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dq032
cdcd
开关电源
设计
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【DQ032】CDCD开关电源设计,dq032,cdcd,开关电源,设计
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1 研究背景 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。 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图 1示， 开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波 器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图 1示。 前 ,开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展 :应用技术的高频化 ;硬件结构的模块化 ;软件控制的数字化 ;产品性能的绿色化。由此 ,新一代开关电源产品的 技术含量大大提高 ,使之更加可靠、成熟、经济、实用。 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，并使开关电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。 近年 ,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去 ,构成了“智能化”功率模块 (这样缩小了整机的体积 ,方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性 ,有些制造商开发了“用户专用”功率模块 (它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中 ,使元器件间不再有传统的引线相连 ,这样的 模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计 ,达到优化完善的境地。 C 变换器 驱动器 较 放大 取样 参考 电压 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源 ,它以小型、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。而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流时 ,以及将研究新技术应用于C 变换器 ,即开拓了大功率应用领域 ,又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子技术的电气工程领域。作为节能、节材、自动化 、智能化、机电一体化的基础的开关电源 ,它的产品展现了广阔的市场前景。例如 ,发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。 2、存在的问题 当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性 ： 采用定频调宽的控制方式来设计电源，都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的，则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续 ； “ 反峰电压 ” 是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个 “ 低阻抗通道 ” ，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但 “ 单调 ” 控制方法不具备这一条件 ；高频变压器的磁通复位问题 ； 传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高， 这个 问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的 “ 瓶颈 ” ； 高频开关电源的并联同步输出问题 。 以上的问题看似 彼此独立，其实它们之间存在着一定的关联性解决这些 问题，也许还是一条艰难而漫长的路 。 3、本设计主要要解决的问题和方法 （ 1）相关电路的选择：整流电路的选择、 单相半波整流电路 、 单相桥式整流电路 、 防止电流冲击的设计 。 （ 2） 参数计算以及元器件的选型 、 控制方式的选择 、 功率转换电路的选择 、 单端正激变换器的设计 、 变压器设计 、 电感的参数计算 、 二极管和电容器的选择 、 开关管的选择 、 控制电路的设计。等电路的选择 。 （ 3） 控制模式的选择 关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的 要有五种 馈控 制模式。 （ 4） 开关电源集成控制器 开关电源主要由主回路和控制回路两大部分组成，主回路是将交流电网的电能传递给负载的回路，控制回路是按输入输出条件控制主回路的工作状态的回路，将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。开关电源集成控制器多为脉宽调制型 (早期 为电压型，缺点是瞬念响应不好。