【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬，工作溫度高（可達(dá) 600176。 C），通態(tài)電阻小，導(dǎo)熱性90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 4 能好，漏電流極小， PN 結(jié)耐壓高等等。 電磁兼容方面。主要研究典型電路與系統(tǒng)的電磁干擾建模； PCB 板和電源 EMC 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件；強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體的危害；大功率開(kāi)關(guān)電源 EMC 測(cè)量方法的研究等。 新型電容器，研發(fā)適合于功率電源的新型電容器和超大電 容，要求電容量大、等效電阻 ESR 小、體積小等。 功率因數(shù)校正，許多國(guó)家也在研究性價(jià)比較高的功率因數(shù)校正技術(shù)。 低壓大電流，微處理器性能的不斷提高，低壓大電流開(kāi)關(guān)電源也隨之發(fā)展起來(lái)。例如電壓低達(dá) ~，而電流高達(dá) 50~100A 的開(kāi)關(guān)電源。 另外，還有采用波形交錯(cuò)技術(shù)，探尋省略濾波電容的可行性等。開(kāi)關(guān)電源還朝著模塊化方向發(fā)展。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，然而這么多電子設(shè)備，精密儀器的背后都需要有個(gè)穩(wěn)定輸出的電源做支持。從原有的線性穩(wěn)壓電源 到現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，不論從體積、功耗、性能上，都有質(zhì)的飛躍，并且開(kāi)關(guān)電源更容易實(shí)現(xiàn)多路不對(duì)稱輸出。這使得各種電子設(shè)備不同功能的需要都可以得到滿足。本課題主要研究的是輸出兩路隔離電壓的開(kāi)關(guān)電源，研究?jī)?nèi)容如下： 開(kāi)關(guān)電源的種類選擇 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的種類很多，分類方法也有多種。從推動(dòng)功率管的方式來(lái)分可分為自激式和它激式，在自激式開(kāi)關(guān)電源中由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來(lái)完成自激振蕩 。它激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源必須附加一個(gè)振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)脈沖加在開(kāi)關(guān)管上，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截至。按開(kāi)關(guān)管的個(gè)數(shù)及連 接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等，單端式開(kāi)關(guān)電源僅用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，全橋式則采用四個(gè)開(kāi)關(guān)管。按開(kāi)關(guān)管的連接方式，開(kāi)關(guān)電源分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源，串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管是串聯(lián)在輸入電壓與輸出負(fù)載之間的，屬于降壓式穩(wěn)壓電路 。而并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管是并聯(lián)在開(kāi)關(guān)電源之間的，屬于升壓式電路。 單端反激式開(kāi)關(guān)電源 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖 141 所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，高頻 變壓器 T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管 VD1 處于截止?fàn)顟B(tài)，副邊上沒(méi)有電流通過(guò)，能量?jī)?chǔ)存在高頻變壓器的初級(jí)繞組中。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，變壓器 T 副邊上的電壓極性顛倒，使初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量通過(guò) VD1 整流和電容 C 濾波后向負(fù)載輸出。 單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實(shí)現(xiàn)單路或多路輸出，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，可通過(guò)改變高頻變壓器的原、副邊繞組匝比使占空比保持在最佳范圍內(nèi)，且有較好的電壓調(diào)整率。其輸出功率為 20～ 100W。它也有其一定的90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 5 缺點(diǎn)，如開(kāi)關(guān)管截止期間所受反向電壓較高 ，導(dǎo)通期間流過(guò)開(kāi)關(guān)管的峰值電流較大。但這可以通過(guò)選用高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。單端反激式開(kāi)關(guān)電源使用的開(kāi)關(guān)管 VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在 20～ 200kHz 之間。 圖 141 單端反激式開(kāi)關(guān)電源 單端正激式開(kāi)關(guān)電源 單端正激式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖 142 所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)， VD2 也導(dǎo)通，這時(shí)電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感 L 儲(chǔ)存能量：當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止時(shí)，電感 L 通過(guò)續(xù)流二極管 VD3 繼 續(xù)向負(fù)載釋放能量。 在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管 VD1，它可以將開(kāi)關(guān)管 VT1 的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時(shí)問(wèn)應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于 50%。 