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东北大学硕士学 位论文摘要 新型比例控制放大器的研究 摘要 电液比例控制技术是流体传动与控制技术中最富生命力的一个分 支，它充分利用了液压控制与电气控制的长处，即液压传递的功率大、 响应快和电气信号处理运算方便、灵活并且可以对被控液压参数的大 小进行电气遥控和无级转换的优点，使其在最近的十年内获得了迅猛 的发展，其应用 已经渗透到几乎所有的工业部门。比例控制放大器作 为电液比例控制系统的重要组成单元，其功能是对比例电磁铁或其它 的电一 机械转换器提供特定性能的电流，使比例阀输出的流量或压力连 续成比例地受到控制的电子装置。电液比例控制技术之所以能广泛应 用在机电一体化和工程设备中，比例控制放大器的灵活性起到了至关 重要的作用，所以研究开发新型比例控制放大器对于促进电液比例控 制技术的发展具有重要意义。 本论文在充分比较和研究了模拟式放大器和低频开关式放大器的 优缺点后，提出了一种新的方案，即采用高频脉宽调制技术，不仅从 理论上分析了它的可行性，还通过具体的设计计算和实验证实了它的 优越性 。 本文较详细的规划了新型比例放大器的组成，对各单元电路进行 了深入的理论研究和设计计算，主要包括精密开关稳压电源、斜坡发 生器、p i d调节器、电流放大器、功率放大器、反馈检测电路、过流保 护和断路检测电路等。除了使用 p r o t e i 9 9软件对各部分的单元电路进 行仿真，还进行了大量的实验检测，在实验中不断的改进和完善，最 终完成了新型比例放大器的设计制作，经测试实现了比例放大器的功 能要求，达到了良好的线性度。设计中大量采用新的集成器件，如单 片开关电源、v mo s功率管等，不仅大量简化了电路，而且提高了控 制系统的稳定性和可靠性。 关键词比例控制p wm开关电源高频变压v mo s管 i i 东 北大学硕士学位论文 t h e re s e a r c h o f a ne w abs tract 一 s t y l e p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a m p l i f i e r ab s t r a c t e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n i q u e i s o n e o f t h e b e s t fl o u r i s h i n g e m b r a n c h m e n t i n fl u i d d r i v e a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y . i t m a k e s s u f f i c i e n t u s e o f g o o d q u a l i t i e s i n h y d r a u l i c p r e s s u r e c o n t r o l a n d e l e c t r i c i t y c o n t r o l . t h e s e g o o d q u a l i t i e s i n c l u d e t h a t fl u i d d r i v e s b i g p o w e r a n d w h i c h h a s f a s t r e s p o n s e t i m e a n d i t i s v e r y c o n v e n i e n t a n d fl e x i b l e t o d e a l w i t h e l e c t r i c s i g n a l , m o r e o v e r t h e e l e c t r i c s i g n a l c a n c o n t r o l l o n g - r a n g e a n d s w i t c h s t e p l e s s l y t h e v a l u e o f h y d r a u l i c p r e s s u r e p a r a me t e r s . t h e r e f o r e , e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y h a s a c h i e v e d s w i f t a n d v i o l e n t d e v e l o p m e n t , w h i c h i s a l m o s t a p p l i e d i n a l l i n d u s t r y f i e l d s . b y w a y o f i m p o r t a n t c o m p o s i n g p a r t , t h e f u n c t i o n o f p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a m p l i f i e r i s t o p r o v i d e g i v e n c a p a b i l i t y c u r r e n t f o r p r o p o r t i o n a l e l e c t r o ma g n e t i c m a g n e t o r e l e c t r i c i t y - ma c h i n e s w i t c h i n g e q u i p me n t s . t