【正文】 ...................... ２６ 輸出整流濾波電路的設(shè)計 ............................................................. ２７ 輸出濾波器的設(shè)計 ............................................................ ２７ 輸出整流電路的結(jié)構(gòu) ........................................................ ２７ IV 結(jié)論 .................................................................................................................. ２９ 致謝 .................................................................................................................. ３０ 參考文獻 .......................................................................................................... ３０ 附錄 .................................................................................................................. ３０ １ 1． 緒論 什么是電源適配器 近年來，電子產(chǎn)品，如筆記本電腦，液晶顯示器，數(shù)碼相機， PDA，手機，隨身聽等發(fā)展迅速，其中絕大多數(shù)需要低壓直流電源為其供電或為其機內(nèi)電池充電，為了從市政電力的交流系統(tǒng)中獲取電力，兩者之間必須有AC/DC 的轉(zhuǎn)換裝置，這就是電源適配器。它是將交流電網(wǎng)的交流電變換成電子產(chǎn)品所要求的直流電壓，其輸出電壓一般較低 (幾伏到十幾伏 )，功率較小 UL 瓦到一百多瓦 )。示意 圖如下： 交流電網(wǎng) 圖 電源適配器的發(fā)展與趨勢 筆記本電源適配器的作用是將日常的市電轉(zhuǎn)換為筆記本電腦工作所需的電壓和電流．承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換 的重任。因此它品質(zhì)的好壞將直接威脅 到本本的安全性。筆記本電源適配器屬于開關(guān)電源．具有線圈式變壓器所不具備的很多優(yōu)點。在相同功率的情況下開關(guān)電源具有體積小 、 重量輕 、 低損耗 、 功率密度大等優(yōu)點 。并具有輸入電壓寬 、 穩(wěn)壓精度高 、 過流過壓、短路保護等功能。正是因為具 有上述優(yōu)點， 所以現(xiàn)在大多數(shù)的電子產(chǎn)品都用開關(guān)電源作為電源適配器。 在 20 世紀七、八十年代，電源適配器采用線性電源技術(shù)，其原理圖如電源適配器 電子產(chǎn)品 ２ 圖 所示。交流電壓經(jīng)過工頻變壓器變壓后得到較低的交流電壓，通過全橋整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路，然后得到穩(wěn)定的直流電壓輸出，其中穩(wěn)壓電路的調(diào)整管工作在放大狀態(tài)。 線性電源穩(wěn)定度較高、輸出電壓紋波較低，沒有 EMI 干擾的問題。但線性電源存在以下缺點 :1)它需要工頻變壓器，電源體積和重量較大 。2)輸入電壓范圍很窄 。3)穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，損耗較大，效率很低 (35%左 右 )，需要較大的散熱片。 開關(guān)直流電源組成的方框圖如圖 所示。交流電壓經(jīng)過全波整流電路和濾波電路得到較為穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)過直直變換器得到需要的直流穩(wěn)壓電源。其中直直變換器中的功率管工作在開關(guān)狀態(tài)。它效率高，體積小，重量輕，但是由于功率管工作在開關(guān)模式，會產(chǎn)生電磁干擾(Electro Magic Interference, EMI)問題，同時由于交流電網(wǎng)直接接到整流橋和濾波電路上。 在電網(wǎng)的半個周期內(nèi)，只有在輸入電壓的峰值時間才有輸入電流，導(dǎo)致電源的輸入功率因數(shù)很低 (大約為 )。該電流中含有大量電流諧波分量，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波 “污染”。隨著用電設(shè)備的日益增多，諧波污染問題引起了越來越廣泛的關(guān)注。 圖 ,線形直流電源組成的方框圖 圖 我國 70 年代初期開始研制無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。 