【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 線性電源的缺點(diǎn)，具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過(guò)控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓，功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以功耗小，效率高達(dá)70%95%。同時(shí)。開關(guān)電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流，濾波、調(diào)整，然后由開關(guān)管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要工頻變壓器，對(duì)于離線式開關(guān)電源，起隔離和電壓變換作用的變壓器是高頻變壓器，其工作頻率多為20KHz以上，因此其重量輕、體積小，從而使整個(gè)電源的體積大為縮小，重量也大為減輕。 ，其中，DCDC變換器用以進(jìn)行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電阻檢測(cè)輸出電壓的變化，并與基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。3. 2主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)3. 2. 1常用拓補(bǔ)結(jié)構(gòu) 開關(guān)變換器的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的不同配置。開關(guān)變換器拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型，非隔離型和隔離型。 非隔離型電路即各種直流斬波電路，根據(jù)電路形式的不同，可以分為降壓型(Buck)電路、升壓型( Boost)電路、升降壓(BuckBoost)型電路、Cuk型電路。降壓型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)大，輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。升壓型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。升降壓型電路能升壓也能降壓，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，輸出與輸入極性相反，輸入輸出電流脈動(dòng)小，不能空載工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[t2}10 隔離型電路指輸入與輸出側(cè)通過(guò)一高頻變壓器隔離，可實(shí)現(xiàn)多路輸出，常用的有正激式、反激式、推挽式、半橋和全橋。正激型電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但變壓器單向勵(lì)磁，利用率低，適用于各種中小功率開關(guān)電源。反激型電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但難以達(dá)到較大的功率，適用于小功率場(chǎng)合。全橋型電路中變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到較大功率，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路，有直通和偏磁問(wèn)題，適用于大功率工業(yè)開關(guān)電源、焊接電源、電解電源等。半橋型電源變壓器處于雙向勵(lì)磁狀態(tài)，無(wú)偏磁問(wèn)題，開關(guān)較少，成本低，但存在直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路，適用于各種工業(yè)開關(guān)電源、計(jì)算機(jī)用開關(guān)電源等。推挽型電源變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次電流回路只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，但存在偏磁問(wèn)題，是其致命缺點(diǎn)，適用于低輸入電壓的開關(guān)電源。 由于本電源功率不高，屬中小功率，可采用單管正激電路作為主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。正激變換器的優(yōu)點(diǎn)是銅損較低，變壓器溫升較小，輸出紋波電流小，紋波電壓小，開關(guān)管的峰值電流較低，缺點(diǎn)是副邊輸出端須加一假負(fù)載，以保證電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，一定程度上影響了效率. 。TR為變壓器，純粹起變壓作用，Q為開關(guān)管，R為負(fù)載，輸出電感L為能量?jī)?chǔ)存及傳遞元件，Dz為導(dǎo)向二級(jí)管，D3為續(xù)流二極管。變壓器的另一繞組與二極管D、串聯(lián)后接至VB，這個(gè)繞組主要起去磁復(fù)位作用。