开关电源的设计.doc

基于555定时器的开关电源的设计Design of the switching power supplybased on 555-timer王秀霞 孙明霞 张健毅 杨济民 Xiu-xia Wang , Ming-Xia Sun, Jian-Yi Zhang, Ji-min Yang摘要 本开关电源是用555定时器等组成的脉宽调整电路构成稳压源。主要介绍了开关电源的主要组成部分的原理图及设计、555定时器及有其组成的脉宽调整电路和功率MOSFET管。此电源电路结构简单，功耗小，控制线性好，稳压范围宽，能实现较好的控制，输出电压在（320）V连续可调，电流05A。关键词 开关电源、DC-DC电源变换器、PWM、555定时器、功率MOSFET1、引言 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而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，开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管（MOSFET ,IGBT）开通和关断的时间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源。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泛的发展空间。当今市场上的开关电源琳琅满目，有分离的，也有单片的，等等，但大都存在电路复杂，功耗大，灵敏度差，控制范围窄，不能实现很好的控制等缺点。用555定时器实现脉宽调制，电路结构简单，功耗小，控制线性好，稳压范围宽，能实现较好的控制等优点。2、 开关电源的结构设计 开关电源主要有以下几部分组成，其结构图如图1所示。DC-DC变换器滤波取样PWM控制器开关管整流、滤波输入滤波 器 图1：开关电源结构图市电经整流滤波和功率因数校正后得到高压直流电，然后通过DC/DC变换电路将直流电变为所需要的直流电压，控制回路从输出端取样并与设定基准进行比较，然后去控制逆变器，改变功率开关管的导通频率或导通/截止时间进行输出稳定，另一方面，根据检测电路提供的数据，经保护电路鉴别，利用控制电路对整机进行各种保护控制。一、主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：（一）、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。其主要原理图如图2所示。 图2：输入滤波器原理图（二）、整流与滤波：电路大都采用桥式整流加电容滤波电路，将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。（三）、DC-DC电源变换器：其作用是将一种直流电压变换成另外一种或几种直流电压。DC-DC电源变换器主要有13种拓扑结构，本设计采用降压式变换器（Buck Converter）其电原理图和工作过程如下：（1） 电原理图它由开关管Q、储能电感L、续流二极管VD所组成。图4：Buck型DC-DC变换器原理图（2）工作过程：当开关管Q导通时，Ui向V0供电，多余电能存储在L中，在电感L两端形成左正右负的电压，二极管VD处于反偏而截止，电流通过储能电感L将电能转换成磁能存在储能电感L中，；当开关管Q截止时，储能电感L两端的电压极性颠倒，电压变为左负右正，二极管VD处于正偏而导通，给储能电感L和电源Ui提供放电回路，电流流经续流二极管VD至负载和滤波电容C。（四）、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。二、控制电路控制电路是开关电源的核心。通过控制开关管的导通时间来控制输出电压的大小，开关管导通时间越长，输出电压越高；反之，输出电压越低。开关型稳压电源按稳压的控制方式分，有脉宽宽度调制式（PWM型）、脉冲频率调制式（PFM型）和PWM、PFM混合型。一般开关电源的控制电路主要有检测比较放大电路、电压脉冲宽度转换电路(或电压频率转化电路)、时钟振荡器（或恒脉宽发生器）、基极驱动电路、过压过流保护电路以及辅助电源等电路组成。存在着电路复杂，功耗大，灵敏度差，控制范围窄，不能实现很好的控制等缺点。本设计采用PWM（Pulse Width Modulation) 式，是一种开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的控制方式。1、555定时器的结构图555定时器的结构图如图3所示。它由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。图3：555定时器的结构图555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。一般用双极性工艺制作的称为 555，可在 5V16V 工作，最大负载电流达用200mA ；用CMOS 工艺制作的称为 7555， 可在 318V 工作，但最大负载电流在4mA以下，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。