【正文】 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 1 頁 共 33 頁 1 緒論 開關電源 (Switching Mode Power Supply， 英文縮寫為 SMPS)又稱為開關穩(wěn)壓電源，問世后在很多領域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。隨著全球對能源問題的越來越重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為一個急待解決的問題。 傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電力結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低 (只有 40%～ 50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為了提高效率，人們研究出了開關式穩(wěn)壓電源，它的效率可達 85%以上，穩(wěn)壓范圍寬 ； 除 此之外，還具有穩(wěn)壓精度高的特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。開關電源具有效率高、體積小、重量輕、應用廣泛等優(yōu)點，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產品。正因為如此，開關電源 被譽為高效、節(jié)能型電源，代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，并 已廣泛應用于各種電子設備中 [1]。 開關電源的特點 開關電源的優(yōu)點 (1) 功耗小，效率高。 晶體管 V 在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通 —截止和截止 —導通的開關狀態(tài)，轉換速度很快，頻率一般為 50kHz 左右，在一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近 1000kHz。這使得開關晶體 管 V 的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到 80%。 (2) 體積小，重量輕。 采用高頻技術，省掉了體積笨重的工頻變壓器 。由于調整管 V 上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開關穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。 (3) 穩(wěn)壓范圍寬。從開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償。這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型 和頻率調制型兩種。開關穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩(wěn)壓電源。 (4) 濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開關穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在 50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的 1000 倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了 1000 倍 ； 即使采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了 500 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 2 頁 共 33 頁 倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開關穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的 1/500～ 1/1000。電路形式靈活 多樣，有自激式和他激式，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩(wěn)壓電源。 開關電源的缺點 電壓調整率和負載調整率指標較差，對負載變化的瞬態(tài)響應時間較長，輸出紋波電壓和噪聲電壓較高 ，不適合制作精密穩(wěn)壓電源 。 一種改進方案是把它當做前級穩(wěn)壓器來使用，而把開關式穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器作為后級穩(wěn)壓器，構成兩級穩(wěn)壓的高效、精密穩(wěn)壓電源。 開關電源的基本工作原理 開關電源的組成部分 開關電源就是采用功率半導體器件作為開關 元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。其電路比較復雜，基本構成如圖 所示。 圖 開關電源的基本構成 主要由以下 5 部分構成 ： 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 功率功率管 (VT)及高頻變壓器 (T)。 ③ 控制電路 (PWM 調制器 )， 含振蕩器、基準電壓源 (UREF)、誤差放大器和 PWM 比較器， 控制電驢能產生脈寬調制信號，其占空比受反饋電路的控制。 ④ 輸出整流濾波器。 ⑤ 反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護電路等。其中， PWM 調制器為開關電源的核心。 開關電源的工作過程 交流電網電壓進入輸入電路后，經輸入電路中的線路濾波器、浪涌電流控制電路以及整流電路，變換成直流電壓。其中線路濾波器及浪涌電流控制電路的主要作用是削弱由電網電源線進入的外來噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 3 頁 共 33 頁 變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類，開關電源中通常采用電容輸入型。功率變換電路是整個開關電 源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開關電路和變壓器組成。開關電路的驅動方式分為自激式和他激式兩大類；開關變壓器因是高頻工作，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯；開關晶體管通常采用開關速度高，導通和關斷時間短的晶體管，最典型的有功率晶體管(GTR)、功率場效應晶體管 (MOSFET)和絕緣柵型雙極晶體管 (IGBT)等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級方波電壓經過高頻整流濾波電路整流成單向脈動直流，并將其平滑成設計要求的低紋波直流電壓，供給負載使用。 開關電源的工作方式 開關電源按控制原理來分類，有以下 4 種工作方式： (1) 脈沖寬度調制 (Pulse Width Modulation， 簡稱 PWM，即脈寬調制 )式：其特點是開關周期為恒定值，通過調節(jié)脈沖寬度來改變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調制器。 (2) 脈沖頻率調制 (Pulse Frequency Modulation， 簡稱 PFM，即脈頻調制 )式：其特點是脈沖寬度為恒定值，通過調節(jié)開關頻率來改變占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈頻調制器。 (3) 脈沖密度調制 (Pulse Density Modulation， 簡 稱 PDM，即脈密調制 )式：其特點是脈沖寬度為恒定值，通過調節(jié)脈沖數實現(xiàn)穩(wěn)壓目的。它采用零電壓技術，能顯著降低功率電壓管的損耗。 (4) 混合調制式：它是 (1)、 (2)兩種方式的組合。開關周期和脈沖寬度都不固定，均可調節(jié)。它包含了脈寬調制器和脈頻調制器。 以上 4 種統(tǒng) “ 稱時間比率控制 ” 方式，其中以脈寬調制器應用最廣。 脈寬調制器的基本原理 脈寬調制式開關電源的工作原理如圖 所示。 220V 交流電 u 首先經過整流濾波電路變成直流電壓 UI， 再由功率開關管 VT 斬波、高頻變壓器 T 降壓，得到高頻矩形波電壓，最 后通過整流濾波后后的所需要的直流輸出電壓 UO。脈寬調制器能產生頻率固定而脈沖寬度可調的驅動信號，控制功率開關管的通、斷狀態(tài)，進而調節(jié)輸出電壓的高低，達到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號。利用取樣電阻。誤差放大器和 PWM 比較器形成閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓 UO經 R R2取樣后，送至誤差放 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 4 頁 共 33 頁 大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準 電壓 UREF進行比較，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。 [2] 圖 脈寬調制式開關電源的工作原理 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 5 頁 共 33 頁 2 開關電源控制的選擇 開關電源有兩種控制類型，一種是電壓控制 (Voltage Mode Control)； 另一種是電流控制 (Current Mode Control)。 電流控制型開關電源 電流控制型正是針對電壓控制型的缺點而發(fā)展起來的 ，電流控制型開關電源在電壓控制環(huán)的基礎上又增加了電流控制環(huán)，形成雙環(huán)控制系統(tǒng)，使得開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有所提高，是較為理想的工作方式。 其基本原理如圖 所示。 圖 電流控制型開關電 源 電流控制型的工作原理是采用恒頻時鐘脈沖置 位鎖存器，輸出脈沖驅動功率管導通 ， 電源回路中的電流脈沖逐漸增大。 當電流 檢測 電阻 RS上的壓降 達到 并超過 US時 ，電流檢測 比較器狀態(tài)翻轉，鎖存器復位，驅動撤除，功率管截止， 直到下一個始終脈沖使 PWM 鎖存器置位， 這樣逐個檢測和調節(jié)電流脈沖，就可達到控制電源輸出的目的。 與電壓型控制相比 ,電流型控制的優(yōu)勢 (1) 對輸入電壓變化的響應快 。 電網電壓的變化 ， 必然會引起電流的變化 ， 假設電壓升高 ， 那么電流增長變快 ， 反之則變慢 。 當電流脈沖達到預定的幅度 ， 電流控制動作就會開 始 ， 控制脈寬發(fā)生變化來進行穩(wěn)壓。對于電壓型控制 ， 檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應 ， 要等到電壓發(fā)生較大的變化后 ,才會進行處理 ， 所以響應速度慢。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 6 頁 共 33 頁 (2) 過流保護 。 由于采用了直接的電感電流峰值技術，它可以及時，準確的檢測輸出和開關管電流，自然形成了諸葛電流脈沖檢測電路，通過給定一個參考電流，就可以準確的限制流過開關管的最大電流，當輸出超載或短路時，自動的保護電路，同時也可防止電網浪涌所產生的