【文章內(nèi)容簡介】 導通時間減小， 輸出電壓下降，起到穩(wěn)壓的作用。如果忽略電感的直流電阻，那么輸 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 8 出電壓 Vo為調(diào)整管發(fā)射極電壓 Ve的平均分量，于是在輸入電壓一定的時候，輸出電壓與占空比正比，通過改變比較器輸出波形的占空比就可以控制輸出電壓的幅值。 圖 開關(guān)電源工作原理 高頻開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 圖 高頻開關(guān)電源的基本原理電路的框圖 上圖所示的通用高頻開關(guān)電源框圖，由以下四部分電路組成的：一是市電輸入的整流濾波電路，其作用是將市電輸入的交流電壓 Uac 轉(zhuǎn)換成紋波較小的直流電壓 Udc；二是開關(guān)電源的主要組成部分，也是開關(guān) 電源的核心 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。其作用是將市電輸入經(jīng)過整流濾波的直流電壓 Udc,進行 PWM控制和 DC/DC 轉(zhuǎn)換，得到另一種數(shù)值的直流穩(wěn)定電壓 U0；三是檢測控制電路。其作用是通過 R1和 R2組成的分壓器檢測出輸出電壓 U0的值 ,將 U0通過誤差放大器與參考電壓 UREF進行比較，得到誤差電壓 Uea，將 Uea通過脈寬調(diào)制器 PWM 與鋸齒比電壓進行比較，得到 PWM 矩形波脈沖，此脈沖列通過驅(qū)動器并以負反饋的方式，對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 9 行 PWM 控制，并將 Udc轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)值的直流穩(wěn)定電壓 U0，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的；四是開關(guān)電源 保護電路，其作用是保護開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 10 第三章 主電路設(shè)計 . 濾除干擾電路 開關(guān)電源電磁干擾的產(chǎn)生機理 開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種；若按耦合通路來分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現(xiàn)在按噪聲干擾源來分別說明二極管的反向恢復時間引起的干擾高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時，由于 PN 結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子 消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化。 （ 1）開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾： 功率開關(guān)管在導通時流過較大的脈沖電流。輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關(guān)時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn)生尖峰干擾。 （ 2）交流輸入回路產(chǎn)生的干擾： 無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩，產(chǎn)生干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾 能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產(chǎn)生電場和磁場。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。 （ 3）其他原因： 元器件的寄生參數(shù)，開關(guān)電源的原理圖設(shè)計不夠完美，印刷線路板（ PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性， PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成 EMI 干擾。 抑制干擾的幾種措施：形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。首先應(yīng)該 抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。 本次設(shè)計采用的抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合通道。使用的方法是屏蔽、接地和濾波。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 11 ① 采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。功率開關(guān)管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產(chǎn)生了分布電容，開關(guān)電源的 底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產(chǎn)生共模干擾，解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，切斷了射頻擾向輸入電網(wǎng)傳播的途徑。 ② 電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號回路提供穩(wěn)定的參考電 位。因此，系統(tǒng)中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連。 在電路系統(tǒng)設(shè)計中遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當磁力線穿過該回路時將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，實際上很難實現(xiàn) “一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面 (底板或多層印制板電路的導電平面層等 )作為 參考 地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降， 可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。 ③ 濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本 身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當?shù)卦O(shè)計或選擇濾波器 ,并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。 EMI 濾波技術(shù)是一種抑制尖脈沖干 擾的有效措施，可以濾除多種原因產(chǎn)生的傳導干擾。 濾除電磁干擾電路設(shè)計 電源噪聲是電磁干擾（ EMI）的一種，它屬于射頻干擾（ RFI），其傳導噪聲的頻譜大致分為 10kHz~30MHz,最高可達 15MHz。根據(jù)傳播的方向不同，電源噪聲可分為兩大類：一類是從電源進線引進的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)由電源線傳導出去的噪聲。這表明噪聲屬于雙向干擾信號，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。若從形成特點上看，噪聲干擾分串模干擾和共模 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 12 干擾兩種。