电力电子设备辅助开关电源

SHANDONG毕业设计说明书电力电子设备辅助开关电源学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 朱孔山 学 号： 0812105719 指导教师： 王健 20 12 年 6月摘要摘 要随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源以广泛应用到计算机、邮电通信、工业加工和航空航天等各个领域。因此人们对开关电源的研究和设计也倍加关注，迫切需要系统技术的突破和实用性较强的学习资料。但是尽管开关电源的电路可以随意变化，但它的基本的构成却大致相同。总体电路中主要包括一次侧外围电路（其中包括输入端保护电路、输入整流滤波器和钳位保护电路等）、主控制芯片（PWM控制器或单片开关电源集成电路）、高频变压器、二次侧输出电路、反馈电路及各种保护电路等。本文是以脉宽调制控制器为核心设计两输出直流电压的电力电子设备辅助开关电源，在介绍了辅助开关电源基本原理与构成的基础上，将辅助开关电源划分为几个基本的单元电路，然后依次阐述辅助开关电源一次侧外围电路的设计、高频变压器的设计、二次侧输出电路及反馈电路、保护电路的设计，然后介绍整机总电路设计。本文就辅助开关电源设计的内容分成了三大部分：第一部分，主要阐述辅助开关电源中主电路的设计，包括了输入整流滤波器的设计、高频变压器的设计、输出整流滤波器的设计及其各部分相关的保护电路。首先就是对主电路有一个明确的框架，其次是对其中各电路组成元器件的参数进行确切的计算。第二部分就是对控制电路的设计，包括PWM控制器的设计和反馈电路的设计及其其中包括的相关保护电路的设计和元器件参数的计算。第三部分就整机而言，对其进行相关的过压保护、过热保护、过电流保护等相关的保护电路的设计。关键字:开关电源 高频变压器 PWM控制器 保护电路ABSTRACTAbstractWith the rapid development of power electronic technique, high frequency switching power supply has been employed in many fields, such as computer, post and telecommunication, industrial processing and aviation. Therefore, the switching power supply research and design draw much attention. The breakthrough of system techniques and the helpful research materials that are of strong practical utility have been the pressing problem. However, the circuits of switching power supply share the almost same structures, although they can be changed randomly. The general circuit includes the outside circuit on primary side (protective circuit of input, rectifier filter of input and the clamping protection circuit included), the key control chip (PWM controller or the integrated circuit of single chip-switching supply), high frequency transformer, output circuit of the second side, feed-back circuit and other protection circuits.In this paper, auxiliary switch power supply of power electronic devices with two direct voltage-outputs whose core is PWM controller is designed. The basic principle and topology of auxiliary switch power supply are introduced, and then it is divided to several basic units for specific research, outside circuits design on the first side, high frequency transformer design, output and feed-back