【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取 代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。 20 世紀(jì) 80 年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了 開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。 20 世紀(jì) 90 年代，開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備 、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。 開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（ GTR）為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零。所以其功耗小，效率可高達(dá) 70％－ 95％。而功耗小，散熱器也隨之減小。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關(guān)電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 另 外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對(duì)電網(wǎng)的 適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍220177。10％，而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在 110－ 260 伏范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 7 開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前地小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。 目前 市場(chǎng)上開關(guān)電源中功率管多采用雙極 型晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫； 采用 MOSFET 的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。 研究 主要 內(nèi)容 設(shè)計(jì)一個(gè)具有設(shè)置功能、步進(jìn)功能和顯示功能的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其指標(biāo)為： 輸出電壓：177。 5V 177。 15V 輸出電流： Io≥ 2A 紋波系數(shù)： Vm≤ 5mV 穩(wěn)定度：△ Vo/Vo 100％≤ 1％ 任意可預(yù)置輸出， 步進(jìn) V 8 第二章 開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理 開關(guān) 穩(wěn)壓電源的 工作原理 交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止區(qū)。 控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的 開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖 21 所示 ： 圖 21 開關(guān)電源基本電路框圖 開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源 [5]。 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 9 圖 22 調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理 對(duì)于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓 Uo 取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Ｕ?？捎晒接?jì)算 ， 即Uo=UmT1/T 式中 Um 為矩形脈沖最大電壓值； T為矩形脈沖周期； T1 為矩形脈沖寬度 。 從上式可以看出，當(dāng) Um 與 T 不變時(shí)，直流平均電壓 Uo 將與脈沖寬度T1 成正比。這樣，只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 開關(guān)電源 常見 電路 1．降壓 （串聯(lián)） 式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖 23所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng) VT1 和 L 向 Ｃ 充電，這一電流使電感Ｌ中的儲(chǔ)能增加。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 Ｌ 感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù) 載 RL 和續(xù)流二極管 VD1 釋放電感Ｌ中存儲(chǔ)的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在 VT1 基極上的脈沖寬度確定 [6]。 圖 23 降壓式開關(guān)電源 這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、 10 電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。 2．升壓 （并聯(lián)） 式開關(guān)電源 升壓式開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如 圖 24 所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感Ｌ儲(chǔ)存能量。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。 圖 24 升壓式開關(guān)電源 3．自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如 25 所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。 圖 25 自激式開關(guān)電源 當(dāng)接入電源后在 R1 給開關(guān)管 VT1 提供啟動(dòng)電流，使 VT1 開始導(dǎo)通，其集電極電流 Ic 在 L1 中線性增長(zhǎng)，在 L2 中感應(yīng)出使 VT1 基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。與此同時(shí)，感應(yīng)電壓給 C1 充電，隨著 C1 充電電壓的增高， VT1 基極電位逐漸變低，致使 VT1 退出飽和區(qū)， Ic 開始減小，在 L2 中感應(yīng)出使 VT1 基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1 迅速截止，這時(shí)二極管 VD1 導(dǎo)通，高頻變壓器Ｔ初級(jí)繞組中的儲(chǔ)能釋放給負(fù)載。在 VT1 截止時(shí)，智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 11 L2 中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng) R1 給 C1 反向充電，逐漸提高 VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源 那樣，由變壓器Ｔ的次級(jí)繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級(jí)且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 4．推挽式開關(guān)電源 推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖 26 所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個(gè)開關(guān)管 VT1 和 VT2，兩個(gè)開關(guān)管在外激勵(lì)方波信號(hào)的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器Ｔ次級(jí)統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹?流電壓 。 圖 26 推挽式開關(guān)電源 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在 100500Ｗ范圍內(nèi)。 5．反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖 27 所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管 VT1 之前的脈動(dòng)直流電壓高于或低于輸 出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。 