电流控制型 性能和功能均优于电压控制型，国外新生产的电流 制器品种和数量最多，有完全取代电压控制型的趋势。本设计采用 （ 5） 电压检测电路 电压反馈的唯一功能就是使输出电 压保持在一个固定的值，电源系统中，对输出电压进行分压（分压比例为电压参考值与额定输出电压的比值），将此电压与参考电压的误差通过误差放大器，用于校正脉宽，使输出电压稳定。由于 部有误差放大器，我们只需将输出电压检测出来即可，本设计采用在主输出端串电阻的方式检测输出电压，并反馈到集成控制器，构成闭环。 （ 6） 电流检测电路 电流模式控制具有动态反应快、补偿电路简化、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点，因而取得越来越广泛的应用。而在电流模式的控制电路中，需要准确、高效地测量电流值，故电流检测电路的实 现就成为一个重要的问题。在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻小损耗也小。电流检测电路的实现方法主要有两类：电阻检测（ 电流互感器（ 测。 （ 7） 电阻检测 当使用电阻检测法直接检测开关管的电流时还必须在检测电阻 并联一个小 波电路，因为当开关管断开时集电极电容放电，在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰，此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定，从而 使 路出错。但是在实际电路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大，达数瓦，甚至十几瓦；而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。 （ 8） 启动和集成电路供电电路设计 输入高于直流电压 20V 时，输入电压不能直接供电给控制芯片 需要采用辅助电源电路，这部分电路的主要功能是用一个分流或串联的线形电源给控制器提供比较稳定的电压。 （ 9） 保护电路的设计 开关电源电路担负着向整个电子设备各单元电路提供电压和功率的任务，因此，开关电源电路一旦发生故障 ，整个电子设备就不能正常工作，严重时还会引起一系列的烧坏元器件典故，其后果极其严重。在开关稳压电路中，功率开关管工作在高电压、大电流状态之下，其故障率比小信号电路要高得多，这不仅要求功率开关管及其电源电路的可靠性高，而且还要设置一些必要的保护电路，使其在一旦出现故障或故障先兆时迅速切断电源以免故隙蔓延，损坏更多的无器件。 在设计之中，我们会碰 各个内容。 我们只有多查看资料，多多吸取前人的经验。 1 C 直流开关电源设计 与实现 名 摘 要 ： 本 文主要介绍了 C 直流开关电源设计 ,在主回路中整流电路采用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边绕组的方法实现多路输出；控制电路采用 制，控制器采用开关电源集成控制器 计了过压保护电路、电压检测电路和电流检测电路 。 【 关键词 】 C 变换器、 制、整流、滤波。 1 背景分析 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。 2、 开关电源的基本原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图所示，换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制 半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图所示。 C/换器 驱动器 较 放大 取样 参考 电压 2 3、 整流电路的设计 整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。整流电路的选择 如下： 单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路 电容输入型 的基本电路如图 2 a）为半波整流电路（ b）为中间抽头的全波整流电路（ c）桥式整流电路（ d）倍压整流电路。 1234B R I 11234B R I 11234B R I 11234B R I 1 a ) (b)(c ) (d)4、 C 变换器的设计 C 变换器进行功率变换， 是 采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压， 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， 它是开关电源的核心部分，开关电源 C 变换器有多种电路方式，常有的有工作波形为方波的脉宽调制（ 换器以及工作波形为正弦波的谐振变换器。 基本工作原理如图所示。 3 它是一种控制开关 S 通 /断时间的比例，用电抗器与电容器蓄积能量的元件。对续流的波形进行平滑处理，从而更有效地调整功率流的电路。 斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 变，改变 用），二是频率调制方式， 变，改变 产生干扰）。 C 变换器按输入输出的隔离方式分有隔离方式与非隔离方式；按开关的控制方式分有自励式和它励式，以及脉宽调制、脉频调制与幅度调制等多种方式。 5、 单端正激变换器的设计 单端正激变换器主回路如图所示。它是在 路的开关 S 与续流二极管 D 之 间加入单端变压隔离器而得到的。 