【正文】 圖， (b)為波形圖 為方便分析開(kāi)關(guān)電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? (11) 式中 T 表示開(kāi)關(guān) S 的開(kāi)關(guān)重復(fù)周期； TON 表示開(kāi)關(guān) S 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間 [1]。若保持 TON 不變，利用改變開(kāi)關(guān)頻率 f=1/T 實(shí)現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 從而實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓 U0 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制 (PFM)方式開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源的組成 開(kāi)關(guān)電源由以下四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，見(jiàn)圖 12 所示 。 開(kāi)關(guān)電源與線性電源相比，輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)也能得到改善。 (2)重量輕：由于開(kāi)關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，電源的重量只有同容量線性電源的 1/5，體積也大大縮小。 (4)可靠安全：在開(kāi)關(guān)電源中，由于可以方便的設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，所以當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保護(hù)功能可靠。在顯示設(shè)備的 PWM 式開(kāi)關(guān)電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時(shí)，電源 電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。 主開(kāi)關(guān)電源的輸出功率較副電源、行輸出級(jí)二次電源的輸出功率要大。 副電源的主要作用是為微處理器控制電路提供 ＋ 5V 的供電電壓，副電源電路一般較簡(jiǎn)單，既可采用簡(jiǎn)易開(kāi)關(guān)電源也可以采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電路，無(wú)論負(fù)載處于正常工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，副電源都必須正常工作。 ： (1)由于負(fù)載 均屬高可靠性設(shè)備，對(duì)電源的要求較高，除了提供大的功率，還要求有高的效率。 (4)要求電源電路有良好的過(guò)壓、過(guò)流、輸出短路、 X 射線保護(hù)及復(fù)位功能。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 開(kāi)關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) 串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源 結(jié)構(gòu) 串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源工作原理的方框圖如圖 13 所示。 U0 和功率開(kāi)關(guān) 晶體管 VT 的脈沖占空比 D 有關(guān)， 見(jiàn)式 (1－ 2)。功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 與開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的控制下，周期性地導(dǎo)通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過(guò)變壓器耦合在次級(jí)得到脈沖電壓，這個(gè)脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓 U0。 圖 15 變壓器耦合并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源原理圖 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET 隨著信息電子技術(shù)與電力電 子技術(shù)在發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合，形成了高頻河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，其典型代表就是。 