和选择； 第八周第十周：撰写毕业论文，列出答辩提纲。 设计（论文）用纸 第 0 页 目目录录 摘 要.1 abstract.2 前 言.3 第一章 开关电源设计.7 1.1 开关电源电气可靠性设计.7 1.2 电磁兼容性(emc)设计.9 1.3 安全性设计.9 第二章 开关电源10 2.1 自激串联调宽式开关电源.10 2.2 串联型开关稳压电源.11 2.3 并联开关稳压电源12 2.4 他激并联调宽式开关电源工作原理.17 2.5 目前抑制干扰的几种措施.22 第三章 脉宽调制系统pwm.25 3.1 模拟电路25 3.2 数字控制26 3.3 硬件控制器27 3.4 通信与控制28 第四章 uc3842 芯片29 4.1 uc3842 简介29 4.2 uc3842 的保护电路设计31 4.3 uc3842 保护电路的缺陷32 第五章 开关稳压电源常见故障及维修37 5.1 开关电源维修.37 5.2 故障实例38 结束语.40 谢 辞41 参考文献42 附 录43 设计（论文）用纸 第 1 页 摘摘 要要 电源是电子设备的心脏部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性能，而且 设备故障的百分之六十来之与电源。因此，电源越来越受到人们的重视。现代电子产 品的使用的电源大致有开关稳压电源和线性稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就 是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的缺点是变换效率低，一般只有 35%- 60%；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达 70%-95%。因此，目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器众多采 用稳压电源。 开关稳压电源的优越性还表现在： 功耗小 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小时的电 子设备内稳升也低，周围元件不会因为长期工作在高温环境下而损坏，这就有利于 提高电子铲平的可靠性和稳定性。 稳压范围宽 当开关稳压电源输入的电流电压在150250v 的范围内变化时 都能达到很好的稳压，输出电压变化在2%以下。而且在输入电压发生变化始终能保 持稳压电路的高效率，因此开关稳压电源能适应于电网电压波动比较大的地方。 体积小、重量轻 开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高 频变压器获得各种不同交流电压，这样就可以免去笨重的工频变压器，从而节省了 大量的漆包线和硅钢片，使电源体积减小，重量减轻。 安全可靠 开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、 户在等出现故障或短路时，能自动切断电源，起保护功能灵敏可靠。 关关键键词词： 开关电源优越性 稳定性 保护电路 设计（论文）用纸 第 2 页 abstract the power suppply is the heart part of the electronics equipments ,its quantity affects the credibility of the electronics equipments directly ,and 60% of breakdown of the equipment come from the power supply , therefore ,the power supply is value by the peopie more and more .the so-called line is steady to press the power supply , be it adjusts the tube to woke the on-line enlarges the erea .therefore , currently space technique ,calculater , correspondence, radar, television and wen yas power supply in the home appliance repiace. switching power supply superiority in performance: the consume small because the switch tube power exhaust small ,as a result do not need to adopt to spread the hot machine greatly. steady press the scope breadth when the switch is steady to press the cxchanges electric voltage of the power supply importantion within the scope of 150-250v variety, can attain good and steady press the result ,output the variety of the electric voltage beloe 2%. the physical volume is small ,the light switch is steady to press the exchang eselectric voltages that the power supply can input charged barded wire net to