【文章內(nèi)容簡介】 滿載到空載變動時，整流輸出電壓變動較大，空載時有可能進入間歇開關領域。 (2)開關電源的特點是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負載調(diào)整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻。 (3) 扼流圈可能與次級側濾波回路產(chǎn)生諧振。 因此，開關電源的輸入整流電路采用電容輸入型。 圖 22 扼流圈輸入型基本電路 單相半波整流電路 單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖 23，僅利用一個二極管來實現(xiàn)整流功能。 單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（ 2U 為變壓器副邊輸出電壓的有效值） 200 )(s i n22 1 UUttUU ??? ? ???? ? TrT R A N S 1DBRLA5 0 HZU0220V 圖 23 單相半波整流電路 單相橋式整流電路 單相半波整流電路 的缺點是只利用了電源的半個周期，輸出電流較小，同時整流電壓的脈動較大。全波整流電路可以克服這些缺點，其中最常用的 是 單相橋式整流電路 ，它是由四個二極管接成電橋的形式構成的?？梢钥吹?，四個二極管分為兩組，正負半周輪流導通，但負載上電流方向不變，此即為全波整流。 圖 24 單相橋式整流電路 單相橋式整流電壓的平均值為： 20 UU ? （2U為變壓器副邊輸出電壓的有效值） ,比半波整流輸出電壓高。 因此，整流電路選用單相橋式整流電路。 防止電流沖擊的設計 開關電源輸入大多為電容輸入型，當電源剛接通時，就會有非常 大的對電容充電的沖擊電流。例如，線路阻抗若為 輸入交流 100V電壓，若在其峰值時開關接通，則沖擊電流就達 282A 。如此大的沖擊電流可能會損壞輸入保險絲、整流二極管和電容等。防止沖擊電流的最簡單方法是在線路個接入一只電阻。如圖 25(a)所示，但平常電阻有損耗，這種方法適用小功率開關電源 圖 25(b)和 (c)也是采用電阻。但與電阻并聯(lián)一只開關 (繼電器觸點和晶閘管 )，電源接通時，開關斷開，電阻防止沖擊電流，正常工作時，與電阻并聯(lián)的開關接通。把電阻短路，減小了電阻損耗。這種方法適用于中等容量的開關電源。 圖 25(d)是采用熱敏電阻的方法、熱敏電阻 RH的阻值隨溫度增加而減小，防止了沖擊電流，平時損耗又小。本設計欲采用串熱敏電阻的方法。 圖 25 防止電流沖擊的方法 本設計的整流電路如圖 26： 1234B R I D G E 1T r 1T R A N S 1RVF U S E 1+C1L E D 1L E D 2R1R2220VRH 圖 26 整流電路圖 參數(shù)計算以及元器件的選型 由于開關電源系統(tǒng)三路輸出分別為： 15V， 4A； 12V， 3A； 5V， 2A，則輸出功率 WP 1 0 6253124150 ??????? 如果考慮變壓器的效率 80%，則整流電路的輸出功率應為： WPP %80/39。0 ?? 則可以設定整流電路輸入電壓 VU 2201 ? ，輸出電壓 100V、電流 。 整流管參數(shù)計算 整流輸出電壓為 Vs=100V，則變壓器次級電壓 ： VVU S ??? 考慮到變壓器二次側及管子的壓降，變壓器二次側電壓大約需要提高10%，則 ： VVU 2 1 12 ??? 二極管的最大反向電壓 ： VVU RM 7 2 22 ??? 二極管平均電流 ： mAII D 75021 0 ?? 可選用 1N4003/A（ 代用型號 ZCI11B）整流二極管，最高反向工作電壓為 200V,額定工作電流為 1A。 變壓器參數(shù) 則變壓器變比為： 5: 222 0 ??N 變壓器二次側電流有效值 ： AII 02 ??? 變壓器的容量為 ： VAAVIU 0 2 222 ??? 如果考慮變壓器的效率η =80%則 VAVAIU ?? 電容 參數(shù)計算 整流電路負載 RL=U0/I0=100V/=? 在工程中，一般取 STCR L 1525 ??????? 由于 ?? 則 FC ?63 ?????? 選用 FC ?1000? 、耐壓為 150V的極性電解電容。 3 DC/DC 變換器的設計 DC/DC 變換器進行功率變換， 是 采用功率半導體器件 作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓， 將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波， 它是開關電源的核心部分，開關電源 DC/DC 變換器有多種電路方式，常有的有工作波形為方波的脈寬調(diào)制（ PWM）變換器以及工作波形為正弦波的諧振變換器。 