【正文】 (11) 式中 T 表示開關(guān) S 的開關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開關(guān) S 在一個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間 [ 1]。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第 1 章 開關(guān)電源基礎(chǔ)技術(shù) 開關(guān)電源概述 開關(guān)電源的工作原理 開關(guān)電源的工作原理可以用圖 11 進(jìn)行說 明。在此情況下，從上世紀(jì)末，歐洲生產(chǎn)的汽車音響中開始采用DCDC 變換器，將 12V 蓄電池供電變換為 177。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。這就 迫使電源工作者在電源研發(fā)過程中不斷探索，尋求各種相關(guān)技術(shù)，做出最好的電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。 開關(guān)電源中的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，在通信設(shè)備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛 應(yīng)用。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 論文 摘 要 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展 ,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛 ,電子設(shè)備的種類也越來越多 ,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。 開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多 , 常用的變換電路有推挽 、 全橋 、 半橋 、 單端正激和單端反激等形式 。開關(guān)電源是一種新型電源設(shè)備，較之于傳統(tǒng)的線性電源，其技術(shù)含量高，耗能低，使用方便，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。 24V177。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui 經(jīng)開關(guān) S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個(gè)受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管。 開關(guān)電源直流輸出電壓 U0 與輸入電壓 Ui 之間有如下關(guān)系： DUU iO ? (12) 由 (12)式可以看出，若開關(guān)周期 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間 TON，即可改變脈沖占空比 D，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。由于開關(guān)頻率不固定，所以輸出濾波電路的設(shè)計(jì)不易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。其中 DC/DC 變換器用以進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號放大，整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號，也可以是 PFM 信號或其它信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開關(guān)信號的幅值，頻率，波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。負(fù)載變換瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器的特性決定。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 (3)穩(wěn)壓范圍寬：開關(guān)電源的交流輸入電壓在 90~270V 范圍變化時(shí)，輸出電壓的變化在177。 (5)功耗小：由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散 熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，所以采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性 [ 3]。 它激式開關(guān)電源，它激式開關(guān)電源必須有一個(gè)振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 它將輸入 220V 交流輸入直接整流、濾波為 300V 左右的直流電壓，再經(jīng)過開關(guān)穩(wěn)壓調(diào)整環(huán)節(jié)中的開關(guān)調(diào)整管、開關(guān)變壓器、穩(wěn)壓控制電路、激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路對 300V 左右的直流電壓進(jìn)行 DCDC 開關(guān)變換，產(chǎn)生各種所需的穩(wěn)定直流電壓輸出。 將行輸出變壓器中產(chǎn)生的行掃描脈沖進(jìn)行整流與濾波，就可以得到各種所需的直流電壓。 (2)為擴(kuò)大儀器設(shè)備的使用范圍，要求電源電路能適應(yīng) 110V 和 220V 交流供電的需要。 (5)為了保證遙控待機(jī)功能的 正確實(shí)現(xiàn)，一般還加有副電源電路 (待機(jī)電源 )。功率開關(guān)晶體管 VT 串聯(lián)在輸入與輸出之間。 圖 13 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會引起輸出直流電壓的變化，通過輸出取樣電路將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差電壓通過誤差放大器放大，控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比 D，達(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓 U0 的目的。