【正文】 持下，調(diào)整和控制開關(guān)電源的工作狀態(tài)。我們用的電，一般都需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換成小功率等。以功率晶體管（ GTR）為例 ,當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極倆端的壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零。開關(guān)型電源 不同于線性電源供應(yīng)器，一個(gè)開關(guān)電源晶體管之間快速切換非常全面的和全關(guān)閉狀態(tài)，最大限度地減少浪費(fèi)能源。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間 。目前市場(chǎng)上出售的開關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的 100kHz、用 MOS－ FET 制成的 500kHz 電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。然而，開關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。其中，為防止隨開關(guān)啟 閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用 RC 或 LC 緩沖器，而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。這種開關(guān)方式稱為諧振式開關(guān)。當(dāng)前，世界上許多國(guó)家都在致力于數(shù)兆 Hz 的變換器的實(shí)用 化研究 [1]。開關(guān)電源可分為 AC/DC 和 DC/DC 兩大類， DC/DC 變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC 的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。 DC/DC 變換 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。其具體的電路由以下幾類： (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。 (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 。 當(dāng)今軟開關(guān)技術(shù)使得 DC/DC 發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó) VICOR 公司設(shè)計(jì)制造的多種 ECI軟開關(guān) DC/DC 變換器，其最大輸出功率有 300W、 600W、 800W 等，相應(yīng)的功率密度為（ 17） W/cm3，效率為（ 8090） %。 AC/DC 變換 AC/DC 變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為 “ 整流 ” ，功率流由負(fù)載返回電源的稱為 “ 有源逆變 ” 。 AC/DC 變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全 波電路。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。 (1)按激勵(lì)方式分， 自激式和他激式。 (3)按控制方式分，有脈沖調(diào)寬式（ PWM） 、脈沖頻率式 (PFM)和 PWM 與 PFM 混合式。因此下面就主要介紹調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源 [2]。直流平均電壓 Uo 可由公式計(jì)算， 即 Uo=UmT1/T 式中 Um 為矩形脈沖最大電壓值； T 為矩形脈沖周期； T1 為矩形脈沖寬度。這樣，只要我們?cè)O(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。 控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。控制電路用來(lái)調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 圖 22 開關(guān)電源基本電路框圖 (2)自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源 自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如 23 所示。 圖 23 自激式開關(guān)電源 當(dāng)接入電源后在 R1 給開關(guān)管 VT1 提供啟動(dòng)電流，使 VT1 開始導(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。在 VT1 截止時(shí)， L2 中沒有感應(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。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。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)。 圖 24 推挽式開關(guān)電源 這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開關(guān)管容易驅(qū)動(dòng)，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。 (4)降壓式開關(guān)電源 降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖 25 所示。當(dāng)開關(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。 圖 25 降壓式開關(guān)電源 本科學(xué)位論文 7 這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容 和二極管即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，電感 L 儲(chǔ)存能量。 圖 26 升壓式開關(guān)電源 (6)反 轉(zhuǎn)式開關(guān)電源 反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖 27 所示。無(wú)論開關(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)開關(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。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。 本科學(xué)位論文 8 圖 28 單端正激四開關(guān)電源 在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管 VD2，它可以將開關(guān)管 VT1 的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。由于這種電路在開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí)，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出 50－ 200W 的功率。 (8)單端反激式開關(guān)電源 單端反 激式開關(guān)電源的典型電路如圖 29 所示。所謂的反激，是指當(dāng)開關(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)，在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量 ，負(fù)載電流由輸出濾波電容提供； 當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí)，變壓器 T 初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，通過次級(jí)繞組及 VD1 整流和電容 C 濾波 后向負(fù)載輸出 ，以補(bǔ)償電容單獨(dú)提供負(fù)載電流時(shí)消耗的能量 。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波 電壓較大，外特性差，適用于相對(duì)固定的負(fù)載。這兩種工作方式的小信號(hào)傳遞函數(shù)是極不相同的，動(dòng)本科學(xué)位論文 9 態(tài)分析時(shí)要作不同處理。因此反激式變換器常要求能在完全和不完全能量轉(zhuǎn)換方式下穩(wěn)定工作。 由于電路簡(jiǎn)單，且能高效提供直 流輸出，對(duì)多路輸出特別有效， 不需要接輸出濾波電感，使反激變換器成本降低，體積減小。 所以本設(shè)計(jì)采用單端反激式開關(guān)電源。電路簡(jiǎn)單，但是輸出電壓帶負(fù)載能力不強(qiáng)，電源電壓不穩(wěn)定。 