commutate directly, then acquire various dissimilarity exchanges clectric voltage through a high transformer of ,can avoid the bulky work thansformer , thus saving a great deal of paint to wrap the line and the steel slices ,making the power supply physical volume comtract , the weight eased. the safe and rependable switch iis stead to press the electric circuit to all have the automatic protection electric circuit generally. the switch is steady p have ress the key probiem of the power of supply is an electric circuit more complicated ,an electric voltage of the outputs ia higher. keywords： superiority of switching power supply stability protection circuit 设计（论文）用纸 第 3 页 前前 言言 随着电力电子技术的高速发展 ,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切,而电子设备都离不开可靠的电源 ,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。 1 1 开开关关电电源源的的分分类类 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件 ,边开发开关变频技术 ,两 者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、 高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 ac/dc 和dc/dc 两大类,dc/dc 变换器现 已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化 ,并已得到用户的认 可,但ac/dc 的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中 ,遇到较为复杂的技术 和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 d dc c/ /d dc c 变变换换 dc/dc 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压 ,也称为直流斩波。斩波 器的工作方式有两种 ,一是脉宽调制方式ts 不变,改变ton(通用),二是频率调制方式 , ton 不变,改变ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类： （1）buck 电路降压斩波器,其输出平均电压u0 小于输入电压ui,极性相同。 （2）boost 电路升压斩波器,其输出平均电压u0 大于输入电压ui,极性相同。 （3）buckboost 电路降压或升压斩波器 ,其输出平均电压u0 大于或小于输入 电压ui,极性相反,电感传输。 设计（论文）用纸 第 4 页 （4）cuk 电路降压或升压斩波器 ,其输出平均电压u0 大于或小于输入电压ui,极 性相反,电容传输。 a ac c/ /d dc c 变变换换 ac/dc 变换是将交流变换为直流 ,其功率流向可以是双向的 ,功率流由电源流向负 载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为 “有源逆变”。ac/dc 变换器输入 为50/60hz 的交流电,因必须经整流、滤波 ,因此体积相对较大的滤波电容器是必不 可少的,同时因遇到安全标准（如ul、ccee 等）及emc 指令的限制（如 iec、fcc、csa）,交流输入侧必须加emc 滤波及使用符合安全标准的元件 ,这样就 限制ac/dc 电源体积的小型化 ,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作 ,使得 解决emc 电磁兼容问题难度加大 ,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求 , 由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大 ,限制了ac/dc 变换器模 块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意 程度。 ac/dc 变换按电路的接线方式可分为 ,半波电路、全波电路。按电源相数可分为 , 单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。 2 2 开开关关电电源源的的选选用用 开关电源在输入抗干扰性能上 ,由于其自身电路结构的特点（多级串联） ,一般的 输入干扰如浪涌电压很难通过 ,在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具 有较大的优势,其输出电压稳定度可达 (0.51）。