A N S 1 1 纯粹是个变压器，因此在输出端需附加一个电感器 L 作为能量的储藏及传送元件。电路中必有一个续流二极管，同时也要注意到变压器原边和副边线圈具有相同的同铭端。由于是正激工作方式，副边有电感器，折算至原边电感量较大。一般电感量越大越好，使得 小。变压器 另一个绕组 二极管 联后接至 个绕组主要起去磁复位的作用。 6、 控制电路的设计 4 关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的 环反馈控制系统，主要有五种馈控 制模式。 分别是 电压模式控制 、 平均电流模式控制 、 峰值电流模式控制 、 相加模式控制 、 滞环电流模式控制 。 7、 开关电源集成控制器 开关电源主要由主回路和控制回路两大部分组成，主回路是将交流电网的电能传递给负载的回路，控制回路是按输入输出条件控制主回路的工作状态的回路，将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。开关电源集成控制器多为脉宽调制型(早期 为电压型，缺点是瞬念响应不好。电流控制型 性能和功能均优于电压控制型，国外新生产的电流 制器品种和数量最多，有完全取代电压控制型的趋势。本 设计采用 为系统的控制器。 8、 保护电路的设计 开关电源电路担负着向整个电子设备各单元电路提供电压和功率的任务，因此，开关电源电路一旦发生故障，整个电子设备就不能正常工作，严重时还会引起一系列的烧坏元器件典故，其后果极其严重。在开关稳压电路中，功率开关管工作在高电压、大电流状态之下，其故障率比小信号电路要高得多，这不仅要求功率开关管及其电源电路的可靠性高，而且还要设置一些必要的保护电路，使其在一旦出现故障或故障先兆时迅速切断电源以免故隙蔓延，损坏更多的无器件。 开关电源的保护电路主要是过电流 保护、过电压保护。由于集成控制芯片可以实现过流保护，这里只设计过压保护电路。 过电压保护电路采用使开关电源停止工作的方式，可使用晶闸管等保 5 持使其电源停止工作的信号，切断输入侧的反馈绕组。 图为过压保护电路。如果有任何一路输出端电压超过其极限值， 总结： 本文 通过查阅有关开关电源的资料，将开关电源和线性电源进行了对比，对开关电源的原理有一定了解，设计采用整体 局部 整体的方式，首先对开关电源的整体结构进行规划，然后对各个部分进行设计，对各个部分的电路的参数进行计算、对元器件选型，最后进行系统的整合。在设计过 程中参考了不少相关的电路，在理解的基础上进行修改。 参考文献 1何希才 北京：人民邮电出版， 1996 年 2周志敏、周纪海等 北京：人民邮电出版社， 2003 3叶慧贞、杨兴洲等 北京：国防工业出版社， 1999 4王英剑 北京：电子工业出版社， 1999 年 5孙燕、刘爱民 9 设计与实例 械工业出版社， 2000 6王力、张伟 北京：人民邮电出版社， 2003 年 1 摘 要 本设计是 C 直流开关电源设计 ,首先将开关电源与线性电源进行对比，总结了开关电源的优点 ,并对其当前的发展以及在发展中存在的问题进行了描述，然后在对开关电源的整体结构进行了介绍的基础上，对开关电源的主回路和控制回路进行设计：在主回路中整流电路采用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边绕组的方法实现多路输出，其中功率转换电路（ C 变换器）是开关电源的核心部分，对此部分进行了重点设计；控制电路采用 制器采用开关电源集成控制器 计了过压保护电路、电 压检测电路和电流检测电路，对各个部分的参数进行了计算并进行了元器件的选型。 【 关键词 】 C 变换器、 流、滤波。 2 n a at of in On of to an to to of in to by of of it is a of C , WM to to to el of on of C I 目 录 1 概述 关电源的基本原理 关电源与线性电源的比较 关电源的发展与应用 关电源当前存在的问题 2 整流电路的设计 流电路的选择 相半波整流电路 . 6 相桥式整流电路 . 7 止电流冲击的设计 数计算以及元器件的选型 流管参数计 算 . 9 压器参数 . 9 容参数计算 . 10 3 1 制方式的选择 1 率转换电路的选择 2 挽式功率转换电路 . 12 桥式功率转换电路 . 13 桥式功率转换电路 . 13 向激励功率转换电路 . 14 向激励功率转换电路 . 15 端正激变换器的设计 5 作原理 . 16 量再生线圈 工作原理 . 17 路输出的设计 . 17 压器设计 . 17 感的参数计算 . 19 极管和电容器的选择 . 21 关管的选择 . 21 4 控制电 路的设计 2 制模式的选择 2 压模式控制 . 22 均电流模式控制 . 23 值电流模式控制 . 24 环电流模式控制 . 25 加模式控制 . 26 关电源集成控制器 6 特点 . 27 524 的极限使用值和主要电性能 . 27 内部结构 . 27 作过程 . 30 压检测电路 1 流检测电路 2 阻检测 . 32 流互感器检测 . 33 动和集成电路供电电路设计 4 护电路的设计 5 5 结论及设想 7 致谢 8 参考文献 9 附录 1：开关电源原理图 0 附录 2：元器件清单 1 1 1 概述 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。 