【正文】 開關電源的發(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關狀態(tài)，（一開一關，一開一關，頻率非?？?，一般的平板開關電源頻率在 100~200KHz，模塊電源在３００～５００ＫＨＺ）．這樣 它 的損耗 就小，效率也就高，對變壓器也有了要求，要用高磁導率的材料來做． 它 的變壓器就是一個字?。剩福埃ァ梗埃グ桑畵?jù)說美國最好的ＶＩＣＯＲ模塊高達９９％．開關電源的效率高體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調(diào)整率就有折扣了 。這樣一來 他 的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。從這個角度來看，線性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低了，而且熱量高的時候，元件的壽命勢必要下降 ，影響最終的使用效果 。 開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭 ,以得到需要的輸出 。 ,經(jīng)整流濾波供給負載 。大多數(shù)開關電源有待機電路，在待機狀態(tài)開關電源還在振蕩，只是頻率 比正常工作時要低。根據(jù)激勵信號結(jié)構(gòu)分類；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號的寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達到穩(wěn)定電壓的效果。 開關電源中應用的電力電子器件主要為 二極管 、 IGBT 和 MOSFET。 開關穩(wěn)壓電源概述 開關電源是利用現(xiàn)代 電力電子 技術，控制開關 管開通和關斷的時間比率， 從而實現(xiàn)升壓和降壓， 維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源 ， 開 關 電源 一般由脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成 。 一般來說， 線性 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基本部分組成。高頻化和軟開關技術是過去 20 年國際電力電子界研究的熱點之一。 從 開關電源 發(fā)展史來講，如今已經(jīng)走到第五代。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作出耐壓高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時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了開關電源的不斷發(fā)展和進步。因此，用工作頻率為 20 kHz 的 PWM開關電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關注，在電源 技 術 發(fā) 展 史 上 被 譽 為 20kHz 革 命 。 所以在當今人們的生活中他已經(jīng) 開始扮演著一個非常重要的角色 。 設計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 作為開關功率管的降壓斬波電路即穩(wěn)壓電路；電容濾波電路。 開關穩(wěn)壓電源 (以下簡稱開關電源 )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 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、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備 (如手提計算機、移動電話等 )更需要小型化、輕量化的電源。 開關電源的發(fā)展 史 1955 年美國的科學家羅那（ ）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。 60 年代，由于微電子技術的快速發(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，從而極大地擴大了它的應用范圍，并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關電源。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 4 第一代是 70年初，那時候從線性電源開始走向開關電源； 第二代是 1976 開始取得 UL 安規(guī)認證； 第三代從 80 年代中期開始，開關電源走向全球通用，因此電源的開發(fā)就不 能局限在北美 或者日本市場，輸入電壓要考慮 85~265V 范圍內(nèi)，同時歐規(guī)和其他安規(guī)都要考慮進來； 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)在進入了第五代， 2021 年 7月，歐盟將強制執(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。 第三個階段從 20世紀 90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊 (IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。 另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。 簡單地說， 開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止。 在談開關電源之前，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足這種條件的電路；它于基本放大電路與一個反饋回路組成，其中 C L1 組成一個并聯(lián)諧振選頻電路，在電路通電的瞬間 VT 導通，此時在 C L1組成的并聯(lián)諧振電路上產(chǎn)上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 5 生非常豐富的諧波，當外加頻率和并聯(lián)諧振電路的固有頻率相等時 ,電路進入振蕩狀態(tài)，并通過 L3 反饋到 VT 的基極進一步放大，最終形成有規(guī)律的脈沖電流或電壓輸出到負載 RL 上。變壓器的繞組一般可以分成三種類型，一組是參與振蕩的初級繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負載繞組。 開關電源的工作流程是： 電源 → 輸入濾波器 → 全橋整流 → 直流濾波 → 開關管（振蕩逆變） → 開關變壓器 → 輸出整流與濾波。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 6 ,控制 PWM 占空比 ,以達到穩(wěn)定輸出的目的 。 一般還應該增加一些保護電路 ,比如空載、短路等保護 ,否則可能會燒毀開關電源 . 主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機，電腦等 開關穩(wěn)壓電源 與線性穩(wěn)壓電源的對比 開關電源的主要工作原理就是上橋和下橋的 Mos 管輪流導通，首先電流通過上橋 Mos 管流入，利用線圈的存儲功能，將電能集聚在線圈中，最后關閉上橋Mos 管，打開下橋的 Mos 管，線圈和電容持續(xù)給外部供電 。 開關電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。 它 也有 它 的優(yōu)點：紋波小，調(diào)整率好，對外干擾小。 