单输入（ 5V）多输出直流电源电路设计与实现.doc

单输入（+5V）多输出直流电源电路设计与实现本题目是针对自动测控系统中由于对象复杂，对电源电压要求种类较多，但电流要求不大的情况，要求在只有常规的单+5V电压输入的条件下，设计一个具有5V，12V以及3.3V等输出的直流稳压电源随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中。一、线性稳压电源和开关稳压电源1、线性稳压电源所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整功率管工作于线性放大区。其工作过程可简述为，将220V/50HZ的工频电网电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。原理框图：U0工频变压器整流滤波电路基准源电路比较放大器取样反馈控制电路UV220V50HZ图为线性稳压电源原理框图线性稳压电源的缺点：、内部功耗大，转换效率低；、体积大，重量重，不便于微型化和小型化；、必须具有较大的输入和输出滤波电容；、输入电压动态范围小，线性调整率低；、输出电压不能高于输入电压。2、开关稳压电源开关稳压电源的结构：它有全波整流器、开关功率管V、PWM（脉宽调制）控制与驱动、续流二极管VD、储能电感、输出滤波电容和采样反馈电路等组成。一次整流滤波电路：开关电源的工作方式与线性电源比较，它省去了降压工频变压器 ，而是直接将电网的交流电压（220V）整流滤波，变为直流电压（300V），直接供给DC/DC变换器，消除了工频变压器带来的损耗。DC/DC变换器：是由主功率变换器和二次整流滤波电路组成。主功率变换电路的主要任务是将输入的直流变换成高频交流矩形波（一般可将频率可变到几十千赫兹到几百千赫兹）。二次整流滤波的目的是为了得到平滑的直流输出电压。主功率变换器的激励方式有他激式和自激式两种。他激式电路需要附加一个振荡器来产生开关脉冲，开关脉冲作用于开关管使电源电路有输出。自激式电路是利用开关管、脉冲变压器等构成正反馈环路形成自激振荡，使开关稳压电源有电压输出，电视机正常工作时自激振荡受行频脉冲同步，解决了开关电源的独立工作能力。自激式电源即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能自激振荡而有直流电压输出，这对电视机的维修与调整是较为方便的。控制电路：它是由比较电路、占空比控制电路和放大电路组成。开关电源的控制方式不是采用反馈信号直接去控制调整元件的导通程度，而是利用反馈信号去控制调整管的通断时间，也就是“时间控制法”。 时间控制法有三种，即脉冲宽度控制（调宽PWM）、脉冲频率控制（调频PFM）和混合式控制（调频-调宽）。所谓脉宽控制是指在变换器开关周期恒定的条件下通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方法；脉冲频率控制是指在变换器导通脉冲宽度恒定的条件下，通过改变开关工作频率来改变占空比的方法。取样电路：是将输出电压变化的情况通过采样取出，并通过反馈网络送回到控制电路。保护电路：是使电源在异常情况下（如电源输入电压太高，输出负载短路等）使电源处于安全工作状态。开关稳压电源的核心部分是直流变换器。直流变换器是把直流转变成交流，然后又把交流转换成具有不同输出的直流的装置。整流滤波电路PWM控制与驱动电路输出滤波取样反馈控制电路UiU0220V50HZ图为开关稳压电源等效原理图开关稳压电源的优点：、内部功率损耗小，转换效率高；、体积小，重量轻；、稳压范围宽，线性调整率高；、滤波效率提高，滤波电容容量和体积减小；、电路形式灵活多样，选择余地大。开关稳压电源的缺点：、开关稳压电源存在着较为严重的开关噪音和干扰；、电路结构复杂，不便于维修；、成本高，可靠性低。二、开关稳压电源的发展状况1、国际发展状况1) 开关稳压电源的发展史1955年，美国的科学家罗耶研制的利用磁心的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械式换流设备。由晶体管制成的稳压电源输出路数多，输出极性可变，转换效率高，体积小，重量轻，因而被广泛地应用与航海、航空以及军事电子设备上。