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畢業(yè)設(shè)計(jì):一種開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)(留存版)

  

【正文】 也是新世紀(jì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展遠(yuǎn)景。 9. 產(chǎn)品更新加快 目前開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用(使用世界各國(guó)電網(wǎng)電XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 壓規(guī)模),輸出電壓范圍擴(kuò)大(入計(jì)算機(jī)和工作站需要增加 這一擋電壓,程控需要增加直流 150V 電壓),輸入端公里因數(shù)進(jìn)一步提高,具有安全、過(guò)壓保護(hù)等功能。在線性電源中,讓功率晶體管工作在線性模式,與線性電源不同的是, PWM 開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 15 頁(yè) 共 43 頁(yè) 第 3 章 設(shè)計(jì)思想與方案論證 設(shè)計(jì)思想 PWM 開(kāi)關(guān)電源在使用時(shí)比線性電源具有更高的效率和靈活性。 LC 濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。 其拓?fù)?、主要波形和一些估?jì)參數(shù),如圖 3. 2。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 22 頁(yè) 共 43 頁(yè) 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在本文中,是設(shè)計(jì)一個(gè)管道煤氣泄漏報(bào)警電路的 PWM 開(kāi)關(guān)電源。 電流由 Tr次級(jí)的下端經(jīng) D2→ RL →D4 回到 Tr次級(jí)上端, 在負(fù)載 RL 上 也 得到一半波整流電壓 ,如圖 所示 。在剛過(guò) ?t=?/2 時(shí),正弦曲線下降的速率很慢。一般使用條件對(duì)高頻電源變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。磁通密度變化值 ΔB=2Bm ,為了提高 ΔB ,希望 Bm 大,但不要求 Br 小,不論是單方向變化工作模式還是雙方向變化工作模式,變壓器功率傳送方式都不直接與磁芯磁導(dǎo)率有關(guān)。 反激式變壓器的工與正激式變壓器不同。在短暫的時(shí)間內(nèi)各濾波電容正極就形成穩(wěn)定的電壓輸出。直到下一個(gè)正半周,當(dāng) U2 > UC時(shí), D 又導(dǎo)通。由運(yùn)放的特性可知,只有當(dāng) REF端(同相端)的電壓非常接近 VI( )時(shí),三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò),而且隨著 REF端電壓的微小變化,通過(guò)三極管的電流將從 1到 10mA變化。 過(guò)電流限制功能設(shè)計(jì) 本電源還具有對(duì)開(kāi)關(guān)調(diào)整管的過(guò)電流限制保護(hù)功能。 ② 調(diào)試過(guò)程中,因電路有高壓,所以 千萬(wàn)不可用直接去碰元器件或線路,以免引起安全事故。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 41 頁(yè) 共 43 頁(yè) ③測(cè)量數(shù)據(jù) 在以上檢查均無(wú)誤后,即可通電測(cè)量數(shù)據(jù)。為了減少光隔離器漂移的影響,二次惻要用到一個(gè)誤差放大器,這個(gè)誤差放大器采用 TL431。 圖 三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管 圖 是該器件的符號(hào)。并入電容之后,設(shè)在 ω t=0 時(shí)接通電源,則當(dāng) U2由零逐漸增大時(shí),二極管 D 導(dǎo)通,除有一電流 IL流向負(fù)載以外還有一電流 iC向電容 C 充電,充電電壓 UC的 極性為上正下負(fù)。 輸出直流電壓的形成 本電源有兩組直流穩(wěn)壓輸出: +24V,+5V。 高頻電源 變壓器,遵守變壓器基本原理: 1) 遵守變壓器的同名端原理。單方向變化工作模式,磁通密度從最大值 Bm 變化到剩余磁通密度 Br,或者從Br 變化到 Bm。如果傳輸?shù)哪芰繛槎ㄖ?,工作頻率高,在一定時(shí)間內(nèi)傳輸能量的次數(shù)多,每一次傳輸?shù)哪芰靠梢陨?,則變壓器用的材料少,結(jié)構(gòu)尺寸小。此時(shí) C相當(dāng)于并聯(lián)在 v2上,所以輸出波形同 v2 ,是正弦波。在分析整流電路工作原理時(shí),整流電路中的二極管是作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用,具有單向?qū)щ娦浴? 每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)缺點(diǎn),有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^底,但輸出的功率受到限制;而有的可以輸出足夠的功率,但成本比較高等。 