【正文】 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。 它 的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，（一開(kāi)一關(guān)，一開(kāi)一關(guān)，頻率非?？欤话愕钠桨彘_(kāi)關(guān)電源頻率在 100~200KHz，模塊電源在３００～５００ＫＨＺ）．這樣 它 的損耗 就小，效率也就高，對(duì)變壓器也有了要求，要用高磁導(dǎo)率的材料來(lái)做． 它 的變壓器就是一個(gè)字?。剩福埃ァ梗埃グ桑畵?jù)說(shuō)美國(guó)最好的ＶＩＣＯＲ模塊高達(dá)９９％．開(kāi)關(guān)電源的效率高體積小，但是和線(xiàn)性電源比他的紋波，電壓電流調(diào)整率就有折扣了 。這樣一來(lái) 他 的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。從這個(gè)角度來(lái)看，線(xiàn)性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低了，而且熱量高的時(shí)候，元件的壽命勢(shì)必要下降 ，影響最終的使用效果 。 開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭 ,以得到需要的輸出 。 ,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載 。大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源有待機(jī)電路，在待機(jī)狀態(tài)開(kāi)關(guān)電源還在振蕩，只是頻率 比正常工作時(shí)要低。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)結(jié)構(gòu)分類(lèi)；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號(hào)的寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號(hào)的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。 開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為 二極管 、 IGBT 和 MOSFET。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源概述 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代 電力電子 技術(shù)，控制開(kāi)關(guān) 管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率， 從而實(shí)現(xiàn)升壓和降壓， 維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 ， 開(kāi) 關(guān) 電源 一般由脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成 。 一般來(lái)說(shuō)， 線(xiàn)性 穩(wěn)壓 電源由調(diào)整管、 參考電壓、 取樣電路、 誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去 20 年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。 從 開(kāi)關(guān)電源 發(fā)展史來(lái)講，如今已經(jīng)走到第五代。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開(kāi)關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入 ，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。這一切高新要求便促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。因此，用工作頻率為 20 kHz 的 PWM開(kāi)關(guān)電源替代線(xiàn)性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源 技 術(shù) 發(fā) 展 史 上 被 譽(yù) 為 20kHz 革 命 。 所以在當(dāng)今人們的生活中他已經(jīng) 開(kāi)始扮演著一個(gè)非常重要的角色 。 設(shè)計(jì)主要分為主電路與控制電路。其中主電路包括：采用二極管組成的三相橋式不可控整流電路；采用絕緣柵雙極晶體管 IGBT 作為開(kāi)關(guān)功率管的降壓斬波電路即穩(wěn)壓電路；電容濾波電路。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)關(guān)電源 )問(wèn)世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線(xiàn)性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。 隨 著 超 大 規(guī) 模 集 成(ultralargescaleintegratedULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開(kāi)關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備 (如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話(huà)等 )更需要小型化、輕量化的電源。 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展 史 1955 年美國(guó)的科學(xué)家羅那（ ）首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。 60 年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開(kāi)關(guān)電源。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 第一代是 70年初，那時(shí)候從線(xiàn)性電源開(kāi)始走向開(kāi)關(guān)電源； 第二代是 1976 開(kāi)始取得 UL 安規(guī)認(rèn)證； 第三代從 80 年代中期開(kāi)始，開(kāi)關(guān)電源走向全球通用，因此電源的開(kāi)發(fā)就不 能局限在北美 或者日本市場(chǎng)，輸入電壓要考慮 85~265V 范圍內(nèi)，同時(shí)歐規(guī)和其他安規(guī)都要考慮進(jìn)來(lái)； 第四代在 90 年中期，歐盟要求 EMC(電磁兼容 )，包括 PFC 方面的高次諧波要求； 現(xiàn)在進(jìn)入了第五代， 2021 年 7月，歐盟將強(qiáng)制執(zhí)行 RoHS 條例，以限制有毒物質(zhì)的使用，新一代的電源產(chǎn)品就這樣誕生了。 