基本工作原理如圖 31 所示。 圖 31 DC/DC 變換器的基本原理圖 它是一種控制開關 S 通 /斷時間的比例，用電抗器與電容器蓄積能量的元件。對續(xù)流的波形進行平滑處理，從而更有效地調(diào)整功率流的電路。斬波器的 工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式 TS不變，改變 ton（通用），二是頻率調(diào)制方式， ton不變，改變 TS（易產(chǎn)生干擾）。 DC/DC 變換器按輸入輸出的隔離方式分有隔離方式與非隔離方式；按開關的控制方式分有自勵式和它勵式，以及脈寬調(diào)制、脈頻調(diào)制與幅度調(diào)制等多種方式。 對于 TRC 變換器，有兩種工作方式：一種是保持開關工作周期Ｔ不變，控制開關導通時間 Ton沖寬度調(diào)制（ PWM）方式，二是保持導通時間Ton，改變開關工作周期 T 的脈沖頻率調(diào)制方式（ PFM）。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）變換器就是通過重復通斷 開關方式把一種直流電壓（電流）變換為高頻方波電壓（電流），再經(jīng)過整流平滑后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。 PWM 變換器由功率開關管、整流二極管及濾波電路等元件組成。 對 PWM變換器，加在開關管 S 兩端的電壓 us 通過 S 的電流 is 近似為方波，如圖 33所示 圖 32 PWM 變換器的工作波形 占空比 D 定義為： of fononon TT TTTD ??? （ 3－ 1） 功率轉(zhuǎn)換電路的選擇 PWM 型穩(wěn)壓電源功率轉(zhuǎn)換電路有挽推、全橋、半橋以及 單端反激、單端正激等。 推挽式功率轉(zhuǎn)換電路 控制開關晶體管 VT1和 VT 2的基極 ， VT1和 VT 2以 PWM 方式激勵而交替通晰，將輸入直流電壓變換成高頻方波交流電壓。當 VT 1導通時，輸入電源電壓 VI通過 VT1加到高頻變壓器 T1的初級繞組 Nl，由于 T1具有兩個匝數(shù)相等主繞組 N1故在 VT1導通時，在截止晶體管 VT 2上將加有兩倍的電源電壓 2VI。當基極激勵信號消失時，一對開關晶體管均截止，其集電極施加電壓均均為 2VI。當下半個周期， VT 2 激勵導通， VT1 截止，基極激勵信號消失，一對開關晶體管又都均截止， VCE1和 VCE2 均為 VI。下一個周期五復上述過程。在品體管導通過程中，集電極電流除負載電流成分外，還包含有輸出電容器的充電電流和高頻變壓器的勵磁電流，它們均隨導通脈沖寬度的增加而線性上升。在開關的暫態(tài)過程中，由于高頻變壓器次級側開關整流二極管反向恢復時間內(nèi)所造成的短路以及為了抑制集電極電壓尖峰而設置的 RC 吸收網(wǎng)絡的作用，當開關管導通時，將會有尖峰沖擊電流；在關斷瞬間，由于高頻變壓器漏感的作用，在集電極會產(chǎn)生電壓尖峰。 推挽式轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓 V0＝ 2NDVI，式中， N 為變壓器的匝比，D 為晶體管的占空比，其優(yōu)點 是：轉(zhuǎn)換效率高；經(jīng)濟實用；變壓器的利用率高；輸入輸出間隔離；晶體管加相同電壓，控制電路直接對其激勵，不需要驅(qū)動變壓器。不足之處是：需要一對開關晶體管；晶體管的耐壓需要是輸入電壓的 2 倍；直流分量加到變壓器上，使其磁心易飽和。 全橋式功率轉(zhuǎn)換電路 工作原理是：當一組開關晶體管（例如 VT VT4） )尋通時，截止晶體管 (VT VT 3)上加的電壓即為輸入電壓 VI。當所有的晶體管截止時，同臂上的兩只開關晶體管共同承受輸入電壓即 VI/2。由高頻變壓器漏感引起的電壓尖峰，當其超過輸入電壓時，反向并接在開關晶 體管的集射之間的告訴續(xù)流二極管便導通，集電極電壓被鉗位在輸入電壓上。 由此可見，全橋式電路開關晶體管穩(wěn)態(tài)時其最高加的電壓即為輸入電壓，暫態(tài)過程的尖峰電壓亦被鉗位在 VI，比推挽式電路低一半，晶體管可選用耐壓低的元件；而且，鉗位二極管將漏感儲能量饋送給輸入電源，有利于提高效率，并可獲得大功率輸出，可大于 750W。