基于单片机的单相电机调速系统电源电路的设计.doc

本科毕业设计论文 论文题目 基于单片机的单相电机调速系统 电源电路的设计 作者姓名作者姓名 指导教师指导教师 所在院系所在院系 专业班级专业班级 提交日期提交日期 2009 年年 5 月月 II 基于单片机的单相电机调速系统 电源电路 摘摘 要要 本文简单介绍了单相电机的工作原理及变频调速原理 同时详细 介绍了开关电源的工作原理 基于这些理论设计了相应的电源电路 将 200AC 电源整流后提供给单片机 并设计了一开关电源作为控制电 路和单片机及外围电路的电源 另外根据单相电机的参数 选择合适 的驱动芯片和驱动管 实现对单相电机的驱动 本文作者还完成了原 理图和 PCB 板的设计以及硬件调试 本系统成本不高 采用了脉宽调 制技术组成的 PWM 交 直 交变频装置 关键字 单相电机 变频调速 开关电源 驱动 III 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACT II 目录目录 III 图例图例 VI 第第 1 章章绪论绪论 1 1 1课题研究的背景 1 1 2国内外研究现状 2 1 3课题研究内容 4 1 4课题研究意义 5 1 5设计方案 6 第第 2 章章开关电源简介开关电源简介 9 2 1开关电源简介 9 2 2开关电源的原理 9 2 3开关电源的三个条件 10 2 4开关电源的种类 10 2 4 1 DC DC变换 10 2 4 2 AC DC变换 11 2 5开关电源的选用 12 2 5 1 输出电流的选择 12 2 5 2 接地 12 2 5 3 保护电路 12 2 6开关电源电器可靠性设计 13 2 6 1 供电方式的选择 13 2 6 2 电路拓扑的选择 13 2 6 3 控制策略的选择 13 2 6 4 元器件的选择 14 IV 第第 3 章章电源电路的设计与分析电源电路的设计与分析 16 3 1全波整流滤波输入电路 16 3 1 1 桥式整流电路 16 3 1 2 滤波电容的选取 17 3 2开关电源电路 18 3 2 1 IR2153芯片简介 19 3 2 2 TL431简介 21 3 2 3 LM7805简介 24 3 3输出整流滤波电路 25 第第 4 章章驱动电路的设计与分析驱动电路的设计与分析 26 4 1驱动电路原理图 26 4 2功率驱动单元元器件的选取 27 4 2 1 功率器件 27 4 2 2 接口驱动芯片的选取 28 4 3集成驱动芯片 IR2130 介绍 29 4 3 1 IR2130驱动芯片的特点 30 4 3 2 IR2130内部结构及其工作原理 31 4 3 3 桥式MOSFET驱动电路 32 4 4电机驱动电路 33 4 3保护电路分析 34 第第 5 章章PCB 板的设计板的设计 35 5 1元器件的布局 35 5 2电源的设计 36 5 3线路的设计 36 5 3PCB 图 37 第第 6 章章硬件调试硬件调试 39 6 1调试准备工作 39 6 2调试工作 39 6 3调试结果 40 V 全文总结全文总结 44 参考文献参考文献 45 附录附录 实物图实物图 47 致谢致谢 48 VI 图例 图图 1 1 单相电机变频调速原理图单相电机变频调速原理图 7 图图 3 1 全波整流滤波电路全波整流滤波电路 16 图图 3 2 开关电源电路开关电源电路 19 图图 3 3 IR2153 引脚排列图引脚排列图 19 图图 3 4 IR2153 的内部简化功能框图的内部简化功能框图 21 图图 3 5 TL431 封装形式封装形式 22 图图 3 6 TL431 功能模块示意图功能模块示意图 22 图图 3 7 改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据 23 图图 3 8 TL431 阴极伏安特性图阴极伏安特性图 24 图图 4 1 功率驱动主电路功率驱动主电路 27 图图 4 2 IR2130 内部结构图内部结构图 30 图图 4 3 桥式桥式 MOSFET 驱动电路驱动电路 32 图图 4 4 电机驱动电路电机驱动电路 33 图图 5 1 PCB 图图 38 图图 6 1 PWM4 和和 PWM5 的波形图的波形图 40 图图 6 2 Q1 的的 1 3 引脚间的波形图引脚间的波形图 41 图图 6 3 U3 3 波形图波形图 41 图图 6 4 LO1 与与 HO1 输出波形图输出波形图 42 图图 6 5 M1 与与 M2 输出波形图输出波形图 42 图图 6 6 IALL 输出波形图输出波形图 43 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1课题研究的背景课题研究的背景 电机是一种进行机电能量转换或信号转换的电磁机械装置 就能量这个转换 的功能来看 电机可分为两大类 第一类是发电机 它是把机械能转换为电能的 装置 通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能 然后通过发电机 转换电能 经输 配电网络送往各工矿企业 城市 家庭等各种用电场合 第二 类是电动机 它把电能转换为机械能 用来驱动各种用途的生产机械和其他装置 以满足人类的不同需求 1 