h e r e a s o n f o r e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y e x e r t i n g w i d e l y i n e n g i n e e r i n g e q u i p me n t s , t h e a g i l i t y o f p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a m p l i f i e r t a k e s i m p o r t a n t a c t i o n i n i t . s o i t i s v e r y s i g n i f i c a n t t o e x p l o i t n e w - s t y l e p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a mp l i f i e r t o a c c e l e r a t e t h e d e v e l o p me n t o f e l e c t r o 一 h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y b a s i n g o n a b u n d a n t c o m p a r i n g a n d a n a l y s i s t h e s t r o n g p o i n t a n d d i s a d v a n t a g e s o f m o c k p r o p o r t i o n a l a m p l i f i e r a n d l o w f r e q u e n c y s w i t c h i n g p r o p o r t i o n a l a m p l i f i e r , l e t t e r p r e s s b r o u g h t f o r w a r d a n e w b l u e p r i n t , v i z . a d o p t e d h i g h f r e q u e n c y p u l s e w i d t h m o d u l a t i n g t e c h n o l o g y , w h i c h i s n o t o n l y a n a l y z e d r a t i o n a l i z a t i o n i n t h e o r y b u t a l s o p r o v e d p r e p o n d e r a n c e b y d e s i g n i n g , a c c o u n t i n g a n d e x p e r i me n t s . t h e p a p e r m a r k e d o u t t h e c o m p o s i n g o f n e w - s t y l e p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a mp l i f i e r d e t a i l e d l y , i n v e s t i g a t e d , d e s i g n e d a n d a c c o u n t e d 。 i i i 。 东 北大学硕士学位论文a b s t r a c t e a c h c e l l c i r c u i t , ma i n l y i n c l u d i n g e x a c t s w i t c h i n g p o w e r s u p p l y , s l o p e g e n e r a t i n g c i r c u i t , p i d a d j u s t e r , c u r r e n t a mp l i f y i n g c i r c u i t , p o w e r a m p l i f y i n g c i r c u i t , f e e d b a c k i n s p e c t i o n c i r c u i t , p r o t e c t i n g c i r c u i t a n d o p e n c i r c u i t i n s p e c t i o n c i r c u i t , e t c . b e s i d e s a n a l y z i n g e a c h c e l l c i r c u i t b y p r o t e l 9 9 , i c a r r i e d t h r o u g h a m a s s o f e x p e r i me n t s . b y c o n s t a n t l y b e t t e r m e n t a n d c o n s u mma t i n g , t h e n e w - s t y l e p r o p o r t i o n a l c o n t r o l l a b l e a m p l i f i e r h a d b e e n d e s i g n e d a n d c r a n k e d o u t . i t s a t i s f i e d f u n c t i o n a l r e q u i r e me n t a n d a d o p t e d