同樣經(jīng)過取樣電路將 取樣電壓與基準(zhǔn)電壓 UE 進(jìn)行比較被誤差放大器放大，由誤差放大器輸出至功率開關(guān)晶體管 VT， 通過控制功率開關(guān)晶體管VT 的導(dǎo)通、截止達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。 電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力 Power MOSFET。電力 MOSFET 的工作原理是：在截止?fàn)顟B(tài)，漏 源極間加正電源，柵源極間電壓為零。由于是場控器件，靜態(tài)時(shí)幾 乎不需輸入電流。 IR202 IR221 系列均可工作在 100KHz 以上。使用 高速光耦，其驅(qū)動能力不足。 通常當(dāng)調(diào)整輸出電壓時(shí)，將輸入交流電壓設(shè)定為正常值，并且將輸出電流設(shè)定為正常值或滿載電流，然后以數(shù)字電壓表測量電源供應(yīng)器的輸出電壓值并調(diào)整其電位器直 到電壓讀值位于要求的范圍內(nèi)。 壓 調(diào)整率 能提供可變電壓能力的電源，至少能提供待測電源供應(yīng)器的最低到最高之輸入電壓范圍。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 負(fù)載調(diào)整率的定義為開關(guān)電源的輸出負(fù)載電流變化時(shí)，提供其穩(wěn)定輸出電壓的能力。 當(dāng)輸出負(fù)載電流變化時(shí)，其輸出電壓之偏差量須在規(guī)定之上下限電壓范圍內(nèi)，即輸出電壓之上下限絕對值以內(nèi)。 輸出噪聲 (PARD)是指在輸入電壓與輸出負(fù)載電流均不變的情況下，其平均直流輸出電壓上的周期性與隨機(jī)性偏差量的電壓值。 否則將可能會導(dǎo)致電源電壓超過或低于邏輯電路如 TTL 電路所承受電源電壓而誤動作，進(jìn)一步造成死機(jī)現(xiàn)象。同時(shí)測量電路必須有良好的隔離處理及阻抗匹配，為避免導(dǎo)線上產(chǎn)生不必要的干擾、振鈴和駐波， 一般都采用 在 雙同軸電纜 的 端點(diǎn)并以 50Ω河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 電阻 ， 并使用差動式量測方法 以 避免地回路噪聲電流， 以 獲得 準(zhǔn)確 的測量結(jié)果。每一類電路都可能有多種不同的拓?fù)湫问交蚩刂品椒ā? 推挽開關(guān)變換電路 推挽開關(guān)變換基本電路 圖 21 為推挽式開關(guān)電路的示意圖。磁心在四個(gè)象限內(nèi)的磁化曲線都被利用，在一定輸出功率時(shí)，磁心的有效截面積可以小于同功率的單端開關(guān)電路。若使用 2 只同規(guī)格開關(guān)管組成推挽電路，輸出功率可以達(dá)到 400～ 500W。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電源電壓和脈沖變壓器初級二分之一的感應(yīng)電壓相串 聯(lián)，加到開關(guān)管集電極和發(fā)射極，因而要求開關(guān)管 VECO＞ 2VCC。因?yàn)榈蛪汗╇姡?N N2 匝 數(shù)少，且兩繞組間電壓差也小，一般采用雙線并繞的方式來保證其對稱性 [5]。電路通電以后，電流經(jīng)電阻 R1 到正反饋繞組 N3～ N4 的中點(diǎn)，同時(shí)向 VT VT2 基極提供啟動偏置。 IC1 的增大使 N1 激磁電流增大，磁場強(qiáng)度 (H)的增加，使磁感應(yīng)強(qiáng)度 (B)磁化曲線增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)磁心飽和點(diǎn)時(shí)，即使磁化電流再增大，也無法再使磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 即磁通量的變化為零。因此推挽變換器次級可以通過全波或橋式整流向負(fù)載供電。一般飽和型變換器只用在低壓變換器中，即使如此也 必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)脈沖變壓器飽和點(diǎn)的激磁電流，不能大于開關(guān)管最大允許電流。非飽和指的是，在 VT VT2 的翻轉(zhuǎn)過程中，脈沖變壓器的 磁通量始終處于與磁化電流的線性關(guān)系范圍內(nèi)，通過正反饋量的選擇，使 IB 最大值時(shí)開關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)。首先是自激推挽式開關(guān)電路的驅(qū)動脈沖是雙向的。因兩管集電極電流通過脈沖變壓器形成反向磁場，而使脈沖變壓器等效電感量減小，開關(guān)管電流增大?，F(xiàn)有 PNP 型管的 VCEO 最大也極少超過 300V，因此高壓變換器也只能采用全 NPN 型開關(guān)管。兩管均為NPN 管的結(jié)果是，其導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動脈沖均為正 向脈沖，如像自激式變換器相同的雙向脈沖。此類變換器一般采用在輸出端設(shè)置耗能 式穩(wěn)壓的方式。因此在飽和式變換器的設(shè)計(jì)中，都盡量選擇開關(guān)管的工作狀態(tài)在脈沖變壓器的磁化曲線開始進(jìn)入飽和狀態(tài)之初，首先讓開關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)，使開關(guān)電路翻轉(zhuǎn)，以減小開關(guān)管在變壓器磁通飽和以后的大電流增長，降低開 關(guān)管損耗。為了使開關(guān)動作持續(xù)地、兩管交替地進(jìn)行，脈沖變壓器工作在磁飽和狀態(tài)；二是將DCAC 轉(zhuǎn)換后的雙向矩形波通過設(shè)計(jì)的圈數(shù)比耦合到次級，通過整流、濾波成為直流電。而輸出變壓器可以采用一般磁心，使成本大幅降低。 VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管 V1 處于通態(tài)， VT 2 導(dǎo)通時(shí)，二極管 V2 處于通態(tài)，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，變壓器繞組 N1 中的電流為零， V1和 V2 都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電流。 