【正文】 以上，效率接近 90%。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第 1 章 開關(guān)電源基礎(chǔ)技術(shù) 開關(guān)電源概述 開關(guān)電源的工作原理 開關(guān)電源的工作原理可以用圖 11 進(jìn)行說 明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui 經(jīng)開關(guān) S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓 U0。 U iSU i0T O N U 0t0t0( b )V( a )U 0 圖 11 開關(guān)電源的工作原理 (a)為原理性電路圖， (b)為波形圖 為方便分析開關(guān)電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? (11) 式中 T 表示開關(guān) S 的開關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開關(guān) S 在一個開關(guān)周期中的導(dǎo)通時間 [1]。 開關(guān)電源直流輸出電壓 U0 與輸入電壓 Ui 之間有如下關(guān)系： DUU iO ? (12) 由 (12)式可以看出，若開關(guān)周期 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時間 TON，即可改變脈沖占空比 D，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 T 不變，只改變 TON 來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的方式叫做脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。由于 PWM 式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，所以 PWM 式開關(guān)電源用得較多。若保持 TON 不變，利用改變開關(guān)頻率 f=1/T 實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 從而實現(xiàn)輸出直流電壓 U0 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制 (PFM)方式開關(guān)電源。由于開關(guān)頻率不固定，所以輸出濾波電路的設(shè)計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變 TON，又改變 T，實現(xiàn)脈沖占空比的調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)方式均有應(yīng)用。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源由以下四個基本環(huán)節(jié)組成，見圖 12 所示 。其中 DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號放大，整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號，也可以是 PFM 信號或其它信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號的幅值，頻率，波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動電路、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等。 DC/DC 變換器有多種電路形式，其中控制 波形為方波的 PWM 變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振變換器應(yīng)用較為普遍。 開關(guān)電源與線性電源相比，輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開關(guān)頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也能得到改善。負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定。所以可以通過提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器 LC 的方法改善瞬態(tài)響應(yīng)特性 [2]。 圖 12 電源基本組成框圖 開關(guān)電源的特點(diǎn) (1)效率高：開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在 80%～ 90%，高的可達(dá) 90%以上。 (2)重量輕：由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，電源的重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 (3)穩(wěn)壓范圍寬：開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270V 范圍變化時，輸出電壓的變化在177。 2%以下。合理設(shè)計電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬，并保證開關(guān)電源的高效率。 (4)可靠安全：在開關(guān)電源中，由于可以方便的設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，所以當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保護(hù)功能可靠。 (5)功耗?。河捎诠β书_關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散 熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，所以采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性 [3]。 