毕业设计（论文）-实验室开关电源设计.doc

河南科技学院2008 届本科毕业论文（设计） 论文题目：实验室开关电源设计学生姓名： 张宇飞所在院系： 机电学院所学专业： 电气工程及其自动化导师姓名： 田泽正完成时间：2012年 5月 8 日摘 要目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。现在多数直流电子负载均由标准电源供电，但标准电源电压未必能够满足微处理器，电机、LED，以及其它的负载所需电压，尤其是这个电源电压是不稳定的。由电池供电的设备就是反应这个问题最好的例子：在日常使用中，标准LI离子或者NIMH电池的电压要么太高，要么太低，或者是在使用放电中，电压下降过多。 用开关电源来实现DCDC能量转换，是目前流行的选择，有时候甚至是必要的选择。考虑到种类繁多的电子设备对直流电压的需求也是多样的，因此，设计者需要把标准的电源电压转换成负载所需要的电压。电压转换必须是一个通用高效并且可靠的过程。 本文设计了一款开关电源，对电源的结构和主要电路作了详细的讨论。本电源设计采用全桥整流电路，全桥逆变电路，桥式可逆变斩波电路及全波可控整流电路。其脉宽调制波产生芯片选用的是KA7500B。 关键词：KA7500B，开关电源，全桥逆变电路AbstractCurrently, switching power supply to small, Light volume and the characteristics of high efficiency has been widely used in electronic computer-driven variety of terminal equipment, Communications equipment almost all electronic equipment, the electronic information industry indispensable to the rapid development of a power mode. The majority of electronic DC loads are supplied from standard power sources. Unfortunately, standard source voltages may not match the levels required by microprocessors, motors, LEDS, or other loads, especially when the source voltage is not regulated. Battery-powered devices are prime examples of the problem: the typical voltage of a standard Li+ cell or NIMH stack is either too high/low or drops too far during discharge to be used in conventional applications. Switch-mode power supplies are a popular and sometimes necessary choice for DC-DC power conversion. Considering the multiple DC voltage levels required by many electronic devices, designers need a way to convert standard power-source potentials into the voltages dictated by the load. Voltage conversion must be a versatile, efficient, reliable process. This paper introduces a kind of the design of switching power supply ,the structure of the main circuit and the control circuit are discussed and analyzed in detailThe power supply use Full-Bridge Converter, Single-Phase Full-Bridge Inverter， Bridge Reversible Chopper and Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier. The PWM controller is KA7500B Keywords：KA7500B, Switching Power Supply, Full-Bridge Inverter 目 录第1章 绪论11.1 课题背景及研究的意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究的意义11.2 