【文章內(nèi)容簡介】 較多地表現(xiàn)在輸出端。調(diào)高開關(guān)頻率的同時(shí)，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)問題也能得到改善。負(fù)載變化瞬態(tài)響應(yīng)主要由輸出端 LC 濾波器特性決定，所以可以利用調(diào)高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器 LC 體積的方法來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。 12 圖 23 開關(guān)電源的基本構(gòu)成方框圖 13 3 充電器的總體設(shè)計(jì) 充電器實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)指標(biāo) (1) 充 電保護(hù)：在充電過程中，能夠自行調(diào)節(jié)輸出電流及電壓，保證充電電壓在44V 左右； (2) 充電顯示：通過 LED 燈的閃爍，能夠顯示當(dāng)前的充電狀態(tài)； (3) 技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓是 90264V （ AC）；輸出電壓是 44V/；效率是 86%；輸出特性是恒壓、恒流輸出，近似于矩形輸出特性。 充電器控制電路設(shè)計(jì) 根據(jù)要求和技術(shù)指標(biāo)， 本設(shè)計(jì)研究的充電器主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的保護(hù)，充電狀態(tài)顯示， 本充電器的設(shè)計(jì)包含五部分，即電源電路、輸出整流濾波與隔離電路、檢測(cè)控制電路及充電狀態(tài)指示電路。充電器 控制原理方框圖如圖 31所 示 圖 31 充電器控制原理方框圖 電源電路 檢測(cè)控制電路 充電狀態(tài)指示電路 輸出整流濾波與隔離電路 電池 14 硬件電路的設(shè)計(jì) 電源電路 電源電路是由 EMI 抑制電路、橋式整流及濾波電路組成（圖 31）。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娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的整流電路有單相半波、全波、橋式整流電路等。濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器 L，以及 由電感、電容組合而成的各種復(fù)式濾波電路。該電路是將市電 220V由輸入端輸入，經(jīng) D1D4 橋式整流變成脈動(dòng)直流，再經(jīng) C2濾波將脈動(dòng)直流轉(zhuǎn)換成直流電壓。 圖 31 電源電路圖 EMI 抑制電路 我們知道之所以會(huì)產(chǎn)生 EMI 干擾，是因?yàn)樵陂_關(guān)電源中，電壓和電流的突變。即高 dv/dt 和 di/dt、是其 EMI 產(chǎn)生的主要原因。實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的 EMC 設(shè)計(jì)技術(shù)措施主要基于兩點(diǎn)： (1)盡量減小電源本身所產(chǎn)生的干擾源，利用抑制干擾的方法或產(chǎn)生干擾較小的元器件和電路，并進(jìn)行合理布局。 15 (2)通過接地、濾波、屏蔽等技術(shù)抑制電源的 EMI 以及提高電源的 EMS。 開關(guān)電源的 EMI 干擾源集少體現(xiàn)在功率開關(guān)管、整流二極管、高頻變壓器等，外部環(huán)境對(duì)開關(guān)電源的干擾主要來自電網(wǎng)的抖動(dòng)、雷擊、外界輻射等。 (1)功率開關(guān)管。功率開關(guān)管工作在 OnOff 快速循環(huán)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)， dv/dt 和di/dt 都在急劇變換，因此，功率開關(guān)管既是電場(chǎng)耦合的主要干擾源，也是磁場(chǎng)耦合的主要干擾源。 (2)高頻變壓器。高頻變壓器的 EMI 來源集中體現(xiàn)在漏感對(duì)應(yīng)的 di/dt 快速循環(huán)變換，因此高頻變壓器是磁場(chǎng) 耦合的重要干擾源。 (3)整流二極管。整流二極管的 EMI 來源集個(gè)體現(xiàn)在反向恢復(fù)特性上。反向恢復(fù)電流的斷續(xù)點(diǎn)會(huì)在電感 (引線電感、雜散電感等 )產(chǎn)生高 dv/dt．從而導(dǎo)致強(qiáng)電磁干擾。 (4)PCB 布線。準(zhǔn)確的說， PCB 是上述干擾源的耦合通道， PCB 布線的優(yōu)劣直接對(duì)應(yīng)著對(duì)上述 EMI 源抑制的好壞。 從 EMl 產(chǎn)生的機(jī)理來分析，僅僅是簡單地將電容從電路個(gè)移除或減小其數(shù)值一般情況不太可行，因?yàn)檫@樣做會(huì)顯著增加 EMI。而在電路中增加共模扼流圈或其他濾波元件又會(huì)增加成本。因此，我們必須將注意力集中到如何降低 EMI電流上。 目前已有一些減小共模 EMI 電流的方法。盡管在變壓器繞線層之間使用帶狀物增加線層間距離可以減小層間電容，但單獨(dú)使用這一方法只能很有限地減小EMI 電流。長期以來也在工頻變壓器中一直應(yīng)用屏蔽繞組來降低噪聲與耦合，在開關(guān)變壓器中這一方法同樣有效。在開關(guān)變壓器中使用屏蔽繞組是降低共模 EMI電流最合效的方法，而且對(duì)電源總體成本的影響最小。 在這里我們采用交流輸入，而交流輸入分為低頻段差模騷擾和高頻段共模騷擾。所以在交流輸入端采用適當(dāng)?shù)臑V波器，可以很有效的抑制干擾。本設(shè)計(jì)由C CY CY R R2 和 L1 組成輸入回路 EMI 抑制電路 (圖 34111)。差模電容用來短路差模噪聲電流，而接地的電容是用來短路共模噪聲電流。 R1， R2是泄放電阻。 16 圖 32 EMI 抑制電路圖 單相整流電路 (1) 單相橋式整流電路 1) 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，如圖 33（ a）所示。 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)щ娦?。根?jù)圖 33（ a）的電路圖可知： 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。 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。 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 33（ b）。 