【正文】 溫度過高而損壞，不僅在開關(guān)器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作是一般都安裝散熱器。 (3) 開關(guān)器件的動態(tài)特性也是很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題，做電路分析時(shí)，為簡單起見往往用理 想開關(guān)代替實(shí)際開關(guān)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 46 頁 第三章 開關(guān)電源的控制及 PWM 技術(shù) 開關(guān)器件 開關(guān)器件的特性及驅(qū)動是開關(guān)電源電路中關(guān)鍵的問題對開關(guān)器件的認(rèn)識和了解是電源設(shè)計(jì)和使用的基本知 識。 倍壓 /橋式整流自動切換電路可使在 110V和 220V交流輸入電壓下的整流濾波輸出直流電壓相差不大，從而確保開關(guān)電源即可工作在交款的交流輸入電壓范圍，又可以使開關(guān)電源處在最佳工作狀態(tài)，從而提高開關(guān)電源的效率和工作可靠性。當(dāng)交流輸入電壓為 110V時(shí)，通過電壓檢測電路是雙向晶閘管 V導(dǎo)通，整流電路工作在倍壓整流方式。 圖 倍壓 /橋式整流自動切換電路 倍壓 /橋式整流自動切換電路如圖 113 所示。 倍壓 /橋式整流自動切換 為了保證負(fù)載能在較寬的交流輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，如 90~245V，有些電源加了一個(gè)倍壓 /橋式整流自動切換電路，使他在 110V 交流電壓下工作在倍壓整流方式，而在 220V 交流輸入電壓下工作在橋式整流方式，從而使負(fù)載在 110V 和 220V 兩種交流供電情況下都能正常工作。 (4) 要求電源電路有良好的過壓、過流、輸出短路、 X 射線保護(hù)及復(fù)位功能。一般要求電源電路對交流輸入時(shí)電電壓的適應(yīng)范圍為 90— 245V，并對 50Hz 即 60Hz 輸入頻率均能適應(yīng)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 46 頁 2. 電源電路的主要特點(diǎn) 電源電路的主要特點(diǎn)如下： (1) 由于設(shè)備都屬 于高可靠性設(shè)備，對電源的要求較高，因此除了提供大的功率外，好要求具有較高的效率。由于輔助電路是將行輸出及經(jīng)直流 — 交流 — 直流做兩次變換，所以又稱為二次電源。無論伏在處于正常工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，負(fù)電源都必須正常工作。 (2)副電源 電源的主要作用是為微處理 器控制電路提供 +5V 的供電電壓。主開關(guān)電源主要為主負(fù)載電路提供 110~145V 的直流電壓。 (1) 主開關(guān)電 源 主開關(guān)電源的輸出功率較副電源、輔助電路的輸出功率要大。這點(diǎn)可以通過設(shè)置死區(qū)時(shí)間的方法來克服。全橋電源開關(guān)廠用在輸出功率較大的場合。同理，當(dāng)VT VT3關(guān)短， VT VT4導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 Ui從和 VT VT3導(dǎo)通時(shí)的電流相反的方向?yàn)樽儔浩鞒跫壘€圈N1勵磁，并通過次級線圈 N2和整流二極管 V2為負(fù)載供電，這樣再次級得到如 Up所示的脈沖波形。 全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 源電路及波形如圖 112所示。這點(diǎn)可以通過使 VT VT2 功率開關(guān)管的導(dǎo)通間相互錯(cuò)開來解決。 300W左右的開關(guān)電源多采用半橋式。這是因?yàn)椋?VT VT2導(dǎo)通時(shí)間不一致時(shí)，變壓器初級側(cè) N1繞組的勵磁電流大小不一樣，致使電容 C C2上的電壓不不相等，勵磁電流越大，則對應(yīng)的電容器電壓越小，從而起到自動平衡的作用。同樣，電容 C C2上的電壓也分別為 Ui/2。所以，初級測電源通過功率開關(guān)管 VT 、 VT2交替給變壓器供電。 半橋開關(guān)源結(jié)構(gòu) 半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu)電路及波形圖如圖 ，兩個(gè)功率開關(guān)管 VT1和 VT2在開關(guān)脈 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 46 頁 （ a） 電路圖；（ b） 波形圖 圖 半橋開關(guān)電源電路及波形 沖信號作用下，交替的導(dǎo)通與截止。 反激開關(guān)電源電路簡單，輸出電壓 U0即可高與輸入電壓 Ui又可低于輸入電壓，一般適用在輸出 圖 反激 開關(guān)電源電路 功率為 200W以下的開關(guān)電源中。 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)電路如圖 110所示，當(dāng)功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)的電能以磁能的形式儲存在變壓器的初級線圈 N1中，由于同名端關(guān)系，次級側(cè)二極管 V1不導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流流過。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 46 頁 圖 正激開關(guān)電源電路 這種開關(guān)電源中功率開關(guān)管 VT導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級繞組勵磁電流最大值為： DTLUI NiN 11 ? （ 15） 式中， LN1表示變壓器初級繞組 N1的電感量； D表示脈沖占空比； T表示脈沖開關(guān)周期。 