【導(dǎo)讀】本文比較全面地闡明了開關(guān)電源的基本原理。首先介紹了開關(guān)電源的發(fā)展趨勢，然后。介紹了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析它們的優(yōu)缺點。當(dāng)然也介紹了有關(guān)軟開關(guān)的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個計算機用多路。這個開關(guān)電源為220V交流輸入，±5V，±12V輸出，頻率為50kHz。保護電路進(jìn)行設(shè)計，控制電路以SG3525為核心。

　　

【正文】 電壓 /V 待機 表 SG3525主要技術(shù)參數(shù) 圖 （ a） SG3525的引腳 20 圖 （ b） SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu) SG3525是 SGSThomson公司生產(chǎn)的采用電壓模式控制的集成 PWM控制器。 電路由如下幾部分組成：基準(zhǔn)電壓 ，振蕩器，誤差放大器， PWM比較器及鎖存器，分相器，欠壓鎖定，輸出級，軟起動及關(guān)斷電路。分述如下 ： 基準(zhǔn)電壓源是一個典型的三端穩(wěn)壓器，精度可達(dá) 5. 1V士 1%，采用了溫度補償。 作為內(nèi)部電路的供電電源，并可向外輸出 40mA電流。設(shè)有過流保護電路。 由一個雙門限比較器、一個恒流器及電容充放電電路組成，其外部連結(jié)如圖 。在 CT上產(chǎn)生一鋸齒波電壓，鋸齒波的峰點及谷點電平分 別為 UH=3. 3V和 UL =0. 9V。內(nèi)部一恒流源使電容 CT充電，鋸齒波的上升邊對應(yīng) CT充電，充電時間 ti決定于 RTCT，鋸齒波下降邊對應(yīng) CT放電，放電時間 t2決定 于 RDCT。鋸齒波頻率可按下式計算 f=l/ (tl+t2)=1/ (CT (+)) 由于比較器的門限電平 (UH, UL)由基準(zhǔn)電壓分壓取得，而且 CT的充電恒流 源對電壓及溫度變化的穩(wěn)定性較好。所以，當(dāng)電源電壓 Ucc1在 835V范圍內(nèi)變 化，鋸齒波的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 1%。當(dāng)溫度在 55~+125C范圍變化，其頻率穩(wěn)定 度為 3%。 振蕩器在 4腳輸出 對應(yīng)鋸齒波下降沿的時鐘信號，時鐘信號的寬度等于 t2，故調(diào)節(jié) RD就調(diào)節(jié)了時鐘信號寬度。該控 制器就是通過調(diào)節(jié) RD來調(diào)節(jié)死區(qū)電壓大小的， RD越大，死區(qū)越寬。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端 (3腳 )，在 3腳加直流或 高于振蕩器頻率的脈沖信號，可實現(xiàn)對振蕩器的外同步。 21 誤差放大器是一個兩級差分放大器，直流開環(huán)增益為 70dB左右。根據(jù)后面的邏輯要求，反饋電壓 Uf接至反相輸入端 (1腳 )，同相輸入端 (2腳 )接基準(zhǔn)電 壓。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器輸出 9腳和 1腳間外加適當(dāng) 的反饋網(wǎng)絡(luò)。 4. PWM比較器及鎖存器 誤差放大器的輸出信號加至 PWM比較器的反相端，振蕩器輸出的鋸齒波加至 同相端，比較 器輸出一負(fù)的 PWM脈沖信號，該脈沖信號經(jīng) 鎖存器，以保證鋸齒波的一個周期內(nèi)只輸出一個 PWM脈沖信號。 PWM比較器的輸入端還設(shè)有軟起動及關(guān)閉 PWM信號的功能。只需在 8腳至地接一個電容， (一般為幾微法 )就能實現(xiàn)軟起動功能。過壓、過流及其它故障的信號可加至 10腳，當(dāng)出現(xiàn)過壓、過流及其它故障時自動關(guān)閉 PWM信號。 由一個 T觸發(fā)器組成。其觸發(fā)信號為振蕩器輸出的時鐘信號，對應(yīng)每個鋸齒波下降邊觸發(fā)器被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)一次。分相器輸出頻率為鋸齒波頻率的 1/2的方波信號，送至輸出級的兩組門電路的輸入端，以實現(xiàn) PWM脈沖的分 相。 