本文的研究内容1第2章 开关电源简介22.1 概述22.2 开关电源的分类32.3 开关电源的技术追求和发展趋势3第3章 开关稳压电源的基本原理43.1 开关电源的基本工作原理43.2 开关电源的调制方式53.2.1 脉冲宽度调制方式（PWM-Pulse Width Modulation）53.2.2 脉冲频率调制方式（PFM-Pulse Frequency Modulation）63.2.3 脉宽脉频调制方式73.2.4 脉冲幅度调制方式（PAM-Pulse Amplitude Modulation）73.3 占空比（Duty Cycle）83.3.1 占空比及其定义83.3.2 占空比变化的几种情况93.4 开关电源的滤波电路103.5 开关电源的保护电路103.5.1开关电源保护电路的设计原则113.5.2 整机保护措施113.5.3 开关电源各种保护电路11第4章 脉冲宽度调制器KA7500B174.1 KA7500B芯片简介174.2 PWM 的产生18第5章 开关稳压电源设计整机工作原理分析185.1 简述185.2 滤波整流电路195.3 振荡电路195.4 逆变电路215.5 直流斩波电路225.6 保护电路23结论24附录：25流程图：26各路输出波形图：26致谢27参考文献2735 1 绪论1.1 课题背景及研究的意义 1.1.1 课题背景 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，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 1.1.2 课题研究的意义 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。1.2 本文的研究内容设计一款开关稳压电源，要求：直流恒流源最大输出电压为30V，电流大于300mA，电流从0开始由多圈电位器顺时针旋到最大输出；整个直流恒流源为开关型电源，而非模拟型电源，以使效率达到最大；单相交流输入为220V，要有保护措施，短路保护及保险丝等也要有负载短路保护，并且可用现有直流电流表显示当前电流值。 2 开关电源简介2.1 概述开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。其中尤以脉冲宽度调制型（PWM）最为盛行，现在就着重介绍一下此种形式的开关电源。 采用PWM技术的开关电源从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，余者称为控制回路。 工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。 控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压脉冲宽度转换电路（VW电路）、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。 对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经VW电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因（负载电流减小或电网电压上升）使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，VW电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小。接近原来的数值，从而实现稳压的作用。 开关电源的主要特点是使调节部件（调整管）工作在“开”或“关”两种状态下，换一句话说就是工作在“全通”或“全断”的两种状态下。所谓的“开” 就是使调整管工作在饱和导通状态（相当于机械开关“接通”一样），管子的电压降很小，所以调整管自身损耗也很小；所谓的“关”就是使调整管工作在截止状态下（相当于机械开关“断开”一样），电流为零，所以管耗也为零。开关稳压电源效率之所以高，其主要原因之一就是调整管工作在开关状态。2.2 开关电源的分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。以下开关电源的分类详细阐述。（一）按控制方式：脉冲调制变换器：驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。谐振式变换器：驱动波形为正弦波。又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。（二）按电压转换形式：1AC/DC：一次电源。即整流电源。2DC/DC：二次电源。1)Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。2)Boost：升压斩波器，入出极性相同。3)Buck-Boost：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。