【正文】 的設(shè)計 13 開關(guān)電源控制方式 10 PWM(Pulse width Modulation)調(diào)制方法 4 第二章 開關(guān)電源的電路 原理與設(shè)計 2 開關(guān)電源的分類 1 線性穩(wěn)壓電源 本文除了完成原理分析和理論設(shè)計外，還得到了由本電源電路圖（附錄 1）加工而成的實物電源，并對實物電路進(jìn)行測試，分析和總結(jié)。 在介紹具體的設(shè)計電路之前， 本文 先簡單介紹了開關(guān)電源的發(fā)展歷史及其工作原理，并與傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行了比較。該電源電路采用脈寬調(diào)制型（ PWM）、電流控制模式、單端反激式工作原理，設(shè)計電路中還考慮了各種保護(hù)電路。該電源有效輸入電壓范圍為 100V～ 240V，輸出電壓為 ,誤差范圍在 2％內(nèi)，輸出功率 為 34W,效率高達(dá) 75％以上，是一款高效率、低成本、微型化的小功率開關(guān)電源。其次詳細(xì)地對比介紹了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、控制方式的不 同特點。在經(jīng)過 調(diào)試過程中的對電路結(jié)構(gòu)的 進(jìn)一步修改后，電路的各項指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于預(yù)定指標(biāo)（各項指標(biāo)值已附于文章最后），驗證了作者的理論設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，是一次理論結(jié)合實踐的大膽嘗 試。 1 開關(guān)電源的發(fā)展及方向 6 變壓器耦合式直流變換電路 16 輸入電路設(shè)計 16 沖擊電流抑制電路設(shè)計 17 輸入整流電路的設(shè)計 18 變換電路設(shè)計 19 變壓器設(shè)計 23 開關(guān)管的選擇 23 控制電路的設(shè)計 31 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 32 參數(shù)計算 34 變換電路解析 34 脈寬調(diào)制電路解析 35 輸出電路解 析 35 過壓保護(hù)電路解析 36 第五章 整機(jī)電路測試與結(jié)果分析總結(jié) 46 參考文獻(xiàn) 現(xiàn)在一般應(yīng)用的串 聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器，調(diào)整管總是工作于放大區(qū)，流過的電流是連續(xù)的，這種穩(wěn)壓器的缺點是承受過載和短路的能力差，效率低，一般只有 35％ ～ 60％。允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。計算機(jī)控制、計算機(jī)通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，為通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和完善提供了外部條件，使其發(fā)展逐步實現(xiàn)少人值守，直至無人值守 ]2[ 。 在線性穩(wěn)壓電源中，電壓調(diào)整部分的晶體管等電子器件是工作于放大狀態(tài)，其作用相當(dāng)于一個阻值大小受誤差電壓控 制的可變電阻。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 圖 11 線性穩(wěn)壓電路原理圖 開關(guān) 電源 開關(guān)電源 原理框圖如圖 12所示，由基本輸入電路、變換電路、控制電路 、保護(hù)回路和輸出 電路等構(gòu)成。 檢測電路通過對輸出直流電壓的取樣并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大，可以得到一個反映輸出電壓變化的誤 差控制電壓送到控制電路。 開關(guān)電源應(yīng)用 —— POS 機(jī)的電源設(shè)計 7 表 12 線性穩(wěn)壓電源與開關(guān) 電源的比較 類 型 線性穩(wěn)壓電源 開關(guān) 電源 效率 低（ 35％～ 60％） 高（ 70％～ 95％） 尺寸 大 小 重量 重 輕 電路 結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 穩(wěn)定度 高（ ％～ ％） 普通（ ％～ 3％） 紋波（ pp） 小（ ～ 10mV） 大（ 10～ 200mV） 暫態(tài)反應(yīng)速度 快（ 50μ s～ 1ms） 普通（ 500μ s～ 10ms） 輸入電壓范圍 輸入電壓范圍大時，效率降低，無直流輸入自由度 輸入電壓范圍很寬，亦可直流輸入， 100V/200V共用亦可 成本 低 普通 EMI 干擾 無 有 開關(guān) 電源的分類 開關(guān) 電源有多種分類。 