开关电源模块作为一种电力电 子集成器件,在选用中应注意以下几点： 输输出出电电流流的的选选择择 设计（论文）用纸 第 5 页 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 常输出计算公式为： is=kif 式中：is开关电源的额定输出电流 ; if用电设备的最大吸收电流 ; k裕量系数,一般取1.51.8; 接接地地 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 地和屏蔽措施,按ice1000、en61000、fcc 等emc 限制,开关电源均采取emc 电磁兼容 措施,因此开关电源一般应带有emc 电磁兼容滤波器。如利德华福技术的ha 系列开关 电源,将其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。 保保护护电电路路 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 3 开开关关电电源源技技术术的的发发展展动动向向 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 步开发新型高智能化的元器件 ,特别是改善二次整流器件的损耗 ,并在功率铁氧体 （mnzn)材料上加大科技创新 ,以提高在高频率和较大磁通密度（ bs)下获得高的磁 设计（论文）用纸 第 6 页 性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。 smt 技术的应用使得开关电源取得了长 足 的进展,在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 ,实现zvs、zcs 的软开关技术已成为开关 电源 的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。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的应力 ,使得产品的可靠性大大 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 以设计成n1 冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声 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。 设计（论文）用纸 第 7 页 第第一一章章 开开关关电电源源设设计计 电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个 系统工程，不但要考虑电源本身 参数设计，还要考虑电气设计、 电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等 方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们 应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。 1.1 开开关关电电源源电电气气可可靠靠性性设设计计 1 1. .1 1. .1 1 供供电电方方式式的的选选择择 集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低 了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布 式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小， 效率高，节约能源，可靠性高，容易组成 n1 冗余供电系统，扩展功率也相对比较 容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性 设备的要求。 1 1. .1 1. .2 2 电电路路拓拓扑扑的的选选择择 开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双 正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激 式、推挽式的开关管的承压在两倍输入 电压以上，如果按60降额使用，则使开关 管不易选型。在推挽和全桥拓扑 中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥 电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电 路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60降额使用，选用开关管也比 较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。 1 1. .1 1. .3 3 控控制制策策略略的的选选择择 在中小功率的电源中，电流型pwm 控制是大量采用的方法，它较电压控制型有 如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大 设计（论文）用纸 第 8 页 大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易 补偿；纹波比电压控制型小得多。 生产实践表明电流控制型的50w 开关电源的输出纹 波在25mv 左右，远优于电压控制型。 硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350khz 以下，软开关技术是应用谐 振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将 开关频率提高到兆 赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 pwm 变换器和谐振变换器两者的优点， 接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能 元件尺寸、较宽的控制范围 及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以 pwm 技术为 主。 1 1. .1 1. .4 4 元元器器件件的的选选用用 （1)制造质量问题 （2)元器件可靠性问题 电阻在室温下按技术条件进行100测试，剔除不合格品。 普通电容器在室温下按技术条件进行100测试，剔除不合格品。 接插件按技术条件抽样检测各种参数。 （3)设计问题 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。 多采用集成电路，减少分立器件的数目。 开关管选用mosfet 能简化驱动电路，减少损耗。 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。 应选择金属封装、陶瓷封装、 玻璃封装的器件。禁止选用 塑料封装的器件。 集成电路必须是一类品或者是符合milm38510、mils19500 标准b1 以上质量等级的军品。 设计时尽量少用继 电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。 原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。 吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易 升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。 （4)损耗问题 损耗引起的元器件失效取决于工作时间的长短，与工作应力无关。铝电解电容 长期在高频下工作会使电解液逐渐损失，同时容量亦同步下降，当电解液损失 40时， 容量下降20；电解液损失0时，容量下降40，此时电容器芯子已基本干涸， 不能再予使用。为防止发生故障，一般情况下应在图纸上标明铝电解电容器更换的 设计（论文）用纸 第 9 页 时间，到期强迫更换。 1 1. .1 1. .5 5 保保护护电电路路的的设设置置 为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应设置多种保护电路，如防浪涌冲 击、 过压、欠压、过载、短路、过热等保护电路。 1.2 电电磁磁兼兼容容性性(emc)设设计计 开关电源因采用脉冲宽度调制 (pwm)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿 均包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰 (emi)，这是 影响可靠性的不利因素，因而使电磁兼容性成为系统的重要问题。 产生电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元， emc 设计 就是破坏这三个条件中的一个。 良好的布局和布线技术也是控制噪声的一个重要手段。为减少噪声的发生和防 止由噪声导致的误动作，应注意以下几点： 尽量缩小由高频脉冲电流所包围的面积。 缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。 脉冲电流流过的区域远离输入输出 端子，使噪声源和出口分离。 控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易 引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。 必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。 采用多只低esr（等效串联电阻）的电容并联滤波。 采用铜箔进行低感低阻配线。 相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用 垂直交叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角。禁止环形走线。 滤波器的输入和输出线必须分开。禁止将开关电源的输入线和输 出线捆扎在一起。 1.3 安安全全性性设设计计 对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能之一，不安全的产品不但不能 设计（论文）用纸 第 10 页 完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，造成机毁人亡的巨大损失。为保证产 品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容主要是防 止触电和烧伤。 三三防防设设计计 三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。 第第二二章章 开开关关电电源源 2.1 自自激激串串联联调调宽宽式式开开关关电电源源 自激串联调宽式开关电源主要由脉冲变压器，开关管、 rc 定时电路和启动 电路等组成。如图所示。 t1 为脉冲变压器，c1 为滤波电容，vd1 为续流二极管。 该开关电源的脉冲变压器t1 串联在电源输入电压u 与主负载电压+b 电路之中， 同时取样电压直接取自负载两端，开关管串接在输入电路和输出电路之间。 当脉冲调宽电路输出正脉冲时， v1 饱和导通，输入电压u 经v1、t1 给负载rl 供电，同时对c1 充电。在v1 导通时，整流后的直流电流向转换磁能的变压器供电， 将转换的磁能储存在变压器中。 