circuit on the second side, and the protection circuits design for instance. There are three main sections in this paper, and the first is the main circuit design. A clear frame of main circuit and the accurate calculations of all the device parameters are the two points in this section. Then the control circuit design is consisted of PWM controller and feed-back design, the relevant protection circuit design and the device parameters calculations. The last but not the least, the protection design for the complete device is proposed, including the relevant overvoltage protection, thermal protection and the over-current protection.Keywords: switching power supply, high frequency transformer, PWM controller, protection circuit.目录目 录摘要ABSTRACT目录第一章 引言11.1课题的背景和意义11.2国内外研究现状21.3本文的主要研究内容3第二章 电力电子设备辅助开关电源的原理42.1辅助开关电源的基本原理42.2辅助开关电源的基本结构42.3开关电源的主要特点7第三章 电力电子设备辅助开关电源主电路的设计93.1反激变换器93.1.1反激变换器的概述93.1.2反激变换器的原理103.1.3反激变换器相关参数的计算113.2电磁干扰（EMI）滤波器133.2.1电磁干扰滤波器的基本电路133.2.2 EMI滤波器的主要参数153.3辅助开关电源输入整流滤波电路的设计163.3.1输入整流桥的选择163.3.2整流桥的参数选择173.3.3输入滤波电容器的选择183.4功率开关管的选择203.4.1开关管选择203.4.2漏极钳位保护电路的设计213.5输出整流滤波电路213.5.1输出整流管的选择213.5.2输出滤波电容器的计算22第四章 电力电子设备辅助开关反馈电路的设计254.1电压反馈电路254.2 TL494控制芯片26第五章电力电子设备辅助开关电源保护电路的设计295.1辅助开关电源保护电路的分类295.2输入保护电路315.2.1保护电路描述315.2.2熔丝管315.2.3压敏电阻器335.3开关电源的过热保护电路35结论38参考文献39致谢40附录41- 8 -第一章 引言第一章 引言1.1课题的背景和意义随着现代电力电子技术的迅速发展，辅助开关电源已经广泛应用到了计算机、邮电通信、工业加工和航空航天等各行业领域，同时电力电子设备也与人们工作和生活的关系日益密切。因此人们对开关电源的研究和设计逐渐的加大关注，迫切需要系统技术上的突破和实用性较强的学习资料。目前电力电子设备辅助电源大多采用多个独立的线性电源分别为控制电路、保护电路、检测电路及驱动电路供电，传统的线性电源虽然具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可靠等多项优点，但是它所用到的变压器往往需要庞大的体积，而且其中的调整管都是工作在线性放大状态的，这就导致了电源功耗大、效率低、发热严重的众多的弊端。不但如此,实际运行时每个驱动电路必须单独用一个线性电源供电，以防止驱动信号之间发生相互干扰。当线性电源输出短路时，电源自身就不能得到保护，因而线性电源很容易损坏，相对于多路输出一体化的辅助开关电源其成本相对较高。而开关电源是相对我们所用的线性电源而言的，它输入的是交流电，在输入端将交流电转变成直流电，再通过功率开关管的斩波作用，通过控制电流的通断而形成高频的脉冲电流，最后在高频电压器和输出滤波电路的作用下输出稳定的低压直流电。开关电源采用的是功率管来作为开关器件，功率开关管实际工作时是工作在开关状态的，所以它的损耗较小。另外，由于变压器的磁芯大小和它工作时的频率平方成反比关系，即频率越高时铁芯就越小，这样就可以有效的减小变压器的体积和重量，继而减小功率损耗。因此，开关电源具有功耗低、体积小等优点。另外，由于功耗低，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。因此研发一种安全、可靠、经济、实用的新型辅助电源具有十分重要的地位,也是人们需要迫切解决的任务。