关电源的基本原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图 1换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流 与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图 1 1关电源结构图 C 变换器 驱动器 较 放大 取样 参考 电压 2 关电源与线性电源的比较 线性电源的原理图如图 1先将交流电经过变压器变压，再经过 整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压。它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。 图 1性电源的原理图 开关电源的原理图如图 1将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流 输出成所需要的直流电压。 图 1关电源的原理图 开关电源和线性电源相比， 具有以下优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的 30%）、效率高（一般为 70%而线性电源只有 40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点。但也存在一些缺点：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。 关电源的发展与应用 当前 ,开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展 :应用技术的高频化 ;硬件结构的模块化 ;软件控制的数字化 ;产品性能 的绿色化。由此 ,新一代开关电源产品的技术含量大大提高 ,使之更加可靠、成熟、经济、 3 实用。 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，并使开关电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。 近年 ,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去 ,构成了“智能化”功率模块 (这样缩小了整机的体积 ,方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性 ,有些制造商开发了“用户专用”功率模块 (它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中 ,使 元器件间不再有传统的引线相连 ,这样的模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计 ,达到优化完善的境地。 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源 ,它以小型、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。而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流时 ,以及将研究新技术应用于 C 变换器 ,即开拓了大功率应用领域 ,又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子技术的 电气工程领域。作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的开关电源 ,它的产品展现了广阔的市场前景。例如 ,发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。 关电源当前存在的问题 当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性 ： 采用定频调宽的控制方式来设计电源，都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的，则负载所需的功率小于电 源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续 ； “ 反峰电压 ” 是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断 4 时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个 “ 低阻抗通道 ” ，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但 “ 单调 ” 控制方法不具备这一条件 ； 高频变压器的磁通复位问题 ； 传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高，这个 问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的 “ 瓶颈 ” ； 高频开关电源的并联同步输出问题 。 以上的问题看似彼此独立，其实它们之间存在着一定的关联性解决这些 问题，也许还是一条艰难而漫长的路 。 5 2 整流电路的设计 整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。 流电路的选择 单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路 电容输入型的基本电路如图 2 a）为半波整流电路（ b）为中间抽头的全波整流电路（ c） 桥式整流电路（ d）倍压整流电路。 