三相电机和单相电机原理基本相同 都是电磁原理的应用 只是三相电机的 磁场为圆形 可以自启动 单相电机的磁场为脉振磁场 需要增加电容或电阻以 及启动线圈使之形成椭圆形磁场 才能启动 另外的区别是使用的电源不同 通 常家庭以及没有三相电源的地方使用单相电机 功率通常比较小 通常小于 750W 工业和功率较大场所都选用三相电机 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场 三相异步电动 机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的 我们知道 但相电源相与相之间的电压 在相位上是相差120度的 三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互 差120度 这样 当在定子绕组中通入三相电源时 定子绕组就会产生一个旋转 磁场 电流每变化一个周期 旋转磁场在空间旋转一周 即旋转磁场的旋转速度 与电流的变化是同步的 旋转磁场的转速为 n 60f P 式中f为电源频率 P是磁 场的磁极对数 n的单位是 每分钟转数 根据此式我们知道 电动机的转速与 磁极数和使用电源的频率有关 2 单相交流电动机只有一个绕组 转子是鼠笼式的 当单相正弦电流通过定子 绕组时 电动机就会产生一个交变磁场 这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规 律变化 但在空间方位上是固定的 所以又称这个磁场是交变脉动磁场 这个交 2 变脉动磁场可分解为两个以相同转速 旋转方向互为相反的旋转磁场 当转子静 止时 这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等 方向相反的转矩 使得合成 转矩为零 所以电动机无法旋转 当我们用外力使电动机向某一方向旋转时 如 顺时针方向旋转 这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动 变小 转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大 这样平衡就 打破了 转子所产生的总的电磁转矩将不再是零 转子将顺着推动方向旋转起来 3 4 随着电力电子技术 微控制器及控制理论的快速发展 近年来交流电机调速 技术取得了突飞猛进的进步 尤其是随着一些高性能的交流调速方法如 矢量控 制技术 直接转矩控制技术 及 同步机自控式 等方法的出现 交流电机 调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能 由于交流电机结构简单 价 格低廉等自身的优点 交流调速迅速兴起 彻底打破了直流调速占调速领域主导 地位的格局 调速系统向着交流化 高频化 网络化的方向发展 5 交流调速系统一般包括以下几部分的内容 异步电动机变压调速系统 异步电动 机变频调速系统 绕线转子异步电动机双馈调速系统 同步电动机变频调速系统 目前变频调速是交流调速发展的主流 已成为电力传动领域研究的一个热点 1 21 2国内外研究现状国内外研究现状 随着我国电子 电气技术的迅猛发展 人们生活水平的不断提高 对电机 的性能提出了许多新的更高的要求 出现了各种各样的电器产品 在各种电器产 品中使用着各种各样的电动机 目前在工业发达国家 每个家庭平均使用着 50 100台小功率电动机 据美国能源部报告 美国电动机电力消耗中 小功率 电动机站64 从世界销售市场统计 各类电机年总销售额为300亿美元 小功率 电动机占了1 3 小功率电动机是我国机电产品出口的主要项目之一 近年来发 展很快 具有良好的前景 6 目前世界各国小功率电动机的产量逐年增加 其增长率大于大中型电机 我 国加入世贸组织后 已经融入全球经济 形成国际化市场的竞争环境 即带来了 新的机遇又带来新的挑战 在国际市场上 电机是机电产品的重要组成部分 每 年的世界贸易额约为35亿美元 再由于工业发达国家对于原材料 工时耗用多而 获利少的普通电机产品不愿意制造 纷纷转向发展中国家加工和购买 因此国际 3 市场上对电机的需求呈上升趋势 现在面对国内外广阔的市场前景 国内生产厂 家投入大量人力 财力来进行中小功率电动机的研究与开发 是很有必要的 近10年来 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 电 气传动技术面临着一场历史革命 即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技 术取代模拟控制技术已成为发展趋势 电机交流变频调速技术是当今节电 改善 工艺流程以提高产品质量和改善环境 推动技术进步的一种主要手段 交流调速 中最活跃 发展最快的就是变频调速技术 变频调速是交流调速的基础和主干内 容 上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易 从而造就了一个庞大的电力 行业 长期以来 交流电的频率一直是固定的 变频调速技术的出现使频率变为 可以充分利用的资源 变频调速以其优异的调速和起制动性能 高效率 高功率 因数和节间效果 