主板开关电源的设计与检测（含源程序）

本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455主板开关电源的设计及检测摘要：随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域取得了显著的成果。本论文是通过用电源控制芯片 M51995AFP 设计并制作一种开关电源，该开关电源是通过 PWM 技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。本毕业设计的宗旨是实现开关式电源方案并运用到交流电源稳定的场合。阐述一种利用脉冲宽度调制（PWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和 LC 滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。本文先从交流开关稳压电源的实现机理逐步展开，涉及到可控正弦波产生器、三角波发生器、比较器、脉冲宽度调制（PWM）器、高速电子开关、高频电压变换器以及微处理器及其周边元部件等。接着对调试、检测等也有相应的叙述关键词：脉冲宽度调制（PWM）器 ； 电子开关 ； 电子变压器 ；本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455Design and Detection Of The Main boards Power SwitchAbstract：With the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable results. The purpose of this papers is to design and make a switching power supply based on control chip M51995AFP and PWM Control. This switching power supply could adjust the output voltage by using the duty cycle of PWM Control. Stable output purposes could be attained. The objective of this graduation projects is to realizes the switch type power source plan and use into the alternating current supply stable situation. Elaborated a kind of mentality that using the pulse width modulation (PWM) the technical coordination high-speed electronic switch and the high frequency electronic transformer and the LC filter to realize the exchange switch type voltage-stabilized source. Compares the angle type exchange voltage-stabilized source with the traditional silicon-controlled rectifier. This type has high efficiency , small volume , low misalignment degree of distortion ,and it is very stable of output voltage and electric current and so on characteristics. This article Launches gradually from the mechanism of the exchange switch voltage-stabilized source, involves to the controllable sine wave producer, the triangular wave generator, the comparator, the pulse width modulation (PWM), the high-speed electronic switch, the voltage converter as well as the microprocessor and the peripheral Yuan part and so on. Then to debugs, the examination and so on also have a corresponding certain introduction, finally has given the conclusion which tests according to the design requirements.Key words: Switching Power Supply; Duty cycle; PWM本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455目录1 绪论 .11.1 开关电源的概念和分类 .11.1.1 开关电源的概念.11.1.2 开关电源的分类.31.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展 .51.2.1 开关电源中存在的问题.51.2.2 开关电源的发展趋势.52 开关电源的设计基础 .62.1 开关电源的控制方式 .62.1.1 脉宽调制的基本原理.62.1.2 脉冲频率调制的基本原理.72.2 各类拓扑结构电源分析.82.3 谐振式电源与软开关技术 .132.3.1 电路的谐振现象.132.3.2 谐振式电源的基本原理.142.3.3 谐振开关的动态过程分析.152.3.4 软开关技术及常见软开关拓扑简介.192.4 其它软开关技术应用及发展概况 .253 开关电源设计 .273.1 开关电源集成控制芯片 .273.1.1 芯片管脚排列及说明.273.1.2 芯片基本特性.283.1.3 芯片工作原理分析.293.2 开关电源电路分析.363.2.1 开关电源电路原理图.363.2.2 开关电源各单元电路具体分析.384 开关电源故障的检测 .444.1 开关电源故障的一般检测 .444.1.1 外观、结构、工作噪声检验方法.444.2 综合电气性能测试实验.45本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：1945354554.2.1 绝缘电阻和抗电强度测试.454.2.2 输入浪涌电流.464.2.3 输出电压、输入功率、输入功率因素、工作效率.464.2.4 输出电压纹波及噪声.474.2.5 输出过流保护值和短路保护（OCP 和 SCP）.484.2.6 输出电压过压保护（OVP）.494.2.7 过冲幅度及暂状恢复时间.494.2.8 启动时间及维持时间.50结论52参 考 文 献.53致谢.54附录.55本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：1945354551 绪论开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。1.1 开关电源的概念和分类电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。1.1.1 开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。日常生活用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。按照电子理论，所谓 AC/DC 就是交流转换为直流；AC/AC 称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC 称为逆变；DC/DC 为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自 20 世纪 60 年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply） 1。