由于当时的微电子设备和技术十分落后，不能够研制出耐压较高，开关速度较快，功率较大的开关晶体管，因此只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。另外，由于输入电压不能过高，因此当时的直流变换器中还含有工频降压变压器。20世纪60年代，微电子快速发展，高反压、大电流的功率开关晶体管的出现，使直流变换器可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电，因此开关稳压电源的体积和重量大幅度减少和降低，开关稳压电源真正走上了被普及与应用的道路。20世纪70年代以后，高频率、高反压、大电流的开关功率晶体管，高频率、高温度电容、高反压、大电流、快恢复肖特基二极管，高频变压器磁心等元器件的出现，使无工频变压器开关稳压电源得到了不断的完善和快速的发展。2) 目前正在克服的困难3) 面对困难所出现的新突破和新进展三、开关稳压电源的原理分类：升压式开关稳压电源电路：输出电压高于输入电压；降压式开关稳压电源电路：输出电压低于输入电压，即串联型开关稳压电源电路；极性反转式开关稳压电源电路：输出电压与输入电压极性相反，即并联型开关稳压电源电路。开关稳压电源的原理1、升压型开关稳压电源它由功率开关V、二极管VD、储能电感L、滤波电容C、驱动电路和反馈电路等组成。U0整流滤波电路PWM控制与驱动电路取样反馈控制电路Ui220V50HZUceVIcI1IcIo图为升压型开关稳压电源原理框图升压型开关稳压电源的工作原理：设功率开关V的转换周期为T，导通期的时间为Ton，截止期的时间为Toff，占空比为D（D=Ton/T）。工作原理为：当功率开关V处于导通期间时，输出电压Ui加到储能电感L的两端（这里忽略功率开关V的饱和导通管压降），二极管VD因被反向偏置而截止，流过储能电感L上的电流I1为近似线性上升的锯齿波电流，并以磁能的形式存储在储能电感L中，在此期间，储能电感L中流过电流的变化量为：I11=(UiL)Ton当功率开关V截止时，储能电感L两端的电压极性相反，此时二极管VD被正向偏置而导通，存储在储能电感L中的能量通过二极管VD传输给负载电阻R1和滤波电容C，储能电感L中的泄放电流I1是锯齿波电流的线性下降部分。在此期间，储能电感L中流过电流的变化量为：I12=(Uo/L)Toff同理，在功率开关V饱和导通期间，在储能电感L中增加的电流数值应该等于功率开关V截止期间在储能电感L中减少的电流数值。只有这样才能达到动态平衡，才能达到稳压电源最基本的条件，才能给负载电阻R1一个稳定的输出电压。因此，Ui/LTon=Uo/LToff将Ton=TD和Toff=T(1-D)代人得Uo=(Ton/Toff)Ui=D/(1-D)。这就是升压型开关稳压电源输出电压Uo和输入电压Ui之间的关系。2、降压型开关稳压电源降压型开关稳压电源的基本电路由一次整流和滤波、功率开关V、续流二极管VD、储能电感L、二次滤波电容C、PWM控制和驱动电路以及采样和反馈电路组成。U1Uce整流滤波电路PWM控制与驱动电路取样反馈控制电路Ui220V50HZIcIoVIcI1UoId图为降压型开关稳压电源原理图降压型开关稳压电源的工作原理：功率开关V的工作周期T=Ton+Toff,占空比为D=Ton/T。其工作过程可以用功率开关V的导通、关闭以及开关稳压电源实现动态平衡等过程来解说。在Ton=t1-t0期间，功率开关V导通，续流二极管VD因反向偏置而截止，储能电感L两端所加的电压为Ui-Uo。虽然输入电压是一个直流电压，但电感L中的电流不能突变，而功率开关V导通的Ton期间，电感L中的电流I1将会线性的上升，并以磁能的形式在储能电感L中存储能量。这时，储能电感L中的电流I11为：I11=(Ui-Uo)/L(t-t0)+I10，式中，I10为t0时刻储能电感L中的电流。在t1时刻，储能电感L中的电流上升到最大值，其最大值为：I1max=(Ui-Uo)/L(t1-t0)+I10；储能电感L中的电流的变化量为：I11=I1max-I11=(Ui-Uo)/L（t1-t）；在t=t0时，储能电感L中电流最大变化量为：I1max1=（Ui-Uo）/L(t1-t0)=(Ui-Uo)/LTon。在Toff=t2-t1期间，功率开关V截止。但是在t1时刻，由于功率开关V刚刚截止，并且储能电感L中的电流不能突变，于是L两端就产生了与原来电压极性相反的自感电动势。