開關(guān)電源的分類 ，開關(guān)電源可分為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)式、脈沖頻率調(diào)制 (PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種。 自激式開關(guān)電源，自激式開關(guān)電源利用電源電路中的開關(guān)晶體管和高頻脈沖變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關(guān)電源輸出直流電壓。在顯示設(shè)備的 PWM 式開關(guān)電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時，電源 電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。 它激式開關(guān)電源，它激式開關(guān)電源必須有一個振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。 按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸出取樣開關(guān)電源，間接輸出取樣開關(guān)電源；開關(guān)電源按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。 電源電路組成 電源電路一般由主開關(guān)電源、副電源、輔助電 路等組成。 主開關(guān)電源的輸出功率較副電源、行輸出級二次電源的輸出功率要大。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 它將輸入 220V 交流輸入直接整流、濾波為 300V 左右的直流電壓，再經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整環(huán)節(jié)中的開關(guān)調(diào)整管、開關(guān)變壓器、穩(wěn)壓控制電路、激勵脈沖產(chǎn)生電路對 300V 左右的直流電壓進(jìn)行 DCDC 開關(guān)變換，產(chǎn)生各種所需的穩(wěn)定直流電壓輸出。主開關(guān)電源主要為主負(fù)載電路提供 110～ 145V 的直流電壓。遙控待機(jī)功能是通過對主開關(guān)電源的控制實現(xiàn)的，主開關(guān)電源一旦停止工作，則相應(yīng)的功率放大級也將停止工作，于是主負(fù)載失去了直流供電。 副電源的主要作用是為微處理器控制電路提供 ＋ 5V 的供電電壓，副電源電路一般較簡單，既可采用簡易開關(guān)電源也可以采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電路，無論負(fù)載處于正常工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，副電源都必須正常工作。 將行輸出變壓器中產(chǎn)生的行掃描脈沖進(jìn)行整流與濾波，就可以得到各種所需的直流電壓。由于它是由行輸出級經(jīng)直流 交流 直流的兩次變換，所以又稱為二次電源。行輸出級產(chǎn)生的各種直流電壓主要給顯像管各電極供電，同時也可以為視頻輸出板尾板、場掃描，圖像和伴音通道供電。 ： (1)由于負(fù)載 均屬高可靠性設(shè)備，對電源的要求較高，除了提供大的功率，還要求有高的效率。 (2)為擴(kuò)大儀器設(shè)備的使用范圍，要求電源電路能適應(yīng) 110V 和 220V 交流供電的需要。一般要求電源對交流輸入市電電壓的適應(yīng)范圍為 90～ 245V，并對 50Hz 及 60Hz 輸入頻率均能適應(yīng)。 (3)為了使負(fù)載儀器設(shè)備使用安全，要求機(jī)芯為冷底板設(shè)計．所以輸出穩(wěn)壓取樣反饋回路普遍采用光電耦合器進(jìn)行電源初、次級側(cè)的隔離，提高設(shè)備的抗干擾性和安全性。 (4)要求電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路、 X 射線保護(hù)及復(fù)位功能。 (5)為了保證遙控待機(jī)功能的 正確實現(xiàn)，一般還加有副電源電路 (待機(jī)電源 )。副電源電路功率不大，在幾 W 的范圍，既可以用開關(guān)電源實現(xiàn)。也可以用線性電源實現(xiàn)。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) 串聯(lián)開關(guān)電源 結(jié)構(gòu) 串聯(lián)開關(guān)電源工作原理的方框圖如圖 13 所示。功率開關(guān)晶體管 VT 串聯(lián)在輸入與輸出之間。正常工作 時，功率開關(guān)晶體管 VT 在開關(guān)驅(qū)動控制脈沖的作用下周期性地在導(dǎo)通、截止之間交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性的閉合與斷開。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功率開關(guān)晶體管 VT 后輸出為周期性脈沖電壓，再經(jīng)濾波后，就可得到平滑直流輸出電壓 U0。 U0 和功率開關(guān) 晶體管 VT 的脈沖占空比 D 有關(guān)， 見式 (1－ 2)。 圖 13 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會引起輸出直流電壓的變化，通過輸出取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差電壓通過誤差放大器放大，控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比 D，達(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓 U0 的目的。 并聯(lián)開關(guān)電源 結(jié)構(gòu) 并聯(lián)開關(guān)電源工作原理方框圖如圖 14 所示，功率開關(guān)晶體管 VT 與輸入電壓、輸出負(fù)載并聯(lián)，輸出電壓為： DUU i ?? 1 10 (13) 圖 14 為一種輸出升壓型開關(guān)電源，電路中有一個儲能電感，適當(dāng)利用這個儲能電感，可將并聯(lián)開關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 14 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源工作框圖如圖 15 所示。