正激電源開關(guān)結(jié)構(gòu) 正激開關(guān)電源是一種更采用變壓器耦合的降壓型開關(guān)穩(wěn)定電源，其電路圖如圖 所示。 由于變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源輸入端與輸出端不共地，即所謂的冷底板供電，因此該開關(guān)電源可外接數(shù)字通信設(shè)備，從而在電子通信設(shè)備中得到廣泛的使用。由于采用變壓器耦合，因此變壓器的初、次級側(cè)以相互隔離，從而使初級側(cè)電路與次級側(cè) 圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 電路的分開，做到次級側(cè)路的不帶電，使用安全。 圖 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源原理圖如圖 ，功率開關(guān)管 VT與開關(guān)變壓器初級線圈相串聯(lián)在電源供電輸出端，功率開關(guān)管 VT再開關(guān)沖脈沖的周期性的導(dǎo)通與截 止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓這個(gè)次級脈沖電壓經(jīng)整流濾波后的到直流輸出電壓 U0。 圖 串聯(lián)開關(guān)電源原理圖 并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 并聯(lián)開光電源原理圖如圖 ：其中功率開關(guān)管 VT與輸入電壓。但由于輸入電壓和輸出電壓共用地線，電壓輸入與輸出間不隔離，有可 能使電路板底板帶 電，使用不安全，更不滿足外接 AV輸入、影碟機(jī)、錄放相機(jī)的要求。 輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會引起輸入直流電壓的變化，通過輸出取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差值通過誤差放大器放大后控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比 D，達(dá)到穩(wěn)定輸出直流電壓 U0的目的。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功 率開關(guān)晶體管 VT后輸出周期性脈沖信號電壓，再經(jīng)脈沖整流濾波后，就可以得到平滑直流輸出電壓 U0。開關(guān)原件及功率開關(guān)晶體管 VT串聯(lián)在輸入與輸出之間。為了保證電源安全，要求輸出功率有 20％ — 50％的裕量。反饋調(diào)節(jié)回路增益越高，基準(zhǔn)電壓 Ue越穩(wěn)定，輸出 電壓 U0的穩(wěn)定性越好。 (6)輸出電壓穩(wěn)定性：輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化的特性，這個(gè)變化量越小越好。這個(gè)電壓值越小，表示電源的輸出性陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 46 頁 能越好。目前開關(guān)電源的效率可達(dá) 90%以上。這個(gè)比值越小，表示電源輸出電壓隨負(fù)載的變化越小，穩(wěn)壓性越好。 目前開關(guān)電源的輸入電壓變化范圍已經(jīng)做到 90~270V，可以省去許多電器中的 110V/220V轉(zhuǎn)換開關(guān)。這個(gè)范圍越寬，表示電源適應(yīng)外界電壓變化的能力越強(qiáng)，電源使用范圍就越寬。 4. 按其他方式分類 開關(guān)電源按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源。由于取樣繞組與此取樣繞組采用了緊耦合結(jié)構(gòu)，因此濾波電容 C815兩端電壓的高低，就間接反映了開關(guān)電源輸出電壓的高低，所以這種取樣方式稱為間接輸出取樣方式。 2)簡介輸出取樣開關(guān)電源 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 46 頁 圖 間接輸出取樣開關(guān)電源電路 圖 是間接輸出取樣開關(guān)電 源電路。 光電耦合器中三極管集電極電流 cI 的大小與發(fā)光二極管電流 FI 及光電耦合系數(shù) h 成正比關(guān)系，即 Fc hII ? (14) 當(dāng)開關(guān)電源的輸出電壓因輸入電壓升高或負(fù)載減輕而升高時(shí)，濾波電容 C1兩端升高的電壓一路經(jīng)取樣電阻 R R2取樣后，使光電耦合器 V515的右下腳電壓升高，即發(fā)光二極管正極電位升高，由于VT553 發(fā)射極接有穩(wěn)壓管，其發(fā)射極電位不變，所以 VT553加速導(dǎo)通，集電極電位下降，于是 V515內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增大，光電三極管內(nèi)阻下降，脈寬調(diào)節(jié)電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 46 頁 圖 直接輸出取樣開關(guān)電源電路 的 VT VT1相繼導(dǎo)通，開關(guān)管 VT2導(dǎo)通時(shí)間減小，是輸出電壓下降到正常值采用直接輸出取樣方式的開關(guān)電源，不見安全性好，而且具有便于空載檢修、穩(wěn)壓反應(yīng)速度快、瞬間響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。在光電耦合器使用后 ,開始在變 壓耦合并聯(lián)開關(guān)上使用。 2) 它激式開關(guān)電源 它激式開關(guān)電源必須有一個(gè)震蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。 2. 按開關(guān)電源的觸發(fā)方式 1）自激式開關(guān)電 源 自激式開關(guān)電源利用電源電路中的開關(guān)晶體管和高頻脈沖變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成自激震蕩，使開關(guān)電源輸出直流電壓。 