p l e n t i f u l s w i t c h i n g p o w e r o b t a i n e d g o o d ma n i p u l a t i v e p r e c i s i o n . i n d e s i g n i n g i m e w p a r t s o f a n a p p a r a t u s , s u c h a s s i n g l e c h i p s u p p l y , p r e d i g e s t e d c i r c u i t b u t a l s o s y s t e m v mo s t r a n s i s t o r , e t c , w h i c h n o t o n l y i m p r o v e d s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f c o n t r o l ke y w o r d s p r o p o r t i o n a l c o n t r o l , p o w e r s u p p l y , h i g h t r a n s i s t o r p u l s e wi d t h f r e q u e n c y mo d u l a t i n g , t r a n s f o r ma t i o n s wi t c h i n g vm os w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 勒 4 日期: 7 0 0 5, 2 , 7 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以 将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名 签字日期: 7 1 05 : 郑仁 铃 、 l , 了 8 1 导师签名 签字日期: 御 : 洲于 l 东北大学 硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪 论 1 . 1 选题的目的与意义 电液比例控制技术是连结微电子技术和大功率工程控制设备之间 的桥梁，兼备了电气和液压的双重优势，形成了颇具特色的技术分支， 成为现代控制 工程 的基本技术构成之一 。它与传统 的 电液伺服技术相 比，具有可靠、节能、维护方便且成本低廉等明显优点，己经在航天、 航空和军事工程领域及民用工业部门取得了广泛的应用。比例控制放 大器作为电液比例控制系统的重要组成单元，其功能是对比例电磁铁 或其它的电一 机械转换器提供特定性能的电流，使比例阀输出的流量或 压力连续成比例地受到控制的电子装置。电液比例控制技术之所以能 广泛应用在机电一体化和工程设备中，比例控制放大器的灵活性起到 了至关重要的作用，所以研究开发新型比例控制放大器对于促进电液 比例控制技术的发展具有重要意义 。 本课题是以鞍山电磁阀有限责任公司的实际合作项目为背景，在 它们生产的两位开关电磁阀的基础上研究开发一种通径为 5 0 m m 的常 温常压伺服电磁阀，本文主要对比例控制放大器部分进行了深入的理 论研究，设计开发了一种新型的比例控制放大器，控制比例电磁阀。 1 . 2 电液比例技术的发展概况 流体传动具有很悠久的历史，但是，作为现代 电液控制技术只需 追溯到二次大战时期。当时出于军事的需要，1 9 4 0年底在飞机上首先 出现了电液伺服系统。广义上讲，电液伺服控制也是一种比例控制技 术。这样比例技术就可以认为是从伺服的出现就诞生了。伺服阀的输 出量正比于输入的控制电压或电流，它是电气和液压的接口元件。伺 服技术在 5 0 年代己日臻完善。 由于伺服阀的快速响应及高的控制精度， 以其明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中广泛应用， 但人们也很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求 十分严格，控制损失较大，使伺服技术的应用受到了很大的限制。在 1 东北大学 硕士学位论文第一章绪论 第一章 绪 论 1 . 1 选题的目的与意义 电液比例控制技术是连结微电子技术和大功率工程控制设备之间 的桥梁，兼备了电气和液压的双重优势，形成了颇具特色的技术分支， 成为现代控制 工程 的基本技术构成之一 。它与传统 的 电液伺服技术相 比，具有可靠、节能、维护方便且成本低廉等明显优点，己经在航天、 航空和军事工程领域及民用工业部门取得了广泛的应用。比例控制放 大器作为电液比例控制系统的重要组成单元，其功能是对比例电磁铁 或其它的电一 机械转换器提供特定性能的电流，使比例阀输出的流量或 压力连续成比例地受到控制的电子装置。电液比例控制技术之所以能 广泛应用在机电一体化和工程设备中，比例控制放大器的灵活性起到 了至关重要的作用，所以研究开发新型比例控制放大器对于促进电液 比例控制技术的发展具有重要意义 。 本课题是以鞍山电磁阀有限责任公司的实际合作项目为背景，在 它们生产的两位开关电磁阀的基础上研究开发一种通径为 5 0 m m 的常 温常压伺服电磁阀，本文主要对比例控制放大器部分进行了深入的理 论研究，设计开发了一种新型的比例控制放大器，控制比例电磁阀。 1 . 2 电液比例技术的发展概况 流体传动具有很悠久的历史，但是，作为现代 电液控制技术只需 追溯到二次大战时期。当时出于军事的需要，1 9 4 0年底在飞机上首先 出现了电液伺服系统。广义上讲，电液伺服控制也是一种比例控制技 术。