12 圖 27 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感 L 儲(chǔ)存能量，二極管 VD1 截止，負(fù)載 RL 靠電容 C 上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感Ｌ中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1 向負(fù)載供電，同時(shí)給電容Ｃ充電。 開關(guān)電源器件 開關(guān)晶體管 開關(guān)晶體管內(nèi)部含有兩個(gè) PN 結(jié) ，外部通常為三個(gè)引出電極的 半導(dǎo)體 器件。它對(duì)電信號(hào)有放大和開關(guān)等作用， 應(yīng)用十分廣泛。輸入級(jí)和輸出級(jí)都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管 晶體管邏輯電路，書刊和實(shí)用中都簡(jiǎn)稱為 TTL 電路，它屬于 半導(dǎo)體集成電路 的一 種，其中用得最普遍的是 TTL與非門。 TTL 與非門是將若干個(gè)晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的 硅片 上，封裝成一個(gè)獨(dú)立的元件。半導(dǎo)體三極管是電路中應(yīng)用最廣泛的器件之一，在電路中用“ V”或“ VT”（舊文字符號(hào)為“ Q”、“ GB”等）表示。 半導(dǎo)體三極管主要分為兩大類：雙極性晶體管（ BJT）和場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ FET）。晶體管有三個(gè)極；雙極性晶體管的三個(gè)極，分別由 N 型跟 P 型組成發(fā)射極（ Emitter）、基極 (Base) 和集電極（ Collector）；場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三個(gè)極，分別是源極（ Source）、柵極（ Gate）和漏極（ Drain）。晶體管因?yàn)橛腥N極性，所以也有三種的使用方式，分別是發(fā)射極接地（又稱共射放大、 CE組態(tài)）、基極接地、集電極接地。最常用的用途應(yīng)該是屬于訊號(hào)放大這一方面，其次是 阻抗匹配 、訊號(hào)轉(zhuǎn)換等，晶體管在電路中是個(gè)很重要的組 件，許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。 三極管的導(dǎo)通 ， 三極管處于放大狀態(tài)還是開關(guān)狀態(tài)要看給三極管基極加的直智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 13 流偏置，隨這個(gè)電流變化，三極管工作狀態(tài)由截止 線性區(qū) 飽和狀態(tài) 變 化而變， 如果三極管 Ib（直流偏置點(diǎn)）一定時(shí)，三極管工作在線性區(qū)，此時(shí) Ic 電流的變化只隨著 Ib 的交流信號(hào)變化， Ib繼續(xù)升高，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)三極管的 Ic 不再變化，三極管將工作在開關(guān)狀態(tài)。 PWM 控制器 控制器發(fā)展 20 多年來，集成開關(guān)電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對(duì)開關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。 1977 年國(guó)外首先研制成脈寬調(diào)制（ PWM）控制器集成電路，美國(guó)摩托羅拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相繼推出一批 PWM 芯片，典型產(chǎn)品有 MC3520,SG3524,芯片。 90年代以來，國(guó)外又研制出開關(guān)頻率達(dá) 1MHZ的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182 UC1864。 一般時(shí)間控制法有三種，即脈沖寬度控制（調(diào)寬 PWM）、脈沖頻率控制（ PFM）和混合式控制（調(diào)頻 — 調(diào)寬）。用的比較多的還是 PWM, 近幾年變頻調(diào)速技術(shù)獲得不斷的進(jìn)步和發(fā)展特別是在家用電器行業(yè)方面的應(yīng)用。低廉、節(jié)能、高效、 靜音以及高可靠性的變頻產(chǎn)品成為趨勢(shì)，各種新型的 PWM 控制芯片不斷涌現(xiàn)。數(shù)字化的 PWM 控制芯片相對(duì)模擬 PWM 控制芯片 (如 TL494,SG3525,UC3844 等 )，因其抗干擾、抗溫漂等方面的優(yōu)點(diǎn)成為主流產(chǎn)品 [7]。 與微處理技術(shù) 典型 PWM 調(diào)速控制芯片特點(diǎn)隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，其與 PWM 技術(shù)相結(jié)合，形成了各類特色的控制方案，主要可分為以下幾類 ： (1)采用單一的通用微處理器 (單片機(jī) )來產(chǎn)生 SPWM。該方案只須采用單個(gè)芯片，功能強(qiáng)、靈活、易于保密，但所有的 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生均需占用 CPU 大量的工作時(shí) 間，軟件開發(fā)周期長(zhǎng)，通用性差，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 (2)采用專用大規(guī)模集成電路產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)。如 Mullard 公司的 HEF4752,無須微處理器配合，屬于純硬件實(shí)現(xiàn)方法，使用簡(jiǎn)單，省去編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實(shí)現(xiàn)更多的功能。 14 (3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結(jié)合的方式，可以兼具靈活、簡(jiǎn)單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點(diǎn)，如 Siemens 公司的 SEL4520,Mitel公司的SA4828 等，但成本較高。 (4)采用專用調(diào)速控制芯片。此類芯片內(nèi)部集成有 PWM 發(fā)生器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、EPROM/EEPROM 或快速可擦寫存儲(chǔ)器 FlashMemory 等適用于電動(dòng)淚 L 調(diào)速的外圍硬件設(shè)備，大大減少 CPU 的十預(yù)時(shí)間，保證 CPU 可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜的控制功能。這類芯片很多，如東芝公司的八位單片機(jī) TMP88CK49/CM49,Motorola 公司的八位單片機(jī) MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微處理器 8XC196MC。特別是高速運(yùn)算能力 DSP 核的嵌入常見的如 TI 公司的 TM5320F24X 系列、 AD 公司的 ADMCF32X 系列，使得此類芯片完全可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場(chǎng)定向控制、無速度傳 感器矢量控制等 [8]。 智能穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 15 第三 章 智能穩(wěn)壓電源的硬件設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源方案論證 方案一：采用線性電源做為主電路，技術(shù)成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定設(shè)計(jì)與制造簡(jiǎn)單，輸出紋波電壓低，電磁干擾低。但 內(nèi)部功耗大，轉(zhuǎn)換效率低，一般只有45％；體積大，重量重，不便于微型化和小型化；必須具有較大的輸入和輸出濾波電容；輸出電壓動(dòng)態(tài)范圍小，線性調(diào)整率低；輸出電壓不能高于輸入電壓 [9]。 方案二：采用開關(guān)電源作為主電路，效率高，體積小，能夠處理較高的電源密度，拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)可用于傳遞單個(gè)或多個(gè)輸出電壓。 經(jīng)過比較 篩選和論文要求參數(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)采用開關(guān)電源做為智能穩(wěn)壓電源的主電路。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)工作原理 : 220V 交流電壓經(jīng)過整流， 濾波后輸出 310V 直流電壓，通過在 控制極（可控硅）上加上 PWM 脈沖信號(hào)來完成 功率極的飽和 和截止，通過開關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過變壓比將電壓降低 為一個(gè) 18V/+18V 的工作電壓 供各個(gè)電路工作。振蕩脈沖 的 負(fù)半周到來，電源調(diào)整管的基極 或可控硅的控制極電壓低于原來的設(shè)置電壓，電源調(diào)整管截止， 310V 電源 被關(guān)斷，開關(guān)變壓器次級(jí)沒電