2) 參數(shù)計(jì)算 根據(jù)圖 33（ 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。 17 （ a） 橋式整流電路 （ b）波形圖 圖 33 單相橋式整流電路圖及波形圖 流過負(fù)載的平均電流為 : 式（ 31） 流過二極管的平均電流為 : 式（ 32） 二極管所承受的最大反向電壓 : 式（ 33） 流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中包含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓做傅里葉分析，此時(shí)諧波分量中的二次諧波幅度最大。脈動(dòng)系數(shù) S 定義為二次諧波的幅值與平均值的比值。 式（ 34） 式（ 35） 3) 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線 18 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線是指輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系 該曲線如圖 34 所示，曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。 圖 34 單相橋式整流電路的負(fù)載特性曲線圖 (2) 單相半波整流電路 單相整流電路除橋式整流電路外還有單相半波和單相全波兩種形式。單相半波整流電路如圖 35(a)所示，波形圖如圖 35(b)所示。 根據(jù)圖 35 可知，輸出電壓在一個(gè)工頻周期內(nèi)，只是正半周導(dǎo)電，在負(fù)載上得到的是半個(gè)正弦波。負(fù)載上輸出平均電壓為 : 式（ 36） 流過負(fù)載和二極管的平均電流為 : 式（ 37） (a)電路圖 (b)波形圖 圖 35 單相半波整流電路圖 二極管所承受的最大反向電壓 (3) 單相全波整流電路 單相全波整流電路如圖 36(a)所示，波形圖如圖 36(b)所示。 19 (a)電路圖 (b)波形圖 圖 36 單相全波整流電路圖 根據(jù)圖 36（ b）可知，全波整流電路的輸出電壓與橋式整流電路的輸出相同。輸出平均電壓為 : 式（ 38） 流過負(fù)載的平均電流為 : 式（ 39） 二極管所承受的最大反向電壓： 式（ 310） 單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。 式（ 311） 通過對(duì)比可知， 單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而半波和全波整流電路中均有直流分量流過。所以單相橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。因此，設(shè)計(jì)中采用單向橋式整流電路對(duì)交流電壓進(jìn)行整流，從而得到脈動(dòng)直流。 20 濾波電路 濾波電路中整流 電路輸出的直流電壓脈動(dòng)大，僅適用于對(duì)直流電壓要求不高的場(chǎng)合，如電鍍、電解等設(shè)備。而在有些設(shè)備中，如電子儀、自動(dòng)控制裝備等，則要求直流電壓非常穩(wěn)定。為了獲得平滑的直流電壓，可采用濾波電路，濾除脈動(dòng)直流 電流中 的交流部分，濾波電路常由電容和電感組成。 (1) 容濾波電路 1) 電路的組成 現(xiàn)以單相橋式整流電容濾波電路為例來說明。電容濾波電路如圖 37 所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容 C。 圖 37 電容濾波電路圖 2) 電容濾波電路工作 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) 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 時(shí)，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過 時(shí)二極管仍然導(dǎo)通。 在超過后的某個(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 38。 21 圖 38 電容 濾波電路波形圖 需要指出的是，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù) RLC 增加時(shí)， t1 點(diǎn)要右移， t2 點(diǎn)要左移，二極管關(guān)斷時(shí)間加長，導(dǎo)通角減小；反之， RLC 減少時(shí)，導(dǎo)通角增加。顯然。當(dāng) ＲL 很小，即 IL 很大時(shí)，電容濾波的效果不好，見圖 39 濾波曲線中的 2。反之，當(dāng) Ｒ L 很大，即 IL 很小時(shí)，盡管 C 較小 , RLC 仍很大 ,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的 3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場(chǎng)合。 圖 39 電容濾波的效果圖 3) 電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算 濾波電容 C 的大小取決于放電回路的時(shí)間常數(shù)， RLC 愈大，輸出電壓脈動(dòng)就愈小，通常取 RLC 為脈動(dòng)電壓中最低次諧波周期的 35 倍，即 式（ 312） 式中 T 為交流電源電壓的周期。 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。工程上有詳細(xì)的曲線可供查閱，一般常采用以下近似估算法： 一種是用鋸齒波近似表示，即： 22 式（ 313） 另一種是在 RLC=（ ）的條件下，近似認(rèn)為 VO=。 式（ 314） 4) 電容濾波電路的 外特性 圖 310 電容濾波外特性曲線圖 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 310所示。 此外，對(duì) 濾波電容器的選擇除電容量外，還有耐壓值。一般耐壓值取（ ）V2.。 (2) 濾波電路 利用儲(chǔ)能元件電感器 Ｌ 的電流不能突變的性質(zhì)，把電感 Ｌ 與整流電路的負(fù)載Ｒ L 相串聯(lián)，也可以起到濾波的作用。 橋式整流電感濾波電路如圖 311 所示。電感濾波的波形圖如圖 312 所示。當(dāng) v2 正半周時(shí)， D D3 導(dǎo)電，電感中的電流將滯后 v2。當(dāng)負(fù)半周時(shí)，電感中的電流將更換經(jīng)由 D D4 提供。因橋式電路的對(duì)稱性和電感中電流的連續(xù)性，四個(gè)二極管 D D3； D D4 的導(dǎo)電角都是 180176。