【正文】 ........................... 24 短路保護(hù) ............................................................................................................... 27 開關(guān)電源的接地處理要點(diǎn) .................................................................................. 27 4 PWM 控制電路 .................................................................................................................. 28 組件選擇和基本原理應(yīng)用 ........................................................................................ 28 接線方式 .................................................................................................................... 32 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 35 致 謝 ...................................................................................................................................... 36 1 1 概 述 本課題研究背景及意義 以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從 20 世紀(jì) 60 年代中期開始形成。以整流技術(shù) (AC/DC)為主的各種電源裝置，如電解、電鍍和中小容量的 AD/DC 變換器的出現(xiàn)是這個時期的主要標(biāo)志。開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品 [1]。采用了控制集成電路的開關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能，是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。經(jīng)過近十年的努力，我國電力半導(dǎo)體器件的研制和生產(chǎn)有了長足的發(fā)展 [1]。 20 世紀(jì)九十年代以來是我國電力電子技術(shù)和電源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的期 。產(chǎn)業(yè)界也涌現(xiàn)一些技術(shù)難度較大、具有國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，如 多諧振雙環(huán)控制的通信開關(guān)電源 1 單芯片控制的 500W 以下 PFC控制器， 智能化高頻開關(guān)電源 .用于空調(diào)和冰箱的無位置傳感器的變頻調(diào)速器部件和 數(shù)千kW 級的 IGBT 中壓變頻器 等。但與國際發(fā)達(dá)國家相比，在應(yīng)用基礎(chǔ)研究深度方面差距為 510 年 。在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平等綜合實(shí)力方面差距估計為 1015 年。前國際上流行的開關(guān)電源向著以下幾個方面發(fā)展 :(l)進(jìn)一步提高電能變換效率，降低待機(jī)損耗 。(2)避免電力公害 :盡量減少網(wǎng)側(cè)電流諧波，并使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近 1。 (3)提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)。 (4)降 低電噪聲 。(5)小型輕量化 :通過高頻化、組件小型化和先進(jìn)工藝加以實(shí)施 。(6)高性能。 能源危機(jī)、溫室效應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化時刻提醒著人們，地球已經(jīng)疲憊不堪，改變?nèi)藗兊哪茉传@取方式以及提高能源利用率已經(jīng)成為當(dāng)前世人的共識。新型高效光源，特別是白色光源（適用于一般照明）的發(fā)展對于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用，因?yàn)樗梢越档碗娔芟脑鲩L速度，進(jìn)而減少新增電網(wǎng)容量的費(fèi)用，降低能源消耗以及減少向大氣中排放的溫室氣體及其它污染物。 LED，特別是白色光 LED，因其與傳統(tǒng)光源相比所具有的理論以及現(xiàn)實(shí)的優(yōu)越性 [2]，受到廣大專業(yè)人士的青睞。它的出現(xiàn)也為照明界開拓出了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，并為照明節(jié)能設(shè)計提供了更多的選擇。 要發(fā)展 LED要必須發(fā)展 LED的配套的設(shè)施，驅(qū)動電源就是最主要的。因此驅(qū)動 LED的 開關(guān)電源亟需得到大力的發(fā)展。 開關(guān)電源和 LED 的發(fā)展概況 2 電源是各種電子設(shè)備必不可缺的組成部分，性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源分線形電源和開關(guān)電源兩大類。線形穩(wěn)壓電源亦稱串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓性能好，輸出電壓波紋很小，但它必須使用笨重的工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離 ，并且調(diào)整管的功率損耗較大，致使電源的體積和重量大，效率低。