控制方法及實(shí)現(xiàn)方案 手動(dòng)輸出電壓調(diào)節(jié)采 用電位器改變?nèi)踊芈返纳舷卤入娮璞戎祦?lái)改變輸出電壓，使其滿足題目要求，該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。 提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案 在 DCDC 變換器中，主要消耗功率的元件有主回路的開關(guān)管、續(xù)流二極管、儲(chǔ)能電感等部件。 本設(shè)計(jì)中提高效率的措施主要有： 通過增加電感線徑減小電感阻值；采用低內(nèi)阻的高效率 MOSFET 作為主回路的開關(guān)元件；采用高速低正相壓降的肖特基二極管降低其功耗。目前使用的直流穩(wěn)壓電源大部分是線性電源，利用分立器件組成，其體積大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保護(hù)功能不夠，因而故障率高。以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)制造出來(lái)的新一代智能型穩(wěn)壓電源不但電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能卓越，而且由于單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，利用它對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而可排除和減少由于干擾信號(hào)和模擬電路引起的誤差，提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了對(duì)模擬電路的要求。輸出電壓和限定電流采用數(shù)字顯示，輸入采用鍵盤方式，電源的外表美觀，操作方便，具有較高的使用價(jià)值 [3]。 本設(shè)計(jì)的 功能有： 計(jì)算控制產(chǎn)生所需要的 PWM 波形； 通過比較預(yù)設(shè)電壓值與測(cè)量所得的電壓值調(diào)整 PWM 波形直到滿足要求； 控制系統(tǒng) AD/DA 芯片正常工作； 基本鍵盤功能和 LED 顯示。 整體設(shè)計(jì)框圖如圖 31 所示 圖 31 整體設(shè)計(jì)框圖 整體系統(tǒng)工作原理 本研究設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)為： 在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求： (1)輸出電壓 UO可調(diào)范圍： 30V～ 36V； (2)最大輸出電流 IOmax： 2A； (3)U2 從 15V 變到 21V 時(shí)，電壓調(diào)整率 SU≤2%（ IO=2A） ； (4)IO從 0 變到 2A 時(shí)，負(fù)載調(diào)整率 SI≤5%（ U2=18V） ； (5)輸出噪聲紋波電壓峰 峰值 UOPP≤1V（ U2=18V,UO=36V,IO=2A） ； (6)DCDC 變換器的效率 h≥70%（ U2=18V,UO=36V,IO=2A） ； (7)具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流 IO（ th） =177。 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心 ,一邊監(jiān)測(cè)鍵盤一邊顯示當(dāng)前輸出電壓值 ,并向模擬開關(guān)輸出當(dāng)前設(shè)定值。 該智能型穩(wěn)壓電源以開關(guān)電源為基礎(chǔ)電路，以 AT89C52 單片機(jī)為控制核心 ,組成數(shù)據(jù)處理電路，在檢測(cè)與控制軟件支持下，通過對(duì)開關(guān)電源輸出電流、電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣與給定數(shù)據(jù)比較，從而調(diào)整和控制開關(guān)電源的工作狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)電路的工作溫度和輸出電流大小，其工作原理框圖如圖 1 所示。用戶可根據(jù)需要通過鍵盤給定穩(wěn)壓電源輸出的電壓值及最大輸出電流值， AT89C52 自動(dòng)對(duì)電源輸出電壓和電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并 與用戶給定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后采用時(shí)間最優(yōu) (BB 控制 )與積分分離 PID 控制的雙?？刂扑惴刂崎_關(guān)調(diào)整電路，使電源輸出電壓符合給定值， AT89C52 在調(diào)整電源輸出電壓的同時(shí)還要檢測(cè)電路的工作溫度和輸出電流，倘若超過給定值，就啟動(dòng)保護(hù)電路。主電源回路是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分，交流輸入電壓經(jīng)一次不可控整流濾波電路平滑濾波后，將得到的直流 電壓送 至 DCDC 電 路 。本系統(tǒng) Boost 電路的電感選擇及開關(guān)器件的選擇與連接都至關(guān)重要，決定整個(gè)系統(tǒng)的性能。系統(tǒng) 過流保護(hù)選擇用硬件監(jiān)測(cè)的方式，當(dāng)輸出電流超過預(yù)設(shè)值后可由電路直接發(fā)中斷給單片機(jī)，繼電器保護(hù)快速動(dòng)作，可靠性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好。經(jīng)過一段時(shí)間后自動(dòng)重合繼電器，使電路 恢復(fù)工作。 開關(guān)電源主電路圖 開關(guān) 電源電路采用 UC3842 集成電路 ， 其特征是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，控制型效率高，能夠很好的穩(wěn)定電壓幅值，同時(shí)，通過改變脈沖寬度占空比固定開關(guān)的頻率改善波形，具有良好的抑制輸出電壓紋波和 噪聲功能。 圖 33 橋式整流電路 在輸入部分，整流橋 VBR1 和電容 C1 可以整流和濾波，還可以減少高頻噪聲。 濾波是為了降低輸出電壓 的脈動(dòng)分量 ，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、 RC（ LC） ∏型的濾波形式。有了電荷，兩極板之間就有電壓 UC=Q/C。時(shí)間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除 ”了交流分量，經(jīng)過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高 [5]。 PWM 控制電路 為了精確控制開關(guān)電路的電壓輸出，系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制的控制方式調(diào)節(jié)開關(guān)管的工作狀態(tài)。 I/O 輸出端與開關(guān)電路進(jìn)行光電隔離，防止來(lái)自開關(guān)電源電路的干擾信號(hào)影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作 。通過采樣反饋電路改變開關(guān)占空比，來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉的脈寬，從而使輸出電壓穩(wěn)定。假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即占空比 D， 使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的 ， 反之亦然。由于器件設(shè)計(jì)巧妙，由主電源電壓直接啟動(dòng)，構(gòu)成電路所需元件少，非常符合電路設(shè)計(jì)中 “ 簡(jiǎn)潔至上 ” 的原則 [6]。 采用 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)是 : 簡(jiǎn)化了硬件電路 ,降低了硬件成本 。 UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有 8 個(gè)引腳， 引腳圖如圖 34： 圖 34 UC3842 引腳圖 本設(shè)計(jì)所做的開關(guān)型穩(wěn)壓電源是脈沖寬度調(diào)制型（ PWM）， 采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容本設(shè)計(jì)所做的開關(guān)型穩(wěn)壓電源是脈沖寬度調(diào)制型（ PWM）， 采用功率半 導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，從而提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。 UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 35 所示： 圖 35 UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、電流比較器、 PWM 鎖存、 5VDC 基準(zhǔn)電源、輸出電路等。該電源