的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力 MOSFET 的種類按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道，圖 16 所示為N 溝道結(jié)構(gòu)。 (a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (b)電氣圖形符號(hào) 圖 16 電力 MOSFET 的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) MOSFET 開(kāi)關(guān)時(shí)間在 10～ 100ns 之間，工作頻率可達(dá) 100kHz 以上，是電力電子器件中最高的。 驅(qū)動(dòng)電路的選擇 (1)IR21 系列 因?yàn)?MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到 100KHz，采用此類專用驅(qū)動(dòng)芯片最為理想。在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著的延時(shí)，而且需要一組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源。此步驟完成后才能確保后續(xù)的規(guī)格能夠符合 要求 。在前述之兩個(gè)極端下驗(yàn)證電源供應(yīng)器之輸出電源的穩(wěn)定度是否合乎需求的規(guī)格。 電源調(diào)整率 ξ 通常以一 額定 負(fù)載下，由輸入電壓變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比，如下列公式所示： O no rm alOOV VV m inm a x??? (14) 電 壓 調(diào)整率 也 可用表示 為， 在輸入電壓變化下，其輸出電壓偏差量須在規(guī)定之上下限范圍內(nèi)，即輸 出電壓上下限絕對(duì)值以內(nèi)。測(cè)試步驟如下：將待測(cè)電源供應(yīng)器以正常輸入電壓及負(fù)載狀況下熱機(jī)穩(wěn)定后，測(cè)量正常負(fù)載下之輸出電壓值，再分別 在輕載、重載負(fù)載下，測(cè)量并記錄其輸出電壓值，負(fù)載調(diào)整率通常以正常之固定輸入電壓下，由負(fù)載電流變化所造成其輸出電壓偏差率的百分比 表示。 綜合調(diào)整率用下列方式表示： 當(dāng) 輸入電壓與輸出負(fù)載電流變化 時(shí) ，其輸出電壓 的 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(duì)值以內(nèi) )或某一百分比界限內(nèi)。開(kāi)關(guān)電源實(shí)際工作時(shí)最惡劣的狀況如輸出負(fù)載電流最大、輸入電源電壓最低等， 要求 電源 設(shè)備 在惡劣環(huán)境狀況下，其輸出直流電壓加上 干擾信號(hào)后的 輸出瞬時(shí)電壓，仍能夠維持穩(wěn)定的輸出電壓不超過(guò)輸出高低電壓界限 。在測(cè)量輸出噪聲時(shí)，電子負(fù)載的 PARD 必須比待測(cè)的電源供應(yīng)器的 PARD 值為低，才不會(huì)影響輸出噪聲測(cè)量。單端電路包括正激和反激兩類；雙端電路包括全橋、半橋和推挽三類。推挽式、半橋式、橋式開(kāi)關(guān)電路可以輸出較大功率，成為開(kāi)關(guān)電源的主要電路形式。由于 S S2 導(dǎo)通時(shí)脈沖變壓器 TC 電流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽電路與前述電路相比，提高了磁心的利用率。如果 用河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 同規(guī)格的開(kāi)關(guān)管組成單端變換電路，輸出最大功率為 150W。一是開(kāi)關(guān)管承受反壓較高。因此，這種推挽電路目前僅用于自激或它激式低壓輸入的穩(wěn)壓變換器中。所謂飽和式，是指脈沖變壓器工作在磁化曲線的飽和狀態(tài)。因此， φ N1 在各繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，正反饋繞組N3 的感應(yīng)電勢(shì)形成對(duì) VT1 的正反饋，使 VT1 集電極電流迅速增大。此過(guò)程中，由于磁心的飽和周而復(fù)始地進(jìn)行， VT VT2 輪流導(dǎo)通，初始電流方向隨之不斷改變，因而在次級(jí)感應(yīng)出雙向矩形脈沖。在 Ic 劇增至 IcIB*β 時(shí)， Ic 才開(kāi)始減小。同樣是圖 22 的電路，如果合理選擇N1 或 N2 與 N N4 的匝數(shù)比，使正反饋過(guò)程中開(kāi)關(guān)管在 Ic 增大到接近自身的飽和區(qū)時(shí)，出現(xiàn) IC＞ IB*β 的關(guān)系，使兩管的導(dǎo)通 /截止關(guān)系翻轉(zhuǎn)，則成為非飽和型推挽變換器。 上述推挽式自激變換器有不少優(yōu)點(diǎn)，但是也有缺陷。由于雙極型開(kāi)關(guān)管有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)， IB 的減小，甚至 IB=0 時(shí)，其 IC 不會(huì)立即截止，而正反饋脈沖的反向卻可以使另一只開(kāi)關(guān)管立即導(dǎo)通，因此，在 VT VT2 交替過(guò)程中必然出現(xiàn)兩管同時(shí)瞬間導(dǎo)通。 