【文章內容簡介】 體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取 代傳統(tǒng)技術制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應用于電子整機與設備中。 20 世紀 80 年代，計算機全面實現(xiàn)了 開關電源化，率先完成計算機的電源換代。 20 世紀 90 年代，開關電源在電子、電器設備 、家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發(fā)展期。 開關型穩(wěn)壓電源采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調整輸出電壓。以功率晶體管（ GTR）為例，當開關管飽和導通時，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零；當開關管截止時，其集電極電流為零。所以其功耗小，效率可高達 70％－ 95％。而功耗小，散熱器也隨之減小。開關型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)電壓進行整流、濾波、調整，然后由開關調整管進行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開關電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點。 另 外，由于功耗小，機內溫升低，提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對電網(wǎng)的 適應能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍220177。10％，而開關型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在 110－ 260 伏范圍內變化時，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。 智能穩(wěn)壓電源設計 7 開關電源的高頻化是電源技術發(fā)展的創(chuàng)新技術，高頻化帶來的效益是使開關電源裝置空前地小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有深遠的意義。 目前 市場上開關電源中功率管多采用雙極 型晶體管，開關頻率可達幾十千赫； 采用 MOSFET 的開關電源轉換頻率可達幾百千赫。為提高開關頻率，必須采用高速開關器件。對于兆赫以上開關頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關方式。它可以極大地提高開關速度，理論上開關損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關電源工作頻率的一種方式。 研究 主要 內容 設計一個具有設置功能、步進功能和顯示功能的開關穩(wěn)壓電源，其指標為： 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％ 任意可預置輸出， 步進 V 8 第二章 開關穩(wěn)壓電源的原理 開關 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，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?開關電源的調整管工作在飽和和截止區(qū)。 控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的 開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。開關式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖 21 所示 ： 圖 21 開關電源基本電路框圖 開關式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調制型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩(wěn)壓電源 [5]。 智能穩(wěn)壓電源設計 9 圖 22 調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理 對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。可由公式計算 ， 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 Um 與 T 不變時，直流平均電壓 Uo 將與脈沖寬度T1 成正比。這樣，只要我們設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。 開關電源 常見 電路 1．降壓 （串聯(lián)） 式開關電源 降壓式開關電源的典型電路如圖 23所示。當開關管 VT1 導通時，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中的儲能增加。當開關管 VT1 截止時，電感 Ｌ 感應出左負右正的電壓，經(jīng)負 載 RL 和續(xù)流二極管 VD1 釋放電感Ｌ中存儲的能量，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現(xiàn)。 2．升壓 （并聯(lián)） 式開關電源 升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如 圖 24 所示。當開關管 VT1 導通時，電感Ｌ儲存能量。當開關管 VT1 截止時，電感Ｌ感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管 VD1 向負載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關電源。 圖 24 升壓式開關電源 3．自激式開關穩(wěn)壓電源 自激式開關穩(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電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。 圖 25 自激式開關電源 當接入電源后在 R1 給開關管 VT1 提供啟動電流，使 VT1 開始導通，其集電極電流 Ic 在 L1 中線性增長，在 L2 中感應出使 VT1 基極為正，發(fā)射極為負的正反饋電壓，使 VT1 很快飽和。與此同時，感應電壓給 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 中感應出使 VT1 基極為負、發(fā)射極為正的電壓，使 VT1 迅速截止，這時二極管 VD1 導通，高頻變壓器Ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在 VT1 截止時，智能穩(wěn)壓電源設計 11 L2 中沒有感應電壓，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，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復振蕩下去。這里就像單端反激式開關電源 那樣，由變壓器Ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。 自激式開關電源中的開關管起著開關及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。 4．