【文章內(nèi)容簡介】 ② 升壓（ BOOST）變換器 此 電路 結(jié)構(gòu) 是在 開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)向電感充電，在開關(guān)管截止時(shí)由 電源和 電感 以及 電容向負(fù)載供電， 實(shí)現(xiàn)升壓并 穩(wěn)定 輸出電壓 。 和降壓變換器一樣，在 直流變換電路的輸出和輸入的電壓 差值在 3 倍以內(nèi)才有好的效率。差值越大，效率越低。 ③ 單端正激變換器（ FORWARD） 這種電路是 脈沖變壓器的原 /副 邊相位 相同 ，在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖 驅(qū)動(dòng) 變壓器原邊時(shí)，變壓器副邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。 優(yōu)點(diǎn)：銅損耗底 ， 紋波電壓和電流小。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁 共 49 頁 缺點(diǎn)： 電感器飽和 、 線路復(fù)雜 、 效率低 、 輸出電壓不夠穩(wěn)定。 單端正激變換器適合用于低壓、大電流、功率較大的場合。 當(dāng)需要有多臺(tái)并聯(lián)工作時(shí)，需要均 衡電路 。 ④ 單端反激變換器（ FLYBACK） 單端 ——指高頻變壓 器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè) 。 反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原 副 邊相位 相反 ， 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖 驅(qū)動(dòng) 變壓器原邊時(shí)，變壓器副邊不對(duì)負(fù)載供電，即原 /副 邊交錯(cuò)通斷 ， 脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決 。 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高、電路簡單、適用于多組輸出要求、多臺(tái)并聯(lián)工作容易、可以自動(dòng)均衡、輸入電壓在很大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍有較穩(wěn)定輸出。 缺點(diǎn)：輸出電壓中存在較大紋波、負(fù)載調(diào)整精度不高、 適用于相對(duì)固定的負(fù)載 、 輸出功率受到限制，通常應(yīng)用于 150W 以下 。 ⑤ 推挽變換器（ PUSHPULL） 這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。 優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高（與單端電路相比）、電源電壓利用率高（與后面要敘述的半橋電路相比）、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅(qū)動(dòng)電路簡單。 缺點(diǎn)：變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高（至少是電源電壓的兩倍）。 ⑥ 全橋式 （ BRIDGE） 這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊。兩 對(duì)開關(guān)管輪流 導(dǎo) 通 和關(guān) 斷，在變壓器原邊線圈中形成正 /負(fù)交變的脈沖電流。 主要優(yōu)點(diǎn)：與推挽結(jié)構(gòu)相比，原邊繞組減少了一半，開關(guān)管耐壓降低一半。 主要缺點(diǎn)：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在 1KW 以上超大功率開關(guān)電源電路中。 ⑦ 半橋式（ HALFBRIDGE） 電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式，只是把其中的兩只開關(guān)管換成了兩只等值大電容。 此電路 具有一定的抗不平衡能力，對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格；適應(yīng)的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以；開關(guān)管耐壓要求較低；電路成本比 全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的 DC 變換器，如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。 IC 的選擇 （ 1）利用三級(jí)管和電阻電容的組合的 自激式 電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的導(dǎo)通與截止， 無須外加信號(hào)源能自行振蕩 ， 這是一種利用間歇震蕩電路組成的開關(guān)電源，目前也應(yīng)用較為廣泛。 這對(duì) 外部維持振蕩 電路的技術(shù)要求較高，調(diào)試較為困難。 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 共 49 頁 （ 2） 根據(jù)激勵(lì)信號(hào)結(jié)構(gòu)分類；可分為 脈沖 調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號(hào)的寬度 ，脈沖調(diào)幅控制信號(hào)的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。 ① 脈沖寬度調(diào)制 —— PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行 數(shù)模轉(zhuǎn)換 。 用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。 讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲 強(qiáng)度 只有在足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào) 還原為模擬形式。 PWM 特有的 經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng) 等特性 ， 成為 在許多 開關(guān)電源 設(shè)計(jì) 中使用的有效技術(shù)，也在現(xiàn)在的開關(guān)電源 行業(yè) 中 被 廣泛應(yīng)用。 ② 脈沖幅度調(diào)制 脈沖幅度調(diào)制 (PAM)是信號(hào)調(diào)制的形式，在其中數(shù)據(jù)被解碼為一序列或行列振幅，由規(guī)則的周期信號(hào)脈沖組成的。 脈沖幅度調(diào)制的理論基礎(chǔ)是抽樣定理。 它是用一個(gè)周期矩形脈沖信號(hào)去對(duì)一個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行抽 樣。 我們知道，抽樣定理是用沖激信號(hào)抽樣而導(dǎo)出的，然而，這種沖激信號(hào)在實(shí)際中是不可能產(chǎn)生的 。 但是，只要我們用很窄的脈沖去代替沖激信號(hào)，我們 同樣可以利用抽樣定理去分析問題。 脈沖幅度調(diào)制 需要數(shù)模轉(zhuǎn)換才能對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行控制，它的抗干擾能力也不如PWM 強(qiáng)，在開關(guān)電源 這種有較強(qiáng)干擾的電路 中不被常用。 方 案總結(jié) 與確定 考慮 本設(shè)計(jì)是 在 90290V 大范圍 交流電壓輸入 時(shí)，仍有較穩(wěn)定的 5V 和 兩路電壓輸出 的要求。 追求電路結(jié)構(gòu)簡單和成本低，并 結(jié)合其轉(zhuǎn)換效率、 輸出 中小 功率、 多路輸出、能否自動(dòng)均衡等情況綜合考慮。由以上的方案對(duì)比可知，本設(shè)計(jì)選擇 開關(guān)電源成本低、高效率、電路簡單和容易得到多路輸出 的 單端反激變 換 器 結(jié)合 PWM 控制技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)本課題的要求。 3 反激 變換器的基本電路 開關(guān)電源基本原理 廣義地說，凡用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一形態(tài)的主電路都叫開關(guān)變換器電路，轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱開關(guān)電源。 開關(guān)電源就是通過 脈沖 電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的導(dǎo) 通與截止 。 將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓， 變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓 ， 經(jīng)整流濾波供給負(fù) XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 共 49 頁 載 ， 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路 ， 控制 PWM 占空比 ,以達(dá)到穩(wěn)定輸出 所需要的一組或多組電壓 。 轉(zhuǎn) 化 為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要 比 50HZ 高很多。 所以開關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)不是很熱 ， 成本很低 。 本課題設(shè)計(jì) 整體 電路框圖 如圖 所示。 圖 整體 電路框圖 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓， 該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸? 控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電 路。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。它們的功能是： （ 1） 輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、電器的開關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散。 （ 2） 輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓 。 （ 3） 變換器：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且 起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。 （ 4） 輸出整流 濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾。 （ 5） 控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 6） 保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)電源停防雷單元 EMI電路 整流 、 濾 波波 穩(wěn)壓環(huán)路 過 流保護(hù) 脈寬調(diào)制單元 輸出過壓保護(hù) 功率變換 5V 輸出 取樣 輸入過欠壓保護(hù)單元 整流濾波 交流輸入 過壓保護(hù) 過流保護(hù) BUCK輸出 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 共 49 頁 止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。 