【正文】 ................................................................................ 67 Several notes of sw itching pow er supply design .......................................................... 67 外文翻譯 : ........................................................................................................................... 77 開關(guān)電源設(shè)計幾項注意 .............................................................................................. 77 致 謝 ........................................................................................................................................ 84 90W 開關(guān)電源的設(shè)計 1 第一章 引 言 課題研究的背景及意義 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備對電源的要求也越來越高，傳統(tǒng)線性電源笨重效率低，嚴(yán)重影響電子設(shè)備、電子產(chǎn)品的發(fā)展。20 世紀(jì) 60 年代前研發(fā)了半導(dǎo)體器件，并以此器件為主實現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換。目前 DCDC 變換中所用的頻率提高最快，它在提高頻率中碰到的開關(guān)過程，損失機(jī)制，為提高效率而采用的方法，也可以作為其他轉(zhuǎn)換方法參考。 與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源相比開關(guān)電源有以下優(yōu)點(diǎn)： 1．效率高，損耗?。洪_關(guān)電源效率通常在 75%以上，有的甚至可以達(dá)到 90%以上。而且在輸入電壓發(fā)生較大波動時，電源依然保持較高的效率，因此， 開關(guān)電源比較適合電網(wǎng)波動較大的地區(qū)使用。開關(guān)電源技術(shù)是一種普適性、滲透性的綠色化技術(shù)，使產(chǎn)品性能可90W 開關(guān)電源的設(shè)計 2 靠、成熟、經(jīng)濟(jì)、實用，它在國民經(jīng)濟(jì)以及 國防，高科技發(fā)展中都有廣泛的應(yīng)用前景。目前使用的電子開關(guān)多是雙極型晶體管，功率場效應(yīng)管，逐步普及的有 IGBT管。一般其阻值在毫歐級，其上得到的毫伏電壓可用來作為當(dāng)前工作周期進(jìn)行電流控制或保護(hù)的信號。換句話說，由于“磁通連續(xù)”性電感上的電流必須是連續(xù)的，否則會產(chǎn)生很大的電壓尖峰波 。其一是繞線電阻，這是不可避免的；其二是分布式雜散電容，隨繞制工藝，材料而定雜散電容在低頻時影響不大但是隨著頻率的提高而逐漸顯現(xiàn)出來，到某一頻率以上是電感也許變成電容的特性。根據(jù)能量守恒原理在電感正伏。實際的電容并不是理想元件。有時加大電容量并不能使電壓波形平直，就是因為這個串聯(lián)寄生電感起著副作用。普通的鋁電解電容，在高頻脈動電流大幅度增加下，高頻阻抗溫度上升較大，成了開關(guān)電源長壽命的瓶頸。為了改善這一缺點(diǎn)，將電解液覆蓋在氧化膜表面后將其干燥，形成固體電解質(zhì)電容，即“ OS電容”， OS 電容的串聯(lián)電阻小了許多。 開關(guān)電源的技術(shù)動態(tài) 高頻方面。 高效方面。 電磁兼容方面。 低壓大電流，微處理器性能的不斷提高，低壓大電流開關(guān)電源也隨之發(fā)展起來。 本課題的主要研究內(nèi)容 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，然而這么多電子設(shè)備，精密儀器的背后都需要有個穩(wěn)定輸出的電源做支持。從推動功率管的方式來分可分為自激式和它激式，在自激式開關(guān)電源中由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩 。而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是并聯(lián)在開關(guān)電源之間的，屬于升壓式電路。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時，變壓器 T 副邊上的電壓極性顛倒，使初級繞組中存儲的能量通過 VD1 整流和電容 C 濾波后向負(fù)載輸出。但這可以通過選用高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時， VD2 也導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感 L 儲存能量：當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 通過續(xù)流二極管 VD3 繼 續(xù)向負(fù)載釋放能量。