【DQ043】开关电源应用——POS机的电源设计
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共49页)
编号：684909
类型：共享资源
大小：3.14MB
格式：RAR
上传时间：2016-07-02
上传人：棒***
认证信息
个人认证
康**（实名认证）
湖北
IP属地：湖北
40
积分
- 关 键 词：
-
dq043
开关电源
应用
利用
运用
pos
电源
设计
- 资源描述：
-
【DQ043】开关电源应用——POS机的电源设计,dq043,开关电源,应用,利用,运用,pos,电源,设计
- 内容简介：
-
开关电源应用 的电源设计 - 1 - 第 一 章 绪论 目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视机及家用电器中的电源已经渐渐地被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有 35 60。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。 开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达 70 95，稳压器体积小，重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关 频率工作在几十千赫，滤波电感、电容可用较小数值的元件。允许的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所以开关电源的应用也受到一定限制 1 。 关电源的发展及方向 开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠 性 的方向发展。计算机控制、计算机通信和 计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守 2 。 性 稳压 电源 每一种电子产品，除非它本身自带有电池供电，否则都需要将外部 220V（或 110V）交流市电转换成某一特定大小的直流电来为其供电 ， 即 C 变 换器。 一直以 来在 器中线性 稳压 电源被广泛使用，其中的一个 主要 原因是由于它的电路 结构简单，用到的器 件少，价格便宜。电路通常由变压器、 全波整流电路、滤波电路和稳压电路 组成 ，如图 1 在线性稳压电源中，电压调整部分的晶体管等电子器件是工作于放大状态，其作用相当于一个阻值大小受误差电压控制的可变电阻。所以，负载电流是持续不断地流过电压调整管的，其上的功率损耗使得线性稳压电源只有 35 60的转换效率。 因此线性稳压电源需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器 。另外，由于线性稳压电源中变压器是工频变压器，其工作频率低，所以体积大，重量大，而且由于频率低，线路中所使用到的滤波电容和电感体积也很大 所以， 线性稳压电源的主要 问题就是：功耗大、效率低、体积大、重量大 ，所以在便捷式电子产 品，如笔记本电脑，仪器仪表中不适合使用线性稳压电源 3 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 2 - 图 1性稳压电路原理图 关 电源 开关电源 原理框图如图 1基本输入电路、变换电路、控制电路 、保护回路和输出 电路等构成。 它与线性稳压电源的主要区别在于电压调整管控制电路部分。在开关电源 中，电压调整管部分的电子器件是工 作于开关状态 ， 它的导通和 关断时间受检测电路检测到的误差电压控制。这一部分是开关稳压电路的 核心，一般由脉冲产生电路、脉冲宽度（或频率） 调制电路、电子开关电路及脉冲整流 滤波电路等几部分组成。 检测电路通过对输出直流电压的取样并与基准电压进行比较放大，可以得到一个反映输出电压变化的误差控制电压送到控制电路。控制电路根据误差电压大小调整输出脉冲的宽度（或频率）来控制电 压调整管的导通与关断时间，最终使输出电压达到稳定， 这就是开关电源 电路稳定输出电压的基本原理。 由于其电压调整管工作于开关状态，功耗小，而且变压器工作频率高，体积小，电路发热低，使用到的散热片也小，使得开关电源效率高，可达 70 95，而且体积小、重量轻，特别适合便携式电子产品使用。 图 1关电源的基 本构成 性稳压电源与开关 电源比较 经过上面简单的介绍 ，我们可以得出线性稳压电源与开关 电源的各种性能比较如下表1 开关电源应用 的电源设计 - 3 - 表 1性稳压电源与开关 电源的比较 类 型 线性稳压电源 开关 电源 效率 低（ 35 60） 高（ 70 95） 尺寸 大 小 重量 重 轻 电路 结构 简单 复杂 稳定度 高（ 普通（ 3） 纹波（ 小（ 10 大（ 10 200 暂态反应速度 快（ 50 s 1 普通（ 500 s 10 输入电压范围 输入电压范围大时，效率降低，无直流输入自由度 输入电压范围很宽，亦可直流输入， 100V/200V 共用亦可 成本 低 普通 无 有 关 电源的分类 开关 电源有多种分类。