缺點是：使用 4只開關晶體管，需要 4 組彼此隔離的基極驅(qū)動電路，電路復雜，元器件多。 半橋式功率轉(zhuǎn)換電路 工作原理簡介如下：當一對開關晶體管管截止時，若電容 C01和 C02的容量相等而且電路對稱， 則電容中點 A 的電壓為輸入電壓的 — 半，即為 VC01=VC02=VI/2。當 VT 1被激勵導通時，電容 C01將通過 VT1，和變壓器 T1的初級繞組 N1放電，同時，電容 C02則通過輸入電源、 VT1和 VI的初級繞組 Nl充電、中點 A 的電位在充放電過程中將按指數(shù)規(guī)律下降。在VTl導通終了時， VA 將下降至 VI/2— ? VI；接著是一對晶體管都截止的期間，此時， VCE1=VC01， VCE2=VC02都接近輸入電源電壓的一半；當 VT2激勵導通時，電容 C01將被充電，電容 C02將放電，中點 A 電位在 VT2導通終了時將增至 VI/2+? VI，即中點 A 的電位在開關過程中將在 VI/2 的電位上以177。 ? VI的幅度作指數(shù)變化。 當一個晶體管導通時，截止晶體管上加的電壓約為等于輸入電壓，晶體管由導 通轉(zhuǎn)為截止的過程中，漏感引起的尖峰電壓被二極管鉗位，因此，開關管上承受的最高電壓不超過電源電壓。而且，晶體管的數(shù)量只是全橋式的一半，這是其優(yōu)點。但要得全橋和推挽式電路相同的輸出功率，開關晶體管必須流經(jīng)兩倍的電流，因此，一般適宜獲得中等功率輸出。然而半橋式電路具有抗不平衡能力。為此，獲得其廣泛應用。 正向激勵功率轉(zhuǎn)換電路 加在變壓器上電壓是振幅等于輸入電壓 VI，寬度為開關導通時間 TON沖波形。變壓器次級側電壓經(jīng)過極管整流變?yōu)橹绷?。正激變換器的優(yōu)點： (1)正激變換器的銅損較低。因為使用無氣隙的 鐵芯，電感值較高，原邊與副邊的峰值電流較小。因此，銅損較小。在多數(shù)情況下，減小程度不足以允許使用小一級尺寸的鐵芯，但會使變壓器的溫度稍為降低一些。 (2)副邊紋波電流明顯衰減。因為，在一定輸出負載時，輸出電感器和續(xù)流二極管的存在使得儲能電容電流保持在較小的數(shù)值上。正激變換器的能量儲存于輸出電感器是有利于負載的，儲能電容可以取得很小，因它只用來協(xié)助降低輸出紋波電壓。而且相對反激變換器而言，電容上通過紋波電流定額值要求小一些。 (3)如果加假負載，則效率會在同等功率輸出下，正激變換器集電極峰值電流小得多，開關管 Tr 的峰值電流較低。理由同 (1)。 (4)因為紋被電流小，紋被電壓小。 反向激勵功率轉(zhuǎn)換電路 工作原理簡介如下：在晶體管 VT 1 導通期間，變壓器 T1 的初級繞組N1中電流線性增長 (VI=Ldi/dt )，繞組電感中存儲能量 (1／ 2Li2)，此時， T1的次級側的二極管 VD1 阻斷電流流通；在晶體管 VT 1 截止期間，電感中存儲的能量通過二極管 VD1 釋放給負載：反激變換器雖然不需要電感，但有開關管 (包括原邊和副邊繞組 )和濾波電容紋波電流大的不足；缺點是晶體管的尖峰電流較大，需要較大的濾波電容等。此電路適用于輸 出功率為 200W 的電源。 單端正激變換器主回路如圖 34 所示。它是在 Buck 電路的開關 S 與續(xù)流二極管 D 之間加入單端變壓隔離器而得到的。 CD2D1D3T1T R A N S 1P1RLP2TTI G B T 圖 33 單端正激變換電路原理圖 由于正激式變換器的隔離元件 T1 純粹是個變壓器，因此在輸出端需附加一個電感器 L 作為能量的儲藏及傳送元件。電路中必有一個續(xù)流二極管，同時也要注意到變壓器原邊和副邊線圈具有相同的同銘端。由于是正激工作方式，副邊有電感器，折算至原邊電感量較大。一般電感量越大越好，使得 IP較小。變壓器 T1的另一個繞組 P2與二極管 Dl串 聯(lián)后接至 Vs。這個繞組主要起去磁復位的作用。 工作原理 在 Tr導通時，在原邊繞組接向電源 Vs，同一時間內(nèi)，副邊繞組把能量傳遞到輸出端。當 Tr 關斷時，續(xù)流二極管 D3和儲能元件 L構成放能的回路，繼續(xù)對負載電阻 R0供能。 當晶體管 TT 導通時，設副邊電壓為 Vs’，則電感 L 內(nèi)的電流將直線增加，如下式所示： L VVdtdi SL 039。 ?? （ 32） 當晶體管 Tr 關斷時，由于反激作用，電感上電壓反向， D3導通，構成續(xù)流回路，而電感上的電壓等于輸出電壓 Vo(忽略 二極管壓降 )， L 上電流 iL的衰減由下式定義： LVdtdiL 0?? （ 33） 由上式可知，電感 L 的大小，只是影響 diL/dt, 或者說，影響電流的峰 — 峰值。電流平均值應與