電路工作時，控制器的電源電壓 Ucc1降到正常工作的最低電壓 (8V)以下時， 電路各部分工作就會異常，輸出級輸出異常的 PWM控制信號，將損壞電路的功率 管，故此時應(yīng)能自動切斷控制信號。在控制器中，當(dāng) Ucc1≤7V時，欠壓鎖定輸出一高電平信號加至輸出級 “或非 ”門 (“或門 ” 輸入端，以封鎖 PWM脈沖信號。 輸出級采用了圖騰柱結(jié)構(gòu)，這是該系列控制器的最大優(yōu)點之一。 SG3525有兩 組相同結(jié)構(gòu)的輸出級。 圖示上側(cè)為 “或非 ”門，下側(cè)為 “或 ”門。 “或非 ”(“或 ” 門有四個輸入端，分別加入 PWM脈 沖信號、分相器輸出的 Q (Q的反 )信號、時鐘信號及欠壓鎖定信號，設(shè)其輸出信號為 P及P39。，則按 “或非 ”(“或 ”)邏輯來確定， P和 P’兩信號 分別驅(qū)動輸出級的上下兩個晶體管。兩晶體管組成圖騰柱結(jié)構(gòu)，使輸出既可以作為電流源，向負(fù)載提供電流，又可作為電流匯，吸收負(fù)載電流。圖騰柱的輸出結(jié) 構(gòu)對功率管 VT關(guān)斷有利，如當(dāng) P’高電平 (P低電平 )時，上晶體管截止，而下晶體導(dǎo)通，為功率管 VT的關(guān)斷提供了低阻抗的反向抽基極電流回路，加速VT的 關(guān)斷。 22 圖 SG3525的典型應(yīng)用 驅(qū)動電路的設(shè)計 驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是實現(xiàn)主電路中的電力電子器件按照預(yù)定設(shè)想運行的重要環(huán)節(jié)。采用性能良好的驅(qū)動電路，可以使電力電子器件工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。 使 MOSFET開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取 10V到 15V。在器件關(guān)斷時，對器件施加反壓可以減小關(guān)斷時間，以保護器件可靠關(guān)斷，反向電壓一般為 015V。此外，在柵極驅(qū)動回路中，通常需串入一個低值電阻（數(shù)歐到數(shù)十歐），以減少寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大 而減小。 驅(qū)動電路的作用是將 SG3525輸出的兩路 PWM脈沖進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動 MOSFET。研究表明：保證 MOSFET的可靠工作，驅(qū)動電路起著至關(guān)重要的作用，對 MOSFET驅(qū)動電路的基本要求歸納如下： (1) 提供適當(dāng)?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海?MOSFET可靠的開通和關(guān)斷。 (2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使 MOSFET能迅速建立柵控電場而導(dǎo)通。 (3) 盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率。 (4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣。 (5) 具有靈敏的過流保護能力 。 15V VM1G VM2G VCC VCC 10 10K 10K uf 10k + 100u 10 8 2 1 9 7 6 5 3 4 16 15 13 11 14 12 15V SG3525 23 + U c cUiM O S F E T 圖 采用脈沖變壓器的 MOSFET驅(qū)動電路 保護電路的設(shè)計 為了提高電源的可靠性，電源的保護電路極為重要。保護的目的： 一是保護電源本身：二是保護負(fù)載免受損壞。電源自身保護的基本功 能是：當(dāng)外界發(fā)生各種破壞因素，如負(fù)載打火、斷路等現(xiàn)象時，保護 電源本身不受損壞。另外，當(dāng)內(nèi)部電路由于個別器件性能變壞或者控 制失常而造成開關(guān)電源不能正常工作時，如橋路中開關(guān)管發(fā)生兩管 共同導(dǎo)通時，能迅速的使變換器電路停止工作，以免引起整個電源災(zāi) 難性的損壞。 保護電路可分為過流保護、過壓保護、欠 壓保護以及溫度保護 等部分。脈沖產(chǎn)生電路本身具有欠壓鎖定功能，因此不必在保護電路中添加欠壓保護功能了。 過流保護是指當(dāng)電源輸出電流超過允許值時，使電源不受損壞的技術(shù)措施。