按电源启动方式可分为自激式开关电源和他激式开关电源；按 储能电感（脉冲变压器）与负载连接方式可分为串联型开关电源和并联型开关电源；按控制开关管的导通方式可分为调宽型开关电源和调频型开关电源。 近几年来在开关电源的设计上不断改进和完善，出现了几种类型开关电源的组合，如自激并联调频 式 开关电源 、自激串联 调频式开关电源 、自激并联调宽式开关电源、自激串联调宽式开关电源、他激串联调宽式 开关电源及他激调频式开关电源等。同时，还出现了主、副多个开关电源、 取样误差放大到脉宽调制器电路）谐振式开关电源、多环路控制自激式开关电源及多开关管的桥式变换器开关电源等。 关 电源的优越性 开关 电源的优越性主要表现在： （ 1） 功耗小。 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。 （ 2） 稳压范围宽。 当开关 电源输入的交流电压在 150 250能达到很好的稳压效果，输出电压的偏差在 2%以下。而且 在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。 因此，开关 电源能适用于电网电压波动比较大的地区。 （ 3） 体积小、重量轻。 开关 电 源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同 直 流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 4 - 硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。 （ 4） 安全可靠。 开关电源 一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其 保护功能灵敏、可靠 2 。 开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求，在满足体积 小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好的可靠性和 经济性 4 。 片开关电源的发展 近 20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。 第一个是对 电 源的核心单元 控制电路实现集成化。 1977年国外首先研制成功脉宽调 制 (制器集成电路，如美国摩托罗拉 (司、 司、司等相继推出一批 片，典型产品有 其基础上，国外又研制出开关频率达 1 高速 冲频率调制 )芯片 ， 典型产品如 。 第二个方向是对中小功率开关电源实现单集成化。 80 年代初，意 法半导体有限公司 (称 先推出 列单片开关式稳压器。该公司于 90年代又 推出了 列 产品，包括 该公司于 1998 年还研制出 单片开关式稳压器 。其 共同 特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一块 芯片中， 但 使用时需配工频变压器与电网隔离，适用于制作低压连续可调式输出 (40V)、大中功率 (400W 以下 )、大电流 (10A)、高效率 (可超过 90%)的开关电源 。 但从本质上讲， 它们都 属于 1994 年，美国电源集成公司 (简称 司 )在世界上首先研制成功三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源 ， 它属于 其第一代产品为 1994年问世的 列，第二代产品则是 1997年问世的 第三代和第四代产品是在 2000 年 1 月和 11 月相继推出的 该公司 还 于 1998 年 、 2001 年分别开发出 高效率、低功率、低价格的 型单片开关电源。 美国摩托罗 拉 (司于 1999 年推出 列五端单片开关电源，也称为高压功率开关调节器（ 括 6 种规格、 17 种型号。 列可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成高压隔离 式 C 电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管、 行串联调整。此外，利用这种 芯片还能制作高压步进电源。 荷兰飞利浦（ 公司于 2000年研制成功 列单片开关电 开关电源应用 的电源设计 - 5 - 源，它属于反激式开关电源，其中， 最大输出功率为 50W。该公司还开发出 大输出功率可达 125W。 美国安森美（ 导体公司在 1998 年 2001年期间 ，也相继开发出 列单片开关电源。其最大输出功率为 40W，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。此外，该公司最近还研制成功 正器专用集成电路 5 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 6 - 第 二 章 开关电源的电路原理与设计 本章主要是对开关电源电路中 常见的 不同电路拓扑结构、调制方法、控制方式的工作原理及电路结构作了简单地介绍。 