这样比例技术就可以认为是从伺服的出现就诞生了。伺服阀的输 出量正比于输入的控制电压或电流，它是电气和液压的接口元件。伺 服技术在 5 0 年代己日臻完善。 由于伺服阀的快速响应及高的控制精度， 以其明显的技术优势，迅速在高精度、快速响应的领域中广泛应用， 但人们也很快发现，由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求 十分严格，控制损失较大，使伺服技术的应用受到了很大的限制。在 1 东 北大学硕士学位论文 很多的工业应用场合， 高的控制精度 或响应性 第一章绪论 要求有一般高质量的控制手段，却并不要求太 。现代 工 业的 迅猛 发展 ，要 求 发展 一种 廉 价 、 节能、维护方便、适应大功率控制及有一定的控制精度的电液比例控 制技术。现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价 的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了可靠的条件。 在此条件下，自6 0年代以来，为降低比例控制技术的成本，现代 意义下的比例技术从两个方面发展起来:一方面是在高性能的伺服阀 的基础上发展了工业伺服技术，其特点是适当的简化伺服阀的结构， 降低它的制造精度，增大电一 机械转换器的输出功率水平和改善阀的抗 污染性能，这虽然降低了制造成本，但因其结构复杂，价格仍然十分 可观，使它的应用仍受到限制;另一方面在普通的液压阀的基础上， 采用廉价而可靠的比例电磁铁或普通开关式电磁铁，并相应地改进了 阀内的设计和引入了各种内反馈控制，从而出现了一种价廉的，耐污 染与一般工业阀相同，性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。 自6 0 年代后期，比例技术的发展大致可以划分为三个阶段: 从 1 9 6 7年瑞士布林格尔公司生产 k l比例复合阀起， 到 7 0年代初 日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利为止，是比例技术的 诞 生时期 ，这一阶段仅 仅是将 比例 电磁铁用于 工业液压 阀以代 替开关 电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计准则几乎没有什么变化，大 多不含受控参数的反馈闭环，比例元件的工作频宽仅在 1 - 5 h z 之间， 稳压滞环在 4 - 7 %之间，多用于开环控制。 七十年代后期到八十年代初，比例技术的发展进入了第二阶段。 采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例 放大器在技术上也日趋成熟。比例元件的工作频宽已达 5 - 1 5 h z 之间， 稳压滞环在 3 %左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被 用于闭环控制。 八十年代以来，比例技术的发展进入了第三阶段，比例元件的设 计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电 校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提 高。另一项重大进展是，比例技术开始和插装阀相结合，己开发出各 种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了 8 0 年代电液比 例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液 2 东北大学硕士学位论文 一体化的比例元件， 第一章绪论 电液比例技术逐步形成了 8 0年代的集成化趋势。 除了模拟式的电液比例元件外，人们也注重于开发出各种数字式的比 例元件。数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重要的分支。 现在的比例阀已有些是把传感器、 测量放大器、 控制放大器和阀复 合在一起的机电一体化的元件，使得结构更紧凑，性能进一步提高。 这种结构有许多优于其它系统的优点。由于电子装置直接装在阀体上， 减小了插件和导线，从整体看更简洁，对使用者的要求也更简单。未 来的阀可能带有储存器和具有智能，具有 自动检测和报警功能。只要 接受简单的指令，阀就能完成一系列的工作。 表 1 . 1 列出了电液伺服元件、比例元件和开关元件的性能对比。由 表可见，比例元件对介质清洁无特殊要求，制造成本低廉，能量损失 低，稳态和动态控制特性足以满足大部分工程控制的要求。由于比例 阀具有上述众多优点，因此它获得了远比伺服阀更为广泛的工业应用。 表 1 . 1 电液伺服、比例和开关元件的性能对比 t a b l e l . 1 t h e c a p a b i l i t y c o n t r a s t o f s e r v o p r o p o r t i o n a n d s w i t c h i n g c o m p o n e n t 俞 澄 伺 服 阀比例 阀数字阀开关阀 介质过滤精度 ( w m) 525 252 5 阀内压力降 ( mp a ) 7 0. 5 -20 . 5 - 20. 2 5 0 . 5 稳定滞环 ( %) 0. 1 - - 0. 5 1 -3 重复精度 ( %) 0. 5 -10. 5 -1 0. 1 频宽 ( h z / 一 3 d b) 20 -2001 0 -70 51 0以一 下 中位死区 无有有 有 价格 比 1 03 -5 31 1 . 