【正文】 應(yīng)用領(lǐng)域 正激 優(yōu)點(diǎn)：電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：變壓器單向 激磁，利用率低 2oi1NU = DUN S m ax iU = + 13N（ 1 ） UN 各種中、小功率開關(guān)電源 反激 優(yōu)點(diǎn)：電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低 2oi1N DU = UN 1 D? 1S max i o2NU = + UNU 小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源 全橋 優(yōu)點(diǎn)：變壓器雙向激磁，容易達(dá)到大功率 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù) 雜成本高，有直通問題，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路 2oi1NU = D UN ? smax iU=U 大功率工業(yè)用開關(guān)電源、焊接電源、電解電源 半橋 優(yōu)點(diǎn)：變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關(guān)較少，成本低 缺點(diǎn)：有直通問題，可靠性低，需要隔離驅(qū)動(dòng)電路 2oi1NU = D UN ? smax iU=U 各種工業(yè)用開關(guān)電源，計(jì)算機(jī)設(shè)備用電源等 推挽 優(yōu)點(diǎn)：變壓器雙向激磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：有偏磁問題 2oi1NU = D UN ? smax iU =2U 低輸入電壓的開關(guān)電源 綜合以上各電路特點(diǎn)，結(jié)合此次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，決定選用隔離式中的反激電路作為主電路拓?fù)洹？梢?，輸入電源向?fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開關(guān)接通時(shí)將一部份能量?jī)?chǔ)存起來，在開關(guān)斷開時(shí)，向負(fù)載釋放。 按 TRC控制原理，有三種方式 : (1)脈寬調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM)式。因開關(guān)周期也是固定 的，這就為設(shè)計(jì)濾波電路提供了方便。目前，集成開關(guān)電源大多采用 PWM 方式。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比的。其穩(wěn)壓原理是 :當(dāng)輸出電壓 Uo 升高時(shí)，控制 器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng)，使占空比減小， Uo 降低。 (3)混合調(diào)制方式， 是 指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于 PWM和 PFM 的混合方式。 綜上所述各種控制方式有著不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，表 22 給出了它們的比較。重載時(shí)效率高 178。輸出紋波小 178。低負(fù)載時(shí)效率高 178。輸出紋波大 178。而且，采用一般的 PWM 調(diào)制方式，對(duì)元器件的要求也不會(huì)太高，很適合于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高性價(jià)比。 鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 14 PWM 變換器 由 功率開關(guān)管、整流二極管及濾波電 容 等元器件組成。 PWM 變換器的工作原理如圖 26 所示。 圖 26 PWM變換器的基本工作原理 脈寬調(diào)制 (PWM)控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖 ，如圖 27 所示 ，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的 寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率 [7]。在介紹之前，先簡(jiǎn)單回顧電壓型控制，以突出電流型控制的優(yōu)點(diǎn)。電壓型控制的基本原理，如圖 28所華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 示。 由圖 28可知，在電壓型控制中，只有輸出電壓一個(gè)狀態(tài)變量作為反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，屬于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。二階系統(tǒng)是一個(gè)條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有精心的設(shè)計(jì)控制電路，才能保 證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。的時(shí)間延遲。