关电源的电路拓扑结构 开关电源 的电路拓扑结构主要是 对 变换电路来说的，即输入电压到输出电压变换电路的结构类型 6 。 感、电容、二极管型 这是一种应用较多的电路形式，适合于负载电流较大的场合，它又可以分为 3种基本形式 6 。 压型（ 换器） 其电路结构 构图 如图 2示。当开关 S 闭合时， 生的电流 过电感 L 流入负载及电容 C。此时二极管 D 截止。当开关 S 断开时，储存于电感 L 中的释能产生一个电流 C 和负载 的 电流不至 于中断。与此同时，二极管 D 因电感 L 产生的自感应电压（极性左负右正）而导通，为电感中的电流 供通路，使之续流，故将二极管 感 在开关 S 闭合时，输入电压 于电感 L 上自感应电压（极性左正右负）与负载上的电压 将这种拓扑结构称为升压型变换电路。 图 2转型（ 换器） 其电 路结构 框图 如图 2开关 过电感 时二极管 开关 过 两端的自感应电压的极性为上负下正，二极管 负载电流 负载上的电压 性 （下正上负） 与输入电压相反，大小根据 开关通断时间的不同可能大于 可能小于 将这种拓扑结构称为反转型变换电路，或者称为升降压型变换电路。 图 2压器耦合式直流变换电路 这种拓扑结构与上面提到 的拓扑结构相比，具有输出电压可任意选择（升压、降压或多路输出），以及可以实现与市电电网隔离两大特点，因此是应用最广泛的电路拓扑结构。这种变换电路大致可以分为单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式及全桥式 5类，下面逐一进行介绍 6 。 端反激式变换电路 单端反激式变换电路，是指它的电路形式与功率放大电路中的单端甲类放大 相似，它福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 8 - 们的变压器铁芯（或磁芯）仅工作于磁滞回线的一侧，并且初级线圈只有一个接地端（称为冷端）和一个非接地端（称为热端）。 其基本原理框图 如图 2开关 级线圈 有电流 过，储存能量。与此同时，整流二极管 D 截止，负载 无电流 ， ； 而当开关 级线圈电感 中储存的能量通过次级线圈 关 总是交替导通或截止，故称之为反激式。电路中二极管 s 上电压极性决定，而该电压极性则由变压器初、次级线圈的同名端接法决定，如图中小圆点所示。 这种单端反激式变换器 电路结构简单、紧凑、工作可靠、成本低，输出 功率一般为几瓦到一百多瓦，广泛用于电子计算机和彩色电视机电源电路 中。 图 2端反激变换器原理 框 图 端正激式变换电路 单端正激式变换电路与单端反激式电路相似，但工作方式完全不同， 其结构原理框 图如图 2开关 流二极管 流流过负载 ，同时将能量储存于滤波电感 流二极管 L 中的能量向负载释放，保证负载中电流连续。必须指出，在这种单端正激式变换电路中，由于 S 和 同时导通，同时截止的，故在 作为 此 在脉冲变压器中增加了钳位线圈 与初级线圈样在 一点靠线圈的同名端接法保证），使闭合时存储的一部分能量，在 3返回给电源。钳位线圈有两个作用，一是将 是使变压器的磁通复位。 单端正激式变换电路是在 的输出功率比单端反激式大一些， 但它的变压器结构稍微复杂，磁芯仍工作在磁滞回线的一侧，也属于单端式，所以应用不及其他形式普遍。 与单端反激 式 相比，单端正激 式 开关电流小、输出纹波小、 更容易适应高频化。 开关电源应用 的电源设计 - 9 - 图 2端正激变换器原理 框 图 挽式变换电路 推挽式变换电路的工作方式与变压器耦合推挽功率放大电路相似，开关 2轮流导通， 其原理框图 如图 2属于双端式变换电路，变压器磁芯工作于磁滞回线的两侧。作为开关的电子器件要承受 2峰值电压，这种 电路输出功率较大，可达 500极管 2 构成全波整流电路，电感 为滤波电路。 图 2挽变换器原理 框 图 桥式变换电路 半桥式变换电路的工作方式类似于功率放大器的 原理框图 如图 2中电容 2将 成相等的两半，开关 2轮流导通。 在这种变换电路中，变压器的初级线圈 在整个周期中都有电流，磁芯利用更充分。作为功率开关的器件所承受的最高反向工作电压不会超过 入电容 2的耐压也小于 由于 电压的幅值为 推挽式变换电路相比，欲输出相同的功率，则开关器件需要提供两倍的电流。这种电路的输出功率目前可以做到近 1000W。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 10 - 图 2桥式变换器原理框图 桥式变换电路 全桥式变换电路的工 作方式类似于功率放大电路中的 式推挽电路）， 其原理框 图 如图 2示。 时导通，同时截止； 时导通，同时截止。这种电路的优点是输出功率大，可达 1000 2000W，它对开关器件的耐压要求也 不高 。 其缺点是驱动电路较复杂，原因是目前 沟道半导体器件的耐压不能满足要求，故 同类型的器件，故需要四组彼此绝缘的驱动电路。 