對于電源效率和安裝體積有要求的地方用開關電源為佳，對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）多選用線性電源。由于開關電源輕、小、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(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)上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 7 下獲得高的磁性 能，而電容器的小型化也是一項關鍵技術。 模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成 N＋ 1 冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方 式的容量擴展。 系統(tǒng)功能 通過對電源的編程 ,可以方便地實現(xiàn) 下圖 所示的電壓輸出波形。電流的設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。通過將 PC 機的串口 RS232 與電源串口相連 ,再運行 PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。在這種編程方式中 ,只能將從電源的參數(shù)設置為與主電源完全一致 ,而不能對各個參數(shù)進行單獨設定。 用單片機來控制開關電源 ,總的來說可以分為兩種 :第一種是單片機通過輸出 PWM 或 DA 給電源電路提供一個基準電壓 ,單片機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 。單片機輸出兩路 PWM 信號 ,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能作用，并聯(lián)的電容器 C 在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容 C 具有平波的作用；與負載串聯(lián)的電感 L,當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來，而當 電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感 L也有平波作用。 穩(wěn)壓電路在上圖中清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響 ,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）。 。 設二極管在距線電壓過零點 δ 角處開始導通，并以二極管 VD6 和 VD1 開始導通的時刻為時間零點，則線電壓為 ： uab= U2sin(ωτ ＋ δ) 而相電壓為 ： ua= U2sin(ωτ ＋ δ － π/6) 在 ωt = 0 時，二極管 VD6 和 VD1 開始同時導通，直流側(cè)電壓等于 uab；下一次同時導通的一對管子是 VD1 和 VD2，直流側(cè)電壓等于 uac。 假設在 ωt ＋ δ ＝ 2π/3 的時刻 “ 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，在輕載時直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是 R= ／（ ωC ）。 電容濾波的三相橋式不可控整流電路的基本數(shù)量關系 (1)輸出電壓平均值 空載時，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 電容 的 電流 iC在一個周期內(nèi) 平均值為零，因此： Id=IR。 為了設計性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電路，需對各種穩(wěn)壓電 路進行分析比較，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，即開關管；控制開關管的工作狀態(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系： 控制過程是在保持調(diào)整管開關周期 T 不變的情況下，通過改 變開關管導通時間來調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓，故稱之為脈寬調(diào)制型開關電源。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大 。 IGBT的靜態(tài)特性： IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關特性。在截止狀態(tài)下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結(jié)承擔，反向電壓由 J1結(jié)承擔。在 IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與 Ugs 呈線性關系。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。 IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。漏源電壓的下降時間由 tfe1 和 tfe2 組成。 IGBT 在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍?IGBT 在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。輸入信號經(jīng)內(nèi)部光電隔離，最大延遲時間為1us。 上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 17 第三 章 PIC16F877 單片機 在該設計中，控制核心是單片機，需要用它來產(chǎn)生 PWM波，并將采樣電壓與基準電壓進行比較，控制 PWM 波的占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。各個端口的設計思路和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是不同的，甚至同一個端口不同的引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存在差異，但其他線路很相似。 ● 端口 B 是一個 8 位的雙向輸入 /輸出端口，對應的數(shù)據(jù)方向寄存器是TRISA。 此外，端口 D 還可以作為并行從動口 (PSP)的總線引腳，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 的總線引腳。 根據(jù)硬件電路對端 口 C 進行編程，實現(xiàn)如下功能：程序運行后，前 4個發(fā)光二極管點亮，后 4 個熄滅。 PIC16F877 單片機內(nèi)部嵌入的 ADC 模塊具有 10 位數(shù)字量精度，共有 8 個模擬通道，與 ADC 模塊有關的寄存器共有 11 個，其專用的 4 個寄存器分別為：ADCCON0,ADCCNO1,ADRESH 以及 ADRESL。 2 TOSC； 對于正確的 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換時鐘（ TAD）必須被選擇以保證 的最上海理工大學本科生畢業(yè)設計 (論文 ) 19 小 TAD 時間。 A/D 操作是獨立于（ CHS（ 2∶ 0））位和TRIS 位的狀態(tài)之外的。 如果 A/D 時鐘源是另一種時針選擇（不是 RC），盡管 ADIN 位仍保持 1，睡眠指令將導致目前的轉(zhuǎn)換中斷和 A/D 模塊被關閉。