1234B R I 11234B R I 11234B R I 11234B R I 1 a ) (b)(c ) (d)图 2容输入型的基本电路 图 2用于负载电流 大的电路，扼流圈 L 的作用是抑制尖峰电流。 两种基本电路的比较如下： (1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时， 6 若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能 进入间歇开关领域。 (2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。 (3) 扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。 因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。 图 2流圈输入型基本电路 相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路如图 2利用一个二极管来实现整流功能。 单相半波整流电路的输出电压平均值为：（ 2U 为变压器副边输出电压的有效值） 200 s i A N S 1 H 相半波整流电路 7 相桥式整流电路 单相半波整流电路 的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是 单相桥式整流电路 ，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。 图 2相桥式整流电路 单相桥式整流电压的平均值为：20 U （2,比半波整流输出电压高。 因此，整流电路选用单相桥式整流电路。 止电流冲击的设计 开关电源输入大多为电容输入型，当电源刚接通时，就会有非常大的对电容充电的冲击电流。例如，线路阻抗若为 00V 电压，若在其峰值时开关接通，则冲击电流就达 282A 。如此大的冲击电流可能会损坏输入保险丝、整流二极管和电容等。防止冲击电流的最简单方法是在线路个接入一只电阻。如图 2-5(a)所示，但平常电阻有损耗，这种方法适用小 功率开关电源 图 2-5(b)和 (c)也是采用电阻。但与电阻并联一只开关 (继电器触点和晶闸管 )，电源接通时，开关断开，电阻防止冲击电流，正常工作时，与电阻并联的开关接通。把电阻短路，减小了电阻损耗。这种方法适用于中等容量的开关电源。图 2-5(d)是采用热敏电阻的方法、热敏电阻 止了冲击电流，平时损耗又小。本设计欲采用串热敏电阻的方法。 8 图 2止电流冲击的方法 本设计的整流电路如图 2 1234B R I 1T r 1T R 1S E 1+ 流电路图 数计 算以及元器件的选型 由于开关电源系统三路输出分别为： 15V， 4A； 12V， 3A； 5V， 2A，则输出功率 0 6253124150 9 如果考虑变压器的效率 80%，则整流电路的输出功率应为： 0/0 则可以设定整流电路输入电压 201 ，输出电压 100V、电流 流管参数计算 整流输出电压为 00V，则变压器次级电压 ： 考虑到变压器二次侧及管子 的压降，变压器二次侧电压大约需要提高10%，则 ： 12 二极管的最大反向电压 ： M 22 二极管平均电流 ： 7 5 021 0 可选用 1（ 代用型号 流二极管，最高反向工作电压为 200V,额定工作电流为 1A。 压器参数 则变压器变比为： 5:N 变压器二次侧电流有效值 ： 02 变压器的容量为 ： 222 如果考虑变压器的效率 =80%则 311 10 容参数计算 整流电路负载 0/00V/ 在工程中，一般取 由于 则 63 选用 1000 、耐压为 150V 的极性电解电容。 11 3 C 变换器的设计 C 变换器进行功率变换， 是 采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压， 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， 它是开关电源的核心部分，开关电源 C 变换器有多种电路方式，常有的有工作波形为方波的脉宽调制（ 换器以及工作波形为正弦波的谐振变换器。 基本工作原 理如图 3 图 3C/它是一种控制开关 S 通 /断时间的比例，用电抗器与电容器蓄积能量的元件。对续流的波形进行平滑处理，从而更有效地调整功率流的电路。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 变，改变 用），二是频率调制方式， 变，改变 产生干扰）。 C 变换器按输入输出的隔离方式分有隔离方式与非隔离方式；按开关的控制方式分有自励式和它励式，以及脉宽调制、脉频调制与幅度调制等多种方式。 制方式的选择 对于 换器，有两种工作方式：一种是保持开关工作周期不变，控制开关导通时间 宽度调制（ 式，二是保持导通时间变开关工作周期 T 的脉冲频率调制方式（ 脉冲宽度调制（ 换器就是通过重复通断开关方式把一种直 12 流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平滑后变为另一种直流电压输出。 换器由功率开关管、整流二极管及滤波电路等元件组成。 对 换器，加在开关管 S 两端的电压 的电流 图 3图 3占空比 D 定义为： T （ 3 1） 率转换电路的选择 桥、半桥以及单端反激、单端正激等。 挽式功率转换电路 控制开关晶体管 基极 ， 式激励而交替通晰，将输入直流电压变换成高频方波交流电压。