所有用于高壓開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)管絕對(duì)都只采用 NPN 型，這點(diǎn)是由半導(dǎo)體器件工藝所決定的。如果用于輸入整流供電的高壓變換器， VT VT2 最高集電極和發(fā)射極之間電壓將是 600V 以上，達(dá)到此要求的只有 NPN 型開(kāi)關(guān)管。很明顯，自激推挽式開(kāi)關(guān)電源只能組成無(wú)穩(wěn)壓功能的變換器，而不能用于開(kāi)關(guān)電源，因?yàn)橐娇刂苾晒艿耐〝嗾伎毡?，電路必然較復(fù)雜，且難以達(dá)到完全對(duì)稱地控制。脈沖變壓器為了轉(zhuǎn)換輸出功率，鐵心的截面積必然較大，而要達(dá)到磁通量的飽和所需磁化電流也較大，使開(kāi)關(guān)管損耗增大。 上述飽和式變換器中，脈沖變壓器 TC 有雙重功能，一是通過(guò)正反饋繞組使開(kāi)關(guān)管以自激振蕩的形式完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作，進(jìn)行 DCAC 的變換。因?yàn)轵?qū)動(dòng)變壓器只提供推挽開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電流，其功率極小，可以采用較小的磁心截面積，因而其飽和的磁化電流大幅度減小，只要求驅(qū)動(dòng)變壓器磁性材料為矩形磁化曲線的、高磁通密度的。改變開(kāi)關(guān)的占空比，就可以改變二次側(cè)整流電壓 Ud 的 平均值，也就改變了輸出電壓 U0。由于電容的隔離作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁和直流磁飽和 [8]。 正激變換電路 正激電路原理圖如圖 24 所示。開(kāi)關(guān)管 VT 開(kāi)通后，變壓器的激磁電流由零始，隨著時(shí)間增加而線性的增長(zhǎng)直到 VT 關(guān)斷。由升壓環(huán)節(jié)所處位置的不同，主要考慮了前置升壓和后置升壓兩種方法。由于系統(tǒng)要求輸出的頻率為 20Hz 到 5KHz 的寬頻輸出，因此如果采用線圈升壓，屬于低頻升壓，升壓線圈體積將會(huì)比較龐大，并且設(shè)計(jì)也較復(fù)雜，使得電源設(shè)計(jì)失去應(yīng)用價(jià)值。 前置升壓實(shí)際上是直流 DC/DC 升壓，也就是將升壓環(huán)節(jié)放在整個(gè)電源系統(tǒng)的最前端，首先通過(guò)直流變換器實(shí)現(xiàn)直流升壓，然后再逆變、濾波。當(dāng)電路不工作時(shí)，功率晶體管 VT 處于截止?fàn)顟B(tài)，二極管 V 導(dǎo)通，前端直流電源通過(guò)電感和二極管向電容充電，并且向負(fù)載提供自身電壓的直流電。其輸出電壓平均 值將超過(guò)前端直流電壓。其中，變壓器線圈繞組由 N1， N2，N3 組成。 在 輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下 ， 輸出電壓 與輸出電壓的關(guān)系為 ： TTNN ONiUU 120 ? (27) 輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓 Uo 將高于式 (27)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 ： iUNNU 120 ? (28) 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第 3 章 雙端驅(qū)動(dòng)集成電路 TL494 TL494 簡(jiǎn)介 TL494 是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開(kāi)關(guān)電源。 (2) 片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個(gè) (一個(gè)電阻和一個(gè)電容 )。 (6)內(nèi)置功 率晶體管可提供 500mA 的驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在 0— 之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。的 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，因此被廣泛的應(yīng)用與單端式（正極式和反極式）和雙端式（半橋式、全橋式和推挽式）開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路。 (2)內(nèi)部設(shè)有比較器組成的死區(qū)時(shí)間控制電路，用外加電壓控制比較器的輸出電平，通過(guò)其輸出電平使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)換，控制兩路輸出之間的死區(qū)時(shí)間。 (5)輸出驅(qū)動(dòng)電流單端達(dá)到 400mA，能直接驅(qū)動(dòng)峰值開(kāi)關(guān)電流達(dá) 5A 的開(kāi)關(guān)電路。最高輸入電壓不超過(guò)VCC+。集成電路內(nèi)部用于控制 PWM 比較器的同相輸入，當(dāng) A A2 任一輸出電壓升高時(shí)，控制 PWM 比較器的輸出脈寬減小。當(dāng)外加 1V 以下的電壓時(shí)，死區(qū)時(shí)間與外加電壓成正比。 7 腳為共地端。 10 腳為兩路驅(qū)動(dòng)放大器的發(fā)射極開(kāi)路輸出端。 13 腳為輸出模式控制端。 14 腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓精密穩(wěn)壓電路端。 RT 取值范圍 ～ 500Ω， CT 取值范圍 4700pF～ 10μF，最高振蕩頻率 fOSC≤ 300KHz。工作波形如圖 333 所示。 TL494 含有振蕩器，誤差放大器， PWM 比較器及輸出級(jí)電路等部分。只有鋸齒波電壓高于控制信號(hào)時(shí)，才會(huì)有脈沖輸出，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)誤差放大器及外接電阻，電容構(gòu)成電壓和電流反饋調(diào)節(jié)器，都采用 PI 調(diào)節(jié)。來(lái)自霍爾電流傳感器所檢測(cè)的電流信號(hào) IF 由微機(jī)處理后引入到 4 腳，當(dāng)充電電流超過(guò)給定值時(shí)封鎖輸出脈沖，關(guān)斷 IGBT[13]。 EXB840 驅(qū)動(dòng)模塊從 3 腳和 1 腳輸出正，負(fù)驅(qū)動(dòng)脈沖至 IGBT 的柵 射極之間，開(kāi)通和關(guān)斷 IGBT[14]。為此，籍此文向有車一族中的音響發(fā)燒友介紹。這種機(jī)械式振動(dòng)子變換器一直延用到半導(dǎo)體器件相當(dāng)成熟，即電子管收音機(jī)改為晶體管后，才從汽車音響中消失。 50V，向汽車音響提供電源。為了避免功放輸出信號(hào)產(chǎn)生削頂失真，要求供電電源有足夠的能量?jī)?chǔ)備，當(dāng)信號(hào)峰值瞬間能立即提供較大的電流（一般 PMOP 即為對(duì)功放瞬間峰值功率的標(biāo)稱）。但是，音樂(lè)的波動(dòng)是千變?nèi)f化的，有時(shí)大幅度的沖出信號(hào)只是瞬間的事，若信號(hào)沖擊到來(lái)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源不能及時(shí)提供大電流，輸出電壓必然形成隨大信號(hào)下降的波形，使信號(hào)上沖受限，產(chǎn)生波形失真，等沖擊信號(hào)過(guò)后。從此點(diǎn)來(lái)說(shuō)，直流變換器和變壓器整流電源沒(méi)有區(qū)別，而且直流變換器的內(nèi)阻更低，對(duì)瞬間大電流的適應(yīng)性更強(qiáng)。 25V 直流變換器，輸出最大電流可達(dá) 10 到 15A，使功放有效輸出功率可達(dá) 2X40W，或 BTL 接法， 使輸出功率為 150W。 Jensen 功率變換器，則采用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源它激式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)四只 MOS FET 開(kāi)關(guān)管組成的并聯(lián)推挽電路，其功放變 換器電路如附圖所示。 TL494 在該電路中構(gòu)成它激式變換器，只利用了其振蕩器和驅(qū)動(dòng)電路，用作驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的脈沖信號(hào)源，因而與常規(guī)用法有所不用。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 一組驅(qū)動(dòng)脈沖使推挽電路一臂導(dǎo)通后，相隔一死區(qū)時(shí)間，才發(fā)出另一組驅(qū)動(dòng)脈沖， 使另一臂導(dǎo)通（第四腳電壓越高，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)）。 第 2 腳為第一組誤差放大器的同相輸入端。 第 3 腳為誤差放大器輸出端，外接 R3， C1 為避免誤差放大器振蕩而設(shè)。 C3， R5 與振蕩頻率的關(guān)系為：f(kHZ)=(kΩ )C(μ F)。 第 12 腳接輸入信號(hào)。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 主電路的設(shè)計(jì) 圖 42 汽車音響供電電源主電路 輸入端 9， 10 為 TL494 輸出的兩組相位相差 1800 的 PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖，一組驅(qū)動(dòng)脈沖使推挽電路一臂導(dǎo)通后，相隔一死區(qū)時(shí)間，才發(fā)出另一組驅(qū)動(dòng)脈沖，使另一臂導(dǎo)通。因?yàn)?VT3,VT4 需要具有高頻的導(dǎo)通截止特性，為了 保