【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 7 頁(yè) 共 27 頁(yè) （ 5）磁性組件新型材料和新型變壓器的開(kāi)發(fā)，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型 (Low profile)變壓器。新型變壓器如壓電式，無(wú)磁心印制電路 (PCB)變壓器等，使開(kāi)關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。 （ 6）新型電容器和 EMI 濾波器技木的進(jìn)步，使開(kāi)關(guān)電源小型化并提高了 EMC 性能。 （ 7）微處理器監(jiān)控和開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部通信技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。 90 年代末又提出了新型開(kāi)關(guān)電源的研制開(kāi)發(fā)，這也是新世紀(jì)開(kāi)關(guān)電源的遠(yuǎn)景。如用一級(jí) ACDC 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(chēng)為單管單級(jí) (Single Switch Single Stage)或 4S 高功率因數(shù) ACDC 開(kāi)關(guān)變換器；輸出 1V, 50A的低電壓大電流 DCDC 變換器，又稱(chēng)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。 隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源簡(jiǎn)介 隔離式開(kāi)關(guān)電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等等。 在設(shè)計(jì)電源時(shí)，設(shè)計(jì)者采取那種變換器電路形式，主要根據(jù)成本、要達(dá)到的性能指標(biāo)等因素來(lái)決定。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。隔離式高頻開(kāi)關(guān)電源電路的共同特點(diǎn)就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組約脈沖電壓整流濾波而來(lái)。開(kāi)關(guān)電源的基本功能方框如圖 所示。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 8 頁(yè) 共 27 頁(yè) 輸出輸出保護(hù)電流檢測(cè)整流輸入整流濾波輸入保護(hù)MOS F ET斬波功率變換MOS F ET驅(qū)動(dòng)電壓反饋A / D主單片機(jī)從單片機(jī)編碼電位器輸入顯示 串行通信負(fù)電壓負(fù)電流給定正電壓正電流給定P WM 控制器 1P WM 控制器 2 圖 隔離式開(kāi)關(guān)電源的方框圖 在圖 中，交流線路電壓無(wú)論是來(lái)自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過(guò)變壓器降壓的．首先要經(jīng)過(guò)整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個(gè)高頻功率開(kāi)關(guān)組件，比如開(kāi)關(guān)晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)等組件，高頻變換部分產(chǎn)生高頻 (20kHz 以上 )高壓方波，所得到的高壓方波送給高頻隔離降壓變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出的電壓被整流、濾波后就產(chǎn)生了低壓直流。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負(fù) 載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定，在這里采用一個(gè)叫做脈沖寬度調(diào)制器 (FWM)的電路，通過(guò)對(duì)輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反饋給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)控制高頻功率開(kāi)關(guān)組件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例 (占空比 )，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的，在方波的上升沿和下降沿。有很多高次諧波，如果這些高次 TB 波反饋到輸入交流線，就會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在交流輸入端必須要設(shè)置無(wú)線頻率干擾 (RFI)濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。 第 2 章 高頻開(kāi)關(guān)電源的總體設(shè)計(jì) 主電路的選擇 開(kāi)關(guān)電源 的電路組成開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（ EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、 PWM 控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 9 頁(yè) 共 27 頁(yè) 入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。 DCDC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，但是卻很安全，為了 提高開(kāi)關(guān)電源的 安全性，所以此設(shè)計(jì)選擇隔離方式?？紤]輸出電壓等級(jí)和功率選擇全橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 控制電路的選擇 根據(jù)論文題目要求，本設(shè)計(jì)是采用單片機(jī)控制的，單片機(jī) 控制產(chǎn)生 PWM 波 ,控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù) A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負(fù)載電流在康銅絲上的取樣經(jīng) A/D后輸入單片機(jī)，當(dāng)該電壓達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，形成過(guò)流保護(hù)。采用的單片機(jī)型號(hào)為飛思卡爾 MC9S12XS128。 電流工作模式的方案選擇 電流連續(xù)模式分析 電流連續(xù)模式。電流連續(xù)工作狀態(tài)，在下一周期到來(lái)時(shí)，電感中的電流還未減小到零，電容的電流能夠得倒及時(shí)的補(bǔ)充，輸出電流的峰值較小，輸出紋波電壓小。這種模式的設(shè)計(jì)要考慮電感的儲(chǔ)能時(shí)間，不容易控制，所發(fā)實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很復(fù)雜的 。 電流斷續(xù)模式分析 電流斷續(xù)模式。斷續(xù)模式下，電感能量釋放完時(shí)，下一周期尚未到來(lái)，電容能量得不到及時(shí)補(bǔ)充，二極管的峰值電流非常大，對(duì)開(kāi)關(guān)管和二極管的要求就非常高，二極管的損耗非常大，而且由于電流是斷續(xù)的，輸出電流交流成分比較大，會(huì)增加輸出電容上的損耗。由于對(duì)于相同功率的輸出，斷續(xù)工作模式的峰值電流要高很多，而且輸出直流電壓的紋波也會(huì)增加，損耗大。但是這種模式工作設(shè)計(jì)不復(fù)雜。 鑒于上面分析，本設(shè)計(jì)采用 電流斷續(xù)模式。 