纵观电源的发展，随着辅助开关电源的高频化、模块化、数字化等方面的逐步实现，标志着开关电源技术的成熟，实现了用电中高效率和高品质的结合。最近几年随着通信行业、航空航天事业的发展，以开关电源技术为核心的各领域用开关电源，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源相对线性电源和相控电源的优势是显而易见的，未来可能替代后者并将很快发展起来。通过对开关的大力研究与普及，不仅在实际应用效率上有了巨大的进步，而且在能源紧缺的今天，其功耗低、节能高的特点显得至关重要。同样，还有其他许多以电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待人们去开发。1.2国内外研究现状纵观开关电源发展历程，从20世纪50年代开始研发出开关电源到20世纪80年代计算机全面实现了开关电源化，继而20世纪90年代开关电源在电子、电气设备以及家电领域得到广泛的应用，开关电源技术进入快速发展阶段，在半个世纪的发展中，开关电源已经基本取代了传统技术上的相控稳压电源，并且广泛的应用到了电子整机设备中。目前，随着单片开关电源集成电路的应用，开关电源正朝着小、轻、薄的方向发展。从近20多年的发展来看，集成开关电源主要朝着两个方向不断地发展：一是控制电路的集成化，1977年国外首发研究成功了脉宽调制（PWM）控制器的集成电路，相继各大知名电子公司又推出了一系列的PWM芯片，其基本原理大同小异，只是在于频率高低、速度大小上有显著区别。近来国外又研究出频率高达1MHz的高速PWM芯片。第二个方向是中小功率开关电源实现单片集成化。随着国内外相继推出许多系列产品，目前单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源从问世以来便显示了强大的生命力，其作为一项颇有发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。这主要是单片开关电源的优点所因，单片开关电源具有很多特点，主要体现于高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等等，现已成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初期发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内开关电源模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产产品多代替。由于开关电源较优于线性电源，故在现代电子系统中应用越来越广泛。但开关电源由于理论复杂，设计过程需要较多的实践经验，设计过程往往会遇到很多关键问题难以克服，一些关键环节的设计好坏往往决定着一个电源能否可靠的工作，但这些环节的理论却往往不够系统化或者与实际应用脱节，导致开关电源设计成为一大难题。影响一个开关电源是否能稳定可靠的工作的关键技术包括：高频变压器的设计、反馈回路的稳定性、电磁干扰和电磁兼容性等技术。对于这些关键问题的应用研究，将有利于设计出一个稳定的开关电源，从而为电力电子设备提供可靠的供电系统；同时电磁干扰和电磁兼容性的研究，将有利于减小电源对其他电子设备的干扰。开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具与效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。1.3本文的主要研究内容通过对开关电源的认识和学习，了解了开关电源的现状和研究意义。从而在前者的研究基础上设计电力电子辅助开关电源。本文以脉宽调制控制器为核心设计两输出直流电压的辅助开关电源，在介绍开关电源基本原理与构成的基础上，将开关电源划分为若干个基本单元电路，依次阐述开关电源一次侧外围电路的设计、高频变压器的设计、二次侧输出电路及反馈电路的设计，然后介绍整机电路设计。本文的结构和研究内容如下：第一章熟悉课题的背景和研究意义，了解辅助开关电源在当今的国内外研究现状，并简单概括本文的设计内容和主要结构。第二章主要介绍辅助开关电源的原理和相关的工作方式的介绍第三章对电力电子设备辅助开关电源的主电路进行设计第四章对电力电子设备辅助开关电源的控制电路和反馈电路进行设计第五章对电力电子设备辅助开关电源的相关保护电路进行设计第二章 电力电子设备辅助开关电源的原理第二章 电力电子设备辅助开关电源的原理2.1辅助开关电源的基本原理从工作方式上来看，辅助开关电源有四种类型，分别是：脉冲宽度调制（PWM）方式、脉冲频率调制（PFM）方式、脉冲密度调制（PDM）方式和混合调制式。这四种方式都各自具有自己的特点和具体应用范围.在这里，我们采用的是利用脉冲宽度调制（PWM）的方式来实现开关电源的设计。它的特点在于以开关周期为恒定值，通过调节脉冲的宽度来改变占空比,从而实现稳压的目的。其中辅助开关电源的核心部分是脉宽调制控制器。脉宽调制式开关电源的应用在目前来看是最为普遍的，其电路结构比较固定且相对简单，电路中的各电路参数容易实现。