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量由輸入側(cè)向輸出側(cè)傳遞，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管D3和儲(chǔ)能元件L構(gòu)成放能回路，繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，功導(dǎo)通，D，反向截止，輸出電感L內(nèi)的電流將線性增加，增量為: 其中，二為變壓器匝比，Vg為輸入電壓，V為輸出電壓，DT為導(dǎo)通時(shí)間。 開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，D2受反壓截止，續(xù)流二極管D3導(dǎo)通，L通過(guò)續(xù)流二極管D3構(gòu)成放電回路，如果忽略壓降，則電感L上的電壓等于輸出電壓，電流直線下降，下降量為:穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩者相等，所以正激變換器輸出電壓: 當(dāng)電感L較小，負(fù)載電阻較大，或Tx較大時(shí)，將出現(xiàn)電感電流己下降到。，新的周期卻尚未開始的情況，在新周期，電感電流從fl開始線性增加，這種工作方式稱電感電流不連續(xù)的模式。由于變換器工作在不連續(xù)工作狀態(tài)模型時(shí)，功率開關(guān)管和續(xù)流二極管會(huì)有較高的峰值電壓和電流，所以應(yīng)盡量避免不連續(xù)工作狀態(tài)，這就需要儲(chǔ)能電感有足夠的容量。電感電流波形斜坡中點(diǎn)的電流值就是直流輸出電流，隨著輸出負(fù)載電流的改變，電感電流斜坡中點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化，但斜坡的斜率不變，如果負(fù)載電流逐步降低，使電感電流的最小值剛好為fl時(shí)，即定義為臨界電流，此時(shí)的直流輸出電流等于斜坡幅值的一半，即:從為通常意義上的紋波電流，一般為最大直流輸出電流的10%^20%，設(shè)計(jì)紋波電流不應(yīng)過(guò)大，以免增加流過(guò)儲(chǔ)能電感和開關(guān)器件的峰值電流，從而增加它們的體積和成本，與直流電流相比，紋波電流要小得多。 設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電感時(shí)，應(yīng)使穩(wěn)定工作時(shí)電路工作于此臨界電流之上，即有:此圖是整流電路，220V輸入，整流為300V電源用以給開關(guān)電源供電。其中J1為電源接頭，QF1是空氣開關(guān)，F(xiàn)1為熔斷器，F(xiàn)2為自恢復(fù)斷路器，L2，L3為扼流線圈，防止瞬時(shí)高壓脈沖，D2為正六千，電容C3，C4，C15，C16為穩(wěn)壓電容。開關(guān)電源總體電路如圖所示，T1是變壓器，P1是霍爾電壓傳感器，U1是光耦用來(lái)隔離高低壓，UC3842用于開關(guān)電源的PWM波形的產(chǎn)生，穩(wěn)壓芯片TL431調(diào)節(jié)電壓，R17是調(diào)節(jié)旋鈕。具體功能在下面介紹元器件是介紹。3. 3磁性元件設(shè)計(jì)3. 3. t磁性材料和結(jié)構(gòu) 開關(guān)電源中的磁性元件常用的材料是軟磁材料。軟磁材料指的是剩磁和矯頑力均很小的鐵磁材料，特點(diǎn)是易磁化、易去磁且磁滯回線較窄。軟磁材料按照主要成分、磁性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類，大致可分為三類:(1)金屬磁芯:硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金。除非晶及納米晶合金外，這類材料常用在頻率低于30KHz的場(chǎng)合，因而在開關(guān)電源中用得較少。 (2)磁粉芯:磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料，一方面可以隔絕渦流，故適用于較高頻率，另一方面，材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性，直流電流疊加性能好，主要用于高頻電感。常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。 (3)鐵氧體磁芯:鐵氧體是復(fù)合氧化物燒結(jié)體，有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、銅鎂鋅鐵氧體等幾類，其中錳鋅鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大。鐵氧體在應(yīng)用上很方便，而且電阻率遠(yuǎn)大于金屬磁性材料，可抑制渦流的產(chǎn)生，磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在t SOKHz以下基本保持不變。此外，鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。隨頻率增大，損耗上升不大，隨溫度提高，損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因數(shù)校正電路。 