100w開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)
2024-10-08 21:05 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 型 PWM 控制的缺點(diǎn) ： 1)對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢； 2)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓變化而變化，使其更為復(fù)雜； 3)輸出 LC 濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放 大器時，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。 從總體上說， 開關(guān)電源的控制電路還包括過壓，過流保護(hù)，均流控制等。 14 3 開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì) 開關(guān)電源的主電路主要處理電能，即功率變換。主電路主要包括輸入濾波電路、逆變電路、高頻變壓器、輸出濾波電路等部分。主電路的設(shè)計(jì)通常在整個電源的設(shè)計(jì)過程中占有最為重要的地位 [7]。 輸入級電路設(shè)計(jì) 主電路輸入級電路是整個電路同電網(wǎng)的接口，它主要有以下幾個功能 ： 1)EMI 濾波功能，消除來自電網(wǎng)的擾動，同時防止電源本身對電網(wǎng)的 干擾； 2)輸 入級一次整流功能 ，為后級逆變提供紋波較小的直流電。 具體的輸入級主電路如圖 所示： 圖 輸入級主電路 開關(guān)電源的高速開關(guān)瞬態(tài)往往會產(chǎn)生很高的射頻分量，從而污染交流電網(wǎng)線路，交流電源能傳遞電氣噪聲和電磁輻射，導(dǎo)致開關(guān)電源中的瞬變再輻射和傳遞到其它負(fù)載。輸入級濾波電路的主要器件見上圖，其中 TXl， CY1,CY2 濾除共模噪聲，電容容值為 ， CX1，C2 濾除差模噪聲，大小為 ，耐壓 400V。其中電容和 TX1 共模 15 扼流圈一起構(gòu)成 EMI 濾波電路，這 樣就可以有效的消除來自電網(wǎng)的各種干擾，如電動機(jī)起動，電器開 關(guān)的合閘與關(guān)斷，雷擊等產(chǎn)生的尖峰干擾。同時也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。 在開關(guān)電源中，存在著共模干擾 (即受干擾的信號相對于參考點(diǎn)大小、方向同 )，如雷電等，為了消除共模干擾，在整流和逆變環(huán)節(jié)之間加入共模扼流圈，共模扼流圈需要滿足以下幾點(diǎn)基本要求 [8]： 1)在正常工作的輸入電流或輸出電流下，共模扼流圈不應(yīng)磁飽和 ； 2)在干擾信號下頻率阻抗要大 ； 3)直流電阻要小，電感值穩(wěn)定，不隨溫度變化而產(chǎn)生大幅度變化 ； 4)分布電容要??； 圖中的共模扼流圈 為 TX1，其電路原理如圖 所示， 圖 共模扼流圈電路原理圖 當(dāng)有高頻干擾時，兩線圈在同一磁芯內(nèi)對共模干擾所產(chǎn)生的磁通是同方向的，有相互加強(qiáng)的作用，每一線圈電感值為單獨(dú)存在是的兩倍。通常共模扼流圈的匝數(shù)很少，因此這種繞法的電磁線圈對共模干擾有很強(qiáng)的抑制作用。 16 開關(guān)電源的功率開關(guān)元件 開關(guān)元件特性及其驅(qū)動是開關(guān)變換器中很關(guān)鍵的問題。開關(guān)管的損耗與基極的驅(qū)動電壓，電流的波形有直接的關(guān)系。對雙極型晶體管的理想驅(qū)動波形，最好是波形前沿陡峭并帶些尖峰脈沖，以加快開關(guān)的接通，減少其損耗。關(guān)斷時，最好加反向偏壓，以提高關(guān)斷速率 [9]。 雙極型晶體管（ BJT）基本上是個電流控制器件，即加入變動的基極電流 △ Ib，產(chǎn)生變動的集電極電流 △ Ic，共射級放大倍數(shù) β為： Β=△ Ic/△ Ib； 在實(shí)際的開關(guān)應(yīng)用中，晶體管處于飽和導(dǎo)通或截止兩種狀態(tài)。為了加快退出飽和，以利提高開關(guān)頻率，常加控制環(huán)節(jié)使開關(guān)管導(dǎo)通工作時在準(zhǔn)飽和狀態(tài)，準(zhǔn)飽和是指在深飽和與線性區(qū)之間的一個區(qū)域，對應(yīng) IcVce 輸出特性曲線開始彎曲部分。在準(zhǔn)飽和區(qū)，電流增益開始下 降，但保持著發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的狀態(tài)。這比把深度飽和導(dǎo)通的晶體管 (集電結(jié)已處于正偏狀態(tài) )轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)要容易得多，快得 多。具體方法參見圖 。 圖 晶體管狀態(tài)圖 晶體管并非理想的開關(guān)元件。它從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)時有開通過程需 17 要一定時間 。在通態(tài)變?yōu)閿鄳B(tài)時有關(guān)斷過程，也需要時間。通態(tài)時通過的電流由外接負(fù)載所限定，管本身有飽和壓 降 Vces、斷態(tài)時發(fā)射結(jié)和集電結(jié)在反偏狀態(tài)，集、射極在高電壓下有穿透電流 Iceo。