【文章內(nèi)容簡介】 阻的電流與流過輸出濾波電感的電流成正比。從輸出采樣的電壓信號加到誤差放大器的反向輸入端，正相輸入端為基準電壓，其誤差經(jīng)放大后的電壓加到PWM比較器的反向端，當加在比較器正相端的正比于的電流取樣信號（三角波，其頻率決定開關頻率）升到時，比較器輸出端輸出一個正脈沖加至鎖存器的復位端，鎖存器的反向端輸出便使得開關管截止。當發(fā)生變化導致變化時，或變化導致變化時，便使比較器輸出脈沖相對于時鐘脈沖在時間上提前或滯后，從而改變開關管的占空比實現(xiàn)PWM 控制，達到穩(wěn)壓的目的。因此，變換器的內(nèi)環(huán)是一個恒流源。與電壓型控制相比，電流型控制有以下優(yōu)勢：（1）對輸入電壓變化的響應快；電網(wǎng)電壓的變化，必然會引起電流的變化，假設電壓升高，那么電流增長變快，反之則變慢。當電流脈沖達到預定的幅度，電流控制動作就會開始，控制脈寬發(fā)生變化來進行穩(wěn)壓。對于電壓型控制，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應，要等到電壓發(fā)生較大的變化后，才會進行處理，所以響應速度慢。（2）過流保護；由于采用了直接的電感電流峰值技術，它可以及時，準確的檢測輸出和開關管電流，自然形成了逐個電流脈沖檢測電路，通過給定一個參考電流，就可以準確的限制流過開關管的最大電流，當輸出超載或短路時，自動的保護電路，同時也可防止電網(wǎng)浪涌所產(chǎn)生的尖峰電流損壞電路器件，這樣設計電路時就不需要考慮留什么余量，能節(jié)省一些成本。（3）回路穩(wěn)定性好，負載響應快；電流型控制是一個輸出電壓控制的電流源，電流源的大小反映了輸出電流的大小。因為電感中電流脈沖的幅值與負載電流的平均值是成比例的，這樣電感的相位延遲就不存在了。 開關變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇開關電源的核心是高頻開關變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值,控制電路根據(jù)反饋電壓控制高頻開關管的導通時間（）與截止時間（），達到控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。開關電源的四中組態(tài)為：（1）Buck變換器；（2）Boost變換器；（3）BuckBoost變換器；（4）CUK變換器。這種開關型電源是直流供電，經(jīng)過開關電路得到單方向方波，再經(jīng)過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。當開關管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。當開關元件被控制截止時，由于電感上的電流不能跳變，儲存于電感中的能量繼續(xù)供給負載，此時，續(xù)流二極管正向?qū)ǎ瑯?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開關管和負載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關電源。 Buck變換器當開關管導通時，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負載電流Io，于是電容仍向負載供電，因此輸出電壓下降。當電感電流上升到等于Io時，電容停止向負載供電，此時輸出電壓達到最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開始充電，從最低值開始上升。當開關管截止時，電感上電流處于最大，此后電感上電流開始下降，但電流仍比Io大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓繼續(xù)上升。當電感電流下降到Io時，電容停止充電，此時電容上電壓達到最大值。隨著電感電流的下降，電容開始放電，由最大值逐漸開始下降。假設開關管的導通時間為,截止時間為,并且開關管和電感為理想元件，則,其中為開關的脈沖占空比。若開關管一直處于導通狀態(tài)，截止時間為零，則；若開關管一直截止，導通時間為零，則，隨著與的比例不同，輸出電壓為0—之間的各種值。下面具體分析該電路的工作過程：開關管導通時，發(fā)射極上的電壓為 (1)式為開關管飽和壓降，為輸入電壓，那么電感電壓為,為電感電流，則在經(jīng)歷以后，開關管截止，此時電感電流最大，電流值為 （2）式在這一瞬間，電感儲能為： ，輸入電壓通過電感對電容充電，充電的電量為 （3）式在此期間，輸入給電路提供的能量為 （4）式（4）式經(jīng)過變換得：/即是電感中儲存的磁能和電容儲存的電能?？梢?，輸入電能完全轉(zhuǎn)換為電路的能量，效率很高，正是開關電源的優(yōu)勢所在。當開關管截止后，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生感應電勢，使得續(xù)流二極管導通，電感通過電路向負載釋放能量，設二極管正向?qū)▔航禐椋鶕?jù)電路知識，可知電感上的電壓與輸出電壓、二極管壓降之間有這樣的關系：電感電流將從最大值一直減少為0，電感所儲存的磁能將轉(zhuǎn)化為電源的電能，假設磁能完全轉(zhuǎn)換為電能，那么可以通過下面的式子算出電感電流由最大值減為0的時間， (5)式開關管截止期間電容的充電量為 （6）式續(xù)流二極管的作用是使電感電流在開關管截止時能連續(xù)變化，這樣電感存儲的能量才能夠轉(zhuǎn)化為電容中儲存的電能。由此可見，如果要控制信號的每一個脈沖都能完全的工作，應有，也就是讓電感在導通期間存儲的能量，能在時間內(nèi)，完全釋放給電路。根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，對電容再次充電，那么輸入電能應等于導通時電容所充電能加上電感的磁能，即 （7）式代入（4）式得 （8）式可見，當導通時間越大或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當需要提高電源輸出功率時，可以提高開關管的工作頻率。升壓式開關電源的輸出電壓總是高于輸入電壓 Ui，并且極性是相同的。當開關管飽和導通時，電感進行儲能。當開關管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負載，同時對電容C充電。