【文章內(nèi)容簡介】 出電壓只和基準(zhǔn)電壓與輸出取樣電路的元器件參數(shù)有關(guān)，因此，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍反應(yīng)在線性電源上是穩(wěn)壓調(diào)整管集電極電流的變化范圍，反映在開關(guān)電源上是開關(guān)調(diào)整管脈沖占空比 D的變化范圍。 (6)輸出電壓穩(wěn)定性：輸出電壓隨負載的變化而變化的特性，這個變化量越小越好。它主要和反饋調(diào)節(jié)回路的增益及頻響特性有關(guān)。反饋調(diào)節(jié)回路增益越高，基準(zhǔn)電壓 Ue越穩(wěn)定，輸出 電壓 U0的穩(wěn)定性越好。 (7)輸出功率 P0：電源能輸出給負載的最大功率，他和負載功率有關(guān)。為了保證電源安全，要求輸出功率有 20％ — 50％的裕量。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 46 頁 第二章 開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)及比較 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) 串聯(lián)電源典型結(jié)構(gòu) 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖如圖 。開關(guān)原件及功率開關(guān)晶體管 VT串聯(lián)在輸入與輸出之間。正常工作時，功率開關(guān)晶體管 VT在開關(guān)脈沖信號的作用下周期性的在導(dǎo)通、界之間交替轉(zhuǎn)換，是輸入與輸出之間周期性的閉合和斷開。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功 率開關(guān)晶體管 VT后輸出周期性脈沖信號電壓，再經(jīng)脈沖整流濾波后，就可以得到平滑直流輸出電壓 U0。 U0和功率開關(guān)晶體管 VT的脈沖占空比 D有式（ 12）的關(guān)系。 輸入交流電壓或負載電流的變化，會引起輸入直流電壓的變化，通過輸出取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差值通過誤差放大器放大后控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比 D，達到穩(wěn)定輸出直流電壓 U0的目的。 在串聯(lián)開關(guān)電源中，由于功率開關(guān) VT 串聯(lián)在輸入電壓 Ui和輸出電壓 U0之間，因此對開關(guān)耐壓要求低。但由于輸入電壓和輸出電壓共用地線，電壓輸入與輸出間不隔離，有可 能使電路板底板帶 電，使用不安全，更不滿足外接 AV輸入、影碟機、錄放相機的要求。因此在目前的電子裝置和視聽設(shè)備的電源電路中以較少采用長聯(lián)開關(guān)電源，而更多是采用并聯(lián)開關(guān)電源。 圖 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖 并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 并聯(lián)開光電源原理圖如圖 ：其中功率開關(guān)管 VT與輸入電壓。輸出負載并聯(lián)，輸出電壓為： iUU?0 D?11 (14) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 46 頁 圖 17所示為一種輸出升壓型并聯(lián)開關(guān)電源，電路中有一個儲能電感，適當(dāng)利用這個儲能電感，可將輸出升壓型并聯(lián)開關(guān)電源轉(zhuǎn)化為廣泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源。 圖 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖如圖 ，功率開關(guān)管 VT與開關(guān)變壓器初級線圈相串聯(lián)在電源供電輸出端，功率開關(guān)管 VT再開關(guān)沖脈沖的周期性的導(dǎo)通與截 止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓這個次級脈沖電壓經(jīng)整流濾波后的到直流輸出電壓 U0。同樣，經(jīng)過取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓 UE進行比較，其誤差電壓再被誤差放大器放大后輸出值功率開關(guān)管 VT，來控制功率開關(guān)管 VT 的導(dǎo)通、截止，達到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。由于采用變壓器耦合，因此變壓器的初、次級側(cè)以相互隔離，從而使初級側(cè)電路與次級側(cè) 圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 電路的分開，做到次級側(cè)路的不帶電，使用安全。同時由于變壓器耦合，因此 可以使用多組次級線圈，在次級得到多組直流輸出電壓。 由于變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源輸入端與輸出端不共地，即所謂的冷底板供電，因此該開關(guān)電源可外接數(shù)字通信設(shè)備，從而在電子通信設(shè)備中得到廣泛的使用。使用中應(yīng)注意，在并聯(lián)開關(guān)電源中，對功率開關(guān)管 VT的耐壓要求較高，一般高于 2~3倍電源供電電壓。 正激電源開關(guān)結(jié)構(gòu) 正激開關(guān)電源是一種更采用變壓器耦合的降壓型開關(guān)穩(wěn)定電源，其電路圖如圖 所示。