由于這種電路在開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50～ 200W 的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，因此這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。 90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 6 圖 142 單端正激式開(kāi)關(guān)電源 自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖 143 所示。當(dāng)接入電源后在 R1 給開(kāi)關(guān)管 VT1提供啟動(dòng)電流 ，使 VT1 開(kāi)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(kāi)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)， L2 中沒(méi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，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)，具有輸入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。 90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 7 圖 143 自激式開(kāi)關(guān)電源 推挽式開(kāi)關(guān)電源 推挽式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖 144 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(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2，兩個(gè)開(kāi)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)繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸? 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開(kāi)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 100～ 500W 范圍內(nèi)。 圖 144 推挽式開(kāi)關(guān)電源 降壓式開(kāi)關(guān)電源 90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 8 降壓式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖 145 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，二極管 VD1 截止，輸入的整流電壓經(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(kāi)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。 圖 145 降壓式開(kāi)關(guān)電源 升壓式開(kāi)關(guān)電源 升壓式開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖 146 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感 L 儲(chǔ)存能量。當(dāng)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源。 圖 146 升壓式開(kāi)關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源的典型電路如圖 147 所示。這種電路又稱為升降壓式開(kāi)關(guān)電源。無(wú)論開(kāi)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。當(dāng)90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 9 開(kāi)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(kāi)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。降壓式、升壓式、反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒(méi)有絕緣隔離，統(tǒng)稱為斬波型直流變換器。 圖 147 反轉(zhuǎn)式開(kāi)關(guān)電源 一般來(lái)說(shuō)，功率很小的電源（ 1～ 100W）采用電路簡(jiǎn)單、成本低的反激型電路較好；當(dāng)電源功率在 100W 以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時(shí)，則應(yīng)采用正激型電路；對(duì)于功率大于 500W、工作條件較好的電源，則采用半橋或全 橋電路較為合理；如果對(duì)成本要求比較嚴(yán)，可以采用半橋電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋電路；推挽電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場(chǎng)合。 基于本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源是采用全控型電力電子器件作為開(kāi)關(guān)，利用控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)并制作出一種額定輸出功率為 90W 的通用的小功率開(kāi)關(guān)電源，主要采用UC384X、 PC817A 、 TL431 等專用芯片以及其他的電路元件相配合，使設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。因此，本設(shè)計(jì)就選擇了基于 UC384X 系列控制 IC 的單端反激式開(kāi)關(guān)電源。 90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 10 反饋電路的基本類型與選擇 單片開(kāi)關(guān)電源的反饋電路有 4 種基本類型：基本反饋電路；改進(jìn)型基本反饋電路；配TL431 的光耦反饋電路；配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路。它們的簡(jiǎn)化電路如圖 151 所示。 (a) 基本反饋電路； (b) 改進(jìn)型基本反饋電路； (c) 配 TL431 的光耦反饋電路； (d) 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路 圖 151 反饋電路的 4 種基本類型 (a)基本反饋電路，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低廉、適于制作小型化、經(jīng)濟(jì)型開(kāi)關(guān)電源；90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 11 其缺點(diǎn)是穩(wěn)壓性能較差，電壓調(diào)整率 SU=%～ 2%；負(fù)載調(diào)整率 SI=4%～ +4%。 (b)改進(jìn)型基本反饋電路，只需增加一支穩(wěn)壓管 VDZ 和電阻 R1，即可使負(fù)載調(diào)整率達(dá)到 2%～ +2% 。 VDZ 的穩(wěn)定電壓一般為 22V，需相應(yīng)增加反饋繞組的匝數(shù)，以獲得較高的反饋電壓 UFB，滿足電路的需要。 (c)配 TL431 的光耦反饋電路，其電路較復(fù)雜，但穩(wěn)壓性能最佳。這里用 TL431 型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器來(lái)代替穩(wěn)壓管，構(gòu)成外部誤差放大器，進(jìn)而對(duì) Uo 作精細(xì)調(diào)整。這種反饋電路適于構(gòu)成精密開(kāi)關(guān)電源。 (d)配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路，由 VDZ 提供參考電 壓 UZ，當(dāng) Uo 發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在 LED 上可獲得誤差電壓。因此，該電路相當(dāng)于給增加一個(gè)外部誤差放大器，再與內(nèi)部誤差放大器配合使用，即可對(duì) Uo 進(jìn)行調(diào)整。 由于本設(shè)計(jì)旨在針對(duì)精密開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行的設(shè)計(jì)與制作，所以選擇配 TL431 的光耦反饋電路。 單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路分析： 系列單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路如圖 152 所示。由于單端反激式開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，因此該電源采用單端反激式電路。 圖 152 單片開(kāi)關(guān)電源的典型應(yīng)用電路 由圖可見(jiàn)，高頻變壓器初級(jí)繞組 NP 的極性與次級(jí) 繞組 NS、反饋繞組 NF 的極性相反。在導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)整流管 VD2 截止，此時(shí)電能以磁能量形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中；當(dāng)截止時(shí)，90W 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 12 VD2 導(dǎo)通，能量傳輸給次級(jí)。高頻變壓器在電路中兼有能量存儲(chǔ)、隔離輸出和電壓變換這三大功能。圖中， BR 為整流橋， CIN 為輸入端濾波電容， COUT 是輸出端濾波電容。交流電壓 UAC 經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流高壓，經(jīng)初級(jí)繞組加至的漏極上。在功率 MOSFET 關(guān)斷瞬間，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外在初級(jí)繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓 (即反向電動(dòng)勢(shì) )UOR，兩者疊加在直流輸入電壓巧上，加至內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管 MOSFET 的漏極上，因此必須在漏極增加鉗位保護(hù)電路。鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管 VDZ1 和阻塞二極管 VD1組成， VD1 宜采用超快恢復(fù)二極管。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)極性上端為正，下端為負(fù)，從而導(dǎo)致 VD1 截止，因而鉗位電路不起作用。在 MOSFET 截止瞬間，初級(jí)極性則變?yōu)樯县?fù)下正，此時(shí)尖峰電壓就被 VDZ1 吸收掉。 該電源的穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下：反饋繞組電壓經(jīng)過(guò) VD3， CF 整流濾波后獲得反饋電壓 UFA，經(jīng)光耦合器中的光敏三極管給的控制端提供偏壓。 CT 是控制端 C 的旁路電容。輸出電壓 Uo通過(guò)電阻分壓器 R R2 分壓并 獲得取樣電壓，與 TL431 中的 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后輸出誤差電壓，然后通過(guò)光耦去改變 TOP246Y 的控制端電流 ，的輸出占空比 D 與 IC 成反比，故 D 減小，這就迫使 Uo 降低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。反之， Uo 減小，導(dǎo)致 UF 減小， Ic 減小，進(jìn)而 D 減小，最終使 Uo 減小，同樣起到穩(wěn)壓作用。由此可見(jiàn)，反饋電路正是通過(guò)調(diào)節(jié)的占空比，使輸出電壓趨于穩(wěn)定的。 本設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源是采用全控型電力電子器件 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)，利用控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)整并穩(wěn)定輸出電壓，主電路采用多路輸出單端反激式變換器結(jié)構(gòu)，采用 UC3844控制芯片實(shí) 現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用 PC81 TL431 等專用芯片以及其他的電路元件相配合，作為反饋環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)出的開(kāi)關(guān)電源具有電壓自我調(diào)節(jié)功能。開(kāi)關(guān)工作頻率為 50kHz，輸出 2 路隔離的電壓。 設(shè)計(jì)流程： 1．熟悉 UC384X、 PC81 TL431 的結(jié)構(gòu)原理及作用。 2．多繞組高頻變壓器的設(shè)計(jì)。 3．輸出級(jí)設(shè)計(jì)。 4． MOSFET 開(kāi)關(guān)管的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。 5．由 PC81 TL