第三個(gè)階段從 20世紀(jì) 90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。 另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動(dòng)電路等部分。 簡(jiǎn)單地說(shuō)， 開(kāi)關(guān)電源就是用通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止。 在談開(kāi)關(guān)電源之前，先熟悉一下變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖電流 或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿(mǎn)足這種條件的電路；它于基本放大電路與一個(gè)反饋回路組成，其中 C L1 組成一個(gè)并聯(lián)諧振選頻電路，在電路通電的瞬間 VT 導(dǎo)通，此時(shí)在 C L1組成的并聯(lián)諧振電路上產(chǎn)上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 生非常豐富的諧波，當(dāng)外加頻率和并聯(lián)諧振電路的固有頻率相等時(shí) ,電路進(jìn)入振蕩狀態(tài)，并通過(guò) L3 反饋到 VT 的基極進(jìn)一步放大，最終形成有規(guī)律的脈沖電流或電壓輸出到負(fù)載 RL 上。變壓器的繞組一般可以分成三種類(lèi)型，一組是參與振蕩的初級(jí)繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負(fù)載繞組。 開(kāi)關(guān)電源的工作流程是： 電源 → 輸入濾波器 → 全橋整流 → 直流濾波 → 開(kāi)關(guān)管（振蕩逆變） → 開(kāi)關(guān)變壓器 → 輸出整流與濾波。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 ,控制 PWM 占空比 ,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的 。 一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路 ,比如空載、短路等保護(hù) ,否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源 . 主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機(jī)，電腦等 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 與線(xiàn)性穩(wěn)壓電源的對(duì)比 開(kāi)關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的 Mos 管輪流導(dǎo)通，首先電流通過(guò)上橋 Mos 管流入，利用線(xiàn)圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在線(xiàn)圈中，最后關(guān)閉上橋Mos 管，打開(kāi)下橋的 Mos 管，線(xiàn)圈和電容持續(xù)給外部供電 。 開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。 它 也有 它 的優(yōu)點(diǎn)：紋波小，調(diào)整率好，對(duì)外干擾小。 對(duì)于電源效率和安裝體積有要求的地方用開(kāi)關(guān)電源為佳，對(duì)于電磁干擾和電源純凈性有要求的地方（例如電容漏電檢測(cè)）多選用線(xiàn)性電源。由于開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國(guó)外各大開(kāi)關(guān)電源制造商都致力于同步開(kāi)發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率 鐵 氧體（ Mn Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（ Bs)上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 下獲得高的磁性 能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 模塊化是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢(shì)，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成 N＋ 1 冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方 式的容量擴(kuò)展。 系統(tǒng)功能 通過(guò)對(duì)電源的編程 ,可以方便地實(shí)現(xiàn) 下圖 所示的電壓輸出波形。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流 ,也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。通過(guò)將 PC 機(jī)的串口 RS232 與電源串口相連 ,再運(yùn)行 PC機(jī)上一串口通信的軟件對(duì)電源進(jìn)行編程。在這種編程方式中 ,只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致 ,而不能對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。 用單片機(jī)來(lái)控制開(kāi)關(guān)電源 ,總的來(lái)說(shuō)可以分為兩種 :第一種是單片機(jī)通過(guò)輸出 PWM 或 DA 給電源電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓 ,單片機(jī)本身不介入電源的反饋中 。電源模塊是以 整流濾波電路和穩(wěn)壓電路為主的直流穩(wěn)壓電 路 。單片機(jī)輸出兩路 PWM 信號(hào) ,給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值 ,電源模塊按照單片機(jī)提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。 電源變壓器 在上圖中 將交流電網(wǎng)電壓 u1 變?yōu)楹线m的交流電壓 u2。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。 一般由電抗元件組成，由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器 C 在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容 C 具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感 L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，而當(dāng) 電流減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，使負(fù)載電流比較平滑，即電感 L也有平波作用。 