開關(guān) 電源的優(yōu)越性 開關(guān) 電源的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在： （ 1） 功耗小。 當(dāng)開關(guān) 電源輸入的交流電壓在 150～ 250V 范圍內(nèi)變化時，都能達(dá)到很好的穩(wěn)壓效果，輸出電壓的偏差在 2%以下。 開關(guān) 電 源可將電網(wǎng)輸入的交流電壓直接整流，再通過高頻變壓器獲得各種不同 直 流電壓，這樣就可免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省了大量的漆包線和福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 硅鋼片，使電源體積縮小、重量減輕。 開關(guān)電源和線性電源是現(xiàn)代電子電源發(fā)展的兩個主要 方面，開關(guān)電源以功耗小、效率高、體積小、重量輕的優(yōu)勢幾乎席卷了整個電子界，而線性電源則以其固有的穩(wěn)定性仍占有一席之地。 1977 年國外首先研制成功脈寬調(diào) 制 (PWM)控制器集成電路，如美國摩托羅拉 (Motorola)公司、 Silicon General 公司、Unitrode 公司等相繼推出一批 PWM 芯片，典型產(chǎn)品有 MC3520， SG3524， UC3842。該公司于 90 年代又 推出了 L4970A 系列 產(chǎn)品，包括 L4970A～ L4977A， 該公司于 1998 年還研制出 L4978 型單片開關(guān)式穩(wěn)壓器 。 其第一代產(chǎn)品為 1994 年問世的 TOPSwitch 系列，第二代產(chǎn)品則是 1997 年問世的 TOPSwitchII 系列 ，第三代和第四代產(chǎn)品是在 2020 年 1 月和 11 月相繼推出的 TOPSwitchFX、 TOPSwitchGX系列的單片開關(guān)電源。 MC33370 系列可廣泛用于辦公自動化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成高壓隔離 式 AC/DC 電源變換器。該公司還開發(fā)出 TEA150 TEA150 TEA1562 TEA156 TEA156 TEA156 TEA156 TEA1569 等型號的單片開關(guān)電源，最大輸出功率可達(dá) 125W。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 第 二 章 開關(guān)電源的電路原理與設(shè)計 本章主要是對開關(guān)電源電路中 常見的 不同電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、控制方式的工作原理及電路結(jié)構(gòu)作了簡單地介紹。當(dāng)開關(guān) S閉合時， Ui 產(chǎn)生的電流 Ii經(jīng)過電感 L流入負(fù)載及電容 C。電感 L是電路中的一個重要的儲能元件，當(dāng) S 閉合時將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?，?dāng) S斷開時又將磁能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。因?S 閉合時其兩端電 壓為零，故二極管 D不導(dǎo)通，負(fù)載中的電流 IL 為零。當(dāng)開關(guān) S 閉合時，流過電感 L中的電流 Ii 增加， L兩端的自感應(yīng)電壓上正下負(fù)，此時二極管 D 截止 。 單端反激式變換電路 單端反激式變換電路，是指它的電路形式與功率放大電路中的單端甲類放大 相似，它福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 們的變壓器鐵芯（或磁芯）僅工作于磁滯回線的一側(cè)，并且初級線圈只有一個接地端（稱為冷端）和一個非接地端（稱為熱端）。電路中二極管 D的導(dǎo)通與截止由次級線圈 Ns 上電壓極性決定，而該電壓極性則由變壓器初、次級線圈的同名端接法決定，如圖中小圓點所示。當(dāng) S斷開時，續(xù)流二極管 D2 導(dǎo)通， L 中的能量向負(fù)載釋放，保證負(fù)載中電流連續(xù)。 單端正激式變換電路是在 S閉合時通過變壓器向負(fù)載傳輸能量，它的輸出功率比單端反激式大一些， 但它的變壓器結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，磁芯仍工作在磁滯回線的一側(cè)，也屬于單端式，所以應(yīng)用不及其他形式普遍。作為開關(guān)的電子器件要承受 2Ui 的峰值電壓，這種 電路輸出功率較大，可達(dá) 500W以上。 在這種變換電 路中，變壓器的初級線圈 L1 中在整個周期中都有電流，磁芯利用更充分。