【文章內(nèi)容簡介】 50V 電壓），輸入端公里因數(shù)進(jìn)一步提高，具有安全、過壓保護(hù)等功能。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 11 頁 共 43 頁 第 2 章 PWM 開關(guān)電源的基本原理 PWM 開關(guān)電源的組成模塊 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下： 一、主電路 是 從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括： （ EMI） ： 其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng) 。 2．輸入 整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。 ： 將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。 ： 根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源 。 二、 保護(hù)和 控制電路 指主電路以外的部分，包括：穩(wěn)壓電路、 PWM 控制器電路、保護(hù)電路等。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 12 頁 共 43 頁 1. 穩(wěn)壓電路： 從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器 。 2. PWM 控制器電路： 是一 個(gè)利用誤差電壓控制輸出脈沖寬度的反饋電路。該電路通過檢測輸出電壓的變化產(chǎn)生一個(gè)誤差電壓，并將該誤差電壓反饋到逆變器去控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，以改變輸出脈沖的寬度，從而維持輸出電壓的穩(wěn)定。脈寬調(diào)制電路通常由光耦合器和 PWM 控制器組成。光耦合器將輸出電路中取出的誤差電壓反饋到 PWM 控制器，再由 PWM 控制器控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，反饋到 PWM控制器的電流增大， PWM 控制器使開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間縮短，也就是使輸出脈沖的寬度變窄，從而導(dǎo)致輸出電壓下降，維持了輸出電壓的穩(wěn)定。 3. 保護(hù)電路 ： 由過電流 保護(hù)電路、過電壓保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路和浪涌吸收電路等組成。串聯(lián)在開關(guān)晶體管發(fā)射極上的電阻組成過電流保護(hù)電路，用于防止開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)開關(guān)管出現(xiàn)過電流。并聯(lián)在變壓器初級(jí)繞組上的電阻、電容組成浪涌吸收電路，用于泄放積蓄在變壓器漏感上的能量，保護(hù)開關(guān)管不被擊穿。 PWM 開關(guān)電源的基本原理 開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解。在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是， PWM 開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流 大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小）。功率器件上的伏安乘積就是功率半XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 13 頁 共 43 頁 導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。 與線性電源相比， PWM 開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來生高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。 控制器的主要目的式保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能模 塊電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。它們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過一個(gè)電壓脈沖轉(zhuǎn)換單元。 開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很少，但是工作過程相差很大，在特定的場合下個(gè)有優(yōu)點(diǎn)。 正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)式：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。 升壓式變換器中峰值電流較高，因此只適合功率不大于 150W的應(yīng)用場合，在所有拓?fù)渲?，這類變換器所用的元器件最小，因而在中小功率的應(yīng)用場合中和流行。 開關(guān)電源的工作原理是 ： 1. 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流 ； 2. 通過高頻 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )信號(hào)控制開關(guān)管 ,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級(jí)上 ； XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 14 頁 共 43 頁 3. 開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓 ,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載 ； 4. 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)定輸出的目的 。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 15 頁 共 43 頁 第 3 章 設(shè)計(jì)思想與方案論證 設(shè)計(jì)思想 PWM 開關(guān)電源在使用時(shí)比線性電源具有更高的效率和靈活性。我們可以在航空和自動(dòng)化產(chǎn)品、儀器儀表、離線式產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)它們的蹤影，它們通常應(yīng)用于要求效率和多組電源 電壓輸出的場合。開關(guān)電源的重 量 要比線性電源輕的多。因?yàn)閷?duì)于相同的輸出功率，開關(guān)電源的散熱器要小 的多。但是開關(guān)電源的成本較高 。所以 PWM開關(guān)電源的的成本和效率是設(shè)計(jì)的主要問題?；谶@些問題，所以在本設(shè)計(jì)中，我們 著重作了考慮 。 方案論證 在開始設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，主要考慮的是采用何種基本拓?fù)?。開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，拓?fù)漕愋团c電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計(jì)中性能價(jià)格折中的關(guān)鍵點(diǎn)。 方案選擇 1. 