广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前 途的调速方式 7 8 我国电气传动产业始建于1954年 当时第一批该专业范围内的学生从各大专 院校毕业 同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司 这就是 后来天津电气传动设计研究所的前身 现在我国已有200家左右的公司 工厂和 研究所从事变频调速技术的工作 我国是一个发展中国家 许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家 至今 自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平 随着改革开放 经济高速发展 形成了一个巨大的市场 它既对国内企业 也对外国公司敞开 很多最先进的产品从发达国家进口 在我国运行良好 满足了我国生产和生活需 要 国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品 国内的成套部分在自行设 计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备 自己开发应用软 件 能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统 虽然取得很大成绩 但应看到由于国内自行开发 生产产品的能力弱 对国外公司的依赖性严重 目前国内主要的产品状况如下 1 IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备 这类设备的市场很大 总容量占的比例不大 但台数多 增长快 应用范围从单机扩展到全生 产线 从简单的V f控制到高性能的矢量控制 约有50家工厂和公司生 产 其中合资企业占很大比重 2 负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备 这类产品在 4 抽水蓄水能电站的机组起动 大容量风机 泵 压缩机和轧机传动方面 有很大需求 国内只有少数科研单位有能力制造 目前容量最大做到 12MW 功率装置国内配套 自行开发的控制装置只有模拟式的 数字装 置需进口 自己开发应用软件 3 交 交变频器供电的交流变频调速设备 这类产品在轧机和矿井卷扬传 动方面有很大需求 台数不多 功率大 主要靠进口 国内只有少数科 研单位有能力制造 目前最大容量做到7000 8000kW 功率部分国产 数字控制装置进口 包括开发应用软件 随着我国经济的飞速发展 交流调速技术得到了广泛的应用 通用变频器年 销售额已超过50亿 国家 十五 期间 许多大型项目需要交流调速传动 例如 西气东输的大型压缩机传动 大型船舶电力推进 大型热轧和冷轧交流传动 高 速铁路牵引传动 以及风机水泵高压变频节能传动等等 目前我国电动机调速技术的特点是以低压 小容量调速对象为主 高压 高 效的变频调速装置以进口为主 面对节能 改善工艺的迫切需求和巨大的市场前 景 国产高压大功率变频器的产品生产还基本上刚刚起步 然而 困难与希望同 在 挑战与机遇共存 国际上具有生产 研制新型大功率变频调速装置能力的均 是世界知名的大电工电气公司 由于他们在电力电子技术发展的过程中一直是按 部就班进行的 形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节 市场惯性 和企业本身的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品 而我国是一个新兴的 发展中国家 尽管在老技术方面有一些投资 但投资相对较小 包袱不大 可以 马上转入最新技术的开发和利用 借鉴别人的经验 跨过他们已经走过的路程 在最新领域取得研究成果的基础上尽快产业化 可大大缩短与先进国家的差距 在某些方面甚至还可以超过他们 从目前看 大容量交流电机调速技术应用的时 机业已成熟 国内只要在体制改革 生产管理和经营决策方面走上轨道 其发展 前途不可限量 9 10 1 31 3课题研究内容课题研究内容 目前 单相电机调速大多通过降压来实现 本课题希望通过单片机系统实现 单相交流电机的 V F 调速功能 从而使系统的性能得到显著的提高 课题根据对 单相电机调速系统的要求 设计相应的电源及驱动电路 5 1 将 200AC 电源整流后提供给单相电机 并设计一开关电源 作为控制 电路和单片机及外围电路的电源 2 新型 MOSFET 桥式电路驱动芯片的选型 随着集成电路制造技术的发展 当前出现了许多用于中小型电机驱动的性能 优良的集成电路产品 对于中小型电机控制电路的设计人员来说 选用性能参数 都比较合适的集成功率放大器 与采用分立元件设计的功放电路相比 不但能减 小功放电路的体积 提高功放电路的整体性能 而且由于集成功放中设计了多种 多样的保护电路 从而可以减少系统发生故障的可能性 提高电路的可靠性 课 题根据单相电机的参数 选择合适的驱动芯片和驱动管 实现对单相电机的驱动 1 41 4课题研究意义课题研究意义 单相交流异步电动机结构简单 生产成本低廉 使用维护方便 在小功率电 机应用方面 如电冰箱 洗衣机 电风扇 空调等家用电器 汽车附件等领域占 据主导地位 11 