4)Cuk：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。（三）按拓补结构：1隔离型：有变压器。2非隔离型：无变压器。 2.3 开关电源的技术追求和发展趋势开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。（3）低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。（4）采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。3 开关稳压电源的基本原理3.1 开关电源的基本工作原理 我们所说的开关稳压电源，在习惯上多半指“DC-DC”（直流-直流）的一种电压的变换，就是由一种直流电压值变换成另一种直流电压值的电源。由电子元器件组成的DC-DC变换的电路，称为“DC-DC变换器”或简称“变换器”，也有叫“转换器”的。 DC-DC变换器的基本工作原理的示意图，如图3-1所示，图中的开关“SW”不停的交替，工作在“ON”或“OFF”的两种状态，结果将输入的直流电压V1经开关电路作用，斩成“矩形波”（也可以叫“脉冲”或“方波” ）输出，如图3-2（a）所示的波形。当开关SW处在“ON”状态时，开关完全接通，输出肯定是高电位，其电压的幅度就是输入电压V1，为了和输入的直流电压分开，这里矩形波的高电位用V2来表示，V2在图3-2（a）所示“toff”时间段, “tON”时间加“toff”时间就是矩形波的一个周期T的时间，再将矩形波输入滤波电路（有的叫“储能电路” ），由滤波电路输出的电压，就是转换后输出的直流电压Vo，如图3-2（b）所示。图3-1 DC-DC变换器的基本工作原理示意图 （a）输入波形 （b）输出直流电压图3-2 滤波电路的波形因为开关稳压电源的核心是“开关”二字，故因此而得名为“开关稳压电源”或“开关电源”。但在实际应用中的开关稳压电源，不可能使用机械开关，因为机械开关的开关速度不可能很高，寿命又太短。目前也只有使用晶体三极管，场效应管等电子元器件做成的电子开关才能胜任，这是目前较为理想的、高速的、长寿的、可靠的电子开关部件。3.2 开关电源的调制方式3.2.1 脉冲宽度调制方式（PWM-Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制式的开关稳压电源的开关部件，一般都是由大功率三极管或大功率场效应管来担任的，由于电源输出电压的改变和稳定，都是靠开关管饱和导通的时间和截止时间长短的改变来实现的，所以称该管为“开关调整管”。脉冲宽度调制方式，就是用输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生变化的一种方式，简称“脉宽式”。脉宽式开关调整管工作的周期T是固定不变的，输出电压的改变和稳定就是控制开关调整管饱和导通“ON”的时间来实现的，用“tON”来表示；没有脉冲输出时，就是所谓的“截止”时间，也就是“OFF”的时间，用“toff”来表示。由于开关调整管工作的周期T是固定不变的，所以“tON”时间改变时，“toff”时间就要相反的改变。再简述一下：脉冲宽度调制式的开关稳压电源，就是利用脉冲宽度的改变来稳压的，不论是负载电流发生变化，还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化，将这个输出电压的变化量，经过稳压系统，又去控制开关调整管导通时间的长短，从而使脉冲的宽度发生变化，最终使输出电压是稳定的。如图3-3，这是由开关调整管输出的脉冲，在输出电压正常的情况下，假定脉冲的宽度如图3-3（a）所示，如果输出电压低于正常电压时，经稳压电路使脉冲的宽度如图3-3（b）所示，由于脉冲变宽，使它的直流分量增加，也就是使平均电压增加了，结果使输出电压回升，从而抑制了输出电压的下降，维持了输出电压的稳定。如果输出电压升高了，经稳压电路使脉冲的宽度变窄，如图3-3（c）所示，由于脉冲变窄，使它的直流分量减少，也就是使平均电压降低了，结果使输出电压降低，从而抑制了输出电压的升高，维持了输出电压的稳定。 图3-3 脉冲宽度变化示意图3.2.2 脉冲频率调制方式（PFM-Pulse Frequency Modulation） 脉冲频率调制式的开关电源，它的开关调整导通的时间tON是固定的，由于导通时间是固定不变的，那么也只有改变截止时间tOFF才能改变频率，因为这种制式是通过改变工作频率来实现稳压的，故称为“脉冲频率调制式”或“脉频式”。不论是负载发生变化还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化，这个变化的电压，经过稳压电路，使脉冲的频率发生变化，实质上就是调整管截止时间发生了变化，这同样能改变直流分量，从而达到改变输出电压和稳定电压的目的。图3-4 脉冲频率变化示意图请看图3-4，当它的输出电压正常时，波形如图3-4（a）所示；如果输出电压下降，则通过稳压电路，使截止时间缩短，脉冲的频率增高，波形如图3-4（b）所示,由于直流分量增加了，从而抑制了输出电压的下降，维持了输出电压的稳定；如果输出电压上升，经过稳压电路，使其截止时间加长，频率降低，波形如图3-4（c）所示，由于直流分量降低了，从而抑制了输出电压的上升，维持了输出电压的稳定。