因此，電壓型僅采用監(jiān)控輸出電壓的方法穩(wěn)壓，其瞬態(tài)響應(yīng)速度緩慢，穩(wěn)定性能較差，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩，從而造成功率開關(guān)器件的損壞等嚴(yán)重故障。另外，由于閉環(huán)回路開環(huán)增益隨輸入電壓而變，使得整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性補(bǔ)償問題更加困難。它是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在電 壓外反饋控制環(huán)的基礎(chǔ)上，增加一電流控制內(nèi)反饋環(huán)節(jié)。因此電路中的電流不再以獨(dú)立的狀態(tài)變量存在，功率變換器由二階條件穩(wěn)定系統(tǒng)降為一階無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。 當(dāng)電源回路的電流增大，電流采樣電阻上的電流信號(hào)電壓幅值 Vs達(dá)到誤差門限電壓 Von時(shí)，脈寬比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器置位，驅(qū)動(dòng)撤除，功率管關(guān)斷。這種控制方式改善了整個(gè)電源的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，提高了反饋系統(tǒng)的抗干擾能力，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第 3章 設(shè)計(jì)方案 開關(guān)電源的基本原理 開關(guān)電源是將交流輸入 (單相或三相 )電壓變成所需的直流電壓的裝置。其基本原理是 :交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一 直流電壓，通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)過高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。 交流輸入 直流輸出 圖 31 開關(guān)電源基本原理 設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為 T，在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間為 Ton，則占空比定義為 Ton/T。通過改變 Ton來改變占空比 D，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。 圖 32 PWM占空比的控制 高頻開關(guān)電源由以下幾個(gè)部分組成： EMI 濾波器 整流 濾波 高頻變換器 高頻變壓器 高頻整流 濾波輸出 輔助 電源 PWM 調(diào)制器 誤差比較放大器 電壓電流取樣電路 標(biāo)準(zhǔn)電壓 保護(hù)電路 鐘宏林：一種新型開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 18 (1)主電路從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括： 輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。 高頻開關(guān)變換器 (DC\AC):它把直流電壓變換成高頻交流電，經(jīng)過高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓，這是高 頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。同時(shí)還防止高頻噪音對(duì)負(fù)載的干擾。 （ 2） 控制電路 :檢測(cè)輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 （ 3） 保護(hù)電路 :在開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流或短路時(shí)，保護(hù)電路使開關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和開關(guān)電源本身。 （ 4） 輔助電源 :為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證它們工作穩(wěn)定可靠。 主電路拓?fù)涞倪x擇 我們知道 PWM 開關(guān)變 換 器按工作方式可分為 : 單端反激變換器 單端正激變換器 推挽式變換器 半橋式變換器 全橋式變換器 其中 4 、 5 統(tǒng)稱為多端變換器，在以上的各種變 換器中，通過前面的介紹，我們可知，單端反激變換器，電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單適應(yīng)于小功率電子設(shè)備，符合本次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，所以本設(shè)計(jì)選擇單端反激變換器。 解決措施： 采用加氣隙來解決變壓器磁 芯 的磁復(fù)位問題，因而可增大電源的輸出功率，減少變壓器磁 芯 損耗，進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。 單端反激 變換器又稱電感儲(chǔ)能式變換器，圖 33所示 為其工作原理簡(jiǎn)圖與原 、 副邊電流波形示意圖 。 