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter） ，常用的 AC/DC 变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成，如图 1-1 所示。本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455低通滤波有源调整一次整流电子开关高频变压器采样输出平滑滤波二次整流脉宽调制基准电压误差放大比较器脉冲驱动输入电路 功率因数校正功率转换 输出电路直流输出V0控制电路频率振荡发生器交流输入电压2 2 0 V图 1-1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V 交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压 Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC） ，是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间 与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比ont（D） ，D= 。ton断开时间 所占 T 的比例称为断开占空比（D） ， 。开关周期是开关oft TtDof频率的倒数， 。例如：一个开关电源的工作频率是 50kHz，它的周期f1本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455（微秒） 。很明显，接通占空比（ D）越大，负载上的电压sT20153越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：(1) 节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到 85%，质量好的可以达到 95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有 70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于 92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。(2) 体积小，重量轻。据统计，100W 的铁芯变压器的重量为 1200g 左右，体积达 350cm3，而 100W 的开关电源的重量只有 250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的 1/4。(3) 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。(4) 改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。(5) 根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。1.1.2 开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关” ，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关是接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用 PWM 来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到 5MHz 以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关” ，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching） 。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching） 。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。DC/DC 变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC 变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有 6 种拓扑，即降压式（Buck） 、升压式（Boost） 、升压降压式（Buck-Boost） 、串联式（Cuk ） 、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata） 。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF） 、调宽式（PWM ） 、调幅式（PAM ）和谐振式（RSM ）4 种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter） 、反激式（Feedback Converter Mode） 、半桥式（Half Bridge Converter） 、全桥式（Overall Bridge Mode） 、推挽式（ Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC ）等 6 种。按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫 PWM 变换器。本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：1945354551.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展1.2.1 开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：(1) 器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。(2) 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。(3) 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC 变换、DC/AC 变换以及 DC/DC 变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。(4) 软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。(5) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。1.2.2 开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达 210MHz，效率达到 95%，功率密度为 36W/cm2，功率因数高达 0.99，长期使用完好，寿命在80000h 以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V） 、更大的输出电流（数百安） ；第五，能不能实现更小的电源模块 2本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：1945354552 开关电源的设计基础2.1 开关电源的控制方式目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制方式，很少见到混合调制方式。脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图 3-1 所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调节方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低 6。