3 ， . 3 . ， 电液比例控制系统 电液比例控制系统的组成 典型的电液比例控制系统如图 1 . 1 所示。 图中虚线所示为可能实现 的检测与反馈。包括了外反馈回路控制系统的才称为闭环控制系统， 不包含外反馈的称为开环控制系统。如果存在比例阀本身的内反馈， 3 东北大学硕士学位论文 一体化的比例元件， 第一章绪论 电液比例技术逐步形成了 8 0年代的集成化趋势。 除了模拟式的电液比例元件外，人们也注重于开发出各种数字式的比 例元件。数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重要的分支。 现在的比例阀已有些是把传感器、 测量放大器、 控制放大器和阀复 合在一起的机电一体化的元件，使得结构更紧凑，性能进一步提高。 这种结构有许多优于其它系统的优点。由于电子装置直接装在阀体上， 减小了插件和导线，从整体看更简洁，对使用者的要求也更简单。未 来的阀可能带有储存器和具有智能，具有 自动检测和报警功能。只要 接受简单的指令，阀就能完成一系列的工作。 表 1 . 1 列出了电液伺服元件、比例元件和开关元件的性能对比。由 表可见，比例元件对介质清洁无特殊要求，制造成本低廉，能量损失 低，稳态和动态控制特性足以满足大部分工程控制的要求。由于比例 阀具有上述众多优点，因此它获得了远比伺服阀更为广泛的工业应用。 表 1 . 1 电液伺服、比例和开关元件的性能对比 t a b l e l . 1 t h e c a p a b i l i t y c o n t r a s t o f s e r v o p r o p o r t i o n a n d s w i t c h i n g c o m p o n e n t 俞 澄 伺 服 阀比例 阀数字阀开关阀 介质过滤精度 ( w m) 525 252 5 阀内压力降 ( mp a ) 7 0. 5 -20 . 5 - 20. 2 5 0 . 5 稳定滞环 ( %) 0. 1 - - 0. 5 1 -3 重复精度 ( %) 0. 5 -10. 5 -1 则 : = 兀 / 几( 2 . 1 ) 。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章 新型比例放大器的 组成和原理 图 2 . 3所示就是一个用比较器构成的脉宽调制器， 其载波信号为线性锯 齿波，其工作波形如图 2 . 4所示。 图 23 脉宽调制器原理图 f i g 2 . 3 t h e p r i n c i p l e f i g u r e o f p u l s e w i d t h m o d u l a t o r 从图2 . 4可以看出，随着u的增大，: 也增大。当u= k时，r = 1 0 0 %; 当u= 0 时，r = 0 。所以，当ue 0 v 时，可以实现 0 - 1 0 0 %的占空比 凋节。从图2 . 4还可以进一步证明，当ue 0k 时， r 二 叨 v , ( 2 . 2) 式 ( 2 . 1 )与式 ( 2 . 2 )比较得 ( 2 . 3 ) 从 v， t in ? 几 u . u r 图 2 . 4 p wm波形图 f i g 2 . 4 t h e w a v e f i g u r e o f p wm 可见， 图 2 . 3 所示的脉宽调制器能够把模拟输入电压u转换成脉宽 与u 成正比 而幅值恒定的调制信号u p 。 但这里的u ， 还只是一个电 压信 号，要想用它控制比例电磁铁的负荷，还必须经功率放大。图2 . 5 所示 。1 4。 东北大学硕士学位论文 为一个脉宽调制放大器的原理简图 第二章新型比例放大器的组成和原理 图 2 . 5 脉宽调制放大器的原理简图 f i g .2 . 5 t h e p r i n c i p l e s k e t c h o f p wm a mp l i f i e r 图 2 . 5中模拟输入信号u经调制后形成占空比: 与u成线性的方波 信号u p , u ， 经理想功率开关管后， 在比 例电 磁铁线圈上形成一波形与 u ， 相同 但波幅发生变化的信号u . u , 用富氏 级数展开式表示成: u d = u d + 艺u , c o s ( 2 n n f t + (d w ) ( 2 . 4) 可见u , 中包含有交流成分工作时调定脉宽调制器的周期远远小于比 例电磁铁的动态响应时间， 即使 p wm 的工作频率远远大于比例电磁铁 的响应频率，于是u q 中的高次谐波的影响可以忽略，所以，比例电磁 铁上的电压u 、 取决于恒定分量u * 的值，而 u ,o 一 六 r u ,， 一 tu ., ( 2 . 5 ) 式中u ， 一一比例电磁铁上的脉宽调制信号幅值 比例电磁铁线圈回路的电压平衡方程为: u _ 一 l ,r _ + l 些十 k巫 丝 d td t ( 2 . 6) 式中:1 、 一一比例电磁铁线圈电流 ( a ) x ( t ) 一一比例电磁铁衔铁位移 ( m) l , 、 r 二 一一比例电磁铁线圈的电感 ( h )和内阻 ( b 2 ) 1 5 东北大学硕士学位论文第二章 新型比例放大器的组成和原理 k 。 一一速度影响系数 ( v .s / m ) 分析时略去速度项d s ( t ) / d t 的影响，这样由式 ( 2 . 5 )及 ( 2 . 6 )得 ru , 一 er s + l , 鲁 ( 2 . 7) 解此 微 分方程 得 i , = u ._ _ r i r - 二+te ，( 2 . 8) 把式 ( 2 . 2 )代人上式可进一步得到 1 ,， 一 u 典 + c e 气r , 会 ( 2 . 