它分為限流式保護和截止式保護兩類。前者可恢復(fù)，一旦 過流消失，能自動恢復(fù)工作；后者不可恢復(fù)，必須重新啟動，才能工作。 對過流保護的基本要求是電路簡單、可靠、動作準(zhǔn)確、速度快和抗干擾能力強。我們采用電流互感器取樣主變壓器初級電流的方法。 電流互感器中次級電流 IS=IP(NP/NS)，適當(dāng)選擇次級負(fù)載電阻 RI，使 得次級電壓成為被檢測的初級電流的量度。 將次級電壓整流濾波后， 得到一直流電壓，該電壓同輸出電流成正比。將該電壓同輸出電流的門限電壓相比較，當(dāng)超過門限電壓時，比較器輸出低電平。該電平一 方面用來觸發(fā)計數(shù)器；另一方面經(jīng)反向后作為觸發(fā)脈沖去觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，單穩(wěn)觸發(fā)器產(chǎn)生固定時間的高電平去封鎖脈沖產(chǎn)生電路停止輸出觸發(fā)脈沖，電源停止工作，待高電平變低電平后，電源重新軟啟動 恢復(fù)工作。如果在某一段時間內(nèi)電源連續(xù)出現(xiàn) 8次過流，則徹底終止 電源的工作，待故障消除后，必須手動復(fù)位該電路，才能使電源重新 工作。 24 過壓保護電路的主要功能是防止輸出電壓超過其上 限而損壞負(fù) 載。電路采用光藕采樣輸出電壓，然后同電壓整定點相比較，當(dāng)輸出 電壓超過電壓整定點后，過壓保護電路輸出高電平。該高電平送給脈 沖產(chǎn)生電路，脈沖產(chǎn)生電路立即封鎖輸出脈沖直到電源重新啟動。 隨著溫度的升高無論是電子元件還是高頻變壓器絕緣的性能都會降低甚至損壞，因此應(yīng)對電源關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測，防止因溫 度過高引起電源設(shè)備的損壞。溫保護電路中的電阻 R，為溫敏電阻。這種電 阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，隨著溫度的升 高電阻的阻值是逐漸下降的。當(dāng)溫度升高時， A點的電壓逐漸下降。當(dāng) A點的電壓低于 B點的電壓使溫度 保護 電路的比較器輸出高電平。該高電平 送給脈沖產(chǎn)生電路，從而封鎖輸出脈 沖，達(dá)到溫度保護的目的。 圖 SG3525構(gòu)成的半橋型電路的控制電路 小結(jié) 通過以上分析得出 SG3525構(gòu)成的半橋型電路的控制電路如圖 。 半橋型開關(guān)穩(wěn)壓電路主要有主電路和控制驅(qū)動 電路兩大部分組成。 圖 ，它可分為整流、逆變和高頻整流濾波三個環(huán)節(jié)，輸入 AC220V經(jīng)橋式整流濾波后獲得 +300V左右的直流電壓。半橋型逆變電路是由功率 MOS管 VS1和 VS2組成，高頻逆變變壓器初級分別接電容 C C2的中點和開關(guān)管 VS VS2的中點，電容 C C2的 中點電壓為 U/2， VS1 VS2交替觸發(fā)導(dǎo)通，使變壓器一次 側(cè)形成幅值為 U/2的交流電壓。改變開關(guān)導(dǎo)通的占空比 ， 即能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓 UO。 當(dāng) VS1導(dǎo)通時，二極管 VD1處于通態(tài)： VS2導(dǎo)通時二極管 VD2處于通態(tài)。當(dāng)兩開關(guān)管都關(guān)斷時，變壓器繞組 N1中 的電流為零，根據(jù)變壓器磁勢平衡方程繞阻 N2 、 N3中的電 流大小相等，方向相反，所以 VD1和 VD2均處于導(dǎo)通狀態(tài)各分擔(dān)負(fù)載電流的二分之一。當(dāng) VS1或 VS21 2 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 9 +15V Uf SG3525 C R Tg1 Tg2 R1 R2 VZ1 VZ2 Co2 Co1 25 導(dǎo)通時，電感 L的 電流逐漸上升，當(dāng)兩管都關(guān)斷時，電感中的電流逐漸下降 由于電容的隔離直流作用，半橋型開關(guān)電路對由于兩管開關(guān)導(dǎo)通時間不對稱而造成變壓器一次側(cè)的直流分量有自動平衡作用，因此不容易發(fā)生變壓器的偏磁現(xiàn)象。由于 SG3525中存在死區(qū)時間，所以不存在 由于 Vs1和 Vs2共同導(dǎo)通而損壞功率管的情況。 