加在變壓器 N1繞組上的電壓振幅等于輸入電壓 UI功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時間 TON為開關(guān)脈沖寬度，變壓器次級側(cè)開關(guān)脈 沖電壓經(jīng)二極管 Vi整流變?yōu)橹绷鳌? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 46 頁 圖 正激開關(guān)電源電路 這種開關(guān)電源中功率開關(guān)管 VT導(dǎo)通時，變壓器初級繞組勵磁電流最大值為： DTLUI NiN 11 ? （ 15） 式中， LN1表示變壓器初級繞組 N1的電感量； D表示脈沖占空比； T表示脈沖開關(guān)周期。 正激開關(guān)源的特點是，當(dāng)初級側(cè)的功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時，電源輸入側(cè)的能量由次級側(cè)二極管V1經(jīng)輸出電感 L為負載供電；當(dāng)功率開關(guān)管 VT斷開時，有 續(xù)流二極管 V2=繼續(xù)為負載供電，并由消磁繞組 N3和消磁二極管 V3將初級繞組 N1的勵磁回饋到輸入端。 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)電路如圖 110所示，當(dāng)功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時，輸入側(cè)的電能以磁能的形式儲存在變壓器的初級線圈 N1中，由于同名端關(guān)系，次級側(cè)二極管 V1不導(dǎo)通，負載沒有電流流過。當(dāng)功率開關(guān)晶體管 VT斷開時，變壓器次級繞組以輸出電壓 U0為負載供電，并對變壓器進行消磁。 反激開關(guān)電源電路簡單，輸出電壓 U0即可高與輸入電壓 Ui又可低于輸入電壓，一般適用在輸出 圖 反激 開關(guān)電源電路 功率為 200W以下的開關(guān)電源中。 當(dāng)要求電源開關(guān)輸出功率更大，如在 200W~400W 范圍內(nèi)時，可采用半橋開關(guān)電源，他在一些較大負載的電路中被普遍采用。 半橋開關(guān)源結(jié)構(gòu) 半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu)電路及波形圖如圖 ，兩個功率開關(guān)管 VT1和 VT2在開關(guān)脈 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 46 頁 （ a） 電路圖；（ b） 波形圖 圖 半橋開關(guān)電源電路及波形 沖信號作用下，交替的導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管 VT1導(dǎo)通， VT2截止時，輸入電壓 Ui經(jīng) VT變壓器初級繞組 N1及電容 C2為變壓器初級線圈 N1勵磁，同時經(jīng)次級側(cè) 二極管 V繞組 N2給負載供電。所以，初級測電源通過功率開關(guān)管 VT 、 VT2交替給變壓器供電。變壓器初級側(cè)的脈沖電壓峰值為 Ui/2。同樣，電容 C C2上的電壓也分別為 Ui/2。 半橋開關(guān)電源最大的優(yōu)點是自動平衡能力強，不易使變壓器由于 VT VT2的導(dǎo)通時間不一致而產(chǎn)生磁飽和顯現(xiàn)，是功率開關(guān)管 VT VT2損壞。這是因為， VT VT2導(dǎo)通時間不一致時，變壓器初級側(cè) N1繞組的勵磁電流大小不一樣，致使電容 C C2上的電壓不不相等，勵磁電流越大，則對應(yīng)的電容器電壓越小，從而起到自動平衡的作用。但是由于每個 開關(guān)管中流過的電壓只有輸出電源電壓的的一半，因此要輸出同樣的功率，每個功率開關(guān)管中流過的電流就要增大一倍。 300W左右的開關(guān)電源多采用半橋式。 同時，半橋開關(guān)電源中需要避免功率開關(guān) VT VT2 的共態(tài)導(dǎo)通問題，否則將是兩個功率開關(guān)損壞。這點可以通過使 VT VT2 功率開關(guān)管的導(dǎo)通間相互錯開來解決。這一相互錯開的的最小時間成為死區(qū)時間。 全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 源電路及波形如圖 112所示。由 4個功率開關(guān)管 VT VT VT VT4組成一個電橋形式的電路，其中，由 VT1與 VT VT2與 VT3分別組成兩個導(dǎo)通回路，當(dāng) VT VT3的觸發(fā)控制信號有效時， VT VT4的觸發(fā)控制信號無效， VT VT3導(dǎo)通時，輸入電壓 Ui經(jīng) VT變壓器的初級線圈 N1和 VT3形成電流回路，加之變壓器初級線圈，的電壓為電源電壓 Ui,并經(jīng)次級側(cè)二極管 V1整流、濾波后為負載供電。同理，當(dāng)VT VT3關(guān)短， VT VT4導(dǎo)通時，輸入電壓 Ui從和 VT VT3導(dǎo)通時的電流相反的方向為變壓器初級線圈N1勵磁，并通過次級線圈 N2和整流二極管 V2為負載供電，這樣再次級得到如 Up所示的脈沖波形。 和半橋開關(guān)電源相比，由于家 在全橋變壓器初級線圈上的電壓、電流比半橋開關(guān)電源的各大一倍，因此在相同的電源供電電壓 Ui下，全橋開關(guān)電源的輸出功率是半橋電源開關(guān)的 4倍。全橋電源開關(guān)廠用在輸出功率較大的場合。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 46 頁 （ a） 電路圖；（ b） 波形圖 圖 全橋開關(guān)電源及波形圖 同樣，在全橋電源開關(guān)中也存在 4個功率開關(guān)管 VT VT VT VT4的共態(tài)導(dǎo)通問題。