开关电源概念

学习园地：2.1开关电源概念2.1.1基本概念凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另外一形态的主电路叫做开关变换器电路。在转变时，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。开关电源是进行AC/DC、DC/DC、DC/AC功率变换的装置。这些变换由主回路和控制回路两大部分完成。主回路将输入的交流电传递给负载，它决定开关电路的结构形式，变换要求，功率大小，负载能力等。控制回路按输入、输出的条件来检测、控制回路的工作状况。推挽正激式开关电源由于输出电感和续流二极管的作用。输出电源是连续的。变换器在开关晶体管导通时经变换器向负载传输能量。输出功率范围较大。高频变压器既要起变压器隔离和传输能量的作用。又起到电感线圈储能的作用。控制电路以集成的PWM脉宽调制电路为基础组成。能十分方便实现稳压调节及过压、欠压、限流和关断电源输出等保护控制功能。该电源既能独立使用。又可相互并联使用。输入可以是交流电压。也可以是直流电压。应用灵活、运行可靠、能长期稳定地运行于工业环境中。2.1.2开关电源通常由六大部分组成图2.1开关电源工作原理框图如图2.1所示，第一部分是输入电路。它包含低通滤波和一次整流环节°220V交流电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。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把功率因数的直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。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输出。第五部分是控制电路，输出经过分压采样后与电路基准电压进行比较放大。第六部分是高频振荡发生器，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调制[8]2.2推挽式开关电源的优缺点推挽式开关电源的优点如下：推挽式开关电源输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。由于推挽式开关电源中的两个控制开关轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个周期之内都向负载提供功率的输出，因此，其输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。它在输入电压很低的情况下，仍然能维持很大的输出功率，所以推挽式开关电源被广泛应用与低输入电压的DC\AC逆变器，和DC\DC转换器电路中。推挽式开关电源是一个输出电压特性很好的开关电源。推挽式开关电源经桥式整流或全波整流后，其输出电压脉动系数和电流脉动系数都很小，因此，需要一个很小值的储能滤波电容或储能滤波电感就可以得到一个电压纹波和电流纹波很小的输出电压。因此，推挽式开关电源是一个输出电压特性很好的开关电源。推挽式开关电源变压器的漏感以及铜阻损耗都比单极性磁化极变压器小很多，开关电源的工作效率高。推挽式开关电源的变压器属于双极性磁化极，磁感应变压范围是单极性磁化极的两倍多，并且变压器铁芯不需要气隙，因此，推挽式开关电源变压器铁芯的磁导率比单极性磁化极的正激或反激开关电源的变压器铁芯的磁导率高很多倍，这样推挽式开关电源变压器的初级、次级的线圈的匝数可比单极性磁化极变压器初级、次级的线圈的匝数少一倍以上。所以，推挽式开关电源变压器的漏感以及铜阻损耗都比单极性磁化极变压器小很多，所以开关电源工作效率很高。推挽式开关电源的缺点如下：推挽式开关电源的主要缺点主要是两个开关器件需要很高的耐压值，其耐压值必须大于工作电压的两倍。因此，推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。另外，直流输出电压可调整式推挽开关电源输出电压的调整范围比反激式开关电源输出电压的调整范围小很多，并需要一个储能滤波电感，因此，推挽式开关电源不宜用于要求负载电压变化范围太大的场合。推挽式转换器可以看作两个正激式转换器的组合，在一个开关周期内，这两个正激式转换器交替的工作。若两个正激式变换器不完全对称或平衡时，就会出现直流偏磁的现象，经过几个周期累计的偏磁，会使磁芯进入饱和状态，并导致高频变压器的励磁电流过大，甚至损坏开关管［4。2.3开关电源各部分电路基本原理2.3.1脉宽调制式开关电源的基本原理脉宽调制式开关电源的基本原理如图2.2所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压y1，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过输出整流滤波器VD、C2,获得所需要的直流输出电压Uo。脉宽调制器是这类开关电源的核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到耪压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使Uo下降，脉宽调制器就改变驱动信号的脉冲宽度，亦即改变占空比D，使斩波后的平均值电压升高，导致Uo升高。反之亦然。图2.2脉宽调制式开关电源的基本原理2.3.2脉宽调制集成电路TL494简述随着电力电子技术的发展，各种大功率全控型器件相继推出，其中MOS型功率晶体管发展非常迅速，由于它具有高耐压、低驱动功率、良好的频率响应特性和开关时间短等优点，在许多方面可以替代双极型品体管，其工作频率可以达到200KHZ以上，常常在开关稳压电源和直流斩波电路中用作开关管，开关管的控制方式采用脉宽调制（PWM）方式。