穩(wěn)壓電路在上圖中清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響 ,保持輸出電壓 uo 的穩(wěn)定。后兩種電路按其控制方式又可分為相控整流電路和斬波整流電路。濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器 C 接在最前面）和電感輸入式（電感器 L 接在最前面）。 。 設(shè)二極管在距線(xiàn)電壓過(guò)零點(diǎn) δ 角處開(kāi)始導(dǎo)通，并以二極管 VD6 和 VD1 開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線(xiàn)電壓為 ： uab= U2sin(ωτ ＋ δ) 而相電壓為 ： ua= U2sin(ωτ ＋ δ － π/6) 在 ωt = 0 時(shí)，二極管 VD6 和 VD1 開(kāi)始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于 uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是 VD1 和 VD2，直流側(cè)電壓等于 uac。 假設(shè)在 ωt ＋ δ ＝ 2π/3 的時(shí)刻 “ 速度相等 ” 恰好發(fā)生，則有 可得 這就是臨界條件。因此可以說(shuō)，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是 R= ／（ ωC ）。 電容濾波的三相橋式不可控整流電路的基本數(shù)量關(guān)系 (1)輸出電壓平均值 空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為 。 (2)輸出 電流平均值 輸出電流平均值 IR 為： IR=Ud/R 與單相電路情況一樣， 經(jīng)過(guò) 電容 的 電流 iC在一個(gè)周期內(nèi) 平均值為零，因此： Id=IR。 為了設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電路，需對(duì)各種穩(wěn)壓電 路進(jìn)行分析比較，然后選取合適的穩(wěn)壓電路。輸入電壓是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓；晶體管 V為調(diào)整管，即開(kāi)關(guān)管；控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)；電感 L和電容 C 組成濾波電路， VD 為續(xù)流二極管。根據(jù)能量守恒原理，輸出電壓與輸入電壓之間也有如下關(guān)系： 控制過(guò)程是在保持調(diào)整管開(kāi)關(guān)周期 T 不變的情況下，通過(guò)改 變開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，故稱(chēng)之為脈寬調(diào)制型開(kāi)關(guān)電源。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大 。 IGBT的靜態(tài)特性： IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1結(jié)承擔(dān)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與 Ugs 呈線(xiàn)性關(guān)系。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò) MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。 IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1 和 tfe2 組成。 IGBT 在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍?IGBT 在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部光電隔離，最大延遲時(shí)間為1us。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 第三 章 PIC16F877 單片機(jī) 在該設(shè)計(jì)中，控制核心是單片機(jī)，需要用它來(lái)產(chǎn)生 PWM波，并將采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，控制 PWM 波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。各個(gè)端口的設(shè)計(jì)思路和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是不同的，甚至同一個(gè)端口不同的引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在差異，但其他線(xiàn)路很相似。 ● 端口 B 是一個(gè) 8 位的雙向輸入 /輸出端口，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)方向寄存器是TRISA。 此外，端口 D 還可以作為并行從動(dòng)口 (PSP)的總線(xiàn)引腳，作為和其他微處理器連續(xù)的并行接口，而端口 E的 TRISE 寄存器中的 PSPMODE 位則用于選擇端口 D作為 PSP 的總線(xiàn)引腳。 根據(jù)硬件電路對(duì)端 口 C 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)如下功能：程序運(yùn)行后，前 4個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，后 4 個(gè)熄滅。 PIC16F877 單片機(jī)內(nèi)部嵌入的 ADC 模塊具有 10 位數(shù)字量精度，共有 8 個(gè)模擬通道，與 ADC 模塊有關(guān)的寄存器共有 11 個(gè)，其專(zhuān)用的 4 個(gè)寄存器分別為：ADCCON0,ADCCNO1,ADRESH 以及 ADRESL。 2 TOSC； 對(duì)于正確的 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（ TAD）必須被選擇以保證 的最上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 小 TAD 時(shí)間。 A/D 操作是獨(dú)立于（ CHS（ 2∶ 0））位和TRIS 位的狀態(tài)之外的。 如果 A/D 時(shí)鐘源是另一種時(shí)針選擇（不是 RC），盡管 ADIN 位仍保持 1，睡眠指令將導(dǎo)致目前的轉(zhuǎn)換中斷和 A/D 模塊被關(guān)閉。