3.2.3 脉宽脉频调制方式 脉宽脉频调制方式，是通过改变脉冲的宽度和频率使直流分量发生变化，可以控制输出电压的高低和进行稳压。3.2.4 脉冲幅度调制方式（PAM-Pulse Amplitude Modulation） 脉冲幅度调制方式,是通过控制输出脉冲电压幅度的变化，来改变输出电压和稳定输出电压的，简称“脉幅式”。当输出电压发生变化时，经过稳压电路，控制开关调整管，使输出脉冲电压幅度发生与其相反的变化，从而抑制了输出电压的变化，使输出电压稳定。脉冲幅度调制式的开关稳压电源，输出电压的高低，不受频率高低变化的影响，也不受脉冲宽度变化的影响，只与脉冲幅度的高低变化有关。脉冲幅度增加，输出电压就升高，脉冲幅度降低，输出电压就降低。脉幅式开关稳压电源有很多优点，所以在显示器、电视机中以及其它各种电子设备中，都得到了广泛的应用。3.3占空比（Duty Cycle）不论使用什么方式调制，它们都是一种“时间比例”关系的控制方式。如果只是改变频率，而在一个周期内，它的导通时间（tON）与周期（T）时间的比值并不改变，矩形波电压V2的幅值也不改变，那么它的直流分量也不会有改变，这样输出的直流电压也不会有改变，也不会起到稳压作用。3.3.1 占空比及其定义 从上面的讨论中可以得出这样一个规律：在第1、2、3种调制方式中，输出电压的改变和电压的稳定，都是靠改变“时间比例”关系来实现的。在实际应用中，我们将时间比例关系叫做“占空比”， 占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。一般用“d”(或“D”)来表示，即： d=tON/T 由占空比的定义可以看出，占空比的实质就是：导通时间tON在一个周期T内所占有的比例，可以称为“几比几”或“几分之几”都可以。占空比是一个无量纲的数字，因为分子和分母的单位都是时间而约掉。脉冲宽度的变化，就是导通时间tON的变化，导通最窄时间为0，导通最宽时间为T，所以占空比的变化范围是（0T）/T，也就是只有从01的变化范围，这是一个很重要的概念。由该式的比值可以看出，由于脉宽式开关稳压电源都是降压式的变换器，所以反映出降压系数k的概念，降压系数k通俗地讲就是：输出电压Vo是输入电压V1的几分之几，也就是Vo与V1的比值。输出直流电压的幅度可以从0变化到输入直流电压的幅度，即：（0V1）/ V1，变化范围是从01，这样占空比d和降压系数k是相等的，所以占空比的数值，也就是电压比的数值，于是有： d=k=V0/V1=tON/T 所以有：Vo=tON/T V1= d V1 其中：V1为输入直流电压由式中可以清楚的看出，输出电压Vo等于占空比d乘以输入电压V1。在计算输出直流电压Vo的式子中，输入电压应该是矩形波的峰值电压V2，经过开关管变成矩形波后，是有一定压降的（约有0.3V到1V），所以矩形波的峰值电压V2小于输入直流电压V1。如果矩形波峰值电压V2较高，管压降就可以忽略不计，用上式就可以。但用下式计算较为精确： Vo=tON /TV2= d V2 再强调一下，这是一个很重要的结论：输出电压Vo等于占空比乘以矩形波的峰值电压V2。我们在计算输出电压Vo的公式中可以看出，输出电压Vo是矩形波在一个周期内的平均电压，或者说是矩形波的直流分量。 我们从用占空比来计算脉宽式稳压电源输出直流电压Vo的公式可以看出，如果矩形波的峰值电压V2不变，周期T也不变，那么要想改变输出电压，也只有改变导通时间tON 了，也就是只有改变了占空比，才能改变输出直流电压Vo。如果输出电压降低了，只要想办法使占空比增加（就是增加导通时间），就可以使输出电压不降低；如果输出电压升高了，只要想办法使占空比减小（就是减少导通时间），就可以使输出电压不升高。以上就是脉宽式开关稳压电源的最基本工作原理，“脉频式”和“脉宽脉频式”的工作原理，也是根据这个基本原理来设计和制造的。3.3.2 占空比变化的几种情况 影响占空比的原因有以下三种情况，那就是人工调节输出电压的变化、负载电流的变化、输入电压的变化。现对这三种情况做一下简单的说明：1.当人工调节输出电压变化时：当调节使输出电压升高时，占空比就加大；当调节使输出电压降低时，占空比就减小。2. 当负载电流变化时：当负载电流加大时，输出电压就要降低，但通过稳压系统使占空比加大，使输出电压上升，从而抑制了输出电压的降低；当负载电流减小时，输出电压就要升高，但通过稳压系统使占空比减小，使输出电压下降，从而抑制了输出电压的升高。3. 当输入直流电压变化时：当输入直流电压升高时，输出的直流电源必然也要升高，但通过稳压系统使占空比减小，从而抑制了输出电压的升高；当输入直流电压降低时，输出的直流电源必然也要降低，但通过稳压系统使占空比增大，从而抑制了输出电压的降低。以上使占空比发生变化的三种原因，简单的说就是：如果人工调节输出电压升高时、负载电流加大时、输入电压降低时，占空比就加大；如果人工调节输出电压降低时、负载电流减小时、输入电压升高时，占空比就减小。 