直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值 之間波動(dòng)。圖 3. 1 是一種簡(jiǎn)單正激式變換器電路,即所謂的 Buck 變換器。盡管它們各部分的布置差別很少,但是工作過(guò)程相差很大,在特定的場(chǎng)合下個(gè)有優(yōu)點(diǎn)。 3. 保護(hù)電路 : 由過(guò)電流 保護(hù)電路、過(guò)電壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路和浪涌吸收電路等組成。 6. 抗電磁干擾( EMI) 當(dāng)開(kāi)關(guān)電源在高頻下工作時(shí),其噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其他電子設(shè)備干擾,世界各國(guó)已有抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。 磁材料和新型變壓器的開(kāi)發(fā)。 主要技術(shù)標(biāo)志 從技術(shù)上看,幾 十年來(lái)推動(dòng)開(kāi)關(guān)電源性能和技術(shù)水平不斷提高的 主 要標(biāo)志是: 器件的開(kāi)發(fā)使實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源高頻化有了可能。 3. 1000kW 牽引變流器 4500V/ 1200A GTO 門控 250W 開(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展歷史 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源)取代晶體管線性穩(wěn)壓電源(以下簡(jiǎn)稱線性電源)已有 30 多年歷史,最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源,其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿,但功率晶體管 工 作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)后 , 脈寬調(diào)制( PWM)控制技術(shù)有了發(fā)展,用以控制開(kāi)關(guān)變換器,得到 PWM 開(kāi)關(guān)電源,它的特點(diǎn)是用 20kHz 脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制 — PWM 開(kāi)關(guān)電源效率可達(dá) 65~ 70%,而線性電源的效率只有 30~ 40%。 34 穩(wěn)壓電路的組成 5 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 31 電容濾波 45 附錄 3 實(shí)物圖此外要求開(kāi)關(guān)電源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。特點(diǎn)是負(fù)載大范圍變化頻繁,工作環(huán)境惡劣。 PWM 開(kāi)關(guān)電源按硬開(kāi)關(guān)模式工作( 開(kāi)/關(guān)過(guò)程中電壓 下 降/上升和電流上升/下降波形有交疊),因而開(kāi)關(guān)損耗大。如:用一級(jí) AC- DC 開(kāi)關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流,并具有功率因數(shù)校正功能,稱為單管單級(jí)或 4S 高功率因數(shù) AC- DC 開(kāi)關(guān)變換器;輸出 1V, 50A的低電壓大電流 DC- DC 變換器,又稱電壓調(diào)節(jié)模塊 VRM,以適應(yīng)下一代超快速微處理器供電的需求;多通道( Multi- Channel 或Multi- Phase) DC- DC 開(kāi)關(guān)變換器; 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器( Server)的開(kāi)關(guān)電源可攜帶式電子設(shè)備的高頻開(kāi)關(guān)電源等。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 11 頁(yè) 共 43 頁(yè) 第 2 章 PWM 開(kāi)關(guān)電源的基本原理 PWM 開(kāi)關(guān)電源的組成模塊 開(kāi)關(guān)電源的電路組成方框圖如下: 一、主電路 是 從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過(guò)程,包括: ( EMI) : 其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過(guò)濾,同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng) 。在這兩種狀態(tài)中,加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的(在導(dǎo)通時(shí),電壓低,電流 大;關(guān)斷時(shí),電壓高,電流小)。我們可以在航空和自動(dòng)化產(chǎn)品、儀器儀表、離線式產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)它們的蹤影,它們通常應(yīng)用于要求效率和多組電源 電壓輸出的場(chǎng)合。 