当脉冲调宽电路输出的正脉冲消失之后， v1 截止，u1 不能加到t1 上，此时t1 产生的电动势维持它不变，释放储存的磁能，转变为电流流过 rl，通过续流二极管 vd1 构成回路。 从取样、比较放大和基准电压电路取出一个反映出 +b 电压大小的控制电压，加 到脉宽电路，用来控制脉冲宽度。当 +b 电压增高时，使脉冲变窄， v1 导通时间缩短， +b 电压降低，当+b 电压减小时使脉冲变宽， v1 导通时间增长，+b 电压增大，从而 达到输出稳定的+b 电压的目的。 设计（论文）用纸 第 11 页 脉冲调宽 行逆程脉冲 取样 电路 基准电压 v vd1 t1 c1 +b ui 图2-1 自激串联调宽式开关电源结构图 2.2 串串联联型型开开关关稳稳压压电电源源 2.2.1 基基本本调调整整管管电电路路 稳压管稳压电路，负载电流最大变化范围等于稳压管的最大稳定电流和 最 小稳定电流之差，即（ izm-iz）。 扩大负载电流的最简单方法是：利用晶体管的电流放大作用，将稳压管 稳 定电路的输出电流放大后，再作为负载电流。电路采用射极输出形式，因 而引 入了电压负反馈，可以稳定输出电压。 调整管：晶体管的调节作用使uo稳定，晶体管称为调整管。要使调整管起到调 整作用，必须使它工作在放大状态。 串联稳压电源：由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源。 线性稳压电源：由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。 222 具具有有放放大大环环节节的的串串联联稳稳压压电电路路 1 电路构成 基本调整管稳压电路的输出电压不可调，且输出电压因 ube的变化而变，稳定性 较差。为了使输出电压可调，加深电压负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引 入放大环节。 电路由调整管、基准电压电路、取样电路和比较放大电路组成。 2 稳压原理 设计（论文）用纸 第 12 页 电网电压波动（或负载电阻的变化）使输出电压 uo上升时，取样电压un增大， 由于稳压管的电压uz不变，运放的输入电压unp(=un-up=un-uz)增大，使a 的输出 减小（即调整管的基极电位降低），而使调整管 t 的c-e 压降低增大，从而调节输出 电压uo（=ui-uce）减小。使输出电压得到稳定。 可见，电路是靠引入深度电压负反馈来稳定输出电压。 3 输出电压的可调范围 当电位器r2的滑动端在最上端时，输出电压最小为 （2.-1 ） 当电位器r2的滑动端在最下端时，输出电压最大为 （2- 2） 若r1=r2=r3=300，uz=6v，则输出电压9vuo18v。 4调整管的选择 在串联型稳压电路中，调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证。 调整管一般为大功率管，因而选用原则与功率放大电路中的功放管相同，主要考虑其 极限参数icm、u（br）ceo和pcm 1) icm的选取 调整管中流过的最大集电极电流为 icmax=ilmax+i r1 (2-3) 其中ilmax为负载电流最大额定值， ir1为取样、比较放大和基准环节所消耗的电 流，通常r1上的电流可忽略，所以 icmilmax ( 2-4) 2)击穿电压的选取 当电网电压波动10%时，稳压电路输入电压ui到最大值uimax，同时输出电压 又最低时，调整管承受的管压降最大，所以要求调整管击穿电压为 u（br）ceo uimax -uomin (2-5) 3)功率pcm的选取 调整管可能承受的最大集电极功耗为 pcmax=ucemax icmax=（uimax -uomin）icmax (2-6) 设计（论文）用纸 第 13 页 uimax是考虑到电网电压波动 10%时，稳压电路输入电压的最大值， uomin是输 出电压的最小额定值。所以要求pcm (uimax -uomin)ilmax 2.2.3 串串联联型型稳稳压压电电路路的的方方框框图图 根据分析，实用的串联型稳压电源至少包含调整管、基准电压电路、取样电路和 比放大电路四个部分。 调整管 保护 电路取 样 电 路 比较放大 器 基准电压 电路 u1 u2 2.3 并并联联开开关关稳稳压压电电源源 2.3.1 自自激激并并联联调调频频式式开开关关电电源源工工作作原原理理 激并联调频式开关电源电路如图所示。 v1、v2 构成脉冲调制电路，脉冲变压 器t 的1 端产生感应电动势加到r2、c1、r4 组成的积分电路，将图中正极性矩形 脉 冲变成尖顶向下的尖顶脉冲，到v1 的基极，经v1 放大后，从其集电极输出尖顶 脉 冲向上的脉冲，再加到v1 的基极，从发射极输出。由于发射极的射随作用， v2 发射 极也输出同v1 集电极相同的脉冲波形，该脉冲信号加到开关管的基极，当尖峰 脉冲 出现时，开关管导通，当尖峰脉冲消失时，开关管截止，因此，自激并联调频式开关 电源的电压输出大小也是由开关管导通时间的长短开决定的，而开关管导通时间的长 短有时又尖峰脉冲出现的频率来决定。故称作调频式开关电源。 开关管 v2 t c2 r1 r2 c2 r4 r3 v1 图2-5 自激并联调宽式开关电源工作原理 自激并联调宽式开关电源时目前电视机中应用最多的一种电源，其电路 设计（论文）用纸 第 14 页 如图所示，它时通过在开关电源的输入电路与负载电路之间串人脉冲变压器，将 开关管串联在脉冲变压器的二次侧，利用逆程脉冲触发开关管的基极或栅极，使开关 管的周期斌率不变，通过取样信号来调制开关管的导通和截止时间。 脉冲调宽 取样电路 比较放大 其准电压 行逆程脉冲 t1 vt1 ui c1 rl 图2-6.自激并联调宽式开关电源结构结构图 图中v1 为开关管，t1 为脉冲变压器，c1 为滤波电容，vd1 为续流二极管。