3.4 开关电源的滤波电路 在开关稳压电源中，输出直流电压的滤波电路，和其他形式的电源中的滤波电路没有什么大的区别，也是由电容器、电感器和二极管等电子元件所组成的，由电子元件组成的滤波电路，叫做“滤波器”。因为电容器和电感器全都有储存能量的功能，所以又有将滤波电路叫做“储能电路”的。电容器能将能量以电场的形式储存起来，而电感器能将能量以磁场的形式存起来，所以人们将电容器和电感器的功能之一，各用一句话来表示，那就是：电容器两端的电压不能突变（或者说：电容器能恒反抗两端电压的变化）、电感器中的电流不能突变（或者说：电感器能恒反抗电路中电流的变化）。各种滤波器，都是把供应过来的一部分能量供给负载使用外，同时把一部分能量储存起来，当短时间供电不足或供电中断时，电容器和电感器就把储存的能量转换为电能，供给负载继续用电，从而保证电源能不间断地向负载提供电流。简单的L-C电感滤波电路如图3-4所示：图3-4 L-C滤波电路在开关稳压电源中，给滤波电路输入的电压，一般都是频率比较高的矩形波，而且还必须得是“单极性”的，所谓的单极性，就是矩形波在变动的过程中出现的电压极性，必须都是同一极性的，它只是正极性的，或者只能是负极性的。如果是正极性的，在变动过程中，不准许负的电压出现，否则需要加二极管整流去掉负的极性，才能给滤波电路输入。如果输出的直流电压是正的，就需要加二极管整流去掉负的电压；如果输出的直流电压是负的，就需要加二极管整流去掉正的电压。3.5 开关电源的保护电路 开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便，因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。为了保护开关电源自身和负载的安全，故根据开关电源的电路特点，介绍了浪涌电流保护、过压保护、过流保护、欠压保护、反峰电压保护以及过热保护电路。在实际的开关电源设计中，通常选用几种保护方式加以组合，构成完善的开关电源保护系统。 3.5.1开关电源保护电路的设计原则 1. 把开关稳压器中应用的开关三极管限制在直流安全工作区域内工作 对于选定的开关三极管，由三极管手册可查得其直流安全工作区，根据集电极电流的最大值来确定输入过电流的保护值。但是，这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。在额定输出电流与输出电压的条件下，开关管的动态负载线不超过直流安全工作区的最大输入电压，即输入过电压保护的电压值。 2. 把开关稳压器的输出限制在给定的技术指标内在所要求的工作温度范围内，开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。过电流保护可根据最大输出电流来确定。为了不产生误报警，保护值应适当留一定的余量。3.5.2 整机保护措施 由上述保护电路设计原则确定保护方式后，再根据电源装置的需要来确定报警措施。一般报警措施有声警和光警两种。声警适用于整机比较复杂、电源部分装在不显眼的地方，可以给工作人员以有效的故障报警；光警可以醒目地指示故障报警并指出故障发生的部位和类型。保护措施要视所保护的部位而确定。在大功率、多路电源的场合，总是用交、直流断路器，高灵敏继电器等构成自动保护装置，切断电源的输入使系统停止工作，免受损害。通过逻辑控制电路使相应的开关三极管截止的方案既灵敏、方便又经济。这样可以省去体积大、响应时间长、价格贵的大功率继电器或断路器。电源中加设了保护电路后会影响系统的可靠性，为此要求保护电路本身的可靠性要高，以提高整个电源系统的可靠性，进而提高电源本身的MTBF(Mean Time Between Failure，平均无故障时间)。这就要求保护的逻辑严密，电路简单，元器件最少，此外还要考虑到保护电路本身出故障时维修难度和其保护的电源的损坏程度。 3.5.3 开关电源各种保护电路 1.抑制浪涌电流电路开关电源的输入电路大都采用电容滤波型整流电路，在进线电源合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，充电瞬间会形成很大的浪涌电流，特别是大功率开关电源采用容量较大的滤波电容器，浪涌电流可达100 A以上。在电源接通瞬间如此大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏；轻者会使空气开关合不上闸。上述现象均会造成开关电源无法正常工作。因此，几乎所有开关电源都设置了防止浪涌电流的软启动电路，以保证电源正常而可靠地运行。抑制浪涌电流的方法有以下几种： （1）热敏电阻保护法 抑制浪涌电流最简单且有效的方法就是在开关电源整流滤波电路的主电路中串联一负温度系数的热敏电阻Rt，它的冷态电阻大，热态电阻小当电路刚接通时，该热敏电阻的阻值很大。从而限制了电路启动电流，以避免开机时产生大的浪涌电流；几秒钟后，电源正常工作，Rt的温度上升，电阻趋于零，失去了限流作用。热敏电阻Rt抑制浪涌电流的时间很短，所以它平时耗电很少。（2）晶闸管保护法晶闸管保护电路如图1所示。晶闸管Vs与电阻并联。对于晶闸管，阳极与阴极之间加正偏电压，门极与阴极之间加正偏电压：以上两条件同时满足时晶闸管才导通。