【正文】 開關(guān)電源輸出濾波器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 目錄1概述 1 1 1 12開關(guān)電源的原理及輸出濾波電路 3 3 5 7 7 8 9 11 13 133濾波器元器件的設(shè)計(jì)、選取與計(jì)算 15 15 15 15 15 164濾波器的仿真軟件簡介 19 19 19 19 20 Saber的應(yīng)用 225仿真輸出濾波電路及濾波效果分析 23 23（功率電路設(shè)計(jì)） 23 24 26 27 30參考文獻(xiàn) 31致 謝 32附 錄A 33開關(guān)電源常用英文標(biāo)志與縮寫 33 3 開關(guān)電源輸出濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真1概述開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制 冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設(shè)備，視聽產(chǎn)品，安防，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。正由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，所以該行業(yè)得到飛快的發(fā)展，但也面臨著技術(shù)的挑戰(zhàn)和局限。由于電力電子器件處于開關(guān)交換狀態(tài)，那么無論如何最終我們得到的就不是理想的直流電，肯定會(huì)存在紋波。本課題研究的是開關(guān)電源的輸出濾波器的設(shè)計(jì)方法，討論的是用什么方法可以把紋波下降到降最低限度，當(dāng)然只能說是低限度，只能無限的接近純直流電。濾波器應(yīng)用在很多電子線路當(dāng)中，不但運(yùn)用在開關(guān)電源中，在通信電子線路當(dāng)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，具體電子產(chǎn)品，例如：手機(jī)、收音機(jī)、對講機(jī)、電視機(jī)等等......當(dāng)今研究濾波器的理論已比較深入，已形成一個(gè)工程學(xué)科，在工程運(yùn)用當(dāng)中已可以生產(chǎn)出功能完善，性能好的濾波器?！　⊥ㄟ^了解開關(guān)電源的基本原理，在此基礎(chǔ)之上討論了關(guān)于開關(guān)電源輸出濾波器的設(shè)計(jì)方法。從不同的角度剖析輸出濾波器的工作原理、設(shè)計(jì)方法，通過反復(fù)調(diào)試以及軟件仿真，進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程使用了較多的計(jì)算公式以及仿真結(jié)果圖片，站在工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出實(shí)際應(yīng)用方便，濾波效果良好的開關(guān)電源輸出濾波電路。開關(guān)點(diǎn)源中的濾波器雖然是由電感、電容組成，有些也會(huì)加一個(gè)電阻，由于應(yīng)用場合不同、功率不同，各國安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不同，濾波器一般不可以模塊化、集成化，在市場上一般買不到達(dá)到設(shè)計(jì)者要求的濾波器，因此應(yīng)用于每個(gè)電子線路中都要工程人員自行設(shè)計(jì)。使用Saber軟件對要設(shè)計(jì)的濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，對仿真的結(jié)果與計(jì)算理論值相比較，看是否符合理論值，倘若與計(jì)算結(jié)果有較大偏差，對電路的參數(shù)進(jìn)行修正，作為電路設(shè)計(jì)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。 2開關(guān)電源的原理及輸出濾波電路介紹本章的主要目的：首先明白開關(guān)電源的工作原理，在明白原理之后，清楚知道我們所設(shè)計(jì)的濾波器是用于開關(guān)電源這一應(yīng)用場合，有針對性的對濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。首先理解開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因，才可以設(shè)計(jì)出令人滿意的濾波器。在開關(guān)電源中噪聲大致可以分為：輸入端的共模、差模噪聲，傳遞噪聲，開關(guān)噪聲（開關(guān)管的開關(guān)噪聲、輸出肖特基二極管的開關(guān)噪聲）等等，那么設(shè)計(jì)濾波器的作用是使開關(guān)電源可以可靠、安全為最終目的。開關(guān)電源的電路比較復(fù)雜。主要由以下5部分構(gòu)成：（1）輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路；（2）功率開關(guān)管（VT）及高頻變壓器（T）；（3）控制電路（PWM控制器），含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源（UREF）、誤差放大器和PWM比較器，控制電路能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，其占空比受反饋電路的控制；（4）輸出整流濾波電路；（5）反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護(hù)電路等。