rl 为负载，由于该电路没有专门设置振荡器，而是由开关管与脉冲变压器自身构成一个 自激振荡器，产生开关管导通电压，开关管工作后，行扫描电路启动工作，产生行逆 程脉冲，由行逆程脉冲触发开关管，使开关管导通和截止。 该电源采用调宽方式来调制开关管的导通和截止时间，即保持开关管导通和截止 一个周期的总时间不变，而通过调宽电路改变脉冲的宽度，来改变开关管的导通和截 止时间，当开关管导通时，由滤波电容向负载供电。当开关管截止时，由脉冲变压器 储存的磁能向主滤波电容和负载供电。 从图中可以看出，电源中的开关管与脉冲变压器并联在输入电路与负载电路之间， 其取样电压来自负载两端，通过取样电路，从负载电路电压中取出一个反映输出电压 +b 变化规律的控制电压，加到脉冲调宽电路。对开关管在一个周期内的导通 和截止 时间经行调制，通过改变开关管的导通和截止时间，从而使脉冲变压器二次输出稳定 的交流电压. 2.3.2 自自激激并并联联多多路路控控制制式式开开关关电电源源工工作作原原理理 自激并联多路控制式开关电源时目前使用比较广泛且有一定的代表的典型电路 之一。该类开关电源是一种由分立元件组成的多环路控制自激 并联开关电源。它在传统开关电源的基础上进行了技术改进，扩展了使用功能， 可输入90280v 交流电压，输出127396v 的大范围直流电压。 该开关电源在传统开关电源基础上的主要技术改进有以下两点： （1）将传统开关电源中的一路自激振荡系统扩展为二路正反馈电路的自激振 荡 系统。由于采用基极定时的振荡电路利用反馈电压对定时电容充电的电流，限制了维 持饱和导通的开关稳压电源电路的稳压范围只能在 180240v 内变化，因此在电 压低 设计（论文）用纸 第 15 页 于150v 时，整流后的直流电压仅为175v 左右，其反馈绕组产生的感应电动势 也会 降低，在这种情况下，采用调整压控电阻器来增大充电阻值，延长充电时间常数，增 加开关管导通时间，提高占空比，从理论上讲可以使输出电压不变。但实际上，维持 开关管饱和导通的充电电流会使感应电动势降低，充电阻值增加而减小，导致开关管 出现欠饱和导通状态，难以维持输出电压的稳定。 8 vs1 v1 t v2 r c 7 9 图2-7 自激振荡系统 扩展为二路正反馈电路的自激振荡系统如图 2-12 所示，其电路工作原理是：脉 冲变压器t 正反馈 79 绕组输出的反馈脉冲电压分成两路，第一路反馈到大功率开 关 管v1 的b 极，此路为正反馈， v1 的导通时间较短，在电压的上限280 v 时，v1 不 会产生过激。第二路经r 反馈到v2 的b 极。当电压过低时变压器的9 端输出的反馈 脉冲电压幅度也较低，稳压管vs 截止v2 处以正常放大状态，使开关管v1 有足够的 激励脉冲。当电压升高时， t 的9 脚输出的反馈脉冲电压幅度升高，当电压大于 7.5 v（峰-峰值）时，稳压二极管vs 将其钳位在7.5 v，使正反馈电流不再随电压升高 而 不超过峰-峰值7.5v,构成“恒流驱动”电路。 （2）将单一的脉宽控制扩展为pwm 主控制环路和副脉宽控制环路的多环路控 制系统。由于普通开关电源采用一路取样，一般是对负载 -行电路经行取样，反馈后， 实现对开关管的通断经行控制，假若该部分电路出现故障了，导致开关管失控，输出 电压就不会稳定。而多路控制式开关电源一方面采用 pwm 主控制环路对负载电压 经 行控制，另一方面采用副脉宽控制环路对波动较大的副电压经行取样，并对副电压经 行调制，它实际上又构成了开关电源的另一路稳压电源系统。由于 pwm 主控制环路 和副脉宽控制环路同时控制开关电源的输出电压。当电压发生变化引起部分输出电压 不正常时，只要两路控制环路不是同时损坏，开关电源仍能正常工作，使输出电压保 持稳定。 2 2. .3 3. .3 3 并并联联型型开开关关电电源源原原理理及及电电路路图图 设计（论文）用纸 第 16 页 图k-3 是并联型开关电源的最基本电路图 ,q 为开关输出管,t 为脉冲变压器,d 为整流二极管,c 是滤波电容,r 为负载电阻,因开关管q 与输入直流电压e1 并接,所以 属并联型开关电路 , 图2-8 并联型开关电路 脉冲变压器耦合开关电路有正向激励和反向激励两种形式 ,正向激励方式- 开关管导通期间,次级脉冲整流二极管也导通 ,而在截止期间,开关管q 与二极管d 都 截止. 反向激励方式-开关管导通期间d 截止,而q 截止期间d 导通 该电路的工作过程与行输出电路类似 ,开关脉冲信号加至晶体管q 的基极,当输入 脉冲为正时,q 饱和,此时初级线圈上的电压特性为上正下负 ,次级感应电压则是上负 下正,d 反偏截止, 当q 基极输入负脉冲时 ,晶体管q 截止,q 的集电极电位上升为高电平 ,此时t 的次 级感应电压是上正下负 ,d 正向偏置而导通,电容c 充电,取得直流输出电压e0,t 在这 里可看作储能元件 ,当开关晶体管q 导通,但二极管d 截止时,初级线圈储存能量 ,当q 截止时,t 则释放能量,此时二极管d 导通. 这里我们需要说明一个问题 ,当q 截止时,t 的初级电流跃变为零 ,并失去回路,次 级如何有电压输出 ?线圈的电流不是不能跃变的吗 ?这一问题我们可从能量不能跃 变 这一概念来理解,因电感中的能量是以磁能形成存在的 ,一般的电感只有一个绕组 ,而 脉冲变压器有初,次级两个绕组,在开关晶体管q 从导通变为截止时的瞬间 ,初级线圈 电流突变为零,而t 便将能量转移到次级 ,这时二极管导通,次级线圈有感应电流产生 , 感应电流所产生的磁通与转换瞬间前的相同 ,而保持磁通量不变 .输出电压e2 有以下 关系式: e2=e12/1tc/t0,2 和1 是初次级匝数,tc 是晶体管导通时间 ,to 是 截止时间.为此我们可以通过控制tc/to 比使来调输出电压e2 的高低. 下面我们以电路实例来对此种电路加以分析说明 ,图k-4 是一种彩电的实际开关 电源电路. 