2、 利用555定时器实现宽范围脉宽调整器 图4：利用555定时器构成的宽范围脉宽调整器的电路图利用555定时器构成的宽范围脉宽调整器的电路如图4所示。IC1及其外围元件组成占空比可调的时钟电路由于在电路中中接入了二极管D1和D2，电容C1的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C1的充电时间为T1 = R1，C12而放电时间为 T2 = R2，C12振荡周期为T = T1+T2 = (R1，+R2，)C2振荡频率为f = 1/T = 1/(R1，+R2，)C12图中设计的频率大概为30KHz。输出脉冲的占空比为 q = T1/T2 = R1，/(R1，+R2，)调节电路中的电位器Rw可以调节输出脉冲的占空比，图中设计的占空比可调范围为（1：4）（3：4）。IC2及其外围元件则组成PWM电路。PWM调整允许一个可变的输出电压。可通过IC2的VC终端(引脚5)的反馈来调节电压。一个超过调节阈值限制的输出电压将提前结束基于周期循环的PWM信号，以维持输出电压的稳定。三、开关电源中的关键元器件功率MOSFET “MOSFET”是英文Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(SiO2或SiN)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率MOSFET(Power MOSFET)是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。为防止MOSFET接电感负载时，在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿MOSFET，一般功率MOSFET在漏极与源极之间内接一个快速恢复二极管，如图8所示。功率MOSFET的特点功率MOSFET与双极型功率管相比具有如下特点：1、MOSFET是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；2、输入阻抗高，可达108以上；3、工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；4、有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作HI-FI音响；5、功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻.四、保护电路开关电源的保护电路很多，这里讨论对此采取的两种保护措施。（一）输入软启动电路开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路，在输入电路合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零，会形成很大的瞬时冲击电流，如此大的冲击电流，往往会导致输入熔断器烧断，甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸。在整流电路和滤波电路之间加一个负温度系数的热敏电阻Rt，在电源接通瞬间，热敏电阻的阻值较大，达到限制冲击电流的作用。当较大电流流过热敏电阻后，电阻发热而使其阻值变小，其上压降很小，这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。此设计中采用村田公司生产的品名为NTPAN3R0LDKB0引线型负温度系数热敏电阻，此电阻器可有效抑制开关电源调节器打开时产生的浪涌电流。图5：基于555定时器的开关电源的电原理图（二）、输出过载保护电路 一个简单的限流型过载保护电路，主要有串接在输出回路中的检流电阻R4和保护三极管T1。R4的阻值很小，一般为1欧姆。开关电源正常工作时，负载电流不超过稳定值，电流在R4上的压降很小，故三极管T截止，保护电路不起作用。当负载电流超过某一临界值后，R4上的压降使T导通。由于T流过一个集电极电流，将使开关管Q的输入电流被分流掉一部分，于是限制了开关管Q中电流的增长，保护了开关管。3、 开关电源的稳压过程开关电源的电原理图如图5所示。由于电网波动或者负载变化使输出电压Uo升高，三极管T2的集射电压Ube2升高，基极电流Ib2升高，集电极电流Ic2升高，PWM电路的输出波形的占空比减小，开关管Q的导通时间减小，输出电压Uo降低，从而达到稳定输出电压的目的。由于某种原因使输出电压Uo降低时，其稳压过程与此相反。4、结束语本开关电源是用555定时器等组成的脉宽调整电路构成稳压源。电路的控制线性和对称性较好，效率约为67%。输出电压在（320）V连续可调，电流05A,电压稳定度15%，纹波电压Vp-p25mV。参考文献1、候振义、夏峥、柏雪倩等.直流开关电源技术及应用.-北京：电子工业出版社，2007.4；2、沙占友、马洪涛、王书海等.特种集成电源设计及应用.-北京：中国电力出版社，2007；3、阎石主编.数字电子技术基础（第四版）.清华大学电子学教研组编.-4版.-北京：高等教育出版社.1998.12（2004重印）；4、康华光主编.电子技术基础：模拟部分（第四版）