【文章內(nèi)容簡介】 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 的開關(guān)電源，選擇反激 式電路拓?fù)浼捶桨付潜容^好的。 12 PWM 開關(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 開關(guān) 電源。這種開關(guān)電源可用于 AV85～ 240V 輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(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 開關(guān)電源 過電壓抑制器 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，這已引起國內(nèi)外電子界的高度重視。 電磁干擾濾波器（ EMI Filter）是近年來被推廣應(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)量儀器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(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)電感流過的是相對(duì)較大的直流電流， 并且要防止高頻開關(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，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 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，從外面引入的傳導(dǎo) EMI 會(huì)干擾開關(guān)電源的工作。相反，開關(guān)電源里面的長導(dǎo) 線也會(huì)產(chǎn)生 RFI（射頻干擾），并向外發(fā)射，這樣無法通過電源 EMI 檢測(cè)。 15 浪涌抑制部分 PWM 開關(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 和串連阻抗來防止超過 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，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說明。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 ?t=?/2 時(shí)，正弦 18 PWM 開關(guān)電源 曲線下降的速率很慢。所以剛過 ?t=??/2 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。在超過 ?t=?/2 后 的某個(gè)點(diǎn)，正弦曲線下降的速 率越來越快，當(dāng)剛超過指數(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 過程見圖 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，都是通過電磁感應(yīng)來傳輸能 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