to nto ntto f fTto f fTVi nVi nV0V000t(a) PWM 控制方式 to nto f fT1T2tVi nVi nV0V000 t(b) PFM 控制方式图 2-1 PWM、PFM 控制方式和波形图2.1.1 脉宽调制的基本原理开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解。220V 交流输入电压经过整流（BR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、PWM 比较器和锯齿波发生器组成，如图3-2 所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压 V0 下降时，与基准电压比较的差本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455值增加，经本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455发达后输入到 PWM 比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管 VD整流和电容 C2 滤波后，输出电压上升，反之亦然。P W M比较器锯齿波发生器-+基准电压源P W M 调制器A C2 2 0 V5 0 H ZB RT RV DC2+-V0V T误差放大器图 2-2 脉宽调制的原理图2.1.2 脉冲频率调制的基本原理脉冲频率调制的过程是这样的：如图 3-3 所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与 5V 基准电压进行比较，输出误差电压 Vr，并以此电压作为控制电压来调制 VCO 的震荡频率 f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动 MOS 开关管，最后经高频变压器 TR 和整流滤波获得稳定的输出电压 V0。假设由于某种原因而使 V0上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V 0V rfV 0 。该循环的结果是输出电压 V0 趋于稳定，反之亦然。这就是 PFM 的工作原理。假设电源效率为 ，脉冲宽度为 m，脉冲频率为 f，则有 V0= 。当 确定后，通过调制 VCO 的震荡频1fm1率就可以调节输出电压 V0，并实现稳定输出。需要指出的是： a、b、c 是压控振荡器外围元件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D 端为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455压控振荡器零电压比较器 控制逻辑误差放大器V C 0瞬时定时器+-+-abcd0 . 5 V5VVrFV TT R+ BV DV0CR图 2-3 脉冲频率调制的基本原理2.2 各类拓扑结构电源分析(1) 非隔离型开关变换器 降压变换器Buck 电路：降压斩波器，入出极性相同。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：, (2-1) ionof()Utt,it,iononf()t(2-2)i/即，输入输出电压关系为：(占空比)oi/U图 2-4 Buck 电路拓扑结构在开关管 S 通时，输入电源通过 L 平波和 C 滤波后向负载端提供电流；当 S 关断后，L 通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。 升压变换器Boost 电路：升压斩波器，入出极性相同。UoIDSIDVDIDLIDCID本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455利用同样的方法，根据稳态时电感 L 的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：(2-3)oi/1()U图 2-5 Boost 电路拓扑 结构这个电路的开关管和负载构成并联。在 S 通时，电流通过 L 平波，电源对 L 充电。当 S 断时， L 向负载及电源放电，输出电压将是输入电压 ，因而有升压iU作用。 逆向变换器Buck-Boost 电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。电压关系：(2-4)oi/(1)U图 2-6 Buck-Boost 电路拓扑结构S 通时，输入电源仅对电感充电，当 S 断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。所以，这里的 L 是用于传输能量的器件。 丘克变换器Cuk 电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。电压关系： (2-5)oi/(1)UUiIDUoIDSIDVDIDLIDCIDUiIDUoIDSIDVDIDCIDL本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455图 2-7 Cuk 变换器电路拓扑结构当开关 S 闭合时，Ui 对 L1 充电。当 S 断开时，Ui+EL1 通过 VD 对 C1 进行充电。再当 S 闭合时， VD 关断，C1 通过 L2、C2 滤波对负载放电，L1 继续充电。这里的 C1 用于传递能量，而且输出极性和输入相反。(2) 隔离型开关变换器 推挽型变换器下面是推挽型变换器的电路。图 2-8 推挽型变换电路S1 和 S2 轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经 L、C 滤波，送给负载。由于电感 L 在开关之后，所以当变比为 1 时，它实际上类似于降压变换器。 半桥型变换器图 3-9 给出了半桥型变换器的电路图。当 S1 和 S2 轮流导通时，一次侧将通过电源 -S1-T-C2-电源及电源-C1-T -S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经 L、C 滤波，送给负载。同样地，这个电路也相当于降压式拓扑结构。C1C2L2R UoVDL1SUiS2S1LC RN1N1N2N2UiUoT本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455图 2-9 半桥式变换电路 全桥型变换器图 2-10 全桥式变换电路当 S1、S3 和 S2、S4 两两轮流导通时，一次侧将通过电源 -S2-T-S4-电源及电源-S1-T -S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经 L、C 滤波，送给负载。这个电路也相当于降压式拓扑结构。 正激型变换器下图为正激式变换器图 2-11 正激型变换器电路当 S 导通时，原边经过输入电源-N1-S -输入电源，产生电流。当 S 断开时，N1 能量转移到 N3，经 N3-电源-VD3 向输入端释放能量，避免变压器过饱和。 VD1用于整流，VD2 用于 S 断开期间续流。 隔离型 Cuk 变换器隔离型 Cuk 变换器电路如下所示：TN3 CLR N2 UoSN1 VD2VD3UiCUiS3S2LRN1 N2N2 UoTS4S1C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455图 2-12 隔离型 Cuk 变换器当 S 导通时， Ui 对 L1 充电。当 S 断开时，Ui+E L1 对 C11 及变压器原边放电，同时给 C11 充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过 VD 对 C12反向充电。在 S 导通期间， C12 的反压将使 VD 关断，并通过 L2、C2 滤波后，对负载放电。这里的 C12 明显是用于传递能量的，所以 Cuk 电路是电容传输变换电路。 电流变换器能量回馈型电流变换器电路如下图所示。图 2-13 能量回馈型电流变换器电路该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2 断开期间，使得变压器能量转移到 N3 绕组，通过 VD3 回馈到输入端。