開關(guān)電源 SPS 被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 [3]，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá) 80%90%，比普通性能穩(wěn)壓電源提高近一倍。開關(guān)電源亦稱為無工頻變壓器的電源。它是利用體積很小的高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓變換及電網(wǎng)隔離的，不僅能去掉笨重的工頻變壓器，還可采用體積較小的濾波組件和散熱器，這就為研究與開發(fā)高效率、高密度、高可靠性、體積小、重量輕的開關(guān)電源莫定了基礎(chǔ)。在開 關(guān)電源中，為了實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程控制等功能，以及減小體積、減輕重量，高壓功率集成電路得到廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。采用了這種集成電路來調(diào)節(jié)和控制的開關(guān)電源，不但外部電路簡單，組件數(shù)目少，而且可以和微處理器直接接口或通過局域網(wǎng) (LAN)來實(shí)現(xiàn)編程或控制功能，是目前 75W 以下高效率、多功能開關(guān)電源的最佳解決方案。 在晶體管 發(fā)明以后，微電子技術(shù)對電子系統(tǒng)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，尤其是在計算機(jī)和信號處理方面的成果更是有目共睹。目前，絕大部分電子系統(tǒng)中都大量使用了集成電路來減小體積，減輕重量，提高可靠性。同樣微電子技術(shù) 對電力電子的影響也非常明顯，這一點(diǎn)可以從各種功率電子器件和功率集成電路的廣泛應(yīng)用看出，并且這一趨勢將一直繼續(xù)下去。 IC 產(chǎn) 品 在功率電子中的應(yīng)用可以簡單分為兩類。第一類為分立器件，包括晶閘管、大功率雙極型晶體管、 DMOS 和現(xiàn)在更常用的 LDMOS, IGBT, MCT 等。這些器件具有功率容量大、能量損耗低、開關(guān)速度快等特點(diǎn)，適用于電力電子裝置，得到了大量應(yīng)用。關(guān)于性能更優(yōu)的分立器件一直是研究的對象，也將進(jìn)一步提高整機(jī)系統(tǒng)的性能。但這種器件需要采用與集成電路不同的縱向工藝和較厚的外延層來達(dá)到耐壓要求，另一類得 到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品是功率集成電路 (Power)。 由于發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新的應(yīng)用，呈現(xiàn)了朝陽工業(yè)的欣欣向榮的景象，相信在下世紀(jì)的頭十年中， LED 產(chǎn)業(yè)會得到持續(xù)發(fā)展。發(fā)光二極管的應(yīng)用十分普遍，由于工作電壓低、耗電省、色彩豐富、價格低，因而受到電氣工程師和科研人員的歡迎 [13]，早期傳統(tǒng)的產(chǎn)品發(fā)光效率低，光強(qiáng)一般幾個到幾十個 光照度 ，適宜使用在室內(nèi)場合，在家電、儀器儀表、通訊設(shè)備、微機(jī)及玩具等方面應(yīng)用，由于應(yīng)用技術(shù)日 3 趨發(fā)展，傳統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)新的應(yīng)用商機(jī)，正在流行的 LED 圣誕燈，由于造型新穎，有鴨嘴型 圣誕燈、多彩球型燈、珠廉窗燈，而且色彩豐富，不易碎破，低壓使用的安全性，近期在香港等東南亞地區(qū)銷勢強(qiáng)勁，受到人們普遍的歡迎，正在威脅和替代現(xiàn)有電泡的圣誕市場；一種受到兒童歡迎的閃光鞋，利用走睡時 LED 閃鑠發(fā)光，非常醒目，既有單色光，也有雙色光，據(jù)浙江一家鞋業(yè)公司總經(jīng)理介紹，僅溫州地區(qū)一年要用去 500KK 的發(fā)光二極管；具有健康保健作用的牙刷，在發(fā)達(dá)國家使用普遍，利用發(fā)光二極管作為牙刷的電量指示十分方便，每把牙刷都帶一個 LED燈， LED 經(jīng)電容降壓后，可以使用 220V、280V 電源，市場還有擴(kuò)張的潛力，由于主動發(fā) 光指示清晰，壽命長，耗電少 [4]等特點(diǎn)，很受用戶歡迎，不久可以全部替代電泡型 AD11 產(chǎn)品，總之傳統(tǒng)發(fā)光二極管的市場不僅會隨著原有應(yīng)用面產(chǎn)品的成長而提升，而且新的應(yīng)用面開拓了市場商機(jī)。 從而引發(fā)出驅(qū)動 LED 的開關(guān)電源的巨大的潛力。 開關(guān)電源 和 LED 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開關(guān)頻率很低 .成本昂貴，僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。 20 世紀(jì) 60年代出現(xiàn)的晶閘管 (舊稱可控硅 )相位控制式開關(guān)電源，70年代由分離組件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率底、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy 而難于推廣，使之應(yīng)用受到限制。 70 年代后期以來，隨著集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開關(guān)電源專用芯片大量問世，這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展。目前，開關(guān)頻率已從 20kHZ 左右提高到幾百 、 千赫茲甚至兆赫茲。與此同時，供開關(guān)電源使用的元器件也獲得長足發(fā)展。 