一旦晶闸管导通，门极就对其失去控制。在开机瞬间，晶闸管门极上还未加控制脉冲，是截止的，电阻Rl串联在电路中起到抑制浪涌电流的作用；当电源启动后，开关管导通，高频变压器的晶闸管触发绕组上产生的交流脉冲通过二极管加在晶闸管的门极上，使其导通并短路电阻Rl，电路进入正常状态。在图1中，晶闸管Vs也可以为双向晶闸管，此时二极管D7就省掉了。图1 晶闸管保护电路（3）继电器保护法图2是采用继电器K和限流电阻Rl构成的防浪涌电流电路。电源接通瞬间，输入电压经整流(DlD4)和限流电阻Rl对滤波电容器cl充电，防止接通瞬间的浪涌电流，同时辅助电源Vcc经电阻R2对并接于继电器K线包的电容器c2充电；当c2上的电压达到继电器K的动作电压时，K动作，其触点K11闭合而旁路限流电阻R1失去作用，电源进入正常运行状态。限流的延迟时间取决于时间常数(R2C2)，通常选取为0305 s。为提高延迟时间的准确性以及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图3所示的电路替代R2C2延迟电路。2 过流保护电路当出现负载短路、过载或控制电路失效等意外情况时，流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大、发热。若没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可能损坏，故而在开关稳压器中过电流保护是常用的。最经济、简便的方法是用保险丝。由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能起到保护作用。常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。图2 继电保护法 图3 延迟电路在直流开关电源电路中，要保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁，基本方法是：当输出电流超过某一值时，调整管处于反向偏置状态从而截止，自动切断电路电流。过电流保护电路由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成，如图4所示。电路正常工作时，通过R4与R5的分压作用，使得BG2的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压，于是BG2处于截止状态(相当于开路)，对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2的发射极相当于接地，BG2处于饱和导通状态(相当于短路)，从而使调整管BG1基极和发射极近于短路而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护的目的。但这种方法会影响电源的效率，因此多用于小功率开关稳压器的场合。在大功率的开关稳压电源中，考虑到功耗，应尽量避免取样电阻的接入。因此，通常将过电流保护转换为过、欠电压保护。图4 过电流保护电路3.过电压保护电路开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。（1）输入过电压保护电路开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电压如果过高，开关稳压器就不能正常工作，甚至损坏内部器件，因此有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器组成的保护电路如图5所示。在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管被击穿，有电流流过电阻R，使晶体管V导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。图5 输入过电压保护电路（2）输出过电压保护输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出为5 V的开关稳压器来说，它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时，开关稳压器的开关三极管突然损坏，输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值，瞬时造成很大损失。常用的方法是晶闸管短路保护。最简单的过电压保护电路如图6所示。当输出电压过高时，稳压管被击穿，触发晶闸管导通，把输出端短路造成过电流，通过保险丝或电路保护器将输入切断，保护负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为51O s。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定。另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。