图 2桥式变换器原理框图 关电源调制方法 开关电源电路的调制方式主要有 ： 脉冲宽度调制 (式，其开关频率恒定，通过调节导通 脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”； 脉冲频率调制 (式 ， 其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为 “定宽调频”； 脉冲跨周调制 (式， 其脉冲宽度 和频 率 都恒定，选择性地 跳过某些工作周期 来 调节电能输出 7 。 开关电源应用 的电源设计 - 11 - 制方法 图 2示 为 制方法的工作原理 及其波形示意 图。 当输出电压 参考电压e 时，该误差信号和三角波或锯齿波信号 到 c。其中 开关管截止时间， 图可知，当输出电压 生变化，导致输出误差 化时， 制信号 的 脉冲宽度将发生相应的 变化， 从而开关管的导通时间也发生变化 ，达到使输出稳定的目的， 但其工作频率不变。 图 2制方法 图 2 制方法的工作原理 框 图。 它基于恒宽变频 调制脉冲去控制功率管的导通，从而实现调节输出电压的目的。 即 过改变脉冲的频率来调节输出电压。由于 变换器在低负载下表现出很低的 变换效率，而 这一不足 之处 。 由图可知，通过调频调制器用载波对变换器的输出误差进行调制， 然后通过过零比较器得到 然，由于脉宽不变，所以当频率高时，在特定时间内的开关管导通时间就多一点，反之则少一点，从而可以达到稳定输出的目的。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 12 - 图 2制方法 图 2 波形示意 图。 工作原理为 ： 控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期内输出 电压 于额定值 则让这个时钟周期 内的脉冲信号通过控制器去控 制开关管工作，否则跨过这个时钟周期的脉冲信号不用，使开关不工作， 这样就可以达到使输出电压稳定的目的。 图 2工作 原理 及波形示意 图 开关电源应用 的电源设计 - 13 - 种不同调制方法比较 制原理简单，电路易于实现，而且 冲控制信号的谐波都集中在其基波的整数倍处，只要知道了 续滤波器容易设计 。 但 制方法具有线性调整率较差、轻负载时效率低等缺点。 有在负载较轻 时效率很高 ，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适合于电压或者电流控制方 式。但其负载调整范围窄，而且由于 高次谐波分量离散，所以使其后续滤波器较难实现，成本较高。 法的效率很高，而 且几乎与负载无关，当负载变换时，效率是一个恒定值。换器具有轻 负载效率高、响应速度快的特点，是小功率变换器的一种理想的调制方法 。 但是其输出纹波大，输入电压调整能力差。 关电源控制方式 选择 合适的 控制方式 极其重要。对于一个电源电路， 如果 控制方式 选择不正确，会使电源工作不稳定而浪费宝贵 的时间。设计者要知道各种控制方式之间细微的差别。 总体上说，正激式拓扑 常 用电压型控制器，升压式拓扑通常用电流型控制 器 。但这不是一成不变的规则，因为 每一种控制方式 都可以用到各种拓扑中去，只是得到的结果不一样而已 8 。 压控制方式 图 2示为电压控制方式开关电源原理 框 图。电压型 制的基本原理是 ： 电源输出 取样 电压 到误差信号 较后 ， 些脉冲的宽度随误差信号 这些脉冲宽度 控制 开关管的导通时间，从而 决定了输出能量的大小。当 输出电压下降 时，脉冲宽度增大， 增加导通时间 ， 使输出电压升高； 反之， 输出脉冲宽度 变窄 ， 减少导通时间，使输出电压下降， 从而 达到使输出电压稳 定 的目的 。这种电压控制开关电源只需要一个反馈信号，用于实现整个电路的负反馈 而维持输出稳 定。在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。 电压控制型开关电源是一个二阶系统，它有两个状态变量，即输出滤波电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统， 只 有 对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，闭环系统才 能稳定工作。我 们 都 知道，开关电源的电流都要通过电感，对于电压信号有 090 的相位延迟。而 对于整个稳压电源系统来说，实际上是通过初级的励磁电流 变高频变压 器中的磁通，以适应输入电压和负载的变化而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压的方法来实现控制，在调节过程中存在一定滞后，结果必然是响应速度慢、稳定性差，甚至在大信号变动时容易产生振荡。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 14 - 图 2压控制方式原理框图 流控制方式 针对上述电压型控制 方式 的缺点，最近十几年发展起来了电流型控制技 术。