此时，续流二极管VD开始正向导通，储能电感L所储存的磁能将以电能的形式通过续流二极管VD和负载电阻R1开始泄放。这里的二极管VD起着续流和补充电流的作用。储能电感L所泄放的电流I12的波形就是锯齿波中随时间线性下降的那段电流。这时，储能电感L中的电流I12为：I12=-Uo/L（t-t1）+I1max；在t2时刻，储能电感L中的电流达到最小值，其值为：I1min=-Uo/L（t2-t1）+I1max；储能电感L中电流的变化量为：I12=-Uo/L（t2-t）；在t=t1时，储能电感L中的电流变化值最大为：I1max2=-Uo/L（t2-t1）=-Uo/LToff。只有当功率开关V导通期间Ton内储能电感L增加的电流I1max1等于功率开关V截止期间Toff内减少的电流I1max2时，才能达到平衡，才能保证储能电感L中一直有能量，并源源不断地向负载电路提供能量和功率。因此，(Ui-Uo)/LTon=Uo/LToff整理后得，Uo=Ton/(Ton+Toff)Ui=DUi=Ton/TUi。由于占空比D是一个永远小于1的常数，所以输出电压Uo永远小于输入电压Ui。3、极性反转型开关稳压电源所谓极性反转就是指输出电压与输入电压的极性相反。它由功率开关V、二极管VD、储能电感L、滤波电容C、驱动电路和反馈控制电路等组成。UceId整流滤波电路PWM控制与驱动电路取样反馈控制电路Ui220V50HZIcIoVIcUoLU1I1图为极性反转型开关稳压电源原理图极性反转型开关稳压电源的工作原理：功率开关V导通时，二极管VD因反向偏置而截止，此时在储能电感L中储存的能量为：P1=(LI1p2)/2=(Uo2Ton2)/(2LT)；功率开关截止时，二极管VD因正向偏置而导通，此时在储能电感L中储存的能量将会通过二极管VD传输给负载，输出电压与输入电压的关系为：Uo=-UiD/(1-D)。四、设计的电源电路图1、输出5V的直流电源如图所示为采用MAX764构成的可调式极性反转电源。图为采用MAX764构成的5V的电源输出MAX764是反向输出地PWM式DC/DC变换器集成电路芯片。MAX764芯片在较宽的输出负载电流范围内具有较高的转换效率，输出功率可达1.5W；除了具有完全的限流式的PFM控制电路结构外，而且还混合了PWM控制电路的特点。利用外部储能电感、滤波电容和续流二极管构成极性反转电路，产生负压输出。输入电压在316V之间，输出电压可固定为-5V还可设置成-15V可调。最大输出电流为250mA，效率达80以上，静态电流为120A，关断状态为5A。MAX764的封装为DIP8。MAX764的管脚引线功能简介：OUT：对于固定输出，该端为输出电压采样输入端；构成固定输出式应用电路时，该端应该连接到应用电路的输出端。FB：反馈控制输入端。对于固定输出，该端接到REF端，就使用芯片内部的分压器；对于构成输出电压可调式的应用电路，该端应该连接到外加分压器的输出端。SHDN：芯片的关闭模式外部控制端。当该端为高电平时，芯片处于关闭模式；为低电平时，芯片处于启动工作状态。若要构成不需外部控制的应用电路，该端应该连接于GND。REF：芯片内部1.5V基准电压源的输出端。构成应用电路时，该端与GND之间外接一个容量在0.1uF以上的电容。V+：芯片的电源电压输入端。构成应用电路时，芯片的所有V+连接一起，并在靠近芯片与GND之间外接一个容量在0.1uF以上的滤波电容。Lx:芯片内部P-MOSFET功率开关的漏极引出端。图为外形及管脚2、输出12V的直流电源图为采用MAX743构成的升压型电源电路：三、串联开关稳压电源工作原理开关稳压电源的工作原理：以串联开关型稳压电源为例，介绍开关稳压电源的工作原理，串联开关型稳压电源原理图如图1所示。图中U1是未经稳压的的直流输入电压，晶体管VT为开关管，UB为矩形波，控制开关管的工作状态，电感L和电容C组成滤波电路，VD为续流二极管。电路主要由开关管、开关驱动电路和滤波电路组成。 开关管和滤波电路的工作原理如图1所示。驱动电路的工作原理：由式(1)可知，当电路的输入电压波动或者电路的负载发生变化而引起输出电压的变化时，如果能在UO增大时，减小控制电压UB的占空比或在UO减小时，增大UB的占空比，那么输出电压就可以获得稳定。驱动电路的工作原理如图1所示。驱动电路主要由取样