图6 输出过电压保护电路 4.欠电压保护电路输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源、开关稳压器内部或输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设置欠电压保护。简单的欠电压保护电路如图8所示。当未稳压输入的电压值正常时，稳压管ZD被击穿，晶体管V导通，继电器动作，触点吸合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管ZD不通，V截止，触点跳开，开关稳压器不能工作。图8 欠电压保护电路开关稳压器内部由于控制电路失常或开关三极管失效，会使输出电压下降；负载发生短路也会使输出电压下降。特别是在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中，欠电压的保护是跟过电流保护紧密相关的，因而更加重要。实现方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器，其电路原理图如图9所示。图9 输出欠电压保护电路6.过热保护电路开关稳压器的高集成化和轻量小体积使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。因此，在大功率开关稳压器中应该设过热保护。采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部过热时，温度继电器就动作，使整机报警电路处于报警状态，实现对电源的过热保护。亦可将温度继电器置于开关三极管附近。当管壳温度超过允许值后，继电器就切断电器，对开关管进行保护。如图1 1所示的电路中，根据P型控制栅热晶闸管(Trl02，如图11中虚线框内所示)的特性，由热敏电阻RT值确定该器件的导通温度。RT越大，导通温度就越低。当将其放置在功率开关三极管附近，或电源装置内时，它就能起到温度指示作用。图11 过热保护电路第4章 脉冲宽度调制器KA7500B4.1 KA7500B芯片简介KA7500B是由三星公司生产的电压型PWM控制器。该芯片含有5V电压基准电路（精度%1），两个误差放大器，一个双稳态多谐振荡器，一个死区比较器，一个振荡器。该芯片工作频率范围：1KHZ至300KHZ。其内部结构图（图12）如下：图12 KA7500B芯片内部结构图1脚和16脚分别是误差放大器1和误差放大器2的同相输入端，2脚和15脚分别是误差放大器1和误差放大器2的反相输入端。3脚是误差放大器1和误差放大器2公共输出端。4脚是死区控制端，电位高时8脚和11脚输出脉冲被封锁，电位为零时8脚和11脚正常输出脉冲。5脚和6脚分别外接内部振荡器的时基电阻RT和电容CT。7脚是接地端。8脚和11脚是PWM脉冲输出端。12脚是芯片工作电压输入端。13脚是输出控制端。14脚是5V基准电压输出端。 4.2 PWM 的产生 PWM 驱动脉冲波形由KA7500B 产生，它是一种电压型开关电压集成控制器。内置线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部电阻t R 和外部电容t C 尽心调节。输出脉冲的宽度是通过电容t C 上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。一路送至死区时间比较器,一路送往误差放大器的输入端。内部的功率输出管受控于或非门。当双稳态触发器的时钟信号为低电平时才会被选通,即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。 8 脚和11 脚输出驱动脉冲（相位相差180 度）如图4-2：图4-2 PWM波形图第5章 开关稳压电源设计整机工作原理分析5.1 简述 开关稳压电源的整机电路图，如图附图一所示。输入电压为单相交流220V，其中一路输出电压为5V，另一路最大输出电压为30V，输出电流大于300mA。本电路分为滤波整流电路、DC变换振荡电路、逆变电路、直流斩波电路等几部分。下面便对各个电路做详细说明。 5.2 滤波整流电路 当接通电源后，输入的220V交流电压（在附图一左上方），首先通过由C1、C2、FL和C3、C4、C5所组成的低通滤波电路后，然后经过BROGE桥式全波整流，又经两个串联的滤波电容器C6和C7滤波（滤波电容器的均压电阻分别是R1和R2，它们的阻值都是150K），最后输出300V的直流电压。 5.3 振荡电路图5-3 开关电源振荡电路示意图开关稳压电源振荡电路示意图，如图5-3所示。当接通电源后，电阻R7上的电压降就给开关调整管Q4的基极注入了电流，这个基极电流就是启动电流（注意：开关调整管Q4的发射极，是接在300V的负端），Q4有了基极电流，当然也就有了集电极电流，它的集电极电流也就是通过开关变压器T2的初级绕组W1的电流，这时开关变压器T2的所有绕组上都要产生感应电压，在绕组W2两端感应电压的极性为上正下负（如图5-3所示）。其上端通过限流电阻R10和稳压二极管D5，最后接在开关调整管Q5的基极与集电极上，于是会使Q5导通。