随着电力电子技术 微控制器及控制理论的快速发展 近年来 交流电机调速方法如 矢量控制技术 直接转矩控制技术 及 同步机自控 式 等方法的出现 交流电机调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能 由于交流电机结构简单 价格低廉等自身的优点 交流调速迅速兴起 彻底打破 了直流调速占调速领域主导地位的格局 调速系统向着交流化 高频化 网络化 的方向发展 5 交流调速系统的应用不但可达到节能的目的 还可实现整个系统的性能最佳 改善工艺条件 并大大提高生产效率和产品质量 近年来 由于微处理机和大功 率晶体管 GTR 的应用 交流调速技术进入了一个崭新的时代 且大有在调速 系统内 大批取代直流调速系统的趋势 交流调速控制作为对电动机控制的一种 手段 作用相当明显 随着单片机的普及应用 利用单片机来控制电机调速的系 统 以其控制灵活 参数调节方便 调节性能良好等诸多优点受到人们的青睐 单片机具有价格低廉 可靠性高 内部资源丰富 易于开发等优点 它的出现大 大地推动了电机控制行业的发展 用单片机作为电动机的核心控制元件 可避免 传统的调速方案中的一些缺点 达到提高控制精度的目的 12 13 众所周知 单相电机的使用性能与它的驱动电路有着密切的关系 随着电子 6 技术和功率开关电子器件的出现 使电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大 的变化 特别是集成电路的推广和微机的普及应用 更使电机驱动电源的研制上 了一个新的台阶 使其性能指标有了显著的提高 国内对这方面的研究一直很活 跃 但是可供选用的高性能的电机驱动电源却很少 而且国内的驱动电源方面基 本都存在着体积大 外形尺寸不规则 性能指标不稳定及远没有达到系列化等问 题 这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便 国外虽然有通用的各种类 型的电机驱动电源 但大都存在一些问题 如价格昂贵 与我国的系统连接不匹 配等问题 如前所述 电机的系统性能 不仅与电机本身的特性有关 而且还与电机的 控制方式 驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系 特别是驱动电源技术方 面 对电机运行性能的改善 如高频力矩的提高 单步振荡及振动的消除等方面 起着至关重要的作用 因此 对电机的驱动电源及其驱动控制方式进行应用性研究 做出适合单相 电机运行特性的电源电路及驱动电路 不仅具有较高的现实意义 而且具有极大 的经济价值 1 51 5设计方案设计方案 变频调速作为一种新的电机调速方法 就是通过整流桥将工频电源整流成直 流电源 再通过控制电力电子器件构成的逆变器来提供可变频率的电源给电机 使电机的同步的转速能够变化 从而改变电动机的转速 本课题采用的单相电机调速电路如图 1 1 所示 a b 图 1 1 单相电机变频调速原理图 系统的总体结构和硬件配置由整流电路 开关电源 电机驱动电路 桥式 MOSFET 驱动电路 保护电路和 PIC 单片机等组成 本次设计采用了 PIC 单片机 Microchip 公司推出的 PIC 系列单片机最大的特点是 不搞单纯的功能堆积 而是从实际出发 重视产品的性能与价格比 靠发展多 7 种型号来满足不同层次的应用要求 精简指令使其执行效率大为提高 具有独特 的 RISC 结构 数据总线和指令总线分离的哈佛结构总线 使其指令具有单字长的 特性且允许指令码的位数可多余 4 位的数据位数 这与传统的采用复杂指令集结 构的 4 位单片机相比可以达到 2 1 的代码压缩 使指令的执行速度比一般的单片 机要快 4 5 倍 产品开发容易 周期短 并且能够快速进入市场 采用了 RISC 指令集 指令少 且全部为单字长指令易学易用 相对于 CISC 复杂指令集 结构 的单片机可节省 30 以上的开发时间 2 倍以上的程序空间 如果采用 PIC 的低 价 OTP 型芯片 可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市 低价实 用 配备有 OTP 型 EPROM 型和 E2PROM 型等多种形式的芯片 其 OTP 型芯片的 价格很低 功耗低 采用 CMOS 设计结合了诸多的节电特性 使其在静态设计可进 入睡眠省电状态而不影响任何逻辑变量 优越的开发环境 OTP 单片机开发系统 具有实时性 每推出一款新型号的同时 推出相应的仿真芯片 所有的开发系统 由专用的仿真芯片支持 实时性非常好 芯片引脚具有防瞬态能力 通过限流电阻 可以接至交流电源 可直接与继电器相连 无须光电耦合器隔离 给应用带来极大 方便 自带看门狗定时器 可以提高程序运行的可靠性 彻底的保密性 以保密 熔丝来保护代码 用户在烧入代码后熔断熔丝 别人再也无法读出 除非恢复熔 丝 因此 PIC 系列的微控制器在办公自动化设备 消费电子产品 电讯通信 智 能仪器仪表 汽车电子 工业控制等不同领域获得了非常广泛的应用 14 15 8 第第 2 2 章章 开关电源简介开关电源简介 2 12 1开关电源简介开关电源简介 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 