【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)一步提高電源進(jìn)入更廣 闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。 （ 2）高效率 作為電源，效率是重要的關(guān)鍵指標(biāo)之一。高頻化的結(jié)果，使開關(guān)損耗顯著增加。因此，80 年代后期以來，軟開關(guān)變換技術(shù)始終是電源技術(shù)研究的熱門課題。軟開關(guān)技術(shù)理論上可使開關(guān)損耗降為零。實(shí)際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由 80%提高到 90%以上，達(dá)到高頻率、高效率的功率變換。 （ 3）電源電路的模塊化、集成化 電源技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源 的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛的應(yīng)用 ，并且派生出新的供電體制 — 分布式供電，是集中供電單一體制走向多元化。 （ 4）電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)意識(shí)超越區(qū)域融貫全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備生產(chǎn)廠家必須接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等種種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的認(rèn)證 [3]。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo) 衡量一臺(tái)穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來看，即容量大小 (輸出電壓和輸出電流 )、調(diào)節(jié)范圍大小、效率高低等，人們稱其為使用指標(biāo)或性能指標(biāo) ； 另一方面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來 看，這些稱為電氣指標(biāo) ； 更重要的是要看它的質(zhì)量高低，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)量指標(biāo)。下面重點(diǎn)介紹質(zhì)量指標(biāo)。 （ 1） 穩(wěn)壓系數(shù) 穩(wěn)壓系數(shù)有絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變而輸入交流電壓變化時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓變化量△ U。與輸入交流電壓變化量△ Ui之比，即 oiK?ΔUΔU （ 11） 它表示輸入交 流電壓變化△ Ui引起輸出電壓變化△ U。越小輸出電壓就越穩(wěn)定。這種表示方法在工程中常常用到相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓 U。的相對(duì)變化量△ Uo/U。與輸入交流電壓 Ui的相對(duì)變化量△ Ui/Ui之比，即 ： ooiiUUK UU?ΔΔ （ 12） （ 2） 電壓調(diào)整率 電壓調(diào)整率表示負(fù)載電流為額定值時(shí)輸入交流電壓在額定值上下變化 177。 10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量 (百分?jǐn)?shù) )，即 ouoS = 100%?Δ UU （ 13） 一般直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率為 1%， %， %等。有的也可以用絕對(duì)值表示。 （ 3） 負(fù)載調(diào)整率 (也稱電流調(diào)整率 ) 在交流電源額定電壓的條件下，負(fù)載電流從零變化到最大時(shí)，輸出電壓的最大相對(duì)變化量，用百分?jǐn)?shù)表示 oioS = 100%? ?Δ UU （ 14） （ 4） 輸出電阻 (也稱內(nèi)阻 ) 在額定輸出電壓的條件下，負(fù)載電流變化△ IL引起輸出電壓變化△ U。，則輸出電阻 為 ooR=LΔUΔI （ 15） （ 5） 最大紋波電壓 在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波 (包括噪聲 )電壓的絕對(duì)值大小，通常以峰值或有效值表示。 鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 6 （ 6） 紋波系數(shù) Y 在額定輸出電壓和額定電流條件下，輸出紋波電壓的有效值 Urms與輸出直流電壓 U。之比，即 ： rmso 100%?UΥ = U （ 16） （ 7） 溫度漂移和溫度系數(shù) 環(huán)境溫度的變化 會(huì)影響元器件參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化，稱為溫度漂移。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小，溫度每變化 1℃ 所引起輸出電壓值的變化△ UoT稱為絕對(duì)溫度系數(shù)，單位是 V/℃ 或 mV/℃ 。溫度每變化 1℃ 所引起的輸出電壓相對(duì)變化△ UoT/UoT稱為相對(duì)溫度系數(shù)。 （ 8） 漂移 穩(wěn)壓電源在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，經(jīng)過一定的工作時(shí)間后元器件參數(shù)的不穩(wěn)定也會(huì)造成輸出電壓的變化，慢變化叫做漂移，快變化叫噪聲。在一般使用中只考慮漂移就可以了。 表示漂移的方法有兩種，一種是用指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓值的變化 △ Uot來表示 ； 另一種是用指定時(shí)間內(nèi)輸出電壓的相對(duì)變化△ Uot/Uot來表示?？