【正文】 tion of rapid development of electronic instruments and equipment requirements are: in performance, more secure and reliable。 in use, to increasingly high degree of automation。近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展及人們對如何提高穩(wěn)壓電源的轉(zhuǎn)換效率、增強(qiáng)對電網(wǎng)的適應(yīng)性、縮小體積減輕重量的研究，使得開關(guān)電源應(yīng)運(yùn)而生。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的晶體 管直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)式和機(jī)械振子式換流設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓較高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。 再來說說國內(nèi)的發(fā)展情況 : 我國的晶體管直流變換器及開關(guān)穩(wěn)壓電源研制工作開始于 60 年代初期，到 60 年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段， 70 年代初期開始研制無工頻降壓變換器開關(guān)穩(wěn)壓電源。近 10 多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在 20KHZ左右，輸出功率在 1000W以下的無工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、電視等方面，取得了較好的效果。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進(jìn)一步提高工作頻率。但是，目前我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國家相比仍有較大的差距。所以我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界先進(jìn)水平，最根本的是要提高我國的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝。它是由全波整流器、開關(guān)管 V、激勵(lì)信號、續(xù)流二極管 VD、儲(chǔ)能電感 L 和濾波電容 C 組成。脈沖調(diào)寬電路的作用是對開關(guān)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，即用誤差電壓作為調(diào)制信號，使開關(guān)脈沖寬度受誤差電壓控制。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中 直流變換器：它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的 裝置。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不相同的多種直流供電電壓。在一些技術(shù)先進(jìn)的國家，可以做到幾百 KHZ 或者近 1000KHZ。 （ 2） 體積小，重量輕 從開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖中可以清楚 地看到，這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于這兩方面的原因，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小、重量輕。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根 據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了 500 倍。 （ 5） 安全可靠 開關(guān)穩(wěn)壓電路一般都具有自動(dòng)保護(hù)電路。 （ 6） 開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾 開關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開關(guān)晶體管 V工作在開關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過電路中的其它元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。 目前，由于國內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國家還有一定的差距，因而造價(jià)不 能進(jìn)一步降低，也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。特別是對于無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容、高反壓大功率開關(guān)管、開關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處于研究、開發(fā)階段。這暴露出開關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)：那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修較麻煩。當(dāng)今，開關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。復(fù)雜的串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源電路還包括取樣、基準(zhǔn)、放大、調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)等電路。 圖 31 串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源原理圖及波形圖 這里我只給出了發(fā)射極輸出型的串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖和各點(diǎn)的輸出波形。 串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理 把圖 31 中所示的標(biāo)準(zhǔn)方波驅(qū)動(dòng)信號加到開關(guān)晶體管 V的基極，這樣開關(guān)管 V就會(huì)周期性地開和關(guān)，開關(guān)周期為 T=ton+toff，占空系數(shù)為 ? =ton/T（ ? 1)。 在 ton=t1t0 期間，開關(guān)管 V 導(dǎo)通，續(xù)流二極管 VD 因反向偏置而截止。雖然輸入電壓 Ui 是一個(gè)直流電壓，但 L 中 的電流不能突變，而在 V 導(dǎo)通的 ton期間電流 IL1 將線性上升，并以磁能的形式在儲(chǔ)能電感中儲(chǔ)存能量。