电路工作过程如下 :开机后,整流滤波电路建立的直流电压e1 经电阻上r302 加至 设计（论文）用纸 第 17 页 q304 基极,随之使q304 导通,产生集电极电流,该电流在初级绕组产生感应电压 ,极性 是8 脚正,1 脚负,在次级绕组9-10 脚形成感应电压使q304 基极电位更正,从而使集电 极电流上升,这是一个正反馈过程使q304 通过进入饱和导通 ,这一线性上升的电流 ,流 过q304 发射极电阻r313 产生相应的线性上升锯齿波电压降 ,此压降经r312 及电容 c310(隔直电容)耦合至q303 基极,与此同时变压器11-12 脚的绕组输出的方波脉冲经 d306 整流,c312 滤波建立了一取样电压en 经r304,vr301,r305 分压加至q301 基极, 使 q301 集电极上保持与其有关的直流电压 ,再经r30 准,r309 分压加至q302 基极,因 此q302 基极加有一直流电压并叠加上锯齿波电压 ,q302,q303 是开关频率控制电路 ,它 工作在两个状态,一是一齐导通,二是一齐截止,在q304 截止期间,t301 的10-9 脚绕组 感应得到的方波脉冲电压是10 脚为正,此电压经d307 整流在c314 上充有电荷.在 q304 导通期间在r313 上的锯齿波电压使 q303 导通后,c314 上的电压加到q304 的基 极与发射极之间,使q 304 趋向截止,q304 截止后导通期间脉冲变压器所储存的能量 通 过次级绕组开始释放 ,经变压器耦合使 d320 导通,c321 滤波输出获得稳定的直流输 出 电压.当次级绕组能量释放至很小时 ,初次级电路均不导通 ,电路处在高阻状态 ,初级绕 组电感与分布电容c 组成的并联谐振电路产生谐振 ,谐振所产生的感应电压经脉冲 变 压器的反馈绕组(10-9 脚)又使q304 基极有正电位而导通 ,从而进入饱和导通状态 ,开 关电路进入下一个新的振荡周期 . 2.4.他他激激并并联联调调宽宽式式开开关关电电源源工工作作原原理理 2.4.1 他他激激并并联联调调宽宽式式开开关关电电源源结结构构 他激并联调宽式开关电源结构如下图所示，由集成块与开关管、脉冲变压器及有 关阻容元件构成。利用检测电路与逻辑运算电路相结合，根据负载的需要形成驱动脉 冲，以补充电能的方法来调整控制脉冲的宽度。 他激并联调宽式开关电源的振荡器有独立的电源供电，产生的开关脉冲经脉宽调 制电路控制放大后去驱动开关管。同时各种保护电路也对振荡器或脉宽调制器进行控 制，电源中的振荡器和控制系统由外设的小电流稳压器供电，电源电压的变化只改变 开关管的开关电压，对其余的电路的工作均无影响。 设计（论文）用纸 第 18 页 保护 振荡器pwm 线路滤波 器 功率放大脉冲放大 整流输出隔离 图2-9 他激并联调宽式开关电源结构图 他激并联调宽式开关电源与自激并联调宽式开关电源的本质区别是启动方式不同。 自激并联调宽式开关电源是利用本身的开关管、脉冲变压器及相关的阻容元件构成的 振荡电路产生开关管的导通电压；他激并联调宽式开关电源是在电路中另设一个振荡 器来产生开关管的导通电压。 由于他激并联调宽式开关电源采用集成电路且另设振荡器，因此其电路复杂，目 前还没有得到广泛的应用。 6.桥式开关电源工作原理 桥式开关电源的结构如同桥式整流电路一样，及采用四只开关管与脉冲变压器及 充电电容连接而成。各开关管在不同时序的激励脉冲调制下轮流导通和截止，不断改 变脉冲变压器的电流方向，从而将脉冲直流电压变成稳定交流电压 2.4.2 零零开开关关准准谐谐振振式式开开关关电电源源工工作作原原理理 零开关准谐振式开关电源是一种新型的开关电源。与传统开关电源不 同的是：传统开关电源的脉冲宽度是直接加到开关管的基极，用脉冲宽度来控制 开关管的导通与截止，而零开关准谐振式开关电源是通过采用频率控制技术改变谐振 电路输出电压的方式控制开关管的导通和截止。即由脉冲变压器和串联在变压器一次 侧的电容组成回路，谐振频率不等于开关脉冲频率，当谐振电流过零时开关管即被截 止。由于是将脉冲宽度直接反馈给谐振回路，使之产生准正玄波，它比传 统的脉宽调 节中的谐波含量明显减小；同时用谐波电流来控制开关管的截止和导通， 使开关管的 截止更加彻底有效地提高了开关电源的稳定性。 零开关准谐振式开关电源已经在背投彩电中应用，该开关电源的应用前景较为 广泛。 1.单相桥式整流电路 单相桥式式整流电路适用与1kw 以下的整流电路中。 完成这一电路主要是靠二极 管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 设计（论文）用纸 第 19 页 （a）桥式整流电路 （b）波形图 图2-10 单相桥式整流电路 a) 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，因为是由四只整 流 二极管d1d4 接成电桥的形式，所以称为桥式整流电路。如图 1（a）所示。 为了更清楚的解释其工作原理，我将桥式整流电路的输出直接接一个负载。在分 析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根 据图1（a）的电路图可知： 当正半周时，二极管d1、d3导通，在负载电阻上得到正弦波 的正半周。电流由tr 次级上端经d1 rl d3 回到tr 次级下 端，在负载rl 上得到一半波整流电压。 如图4 当负半周时，二极管d2、d4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。 电流由 tr 次级的下端经d2 rl d4 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一 个 方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图 1（b）。 