疾炱茣r(shí)間可以定為 1 分鐘、 10分鐘、 1 小時(shí)、 8 小時(shí)或更長(zhǎng) [4]。 課題簡(jiǎn)介 本課題的研究思路 基本思路是采用變頻技術(shù)和功率轉(zhuǎn)換電路，將工頻電壓整流并濾波后， 經(jīng) 輸入功率轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l方波交流電壓 (20kHz 以上 )后，再經(jīng)高頻變壓器降 壓 后 根據(jù)反饋電壓實(shí)現(xiàn)直流電壓的恒定。 利用 UC3842 模塊作為控制電路，反激電路為主電路拓?fù)?，再加些保護(hù)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一個(gè) 電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高 的 輸入為 交流 85V～265V,輸出為直流 12V 的 新型開關(guān)電源。 課題意義 隨著微型電子設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，而濾波電感、電容和變壓器在電力電子裝置的體積和重量占很大比例，提高開關(guān)頻率，可以相應(yīng)地提高濾波器的截止頻率，從而可以選用較小的電感和電容使得濾波器的體積減小。 可見，電力電子裝置小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻化。 本設(shè)計(jì)通過提高 電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性 ，提高高頻開關(guān)電源的性能。 研究開發(fā)低成本的 各項(xiàng)性能優(yōu)良的高頻 開關(guān)電源 ， 適應(yīng)微型電子設(shè)備的發(fā)展方向， 符合節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)情，對(duì)加速國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 研究方法 在本課題中，先對(duì)開關(guān)電源的基本原理進(jìn)行分析介紹，再對(duì)開關(guān)電源主電路的各個(gè)基本拓?fù)溥M(jìn)行分析對(duì)比，和介紹了 UC3842 模塊的功能， 最后根據(jù)本次設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)選擇反激電路為主電路拓?fù)?。采用的?PWM 控制方式，利用 UC3842 作為控制保護(hù)電路， 精密可調(diào) 穩(wěn)壓源 TL431 和線性光耦 PC817 作為反饋電路， 設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。 然后通過用 Matalable 對(duì)系統(tǒng) 輸出的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿 真分析。 鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 8 第 2 章 開關(guān)電源 的結(jié)構(gòu)形式 DC/DC變換器 DC/DC 變換是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。 按輸入與輸出是否隔離可分為非隔離式開關(guān)變換器和隔離式開關(guān)變換器。 非隔離式開關(guān)變換器 非隔離式開關(guān)變換器在電氣上輸入與輸出不隔離的?？煞譃?Buck 電路、 Boost 電路、BuckBoost 電路 、 Cuk 電路、 Zeta 電路、 Sepic 電路。 (1)Buck 電路： 降壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo小于輸入電壓 Ui，極性相 同。 (2)Boost 電路： 升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo大于輸入電壓 Ui，極性相同。 (3)BuckBoost 電路 ： 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo大于或小于輸入電壓 Ui， 極性相反，電感傳輸。 (4)Cuk 電路： 降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 Uo大于或小于輸入電壓 Ui，極性相反，電容傳輸。 隔離式 開關(guān)變換器 隔離式開關(guān)變換器 是高頻變壓器將變換器的一次側(cè)（輸入）與二次側(cè)（輸出）隔離。隔離式直流開關(guān)變換器分為如下的幾種 : 單端反激型開關(guān)電源變換器 圖 21 所示為單端反激型開關(guān)電源 的主回路，當(dāng)功率晶體管 VT 導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器的原邊電壓等于輸入電源電壓 Ui ，其極性為上正下負(fù)。與之對(duì)應(yīng)的高頻變壓器副邊電壓為上負(fù)下正，此時(shí)整流二極管 VD1承受的是反向偏置電壓，故不導(dǎo)通。負(fù)載 RL流過 的電流是靠輸出電容 Co的放電電流來提供，此時(shí)，高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來 。 而在晶體管受控截止時(shí)，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變 ， 整流二極管 VD1(和反相型開關(guān)電源中的續(xù)流二極管相對(duì)應(yīng) )由反偏變?yōu)檎珜?dǎo)通，高頻變壓器就將原先儲(chǔ)存的磁能變?yōu)殡娔?，通過整流二極管向負(fù)載供電和向輸出電容 CO充電。此電路的整流二極管 VD1是在功率晶體管截止時(shí)才導(dǎo)通的。故稱此電路為反激型電路。 