电流控制型开关变换器正是在传统的电压控制型的基础上，增加了一个内环 电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统。图 2示为电流型控制方式的原理 框 图。电流信号 输出脉冲与 时钟信号） 加到脉宽调制锁存电路 得到开 关 管控制信号 控制开关 管 的 导通 时间。当 电源回路中的电流脉冲逐渐增 大， 电流在采样电阻 宽比较器状态翻转，开关管截止。线路就是这样逐个 地检测 比较 电流 信号与误差信号来调整控制信号的脉宽 ， 以达到稳定 输出 电压 的目的。 图 2流控制方式原理框图 开关电源应用 的电源设计 - 15 - 可见，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流 控制 型 比电压型控制 型 有许多 优点： (1)对输入电压变化响应快，抗干扰性能强 。电源输入电压发生 变化，必然会 引起变压器初级电流上升的斜率发生 变化，如电压升高，则电流增长变快，反之 则变慢。但是只要电流信号 达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得 控制 脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。在电压型控制电路中，检测电路对输 入电压的变化没有直接反应， 要到输出电压发生 变化后，一般要在 5 (2)具有过流保护和可并联性。在电流控制型 C 变换 器中，由于内环采用了直接的电流峰值控制技术，它可以及时、准确地 检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流，从而在输出过载或短路时保护了开关管和变压器，也可以有效地克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏功率开关管的缺陷。同时，由于有了这个逐个电流脉冲限制的电流环，当多台 开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以实现多台开关电源之间并联均流。这在当今电源规格要求繁多、电子设备整机可靠性要求提高的形势下，为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。 (3)变压器的磁通平衡 。 在半桥、全桥和推挽变换器中，电压型控制不能完全克服偏磁现象 ， 电流 控制 型 可以自动解决磁通不平衡的问题， 这是因为它 的内部电流环 使 得即使电流脉冲宽度不同， 幅值 也 肯定相同。 (4)回路稳定性好、负载响 应快 。 电流 控制 型 可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中电流脉冲的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。电流控制型和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点，如电感峰值电流与平均电流有误差 ， 直流开环负载调整率较差。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。 (5)根本消除了 关电源存在的磁通量失衡问题。磁通量失衡会 减弱电感的承压能力， 导致功率管电流不断增大并最终烧毁。电流控制方 式在每个周期都限定功率管峰值电流，能彻底杜绝磁通量失衡。 (6)电压调整率显著减小。当输入电压波动时， 图 2 的电流检测电阻 立即检测到峰值电流的变化，快速调整占空比，使输出电压稳定。 (7)简化了反馈电路的设计。 在电压 控制方式中， 波电路在频率达到共鸣频率2/ 后，相移会接近最大值 0180 ，输入到输出的增益会随着频率的升高而迅速减小，这就增加了开关电源反馈电路设计的 复杂程度。在电流 控制方式 中，滤波电感的小信号阻抗几乎为零，这样就只能产生最大 090 相移，增益随频率升高而下降的速度也减小为实际 此反馈电路的设计可以大幅 度 简化 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 16 - 第 三 章 的开源设计 述 本文主要是为 设计开关电源电路。该电源提供单组 34W 的稳定输出。根据前两章对开关电源不同的电路拓扑结构、调制方法、控制方式的比较，结合实际设计电路的性能要求及条件， 为使电源结构简单、紧凑 、 工作可靠、减少成本， 本文采用单端反激式电流 控制型脉宽调制方式的原理 电路模型来实现。 本章将对整个开关电源的输入电路、 变换电路 、控制电路、输出电路及保护电路设计进行详细介绍 。 入电路设计 本开关电源的输入电路包括冲击电流抑制电 路、 输入滤波电路、输入整流电 路三部分。 击电流抑制电 路 设计 浪涌电流 （又称冲击电流） 是指电网中出现的短时间 像 “ 浪 ” 一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生 “ 浪涌电压 ” ，从而引发浪涌电流。 