其突出优点在于占空比调节的范围比较大，而且PWM还可以和主系统的时钟保持同步。2.2辅助开关电源的基本结构辅助开关电源的电路一般比较复杂，但是基本的构成是比较固定的。辅助开关电源的基本结构如图2-1所示。图2-1 开关电源的基本原理总体电路主要包括以下几个部分：输入整流滤波器，其中包括从交流输入电到输入整流滤波器的电路；功率开关管（VT）和高频变压器（T），这部分主要就是对输入波形进行斩波和降压。控制电路（PWM变换器），在这我们用的是TL494控制芯片，控制电路包括振荡器、基准电压、误差放大器和PWM比较器等组成电路，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；输出整流滤波器；对高压变频器上的输出电路进行滤波整流，使输出规定的直流电压反馈电路，在这里我们用到的是电压反馈。除了五大部分主要电路外，还需要增加偏置电路、钳位电路、保护电路等。其中，PWM控制器是整个辅助开关电源的核心部分。我们在这里是利用脉宽调制设计开关电源，脉宽调制式开关电源的工作原理如图2-2所示图2-2 脉宽调制式开关电源的工作原理图脉宽调制式辅助开关电源的工作过程大致就是：交流电压首先经过输入整流滤波电路变成直流电压，直流电压然后再经过功率开关管VT、高频变压器T分别进行斩波和降压，得到高频的矩形波电压，最后再通过输出整流滤波器整流滤波后得到所需的直流输出电压。其中，脉宽调制控制器能产生频率固定但脉冲宽度可调的驱动信号来控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低；锯齿波发生器主要用于提供时钟信号，利用时钟信号来达到稳定电压的目的。反馈电路是利用取样电阻、误差放大器和PWM比较器形成的闭环调节系统。输出电压首先经过取样电阻取样后，将取样电压送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压进行比较，得到误差电压，再用误差电压的幅度去控制脉宽调制比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使保持不变。需要指出一点，取样电压一般是连接在误差放大器的反相输入端，但有的情况也需要将取样电压连接在同相输入端，这需要根据误差放大器另一端输入锯齿波电压的极性来决定。一般情况下如果另一端输入的锯齿波电压时正极性的，那么取样电压就应该连接在反相输入端，如果输入的锯齿波电压是负极性的，取样电压此时就连接在同相输入端。一般我们大多数都采用的前者。我们假设经输入整流滤波电路后输出的直流电压为，开关式稳压器的效率是，占空比用表示，那么功率管（VT）的脉冲幅度为.从而我们就可得到 （2-1）通过上式可看出，当、不变时，通过改变占空比的大小就可以改变输出电压的大小，这就是脉宽调制式辅助开关电源的工作原理。假如输出电压由于某种原因升高时，那么取样电压就会升高，使误差电压减小，那么占空比减小，输出电压减小以抵消输出电压的升高，反之亦然，这样就达到了自动稳定输出电压的作用。2.3开关电源的主要特点与线性电源相比，虽然开关电源的设计过程相对比较复杂，某些性能指标甚至还不如线性电源，而且噪声较大，但是开关电源的突出的优势就在于电源效率、体积和重量方面得到最大的完善，相对开关电源是绝对的优势，尤其是构成大功率稳压电源时，在相同的输出功率条件下其体积比线性电压大为减小，成本也显著降低。开关电源之所以称为低损耗电源，是由于它本身消耗的能量很低。开关电源所用的集成电路可以分为两种：单端或双端输出式PWM控制器；PFM控制器。二者均可构成无工频变压器的开关电源。由于它们实现电压转换和电网隔离时采用的是体积很小的高频变压器，因此就省掉了那些体积笨重的工频变压器，因而体积和重量方面相对线性电源大为减小。目前，开关电源的工作频率已从20kHz提高到几百千赫，甚至1MHz以上，电源效率亦随之提高。同时，输出功率的范围也扩大，包含了小功率、中功率甚至大功率的各个功率段。不过，开关电源也具有较为突出的缺点，它的缺点体现在输出电压的稳定性较差，输出纹波及噪声较大，不适合制作精密稳压电源。开关电源的效率一般在70%至85%之间，最高的时候能达到90%。即使配置上后置线性稳压器构成的复合式稳压电源，它的效率仍然可以达到60%以上。而大多数线性电源的效率仅仅只能达到30%至40%。相比之下开关电源的效率有了较大的提升。另外，开关电源在某种原因断电后，输出电压的保持时间要比线性电源的长，这是由于线性电源一般采用的是低压输入滤波电容器，而开关电源采用的是耐压为200V至400V的高压输入滤波电容器，所存储的电荷比线性电源的多，这是因为与成正比的原因（为输入直流电压），因此断电后开关电源持续供电的时间较长。当然，辅助开关电源还存在着缺陷，开关电源的不足之处在于电压调整率和负载调整率指标较差，当负载变化时，其瞬态响应时间较长，。另外，开关电源的输出纹波电压和噪声电压较高，容易形成对外部的电磁干扰。