一般要求，飽和壓降 Vces 要小，穿透電流 Iceo 要小。過渡的過程，用圖 所標(biāo)的幾個時間段來標(biāo)志。 晶體管基極驅(qū)動電路主要應(yīng)使驅(qū)動電流或電壓波形為最佳并要注意隔離和保護(hù)的問題。驅(qū)動方式一般有直接式和隔離式。本系統(tǒng)的驅(qū) 動電路如圖 所示。 圖 晶體管驅(qū)動電路圖 高頻變壓器 在眾多 的 DCDC 變換 器中，可以分為兩大類：隔離變換器和非隔離變換器，所謂隔離與非隔離指的是在主電路功率傳輸中是否存在電氣隔離，大多數(shù)情況下指是否存在變壓器隔離。在非隔離變換器中，存在很多缺陷，例如，輸入輸出無法隔離會對系統(tǒng)安全性存在隱患，輸入輸出的電壓和電流比無法很大以及無法實(shí)現(xiàn)多路輸出等問題。這些局限需要靠變壓器來克服。高頻變壓器在主電路中主要起隔離、降壓和實(shí)現(xiàn)多路輸出的作用 [7]。 理想的隔離變壓器主要有以下幾點(diǎn)特征： 18 1)從輸入到輸出能夠通過所有的信號的頻率，即從理想的直流到不理想的直流都能變換 ； 2)變換時可不考慮能量損耗 ； 3)能使輸入輸出之間完全隔離 ； 4)變換中，無論從原邊到副邊，或副邊到原邊，都是一樣方便有效。 因此高頻變壓器在隔離 DCDC 變換器中占有非常重要的地位，變壓器性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)性能的好壞 [5]。 輸出級電路設(shè)計(jì) 開關(guān)電源的輸出整流濾波電路是出現(xiàn)在開關(guān)功率變壓器次級回路中，如 圖 中的 L2， C24， C25， C29， U3 組成的濾波電路。 圖 輸出級電路圖 1)輸出整流二極管 輸出整流電路一般都為高頻整流電路，整流二極管必須采用高頻 19 快恢復(fù)開關(guān)二極管。肖特基二極管不但具有高頻快恢復(fù)開關(guān)二極管的特性， 而且還具有正向管壓降特別低的優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合用做開關(guān)電源電路的輸出級整流二極管 [10]。輸出整流二極管流出的電流即為流過輸出濾波電感的電流，也即流過負(fù)載的電流，最大為 2OA。根據(jù)以上的分析，同時考慮手頭的元件，選用 S20C40C 肖特基二極管作為快速整流二極管， S20C40C 內(nèi)置的二極管的耐壓值為 40V，電流等級為 20A，金屬封裝 TO220。 2)輸出濾波電感 輸出濾波 電感中的電流是單一方 向流動的，對直流阻抗小，對交流阻抗大 ,流過磁性繞組的電流具有較大的直流分量，并且疊加一個較小的交流分量，因此磁芯的最大工作磁通密度，可取高端值，它接近飽和磁通密度。圖中的 L2 用三股直徑 1mm 的漆包線繞 10 圈而成 。 3)輸出濾波電容 輸出電容 C 的選擇應(yīng)滿足最大輸出紋波電壓的要求，濾波電容的大小對輸出直流電源的紋波大小有決定作用。圖中的 C24， C25 為3300UF 的極性電容， C29 為無極性 CBB 電容 。 4 開關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì) 控制電路的設(shè)計(jì) 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，適應(yīng)各類 開關(guān)電源的控制集成電路功能不斷完善，集成化水平不斷提高，外接元件越來越少，使得開關(guān)電源的研制生產(chǎn)日益簡化，成本日益降低，集成控制芯片種類繁多， 20 這里重點(diǎn)介紹本系統(tǒng)所應(yīng)用的主控制芯片 電壓型脈寬調(diào)整控制器TL494，電路圖如圖 所示 。 圖 TL494控制電路圖 電壓型脈寬調(diào)整控 制器 TL494 最高工作頻率 300KHz， 可單 端輸出，也可推挽輸出。它包含了開關(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、全橋式開關(guān)電源。 TL494 有 SO16和 PDIP16 兩種封裝形式，以適應(yīng)不同場合的要求 [10]。其主要特性如下： 1)集成了全部的脈寬調(diào)制電路 ； 2)片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩個（一個電阻和一個電容） ； 3)內(nèi)置誤差放大器 ； 4)內(nèi)止 5V 參考基準(zhǔn)電壓源 ； 5)可調(diào)整死區(qū)時間 ； 6)內(nèi)置功率晶體管可提供 500mA 的驅(qū)動能力。 21 TL494 芯片管腳定義 TL494 是 16 腳芯片 ，它的 管腳排列如圖 所示 。 圖 TL494管腳圖 1 腳 /同相輸入：誤差放大器 1 同相輸入端 。 2 腳 /反相輸 入：誤差放大器 1 反相輸入端 。 3 腳 /補(bǔ)償 /PWM 比較輸入：接 RC 網(wǎng)絡(luò)，以提高穩(wěn)定性 。 4 腳 /死區(qū)時間控制：輸入 04VDC 電壓，控制占空比在 045%之間變化。同時該因腳也可以作為軟啟動端，使脈寬在啟動時逐步上升到預(yù)定值 。 5 腳 /CT：振蕩器外接定時電 容 。 6 腳 /RT：振蕩器外接定時電 阻 。振蕩頻率： f=。 7 腳 /GND：電源地。 8 腳 /C1：輸出 1 集電
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