开关电源和线性电源相比 二者的成本都随着输出功率的增加而 增长 但二者增长速率各异 线性电源成本在某一输出功率点上 反而高于开关 电源 这一点称为成本反转点 随着电力电子技术的发展和创新 使得开关电源 技术也在不断地创新 这一成本反转点日益向低输出电力端移动 这为开关电源 提供了广阔的发展空间 开关电源具有工频变压器所不具备的优点 新型 高效 节能的开关电源代 表着稳压电源的发展方向 因为开关电源内部工作于高频率状态 本身的功耗很 低 电源效率就可做得较高 一般均可做到 80 甚至接近 90 这样高的效率 不是普通工频变压器稳压电源所能比拟的 开关电源常用的单端或双端输出脉宽 调制 PWM 省去了笨重的工频变压器 可制成几瓦至几千瓦的电源 2 22 2开关电源的原理开关电源的原理 简单地说 开关电源的工作原理是 1 交流电源输入经整流滤波成直流 2 通过高频 PWM 脉冲宽度调制 信号控制开关管 将那个直流加到开关变压器初 级上 3 开关变压器次级感应出高频电压 经整流滤波供给负载 4 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 控制 PWM 占空比 以达到稳定输出 的目的 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西 过滤掉电网上的干扰 同时也 9 过滤掉电源对电网的干扰 在功率相同时 开关频率越高 开关变压器的体积就越 小 但对开关管的要求就越高 开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有 多个抽头 以得到需要的输出 一般还应该增加一些保护电路 比如空载 短路等 保护 否则可能会烧毁开关电源 以上说的就是开关电源的大致工作原理 其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片 可以使外围电路非常简单 甚至 做到免调试 例如 TOP 系列的开关电源芯片 或称模块 只要配合一些阻容元件 和一个开 关变压器 就可以做成一个基本的开关电源 17 2 32 3开关电源的三个条件开关电源的三个条件 1 开关 电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态 2 高频 电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频 3 直流 开关电源输出的是直流而不是交流 2 42 4开关电源的种类开关电源的种类 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 18 2 4 1 DC DC 变换 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 10 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 Buck Boost 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 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 还有 Sepic Zeta 电路 上述为非隔离型电路 隔离型电路有正激电路 反激电路 半桥电路 全桥 电路 推挽电路 当今软开关技术使得 DC DC 发生了质的飞跃 美国 VICOR 公司设计制造的多 种 ECI 软开关 DC DC 变换器 其最大输出功率有 300W 600W 800W 等 相应的 功率密度为 6 2 10 17 W cm3 效率为 80 90 日本 NemicLambda 公司 最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列 其开关频率为 200 300 kHz 功率密度已达到 27W cm3 采用同步整流器 MOS FET 代替肖 特基二极管 使整个电路效率提高到 90 2 4 2 AC DC 变换 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 11 2 52 5开关电源的选用开关电源的选用 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 5 1 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 2 5 1 输出电流的选择 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 5 1 8 2 5 2 接地 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 2 5 3 保护电路 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 12 2 62 6开关电源电器可靠性设计开关电源电器可靠性设计 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 2 6 1 供电方式的选择 