为了对输入保险 丝、整流器进行保护，同时要减少对其他电子设备造成恶 劣的影响，需要接入冲击 电流抑制回路， 把冲击电流抑制在允许范围内。根据 各厂家要求不同，一般是抑制在交流输入电流 倍以下。 冲击电流抑制回路实例如图 3入电容充电结束的必要时间 由 相时， 为（ 3 5） 相时为（ 2 3） 冲击电流抑制电路有多种实现方式，如串联电阻方式、功率热敏电阻方式、双向晶闸管开关元件方式和晶闸管方式， 本次设计电路采用功率热敏电阻方式 。输入电流 大），最大输入电压为 240V。接通时电流 输入电压峰值为2 240=340V， 必需接入的电阻 45 （以上） （ 3 其中 2 5 6 945 )3 4 0(U p p ) 221 （ 3 开关电源应用 的电源设计 - 17 - 根据以上计算，结合实际设计需要，选择热敏电阻 1，见附 录 1所示。 其实，抑 制浪涌电流的最简单方法 就 是在系统 实为负温度系数之意 ） 热敏电阻。由于在冷启动时， 而将使 涌入 电流得到限制。而当电流的热效应使 敏元件的温度升高， 值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。 但是 ，由于 敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，从而 影响系统的运行效率。还有一个问题是浪涌电流起不到限制作用。 图 3击电流抑制电路原理图 入滤波电路设计 输入滤波电路有两种作用：其一，是防止输入电源噪声 窜入 电路中 ；其二，是抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源。根据噪声规制一般是两种作用的回路结构。 如图 3 该电路 是一种复合式 1 构成第一级滤波， 用高频特性较好的薄膜电容。电阻 免因电容上的电荷积累影响滤波器的工作特性 ，断电后还能使电源的进线端不带电，保证使用的安全性 。 共模电感 2、 有效抑制共模干扰。 具体的参数选择： （ 1）电容的选择： 用 高频特性较好的 薄膜电容器，容量大约在 1理论上越小越好，大约在 100k 10M；为了减少漏电流， 量大约在 220030 250 （ 2）电感的选择： 电感 的 选 择 原则 从以下几个方面考虑：第一 ，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在 1在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。第二，磁导率高，但是在实际中很难满 足这一要求，所以，磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体 ； 电感量的估算 考虑阻抗和频率 ， 共模扼流圈取 值大约在 1 15 在实际的输入滤波电路设计中， 往往是根据实际的滤波效果和电路结构安排来选择电路结构和参数，本文设计中在允许情况下去掉了 3， 仅用共模电感 2来滤除共模干扰。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 18 - 图 3入滤波回路原理图 入整流电路的设计 整流电路有 电容输入型与扼流圈输入型两种， 开关电源一般采用电容输 入型 的整流电路，整流方式一般采用全波整流。所以，本文设计的整流回路就是 典型的 电容输入型桥式全波整流电路，其原理图如图 3 工作原理： 四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。在 输入电压 正半周， 3导通， 流由 信号源 正 端 （上端） 经 号源负端（下端） ，在负载 在 输入信号 的负半周， 止， 流 信号源正端（下端） 经 到 信号源负端（ 上端 ） ，在负载 样就在负载 电流的计算与全波整流相同，即 L， 流过每个二极管的平均电流 = L， 每个二极管所承受的最高反向电压为 2 目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称 硅桥 或 桥堆 ，使用方便 。如附录 1使用的 桥式整流 电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，但多用了两只二极管。 （ 1） 具体选择整流桥时，应考虑的主要参数是：正向平均电流 浪涌电流流击穿电压 预期的耗散功率 即每个二极管要满足： ( (5 （ 2） 输入 滤波 电容由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定，而且流经电容的纹波电流 应 在电容允许值范围内。 对电源寿命有很大影响，应特别注意。 输入滤波电容的选择主要考虑三个方面：能满足期望电压纹波的电容值；电容的额定电压；电容的额定纹波电流。 开关电源应用 的电源设计 - 19 - 对于交流离线变换器，纹波电压一般设计为输入交流电压峰值 的 5% 8%。对于 入滤波电容的大小可以从下式得到： )(2( m ( （ 3 其中， 离线式电源输入交流电压最小额定频率； ( 交流输入整流电压的最小峰值； )( 输入电容上要得到的电压纹波峰峰值 。 