而Q5的发射极又通过电阻R8接在Q4的基极上，使Q4的基极电流增大，这就是正反馈。正反馈的结果使Q4在极短的时间内进入饱和导通状态。这样就将300V直流电压全部加在开关变压器T2的初级绕组W1上，使T2的初级绕组W1中的电流上升，但这时初级绕组W1中的电流不是马上上升到最大值，而是线性上升的（如图所示）。电流有一个过渡的变化规律，电感两端加上直流电压后，它的电流iL1变化规律为： iL1=Vi/ L1t(安)其中： Vi加在初级绕组W1上的直流电压（伏） L1初级绕组W1的电感量（亨） t直流电压作用在初级绕组W1上的时间（秒） 我们从上面的公式中可以看出，初级绕组W1中的电流iL1的增长与时间成正比，故初级绕组W1中的电流iL1是线性增长的。式中的Vi/ L1是一常数，它决定了线性上升的斜率，也就是电流上升的速度，其电压Vi越高，电感量 L1越小，电流iL1上升的速度也越快，如图5-4（a）所示。由于初级绕组W1中的电流iL1是线性增长的，所以由该电流产生的磁通量，也是线性增长的，如图5-4（b）所示。由于磁通量的增长量不变，故在绕组W2中产生的感应电压是一个不变的常数，这个不变的常数可以叫“矩形波”或“短时间的直流电压”或“方波电压”都可以，如图5-4（c）所示。 如图5-4（a）所示，当iL1增长到最大值时因受控不再增长了，所以从t1时间开始集电极电流iL1不再增长，初级绕组W1中因为没有了增长的电流，所以也就没有了增长的磁通，因为磁通没有了变化量，所以绕组W2也就没有了感应电压。因此，开关调整管Q5的基极与集电极就没有了电流，于是Q5截止。这时初级绕组W1中的电流会迅速下降到某一固定值。但是T2中原来储存的磁通仍在减少，这时在绕组W2两端感应电压的极性为上负下正。当T2中磁通量减少到一定程度以后，电容器C11中储存的正电压会抵消绕组W2感应的负电压，于是又给Q5注入了启动电流，这样又是正反馈作用使Q4的基极电流增大，使Q4在极短的时间内进入饱和导通状态。以后的工作就是重复上面的过程，就这样周而复始不停的振荡下去。图5-4 开关电源振荡电路的各种波形我们从振荡电流和开关管集电极电流变化规律的公式中可以看出，影响额定振荡频率的有以下四个因素： 1. 与初级绕组W1电感量的大小有关；2. 与初级绕组W1两端加的电压Vi的高低有关；3. 与开关管Q4的值（三极管的电流放大系数）的大小有关；4. 与开关管Q4的基极电流的大小有关。总之：开关管Q4的集电极电流上升速度越快，其振荡频率就越高。初级绕组W1电感量越小、其两端加的电压Vi越高、开关管Q4的值越小、其基极电流越小时，其振荡频率就越高。在W1的电感量、电压Vi、开关管Q4的值都确定后（它们都是不变的常数），要想改变振荡频率，也就只有改变开关管Q4的基极电流了。 另外，变压器T2还有一路输出输送到稳压器3052中，通过3052的稳压作用，使电路稳定的输出5V的直流电压。该路输出的作用为供给电流表内部用电，以便电流表显示出测量值。5.4 逆变电路 T2输出端（其输出波形如附图二所示）通过二极管D1向脉冲宽度调制器KA7500B供电(其工作原理祥见第四章)，通电后KA7500B开始工作。从9脚和10脚分别输出两路方波脉冲，相位相差180度。波形如附图二所示。开关稳压电源的逆变部分电路，如图5-4所示。从图中可以看出，逆变电路是由四只开关调整管Q6、Q7、Q8和Q9所组成，四个管子的“开”或“关”是由脉冲宽度调制器KA7500B的两路输出脉冲所控制。图5-4 开关电源逆变电路示意图如图5-4所示，当9脚输出高电平时，开关调整管Q6与Q8导通；当10脚输出高电平时，开关调整管Q7与Q9导通。四只开关调整管两两轮流导通工作，这样一方面是起到换相的作用，另一方面控制了管子导通时间的长短，就能起到稳压的作用，全桥式电源的稳压过程和半桥式的稳压过程相同，也是靠改变占空比来进行稳压的，只不过有四只开关调整管。开关变压器输出波形如附图二所示。5.5 直流斩波电路图5-5开关电源直流斩波电路示意图开关电源直流斩波电路如图5-5所示，在该电路中，Q2和D3构成降压斩波电路，Q3和D2构成升压斩波电路。当电路只作降压斩波器运行时，Q3和D2总处于断态；当电路只作升压斩波器运行时，Q2和D3总处于断态。当降压斩波器的Q2关断后，由于积蓄的能量少，短时间内电抗器L的贮能即释放完毕，电枢电流为零。当T3输出高电平时Q3导通，由于C9的作用使电枢电流反向流过，电抗器L积蓄能量。待Q3关断后，由于电抗器L积蓄的能量和C9共同作用使D2导通，向电源反送能量。反向电流变为零后，即电抗器L积蓄的能量释放完毕后， 当T3输出低电平时Q2再次导通，又有正向电流流通，如此循环，两个斩波电路交替工作。这样在一个周期内，电枢电流沿正、负两个方向流通，电流不断，所以响应很快。T1输出波形如附图而所示。变压器T1输出后经过一个带感性负载的全波可控整流电路，由于带感性负载，整流输出为30V直流电压。另一路输出经3052V稳压器后输出5V的直流电压，并通过R18（如附图一所示）向PWM控制器KA7500B提供反馈。 5.6 保护电路 开关电源保护电路的设计原则和方法在第三章已经给了详细说明。下面便说明一下本设计所用到的保护电路。本设计