MOS 功率開關(guān)管 (MOSesFE T))、肖特基二極管 (SBD)、超快恢復(fù)二極管 (SRD) .PWM 調(diào)制開關(guān)電源的研究瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)、壓敏電阻器 (TL431)、電磁干擾濾波器 (EMI Filter),高導(dǎo)磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠 (magicbead )等一大批新器件、新材料正被廣泛采用。所有這些，都為開關(guān)電源推廣與普及提供了必要條件。 隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速的持續(xù)增長，人民生活的不斷改善，新住宅的建設(shè)和人均使用面積的大幅度提高，照明燈具增加了裝飾功能，這大大提高了照明用電的需求和照明節(jié)電的空間?？萍疾烤o急啟動的半導(dǎo)體照明工程 [4]，動作快，效率高，為我國固態(tài)照明的發(fā)展?fàn)幍昧藭r間。制定我國固態(tài)照明戰(zhàn)略發(fā)展計劃，已是刻不容緩的任務(wù)。 LED 以其巨大的節(jié)能潛力以及良好的照明性能為我們打開了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域。在我們的照明 4 設(shè)計過程中，我 們應(yīng)該以一種理性的態(tài)度去看待 LED 的應(yīng)用，應(yīng)該在真正了解 LED 性能前提下，根據(jù)環(huán)境的條件，合理地選擇使用 LED，才能真正創(chuàng)造出一個節(jié)能而優(yōu)質(zhì)的照明光環(huán)境 [5]。 開關(guān)電源 和 LED 的技術(shù)性能 開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實(shí)現(xiàn)模塊化。小型、薄型、輕運(yùn)化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時采用 SMT技術(shù)在電路板兩面布置組件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 高效率： 為了使開關(guān)電源較、小、薄，高頻化（開關(guān)頻率達(dá)兆赫級）是必然發(fā)展趨勢。而高頻化又必然使傳統(tǒng)的 PWM 開關(guān)（屬硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、本電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到 85～ 88%。據(jù)悉，美國 WICOR開關(guān)電源公司設(shè)計制造了多種 ECZ較開關(guān) DC／ DC變換器，其最大輸出功率有 800W、 600W、300W 等，相應(yīng)的功率密度為 、 17w／ cm3，效率為 80～ 90%；日本 NemicLambda公司剛推出 一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊 RM 系列（日本人稱這種技術(shù)為“部分諧振”），開關(guān)頻率為 200— 300kHz，功率密度為 27W/cm3，用同步整流器（即用 MOS－ FER 代替肖特基二級管）使整個電路效率提高到 90%。 高可靠： 開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長要從設(shè)計方面著眼，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低給溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其 DC/DC開關(guān)電源系列產(chǎn) 品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的 MTBF 高達(dá) 100 萬小時以上。 模塊化： 無論是 AC/DC或是 DC/DC 或是變換器都是朝模塊化方向發(fā)展 [6]。其特點(diǎn)是：可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計成 N＋ 1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可行性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱更換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時能高速更換模塊插件；多臺模并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量。 低噪聲： 開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用 5 部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化， 又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確地控制開關(guān)頻率、諧振時增大了器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、組件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。日本把變壓器設(shè)計成初次級分離阻燃密封，自身具備對體噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。 抗電磁干擾（ EMI）： 當(dāng)開關(guān)電源在高頻下開關(guān)時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其它電子設(shè)備的干擾，世界各國已有抗 EMI的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國的 FCC、德國的 VDE 等，研究開發(fā)抗 EMI的開關(guān)電源日益顯 得重要 。 產(chǎn)品更新加快： 目前的開關(guān)電源產(chǎn) 品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)模）、輸出電壓范圍擴(kuò)大（如計算機(jī)和工作站需要增加 這一檔電壓、程控需要增加