当 通时，输入电源电压 到高频变压器 初级绕组 于 1 故在 通时，在截止晶体管 基极激励信号消失时，一对开关晶体管均截止，其集电极施加电压均均为 2下半个周期， 励导通， 止， 13 基极激励信号消失，一对开关晶体管又都均截止， I。下一个周期五复上述过程。在品体管导通过程中，集电极电流除负载电流成分外，还包含有输出电容器的充电电流和高频变压器的励磁电流，它们均随导通脉冲宽度的增加而线性上升。在开关的暂态过程中，由于高频变压器次级侧开关整流二极管反向恢复时间内所造成的短路以及为了抑制集 电极电压尖峰而设置的 收网络的作用，当开关管导通时，将会有尖峰冲击电流；在关断瞬间，由于高频变压器漏感的作用，在集电极会产生电压尖峰。 推挽式转换电路的输出电压 2中， N 为变压器的匝比，D 为晶体管的占空比，其优点是：转换效率高；经济实用；变压器的利用率高；输入输出间隔离；晶体管加相同电压，控制电路直接对其激励，不需要驱动变压器。不足之处是：需要一对开关晶体管；晶体管的耐压需要是输入电压的 2倍；直流分量加到变压器上，使其磁心易饱和。 桥式功率转换电路 工作原理是：当一组开关晶 体管（例如 )寻通时，截止晶体管 (加的电压即为输入电压 所有的晶体管截止时，同臂上的两只开关晶体管共同承受输入电压即 。由高频变压器漏感引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，反向并接在开关晶体管的集射之间的告诉续流二极管便导通，集电极电压被钳位在输入电压上。 由此可见，全桥式电路开关晶体管稳态时其最高加的电压即为输入电压，暂态过程的尖峰电压亦被钳位在 推挽式电路低一半，晶体管可选用耐压低的元件；而且，钳位二极管将漏感储能量馈送给输入电源，有利于提高效率，并可获 得大功率输出，可大于 750W。缺点是：使用 4只开关晶体管，需要 4 组彼此隔离的基极驱动电路，电路复杂，元器件多。 桥式功率转换电路 工作原理简介如下：当一对开关晶体管管截止时，若电容 4 的容量相等而且电路对称，则电容中点 A 的电压为输入电压的 半，即为 I/2。当 激励导通时，电容 通过 变压器 初级绕组 电，同时，电容 通过输入电源、 点 A 的电位在充放电过程中将按指数规律下降。在I/2 着是一对晶体管都截止的期间，此时， 接近输入电源电压的一半；当 励导通时，电容 被充电，电容 放电，中点 A 电位在 通终了时将增至 + 中点 A 的电位在开关过程中将在 的电位上以 当一个晶体管导通时，截止晶体管上加的电压约为等于输入电压，晶体管由导 通转为截止的过程中，漏感引起的尖峰电压被二极管钳位，因此，开关管上承受的最高电压不超过电源电压。而且，晶体管的数量只是全桥式的一半，这是其优点。但要得全桥和推挽式电路相同的输出功率，开关晶体管必须流经两倍的电流，因此，一般适宜获得中等功率输出。然而半桥式电路具有抗不平衡能力。为此，获得其广泛应用。 向激励功率转换电路 加在变压器上电压是振幅等于输入电压 度为开关导通时间 压器次级侧电压经过极管整流变为直流。正激变换器的优点： (1)正激变换器的铜损较低。因为使用无气隙的 铁芯，电感值较高，原边与副边的峰值电流较小。因此，铜损较小。在多数情况下，减小程度不足以允许使用小一级尺寸的铁芯，但会使变压器的温度稍为降低一些。 (2)副边纹波电流明显衰减。因为，在一定输出负载时，输出电感器和续流二极管的存在使得储能电容电流保持在较小的数值上。正激变换器的能量储存于输出电感器是有利于负载的，储能电容可以取得很小，因它只用来协助降低输出纹波电压。而且相对反激变换器而言，电容上通过纹波电流定额值要求小一些。 (3)如果加假负载，则效率会在同等功率输出下，正激变换器集电极 15 峰值电流小得多，开关管 峰值电流较低。理由同 (1)。 (4)因为纹被电流小，纹被电压小。 向激励功率转换电路 工作原理简介如下：在晶体管 通期间，变压器 初级绕组电流线性增长 (di/，绕组电感中存储能量 (1 2此时， 断电流流通；在晶体管 止期间，电感中存储的能量通过二极管 放给负载：反激变换器虽然不需要电感，但有开关管 (包括原边和副边绕组 )和滤波电容纹波电流大的不足；缺点是晶体管的尖峰电流较大，需要较大的滤波电容等。此电路适用于输 出功率为 200W 的电源。 端正激变换器的设计 单端正激变换器主回路如图 3示。它是在 路的开关 S 与续流二极管 D 之间加入单端变压隔离器而得到的。 A N S 1 端正激变换电路原理图 由于正激式变换器的隔离元件 粹是个变压器，因此在输出端需附加一个电感器 L 作为能量的储藏及传送元件。电路中必有一个续流二极管，同时也要注意到变压器原边和副边线圈具有相同的同铭端。由于是正激工作方式，副边有电感器，折算至原边电感量较大。一般电感量越大越好，使得 小。变压器 另一个绕组 后接至 个绕组主要起去磁复位的作用。 16 作原理 在 原边绕组接向电源 一时间内，副边绕组把能量传递到输出端。当 断时，续流二极管 储能元件 续对负载电阻 能。 当晶体管 通时，设副边电压为 则电感 L 内的电流将直线增加，如下式所示： L L 0 （ 3 当晶体管 断时，由于反激作用，电感上电压反向， 通，构成续流回路，而电感上的电压等于输出电压 略 二极管压降 )， L 上电流 0 （ 3 由上式可知，电感 L 的大小，只是影响 或者说，影响电流的峰 峰值。电流平均值应与输出电流 等。 正激变换器输出电压的大小取决于变压器的匝比和晶体管 导通占空比 导通时间与周期的比，即导通占空比： Tn 0（ 3 式中 副边与原边的匝比 导通时间与周期的比，即导通占空比 原边绕组施加的电源电压（ V）。 