下面是升压型变换器的电路图：图 2-14 升压型电流变换器电路S2S1C RN1N1N2N2UiUoTLVD1VD2S2S1C RN1N1N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3N2C12TC2L2R UoS N1VDUiL1 C11本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L 积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和 Ui 叠加在一起，对另一侧放电。因此，L 有升压作用。(3) 准谐振型变换器在脉冲调制电路中，加入 R、L 谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源称为谐振式开关电源。利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为： ZCS 零电流开关。开关管在零电流时关断。 ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。2.3 谐振式电源与软开关技术2.3.1 电路的谐振现象为了更好地理解谐振式电源，这里回忆一下电路谐振的条件及其特点。(1) 串联电路的谐振一个 R、L、C 串联电路，在正弦电压作用下，其复阻抗：(2-6)(1/)ZRjLC一定条件下，使得 XL=XC，即 ， ，此时的电路状态称为串联ZR谐振。明显地，串联谐振的特点是： 阻抗角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压 U 和电流 I 同相。 此时的阻抗最小，电路电流有效值达到最大。 谐振频率： 01/LC 谐振系数或品质因素：(2-7)00/1/QRLCR由于串联谐振时，L、C 电压彼此抵消，因此也称为电压谐振。从外部看，L、C 部分类似于短路。而此时 Uc、 UL 是输入电压 U 的 Q 倍。Q 值越大，振荡越强。这里的 ，我们称为特性阻抗，它决定了谐振的强度。0/Z本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455 谐振发生时，C、L 中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。(2) 并联电路的谐振一个 R、L、C 并联电路，在正弦电压作用下，其复导纳：(2-8)1/(/)YRjLC一定条件下，使得 ，即 ，Y=1/R，此时电路状态称为并联谐LC振。明显地，串并谐振的特点是： 导纳角等于零，电路呈纯电阻性，因而电路端电压 U 和电流 I 同相。 此时的导纳最小，电路电流有效值达到最小。 谐振频率： 。01/LC 由于并联谐振时，L、C 电流彼此抵消，因此也称为电流谐振。从外部看，L、C 部分类似于开路，L、C 各自有效电流却达到最大。 谐振发生时，C、L 中的能量不断互相转换，二者之间反复进行充放电过程，形成正弦波振荡。2.3.2 谐振式电源的基本原理谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM 一般只能达到几百 K，但谐振开关电源可以达到 1M 以上。普通传统的开关电源功率因数在 0.4-0.7，谐振式电源结合功率因数校正技术，功率因数可以达到 0.95 以上，甚至接近于 1。从而大大抑制了对电网的污染。这种开关电源又分为： ZCS 零电流开关。开关管在零电流时关断。 ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。在脉冲调制电路中，加入 L、C 谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455图 2-15 电流谐振式开关电路和电压谐振式开关电路ZCS 电流谐振开关中， Lr、Cr 构成的谐振电路通过 Lr 的谐振电流通过 S，可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而 Us 为矩形波电压。ZVS 电压谐振开关中，Lr、Cr 构成的谐振电路的 Cr 端谐振电压并联到 S，可以控制开关在电压过零时进行切换。这个谐振电路的电压是正弦波，而 Is 接近矩形波。以上两种电路，由于开关切换时，电流、电压重叠区很小，所以切换功率也很小。以上开关电源是半波的，当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。2.3.3 谐振开关的动态过程分析实际上，谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是 L、C 电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面，对这个过程做一些分析，以了解谐振开关的工作原理。(1) 零电流开关实际的零电流开关谐振部分拓补又分 L 型和 M 型。如下面两组图形所示：S L1C1S L1C1VD1SL1C1VD1onoffSIsTsTon ToffSUsTsIcUiSLrCrVDIcUiSLrCrVD本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455图 2-16 L 型零电流谐振开关（中半波，右全波）图 2-17 M 型零电流谐振开关（中半波，右全波）这里的 L1 用于限制 di/dt，C1 用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代 PWM 电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck 电路的拓扑结果，可以得到如下电路：图 2-18 Buck 型准谐振 ZCS 变换器（L 型）图 2-19 Buck 型准谐振 ZCS 变换器（M 型）这里，分析一下 L 型电路的工作过程。S L1C1S L1C1VD1SL1C1VD1ViVD2VD1L1L2C2 RLSC1V0i1ViVD2VD1L1L2C2 RLSC1 V0本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455假定这是一个理想器件组成的电源。L2 远大于 L1，从 L2 左侧看，可以认为流过 L2、 C2、RL 的输出电流是一个恒流源，电流 I0。谐振角频率：(2-9)0r1/LC特性阻抗：(2-10)0r/Z动态过程如下： 线性阶段（ ）：01t在 S 导通前，VD2 处于续流阶段。此时 。S 导通时，L1 电流由 0 开VD2C10始上升，由于续流没有结束，此时初始 。L1i由 ，且 L1 初始电流为 0，有： L1i1/Vdt(2-11)1i1()/Vt到 t1 时刻，达到负载电流 I0，因此：此阶段持续时间：(2-12)101i/TtLI可以看出，此阶段 是时间的线性函数。1i 谐振阶段（ ）：2t在电流 i1 上升期间，当 时，由于 无法供应恒流 ，续流过程将维持。当10iI1i0I时，将以 对 C1 充电，VD2 开始承受正压， VD2 电流下降并截止。10iI0IL1、C1 开始串联谐振， 因谐振继续上升。1i(2-13)c1c10/CdVtiI(2-14)LiCi因而：(2-15)10c10101/*sin()iIiVZt其中， 为谐振电流。c1i本科毕业设计（论文）全套资料扣扣：194535455(2-16)c1L110101cos()cos()VVtVt谐振到 时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波at开关，开关关断后，将通过 VD1 进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻电流第二次为 0。本阶段结束，这时的时刻为 t2。btVC1在 i1谐振半个周期， 时，达最大值。 第一次过零（ ）时，S 断开。10iI1iat如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1 经半个周期的阻尼振荡到电流为 0（ ）时，将放电到一个较小值。bt可以看出谐振阶段 前， 、 是时间的正弦函数；如为全波开关，还