并聯(lián)自激型穩(wěn)壓電路畢業(yè)設計.pdf

河南工業(yè)職業(yè)技術學院1前言隨著電子技術的高速發(fā)展 ， 電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛 ， 電子設備的種類也越來越多 ， 電子設備與人們的工作 、 生活的關系日益密切 。 任何電子設備都離不開可靠的電源 ， 它們對電源的要求也越來越高 。 電子設備的小型化和低成本化使電源以輕 、 薄 、 小和高效率為發(fā)展方向 。 傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源 。 這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術比較成熟 ， 并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點 。但通用都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器 。 由于調(diào)整工作在線性放大狀態(tài) ， 為了保證輸出電壓穩(wěn)定 ， 其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有 45%左右 。 另外 ， 由于調(diào)整管上消耗較大的功率 ， 所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器 ， 很難滿足現(xiàn)代電子設備發(fā)展的要求 。 20世紀 50年代 ， 美國宇航局以小型化 、 重量輕為目標 ， 為搭載火箭開發(fā)了開關電源 。 在近半個多世紀的發(fā)展過程中 ， 開關電源因具有體積小 、 重量輕 、 效率高 、 發(fā)熱量低 、 性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術制造的連續(xù)工作電源 ， 并廣泛應用于電子整機與設備中 。 20世紀 80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代。 20世紀 90年代，開關電源在電子、電器設備、家電領域得到了廣泛的應用，開關電源技術進入快速發(fā)展期。 隨著超大規(guī)模集成芯片尺寸的不斷減小 ， 電源的尺寸與微處理器相比要大得多 ； 而航天 、 潛艇 、 軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備 (如手提計算機 、移動電話等 )更需要小型化 、 輕量化的電源 。 因此 ， 對開關電源提出了小型輕量要求 ， 包括磁性元件和電容的體積重量也要小 。 此外 ， 還要求開關電源效率要更高 ， 性能更好 ， 可靠性更高等 。 這一切高新要求便促進了開關電源的不斷發(fā)展和進步。河南工業(yè)職業(yè)技術學院2目錄第一章設計思路及要求 .31.1設計要求 .31.2設計任務 .31.3設計思路 .3第二章電路環(huán)節(jié)的基本知識 .52.1整流電路 .52.2濾波電路 .82.3并聯(lián)穩(wěn)壓電路 .122.4自激振蕩電路 .162.5變壓器 .19第三章 穩(wěn)壓電源的工作原理及性能指標 .203.1穩(wěn)壓電源的工作原理 .203.2穩(wěn)壓電源的主要指標 .203.3開關電源的基本工作原理 .223.4開關電源的種類選擇 .243.5電路的設計 .283.6保護電路的設計 .333.7元器件明細表 .35第四章 心得體會 .37第五章 參考資料 .38河南工業(yè)職業(yè)技術學院3第一章設 計思路及要求1.1設計 要求1.輸出功率： 120W。2.輸出電壓： (1)115V(2)24V(3)8V(4)5V四路電壓。3.具有次級負載過載保護、過壓保護等。1.2設計 任務1.熟悉有關資料。2.電路設計。(1)電路框圖： 2號圖紙 1張。(2)電路原理圖： 2號圖紙 1張。(3)單元電路： A4紙 2張。3.編寫設計說明書，約 15000字。(1)設計思想與方案論證。(2)系統(tǒng)工作原理說明 :關于并聯(lián)自激型穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu) 、 原理與使用方法 ， 請查閱有關資料。 (3)電路計算。(4)電路元器件計算與選擇。(5)元器件明細表。4.計算機打印說明書。1.3設計 思路并聯(lián)自激型直流穩(wěn)壓電源的設計我首先想到的是開關穩(wěn)壓電源 ， 在穩(wěn)壓電源的基礎上加上自激振蕩電路和保護電路。其中穩(wěn)壓電源有整流電路、濾波電路 、穩(wěn)壓電路組成 。 經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓 ， 雖然平滑程度較好 ， 但其穩(wěn)定性仍比較差。其原因主要有以下幾個方面：1、 由于輸入電壓不穩(wěn)定 （ 通常交流電網(wǎng)允許有 10的波動 ） ， 而導致整流濾波電路輸出直流電壓不穩(wěn)定。2、 由于整流濾波電路存在內(nèi)阻 ， 當負載變化時 ， 引起負載電流發(fā)生變化 ，使輸出直流電壓發(fā)生變化。