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 N 1 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 2 6 2 电路拓扑的选择 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 2 6 3 控制策略的选择 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 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 13 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 2 6 4 元器件的选择 因为元器件直接决定了电源的可靠性 所以元器件的选用非常重要 元器件 的失效主要集中在以下四个方面 1 元器件可靠性问题 元器件可靠性问题即基本失效率的问题 这是一种随机性质的失效 与质量 问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平 在一定的应力水平下 元器 件的失效率会大大下降 为剔除不符合使用要求的元器件 包括电参数不合格 密封性能不合格 外观不合格 稳定性差 早期失效等 应进行筛选试验 这是 一种非破坏性试验 通过筛选可使元器件失效率降低 1 2 个数量级 当然筛选 试验代价 时间与费用 很大 但综合维修 后勤保障 整架联试等还是合算的 研制周期也不会延长 2 设计问题 首先是恰当地选用合适的元器件 1 尽量选用硅半导体器件 少用或不用锗半导体器件 2 多采用集成电路 减少分立器件的数目 3 开关管选用 MOSFET 能简化驱动电路 减少损耗 4 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管 5 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 6 集成电路必须是一类品或者是符合 MIL M 38510 MIL S 19500 标准 B 1 以上质量等级的军品 7 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 8 原则上不选用电位器 必须保留的应进行固封处理 14 9 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 在潮 湿和盐雾环境下 铝电解电容会发生外壳腐蚀 容量漂移 漏电流增大 等情况 所以在舰船和潮湿环境 最好不要用铝电解电容 由于受空间 粒子轰击时 电解质会分解 所以铝电解电容也不适用于航天电子设备 的电源中 钽电解电容温度和频率特性较好 耐高低温 储存时间长 性能稳定可靠 但钽电解电容较重 容积比低 不耐反压 高压品种 1 25V 较少 价格昂贵 关于降额设计 电子元器件的基本失效率取决于工作应力 包括电 温度 振动 冲击 频 率 速度 碰撞等 除个别低应力失效的元器件外 其它均表现为工作应力越 高 失效率越高的特性 为了使元器件的失效率降低 所以在电路设计时要进行 降额设计 降额程度 除可靠性外还需考虑体积 重量 成本等因素 不同的元 器件降额标准亦不同 实践表明 大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力 和温度 因而降额也主要是控制这两种应力 以下为开关电源常用元器件的降额 系数 1 电阻的功率降额系数在 0 1 0 5 之间 2 二极管的功率降额系数在 0 4 以下 反向耐压在 0 5 以下 3 发光二极管 15 第第 3 3 章章 电源电路的设计与分析电源电路的设计与分析 3 13 1全波整流滤波输入电路全波整流滤波输入电路 图 3 1 中 F1 为交流保险丝 当发生过流现象时 F1 就会自动熔断 以断开 市电与内部电路 保证内部电路无损 市电经过由整流桥组成的桥式全波整流电 路 成为脉动直流 图中 C20 是一个滤波电容 使脉动直流变为平滑直流 C20 接在整流电路和驱动主电路之间还起到缓冲的作用 DC 输出为 300V 电压 图 3 1 全波整流滤波电路 3 1 1 桥式整流电路 变换器的最大输出功率设计为 500W 效率为 90 则输入功率 Pin 500 0 9 555 W 3 1 所以输入整流桥电流的有效值为 Pin 220 2 52 A 3 2 在实际使用中 考虑电流的足够裕量 整流滤波电路中的整流桥选用了 Mic KBPC609 3 1 2 滤波电容的选取 滤波电容的容量和输出功率的大小有密切的关系 由于输入级没有 PFC 电路 一种高效率的功率因子改善电路 电路采用零电流转换方式进行控制 并采用双 向开关实现电路初级的同期整流 从而实现了高功率因子 高效率和低高次谐波 16 的功率因子改善电路 电容选得大 输入电流的畸变率高 而容量低又会导致 输入纹波变动范围大 一 滤波电容 滤波电容器在输入电压 220V 20 或输入电压 85V 265V 110V 20 220V 20 时的最高整流输出电压可以达到 370V 因此 应选择额定电压为 400V 的电解电容器或选择两只额定电压为 