9) 式中的c是由初始条件决定的常数。考虑到这里的初始时间指的是u j 的每一上升时刻和下降时刻， 于是， i d 由稳态量u u ., v ,. r ., _ r i 和波动量c e两 部分组成 ，稳态量 与 u成线性关系 ，波动量实际上就是 比例 电磁铁所 需的颤振信号。 可见， 图 2 . 5的放大器可以基本满足比例放大器的要求。 1 6 东北大学硕士学位论文第三章开关稳压电源的设计理论 第三章 开关稳压电源的设计理论 3 . 1开关电源的特点 电源是电子设备的核心部分，其质量的好坏直接影响着电子设备 的可靠性，而且电子设备的故障 6 0 % 来 自于电源，因此，电源越来越受 到人们的重视。本项目中电液比例控制系统的电一 机械转换器是直流比 例电磁铁，根据它的参数和工作特点，放大器需提供给电磁铁的额定 电压为直流 2 4 v 士1 0 % ，所以控制放大器的电源部分必须设计一个电源 变换单元，把 2 2 0 v , 5 0 h : 的交流电换化为 2 4 v的直流电压。当电网电 压、负载电流和环境温度在允许范围内变化时，它应提供符合放大器 要求的稳定 电压 。 现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两 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 压电源的变换效率低， 一般只有 3 5 % - 6 0 % ; 开关稳压电源的调整管工作 在开关状态，变换效率高，可达 7 0 % - 9 5 % ，被誉为高效节能电源，代表 了稳压电源的发展方向。因此，目前空间技术、计算机、通信、雷达、 电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。 开关稳压电源的优越性主要表现在以下几个方面: ( 1 )功耗小由于调整管工作在开关状态，损耗小，电子设备内 温升低，因此不需要采用大散热器，周围元件也不会因长期工作在高 温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。 ( 2 )体积小、重量轻开关稳压电源可将电网电压输入的交流电 直接整流滤波，再通过高频变压器获得各种不同的交流电压，这样就 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 的体积缩小，重量减轻。 ( 3 )稳压范围宽当开关稳压电源输入的交流电压在 1 5 0 - 2 5 0 v范 围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在 2 % 以下。 1 7 东北大学硕士学位论文第三章开关稳压电源的设计理论 第三章 开关稳压电源的设计理论 3 . 1开关电源的特点 电源是电子设备的核心部分，其质量的好坏直接影响着电子设备 的可靠性，而且电子设备的故障 6 0 % 来 自于电源，因此，电源越来越受 到人们的重视。本项目中电液比例控制系统的电一 机械转换器是直流比 例电磁铁，根据它的参数和工作特点，放大器需提供给电磁铁的额定 电压为直流 2 4 v 士1 0 % ，所以控制放大器的电源部分必须设计一个电源 变换单元，把 2 2 0 v , 5 0 h : 的交流电换化为 2 4 v的直流电压。当电网电 压、负载电流和环境温度在允许范围内变化时，它应提供符合放大器 要求的稳定 电压 。 现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两 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 压电源的变换效率低， 一般只有 3 5 % - 6 0 % ; 开关稳压电源的调整管工作 在开关状态，变换效率高，可达 7 0 % - 9 5 % ，被誉为高效节能电源，代表 了稳压电源的发展方向。因此，目前空间技术、计算机、通信、雷达、 电视及家用电器中的稳压电源逐步被开关电源所取代。 开关稳压电源的优越性主要表现在以下几个方面: ( 1 )功耗小由于调整管工作在开关状态，损耗小，电子设备内 温升低，因此不需要采用大散热器，周围元件也不会因长期工作在高 温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。 ( 2 )体积小、重量轻开关稳压电源可将电网电压输入的交流电 直接整流滤波，再通过高频变压器获得各种不同的交流电压，这样就 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 的体积缩小，重量减轻。 ( 3 )稳压范围宽当开关稳压电源输入的交流电压在 1 5 0 - 2 5 0 v范 围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在 2 % 以下。 1 7 第三章开关稳压电源的设计理论东北大学硕士学 位论文 而 且在输 入 电压 发 生变 化 时 始终能保持稳压电路的高效率，因此， 开关稳压 电源 能适用 于 电网电压波动 比较大的地 区。 ( 4 )安全可靠开关稳压电路一般有 自动保护电路。当稳压电路、 高压 电路 功 能灵敏 负载电路等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护 可 靠 。 3 . 2开关电源的发展概况 开关电源的发展 已有几十年的历史，早期的产品开关频率很低， 成本昂贵， 仅用于卫星电源等少数领域。 2 0 世纪 6 0年代出现了晶闸管 相位控制式开关电源，7 0年代由分立元件制成的各种开关电源，均因 效率不够高、开关频率低、调试因难而难于推广，使之应用受到了限 制。