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，因此這種電路的實際應(yīng)用較少。在 VT1 截止時， L2 中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1 給 C1 反向充電，逐漸提高 VT1 基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路 就這樣重復(fù)振蕩下去。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載 RL 和續(xù)流二極管 VD1 釋放電感 L 中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時，電感 L 感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。當(dāng)90W 開關(guān)電源的設(shè)計 9 開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，電感 L 儲存能量，二極管 VD1 截止，負(fù)載 RL 靠電容 C 上次的充電電荷供電。 基于本設(shè)計中開關(guān)型穩(wěn)壓電源是采用全控型電力電子器件作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點(diǎn)。它們的簡化電路如圖 151 所示。 (c)配 TL431 的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。因此，該電路相當(dāng)于給增加一個外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對 Uo 進(jìn)行調(diào)整。 圖 152 單片開關(guān)電源的典型應(yīng)用電路 由圖可見，高頻變壓器初級繞組 NP 的極性與次級 繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。交流電壓 UAC 經(jīng)過整流濾波后得到直流高壓，經(jīng)初級繞組加至的漏極上。在 MOSFET 截止瞬間，初級極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。反之， Uo 減小，導(dǎo)致 UF 減小， Ic 減小，進(jìn)而 D 減小，最終使 Uo 減小，同樣起到穩(wěn)壓作用。 設(shè)計流程： 1．熟悉 UC384X、 PC81 TL431 的結(jié)構(gòu)原理及作用。 5．由 PC81 TL431 組成的反饋環(huán)路的設(shè)計。在這兩種狀態(tài)中，加在功率開關(guān)管上的伏安乘積總是很?。ㄔ趯?dǎo)通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流小）。當(dāng)輸入電壓被斬成交流方波，其輸出幅值就可以通過高頻變壓器來升高或降低。 開關(guān)電源的組成 圖 221 所示為開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖： 90W 開關(guān)電源的設(shè)計 14 圖 221 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖 AC/DC 轉(zhuǎn)換電路是整流濾波電路。 單端反激式拓?fù)浞治? DCDC 主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 方案一：主回路采用非隔離推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖 231 所示），只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，且輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故。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)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。 T 不變，只改變n0來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制 (PWM)。既改變n0T，又改變 T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào) 寬方式。 單端反激式變換器又稱電感儲能式變換器，其變壓器兼有儲能、變壓、隔離三重作用。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時，負(fù)載電流由電容 C 來提供，同時變壓器初級繞組重新儲能，如此反復(fù)。 90W 開關(guān)電源的設(shè)計 18 (a) 連續(xù)模式； (b) 非連續(xù)模式 235 兩種模式的開關(guān)電流波 由圖可見，在連續(xù)模式下，初級開關(guān)電流是從一定幅度開始增大的，上升到峰值再迅速回零。