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 圖 27 半橋式變換器原理框圖 全橋式變換電路 全橋式變換電路的工作方式類似于功率放大電路中的 BTL（橋式推挽電路）， 其原理框 圖 如圖 28 所示。 圖 28 全橋式變換器原理框圖 開關(guān)電源調(diào)制方法 開關(guān)電源電路的調(diào)制方式主要有 ： PWM， PFM， PSM 三種調(diào)制方式。其中 Ton 為開關(guān)管導(dǎo)通時間， Toff 為開關(guān)管截止時間， T為開關(guān)周期。 PFM 保持控制脈沖的寬度， 即 Ton 不變，通過改變脈沖的頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 16 圖 210 PFM 調(diào)制方法原理框圖 PSM(Pulse Skip Modulation)調(diào)制方法 圖 211所示 為 PSM調(diào)制方法的工作原理 及波形示意 圖。 PFM 具有在負(fù)載較輕 時效率很高 ，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高，適合于電壓或者電流控制方 式。 但是其輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力差。 總體上說，正激式拓?fù)?常 用電壓型控制器，升壓式拓?fù)渫ǔＳ秒娏餍涂刂?器 。當(dāng) 輸出電壓下降 時，脈沖寬度增大， 增加導(dǎo)通時間 ， 使輸出電壓升高； 反之， 輸 出脈沖寬度 變窄 ， 減少導(dǎo)通時間，使輸出電壓下降， 從而 達(dá)到使輸出電壓穩(wěn) 定 的目的 。二階系統(tǒng)是一個有條件穩(wěn)定系統(tǒng)， 只 有 對控制回路進(jìn)行精心設(shè)計，在滿足一定條件下，閉環(huán)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 圖 212 電壓控制方式原理框圖 電流控制方式 針對上述電壓型控制 方式 的缺點，最近十幾年發(fā)展起來了電流型控制技術(shù)。當(dāng) 電源回路中的電流脈沖逐漸增 大， 電流在采樣電阻 Rs 上的幅度達(dá)到 Ve 電平時，脈寬比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，開關(guān)管截止。但是只要電流信號 達(dá)到了預(yù)定的幅度，電流控制回路就動作，使得 控制 脈沖寬度發(fā)生改變，保證輸出電壓的穩(wěn)定。只要給定或限制參考電流，就可以準(zhǔn)確地限制流過開關(guān)管和變壓器中的最大電流，從而在輸出過載或短路時保護(hù)了開關(guān)管和變壓器，也可以有效地克服因輸入電壓的浪涌產(chǎn)生很大的尖峰電流而損壞功率開關(guān)管的缺陷。 在半橋、全橋和推挽變換器中，電壓型控制不能完全克服偏磁現(xiàn)象 ， 電流 控制 型 可以自動解決磁通不平衡的問題， 這是因為它 的內(nèi)部電流環(huán) 使 得即使電流脈沖寬度不同， 幅值 也 肯定相同。電流控制型和電壓控制型的開關(guān)電源相比有許多優(yōu)點，但其本身也有缺點，如電感峰值電流與平均電流有誤差 ， 直流開環(huán)負(fù)載調(diào)整率較差。電流控制方 式在每個周期都限定功率管峰值電流，能徹底杜絕磁通量失衡。 在電壓 控制方式中， LC 濾波電路在頻率達(dá)到共鳴頻率?2/LCf ? 后，相移會接近最大值 0180 ，輸入到輸出的增益會隨著頻率的升高而迅速減小，這就增加了開關(guān)電源反饋電路設(shè)計的復(fù)雜程度。該電源提供單組 ， 34W 的穩(wěn)定輸出。 沖擊電流抑制電 路 設(shè)計 浪涌電流 （又稱沖擊電流） 是指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時間 像 “ 浪 ” 一樣的高電壓引起的大電流。 沖擊電流抑制回路實例如圖 31 所示。輸入電流 Iac=（最大），最大輸入電壓為 240V。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使 NTC 熱敏元件的溫度升高， NTC 阻值急劇下降時，對系統(tǒng)的電流限制作用會較小。根據(jù)噪聲規(guī)制一般是兩種作用的回路結(jié)構(gòu)。 共模電感 L L2 和電容 C C3 進(jìn)行 第二級濾波。第二，磁導(dǎo)率高，但是 在實際中很難滿 足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。所以，本文設(shè)計的整 流回路就是 典型的 電容輸入型橋式全波整流電路，其原理圖如圖 33 所示。這樣就在負(fù)載 RL 上得到一個與全波整流相同的電壓波形，其電流的計算與全波整流相同，即 UL= ， IL = ， 流過每個二極管的平均電流 DI =IL/2= ， 每個二極管所承受的最高反向電壓為 2 Ui