根据设计经验， C 的电容值 C=2 其中， 位为 W， f ，所以 这里 2 34=68 f 。因为当输入电压为 240V 时，峰值为 2 240=340V，所以要求 40V 以上，这里选取 400V， 68 f 的电解电容，如附 录 1中所示 的 9 。 图 3入整流电路原理图 换电路设计 通过第 2章中对各种不同变换器比较，我们知道单端反激式变换器电路结构简单、紧凑、工作可靠、 成本低，输出功率一般为几瓦到一百多瓦，适合于低功率输出的开关电源 。所以，本文设计的 电源电路就采用单端反激式变换电路，变换电路部分如图 310 。 其中变压器 即 当 开关管 储存能量 ，与此同时，二极管 载中没有电流。当 开关管 ， 1向 放能量 ，从而提供负载工 作 。 这个电流将会持续到下次开关管截止时 (若到下次开关管截止前电流已下降到零则电路工作于电流断续模式，否则工作于电流连续模式 )，从而保证负载电流持续不断。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 20 - 电路中输入端的 C、 组成 峰吸收电路 。 因为 开关导通期间是在变压器漏感中蓄积能量的。这时，与次级绕组之间没有耦合，因此，导通期间能量不能传到次级线圈。开关管截止瞬间发生的作为初级绕组的电压加到开关管的漏源极，这种电压与初级绕组的阻抗成比例，非常大，就有可能损坏开关管。为此，接入此吸收回路，此电压经二极管整流，电容平滑后消耗在电阻中，一般把此 电压抑制到 50V 左右 。 同样地，输出端接的 但它还有一个作用就是其中的电阻 尼作用，防止电容 而增加了电路 的稳定性 。参数计算较麻烦，因此，实际设计中采用试探方法确定元件参数。 在输出端 接有由 3组成一个低通滤波器 ， 滤除噪声干扰， 输出低纹波电压 。 图 3端反激变换电路图 压器设计 单端反激式变压器设计的方法较多，对于反激式 变换电路 设计来说最难的也就是变压器的设计和调整， 一般须视具体工作状 态而定。 反激变换器可工作于电流连续模式 (电流断续模式 ( 同样输出功率时，工作于电流断续模式具有较大的峰值电流，此时开关晶体管、整流二极管、变压器和电容上的 损耗会增加，所以一般效率较低 ； 工作于电 流连续模式下，效率较高，但输出二极管反向恢复时易引起振荡和噪声 。 另外，工作于电流断续模式时，由于变压器电感量 较小，体积可以做得小一些 ； 而工作于电流连续模式，变压器体积一般会较大。变压器参数的选取应结合整个电路设计和实际应用情况，在最初的设计中，为取得比较适中的性能，可考虑使电路工作于电流临界连续状态 。 反激式变压器的设计可分为以下几个步骤： （ 1） 确定已知参数 开关电源应用 的电源设计 - 21 - 这里的已知参数包括：输入电压 出电压 出的功率 率、开关频率 周期 T)、线路主开关管的耐压 （ 2） 计算 未知参数 在反激变换器中， 初级 反射电压即反激电压 最大 输入电压 峰值 时还要留有一定的余 量 (此处假设为 50%的余量 )，则 反激电压由下式确定： 2 )( m a （ 3 反激电压和 输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后，就可以确定 原、副边的匝 数 比了： （ 3 其中 ， 输出整流二极管导通电压）。 另外，反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下，变压器的磁平衡，可以有下式： ）（ m a xm a xm （ 3 设在最大占空比时，当开 关管导通时，原边电流为 开关管截止 时，原边电流上升到 0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。由能量守恒，我们有下式： i nm a (21 （ 3 本设计电路工作于电流连续模式， 一般连续模式设计 中 ，我们令 这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感量： f m a x（ 3 其中 ， 可由 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 22 - 10( （ 3 在上式中， 位为 位为 原边电感量，单位为 H； 原边峰值电流，单位为 A； 位为 T； 据安规的要求和输出路数决定，一般 为 般取 395A/ 根据求得的 选择合适的磁芯， 一般尽量选择窗口长宽之比 较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。 有了磁芯就可以求出原边的匝数， 根据下式： 42 10 （ 3 再根据原、副边的匝 数 比关系可以求出副边的匝数。有时求 出 的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。 为了避免磁芯饱
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号