當(dāng)濾波電感 L 的電流連續(xù)時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式為 ： TtNNUU onl 120 ? (22) 半橋式開關(guān)電路省去兩只開關(guān)管，采用連接電容分壓方式，使開關(guān)管 ce極電壓與橋式電路相同，同時(shí)驅(qū)動電路也大為簡化，只需兩組在時(shí)間軸上不重合的驅(qū)動脈沖，兩組驅(qū)動電路的參考點(diǎn)為各自開關(guān)管的發(fā)射極，顯然比橋式電路的形式簡單得多。 圖 24 正激電路原理圖 電路的工作過程如下：開關(guān)管 VT 開通后，變壓器繞組 N1 兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的 N2 繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。為防止變壓器的激磁電感飽和，需要設(shè)法使激磁電流在 VT 關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位 [9]。所謂前置升壓，就是將升壓環(huán)節(jié)放在逆變環(huán)節(jié)之前，先對輸入的 12V 低壓直流電進(jìn)行 DCDC 轉(zhuǎn)換，升至所需較高直流電壓，將此高壓直流作為后續(xù)逆變電路的輸入，對此高壓直流電進(jìn)行逆變，經(jīng)過濾波后直接得到所需要的高壓正弦交流電。而采用壓電升壓器也無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閴弘娮儔浩鲀H在諧振頻率附近能夠?qū)崿F(xiàn)較好的升壓效果，而且對于不同的壓電升壓器，隨著其形狀、大小等不同，其諧振頻率會有較大差異，而在其他頻率的升壓效果很不理想。直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離直流變換器；有電氣隔離的稱為隔離直流變換器。當(dāng)整個(gè)電路處于工作狀態(tài)時(shí)，外界對晶體管 VT 的控制端 (柵極 )加載周期性方波，晶體管 VT 便處于導(dǎo)通與截止的不斷交替狀態(tài)。 Boost DC/DC河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 變換器的輸出電壓值與晶體開關(guān)管柵極控制方波的占空比成反比，調(diào)節(jié)方波占空比便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。電路的工作原理為：當(dāng)功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，變壓器兩端繞組的電壓均為上正下負(fù)，整流二極管 V1 導(dǎo)通 V2 截止，輸入電能通過整流二極管V1 傳給負(fù)載，同時(shí)對電感 L1 儲能；當(dāng)功率晶體管 VT 截止時(shí)，整流二極管V1 截止 V2 導(dǎo)通，電感 L1 中的 儲能流經(jīng)負(fù)載并經(jīng)過二極管 V2 續(xù)流。 TL494 有SO16 和 PDIP16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求 [ 10]。 (3)內(nèi)置誤差放大器。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 (7)推或拉兩種輸出方式。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。 脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從 變化到 時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零?？傮w結(jié)構(gòu)比同類集成電路 SG3524 更完善。當(dāng)⑷腳輸出電平升高時(shí)，死區(qū)時(shí)間增大。雙端輸出為 2 200mA，加入驅(qū)動級即能驅(qū)動近千瓦的推挽式和半橋式電路。 15 腳為誤差放大器 A A2 的反相輸入端。同時(shí)，該輸出端還引出端外，以便與 15 腳間接入 RC 頻率校正電路和直流負(fù)反饋電路，穩(wěn)定誤差放大器的增益以及防止其高頻自激。如果電壓超過 1V，內(nèi)部比較器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。 11 腳為兩路驅(qū)動放大器 NPN 管的集電極開路輸出端。當(dāng) 11 腳接 Vcc，在 10 腳接入發(fā)射極負(fù)載電阻到地時(shí)，輸出為兩路正極性圖騰柱輸出脈沖，適合于驅(qū)動 N 型雙極型開關(guān)管或 N 溝道 MOS FET 管。外接 5V 高電平時(shí)為雙端圖騰柱式輸出，用以驅(qū)動各種推挽開關(guān)電路。輸出 5V177。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 TL494 在工作時(shí)，通過 6 腳分別接定時(shí)元件 CT 和 RT。 TL494若將 13 腳與 14 腳相連．可形成推挽式工作；若將 13 腳與 7 腳相連．可形成單端輸出方式。OSC 振蕩頻率由外接元件 R， C 決定，表達(dá)式為： RCfOSC ? (32) fOSC 可 選定 1KHz～ 200KHz 之間 ，本電路選用 fOSC = 40KHz。誤差放大器的給定信號均取自 +5V 基準(zhǔn)電源的分壓加于 2腳和 5 腳。 圖 33 PWM 控制器 TL494 接線圖 IGBT 是電壓驅(qū)動型器件，本電路選用了具有降柵壓邏輯式和軟關(guān)斷兩種保護(hù)功能的 IGBT 厚膜混合集成驅(qū)動模塊 EXB840， 這種型號的電路 較好地解 決了低飽和壓降 IGBT 的短路保護(hù)問題，能滿足 IGBT 對驅(qū)動電路的特殊要求，保證 IGBT 能可靠開通和關(guān)斷，且電路簡單 ， 工作頻率高，輸入控制信號電流為 10mA。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 第 4 章 TL494 在汽車音響供電電源中的應(yīng) 用 汽車音響電源簡述 國內(nèi)市場上，盡管汽車音響節(jié)目源有所擴(kuò)