【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 50～ 1000 有 73 總結(jié)上面各個(gè)電路的拓?fù)涞谋容^，如果設(shè)計(jì)一個(gè) 65W 的開(kāi)關(guān)電源，選擇反激 式電路拓?fù)浼捶桨付潜容^好的。 12 PWM 開(kāi)關(guān)電源 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在本文中，是設(shè)計(jì)一個(gè) 65W 通用交流輸入多路輸出反激式變壓器的 PWM 開(kāi)關(guān) 電源。這種開(kāi)關(guān)電源可用于 AV85～ 240V 輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開(kāi)關(guān)電 源可以提供 25～ 150W 的輸出功率，可以用在辦公室小型分組交 換機(jī)（ PBX）等產(chǎn) 品中。 技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓范圍： AC90～ 240V， 50/60Hz。 輸出： DC+5V，額定電流 1A，最小電流 750mA DC+12V，額定電流 1A， 最小電流 100mA DC－ 12V，額定電流 1A，最小電流 100mA DC+24V，額定電流 1A，最小電流 輸出電壓紋波： +5V， +12V：最大 100mV（峰峰值） +24V：最大 250mV（峰峰值） 輸出精度： +5V， 177。12V：最大 177。5% +24V：最大 177。10% 低電壓輸入限制：該電源產(chǎn)品允許最低輸入電壓為 AC85（ 1177。5%） V 微處理器掉電信號(hào)：該電源系統(tǒng)在 +5V 輸出端電壓低于 （ 1177。5%） V 時(shí)， 提供一個(gè)集電極輸出開(kāi)路的信號(hào)。 輸入整流器 /濾波器部分的設(shè)計(jì) 輸入整流器 /濾波 器電路在開(kāi)關(guān)電源中不被人重視。典型的輸入整流器 /濾波 器電流由三到四個(gè)部分組成： EMI 濾波器、浪涌抑制器、整流級(jí)（離線應(yīng)用場(chǎng)合） 和輸入濾波電容。許多交流輸入離線式電源要求有功率因數(shù)校正（ PFC）。其電路 圖如圖 4－ 2。 13 H1 AC H2 GND EMI濾波器 PWM 開(kāi)關(guān)電源 過(guò)電壓抑制器 整流器 + EMI 濾波器 圖 4－ 2 輸入整流濾波電路 隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)與家用電器的大量涌現(xiàn)和廣泛普及，電網(wǎng)噪聲干 擾日益嚴(yán)重并形成一種公害。特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、 電壓振幅度高（幾百伏至幾千伏）、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干 擾，常使人防不勝防，這已引起國(guó)內(nèi)外電子界的高度重視。 電磁干擾濾波器（ EMI Filter）是近年來(lái)被推廣應(yīng)用的一種 新型組合器件。 它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛 用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。 輸入濾波的前級(jí)是 EMI 濾波器。這個(gè)電感流過(guò)的是相對(duì)較大的直流電流， 并且要防止高頻開(kāi)關(guān)噪聲進(jìn)入輸入電源端。在交流離線應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用共模扼 流圈，在本設(shè)計(jì)中， EMI 濾波器選用二階共模濾波器。 EMI 濾波器的主要作用是 濾除開(kāi)關(guān)噪聲和由輸入線引起的諧波。 1 基本電路及其典型應(yīng)用 14 PWM 開(kāi)關(guān)電源 該五端器件有兩個(gè)輸入端、兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，使用時(shí)外殼應(yīng)接通 大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感） L、濾波電容 C1～ C4。 L 對(duì)串模 干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合 后總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過(guò)，故稱作 共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當(dāng)有電 流通過(guò)時(shí)，兩個(gè)線圈上的磁場(chǎng)就會(huì)互相加強(qiáng)。 L 的電感量與 EMI 濾波器的額定電 流 I 有關(guān)。需要指出，當(dāng)額定電流較大時(shí)，共模扼流圈的線徑也要相應(yīng)增大，以 便能承受較大的電流。此外，適當(dāng)增加電感量， 可改善低頻衰減特性。 C1 和 C2 采用薄膜電容器，容量范圍大致是 ～ F,主要用來(lái)濾除串模干 擾。 C3 和 C4 跨接在輸出端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效地抑制共模干擾。 C3 和 C4 亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是 2200pF～ F。為 減小漏電流，電容量不得超過(guò) F，并且電容器中點(diǎn)應(yīng)與大地 接通。 C1～ C4 的耐壓值均為 630VDC 或 250VAC。 還有 EMI 濾波器要盡可能靠近電源里的供電線輸入端。如果濾波器前的線太 長(zhǎng)，從外面引入的傳導(dǎo) EMI 會(huì)干擾開(kāi)關(guān)電源的工作。相反，開(kāi)關(guān)電源里面的長(zhǎng)導(dǎo) 線也會(huì)產(chǎn)生 RFI（射頻干擾），并向外發(fā)射，這樣無(wú)法通過(guò)電源 EMI 檢測(cè)。 15 浪涌抑制部分 PWM 開(kāi)關(guān)電源 浪涌抑制部分要放在 EMI 濾波電感后，但在整流（離線式）和輸入濾波電 容（直流輸入）前。所有浪涌抑制器都要用 EMI 濾波電感 和串連阻抗來(lái)防止超過(guò) 它們額定的瞬時(shí)能量。 EMI 電感極大地減少了瞬時(shí)電壓峰值，并在時(shí)間上把它延 長(zhǎng)，這樣提高了抑制器的工作壽命。但是，不同的浪涌抑制器技術(shù)所串連的內(nèi)部 電阻特性也不一樣。 浪涌電壓抑制器件基本上可以分為兩大類。第一種類為橇棒（ Crowbar）器 件，另一類為箝位保護(hù)器，即保護(hù)器件在擊穿后，其兩端電壓維持在擊穿電壓上 不再上升，以箝位的方式起到保護(hù)作用。常用的箝位保護(hù)器是氧化鋅壓敏電阻 ＭＯＶ，瞬態(tài)電壓抑制器（ＴＶＳ）等。在本文中，選擇的是 金屬氧化物變阻器 （ MOV），發(fā)生浪涌 時(shí)，抑制器的電阻會(huì)影響到加在它上面的額外電壓。 