第三章 电力电子设备辅助开关电源主电路的设计第三章 电力电子设备辅助开关电源主电路的设计3.1反激变换器3.1.1反激变换器的概述从目前的所有变换器中，除了boost变换器和输出电压反向型变换器外，所有实际应用到的变换器都是在开关管导通时将能量输送到负载的。本章主要讨论的内容是利用反激变换器来实现开关电源的设计。反激变换器相对其他变换器而言，在反激拓扑中，当开关管导通时，变压器就会储存能量，负载电流就由输出滤波电容提供；而当开关管关断时，变压器将储存的能量再传送到负载和输出滤波电容上，用来补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量.反激变换器的优点主要体现在它不需要输出滤波电感，这一点在多输出电源中对减小变换器的体积、降低成本显得特别重要。另外，在电气上反激变换器具有电路拓扑简捷、输入输出电气隔离、电压升/降范围宽、易于多路输出等多种优点，因此是机内辅助开关电源运用普遍且较为理想的电路拓扑。反激变换器的拓扑如图3-1所示。图3-1 反激变换器的电路拓扑其中有一点，反激变换器功率开关在关断时漏感储能引起的电压尖峰必须用钳位电路加以抑制，在这我们采用的是RCD钳位保护电路，具体如上图3-1所示。3.1.2反激变换器的原理RCD钳位反激变换器的电路拓扑如图3-1-1所示，当功率开关VS关断时，储能变压器T上的漏感能量转移到钳位电容C中，并在消耗在电阻R上。这样功率开关VS关断电压尖峰就得到了有效的抑制。但是，钳位电路不同参数对反激变换器的性能会产生不同的影响。当R、C值不同时，钳位电容电压波形如图3-2所示图3-2 不同R、C值时钳位电容电压波形 由电压波形可知，C取值较大时，C上的电压会缓慢上升，次级反激过冲小，变压器初级能量就不能迅速的传递到次级；如果R、C值取得合适，C上电压会在开关管截止瞬间升上去，然后二极管VD截止，电容C会通过电阻R来放电，到功率管开通瞬间，电容C上的电压接近（N1/N2）U0；如果R、C取值较小时，C上的电压会在开关管截止瞬间升上去，然后由于RC时间常数小，C上的电压会迅速放电到（N1/N2）U0值。这个时候RCD钳位电路就等效于反激变换器的死负载，消耗存储在变压器中的能量，效率会降低。3.1.3反激变换器相关参数的计算（1） 变压器相关参数的计算 一次绕组的电感量L1高频变压器一次绕组的电感量L1可由下式确定 （3-1） 式中变压器初级输入的最小直流电压 开关周期 输出功率 变换效率 设满载时的峰值电流为Ip，在进行短路保护时的过载电流为Is，则 （3-2） （3-3） 计算空气隙 为防止高频变压器发生磁饱和现象而损坏开关功率管，需要在磁心的两个侧面各留出一定的空气隙。假设磁场集中于气隙处而未向外部泄露，则 （3-4）式中铁芯工作磁感应强度铁芯截面积最小输出功率与额定输出功率之比 一次绕组的匝数N1 初级绕组的匝数由下式确定 （3-5）初、次级边绕组匝数比为 （3-6）式中 输出整流二极管压降 次级绕组N2的输出电压同理可求得其他匝数比（2） 钳位电路相关参数计算 当功率管截止时，漏感能量就等于钳位电容C上吸收的能量，则： （3-7）式中 变压器漏感 初级电感电流峰值最大漏源电压 电容C初始电压输入直流电压钳位电容C上的电压只是在功率管关断的一瞬间升上去的，然后应该一直处于放电状态。在功率管开通之前，钳位电容C上的电压不能低（N1/N2）U0。否则二极管VD导通，RCD钳位电路将成为该变换器的死负载。钳位电阻R应满足 （ （3-8）钳位二极管VD的电压应为Ui+（N1/N2）U0，峰值电流为初级电感峰值电流I1p。尽管如此，反激变换器也是具有缺点的。它的缺点主要有两个方面。一是它具有较大的输出电压尖峰。当功率管导通结束后，初级就会流过很高的电流其值为初级峰值与匝数比的乘积，这个电流随后会线性下降。但是大多数情况下变换器的输出电压低而输入电压很高，这就造成了很大的匝数比和很高的次级电流。通常电源技术是以有效值或者峰-峰基值来规定输出电压纹波要求的，由于这种高尖峰的有效值很小，所以如果选用大容量的输出滤波电容，电流就完全能满足有效值纹波要求，但是电源就会输出很大的尖峰电压，这样容易对电路造成危害。因此，通常实际应用中需要在反激变换器的主储能电容后面加上小型的LC滤波器，L、C的值很小，这样就可以有效的滤除宽度很小的尖峰。另一个缺点是它需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容。3.2电磁干扰（EMI）滤波器现代电子设备、计算机和各种家用电器中，电磁干扰是无法避免且危害日益严重的一个问题，由于这种干扰常常会导致电力电子设备无法正常运行，尤其是瞬态的电磁干扰，其电压幅度高、上升速度快、持续时间短且随机性很强，这就很容易就会对数字电路产生危害。因此消除电磁干扰隐患是人们高度重视的一个问题。3.2.1电磁干扰滤波器的基本电路从形成的特点来讲，电磁干扰可分为串模干扰和共模干扰两种。串模干扰通常情况下是两条电源线之间的干扰，而共模干扰则是两条电源线对地面的干扰。