單端反激式變換器輸出波紋電壓大，電壓和電流調(diào)整率低。要提高性能指標(biāo)，可以增大濾波電容和輔助 LC 濾波器，或者在其二次測(cè)再串聯(lián)一線性集成穩(wěn)壓器，這樣勢(shì)必增大體積和成本，消弱了本來具有的優(yōu)點(diǎn)。因此，單端反激變換器多用于 100W 左右的小功率電源，且對(duì)電源性能指標(biāo)要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 21 單端反激型開關(guān)電源主回路 單端正激型開關(guān)電源變換器 圖 22 所示為單端正激型開關(guān)電源的主回路， 當(dāng)功率晶體管 VT 導(dǎo)通時(shí)，整流二極管VD1也同時(shí)導(dǎo)通。輸入電能通過 整流二極管 VD1傳遞給負(fù)載，同時(shí)將部分能量?jī)?chǔ)存在輸出回路 (即高頻變壓器副邊回路 )中的儲(chǔ)能電感 L中，故這種開關(guān)電源稱為單端正激型開關(guān)電源。當(dāng)功率晶體管 VT 截止時(shí)，電感 L 中的儲(chǔ)能流經(jīng)負(fù)載并通過二極管 VD2續(xù)流釋放。 VD1為整流二極管， VD2是續(xù)流二極管， L 為儲(chǔ)能濾波電感， C0為輸出濾波電容。繞組 W3和 VD3構(gòu)成磁復(fù)位電路，反激時(shí)將磁化能量返回至電源。 圖 22 單端正激型開關(guān)電源主回路 3 、多端式變換器 多端式變換器的主要回路最基本的有以下三種 :推挽、半橋、全橋。 （ 1） 推挽 電路 如圖 23 所示。 變壓器是 具有中間抽頭的變壓器，原邊繞組 W11和 W12匝數(shù)相等，均為N1 ；副邊繞組 W21和 W22匝數(shù)也相等，均為 N2 ，繞組間同名端如圖 23 所示。開關(guān) VT1和 VT2均采用 PWM 控制方式，且開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通。變壓器右側(cè)的整流電路采用由二極管VD1和 VD2構(gòu)成的全波整流電路， L2為輸出濾波電感， C 為輸出濾波電容。推挽電路可看成鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 10 是兩個(gè)正激電路的組合，這兩個(gè)正激電路的開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通，故變壓器磁芯是交變磁化的。 推挽電路中，開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通，在原邊繞組 W11和 W12兩端分別形成幅值為 Ui的交 流電壓。改變開關(guān) VT1和 VT2的占空比，就可改變二次整流電壓 Ud的平均值，也就改變了輸出電壓 Uo 。開關(guān) VT1導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD1導(dǎo)通，開關(guān) VT2導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD2導(dǎo)通；當(dāng)開關(guān) VT1和 VT2都關(guān)斷時(shí)，二極管 VD1和 VD2都導(dǎo)通，各分擔(dān)電感電流的 1/2。開關(guān) VT1或 VT2導(dǎo)通時(shí)，輸出濾波電感 L的電流逐漸上升；開關(guān) VT1和 VT2都關(guān)斷時(shí)，電感 L的電流逐漸下降。開關(guān) VT1或 VT2關(guān)斷時(shí)承受的峰值電壓均為 2Ui 。 圖 23 推挽式開關(guān)電源主回路 （ 2）半橋電路 如圖 24所示。變壓器是具有中間抽頭的變壓器， 原邊繞組 W1的匝數(shù)為 N1 ；副邊繞組W21和 W22匝數(shù)相等，均為 N2 ，繞組間同名端如圖 24所示。兩個(gè)容量相等的電容 C1和 C2構(gòu)成一個(gè)橋臂，由于電容 C1和 C2的容量大，故 Uc1=Uc2=U2/2。開關(guān) VT1和 VT2構(gòu)成另一個(gè)橋臂，VT1和 VT2均采用 PWM 控制方式，且開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通。變壓器右側(cè)的整流電路仍采用由二極管 VD1和 VD2構(gòu)成的全波整流電路， L 為輸出濾波電感， C4為輸出濾波電容。 電容器C3用于隔直流成分，防止磁飽和的發(fā)生。 在半橋型電路中，變壓器原邊繞組兩端分別連接在開關(guān) VT1 和 VT2 的連接點(diǎn)和電容 C1和 C2的連接點(diǎn)。電容 C1和 C2的電壓分別為 Ui/2。開關(guān) VT1和 VT2交替導(dǎo)通，使變壓器原側(cè)形成幅值為 Ui/2 的交流電壓。改變開關(guān) VT1和 VT2的占空比，就可改變二次整流電壓 Ud的平均值，也就改變了輸出電壓 Uo 。開關(guān) VT1和 VT2關(guān)斷時(shí)承受的峰值電壓均為 Ui ，是推挽電路的 1/2。故半橋電路適用于在輸入電壓較高的場(chǎng)合 。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 24 半橋式開關(guān)電源主回路 （ 3）全橋電路 如圖 25 所示。 變壓器原邊繞組 W1的匝數(shù)為 N1 ， 副邊繞組 W2匝數(shù)為 N2 ，繞組間同名端如圖所示。開關(guān) VT1 、 VT2和開關(guān) VT3 、 VT4分別構(gòu)成一個(gè)橋臂， VT1 、 VT2 、 VT3 、 VT4均采用 PWM控制方式?；閷?duì)角的 2 個(gè)開關(guān) VT1 、 VT4和 VT2 、 VT3同時(shí)導(dǎo)通，同一橋臂上、下 2個(gè)開關(guān) VT1 、 VT2和 VT3 、 VT4交替導(dǎo)通。變壓器右側(cè)的整流電路采用，由二級(jí)管 VD1 、 VD2 、VD3 、 VD4 構(gòu)成的全橋整流電路， L 為輸出電感， C2 為輸出濾波電容。串接在變壓器一次繞組的電容器 C1 ， 和 半橋電路的作用相同，用于隔直流成分，防止磁飽和發(fā)生。 在全橋電路中，變壓器原邊