圖 綜合結(jié)構(gòu)電路圖 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 10 頁(yè) 共 27 頁(yè) 綜合結(jié)構(gòu)電路圖 工頻交流 AC 220V 經(jīng)過(guò) EMI 濾波后進(jìn)行不控整流得到直流電壓 VDC,再進(jìn)過(guò)電容的平波穩(wěn)壓之后送給 H橋進(jìn)行斬波。通過(guò)高頻 PWM 信號(hào)來(lái)控制 H橋?qū)χ绷麟妷?VDC 斬波，通過(guò)隔直電容輸入到高頻變壓器的原邊，完成升壓。高頻升壓之后經(jīng)過(guò)高頻整流二極管進(jìn)行整流，之后經(jīng) LC 濾波送負(fù)載。輸出端通過(guò)采樣電阻把輸出電壓送到電壓電子顯示器實(shí)時(shí)顯示。 第 3 章 開(kāi)關(guān)電源輸入電路設(shè)計(jì) 整流技術(shù) 交流輸入整流濾波電路原理 在前面已經(jīng)提到，隔離式開(kāi)關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器?，F(xiàn)代的 電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 11 頁(yè) 共 27 頁(yè) 他們所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是交流 90 ——130V和 180—— 260V的范圍。 圖 輸入濾波、整流電路原理 輸入濾波電路： C L C C3 組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制，防止對(duì)電源干擾，同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開(kāi)啟瞬間，要對(duì) C5 充電，由于瞬間電流大，加 RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在 RT1電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1 阻值減?。?RT1 是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。 整流電路 本設(shè)計(jì)采用四個(gè)二極管進(jìn)行不控整流，再由濾波器濾波得到直流電。 輸入尖峰電壓保護(hù) 在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為 220v 左右，但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開(kāi)關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受?chē)?yán)重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá) 5kv。 另一方面，電感性開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式： ILW ?? 221 （ 31） 式 31 中 L 是電感器的漏感， I是通過(guò)線圈的電流。 由此可見(jiàn)，雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短，但是它確有足夠的能量使開(kāi)關(guān)電源的輸入濾波器、開(kāi)關(guān)晶體管等造成致命的損壞，所以必須要采取措施加以避免 。 用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻 (MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，它的阻抗急劇減小到一個(gè)低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 12 頁(yè) 共 27 頁(yè) 時(shí)應(yīng)按下述步驟進(jìn)行。 （ 1）選擇壓敏電阻的電壓額定值，應(yīng)該比 最大的電路電壓穩(wěn)定值大 10％ 20％； （ 2）計(jì)算或估計(jì)出電路所要承受的最大瞬間能量的焦?fàn)枖?shù)； （ 3）查明器件所需要承受的最大尖峰電流。 上述幾步完成后，就可以根據(jù)壓敏電阻參數(shù)資料選擇合適的壓敏電阻器件。 第 4 章 開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì) 全橋變換器電路的工作原理 全橋變換器電路如圖 ： +CRL圖 5 5UdV1V2V3V4V D1V D2V D3V D4uoio 圖 全橋電路工作原理圖 換器初級(jí)承受相當(dāng)于半橋變換器變壓器初級(jí)兩倍的輸入電壓，所以其匝數(shù)為半橋的兩倍。但當(dāng)輸出功率和輸入直流電壓相 同時(shí)，全橋變換器初級(jí)電流峰值和有效值只有半橋電壓型全橋逆變電路的原理如圖 41，它共有四個(gè)橋臂，可以看成由兩個(gè)半橋電路組合而成。把橋臂 1和橋臂 4作為一對(duì)，橋臂 2和橋臂 3作為另一對(duì)，組成的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通 180176。橋式變換器的特點(diǎn)：橋式變換器由四個(gè)功率晶體管組成，相對(duì)于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置個(gè)數(shù)要增加一倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合。全橋的優(yōu)點(diǎn)：主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正反向的電壓得到正反向的磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組用于整流輸出，因此變壓器鐵芯和繞組最佳利用，使功 率 ,功率密度得到提高。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 :功率開(kāi)關(guān)在非常安 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ 第 13 頁(yè) 共 27 頁(yè) 全的情況下運(yùn)作，在一般情況下最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓，四個(gè)能量恢復(fù)二極管能消除一部分有漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓。這樣無(wú)需設(shè)置能量恢復(fù)繞組反激能量便得到恢復(fù)利用。全橋變換器初級(jí)施加的是幅值為 ? Vdc 的方波電壓，是半橋變換器的 2倍，但其晶體管承受的關(guān)斷電壓卻與半橋變換器相同，等于最大輸入直流電壓。所以在晶體管承受相同的峰值電流和電壓的條件下，全橋變換器輸出功率是半橋變換器的兩倍。 當(dāng)然，由于全橋變的一半。所以相同功率下，兩種變換器的變壓器大小是一樣的。但若使用較大體積的變壓器，全橋變換器可在相同晶體管電流電壓額定下得到兩倍于半橋的功率輸出。 開(kāi)關(guān)晶體管的設(shè)計(jì) 器件介紹 本設(shè)計(jì)整流環(huán)節(jié)采用二極管實(shí)現(xiàn)不控整流在逆變環(huán)節(jié)為了實(shí)現(xiàn)輸出達(dá)到高頻采用電力 MOSFET， MOSFET 的原意是： MOS（ Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體）， FET（ Field Effect Transistor 場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（ M）的柵極隔著氧化層（ O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（ S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型 ,但通常主要指絕緣柵型中的 MOS 型（ Metal Oxide Semiconductor FET） ,簡(jiǎn)稱(chēng)功率 MOSFET（ Power MOSFET）。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