其中，PWM控制器為開關(guān)電源的核心。220V交流電u首先經(jīng)過整流濾波電路，變成直流電壓U I，再由功率開關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波后獲得所需的直流輸出電壓Uo。PWM控制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開關(guān)管的通、斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的鋸齒波發(fā)生器用于提供時(shí)鐘信號(hào)。利用取樣電阻、誤差放大器和PWM比較器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓Uo經(jīng)RR2取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，得到誤差電壓Ur,再用Ur的幅度去控制PWM比較器輸出的脈沖寬度，最后經(jīng)過功率放大和降壓式輸出電路使Uo保持不變。Uj為鋸齒波發(fā)生器的輸出信號(hào)。需要指出，取樣電壓通常是接誤差放大器的反相輸入端，但也有的接同相輸入端，這與誤差放大器另一端所輸入端所輸入的鋸齒波電壓極性有關(guān)。一般情況下當(dāng)輸入的鋸齒波電壓為正極性時(shí)，取樣電壓接反相輸入端；輸入的鋸齒波電壓為負(fù)極性時(shí)，取樣電壓接同相輸入端（下同）。令直流輸入電壓為UI，開關(guān)式穩(wěn)壓器的效率為η，占空比為D，則功率開關(guān)管的脈沖幅度Up = η UI ，可得到公式：Uo = η D UI （21）這表明，當(dāng)η、UI一定時(shí)，只要改變占空比，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)Uo值。當(dāng)Uo由于某種原因而升高時(shí)，Ur ↓→ D↓→Uo↓。反之，若Uo降低，則Ur↑→D↑→Uo↑。這就是自動(dòng)穩(wěn)壓的原理。(a)、(b)所示。圖中，UJ表示鋸齒波發(fā)生器的輸出電壓，Ur是誤差電壓，UPWM代表PWM比較器的輸出電壓。由圖可見，當(dāng)Uo降低時(shí)Ur↑→D↑→Uo↑，反之，若Uo因某種原因升高，則Ur ↓→ D↓→Uo↓。 (a) (b)，該圖也單片開關(guān)電源印制電路板的典型布局示意圖。主要由以下7部分組成：（1）輸入整流濾波器，包括整流橋BR和輸入濾波電容器C1（2）單片開關(guān)電源（TOPSwitch—Ⅱ系列產(chǎn)品），內(nèi)含功率開關(guān)管（MOSFET）和控制器（內(nèi)含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和PWM比較器），MOSFET的漏極、源極和控制端分別為D、S和C（3）漏極箝位保護(hù)電路（VDZVD1）（4）高頻變壓器（T）（5）輸出整流濾波器（VDC2）（6）光耦反饋電路（穩(wěn)壓管VDZ電阻R、光耦合器）（7）偏置電路（VDC3），給光耦合器的光敏三極管提供偏壓 85~265V交流電經(jīng)過輸入整流濾波后獲得直流高壓，接至高頻變壓器一次繞組的一端，一次繞組的另一端接MOSFET的漏極D。漏極箝位保護(hù)電路由瞬態(tài)電壓抑制器VDz1(TVS)、阻塞二極管VD1組成，當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí)可將高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓限制在安全范圍以內(nèi)，對MOSFET的漏極起到保護(hù)作用。二次繞組的輸出電壓經(jīng)過VD2整流，再經(jīng)過C2濾波后獲得直流輸出電壓電壓Uo。為滿足高頻整流的需要，VD2應(yīng)使用超快恢復(fù)二極管或肖特基二極管。該電源采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。由VDz2提供參考電壓Uz2，當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在光耦合器內(nèi)部的LED上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給TOPSwitchⅡ增加了一個(gè)外部放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對Uo進(jìn)行精細(xì)地調(diào)整。電阻R用于設(shè)定控制環(huán)路的增益。設(shè)光耦LED的正向壓降為UF，R兩端的壓降為Ur，輸出電壓由下式確定： Uo = Uz2 + UF + UR （22）現(xiàn)將其穩(wěn)壓原理分析如下：當(dāng)由于某種原因致使Uo↑，Uo＞Uz2 + UF + UR時(shí)，產(chǎn)生的。誤差電壓Ur’= Uo （Uz + UF + UR）就令LED上的電流IF↑，經(jīng)過光耦合器使接收管的發(fā)射極電流IE↑，進(jìn)而使TOPSwitchⅡ的控制端電流