反激拓?fù)?基本電路 反激 電路 簡介 單端反激 變換器電路是 脈沖變壓器的原 副 邊 輪流工作 ，輸入輸出電氣隔離，能量由變壓器 傳送 。 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通 時(shí) ， 輸入電壓對(duì) 變壓器原邊 儲(chǔ)能，變壓器副 邊不對(duì)負(fù)載供電。當(dāng) 開關(guān)管 截止時(shí) ，變壓器原邊 不工作，副邊靠線圈感應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)原邊儲(chǔ)存的磁能向負(fù)載提供能量， 得到輸出電壓 。 反激電路 的工作原理 反激電路的 主回路結(jié)構(gòu)縮略圖如圖 2。 圖 主回路結(jié)構(gòu)圖 （ 1） 反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用 ,可以看作是一對(duì)相互耦合的電感 。其 工作過程 如下 : ① Q1 導(dǎo) 通后 ， D1 處于斷態(tài) ， 原邊 繞組的電流線性增長 ,電感儲(chǔ)能增加 。 ② Q1 截止 后 ,原邊 繞組的電流被切斷 ,變壓器中的磁場能量通過 副邊 繞組和 D1 向輸出端釋放 。 Q1 關(guān)斷后的電壓為 ： Us=Ui+Np*Uo/Ns （ 31） 式中 Us—— 原邊兩段的電壓 ； Ui—— 輸入直流電壓 ，圖 中 Ui=Vin； Np—— 原邊匝數(shù) ； Ns—— 副邊匝數(shù) ； Uo—— 輸出電壓 。 （ 2） 反激電路的工作模式 : ① 電流連續(xù)模式 :當(dāng) Q1 導(dǎo) 通時(shí) ,Ns 繞組中的電流尚未下降到零 。 輸出電壓關(guān)系 : T1v inD1Co RoC inQ1 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 共 49 頁 Uo/ Ui =Ns*ton/Np*toff （ 32） 式中 ton—— 開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 ； toff—— 開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間。 ② 電流斷續(xù)模式 :Q1 導(dǎo) 通前 ,Ns 繞組中的電流已經(jīng)下降到零 。 輸出電壓高于式 （ 32） 的計(jì)算值 ,并隨負(fù)載減小而升高 ,在負(fù)載為零的極限情況下 ,因此反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài) 。 （ 3） 反激電路波形 分析 反激電路的理想化波形如圖 。 圖 反激電路的理想化波形 圖 中 is—— 變壓器原邊電感的電流； VDi —— 二極管 D1 兩端的電流波形。 在開關(guān)管導(dǎo)通期間的變壓器原邊的電壓 Us=Vin，其相位 與開關(guān)管截止時(shí)的電壓相位相反 。 變壓器原邊電流 is 在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)線性 增 加 ,電感儲(chǔ)能增加 。 當(dāng)開關(guān)管截止的時(shí)候，變壓器原邊電壓 值為式（ ）。 整流二極管兩端的電流線性下降。在實(shí)際電路中，變壓器原邊電壓和電流以及后級(jí)整流二極管的電流都會(huì)在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻出現(xiàn)尖峰，這也就需要增加緩沖和吸收電路。 4 變壓器的設(shè)計(jì) 反激 變壓器的基礎(chǔ)知識(shí) 反激式電源變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一是變壓器的設(shè)計(jì)。在此所說的變壓器不是真正意義上的變壓器，而更多的是一個(gè)能量存儲(chǔ)裝置。在變壓器初級(jí)導(dǎo)通期間能量存儲(chǔ)在磁芯的氣隙中，關(guān)斷期間存儲(chǔ)的能量被傳送給輸出。初次級(jí)的電流不是同時(shí)流動(dòng)的，因 XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁 共 49 頁 此它更多的被認(rèn)為是一個(gè)帶有次級(jí)繞組的電感。 反激 變壓器的設(shè)計(jì)是反激 變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷮挘诜醇ぷ儞Q器中，一般存在以下兩種工作方式。 （ 1）完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流不連續(xù)方式）：在儲(chǔ)能周期（ ont ）中，變壓器中儲(chǔ)存的所有能量在反激周期（ offt ）中都轉(zhuǎn)移到輸出端。 （ 2）不完全能量轉(zhuǎn)換（電感電流連續(xù)方式）：儲(chǔ)存在變壓器中的一部分能量在 offt末保留到下一個(gè) ont 的開始。 這兩種方式的小信號(hào)傳遞函數(shù)是極不相同的動(dòng)態(tài)分析時(shí)要做不同的處理；在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)變壓器輸入電壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化，或 /和負(fù)載電流在交大范圍內(nèi)變化時(shí)，必然要跨越著這兩中工作方式 。特別是在低電壓輸入，滿負(fù)載條件下變壓器會(huì)工作在連續(xù)電流模式（ CCM），而在高低壓輸入，輕負(fù)載條件下變壓器又會(huì)工作在不連續(xù)電流模式（ DCM）；如果反激變換器的設(shè)計(jì)均按完全能量傳遞方式（ DCM 模式）或臨界模式來計(jì)算，這樣的設(shè)計(jì)將無法 真是反映變壓器的實(shí)際工作模式，這時(shí)變壓器的工作狀態(tài)可能不是最佳， 這就對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)提出更高的要求。 正因?yàn)槿绱?，反激式變壓器設(shè)