当输入电压及占空比固定时，输出电压与负载电流无关。因此，这个电路结构提供了特有的低输出阻抗的特点。 17 量再生线圈 工作原理 在 通时，变压器接受的能量除磁化电流外都传递到输出端。在断，反激作用期间，输出二极管 化能量将引起较大反压加在 集一射极之间。为防止高反压的出现，设置“能量再生线圈” 二极管 储存的能量运送回电源 。只要有 21 N 的关系， 流过电流时，V 2，承受的集 射极电压为 2 为了避免在 存在的漏电感过大和因此产生的在晶体管集电极的电压过高，一般采用原边绕组 能量再生线圈 线并绕的方法。 路输出的设计 只要增加变压器的副绕组、电感器和二极管就可以得到多路直流电压输出。每个绕组将遵循正、反向伏秒值相等的原则。 倘若负载在合理范围变化时 ,如果主输出电压不变，辅助输出也将不变。若某一输出负载降到电感临界电流以下，这线路的输出电压将上升。最后，在负载为零时它将等于变压器副边峰值电压。 由于正激变换器负载电流低于临界电流时输出电压升高，因此，应使最小负载电流仍在电感临界电流值之上。若有负载为的情况时，则只能加固定电阻作为假负载，以求得电压的稳定。 三路输出分别为： 15V， 4A； 12V， 3A； 5V， 2A。 压器设计 设计方法有多种，可根据情况选择。一般从计算原边圈数开始，按最大占空比和正常的直流电压 计算原边线圈。 按上述方法设计的理由是，副边绕组都有一个电感器，当有突变负载时，输出电流的变化率受到限制。为了补偿这个缺陷，控制线路应能把占空比调到最大。在这种瞬变条件下，高的原边电压和最大导通脉宽同时加上，尽管时间很短，如果变压器设计没有考虑这种情况，也会引起磁饱和。 18 控制电路设计为：在最大输入电压时，限制控制电路的脉宽和变化的速率，这样可防止两个参数同时在最大值。 能量再生绕组的必要性，说明正激变换器的铁芯有残存能量是不好的。为了确保磁通在反激期间恢复到低的剩磁水平，并考虑偶而出现的较大磁密不致出现 磁芯饱和，加一很小气隙是很有必要的。 （ 1） 根据输出功率选择铁心： 三路输出分别为： 15V， 4A； 12V， 3A； 5V， 2A。 输出功率为 ： 0 6253124150 若考虑 6%的余量则 ： 选择一个传递功率为 115W 的铁心， 9C 的 40，其有效横截面积为 感应强度 B=220 2） 计算原边的绕组 周期 ： 1 3 最大导通占空比 D= ： 则最小原边匝数为 ： m i n ) B 3 匝 。 （ 3） 计算副边的绕组匝数 若考虑市电 220向下波动 ： S 80%801 0 0%)201(m i n 19 15V 的副边匝数为 ： i 5( 取 35 匝 。 12V 的副边匝数为 ： i 2( 取 28匝 。 5V 的副边匝数为 ： i ( 取 12 匝。 感的参数计算 L 的最小值一般由所需维持最小负载电流的要求来决定。电感 L 中的电流分连续和不连续两种丁作情况。不论何种情况只要输入、输出电压保持不变，电流波形的斜率不会因负载电流的减小而改变。如果负载电流步降低，在 L 中的波动电流最小值刚好为 0 时，临界负载电流 电流峰一峰值的一半，即： 2 )( （ 3 即定义为临界情况。这当 ， 则，为连续状况。在临界点上下，传递函数是突然改变的。当高于临界电流时，输出电压与负载电流变动无关。当低于临界电流时 (不连续工作状况 )，研究表明为达到稳压效果，占空比调节量由负载变量和输入电压变量共同决定。 L 值的另一限制因素将出现在应用于多输出电压的情况。因为控制环 20 只与一个相关的输出端闭环，当此输出端电流低于临界值时，占空比将减少以保持此输出端输出电压不变。对于其它辅助输出端，假定其所带的是恒定负载，在上述占空比下降的情况下，其电压也下降。很明显，这不是我们所希望 的。因此，在多输出电压时，为了保持辅助输出电压不变， 就是，如果辅助电压要保持在一定的波动范围内，则主输出的电感必须一直超 过临界值，即一直在连续状态。 电感的最大值通常受效率、体积、造价的限制。带直流电流运行的大电感造价是昂贵的从性能角度看， L 过大则限制了负载出现较大瞬时变化时输出电流的最大变化率。 对于一般的要求，可以根据流经电感的纹波电流峰 峰值为输出电流的 30%计算。 （ 1） 15V 的输出端 流经电感的电流 ： 04 电感两端的电压 ： 093350 电感量为 ： 5( （ 2） 12V 的输出端 流经电感的电流 ： 03 电感两端的电压 ： 093280 21 电感量为 ： 5( （ 3） 5V 的输出端 流经电感的电流 ： 02 电感两端的电压 ： 093120 电感量为 ： 5( 极管和电容器的选择 由于输出电压不高，使得次级二极管不会有很高的反电压，可选用耐压 40V 的肖特基二极管。 为了抑制纹波电压使其较小，要选用内阻抗低高频用电容器。 关管的选择 开关电源的开关管有功率晶体管（ 功率场效应晶体管（ 绝缘栅双极晶体管（ 。 绝缘栅双极晶体管（ 功率晶体管（ 功率场效应晶体管（ 优点于一身，既有功率晶体管（ 输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单等优点，又具有功率场 效应晶体管（ 通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。因此，选用绝缘栅双极晶体管（ 为开关元件。 22 4 控制电路的设计 制模式的选择 关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构 成
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