1974 年成功研制出了工作頻率為 10KHZ、輸出電壓為 5V的無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近 10 多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在 20KHZ 左右，輸出功率在 1000W 以下的無工頻開關(guān)穩(wěn)壓電源，并 ３ 且應(yīng)用于電子計算機、通信、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為 100KHZ—— 200KHZ 的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源于 80 年代初期就開始研制， 90年代初就已試制成功。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國在無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源方面做出了巨大的努力，并且取得了可喜的成果，但是，目前我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)和一些先進的國家還是有較大的差距，此外，這些年來，我國雖然把無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率從 10KHZ 提高到了數(shù)百 KHZ，把輸出功率由數(shù)十瓦提高到了數(shù)百瓦 甚至數(shù)千瓦，但是，由于我國的半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時代的發(fā)展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管大部分采用的仍是進口的晶體管。所以我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界的先進水平，最根本的是要提高我國的半導(dǎo)體的技術(shù)和工藝。 半橋開關(guān)穩(wěn)壓電源 所謂的“全橋”是指它是有四個“臂”的橋電路，簡稱為“橋式”或“橋”，在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的“全橋”，四個臂就是四個開關(guān)調(diào)整管，所謂的“半橋”式開關(guān)電源，那它就是全橋的一半，也就是它只有兩個臂，用兩個開關(guān)管調(diào)整就可以。半橋式開關(guān) 電源的優(yōu)點是能“提高”開關(guān)變壓器鐵芯的磁導(dǎo)率，這是因為采用了兩只開關(guān)調(diào)整管。會使磁通的變化率要大得多。 半橋變換器實際上也是由兩個單端正激變換器組合而成，其中一個橋臂由兩個特性相同 .容量相等的電容器承擔(dān)，每個電容承受二分之一的電源電壓；另一個橋臂由兩個受 PWM 信號控制驅(qū)動的功率開關(guān)管承擔(dān)。輸出從兩個 橋臂的中點取出，或接高頻變壓器隔離變壓。兩個 PWM 驅(qū)動信號互補。 半橋變換器的高頻變壓器的磁芯是雙向磁化，工作在磁化曲線的第一象限和第三象限。由于開關(guān)頻率的不對稱和驅(qū)動電路的不對稱等原因，會引起直 流分量，產(chǎn)生偏磁并可能因為積累而使變壓器磁飽和，產(chǎn)生過大的電流，使變壓器的效率因損耗增加而下降，嚴重時會使開關(guān)管件損壞，因此在半橋電路中應(yīng)有防偏磁措施。另外，由于強點磁干擾，兩只開關(guān)管因誤觸法可能同時導(dǎo)通，即形成直通而造成逆變崩潰，為此應(yīng)有抗電磁干擾抑制措施，特別是驅(qū)動電路的屏蔽和布局工藝。 但是半橋電路與其他電路相比因為開關(guān)管只承受電源電壓的電壓應(yīng)力，所以可用于輸入電壓高的場合。 ４ 目前正在克服的困難 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體 積在不斷縮小，重量在不斷的減輕，但是 從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對于開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分的理想，所以他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)變壓器或者通過別的途徑來取代開關(guān)變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的需要。這是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前需要克服的第一個困難。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，并且開關(guān)穩(wěn)壓電源中由于采用了開關(guān)變壓器以后，才能使之由一組輸出得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻 率。