這點可以通過設(shè)置死區(qū)時間的方法來克服。 開關(guān)電源技術(shù)要點 電源電路的組成及主要特點 1. 電源電路主要由開關(guān)電源、副電源、輔助電路組成。 (1) 主開關(guān)電 源 主開關(guān)電源的輸出功率較副電源、輔助電路的輸出功率要大。它將 220V的交流輸入直接整流、濾波為 300V 左右的直流電壓，在經(jīng)過電源穩(wěn)壓調(diào)整環(huán)節(jié)中的開關(guān)調(diào)節(jié)管、開關(guān)變壓器、穩(wěn)壓控制電路、激勵脈沖產(chǎn)生電路對 300V左右的直流電壓進行 DC/DC 開關(guān)變換，產(chǎn)生各種所需穩(wěn)定的直流電壓輸出。主開關(guān)電源主要為主負載電路提供 110~145V 的直流電壓。電源電路的遙控待機功能是通過對主開關(guān)電源的控制實現(xiàn)的，主開關(guān)電源一旦停止工作，則相應(yīng)的功率放大級也將停止工作，于是主負載失去直流供電。 (2)副電源 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單，既可采用簡易開關(guān)電源，也可采用傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電路。無論伏在處于正常工作狀態(tài)還是待機狀態(tài)，負電源都必須正常工作。 (3)輔助電路 將行輸出變壓器中產(chǎn)生的行掃描脈沖進行整流、濾波，就可以得到所需的直流電壓。由于輔助電路是將行輸出及經(jīng)直流 — 交流 — 直流做兩次變換，所以又稱為二次電源。行輸出極產(chǎn)生的各種直流電壓主要給顯像管各電極供電，同時也可以為視頻輸出板尾板、場掃描以及圖像和伴音通道供電。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 46 頁 2. 電源電路的主要特點 電源電路的主要特點如下： (1) 由于設(shè)備都屬 于高可靠性設(shè)備，對電源的要求較高，因此除了提供大的功率外，好要求具有較高的效率。 (2) 為擴大設(shè)備儀器的使用范圍，要求電源電路能適應(yīng) 110V 和 220V 交流供電的需要。一般要求電源電路對交流輸入時電電壓的適應(yīng)范圍為 90— 245V，并對 50Hz 即 60Hz 輸入頻率均能適應(yīng)。 (3) 為了使負載儀器設(shè)備使用安全，要求機芯為冷底板設(shè)計，所以輸出穩(wěn)壓取樣反饋回路普遍采用光電耦合器進行電源初、次級側(cè)的隔離，以提高設(shè)備的抗干擾性和安全性。 (4) 要求電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路、 X 射線保護及復(fù)位功能。 (5) 為了保證遙控古代及功能的實現(xiàn)，電源電路一般還加有副電源電路（待機電源），副電源電路功率不大，一般在幾瓦左右，既可以采用開關(guān)電源實現(xiàn)，也可以用線性電源實現(xiàn)。 倍壓 /橋式整流自動切換 為了保證負載能在較寬的交流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，如 90~245V，有些電源加了一個倍壓 /橋式整流自動切換電路，使他在 110V 交流電壓下工作在倍壓整流方式，而在 220V 交流輸入電壓下工作在橋式整流方式，從而使負載在 110V 和 220V 兩種交流供電情況下都能正常工作。如果不采用倍壓 /橋式整流自動切換，則易使開關(guān)電源 在 110V交流供電狀態(tài)時處于欠激勵工作狀態(tài)，而在 220V交流供電狀態(tài)時有易工作于過激勵狀態(tài)，不能保證開關(guān)電源處在最佳工作狀態(tài)，其效率及可靠性等指標(biāo)都可以得到保證。 圖 倍壓 /橋式整流自動切換電路 倍壓 /橋式整流自動切換電路如圖 113 所示。當(dāng)輸入 220交流電壓時，通過電壓檢測電路可使雙向晶閘管截止，這是電容 C C2相串聯(lián)，整流電路為普通的整流工作方式，整流輸出電壓為 U0為 300V左右的直流電壓。當(dāng)交流輸入電壓為 110V時，通過電壓檢測電路是雙向晶閘管 V導(dǎo)通，整流電路工作在倍壓整流方式。倍 壓整流方式的工作原理圖所示。 倍壓 /橋式整流自動切換電路可使在 110V和 220V交流輸入電壓下的整流濾波輸出直流電壓相差不大，從而確保開關(guān)電源即可工作在交款的交流輸入電壓范圍，又可以使開關(guān)電源處在最佳工作狀態(tài)，從而提高開關(guān)電源的效率和工作可靠性。但是倍壓 /橋式整流自動切換電路如不能正常完成切換功能，同樣會引起負載電路的大面積損壞，設(shè)計電路時必須十分重視。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 46 頁 第三章 開關(guān)電源的控制及 PWM 技術(shù) 開關(guān)器件 開關(guān)器件的特性及驅(qū)動是開關(guān)電源電路中關(guān)鍵的問題對開關(guān)器件的認識和了解是電源設(shè)計和使用的基本知 識。 開關(guān)器件的特征 同處理信息的電子器件相比，開關(guān)電子器件具有以下特征： (1) 能處理功率的大小，即承受電壓和電流的能力是開關(guān)器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠大于信息處理的電子器件 (2) 開關(guān)器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通時阻抗很小，接近短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷是阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。 (3