【正文】 .............................. 30 ....................................................................................................................................30 致謝 ......................................................................................................................................31 參考文獻(xiàn) ...............................................................................................................................32 4 1 開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì)思路 開關(guān)電源的基本工作原理圖 開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘 流管等），通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地 “ 接通 ” 和 “ 關(guān)斷 ” ，讓電子開關(guān)器件對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn) DC/AC、 DC/DC 電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。 開關(guān)電源原理圖 主電路 沖擊電流限幅 ：限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。 整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。 控制電路 一方面從輸出端取樣，與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其脈寬或脈頻，使輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。 輔助電源 實(shí)現(xiàn)電源的軟件（遠(yuǎn)程）啟動(dòng)，為保護(hù)電路和控制電路（ PWM 等芯片）工作供電。開關(guān)元件以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)無件接通時(shí)輸入電源 Vi 通過開關(guān) S 和濾波電路向負(fù)載 RL 提供能量，當(dāng)開關(guān) S 斷開時(shí)，電路中的儲能裝置（ L C二極管 D 組成的電路）向負(fù)載 RL 釋放在開關(guān)接通時(shí)所儲存的能量，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量。改變接通時(shí)間 onT 和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為 “時(shí)間比率控制 ”（ TimeRationControl,縮寫為 TRC）。 2． 脈沖頻率調(diào)制（ PulseFrequencyModulation,縮寫為 PFM） 導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。 2 幾種基本類型的開關(guān)電源 開關(guān)電源的分類 開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。 根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。 串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理 圖 11a 是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖，圖 11a 中 Ui 是開關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓； K 是控制開關(guān)， R 是負(fù)載。這樣，控制開關(guān) K 不停地 “ 接通 ” 和 “ 關(guān)斷 ” ，在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓 uo 。改變控制開關(guān) K 接通時(shí)間 Ton 與關(guān)斷時(shí)間 Toff 的比例，就可以改變輸出電壓 uo的平均值 Ua 。所以，串聯(lián) 式開關(guān)電源屬于降壓型開關(guān)電源。例如，電動(dòng)摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關(guān)電源的應(yīng)用。 并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理 并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理比較簡單，工作效率很高，因此應(yīng)用很廣泛，特別是在一些小電子產(chǎn)品中，并聯(lián)式開關(guān)電源作為 DC/DC升壓電源應(yīng)用最廣。并聯(lián)式開關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地，因此，容易產(chǎn)生 EMI 干擾。圖 111a 中 Ui是開關(guān)電源的工作電壓， L 是儲能電感， K 是控制開關(guān)， R是負(fù)載。 當(dāng)控制開關(guān) K 接通時(shí)，輸入電源 Ui開始對儲能電感 L加電，流過儲能電感L的電流開始增加，同時(shí)電流在儲能電感中也要產(chǎn)生磁場；當(dāng)控制開關(guān) K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，儲能電感會產(chǎn)生反電動(dòng)勢，反電動(dòng)勢產(chǎn)生電流的方向與原來電流的方向相同，因此，在負(fù)載上會產(chǎn)生很高的電壓。一般當(dāng)占空比 D小于或等于 時(shí)， i（ 0） = 0，由此可以求得流過儲能電感 L的最大電流 ILm為： 式中 Ton 為控制開關(guān) K 接通的時(shí)間。對（ 138）式階微分方程求解得： 式中 C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出 C，由于控制開關(guān) K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，流過儲能電感 L中的電流 iL 不能突變，因此， i(Ton+)正好等于流過儲能電感 L的最大電流 ILm ，所以（ 139）式可以寫 為： 圖 111a并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓 uo 等于： 由（ 141）式可以看出，當(dāng) t = 0 時(shí)，即： K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值： 10 當(dāng) t 等于很大時(shí)，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的值將接近輸入電壓 Ui，但這種情況一般不會發(fā)生，因?yàn)榭刂崎_關(guān) K的關(guān)斷時(shí)間等不了那么長。因此，并聯(lián)式開關(guān)電源經(jīng)常用于高壓脈沖發(fā)生電路。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。 變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進(jìn)行電器隔離的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣 強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以減輕 EMI 干擾，并且還容易進(jìn)行功率匹配。 