但連續(xù)模式要求增大初級電感量 LF，這會導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。非連續(xù)模式下的 IP， IRMS 值較大，但所需要的 IP 較小。 開關(guān)管 S 截止期間，流過次級繞組 Ns 的電流i線性減小，設(shè)電流減小的時間是t?，則流過 Ns 的電流增量為 : tLUi o ??? 22 （ 232） 開關(guān)管 S 截止期間， Np 上感應(yīng)電壓與電源電壓inU一起加在開關(guān)管 S 的 DS 級上， DS級承受的電壓為： spoinDS NNUUU ?? （ 233） 90W 開關(guān)電源的設(shè)計 19 連續(xù)工作模式： 如果電流連續(xù)，TDTt off )1(????，輸出電壓的表達(dá)式為 : DDNNUU psio ?1 （ 234） 3．?dāng)嗬m(xù)工作模式： S 導(dǎo)通期間，變壓器初級繞組儲存的能量2/2(max)11ILWj?，所以電源輸入功率iP為 2(m ax )1121 ILTTWP ji ?? （ 235） 如果電流斷續(xù)， S 導(dǎo)通時起始電流為 0，則oni TLUI 1(max)1 ?，假設(shè)電路沒有損耗，輸入功率iP應(yīng)與輸出功率oP相等，設(shè)輸出負(fù)載電阻為LR，則有 Loonino RUTLTU 21222 ?? （ 236） 從而可以得到斷續(xù)模式輸出電壓的表達(dá)式為 TLRUU Lonino 12? （ 237） 由式（ 27）可知，在斷續(xù)模式下，輸出電壓與輸入電壓和導(dǎo)通時間成正比，與負(fù)載電阻的平方根成正比。 技術(shù)指標(biāo)如下： 主要技術(shù)指標(biāo)； ： AC220V ；輸入電壓范圍： 120270V； : +30V/2A,30V/1A； ：≥ 65W； ：≤177。 該系列個成員之間的差異在于欠壓鎖定門限和最大占空比范圍。通過增設(shè) 一個內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換觸發(fā)器（它每隔一個時鐘周期將輸出關(guān)閉）。 逐個脈沖電流限制。 高電流圖騰柱輸出。 SO14 封裝的圖騰柱式輸出級有單獨(dú)的電源和接地管腳。 1 腳為補(bǔ)償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接 RC 網(wǎng)絡(luò)對誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。 5 腳是地，是控制電路和電源的公共地。當(dāng)開關(guān)電源通電瞬間，高壓直流電通過一個大阻值的電阻降壓供給 UC3844，當(dāng) 7 腳的電壓大于 16V 時，芯片立即啟動，此時啟動電流小于 1mA，此時 無輸出， 6 腳輸出正脈沖，使變壓器也啟動工作，變壓器一路輸出繞組專門給 UC3844 供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時的工作電流約為 15mA。 UC3844的最大的優(yōu)點(diǎn)就是外圍元件少，外電路裝配簡單，且成本低，適用于 20~100W 小功率開關(guān)電源的 驅(qū)動電路設(shè)計。 RIN 中的功耗于是將小于 350mW，即使在高線路輸入電壓（ VAC=130VRMS）條件下也不例外。 圖 325 給 UC3844 供電電路 振蕩器 UC3844 的振蕩器的設(shè)置如圖 3— 2— 5 所示。 UC384X 系列 每款振蕩器都可以高至 500kHz(最大值 )的頻率下使用最大占空比。如果引腳 3 上的電壓達(dá)到其門限值，則電流限制電路開始起作 用，也就是說電流值有下式?jīng)Q定： 圖 327 圖 328 本設(shè)計不采用變壓器，所以 N 取 1。反饋元件給環(huán)路轉(zhuǎn)移函數(shù)增加了一個極點(diǎn)（ 在 fp=1/2π RFCF）。我們都知道放大器用作信號傳輸時都需要傳輸時間，并不是輸出與輸入同時建立。另外，直接控制 UC3844 的腳 l 還可簡化系統(tǒng)的頻率補(bǔ)償以及輸出功率小等問題。 普通光電耦只能傳輸 開關(guān)信號，不能傳輸模擬信號。在反饋電路中用TL431 與輸出采樣電壓進(jìn)行比較，再通過光電耦合器 PC817 把電壓反饋到 UC3844 的電壓反饋端。 TL431 的電路圖形符號和基本接線如圖333 所示。其性能的好壞不僅影響變壓器本身的效率和發(fā)熱量，而且還會對開關(guān)電源的整體性能和可靠性產(chǎn)生極大的影響。變壓器周而復(fù)始的經(jīng)歷上述能量的存儲轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。 N T C RF UG N DA C 1A C 2V S R C 1 C 2C 5C 3 C 4L 1D 1D 2D 3D 4G N D+ V oG N D 圖 336 輸入整流濾波電路 90W 開關(guān)電源的設(shè)計 33 RCD 緩沖器設(shè)計 在反激變換器中，引起開關(guān)應(yīng)力過高（可導(dǎo)致開關(guān)損壞）的原因有兩個：一是開關(guān)關(guān)斷時，漏電感引起開關(guān)管集電極電壓突然升高；二是負(fù)載線路不夠合理。減小漏電感主要靠工藝；耗散過電壓的能量依靠與電感線圈