功率開關(guān)晶體管 VT 與開關(guān)變壓器初級線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開關(guān)晶體管 VT 在開關(guān)脈沖信號的控制下，周期性地導(dǎo)通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓，這個脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓 U0。同樣經(jīng)過取樣電路將 取樣電壓與基準(zhǔn)電壓 UE 進(jìn)行比較被誤差放大器放大，由誤差放大器輸出至功率開關(guān)晶體管 VT， 通過控制功率開關(guān)晶體管VT 的導(dǎo)通、截止達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。由于采用變壓器耦合，所以變壓器的初、次級側(cè)可以相互隔離，從而使初級側(cè)電路地與次級側(cè)電路地分開，做到次級側(cè)電路地不帶電，使用安全。同時由于變壓器耦合，可以使用多組次級線圈，在次級得到多組直流輸出電壓。 圖 15 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 電力場效應(yīng)晶體管 MOSFET 隨著信息電子技術(shù)與電力電 子技術(shù)在發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合，形成了高頻河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，其典型代表就是。 電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力 Power MOSFET。 特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高， 熱穩(wěn)定性好。但是電流容量小，耐壓低，一般適用于功率不超過 10kW 的電源電子裝置。 的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力 MOSFET 的種類按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，圖 16 所示為N 溝道結(jié)構(gòu)。電力 MOSFET 的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏 源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P 基區(qū)與 N 漂移區(qū)之間形成的 PN 結(jié)反偏，漏源極之間無電流流過。在導(dǎo)電狀態(tài)，即當(dāng) UGS 大于開啟電壓或閾值電壓 UT 時，柵極下 P 區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使 P 型半導(dǎo)體反型成 N 型而成為反型層，該反型層形成 N 溝道而使 PN 結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。 (a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (b)電氣圖形符號 圖 16 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 MOSFET 開關(guān)時間在 10～ 100ns 之間，工作頻率可達(dá) 100kHz 以上，是電力電子器件中最高的。由于是場控器件，靜態(tài)時幾 乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。 驅(qū)動電路的選擇 (1)IR21 系列 因為 MOSFET 開關(guān)頻率可達(dá)到 100KHz，采用此類專用驅(qū)動芯片最為理想。 IR202 IR221 系列均可工作在 100KHz 以上。同類型的高壓板橋驅(qū)動IC 有很完善的保護(hù)機(jī)制，可以很好的應(yīng)用于半橋、全橋、三項全橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 (2)應(yīng)用隔離光耦驅(qū)動 因為頻率的原因，達(dá)不到要求。在開關(guān)頻率較高時，會產(chǎn)生顯著的延時，而且需要一組獨(dú)立的驅(qū)動電源。使用 高速光耦，其驅(qū)動能力不足。 (3)脈沖驅(qū)動變壓器 隔離效果好，但是輸出驅(qū)動波形不易控制，輸出驅(qū)動脈沖的寬度不能大范圍調(diào)節(jié)，而且輸出寬脈沖時脈沖變壓器容易飽和，因此主要應(yīng)用于開關(guān)頻率不高的電路 [4]。 開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) 當(dāng)設(shè)計制作開關(guān)電源時，第一個測試步驟為將輸出電壓調(diào)整至規(guī)格范圍內(nèi)。此步驟完成后才能確保后續(xù)的規(guī)格能夠符合 要求 。 通常當(dāng)調(diào)整輸出電壓時，將輸入交流電壓設(shè)定為正常值，并且將輸出電流設(shè)定為正常值或滿載電流，然后以數(shù)字電壓表測量電源供應(yīng)器的輸出電壓值并調(diào)整其電位器直 到電壓讀值位于要求的范圍內(nèi)。 電源調(diào)整率的定義為電源供應(yīng)器于輸入電壓變化時提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。此項測試系用來驗證電源供應(yīng)器在最惡劣之電源電壓環(huán)境下，如高溫條件下 ， 當(dāng) 用電需求量最大 時， 其電源電壓最低；又如低 溫條件下 ，用電需求量最小 ， 其電源電壓最高。在前述之兩個極端下驗證電源供應(yīng)器之輸出電源的穩(wěn)定度是否合乎需求的規(guī)格。 壓 調(diào)整率 能提供可變電壓能力的電源，至少能提供待測電源供應(yīng)器的最低到最高之輸入電壓范圍。均方根值交流電壓表來測量輸入電源電壓，眾多的數(shù)字功率計能精確計量 V、 A、 W、 PF。 測試步驟如下：將待測電源 設(shè)備 以正常輸入電壓及負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定