LC濾波器的作用可用下式表示: DVV inout ? (式 31) 式中 D— 占空比 通過(guò)控制電路改變占空比,即可保持輸出電壓恒定。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 18 頁(yè) 共 43 頁(yè) 反饋CinCoutVoutVin+++控制TN 1 N 2DSW V swV inI SECI priV inflybkV satI swI Dttt000 ? ?? ?mininouytPK V PI ? outinsw VVV ?? WWPout 1000 —? 圖 3. 2 反激式電路 3. 方案三 半橋電路。這種開(kāi)關(guān)電源可用于 AV200~ 240V 輸入的電子產(chǎn)品中。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 24 頁(yè) 共 43 頁(yè) 在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成,得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。所以剛過(guò) ?t=?/2時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。其磁通密度,磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,故除正常溫度 25℃ 外,還要給出 60℃ , 80℃ , 100℃ 時(shí)的各種參考數(shù)據(jù)。第二種是電感器功率傳送方式,原繞組輸入的電能,使磁芯激磁,變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),然后通過(guò)去磁使副繞組感應(yīng)電壓,變成電能釋放給負(fù)載。正激式變壓器兩邊的繞組是同時(shí)流過(guò)電流的,而反激式變壓器先是通過(guò)一次繞組把能量存儲(chǔ)在磁芯材料中,一次側(cè)關(guān)斷后在把能量傳到二次回路。 半波整流電路 半波整流電路如圖 ( a) 所示。如此下去,使輸出電壓的波形如圖中線所示。 ( 2) 應(yīng)用 圖 精密 5V 穩(wěn)壓器 前面提 到 TL431 的內(nèi)部含有一個(gè) 的基準(zhǔn)電壓,所以當(dāng)在REF 端引入輸出反饋時(shí),器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流,控制輸出電壓。用于防止負(fù)載端出現(xiàn)短路或當(dāng)所帶的負(fù)載加重等原因引起的電流急劇增加時(shí),過(guò)大的電流燒壞開(kāi)關(guān)調(diào)整管 Q1。 5. 4 故障分析與排除 在調(diào)試過(guò)程中,也出現(xiàn)了一些故障,其 故障原因 及現(xiàn)象 : ① 開(kāi)關(guān)管 13003 因在焊接時(shí),加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損壞 ,導(dǎo)致輸出無(wú)電壓 ; ② 輸入整流濾波電容接反而被炸裂; ③ 光耦因在焊接時(shí),加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損壞,導(dǎo)致輸出電壓偏高; ④ 開(kāi)關(guān)管 13003 的金屬 面和 R3 接觸而導(dǎo)致燒管子 等。如果出現(xiàn)異常,應(yīng)立即切斷電源,排除故障后可重新通電。其工作工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下:當(dāng)有電流流過(guò)發(fā)光二極管時(shí),便產(chǎn)生一個(gè)光源,光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流 的大小,此光照射到封裝在一起的光敏三極管 VT 上后,控制 VT 產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)光二極管正向電流成比例的集電極電流。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為 ,在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管,例如,數(shù)字電壓表,運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源,開(kāi)關(guān)電源等等。在沒(méi)有并入電容 C之前,整流二極管在 U2的正半周導(dǎo)通,負(fù)半周截止,輸出電壓 UL的波形如圖中所示。 輸出整流和濾波電路 經(jīng)過(guò)高頻開(kāi) 關(guān) 變壓器降壓后的脈動(dòng)電壓同樣要使用二極管和XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 31 頁(yè) 共 43 頁(yè) 電容進(jìn)行整流和濾波,只是此時(shí)整流時(shí)的工作頻率很高,必須使用具有快速恢復(fù)功能的肖特基整流二極管 (本電路使用的分別是FR102 和 SR160) ,普通的整流二極管難當(dāng)此任,而整流
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