所以电磁干扰滤波器应该符合电磁兼容性的要求，不但要将从交流电源线上引入的外部电磁干扰滤除，还应能够避免本身设备向外部发出电磁干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常运行。除此之外，我们通常用到的电磁干扰滤波器应该对串模干扰和共模干扰都起到抑制的作用。电磁干扰滤波器也称为电源噪声滤波器，是近年来被推广应用的一种组合的器件，它能够有效的抑制产生于电网的噪声，从而达到有效提高电子设备的抗干扰能力及系统的可能性。因此电磁干扰滤波器被广泛应用于各种电子领域，比如开关电源、电子测量仪器、计算机机房设备等。EMI滤波器主要是由电容器、电感等基本元件组成的，其优点在于结构简单，成本低廉，便于推广应用。EMI滤波器的基本电路如图3-3所示。图3-3 EMI滤波器的基本电路从图中可看出：该组合器件具有五个端口，分别为两个输入端、两个输出端和一个接地端，正常使用时外壳应该接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容器C1C4。共模电感L对串模干扰不起作用，但是当电路中出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合总的电感量会迅速增大，因此对于共模信号，共模电感就会呈现很大的感抗，使其不易通过，故称为共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在铁氧体磁环上，该磁环的特点就是低损耗、高导磁率。当通过共模电流时，两个线圈上产生的磁场就会互相增强。其中，L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，详细见表3-1所示额定电流136101215电感量范围8-232-40.4-0.80.2-0.30.1-0.150.0-0.08 表3-1 电感量范围与额定电流的关系需要指出的是，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也应相应增大，以保证能承受较大的电流。除此之外，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。 和采用薄膜电容器，容量范围大致在0.01-0.47F，主要是用来滤除串模干扰信号。和跨接在输出端，并将电容器的中点连通大地，能有效地抑制共模干扰。和的容量范围为2200pF-0.1F。为减少漏电流，电容器不宜超过0.1F。-耐压值均为630VDC或250VAC。3.2.2 EMI滤波器的主要参数EMI滤波器的主要技术参数有：额定电压，额定电流，绝缘电阻，漏电流，直流电阻，测试电压，使用温度范围，工作温升（），插入损耗（），外形尺寸，重量。上述参数中最重要的是插入损耗（也称为插入衰减），它是评价EMI滤波器性能优劣的重要指标。插入损耗（）表示插入EMI滤波器前后负载上噪声电压的对数比，并且用表示，分贝值越大，表明能够抑制噪声干扰的能力愈强。设EMI滤波器插入前后传输到负载上噪声电压分别是、，且。在某一频率下计算插入损耗的公式为 （3-9）计算EMI滤波器对地漏电流的公式为 （3-10）其中，为漏电流；是电网频率。以图（EMI基本电路）为例，=50Hz，=+=4400pF，是、上的压降，亦即输出端对地电压，可取220V/2=110V。由上公式不难算出，此时漏电流=0.15mA。和若选择4700pF，则=4700pF2=9400pF，=0.32mA。显然，漏电流与成正比。对漏电流的要求愈小愈好，这样安全性高，一般应为几百微安至几毫安。需要指出，额定电流还与环境温度有关。例如国外有的生产厂家就给出了下述经验公式 （3-11）其中，为40时的额定电流。例如，当=50时，=0.88；而当=25时，=1.15.这表明，额定电流值随温度的降低而增大，这是由于散热条件改善的缘故；反之亦然。3.3辅助开关电源输入整流滤波电路的设计3.3.1输入整流桥的选择全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有四个引出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再通过输入滤波电容得到直流高压。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180，但由于滤波电容器的作用，仅在接近交流峰值电压处得很短时间内，才有输入电流经过整流桥对充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间3ms，其导通角仅为54（导通范围是63117）。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图3-4和图3-5所示图3-4桥式整流滤波电路图3-5整流滤波电压及整流电流的波形3.3.2整流桥的参数选择整流桥的主要参数有反响峰值电压、正向压降、平均整流电流、正向峰值浪涌电流、最大反向漏电流。