ETL pL sV DCRQ 1I L pI L stt 圖 33 單端反激式變換器工作原理簡(jiǎn)圖與原、副邊電流波形示意圖 控制電路 的設(shè)計(jì) 由 ， 本次設(shè)計(jì)采用的是 PWM控制方式。所謂電流型脈寬調(diào)制器是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓 調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。 因此 本設(shè)計(jì)的 控制電路采用 UC3842 模塊作為控制器。 其最大的優(yōu)點(diǎn)就是外圍元件極少，外電路裝配簡(jiǎn)單，成本低，適用于 20W～ 100W小功率開關(guān)電源。 1腳為補(bǔ)償端子，外接 RC網(wǎng)絡(luò)可補(bǔ)償誤差放大器的頻率響應(yīng) 。 3 腳為電流檢測(cè)輸人腳，外接過流檢測(cè)電阻，可構(gòu)成過流保護(hù)電路，當(dāng) 3 腳電壓等于或高于 1V時(shí)，電流檢測(cè)比較器輸出高電平，復(fù)位 PWM 鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖 。 5腳是接地 。 7腳 Vcc是電源。 輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。工作時(shí) 耗電約為 15mA，此電流可通過反饋電阻 提供。 UC3842的電壓調(diào)整率可達(dá) %，工作頻率為 500kHz，啟動(dòng)電流小于 1mA，輸入電壓為 10～ 30V，基準(zhǔn)電壓為 ～ ，工作溫度為 0～ 70℃ ，輸出電流為 1A。 UC3842 開啟電壓 16V/1mA，小于 10V 欠壓鎖定 [9]。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 U C 3 8 4 2誤 差 比 較 器 輸 出 C o反 饋 電 壓 輸 入 B F電 流 檢 測(cè) 輸 入 M o外 接 定 時(shí) 元 件 R T / C T基 準(zhǔn) 電 壓 輸 出 V R E F電 源 V C C脈 寬 調(diào) 制 輸 出 V o公 共 接 地 G N D12348765 圖 35 UC3842引腳排列圖 反饋電路的設(shè)計(jì) 反饋電路采用精密 可調(diào) 穩(wěn)壓源 TL431 和線性光耦 PC817。如圖 36所示。 當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出 ，從而實(shí)現(xiàn)了“電 光 電”的轉(zhuǎn)換。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。 精密 可調(diào) 穩(wěn)壓源 TL431 介紹 精密可調(diào)穩(wěn)壓源 TL431 的 原理圖如圖 37 所示 。 （ 2）陰極工作電壓范圍是 ～ 36V，極限值為 37V；陰極工作電流 IAK=1～ 100mA，極限為 150mA；額定功率為 1W， TA25℃ 時(shí)，則按 ℃ 的規(guī)律遞減 。 輸出電壓由外部的 Rp、 R2來設(shè)定。 由于承受電壓 與（ UiUo）有關(guān)，因此壓差很大時(shí)， R的功耗隨之增加 ， 使用時(shí)注意。 TL431 的工作原理：當(dāng)輸出電壓 Uo上升時(shí)，取樣電壓 Vref也隨之上升，使取樣電壓大于基準(zhǔn)電壓 UREF致使晶體管導(dǎo)通，其集電極電位下降，即輸出電壓 Uo下降。 （ 2）用于輸出電流當(dāng)前提示。比如限流保護(hù)和關(guān)機(jī)保護(hù)。電阻取樣是將適當(dāng)阻值和功率的電阻串聯(lián)在主回路中，阻值與功率與所檢測(cè)的電流和控制電路匹配。電阻電流取樣只適應(yīng)于小功率電源的電流檢測(cè)，電路簡(jiǎn)單。 PWM 脈沖通過 2 端對(duì)功率管的通斷進(jìn)行控制。 濾波噪聲電路設(shè)計(jì) (1)輸入端濾波電路如圖 310所示。 L C C4組成抗共模干擾電路，用于抑制共 模 噪聲 干擾。 (2)輸出端濾波電路如圖 311所示π型電路。 所以如圖 311 所示的電容 C1能濾除高頻、交流信號(hào) 。 電感對(duì)高頻尖峰有較大的阻抗，所以如圖 311 所示的 L可濾除高頻噪聲。直流輸入阻抗很高（ 107～ 1013Ω），交流阻抗與頻率有關(guān)。由于其易于驅(qū)動(dòng)和開關(guān)頻率可達(dá) 500KHz，特別適應(yīng)于高頻化電力電子裝置。 根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)本設(shè)計(jì)采用 MOSFET 為開關(guān)器件。 輸入濾波電容器容量計(jì)算 ? ?ini 2i m in im in p pWC2 U U U? 2（ 2 ） （ 33） oin minPW= fAη （ 34） 式中 Po為輸出功率（ W）；η為逆變器工作效率； Uimin為交流輸入電壓允許最低值（ V）；fmin為最低允許頻率（ Hz）； A為電源相數(shù)，單相數(shù) A=1，三相 A=3。 輸出整流二極管的選取 輸出整流二極管的選擇取決于每個(gè)元件承受的最大電壓，承受的最大峰值下向電流及華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 流過的平均電流和有效電流值。 輸出整流電路結(jié)構(gòu)二極管反向額定電壓 ： 2D R O in1NU U UN?? （ 36） 輸出整流管額定電流 IF的選取 流過整流二極管的最大電流 IDMAX，電流有效值 IDRMS ， D 為占空比 DMAX o2IID?