磁芯的基本結(jié)構(gòu)有:(1)疊片型:通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成E, I, F, 0等形狀，疊成一個(gè)鐵心。 （2）環(huán)形鐵芯:由a型薄片疊成，也可由窄長(zhǎng)的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成，此形鐵芯繞線困難。 (3) C形鐵芯:此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點(diǎn)，由兩個(gè)C形鐵芯對(duì)接而成，因此可用機(jī)械繞線，線圈可填滿整個(gè)窗口。 (4)罐形鐵芯(POT):它是磁芯在外，銅線圈在里，免去了環(huán)形線圈繞線不便的一種結(jié)構(gòu)形式，可以減少EMI。 高頻變壓器在開關(guān)電源中起著重要的作用，它的主要目的是傳輸功率，實(shí)現(xiàn)輸入輸出兩側(cè)的電氣隔離。同時(shí)，可通過(guò)改變初次級(jí)的匝比來(lái)改變輸出電壓，也可增加匝數(shù)不同的次級(jí)，以達(dá)到獲得多輸出的目的。對(duì)功率變壓器的要求主要有以下幾個(gè)方面: (1)漏感要小。功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電壓尖峰的大小和集電極電路配置、電路關(guān)斷條件以及漏感大小因素有關(guān)，僅就變壓器而言，減小漏感是十分重要的。 (2)避免瞬態(tài)飽和。對(duì)于高頻變壓器而言如果工作磁通密度選擇較大，在通電瞬，高頻變壓器的飽和即使是很短的幾個(gè)周期，也會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)管的損壞，因此有必要合理設(shè)計(jì)變壓器工作的磁通范圍，避免瞬態(tài)飽和. (3)考慮溫度影響。開關(guān)電源的工作頻率較高，要求磁芯材料在工作頻率下的功率損耗盡可能小，隨著工作溫度的升高，飽和磁通密度的降低應(yīng)盡量小。在設(shè)計(jì)和選用磁芯材料時(shí)，除了關(guān)心其飽和磁通密度、損耗等常規(guī)參數(shù)外，還應(yīng)特別注意它的溫度特性。 (4)合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)上看，要保證變壓器的漏磁小，減小繞組的漏感。便于繞制，引出線及變壓器安裝要方便。便于散熱。 開關(guān)電源的輸入為交流電220V士20%}輸出電壓為5}30V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大值為SA，功率為150W。磁芯材料選擇廣泛應(yīng)用的錳鋅鐵氧體，具體選擇南京新康達(dá)的功率鐵氧體LP3(相當(dāng)于國(guó)外的PC40)磁芯。這種磁芯適用于中高頻段，在適用頻段內(nèi)磁芯損耗低，磁通密度高，且損耗呈負(fù)溫度系數(shù)，可有效降低變壓器溫升。LP3的特性參數(shù)為:磁導(dǎo)率：飽和磁通：功率密度:采用面積乘積(AP)法設(shè)計(jì)變壓器。 式中，君為視在功率，取370W。凡為工作磁通密度，取125 mT。關(guān)為工作頻率，取45KHz。 K f為波形系數(shù)，方波取4: K}為變壓器銅窗占用系數(shù)。 .I為電流密度，取400A/c擴(kuò)，故AP= cm4，查磁芯參數(shù)，據(jù)此選用磁芯結(jié)構(gòu)為EE42121/20，即EE42A，它的各項(xiàng)參數(shù)為: 磁芯有效截面積 磁芯窗口面積 每平方匝電感量(1)計(jì)算初次級(jí)匝比 式中，YMc,},)為初級(jí)最小輸入電壓，氣為最大占空比，設(shè)為45%，為輸出電壓，為輸出端整流二極管壓降，求得n}3，%。（2）計(jì)算原邊、副邊及復(fù)位繞組匝數(shù) 原邊匝數(shù):其中為導(dǎo)通時(shí)間，為工作磁通范圍，即磁感應(yīng)擺幅，為250mT副邊匝數(shù):輔助電源為20V，故輔助電源匝數(shù)為3a復(fù)位繞組匝數(shù):凡二凡二36 e當(dāng)輸出SV時(shí)，%0驗(yàn)證0B的合理性，當(dāng)凡為36匝時(shí)，aB39。=244mT.飽和磁通B。 =299mT390mT，滿足EE42A磁芯的工作要求，磁芯不會(huì)飽和。(3)計(jì)算線徑[1]初級(jí)線徑初級(jí)電流,則初級(jí)電流有效值為，電流密度J為400A/cm2，故初級(jí)線徑。[2]次級(jí)線徑輸出電流，有效值,次級(jí)線徑。[3]去磁繞組線徑去磁繞組電感，磁化電流,去磁繞組線徑[4]輔助繞組線徑[5]考慮趨膚效應(yīng)導(dǎo)線中流過(guò)高頻電流時(shí)，主電流和渦流之和在導(dǎo)線表面加強(qiáng)，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨于導(dǎo)體表面，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線中的電流密度從導(dǎo)線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降，導(dǎo)線的有效截面減小而電阻加大，銅耗加大，效率降低。