整流桥的反向击穿电压应满足下式要求 （3-12）设输入有效值电流是，整流桥额定的有效值电流为，应使2 计算的公式如下 （3-13）其中，为开关电源的输出功率；为电源效率；为交流输入电压的最小值；cos为开关电源的功率因数，允许cos=0.50.7.由于整流桥实际通过的不是正弦波电流，而是窄脉冲电流，因此整流桥的平均整流电流,一般可按=（0.60.7）来计算值。3.3.3输入滤波电容器的选择为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量必须选得合适。令每单位输出功率(W)所需输入滤波电容器容量（uF）的比例系数为，当交流电压=85265V时，应取=（23）uF/W；当交流电压=230V（115%）时，应取=1uF/W。输入滤波电容器容量的选择方法见表3-2，为开关电源的输出功率。u（V）Uimin（V）Po（W）k（F/W）C1（F）110（115%）902-32-3（2-3）Po值85-265902-32-3（2-3）Po值230（115%）24011Po值表3-2 输入滤波电容器容量的选择方法输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。值选得过低，会使值大大降低，而输入脉动电压却升高。但值取得过高，会增加电容器成本，而且对于提高值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算准确值的方法。 设交流电压的最小值为。经过桥式整流和滤波，在=情况下的输入电压波形如图3-6所示。该图是在=，=50Hz、整流桥的导通时间=3ms、=80%的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值上还叠加一个幅度为的一次侧脉动电压，这是在充放电过程中形成的。若获得的准确值可按下式进行计算 （3-14）图3-6 交流电压为最小值时的输入电压波形3.4功率开关管的选择3.4.1开关管选择对单片开关电源或开关稳压器而言，功率开关管集成在芯片内部。但使用脉宽调制（PWM）器构成开关电源时，就必须选择功率开关管。开关电源中使用的功率开关管主要有两种类型：一种为双极型功率开关管，它属于双极型晶体管（BJT），因其输出功率大，故最早称作巨型晶体管，现在主要指大功率晶体管；另一种为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。此外还有绝缘栅双极型晶体管（IGBT），主要应用于交流变频器、逆变器等电气设备及电磁炉中。在这里我们主要用的是MOSFET功率开关管。MOSFET功率开关管与双极型功率开关管相比较，其优点主要体现在开通时间短，适应于开关频率为100kHz1MHz的PWM控制器；其次是它采用的是电压驱动，不需要静态的驱动电流；可靠性比较高，并且可避免二次击穿的现象；最后一点就是它的通态电阻小，损耗低。MOSFET属于绝缘栅型场效应管。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化碳硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。MOSFET管有N沟道管和P沟道管两种类型，符号如图3-7所示。MOSFET功率开关管一般采用的是N沟道管，因在相同情况下N沟道管的通态电阻要比P沟道管的小。 图3-7 MOS场效应管的符号MOSFET功率开关管的直流参数主要有漏极电流、漏-源击穿电压、；漏-源通态电阻、漏极功耗。交流参事有开启时间、关断时间、输入电容、输出电容等。在损耗方面，开关电源中的MOSFET管主要包括两种损耗：导通损耗和开关损耗。其中导通损耗就是MOSFET完全导通时漏-源通态电阻上的损耗，而开关损耗是MOSFET管在导通和截止交替时的功率损耗。3.4.2漏极钳位保护电路的设计对反激式开关电源而言，当MOSFET功率管有导通变成截止的时候，在开关电源的一次绕组上就会产生感应电压和尖峰电压。尖峰电压的产生是由于高频变压器中存在着漏感，它和直流高压与感应电压叠加在MOSFET管的漏极上，就很容易对MOSFET管产生损坏，因此有必要增加漏极钳位保护电路，对尖峰电压进行钳位。 漏极钳位保护电路的设计方案很多， 我们主要采用的是由阻容吸收元件、TVS和阻塞二极管构成的R、C、TVS、VD型钳位电路，电路图如图3-8所示。图3-8 漏极钳位保护电路 需要指出的是阻塞二极管在这里一般采用的是快恢复或超快恢复二极管，这能够充分发挥TVS响应速度极快、可承受瞬态高能量脉冲的优点，并且还增加了RC吸收回路。3.5输出整流滤波电路3.5.1输出整流管的选择开关电源的输出整流管一般用到的是快恢复或超快恢复二极管和肖特基二极管这两种。主要原因在于它们良好的特性。它们具有开关特性好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小等优点。在这里我们采用的是快恢复或超快恢复二极管。首先了解一下快恢复二极管的结构特点。