單相橋式整流電路和電容濾波電路 單相橋式式整流電路適用與 1KW 以下的整流電路中。完成這一電路主要是靠 二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。 (a) 工作原理 單相橋式整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，因?yàn)槭怯伤闹徽? 二極管 D1～ D4 接成電橋的形式，所以稱為橋式整流電路。如圖 1（ a）所示。 為了更清楚的解釋其工作原理，我將橋式整流電路的輸出直接接一 個(gè)負(fù)載。 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)? 電性。根據(jù)圖 1（ a）的電路圖可知： 16 PWM 開(kāi)關(guān)電源 （ a）橋式整流電路 （ b）波形圖 圖 1 單相橋式整流電路 當(dāng)正半周時(shí)，二極管 D D3導(dǎo)通，在負(fù)載 電阻上得到正弦波的正半周。電流由 TR 次級(jí)上 端經(jīng) D1→ R L → D3 回到 TR 次級(jí)下端，在負(fù)載 RL 上得到一 半波整流電壓。如圖 4 當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管 D D4導(dǎo)通，在負(fù)載 電阻上得到正弦波的負(fù)半周。電流由 Tr 次級(jí)的 下端經(jīng) D2→ R L →D4 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。單相橋式整流 電路的波形圖見(jiàn)圖 1（ b）。 參數(shù)計(jì)算 根據(jù)圖 1（ b）可知，輸出電壓是單相脈動(dòng) 電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸 出平均電壓為 : 17 PWM 開(kāi)關(guān)電源 二級(jí)管的選擇應(yīng)主要考慮以上兩個(gè)因素。在這次設(shè)計(jì)中，我選用 的是二級(jí)管 IN4004。 2 電容濾波電路 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器 C 對(duì)直 流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以 C 應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保 留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路 的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。 (a) 電容濾波電路結(jié)構(gòu) 現(xiàn)結(jié)合單相橋式整流和電容濾波電路為例來(lái)說(shuō)明。電容濾波電路如圖 2 所示， 在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。 圖 2 電容濾波電路 (b) 濾波原理 若 V2處于正半周，二極管 D D3導(dǎo)通，變壓器次端電壓 V2給電容器 C 充電。 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。 當(dāng) v2到達(dá) ?t=??/2 時(shí)，開(kāi)始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容 C 就要以指數(shù)規(guī) 律向負(fù)載Ｒ L放電。指數(shù)放電起始點(diǎn)的放電速率很大。在剛過(guò) ?t=?/2 時(shí)，正弦 18 PWM 開(kāi)關(guān)電源 曲線下降的速率很慢。所以剛過(guò) ?t=??/2 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過(guò) ?t=?/2 后 的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速 率越來(lái)越快，當(dāng)剛超過(guò)指數(shù)曲線起始放電速率時(shí)， 二極管關(guān)斷。所以在 t2到 t3時(shí)刻，二極管導(dǎo)電，Ｃ充電， Vi=Vo按正弦規(guī)律變化； t1到 t2時(shí)刻二極管關(guān)斷， Vi=Vo按指數(shù)曲線下降，放電時(shí)間常數(shù)為 RLC。電容濾波 過(guò)程見(jiàn)圖 3。 圖 3 電容濾波電路波形 (c) 外特性 整流濾波電路中，輸出直流電壓 VO隨負(fù)載電流 IO的變化關(guān)系曲線如圖 4 所 示。 圖 4 電容濾波外特性曲線 (d) 電容濾波電路參數(shù)的 計(jì)算 負(fù)載平均電壓 VL升高，紋波減少，且 RLC 越大，電容放電速率越慢，則負(fù)載 電壓中的紋波成分越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般?。? 19 PWM 開(kāi)關(guān)電源 在本設(shè)計(jì)中，我采用 AD250V 的 100181。F 電容。 電容濾波電路的計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。一般常采用 以下近似估算法： RLC =（ 3?5） 的條件下，近似認(rèn)為 VO=。 變壓器 變壓器不論工作頻率高低，都是通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)傳輸能 量的。傳輸能量的 大小，與變壓器所用的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和工作頻率有關(guān)。如果傳輸?shù)哪芰繛槎? 值，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)哪芰靠梢陨伲? 則變壓器用的材料少，結(jié)構(gòu)尺寸小。用脈寬調(diào)制（ PWM）方式改變變壓器傳輸能 量和電壓大小，是一種外加控制方法。 使用條件包括兩方面內(nèi)容：可靠性和電磁兼容性。 可靠性是指在具體的使用條件下，高頻電源變壓器能正常工作到使用壽命為 止。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。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)。 電磁兼容性是指高頻電源變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾，又能承受外界 的電磁干擾。電磁干擾包括可聞的音頻噪聲和不可聞的高頻噪聲。高頻電源變壓 器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因之一是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮大的軟磁材料，產(chǎn) 生的電磁干擾大。屏蔽是防止電磁干擾，增加高頻電源變壓器電磁兼容性的好辦 法。但是為了阻止高頻電源變壓器的電磁干擾傳播，在磁芯結(jié)構(gòu)和繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 也采取了相應(yīng)的