200V 也可以是 250V 的电解电容器串联使用 需要注意的是 尽管电解电容器的额定电压有 10 左右富裕量 在上述应用场合下 从产品的安全角度考虑是不允许使用额定 电压为 300V 或 350V 的电解电容器 对于带有功率因数校正的整流滤波电路 当 功率因数校正电路输出电压为 380V 时可以选择额定电压 400V 电解电容器 而功 率因数校正电路输出电压高于 380V 时则只能选择额定电压为 450V 的电解电容器 二 滤波电容容量的选择 滤波电容器 为限制整流滤波输出电压纹波 正确选择电容量是非常重要的 通常滤波电容器的电容量在输入电压 220V 20 时按输出功率选择为 不低于每 瓦 1 F 即 1 F W 输入电压 85V 265V 110V 20 220V 20 输入时 按输出功率选择为 不低于每瓦 3 4 F 即 3 4 F W 滤波电容 器电容量的取值依据为 在 220V 20 交流输入及 85V 265V 交流输入的最低值 时 整流输出电压最低值分别不低于 200V 和 90V 在同一输入电压下的整流滤 波输出电压分别约为 240V 和 115V 电压差分别为 40V 和 25V 每半个电源周 波 10mS 整流器导电时间约 2mS ms 其余 8mS 为滤波电容器放电时间 承 担向负载提供全部电流 即 3 3 U tI C O 220V 20 交流输入时 3 4 10 200025 0 8 40 8 6 OO O ImSI mSI C 3 OOOO IIUP200 5 17 3 200 O O O O P U P I 6 3 7 10 6 O PC F 即 1 F W 85V 265V 交流输入时 3 10 32004 0 8 25 8 6 OO O ImSI mSI C 8 3 OOOO IIUP90 9 3 10 90 O O O O P U P I 3 10 6 3 6 O PC F 11 即 3 6 F W 每半个电源周波 10mS 整流器导电时间约 3mS 其余 7mS 为滤波电容器 放电时间 承担向负载提供全部电流 则 滤波电容器容量为 0 88 F W 和 3 15 F W 以上是从滤波后的纹波电压角度考虑如何选择 如果从电解电容器的额定电 流和寿命考虑则需要清楚滤波电解电容器所能承受的纹波电流和预计电容器的寿 命 综上 本课题中选用 470 F 450V 的电解电容 3 23 2开关电源电路开关电源电路 本文采用了半桥驱动芯片 IR2153 和 LM7805 组成的开关电源 如图 3 2 所示 图 3 2 开关电源电路 DC 300V 经前端全波整流滤波电路所得 输入 R19 和 C12 组成一个 RC 18 振荡器 通过改变 R19 或 C12 的大小可以改变电路的工作频率 增加 R9 时 电 路的工作频率会减少 驱动电流和功率都会增加 图中 IR2153 利用 C6 和 D2 构 成自举供电方式 直接驱动高端 低端功率管 HO 输出来驱动 MOS 管 IRFP460 与普通的脉冲变压器驱动等结构形式的半桥电路相比 该电路具有结构简洁 功 能齐全 开关损耗低等优点 适合多种场合使用 由于变换级采用无电感形式的 直流输出电压叠加方式 使能够有效地克服电流输出闭塞的现象 能够有效地适 应电极肥大的场合 电路中通过 7805 进行转换得到 5V 的电压 3 2 1 IR2153 芯片简介 半桥驱动集成电路 IR2153 可直接驱动高端和低端大功率常效应管 可使半 桥驱动电路简化 提高单路性能 故其在电源电路中得到了较广泛的应用 一 引脚排列及主要功能 图 3 3 给出了 IR2153 引脚排列图 图 3 3 IR2153 引脚排列图 VCC 低端逻辑和内部MOS管的门极驱动电源电压 RT 振荡器定时电阻输入端 此端电压波形与半桥高端HO相同 CT 振荡器定时电容输入端 COM 低端返回端 LO 低端门极驱动输出端 VS 高端浮动电源返回端 HO 高端门极驱动输出端 VB 高端MOS管门极驱动浮动电源 IR2153 是 IR 公司生产的为高压 高速功率 MOSFET 或 IGBT 驱动集成电路 IR2153 由低端功率晶体管驱动级 高端功率晶体管驱动级及内部定时振荡电路 组成 可驱动高侧和低侧 MOSFET 或 IGBT 能够提供高达 600V 的直流偏置电压 19 具有自振荡或外接同步振荡功能 振荡频率的设置和 CMOS555 定时芯片类似 f 由定时元件 RT 和 CT 决定 其中 为芯片内部定时 4 1 1 TST CRR f S R 电阻 芯片内部设有死区时间控制 死区时间通常设为 以免高低侧在交替S 2 1 导通时刻产生直通现象 IR2153 集成电路可取代传统的变压器驱动方式 可以 根据自举原理工作 电路外围元件少 电路特别简单实用 半桥输出振荡在由 CT RT 确定的频率上 当充电超过低压阈值时 IR2153 自动启动 IR2153 的开 通时间为 80ns 关断时间为 35ns 为 75 并具有输出关断功能 输出关断 S R 滞后时间为 660ns 二 芯片特点 带自举二极管的浮动设计 最大耐压为600V 允许瞬时负压 欠压保护 内部振荡器频率可调整 高 低通道匹配的死区时间 起动电流很小 仅为90 A 高 低通道的关断功能 低通道输出电压波形与 RT 端电压波形相同 