推挽式開關電源 推挽式開關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。電路使用兩個開關管 VT1 和 VT2，兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止，在變壓器Ｔ次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹?流電壓 。 圖 26 推挽式開關電源 這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅動，主要缺點是開關管的耐壓要達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。 5．反轉式開關電源 反轉式開關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電源。無論開關管 VT1 之前的脈動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 反轉式開關電源 當開關管 VT1 導通時，電感 L 儲存能量，二極管 VD1 截止，負載 RL 靠電容 C 上次的充電電荷供電。當開關管 VT1 截止時，電感Ｌ中的電流繼續(xù)流通，并感應出上負下正的電壓，經(jīng)二極管 VD1 向負載供電，同時給電容Ｃ充電。 開關電源器件 開關晶體管 開關晶體管內部含有兩個 PN 結 ，外部通常為三個引出電極的 半導體 器件。它對電信號有放大和開關等作用， 應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管 晶體管邏輯電路，書刊和實用中都簡稱為 TTL 電路，它屬于 半導體集成電路 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，封裝成一個獨立的元件。半導體三極管是電路中應用最廣泛的器件之一，在電路中用“ V”或“ VT”（舊文字符號為“ Q”、“ GB”等）表示。 半導體三極管主要分為兩大類：雙極性晶體管（ BJT）和場效應晶體管（ FET）。晶體管有三個極；雙極性晶體管的三個極，分別由 N 型跟 P 型組成發(fā)射極（ Emitter）、基極 (Base) 和集電極（ Collector）；場效應晶體管的三個極，分別是源極（ Source）、柵極（ Gate）和漏極（ Drain）。晶體管因為有三種極性，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。最常用的用途應該是屬于訊號放大這一方面，其次是 阻抗匹配 、訊號轉換等，晶體管在電路中是個很重要的組 件，許多精密的組件主要都是由晶體管制成的。 三極管的導通 ， 三極管處于放大狀態(tài)還是開關狀態(tài)要看給三極管基極加的直智能穩(wěn)壓電源設計 13 流偏置，隨這個電流變化，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）一定時，三極管工作在線性區(qū)，此時 Ic 電流的變化只隨著 Ib 的交流信號變化， Ib繼續(xù)升高，三極管進入飽和狀態(tài)，此時三極管的 Ic 不再變化，三極管將工作在開關狀態(tài)。 PWM 控制器 控制器發(fā)展 20 多年來，集成開關電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對開關電源的核心單元控制電路實現(xiàn)集成化。 1977 年國外首先研制成脈寬調制（ PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、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，國外又研制出開關頻率達 1MHZ的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182 UC1864。 一般時間控制法有三種，即脈沖寬度控制（調寬 PWM）、脈沖頻率控制（ PFM）和混合式控制（調頻 — 調寬）。用的比較多的還是 PWM, 近幾年變頻調速技術獲得不斷的進步和發(fā)展特別是在家用電器行業(yè)方面的應用。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，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)點成為主流產(chǎn)品 [7]。 與微處理技術 典型 PWM 調速控制芯片特點隨著微處理器技術的發(fā)展，其與 PWM 技術相結合，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 )來產(chǎn)生 SPWM。該方案只須采用單個芯片，功能強、靈活、易于保密，但所有的 PWM 信號的產(chǎn)生均需占用 CPU 大量的工作時 間，軟件開發(fā)周期長，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。如 Mullard 公司的 HEF4752,無須微處理器配合，屬于純硬件實現(xiàn)方法，使用簡單，省去編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實現(xiàn)更多的功能。 14 (3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結合的方式，可以兼具靈活、簡單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點，如 Siemens 公司的 SEL4520,Mitel公司的SA4828 等，但成本較高。 (4)采用專用調速控制芯片。此類芯片內部集成有 PWM 發(fā)生器、 A/D 轉換器、EPROM/EEPROM 或快速可擦寫存儲器 FlashMemory 等適用于電動淚 L 調速的外圍硬件設備，大大減少 CPU 的十預時間，保證 CPU 可以實現(xiàn)更多復雜的控制功能。這類芯片很多，如東芝公司的八位單片機 TMP88CK49/CM49,Motorola 公司的八位單片機 MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微處理器 8XC196MC。特別是高速運算能力 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現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場定向控制、無速度傳 感器矢量控制等 [8]。 智能穩(wěn)壓電源設計 15 第三 章 智能穩(wěn)壓電源的硬件設計 穩(wěn)壓電源方案論證 方案一：采用線性電源做為主電路，技術成熟，性能優(yōu)良、穩(wěn)定設計與制造簡單，輸出紋波電壓低，電磁干擾低。但 內部功耗大，轉換效率低，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；輸出電壓動態(tài)范圍小，線性調整率低；輸出電壓不能高于輸入電壓 [9]。 方案二：采用開關電源作為主電路，效率高，體積小，能夠處理較高的電源密度，拓撲學結構可用于傳遞單個或多個輸出電壓。 經(jīng)過比較 篩選和論文要求參數(shù)指標，本設計采用開關電源做為智能穩(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 脈沖信號來完成 功率極的飽和 和截止，通過開關變壓器傳到次級，再通過變壓比將電壓降低 為一個 18V/+18V 的工作電壓 供各個電路工作。振蕩脈沖 的 負半周到來，電源調整管的基極 或可控硅的控制極電壓低于原來的設置電壓，電源調整管截止， 310V 電源 被關斷，開關變壓器次級沒電