因此，在計(jì)算變壓器各繞組線徑時(shí)有必要考慮趨膚效應(yīng)的影響。定義趨膚深度為電流只在導(dǎo)線表層流過(guò)時(shí)其表層的厚度，用4表示，它與頻率的平方根成反比。 其中，f是工作頻率，是與物質(zhì)和溫度有關(guān)的常數(shù)，對(duì)銅來(lái)說(shuō)，20℃時(shí)，,100℃時(shí)，,當(dāng)導(dǎo)線直徑大于2倍趨膚深度時(shí)，應(yīng)盡可能采用多股導(dǎo)線并饒，當(dāng)采用n股導(dǎo)線并饒時(shí)，每股導(dǎo)線的直徑為，考慮趨膚效應(yīng)后各線徑的取值分別為: 初級(jí)繞組:36匝，, 4股并繞 次級(jí)繞組:12匝，, 4股并繞 復(fù)位繞組:36匝， 輔助電源繞組:3匝， 為了減小漏感，初級(jí)繞組和復(fù)位繞組采用間隔密繞。(4)估算損耗、溫升 變壓器損耗是開關(guān)電源損耗的重要組成部分，主要包括銅損和鐵損兩部分，而變壓器損耗使得線圈與磁芯溫度升高，溫升又使損耗進(jìn)一步增加，如此惡性循環(huán)將導(dǎo)致變壓器損壞，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須限制溫升在一個(gè)可接受的范圍。[1]銅損 銅損由繞線電阻造成，包括低頻損耗和高頻損耗，低頻損耗很容易計(jì)算，也比較容易解決，通過(guò)增大導(dǎo)體截面積以減小直流電阻即可降低損耗，高頻損耗由渦流損耗、趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)造成，很難精確確定。近似計(jì)算時(shí)，采用如下公式: 上式以2倍原邊銅損為估算基準(zhǔn)，其中，為線圈平均匝長(zhǎng)，, X為100℃時(shí)的單位銅阻，對(duì)的導(dǎo)線，, 4股并繞，X39。=。[2]鐵損 鐵損指的是和變壓器材料、形狀、工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)的高頻轉(zhuǎn)換損耗，主要是由磁滯和渦流造成的鐵芯損耗。磁滯損耗正比于頻率和磁感應(yīng)擺幅e8 ,渦流損耗與每匝伏特?cái)?shù)和占空比有關(guān)，而與頻率無(wú)關(guān)，即渦流損耗與磁通變化率成正比?？赏ㄟ^(guò)下式估算鐵芯損耗: 為磁芯單位體積損耗，為磁芯體積。[3]溫升 $4W。溫升，根據(jù)估算結(jié)果，變壓器溫升比較低，在允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)通過(guò)。 在正激式開關(guān)電源中，輸出濾波電感是能量?jī)?chǔ)存元件。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在電感內(nèi)，開關(guān)關(guān)斷時(shí)，由電感向負(fù)載繼續(xù)提供能量。在電氣上的作用就是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。 濾波電感通常使用鋁坡莫合金(MPP)磁環(huán)，MPP有許多優(yōu)異的性能，包括高電阻率、低渦流損耗，在直流磁場(chǎng)下電感穩(wěn)定性好。下面介紹MPP電感的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。(1)確定磁環(huán)型號(hào) 首先由下式確定輸出電感的電感值: 其中，為輸出電流的紋波系數(shù)，,分別為輸出電壓、電流，其他量同上。 這個(gè)值是電感的最小值，若低于這個(gè)值，在輸出端流過(guò)最小額定負(fù)載電流時(shí)，電感電流會(huì)發(fā)生斷續(xù)。 對(duì)鑰坡莫合金來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)計(jì)算存儲(chǔ)在磁芯中的能量平均值來(lái)估算所需要的磁芯尺寸，有LI=，對(duì)照Magneties公司的曲線圖，考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，找到相?yīng)的磁芯型號(hào)55076。它的外徑D=，內(nèi)徑d=,高=。(2)計(jì)算繞組匝數(shù) 55076的每千匝電感量為56士8%mH/1000N， mH/。下面計(jì)算繞組匝數(shù):此時(shí)的直流偏置磁場(chǎng)為 式中，N為線圈匝數(shù)，為輸出電流，磁環(huán)磁路長(zhǎng)度。 ，在該直流偏置磁場(chǎng)作用下，磁芯的磁導(dǎo)率將下降72%，從而導(dǎo)致線圈的飽和磁通下降，容易進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，電感量也將下降，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決這一問(wèn)題，可增加繞組的匝數(shù):N39。 =N/72%=125匝(3)計(jì)算裸線面積首先計(jì)算流過(guò)線圈的峰值電流，其值等于直流輸出電流與紋波電流的二分之一之和，即 乙根據(jù)峰值電流確定線圈繞組的截面積，有對(duì)照漆包線參數(shù)表，選擇AWG