方案一 正激式電路構(gòu)成 的 開關(guān)電源， 其電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 為 功率管之后或變壓器二次側(cè)輸出整流器之后緊跟 LC 濾波器。圖 3． 1 是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的 Buck 變換器。包括 PWM 開關(guān)電源的拓?fù)?、主要波形和一些估?jì)的參數(shù)。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 16 頁 共 43 頁 功率開關(guān)反饋CinCoutVoutVin控制+++DL V DI LtV inV fwdtI pkI minI load00 ? ?? ?mininouytPK V PI ? insw VV ? KWWPout 10 —? 圖 3． 1 Buck 電路 電路的工作可以看作一個(gè)機(jī)械飛 輪和單活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，電路的 LC濾波器就是飛輪，存儲(chǔ)從驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖功率。 LC 濾波器（扼流輸入濾波器）的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。 LC 濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。 LC濾波器的作用可用下式表示： DVV inout ? （式 31） 式中 D— 占空比 通過控制電路改變占空比，即可保持輸出電壓恒定。 Buck 變XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 17 頁 共 43 頁 換器之所以被稱作降壓式變換器，是因?yàn)樗妮敵鲭妷罕仨毜陀谳斎腚妷骸? 我們可以把 Buck 電路的工作過程分成兩個(gè)階段。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到 LC濾波器的輸入端 ，電感上的電流以固定斜率線性上升。 在這個(gè)階段，電感存儲(chǔ)能量。 輸入的能量就存儲(chǔ)在電感鐵心材料的磁通中。 當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管 D 續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的一部分能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流環(huán)包括：二極管電感負(fù)載。 在這個(gè)階段，電流波形時(shí)一條斜率為負(fù)的斜線。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流 就是開關(guān)管通過的初始電流。 直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值 之間波動(dòng)。在典型應(yīng)用中，電感電流的最大值為負(fù)載電流的 150％，最小值為負(fù)載電流的 50％。 2. 方案二 反激式變壓器。 反激式則指當(dāng)功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，就將電能儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組上，僅當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，才向次級(jí)輸送電能 。 其拓?fù)?、主要波形和一些估?jì)參數(shù)，如圖 3． 2。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 18 頁 共 43 頁 反饋CinCoutVoutVin+++控制TN 1 N 2DSW V swV inI SECI priV inflybkV satI swI Dttt000 ? ?? ?mininouytPK V PI ? outinsw VVV ?? WWPout 1000 —? 圖 3． 2 反激式電路 3. 方案三 半橋電路。其拓?fù)?、主要波形和一些估?jì)參數(shù)，如圖 3． 3。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 19 頁 共 43 頁 控制VinSW 1SW 2N 1N 2L OCCC out V out++C inXFMRDV inV in / 2V satI pkI minSW 1SW 2t0t0 ? ?? ?mininouytPK V PI ? insw VV ? WWPout 5000 —? 圖 3． 3 半橋電路 方案論證 1. 方案一 在正激式電路拓?fù)渲?，即本?案一中的 Buck 變換器中。 輸出XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 20 頁 共 43 頁 電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。另外 Buck 變換器的輸出電壓必須低于輸如電壓。 2 .方案二 反激式電路拓?fù)洌捎诰哂惺褂迷骷?、本身固有效率比較高的特點(diǎn)，在功率低于 100～ 150W 的場合非常受歡迎。但是，反激式電路的電流峰值比正激式電路高很多，因此在相當(dāng)?shù)椎妮敵鲭妷合?，也可能超出開關(guān)管的 SOA。 3. 方案三 在 150～ 500W 范圍內(nèi)，半橋電路比較常用。它使用的元器件比較多，但還是可以接受的。半橋電路輸入電壓只 有一半加在變壓器一次惻，這導(dǎo)致電流峰值增加。因此半橋電路只在 500W 或更低輸出功率場合下使用。 每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)缺點(diǎn)，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^底，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。表 3． 1 是各種各樣拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)的優(yōu)點(diǎn)。 表 3． 1 PWM 開關(guān)電源拓?fù)涞谋容^ 拓?fù)? 功率范圍/W Vin（ de） 范圍 /V 輸入輸出隔離 典型效率（ %） 相對(duì)成本 Buck 電路 0～ 1000 5～ 40 無 70 Boost 電路 0～ 150 5～ 40 無 80 BuckBoost電路 0～ 150 5～ 40 無 80 正激式電路 0～ 150 5～ 500 有 78 反激式電 0～ 150 5～ 500 有 80 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 21 頁 共 43 頁 路 推挽式電路 100～ 1000 50 ～1000 有 75 半橋電路 100～ 500 50 ～1000 有 75 全橋電路 400 ～2021+ 50 ～1000 有 73 總結(jié)上面各個(gè)電路的拓?fù)涞谋容^，如果設(shè)計(jì)一個(gè) 小功率 的開關(guān)電源，選擇反激式電路拓?fù)?即方案二是比較好的。 XX 學(xué)院畢業(yè)論文 第 22 頁 共 43 頁 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在本文中，是設(shè)計(jì)一個(gè)管道煤氣泄漏報(bào)警電路的 PWM 開關(guān)電源。這種開關(guān)電源可用于 AV200～ 240V 輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(guān)電源可以提供 2W 的輸出功率，可以用在手機(jī)充電器等產(chǎn)品中。 技術(shù)指標(biāo) 輸入電壓范圍： AC200～ 240V， 50/60Hz。 輸出：