设计（论文）用纸 第 20 页 参数计算 根据图1（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压 等效。输出平均电压为 : （2-7） 流过负载的平均电流为 : （2-8） 流过二极管的平均电流为 : （2-9） 二极管所承受的最大反向电压 （2-10） 二级管的选择应主要考虑以上两个因素。在这次设计中，我选用的是二级管 in4004。 2 电容滤波电路 滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器c对直流开 路，对交流阻抗小，所以c应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可保留直流 分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系 数，改善了直流电压的质量。 (a) 电容滤波电路结构 现结合单相桥式整流和电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图 2 所示，在 负载电阻上并联了一个滤波电容c。 设计（论文）用纸 第 21 页 图2-11 电容滤波电路 (b) 滤波原理 若v2处于正半周，二极管d1、d3导通，变压器次端电压v2给电容器c充电。此 时c相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。 当v2到达t=/2 时，开始下降。先假设二极管关断，电容c就要以指数规律向 负载l放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过t=/2 时，正弦曲线下降 的速率很慢。所以刚过t=/2 时二极管仍然导通。在超过t=/2 后的某个点，正 弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所 以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，vi=vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管 关断，vi=vo按指数曲线下降，放电时间常数为rlc。电容滤波过程见图3。 设计（论文）用纸 第 22 页 图2-12 电容滤波电路波形 (c) 外特性 整流滤波电路中，输出直流电压vo随负载电流io的变化关系曲线如图4 所示。 图2-13 电容滤波外特性曲线 (d) 电容滤波电路参数的计算 负载平均电压vl升高，纹波减少，且rlc 越大，电容放电速率越慢，则负载电 压 中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取： （ 2-11） 在本设计中，我采用ad250v 的100f 电容。 电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。一般常采用以下 近似估算法： rlc =（35） 的条件下，近似认为vo=1.2v2。 2.5 目目前前抑抑制制干干扰扰的的几几种种措措施施 形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而 ,抑制电磁干扰也 应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源 ,直接消除干扰原因 ;其次是消除干扰源和 受扰设备之间的耦合和辐射 ,切断电磁干扰的传播途径（见图2）;第三是提高受扰设 设计（论文）用纸 第 23 页 备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断 电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，它们确是行之有效的办法。常用的方法是屏 蔽、接地和滤波。 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。例如 ,功率开关管和输 出二极管通常有较大的功率损耗 ,为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底 板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘 ,这就使器件与底板和散热器之 间产生了分布电容 ,开关电源的底板是交流电源的地线 ,因而通过器件与底板之间的分 布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰 ,解决这个问题的办法是采用两层 绝缘片之间夹一层屏蔽片 ,并把屏蔽片接到直流地上 ,割断了射频干扰向输入电网传播 的途径。为了抑制开关电源产生的辐射 ,电磁干扰对其他电子设备的影响 ,可完全按照 对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩 ,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体 ,就 能对电磁场进行有效的屏蔽。电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例 如,静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰 ;电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地 , 但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓 “负静电屏蔽”效应,所以仍以接 地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与