7 0年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开 关电源专用芯片大量问世，这种新型节能开关电源才重新获得了发展。 近 2 0多年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展:对开关电 源的核心单元一一控制电路实现集成化。1 9 7 7年国外首先研制成 p w m 控制器集成电路， 美国m o t o r o l a 公司、 s i l i c o n g e n e r a l 公司, u n i t r o d e 公司等相继推出一批 p w m芯片，典型产品有 m c 3 5 2 0 , s g 3 5 2 4 , u c 3 8 4 2 a 9 0年代 以来 ，国外又研制 出开关频率达 1 m h : 的高速 p w m ( 脉冲宽度调 制) 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产品如 u c 1 8 2 5 , u c 1 8 6 4 。这样， 开关电源的设计可以使用控制电路与功率 m o s f e t相分立的拓扑结构， 但这种方案开发周期长，成本高，系统可靠性低。对中、小功率开 关电源实现单片集成化，就是把自启动电路、功率 m o s f e t , p w m控制 电路以及保护电路集成在一起构成单片开关电源。它具有高集成度、 高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压 器的隔离式开关电源等优点。目前，单片开关电源已形成了十大系列、 1 0 0多种型号的产品。 1 9 9 4年，美国电源集成公司 ( p o w e r i n t e g r a t i o n s i n c ，简称 p i 公司或 p o w e r公司)在世界上率先研制成功了三端隔离式脉宽调制型 单片开关 电源 ，被誉为 “ 顶级开关 电源 ” ，它属于 a c / d c电源变换器 。 1 8 第三章开关稳压电源的设计理论东北大学硕士学 位论文 而 且在输 入 电压 发 生变 化 时 始终能保持稳压电路的高效率，因此， 开关稳压 电源 能适用 于 电网电压波动 比较大的地 区。 ( 4 )安全可靠开关稳压电路一般有 自动保护电路。当稳压电路、 高压 电路 功 能灵敏 负载电路等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护 可 靠 。 3 . 2开关电源的发展概况 开关电源的发展 已有几十年的历史，早期的产品开关频率很低， 成本昂贵， 仅用于卫星电源等少数领域。 2 0 世纪 6 0年代出现了晶闸管 相位控制式开关电源，7 0年代由分立元件制成的各种开关电源，均因 效率不够高、开关频率低、调试因难而难于推广，使之应用受到了限 制。7 0年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开 关电源专用芯片大量问世，这种新型节能开关电源才重新获得了发展。 近 2 0多年来，集成开关电源沿着两个方向不断发展:对开关电 源的核心单元一一控制电路实现集成化。1 9 7 7年国外首先研制成 p w m 控制器集成电路， 美国m o t o r o l a 公司、 s i l i c o n g e n e r a l 公司, u n i t r o d e 公司等相继推出一批 p w m芯片，典型产品有 m c 3 5 2 0 , s g 3 5 2 4 , u c 3 8 4 2 a 9 0年代 以来 ，国外又研制 出开关频率达 1 m h : 的高速 p w m ( 脉冲宽度调 制) 、p f m ( 脉冲频率调制) 芯片，典型产品如 u c 1 8 2 5 , u c 1 8 6 4 。这样， 开关电源的设计可以使用控制电路与功率 m o s f e t相分立的拓扑结构， 但这种方案开发周期长，成本高，系统可靠性低。对中、小功率开 关电源实现单片集成化，就是把自启动电路、功率 m o s f e t , p w m控制 电路以及保护电路集成在一起构成单片开关电源。它具有高集成度、 高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压 器的隔离式开关电源等优点。目前，单片开关电源已形成了十大系列、 1 0 0多种型号的产品。 1 9 9 4年，美国电源集成公司 ( p o w e r i n t e g r a t i o n s i n c ，简称 p i 公司或 p o w e r公司)在世界上率先研制成功了三端隔离式脉宽调制型 单片开关 电源 ，被誉为 “ 顶级开关 电源 ” ，它属于 a c / d c电源变换器 。 1 8 东 e 大学硕士学 位论文第三章开关稳压电源的 设计理论 其第一代产品为1 9 9 4 年问世的t o p s w i t c l 而t h r e e t e r m i n a l o f 不石丽 p w m s w i t c h )器件，以 t o p 1 0 0 / 2 0 0系列为代表，t o p 1 0 0系列型号为 t o p 1 0 0 y - t o p 1 0 4 y , t o p 2 0 0系列型号为 t o p 2 0 0 y - t o p 2 0 4 y , t o p 2 1 4 y和 t o p 2 0 9 / 2 1 0 ;第二代产品则是 1 9 9 7年问世的 t o p s w i t c h - i i