快恢复二极管和普通二极管在内部结构上存在着很大的差异，主要是它增加了一个基区I，构成了P-I-N硅片。但是由于基层I很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大啊降低了值，还降低了瞬态正向电压，使二极管能承受很高的反向工作电压。快恢复二极管的反向恢复时间一般是几百纳秒，正向压降约为0.6V，正向电流从几安至几千安，反向峰值电压可达到几百至几千伏。超快恢复二极管是在快恢复二极管的基础上更近一层研制的，它的反向恢复电荷进一步减小，值可降低到几十纳秒。超快恢复二极管在开关电源中的典型应用如图3-9所示。图3-9 超快恢复二极管在开关电源中的典型应用3.5.2输出滤波电容器的计算滤波电容是开关电源中起着非常重要的作用，合理选择滤波电容是设计开关电源重要的一步。首先介绍下输出滤波电容的高频特性，理想电容器可以看做是纯电容器，它的阻抗随着频率的升高而降低。阻抗的表达式为 （3-15）实际电容器中不仅包含一个纯电容器C和漏电阻R，还有两个比较重要的参数，一个是等效串联电阻，它表示与理想电容器相串联的等效电阻值，这个电阻值反映的是滤波电容器的特性；还有一个是等效串联电感，它表示与理想电容器相串联的等效电感值。由于漏电阻R的阻值一般很高，对C的并联作用可以忽略不计，所以得到实际电容器的总阻为 （3-16） 其中，X为电抗，实际电容器的等效电路如图3-10所示图3-10 实际电容器的等效电路开关频率一般为几十至几百千赫兹，输出滤波电容器应该采用高频电解电容器，它的自谐振频率可超过10MHz。当电容呈容性时，利用输出滤波电容器可降低开关电源的输出纹波电压。隔离室开关电源的约为输出电压的1%2%，即=（1%2%）U0，一般为几十毫伏至几百毫伏。开关稳压器的输出纹波电压较小，约为输出电压的0.2%0.5%，一般情况下只有10mV至几十毫伏。输出滤波电容器上的纹波电流估算公式为 =（0.20.4） （3-17）具体比例系数要根据输出滤波器的结构而定。选用输出滤波电容器时的注意事项： 电解电容器的极性不可以接反。滤波电容器的接地端应该尽可能的靠近二次侧返回端。 电解电容器使用时应保证降额使用，一般情况下耐压值应该为实际工作电压的1.21.5倍。 虽说滤波电容器的容量越大越好，但是在实际应用时滤波器的容量太大并不会显著的改善它的滤波效果。这是由于漏电阻随容量的增大而增大，等效串联电阻和等效串联电感也会相应的增加。 选择容量较小的输出电容器就会使输出纹波电压增大，但是这可以通过采用等效串联电阻非常小的电容器来进行补偿，最终仍可以达到减小输出纹波电压的目的。 电解电容器的使用寿命与环境温度、纹波电流等因素有关。纹波电流越大且环境温度越高时使用寿命就越短。 为了进一步的降低等效串联电阻，还可以将几只相同容量的等效串联电阻的电解电容器进行并联使用，代替大容量的电解电容器，这样不仅可以有效降低等效串联电阻，还能降低等效串联电感。 为了减小输出噪声，我们还可以在电解电容器上再并联一只0.010.1F的小电容。- 25 -第四章 电力电子设备辅助开关电源反馈电路的设计第四章 电力电子设备辅助开关电源反馈电路的设计4.1电压反馈电路辅助开关电源有两种控制类型，一种是电压控制，另一种是电流控制。二者各自有优缺点，在这里我们采用的电压控制型来设计开关电源的反馈电路。电压控制型开关电源的基本原理和工作波形如图4-1所示图4-1 电压控制型开关电源的基本原理电压控制型开关电源的主要特点是通过对输出电压进行取样（必要时需要增加取样电阻分压器），得到取样电压后，将取样电压作为控制环路的输入信号；然后将取样电压和基准电压进行比较，并将比较的结果送入误差放大器而得到误差电压，最后将误差电压送到PWM比较器和锯齿波电压进行比较，从而获得脉冲宽度和误差电压成正比的调制信号。上图中的振荡器有两路输出，一路输出的是时钟信号，另一路输出的是锯齿波信号。是锯齿波振荡器的定时电容。T为高频变压器，VT是功率开关管。电压控制型的开关电源的优点主要体现在以下几个方面：（1） 它属于闭环控制系统，而且只有一个电压反馈回路，也就是电压控制环，总体电路设计比较简单。（2） 电压控制型开关电源在调制过程中工作稳定。（3） 输出阻抗低，可以采用多路电源同时给同一个负载供电。电压控制型开关电源同样也存在着一些缺点：（1） 电压控制型的响应速度比较慢。在电压控制型电路中虽然使用了电流检测电阻，但是该电阻并没有接入控制环路中。因此当输入电压发生变化时，必须等输出电压发生变化之后才能对脉冲宽度进行调节。由于滤波电路存在滞后时间，输出电压的变化要经过多个周期后才能体现出来。因此电压控制型开关电源的响应时间较长，使得输出电压稳定性也受到一定的影响。（2） 电压控制型开关电源需要另外设计过电流保护电路。（3） 电压控制型中的控制回路的相位补偿较复杂，闭环增益随输入电压而变化。4.2 TL494控制芯片另外，在这里我们就机内辅助开关电源设计采用的控制芯片是TL494芯片，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了