美国硅通用电气公司设计了适用于高频功率MOS管驱动的第二代集成电路脉冲宽度控制器，其中TL494可用于驱动N沟道的功率MOS管，可用于推挽、单端输出的开关电源。其控制的半桥型开道稳压电源具有逆变频率高，稳压性能好的特点。TL494电路具有如下特点:①TL494广泛用于100-200W中功率开关电源中。可用于推挽、半桥单端输出电路，它的适用性强，比较机动灵活；②TL494电路的工作频率是由外部锯齿波发生器（即振荡器）上的定时元件Rt，Ct决定的，一旦定时元件固定后，电路输出信号的工作频率就固定不变了，它的最高工作频率可以达到300KHz；③该电路具有5V过流，过电压保护，输入欠压保护，5V欠压保护以及12V过流保护等多种保护功能，电源可靠性高，运行安全，适用于微型计算机，屏幕显示器和医疗器械。④工作温度范围宽为-20〜85摄氏度。电源电压从100V到240V都能适用[12]TL494电压调节芯片内部结构如下：具体的引脚与内部结构如图2.3与2.4所示。TL494是一块脉宽调制集成电路，内含基准电压产生电路，振荡电路，低电压停止电路，间歇期调准电路，PWM比较器，两个误差放大器和两个输出电路。图中，脚14为TL494的基准电源输出，输出精度可达到5.1V左右，除误差放大器外所有片内电路均由它供电。采用温度补偿，而且设有过电流保护电路。脚5,脚6内设有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成TL494的振荡器。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反向输入端，同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据系统的动态，静态特性要求，在误差放大器的输出脚3和脚2之间一般要添加适当的反馈补偿。图2.3TL494引脚图2.4TL494内部框图2.3.3TL494各部分功能简介基准电压5V由14脚输出，除误差放大器外所有片内电路均由它供电。此外还用于确定限流值、控制死区范围、软启动回路的电源。它在0~70摄氏度范围内总变化率小于1%。6脚和5脚对地分别接入电阻Rt和电容Ct，便可产生锯齿波自激振荡Ct电容充电到3V时即开始放电，放电到零完成一个周期。振荡频率f=1\(RtCt),Ct选470pF〜10uF，Rt选1.8〜500K，频率可调范围为几百至300KHz。由于误差放大器采用单电源运算放大器工作方式，并由Vcc直接供电，故共模输入电压范围可在-0.3V到(Vcc=2V)之间任意选择。两个性能相同的误差放大器，一个作电压控制，一个作电流控制。放大器输出高电平，输出脉冲方波变窄，反之输出方波变宽。为防止输入电压尚未完全建立或电压瞬时跌落引起TL494误动作，片内设防止低输入电压误动作电路。4脚死区时间控制端可用于确定死区宽度和软启动。死区时间控制是在4脚加入0〜3V的电压，此电压从Vref接入。锯齿波电压与4脚电压相比较，当锯齿波电压比4脚电压低，输出品体管截止，限制了输出方波宽度的增大；当4脚对地电位为零时，输出脉冲的死区时间的占空比固定为3%。软启动是在基准电压Vref与死区控制端之间接入电容Cs，在电源接通瞬间，Vref通过Cs加到4脚，使输出品体管的导通时间缓慢增加，输出电压Vo逐渐上升完成软启动。TL494有两组输出晶体管，其发射极和集电极均直接引出，可作射极跟随或集电极输出工作。每组输出品体管工作电流可达200mA。2.3.4EMI滤波目前，随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现与广泛普及，电磁干扰正日益严重并形成一种公害。因为这种干扰可导致电子设备无法正常工作，特别是瞬态电磁干扰，其电压幅度高、上升速度快、持续时间短、随机性强，容易引起数字电路产生严重干扰，常使人们防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。电源噪声及其抑制方法电源噪声是电磁干扰的一种，它属于射频干扰，其传导噪声的频谱大致是为10KHz〜30MHz,最高可达150MHz。根据传播方向的不同，电源噪声可以分为两大类：一类是从电源进线引入的外界干扰；另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰对向，又是一个噪声源。若从形式特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地的噪声。因此，EMI滤波器应符合电磁兼容性的要求，也必须是双向频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引出的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。电磁干扰滤波器亦称电源噪声滤波器，是近年来被推广应用的一种组合器件，它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。因此，被广泛应用于开关电源、电子测量仪器、计算机机房设备等领域°EMI滤波器是由电容器、电感等元件组成的，其优点是结构简单，成本低廉，便于推广应用。简易电磁干扰滤波器的设计EMI滤波器的基本电路如图2.5所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应该接通大地。电路中包括共模扼流圈L、滤波电容器C1~C4OL对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，