在 t1時(shí)刻，也就是驅(qū)動(dòng)方波正半周 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 要結(jié)束的時(shí)刻， L 中的電流上升到最大值，其大小為 ILmax= ])][([001 Loi IttL UU ??? (32) 從式 （ 31） 和式 （ 32） 可以計(jì)算出 L 中電流變化 的最大值 △ ILmax為 △ Imax1=ILmaxIL1=onoioi tL UUttL UU ???? )]([ 01 (33) 在 toff=t1t2 期間，開關(guān)管 V截止。此刻，續(xù)流二極管 VD 開始正向?qū)ǎ?L 中的磁能將通過 VD 和負(fù)載電阻 RL開始泄放。此時(shí)泄放掉的電流 iL2 的波形將是鋸齒波中隨時(shí)間線性下降的那一段電流。這是構(gòu)成電源的最基本條件，所以下面的關(guān)系式一定成立： of foonoi tLUtLUU ?? (37) 將式 （ 37） 化簡整理后得到輸出電壓 Uo 與輸入電壓 Ui之間的關(guān)系為 Uo=iiof fon on UUtt t ??? (38) 這就是串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓 Uo和輸入電壓 Ui之間的比值也剛好等于這個(gè)占空比。 式 （ 38） 中的占空系數(shù) ? 與開關(guān)管 V的導(dǎo)通時(shí)間 ton有關(guān)。因此，由此而設(shè)計(jì)出的開關(guān)穩(wěn)壓電源通常 稱為調(diào)寬型開關(guān)穩(wěn)壓電源。所以，保持其他條件不變，只改變開關(guān) V的周期時(shí)間 T，同樣也可以使輸出電壓 Uo 發(fā)生變化，這就是頻率調(diào)制型（或稱調(diào)頻型）開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理。根據(jù)這樣的原理而得到的開 關(guān)穩(wěn)壓電源，通常稱為混合型開關(guān)穩(wěn)壓電源。 續(xù)流二極 管 VD的選擇 由串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理的分析中已知：當(dāng)開關(guān)晶體管 V 截止時(shí)，儲(chǔ)能電感 L 中所存儲(chǔ)的磁場能量是通過續(xù)流二極管 VD傳輸給負(fù)載電阻 RL的；當(dāng)開關(guān)晶體管 V導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的電壓近似等于零，這時(shí)的輸入電壓 Ui就全部加到了續(xù)流二極管 VD的兩端。 為了提高整機(jī)的效率，減小內(nèi)部功耗，一定要選擇正向?qū)妷航档偷睦m(xù)流二極管。而且電感量較大則電流的變化越平滑；電感量越小，電流變化越陡峭。當(dāng)電感量小到一定值時(shí)就會(huì)發(fā)生這樣一種情況：在開關(guān)管截止瞬間，電感 L 中儲(chǔ)存的能量也剛剛釋放完畢，這時(shí)的 ILmin=0。 那么當(dāng)儲(chǔ)能電感L 的電感量小于這個(gè)臨界值 L0 時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況呢？從圖 23 中可以看出 ,此時(shí) (t=tA)開關(guān)管尚處于截止?fàn)顟B(tài)，但電感 L 中的電流已變?yōu)榱悖谑请姼?L 上的電壓也為零，開關(guān)管 V 及儲(chǔ)能電感 L 上的電壓波形就會(huì)發(fā)生臺(tái)階式的突變。穩(wěn)壓電源在有負(fù)載時(shí)是不允許出現(xiàn)這種情況的，因?yàn)?，它將引起電源穩(wěn)壓特性的明顯惡化，甚至產(chǎn)生附加的振蕩，而使電源無法正常工作。下面就來計(jì)算一下儲(chǔ)能電感 L 的臨界電感量 L0。把 ILmin=0 代入式 （ 25） 得到 ILmax=of fooco tLUttLU ?? )( 12 （ t2t1=toff） （ 39） 由于流過儲(chǔ)能電感 L 中的平均電流值就等于負(fù)載電阻 RL 上的流過的電流值 Io，因而有 2 m inm ax LLo III ?? (310) 把 ILmin=0 代入式 （ 310） 得到 ILmax=2Io （ 311） 將式 （ 39） 和式 （ 311） 組成二元一次方程組消去 ILmax后，便可求得 L0 為 offoo tIUL 20 ? (312) 式中， Uo/Io=RL， toff=T(1? )=f )1( ??，因而 L0=fRL2 )1( ?? (313) 儲(chǔ)能電感 L 的計(jì)算 在串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖 31 中，在忽略了開關(guān)管導(dǎo)通飽和管壓降 Uces 后，可以得到 UL=UiUo=Uo(1? )/? （ 314） 在開關(guān)管 V導(dǎo)通期間，可近似認(rèn)為流過儲(chǔ)能電感 L 上的電流為平均電流，即為負(fù)載電阻 RL 上的電流 Io，因而就可以求得在導(dǎo)通期間 ton內(nèi)存儲(chǔ)電感 L 上電壓降為 UL=LonLtI max? （ 315） 式中 ， △ ILmax=ILmaxILmin，由此可以得到 )(m ax oiLon UUItL ??? ( ?oi U? ) ??max )1(Lono ItU? ?? ( ?Tton? ) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ max)1(Lo ITU? ?? ? ( ?Tton? ) max)1(Lo IfU? ?? ? ( fT 1? ) (316) 式中， △ ILmax為儲(chǔ)能電感 L 中流過電流 iL 變化量的最大值，它就是負(fù)載電流 Io 變化量的最大值。根據(jù)式 （ 317） 所選擇的儲(chǔ)能電感 L 滿足大于臨界電感值 L0，是符合要求的。若令 RL=RLmax，將數(shù) 2 取為 ，即可得到 fRL L )1(max ??? 此式與式 （ 317） 完全相同，是符合設(shè)計(jì)原則的。那么電容兩端電壓的變化量實(shí)際上也就是我們所要計(jì)算的開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓波紋值 △ Uo。設(shè)這段時(shí)間內(nèi)電容 C 兩端電壓的變化量為 △ Uo2。因而，在設(shè)計(jì)串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容 C 的容量主要應(yīng)根據(jù)對電源輸出波紋電壓 △ Uo 的要求來決定。 也可以通過式 （ 318），計(jì)算出儲(chǔ)能電感 L 與濾波電容 C 的乘積 LC 的大小如下式： LC=oooffUUTt?8 (321) 不過，根據(jù)式（ 321）選擇出來的 LC 數(shù)值中的儲(chǔ)能電感 L 必須滿足大于由式 （ 313）計(jì)算出的臨界電感量 L0。流過開關(guān)管 V的最大電流增加，將使其工作狀態(tài)惡化。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 共 28 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