開關(guān)電源的分類 為更好、更方便地設(shè)計(jì)和使用開關(guān)電源，在此按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式、開關(guān)電源的觸發(fā)方式、電路的輸出取樣方式等多種角度，對開關(guān)電源進(jìn)行分類。例如：有自激式和他激式；有調(diào)寬 型和調(diào)頻型；有單端式和雙端式；DC/DC 變換器 驅(qū)動器 信號源 比較放大器 iU oU 1R 2R rU 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 46 頁 有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式等等。濾波電容容量減小以后，整個(gè)電源的體積和重量也相應(yīng)地有所減小。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了 500 倍。 （ 4）濾波效率高，不需要叫大容量的濾波電容。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的波動變化，可以通過改變占空比的方式來進(jìn)行補(bǔ)償，這樣在輸入電壓變化或波動較大時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。由于這兩方面的原因，故開關(guān)電源的體積小、重量輕。沒 有了笨重的工頻降壓變壓器。這就使得開關(guān)晶體管 V 在其整個(gè)工作過程中的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高。在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，可以做到幾百或者上千 kHz。 開關(guān)電源的特點(diǎn) 開關(guān)電源具有如下特點(diǎn)： （ 1）功耗小、效率高。除此以外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 46 頁 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成如圖 12 所示。 T 不變，只改變 ONT 來實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)節(jié)（ PWM）。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓 oU （ a） 電路圖；（b）波形圖 圖 開關(guān)電源的工作原理 為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? （ 11） 式中， T表示開關(guān) S的開關(guān)重復(fù)周期； Ton表示開關(guān) S在一個(gè)開關(guān)周期中的導(dǎo)通時(shí)間。 開關(guān)電源概述 開關(guān)電源的工作原理 開關(guān)電源的原理可以用圖 進(jìn)行說明。在半橋式變換器電路中，變壓器初級在整個(gè)周期中都流過電流，磁芯利用得更加充分。 隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對其需求量增長和效率、體積、重量及可靠性等方面要求更高。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 46 頁 第一章 概述 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定 輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源理論部分在第一節(jié)分別講述了開關(guān)電源的 開關(guān)電源的工作原理、開關(guān)電源的特點(diǎn)；第二節(jié)介紹了開關(guān)電源的分類第三節(jié)介紹了開關(guān)電源的主要技術(shù)指標(biāo)；第四節(jié)介紹了開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu)、串聯(lián)電源典型結(jié)構(gòu)、并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)、正激電源開關(guān) 結(jié)構(gòu)、反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)、半橋開關(guān)源結(jié)構(gòu)、全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu)；第五節(jié)介紹了開關(guān)電源技術(shù)要點(diǎn)、電源電路的組成及主要特點(diǎn)、倍壓 /橋式整流自動切換；第六節(jié)介紹了開關(guān)器件、開關(guān)器件的特征、開關(guān)器件的組成、開關(guān)器件的分類；第七節(jié)介紹了 PWM 調(diào)制技術(shù)詳細(xì)說明了 PWM 逆變電路及其控制方法、 PWM 跟蹤控制技術(shù)及 PWM 整流電路及其控制方法。由于以上諸多因素，半橋式變換器在高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。其中，在半橋式變換器電路中，變壓器初級在整個(gè)周期中都有電流流過，磁芯利用更加充分。從另一方面來說， PWM 半橋式開關(guān)電源的技術(shù)追求也日趨高漲和發(fā)展趨勢亦漸廣泛，而且派生出了很多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域研制和開發(fā)的難度變得更大了，這就更有很多的研究價(jià)值和技術(shù)發(fā)展的空間了。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕 等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 4