該開關(guān)穩(wěn) 壓電源的控制驅(qū)動電路是以 SG3525為核心，如圖 ，采用恒頻脈寬調(diào)制控制方式。誤差放大器的輸入信號分別是給定信號 UK和電壓反饋信號 Uf。 Uf是由輸 出電壓經(jīng)分壓電路獲取，系統(tǒng)為了得到較好的靜、 動態(tài)特性。在誤差放大器的輸入和輸出端接入了 RC反饋網(wǎng) 絡(luò)。 MOS管的驅(qū)動電路較簡單，它由圖騰柱電路的 A、 B端輸出，經(jīng)電容 CO1 CO2加至脈沖變壓器 Tg1和 Tg2初級，次 級信號經(jīng)保護電路分別接入 VS VS1的柵極和源極之間。 為了防止電路中可能產(chǎn)生的過電壓而擊穿功率管，電路 中設(shè)置了過電壓保護電路，過電壓保護電路是 —個由電 阻 R1和 R2分壓。穩(wěn)壓管 VZ VZ2限幅組成的電路。 26 結(jié)束語 至此，本次設(shè)計結(jié)束。我們對本文所作的工作進(jìn)行下總結(jié)： 第一章介紹了開關(guān)電源的發(fā)展過程應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。第二章對開關(guān)電源的各方面技術(shù)進(jìn)行了介紹。并對各種方案進(jìn)行了對比，并確定了本次設(shè)計的基本方案。第三章在前面的基礎(chǔ)上對開關(guān)電源進(jìn)行了具體的設(shè)計。包括主電路的設(shè)計和參數(shù)的計算、控制電路的設(shè)計等。 本文對開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行了比較全面的介紹，并具體設(shè)計了一個計算機開關(guān)電源，應(yīng)該說做了一些有意義的工作。但是與博大精深的這門學(xué)科來說，似乎不值一提。設(shè)計中可以進(jìn)一步進(jìn)行下面的工作： （ 1）軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用 。 （ 2）在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行實際工藝的設(shè)計 。 27 謝 辭 本文是在指導(dǎo)老師王忻老師悉心指導(dǎo)和鼓勵下完成的。論文的選題、具體工作和撰寫過程都凝 聚著指導(dǎo)老師的心血和汗水。王老師嚴(yán)謹(jǐn)、務(wù)實和認(rèn)真的 工作態(tài)度給我留下了深刻的印象。在此，謹(jǐn)向指導(dǎo)老師王忻表示衷心的感謝和崇高的敬禮。 在畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行過程中，同學(xué)劉宏強、王龍峰、唐云濤、張宏華 給予我不少幫助和支持，在此向他們表示感謝。 感謝我的父母，正是他們的諄諄教誨和辛勤養(yǎng)育，我才能在求學(xué)的路上走到今天；感謝青島大學(xué)大學(xué)的所有老師，從他們那里所繼承的使我在學(xué)習(xí)和工作中 受益非淺。 最后，作者感謝青島大學(xué)多年的培養(yǎng)。感謝曾經(jīng)教育和幫助作者的所 有老師。 衷心感謝百忙之中抽出時間參加論文評閱和評議的各位老師，感 謝他們?yōu)?審閱本文所付出的辛勤勞動。 28 參考文獻(xiàn) 王兆安，電力電子技術(shù)，第四版，機械工業(yè)出版社， 2021 童詩白， 模擬電子技術(shù)， 高等教育出版社，第四版， 2021 閻石， 數(shù)字電子技術(shù)， 高等教育出版社，第四版， 2021 楊旭，開關(guān)電源技術(shù)，機械工業(yè)出版社， 2021 何希才，新型開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用，科學(xué)出版社， 2021 劉毓敏，實用開關(guān)電源維修技術(shù)，機械工業(yè)出版社， 2021 張占松，開關(guān)電源的原理與設(shè)計，電子工業(yè)出版社， 2021 (美 )布朗著；徐德鴻等譯，開關(guān)電源設(shè)計指南，機械工業(yè)出版社， 2021 (日 )原田耕介主編；耿文學(xué)譯，開關(guān)電源手冊，機械工業(yè)出版社， 2021 常敏慧，開關(guān)電源應(yīng)用設(shè)計與維修，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社， 2021 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