當負載電壓下降時，電容再次放電，這時可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。由于開關管和負載是并聯(lián)的，也稱它為并聯(lián)開關電源。 BuckBoost型變換器極性變換式電源輸出電壓與輸入電壓極性是相反的，輸出電壓的絕對值還要高于輸入電壓的絕對值，否則將和降壓式開關電源混淆，由此可見，極性變換式開關電源是上述降壓式和升壓式電源的綜合。當開關管導通時，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感進行儲能，二極管反向截止。晶體管截止時，電感上電流逐漸減小，感應電動勢使二極管導通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。當負載上的電壓要跌落時，電容再次給負載放電，這時可使輸出電壓高于輸入電壓。這4種開關電路有各自的特點，本次設計任務要求電源在3到12伏內(nèi)可調(diào)，所以采用降壓型開關變換電路，即Buck變換器，通過調(diào)制輸出占空比為0到90%的一系列脈沖，使電源在要求范圍內(nèi)可調(diào)。 開關電路器件參數(shù)選擇開關管是整個電源主要的工作器件，正確的選用，是電源成功制作的前提。首先，開關管的截止時間不宜過長，假如截止時間過長，當開關管的上一個控制脈沖已經(jīng)結(jié)束，而下一個控制脈沖已經(jīng)到來時，會造成開關管還沒有完全關斷，馬上就進入下一個導通周期，這樣開關管幾乎是一直在導通，開關完全失去控制，功耗和輸出電壓會迅速增加，造成電源的損壞。其次，開關的導通時間也不宜過長。當開關頻率較高時，開關管導通和截止的頻率頻繁，導通時間長，意味著開關管有更多的時間是在放大狀態(tài)下工作（開關導通后是利用晶體管的放大作用而工作的），這樣開關管的功耗就會迅速增加，電源的效率將大為下降。本論文中電源工作頻率為25千赫茲，根據(jù)設計前輩們的經(jīng)驗，截止時間不宜超過1。在開關管導通時，負載電流以及濾波電容的充電電流均通過開關管提供，因此，開關管的集電極電流必須大于輸出的負載電流，集電極電流的計算如下：電感電流的平均值等于負載電流，則有，流過開關管的電流平均值為，忽略開關管導通壓降，有，整理方程消去得到 （9）式流過開關管的最大電流應等于電感電流的最大值，則 ，額定輸出電流為，算出集電極電流小于在開關管截止時，電源的全部輸入電壓都加在開關管的集電極和發(fā)射極兩端。所以其耐壓值就必須大于集電極的輸入電壓，同樣考慮到電網(wǎng)波動和開關瞬間濾波電感所產(chǎn)生的浪涌電壓，取其耐壓值為輸入電壓的2倍。，則開關管耐壓應大于2，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇的晶體管型號為D882，耐壓值40V，集電極電流3A，功率10W。 濾波電容的選擇電容的濾波原理是：利用電容在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑。濾波一方面盡量降低輸出電壓中的脈動成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。濾波電容決定輸出電壓的紋波，電源通電后，電容器充電，電壓值迅速上升到最大值，由于電感電流仍小于輸出電流，電容向負載放電，電壓下降，產(chǎn)生紋波，在一個脈沖周期中，電容所釋放的電量為，設紋波電壓峰峰值為，則有 （10）式任務要求為脈沖頻率為25千赫茲，即周期為，取電容量為470的鋁電解電容。開關管飽和導通時，其飽和壓降可以忽略，則電感感應電動勢為 （11）式 （12）式電感電流變化量和負載電流的變化量相等，為了使電感電流在負載電流最小時，仍保持連續(xù)，取，為負載最小電流。代入式（11）得 ，根據(jù) ，則電感的計算為 （13）式，代入公式，,取電感量為100，電感量越大，儲能就越大，因為是在高頻下工作，電感選用磁鐵心電感，為防止電感飽和，選擇飽和電流為2A。根據(jù)變換器的工作原理，開關截止時，續(xù)流二極管導通，電感的磁能轉(zhuǎn)換為電能，二極管起到續(xù)流的作用，二極管正向額定電流須大于負載電流，其耐壓值必須大于輸入電壓，同時為了使二極管的截止到導通的轉(zhuǎn)換時間盡量的短，選擇超快恢復二極管，根據(jù)本次設計的要求，選擇電流大于耐壓大于30的肖特基二極管。第三章 硬件電路設計 電源電路設計開關電源設計包括輸入整流濾波電路、開關變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護電路。市電經(jīng)過變壓器降壓后，變?yōu)?2v，對該電壓整流后一部分電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓，另外將其通過7805得到5v的電壓，給開關電源控制電路部分的單片機提供工作電源。電路中采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流220v降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為開關變換電路的輸入電壓，7805穩(wěn)壓輸出5v給單片機提供電源。功率開關管采用達林頓管，由于它采用兩個三極管進行級聯(lián)，其放大倍數(shù)是兩個管子放大倍數(shù)的乘積，因而具有很高的放大倍數(shù)，通過級聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對于提高電源的輸出功率，有一定的作用。該開關管選擇為PNP型，當控制脈沖的低電平時，開關導通，電感存儲能量，開關把電路的輸入電壓變成高頻脈沖，當控制脈沖為高電平時，開關截止，電感把所存儲的能量釋放給負載。為了確保電感電流能在開關轉(zhuǎn)換過程中保持連續(xù)，選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管選用，這種二極管具有較快的導通截止恢復時間，在開關導通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快的由截止轉(zhuǎn)換到導通，所以能夠確保電感電流連續(xù)。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過并聯(lián)兩個電容來獲得低的等效串聯(lián)電阻，假設輸出濾波電容選擇為470UF，則可以取大于該數(shù)值一半多的電容量的電容來并聯(lián)，例如，可以取兩個250UF的電容，來并聯(lián)。 開關電路與輸出整