但是，當(dāng)頻率提高以后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感等都會出現(xiàn)新的問題。進一步研制適應(yīng)高頻率工作的有關(guān)電路元器件，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第二個問題。 工作在線性狀態(tài)的線性穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用，因此串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾，且紋波電壓輸出較小。但是，在開關(guān)穩(wěn)壓電源中的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，其交變電壓和電流會通過電路中的其他元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾會污染市電電網(wǎng)，影響臨近的電子儀器和設(shè)備的正常工作。隨著 開關(guān)穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進，開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點得到了進一步的克服，可以達到不妨礙一般的電子儀器、設(shè)備和家用電器正常工作的程度。但是一些精密電子儀器中，由于開關(guān)電源的這一缺點，卻使得它不能得到使用。所以克服開關(guān)穩(wěn)壓電源的這一缺點，進一步提高它的應(yīng)用范圍，是從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。 近期要解決的問題： 1 實現(xiàn) PWM 的軟開關(guān)； 2 有源濾波器中采用諧振開關(guān)及軟開關(guān)技術(shù)，效率提高悼 90%以上； 3 逆變器中采用諧振開關(guān)及軟開關(guān)技術(shù)； 4 諧振及軟開關(guān)中的浪涌分析； 5 采 用高頻同步整流技術(shù)； 6 用于模擬傳導(dǎo)噪聲的變換器電路的模擬實驗； 7 使變壓器、電抗熱回路的變換器電路的分析和 CAD； 8 MHZ 級開關(guān)中功率開關(guān)的智能化； 9 使變壓器、電抗器體積最小的開關(guān)頻率的確定； 10 采用薄膜技術(shù)使 3mm 以下的薄形變壓器實用化； 11 超薄非晶形磁芯的高頻特性分析，并用于噪聲濾波器； ５ 12 磁性部件的屏蔽和輻射噪聲抑制方法的確定； 開關(guān)電源的發(fā)展方向 隨著電源的發(fā)展，人們對電源提出了更高的要求， 對電源從不同的角度提出了理想的發(fā)展方向，具體包括： 輸入電壓通用 ； 擴大輸出電 壓范圍 ；提高輸入側(cè)功率因數(shù) ； 要求附加備用電池 ； 普遍要求安全，具有過壓保護功能及抗電磁干擾等 ； 分布式結(jié)構(gòu)增多，高頻化和高功率密度化，高可靠性以及低噪聲 。 總之 ,效率更高 、性能更強、系統(tǒng)更穩(wěn)定、滿足更多功能需求的要求是開關(guān)電源的發(fā)展方向。 ６ 2． 系統(tǒng)的總體概述及部分元件介紹 系統(tǒng)的功能及工作過程 筆記本電源適配器實際上就是一個直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，就是將某一種數(shù)值的直流電壓，變換成另一種數(shù)值或多種數(shù)值的直流電壓輸出的穩(wěn)壓電源，也就是所謂的 DCDC 變換器。簡化圖如 所示，由五個部分組成。從圖中可 以知道，由左邊輸入的交流電壓有效值為 220V，首先經(jīng)過整流濾波變成直流電壓 VI。 而后經(jīng)過逆變器，又將直流電壓變成方波電壓 關(guān)變壓器初級繞組輸入，經(jīng)過開關(guān)變壓器變壓后，在次級繞組輸出所需的電壓，由開關(guān)變壓器次級繞組輸出的電壓是正負交替的方波電壓，所以必須得經(jīng)過整流濾波（二次整流），最后才能輸出直流電壓 VO，供負載用電，另外還要從輸出電壓 VO 端引出一小部分電壓，通過穩(wěn)壓控制系統(tǒng)反饋給逆變電路，進行穩(wěn)壓控制，這就是所謂的深負反饋穩(wěn)壓電路，這樣才能使輸出電壓 VO 穩(wěn)定。 直流輸出 交流輸入 圖 直流 變換式開關(guān)穩(wěn)壓電源的方框圖 筆記本電源適配器的設(shè)計指標： 輸入交流電壓： 220v(? 15%), 50Hz 恒流輸出電流 OI : 4A 額定輸出電壓 oU : 16V 整流 濾波 逆變器 開關(guān) 變壓器 整流 濾波 穩(wěn)壓控制 ７ 開關(guān)頻率 sf ： 100KHz 電源效率 ? ： 80% TL494 芯片簡介 TL494 是美國德州儀器公司生產(chǎn)的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器，可 在 顯示器、計算機等系統(tǒng)電路中作為開關(guān)電源電路 的控制電路 ， TL494 的輸出三極管可接成共發(fā)射極 和 集電