串模干擾時兩條電源線之間（簡稱線 對線）的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲。因此，電源干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性（ EMC）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出的噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對串模、共模干擾都起到抑制作用。 電磁干擾濾波器的基本電路如下圖所示，該五端器件有兩個輸入端，兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應(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 C1C4 。 L對串模干擾不起作用，但當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的的磁通方向相同，經(jīng)過耦合后總電感兩迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)上。當有共模電流通過時，兩個線圈上產(chǎn)生的磁場就會互相加強。 L的電感量與 EMI 濾波器的額定電流 I有關(guān)，參見表。需要指出，當額定電流較大時，共模厄流的線徑也要相應(yīng)增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，可以改善低頻衰減特性。 C1 和 C2 采用薄膜電容器，容量范圍大致是 ，主要用來濾除除串模干擾。 C3 和 C4 跨接在輸出端，并將電容器的中點接通大地，能有效抑制共模干擾。 C3 和 C4 的容量范圍是，電容量不宜超過 。 C1C4 的耐壓值均為630VDC 或 250VAC. 圖 電磁干擾濾波器的基本電路 其中電感選擇時，其與額定電流的關(guān)系如下表所示： 表 1 電感量范圍與額定電 流關(guān)系 額定電流 I 1 3 6 10 12 15 電感量范圍L 823 24 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 13 圖 所示的是一種兩級復合式 EMI 濾波器的內(nèi)部電路，由于采用兩級（亦稱兩節(jié)）濾波，因此濾除噪聲的效果更佳，針對某些用戶現(xiàn)場存在重復頻率為幾千赫茲的快速瞬態(tài)脈沖干擾的問題，最近國內(nèi)外還開發(fā)出群脈沖濾波器（亦稱群脈沖對抗器），能對上述干擾起到抑制作用。 圖 兩基復合式 EMI 濾波器電路 電磁干擾的主要技術(shù)參數(shù)有：額定電壓、額定電流、漏電流，測試電壓，絕緣電阻，直流電阻，使用溫度范圍，工作溫升（ Tr），插入損耗（ AdB），外型尺寸，重量。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗（亦稱插入衰減），它是評價電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標。 插入損耗（ AdB）是頻率的函數(shù)，用 dB 表示。設(shè)電磁干擾濾波器插入前后傳輸?shù)截撦d上噪聲功率分別為 P P2，有公式 AdB =10lg P1/ P2 假定負載阻抗在插入前后始終的保持不變，則 P1 =U12/Z P2 =U22/Z 式中是噪聲源直接加到負載上的電壓，是噪聲源與負載之間插入電磁干擾濾波器后負載上的噪聲電壓，且 U2＜＜ U1。代入式中得到 AdB =20lgU1/U2 插入損耗用分貝（ dB）表示，分貝值愈大，說明抑制噪聲干擾的能力越強。鑒于理論計算比較繁瑣且誤差較大，通常由生產(chǎn)廠家進行實際測量，根據(jù)噪聲頻譜點測出所對應(yīng)的插入損耗，然后繪制出典型的插入損耗曲線，向用戶提供。 計算電磁干擾濾波器對地漏電流的公式為 ILD=2π fCUC 式中 ILD為漏電流， f是電網(wǎng)頻率。在設(shè)計中 f=50Hz,C= C3 + C4=4400pF, Uc是 U U4上的壓降，亦即輸出端對地電壓，可取 Uc ≈ 220V/2=110V。由式不難算出，此時漏電流 ILD=. C3 和 C4若選 4700pF,則 C=4700pF 2=9400Pf, ILD=。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 14 顯然，漏電流與 C 成正比。對漏電流的要求是愈小愈好，這樣安全性高，一般應(yīng)為幾百微安至幾毫安。在電子醫(yī)療設(shè)備中對漏電流的要求更為嚴格。 （ EMP）電路的設(shè)計 電磁脈沖 EMP 的設(shè)計主要是考慮浪涌保護的設(shè)計。浪涌保護主要是指防雷保護，就是在極短時間內(nèi)釋放掉設(shè) 備上因感應(yīng)雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量到安全地線上，從而保護了整個設(shè)備。 目前浪涌保護一般采用壓敏電阻、穩(wěn)壓二極管和氣體放電管三種保護方法。對于保護方法的基本要求是反應(yīng)速度快，保證受保護電路的兩端在抑制器起作用之前不出現(xiàn)快速上升的瞬時峰值電壓，確保運行設(shè)備的安全。 浪涌的三種保護方法的工作原理如下。氣體放電管一般由兩種金屬導體組成，并以 1015cm 的距離隔開，管內(nèi)含大量氣體，當放電管兩端電壓上升到一定程度時，擊穿隔離層，形成低阻抗，使得大量的能量通過放電管瀉放到安全地線上，其缺點是易引起泄露，增加損耗。穩(wěn)壓二 極管主要是利用二極管的雪崩現(xiàn)象，將瞬態(tài)高壓鉗位于穩(wěn)壓管的范圍內(nèi)，其缺點是承受的瞬態(tài)浪涌功率有限，如果采用較大的穩(wěn)壓管則價格昂貴，而且需要較大的散熱器，壓敏電阻是可變電阻器，其反應(yīng)時間取決于器件的物理結(jié)構(gòu)和通過它的電流脈沖波形，壓敏電阻的反應(yīng)時間一般在 500us 之內(nèi)。壓敏敏電阻的優(yōu)點有三個：①能抗大能量的瞬態(tài)沖擊；②它的 PN 結(jié)構(gòu)不同于穩(wěn)壓管，因此它的損耗小；③耐浪涌性能好。 有上述比較我們可以在設(shè)計中選擇壓敏電阻，在輸入電路中并聯(lián)一只氧化鋅壓敏電阻。當電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時尖峰脈沖時，壓敏元件可以進行削波鉗位。如果過壓情況比較嚴重，壓敏電阻則會擊穿導通這時將保險絲燒毀，使開關(guān)電源得到保護。只要輸入電源電壓低于壓敏電阻的壓敏電壓值，壓敏電阻則呈現(xiàn)高組態(tài)。由此可見，壓敏電阻的壓敏電壓值必需高于最高交流輸入電壓的峰值，并且還考慮到保險系數(shù)（ K=）。對于 220V 的工頻輸入電壓，通常選用壓敏電壓為 380420V的壓敏電阻，大多選用 420V 的壓敏電阻。對電磁脈沖 EMP 的抑制主要是根據(jù) 規(guī)定，將浪涌電流抑制在 6kV，來考慮的防雷擊保護，估計在80%以上的區(qū)域都可以得到有效的 EMP 保護。 （ EMC）的設(shè)計 電子、電器產(chǎn)品電磁兼容性的設(shè)計目的，是使產(chǎn)品在預(yù)期的電磁環(huán)境中能正常工作，無性能降低或故障，并具有對電磁環(huán)境中的任何電子、電器設(shè)備不構(gòu)成電磁干擾的能力。通常將系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容設(shè)計分為五部分：有源器件的選用、布線、接地、屏蔽及濾波。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計 15 ．整流、濾波電路 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)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。 220V 的交流電壓經(jīng)過EMI 濾波器消除高次諧波，再通過整流橋和電容濾波輸出較為平整的直流電。 電容濾波的單相不 可控整流電路，在空載時， R=∞，放電時間常熟為無窮大，輸出電壓最大， Ud= 2 U2 表 2 整流