三 芯片内部简化功能框图 IR2153 是在 IR2155 和 IR2151 基础上推出的改进型的 VMOS 和 IGBT 栅极驱 动器 它将高压半桥驱动器和一个类似于 555 时基电路的前端振荡器集成在一个 8 脚芯片上 使其成为一款功能更多 更易于使用的功率驱动 IC 芯片 如图 1 所示 脚 CT兼有保护关断功能 可以用一个低电压信号使驱动器停止输出 另 外 输出脉冲的宽度保持相等 一旦Vcc上升到欠压闭锁阈值 驱动器能以更加 稳定的频率开始起振 通过降低栅极驱动器 di dt的峰值和提高欠压闭锁阈值的 滞后电压到 1V 使电路的抗噪性有了实质性的提高 同时 电路引脚的整体抗 噪保护方面也有所改进 IR2153 的内部简化功能框图如图 3 4 所示 图 3 4 IR2153 的内部简化功能框图 20 3 2 2 TL431 简介 TL431 是美国德洲仪器公司 Texas Instrument 开发的一个有良好的热稳 定性能的三端可调分流基准源 它的全称是可调式精密并联稳压器 俗称可调稳 压管 问世以来 由于它的性能好 体积小 成本低 因而在电压比较器 电 压监视器 延时电路 精密稳流源电路中获得了广泛的应用 特别是在高频开关 电源中 大多采用 TL431 担任输出电压的取样放大 并驱动光电耦合器件 去改 变主变换电路中控制 IC 集成电路 的脉冲宽度或频率 从而实现自动稳压的 功能 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置从 2 5V 到 36V 范围内的任何 值 该器件的典型动态阻抗为 在很多应用中可以用它代替齐纳二极管 2 0 例如 数字电压表 运放电路 可调压电源 开关电源等等 它包括一个精密电 压基准 一个运算放大器和一个并联晶体管 采用 TL431 来制作一些电子电路 能取得很好的效果 既简化了电路 又节约了制作成本 并且制作的电路稳定可 靠 因此 TL431 得到了越来越广泛的应用 TL431 在电路中的作用与工作原 理没有说明 一 TL431 的引脚及主要参数 TL431是一种并联稳压集成电路 因其性能好 价格低而广泛应用在各种电 源电路中 其封装形式与塑封三极管9013等相同 如图3 5所示 图 3 5 TL431封装形式 3个引脚分别为阴极 CATHODE 阳极 ANODE 和参考端REF TL431的主要参数如下 1 最大输入电压为37V 2 最大工作电流150mA 21 3 内基准电压为2 5V 4 输出电压范围为2 5 30V TL431可等效为一只稳压二极管 二 TL431 的功能模块 TL431的具体功能可以用如图3 6的功能模块示意 图 3 6 TL431功能模块示意图 由图可以看出 VI 是一个内部的 2 5V 基准电压 接在运放的反相输入端 由 运放的特性可知 只有当 REF 端 同相端 的电压非常接近 VI 2 5V 时 三 极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过 而且随着 REF 端电压的微笑变化 通 过三极管的电流将从 1 到 100mA 变化 三 TL431 的阴极最低电压点 图 3 7 是一个通过对电位器 RP1 的调节 来改变 TL431 的控制极 R 电压 从而得到一组对应的 TL431 阴极 K 电压的实验电路 从图 2 8 实验数据知道 该 TL431 控制端参考电压 VREF 在 2 53V VREF 的额定范围 2 44V 2 55V 左右 当控制极 R 电压从 2 52V 上升到 2 53V 时 阴极 K 电压从 11 52V 下降到 2 10V 下降了 9 42V 但是 当再增加 VREF 电压时 阴极电压基本停留在 1 98V 左右 不再下降 有人一直以为 TL431 作为比较器使用时 阴极输出低电 平时的电压会低至 0 7V 以下 甚至想象应该在 0 3V 左右 这主要是受 TL431 方 框图的影响 实际上由于内部电路与框图有所不同的原因 阴极电压最低点只能 达到 1 98V 左右 厂方资料 2V 这是我们在采用 TL431 设计电路时必须要注 意的问题 图 3 7 改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据 说明 R2 为 TL431 的限流负载电阻 这里设定阴极最大电流约为 25mA LED1 为指示灯 当调节电位器 RP1 的阻值时 即改变了 TL431 的控制极 电压 R 其阴极电压 K 会随之改变 四 TL431 的临界状态 从实验中知道 当TL431控制极电压从2 50V变化到2 52V时 其阴极电压从 12 95V下降到11 52V 下降了1 43V 特别是阴极电流相应地从0 51mA上升到 了3 2mA TL431的这个临界状态特性会使由TL431组成的比较器等电路带来设计 22 上的麻烦 在阴极电压变化较缓慢的电路中 甚至使设计的比较器电路不能正常 工作 所以 要十分引起注意 一般利用TL431的比较器特性的电路 大多应用 在控制极电压较快增长的电路里 利用其输出突变的特性对电路起保护作用 如 果用在采用LED指示器的测量电路中 可能会因其临界状态而影响实际效果 TL431在一些恒流 反馈 稳压电路中使用时 一般将阴