當(dāng)控制開關(guān) K 接通的時(shí)候，直流輸入電壓 Ui首先對變壓器 T 的初級線圈 N1繞組供電，電流在變壓器初級線圈 N1 繞組的兩端會產(chǎn)生 自感電動(dòng)勢 e1；同時(shí)，通過互感 M的作用，在變壓器次級線圈 N2 繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e2；當(dāng)控制開關(guān) K 由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，電流在變壓器初級線圈 N1繞組中存儲的能量（磁能）也會產(chǎn)生反電動(dòng)勢 e1；同時(shí)，通過互感 M 的作用， 11 在變壓器次級線圈 N2繞組中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e2。 所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵(lì)一次。當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級線圈也正好向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。輸出電壓正半波的面 積與負(fù)半波的面積完全相等，這是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的特點(diǎn)。 順便指出，圖 116b中變壓器輸出電壓波形極性的正負(fù)，是可以通過調(diào)整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。但為了與占空比不等于 ，我們有時(shí)特別把占空比不等于 時(shí)的電壓波形稱為正、負(fù)半波。 圖 116a中，在 Ton 期間，控制開關(guān) K接通，輸入電源 Ui開始對變壓器初級線圈 N1 繞組加電，電流從變壓器初級線圈 N1 繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時(shí)，在初級線圈 N1 繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢 E1，在次級線圈 N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 e2；感應(yīng)電動(dòng)勢 e2作用于負(fù)載 R的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。 如果用 1 來表示變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，用 2來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān) K接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量 為： 其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通 1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通 2，記為 10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為 Δ 1 。即：變壓器鐵心 中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。 由此可知，在控制開關(guān) K接通期間，正激式開關(guān)變壓器次級輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次 /初級變壓比有關(guān)。 在 Toff 期間，控制開關(guān) K關(guān)斷，流過變壓器初級線圈的電流突然為 0。 如果變壓器鐵心中的磁通 產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級線圈就會產(chǎn)生無限高的反電動(dòng)勢，反電動(dòng)勢又會產(chǎn)生無限大的電流，而電流在線圈中產(chǎn)生的磁力線又會抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級線圈中的電流來約束的。對（ 164）式階微分方程求解得： 式中 C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出 C，由于控制開關(guān) K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，變壓器初級線圈回路中的電流突然為 0，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，變壓器次級線圈回路中的電流 i2 一定正好等于控制開關(guān) K接通期間的電流 i2(Ton+)，與變壓器初級線圈回路中勵(lì)磁電流被折算到變壓器次級線圈回路電流之和。 圖 116a單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓 uo 等于： 由（ 167）式可以看出，當(dāng) t = 0 時(shí)，即： K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值： 14 （ 168）式中的 Up就是反擊式輸出電壓的峰值，或輸出電壓最大值。理論上需要時(shí)間 t 等于無限大時(shí)，變壓器次級線圈回路輸出電壓才為 0，但這種情況一般不會發(fā)生，因?yàn)榭刂崎_關(guān) K的關(guān)斷時(shí)間等不了那么長。當(dāng)開關(guān)電源工作于正激時(shí)，開關(guān)變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同；當(dāng)開關(guān)電源工作于反激時(shí)，開關(guān)變壓器的工作原理相當(dāng)于一個(gè)儲能電感。 開關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟 開關(guān)電源可以采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，當(dāng)然還要通過濾波器把多余雜波給濾掉。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準(zhǔn)電流電壓值相比較，起到反饋傳遞作用。而功率開關(guān)管是由控制器 PWM控制它的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)脈沖寬度從而也實(shí)現(xiàn)占空比大小調(diào)節(jié)的。開關(guān)電源功能模塊如下所示： 輸入 開關(guān)電源設(shè)計(jì)總是先進(jìn)行總體考慮，然后對電源各部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來就是設(shè)計(jì)總體和輔助功能，最后進(jìn)行測試和設(shè)計(jì)優(yōu)化的。變壓器只用于交流傳輸與變換，而不能進(jìn)行直接傳輸，在交流電路中起電氣隔離、儲能、變壓、變阻等作用的。 最低的次級電壓 U2min 為 ? ?m a x m a x2 m i n m a xO L fonU U U TU t? ? ?? （ ） 設(shè) m a x 0 .2 , 0 .5LfU V U V??(設(shè)定肖特基二極管 )，則 ? ?2 m in 1 5 .5 0 .2 0 .5 5 3 8 .62 .1UV? ? ??? 初、次線圈計(jì)算 輸入直流電壓 U1 的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的 U1min 值。它的有效面積為 S=111mm2 磁心材質(zhì)相當(dāng)于 TDK的 H7C4,最大工作磁道密度 Bm可從圖 34 中查得 .實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約 100℃ ，且要選擇能保持線性范圍的 Bm，即 以下。根據(jù)線圈計(jì)算公式則， 2 m in m a x2 3 8 .6 2 .1 3 .70 .2 1 1 1onmUtN BS? ?? ? ??? （ ） 因而次級 N2 = 4，式中 Bm為磁心的磁通密度（ T）； S 為磁心的有效截面積（ mm2）。次級線圈所需要的電壓 U2min 一定要充分，因此要進(jìn)行ton max的修正計(jì)算。 輸出濾波器的設(shè)計(jì) 在開關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈 Lf 與輸出濾波電容器Cf 構(gòu)成的 “L”型濾波器如右圖 。 圖 濾波器 輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì) 計(jì)算流入輸出扼流圈電流 ? ?2 m in m a xfoU U UI L???? () L 為輸出扼流圈的電感（ μH）； I? 為輸出