河南工業(yè)職業(yè)技術學院43、 由于電子元件 （ 特別是導體器件 ） 的參數(shù)與溫度有關 ， 當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，引起電路元件參數(shù)發(fā)生變化，導致輸出電壓發(fā)生變化。4、 整流濾波后得到的直流電壓中仍然會有少量紋波成份 ， 不能直接供給那些對電源質(zhì)量要求較高的電路。所以 ， 經(jīng)整流濾波后的直流電壓必須采取一定的穩(wěn)壓措施才能適合電子設備的需要。常用的直流穩(wěn)壓電路有并聯(lián)型和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路兩種類型。河南工業(yè)職業(yè)技術學院5第二章電 路環(huán)節(jié)的基本知 識2.1整流 電路2.1.1整流電路的分類根據(jù)整流技術的應用和具體電路，我們將變流技術分成如下幾類： 單相半波整流單相全波整流 不可控整流單相橋式整流 單相整流單相半波可控整流 單相橋式半控整流 可控整流單相橋式全控整流 半導體整三相零式整流 不可控整流三相橋式整流 三相整流三相半控橋 可控整流三相全控橋上面的分類只是按照應用最多的情況進行的分類 ， 實際應用中遠較上面的要多 。 比如六相整流 、 十二相整流等等 。 由于這些電路在勵磁系統(tǒng)中應用的較少 ， 我們在分類時就沒有將他們列入 。 實際上 ， 在早期的模擬式自動勵磁調(diào)節(jié)器的電壓測量回路中 ， 為了保證測量電壓的紋波系數(shù) ， 六相和十二相整流電路應用的還是很普遍的，只是現(xiàn)代微機勵磁調(diào)節(jié)器采用交流電壓采樣方式以后 ，對測量電壓的紋波要求相對降低了而不怎么采用了。2.1.2單相整流電路1.單相半波整流電路單相半波整流電路接線圖及波形圖見 2.1河南工業(yè)職業(yè)技術學院6單相半波整流是半導體變流技術中最基本的電路 。 他是利用半導體二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電最基本的方法。由于二極管的單向?qū)щ娦?，變壓器二次電壓只有正方向電流才能夠通過二極管而施加到負載上 ， 而負方向由于二極管的阻斷作用而不能施加到負載上 ， 因此 ， 負載上獲得的平均電壓僅為變壓器二次電壓的一半 。 由于存在二極管導通壓降和變壓器二次繞組的壓降 ， 故電路中：245.0 UUd =由于在電路的輸出側(cè)裝有濾波電容器 ， 負載上的最高電壓將可以達到變壓器二次電壓 的峰值電壓，即 22uud = ；同時， 由于電容器的放 電作用，在變壓 器二次電壓下降時 ， 負載上的電壓并不隨二次電壓下降而下降 ， 而是由電容器的放電曲線所決定 。 單相半波整流電路的波形圖見 2.2。 圖中 ： 蘭色曲線為變壓器二次電壓 ， 紅色曲線為無濾波電容器時的整流輸出電壓 ， 棕色曲線為有濾波電容器時負載上的電壓。 當整流二極管換為可控硅 ， 電路變化為可控單相整流電路時 ， 負載上的平均整流電壓由 ： 2cos145.0)(sin221 22 += UttdUUd 式?jīng)Q定。式中： U2 變壓器二次繞組電壓的有效值； 移相角。由式可以看出，當 改變時，負載上獲得的平均整流電壓會有不同的值。2.單相全波整流單相全波整流電路接線圖及波形圖見圖 2.3。ZBI2 e2e1 e2 c Ifz Rfz Ud tUd=0.45U2 圖 一 （ a） 單 相 半 波 整 流 電 路 原 理 圖 圖 一 （ b） 單 相 半 波 整 流 電 路 波 形 圖e2、 Ud2圖 2.1 圖 2.2河南工業(yè)職業(yè)技術學院7在變壓器副邊電壓的正半周 ， 二極管 D1處于正向偏置而 D2處于反向偏置狀態(tài) ， D1在正向電壓的作用下導通 ， D2在反向電壓的作用下截止 ， 負載上獲得 e21電壓 ； 在變壓器副邊電壓的負半周 ， 二極管 D1處于反向偏置狀態(tài) ， 而 D2處于正向偏置狀態(tài)， D2在正向電壓的作用下導通， D1在反向電壓的作用下截止，負載上獲得 e22電壓。負載上的電壓波形如圖 2b中棕色曲線。與單相半波整流電路相比 ， 全波整流的輸出要多一個波 ， 因此 ， 輸出電壓也較半波要高一倍，故： Uc=0.9U2與單相半波一樣 ， 在有濾波電容器時 ， 負載上的最高電壓為變壓器二次電壓的峰值，使用中應當特別注意。 3.單相橋式整流單相橋式整流是實際應用最多的單相整流電路 。 電路接線見圖 3。 在電路中 ，四只整流管組成橋式整流 。 在變壓器二次電壓的正半周 ， 電流通過 D1 Rfz D2 W2形成 通路，而 在負半 周，電流 通過 D3 Rfz D4 W2形成 通路，負 載上電壓波形見圖 2.6棕色曲線。與全波整流一樣，橋式整流電路的平均輸出電壓：Ud=0.9U2當有濾波電容器時，負載上的最高電壓為變壓器二次電壓的峰值。ZB e1 e21 c RfzUd e21Ifz Ude22 tUd=0.9U2圖 2a 單 相 全 波 整 流 電 路 原 理 圖圖 2b 單 相 全 波 整 流 電 路 波 形 圖 e2、 Ude222圖 2.3 圖 2.4河南工業(yè)職業(yè)技術學院8當整流管換為可控硅時 ， 橋式整流可以很方便地變換為可控整流 。 單相橋式可控整流電路的輸出電壓由：2cos19.0 2 += UUd 決定。當可控整流橋接入感性負載時 ， 由于電感電流不能突變 ， 在可控硅關斷期內(nèi) ，必須在負載兩端接入續(xù)流二極管以保持電感電流的通路 ， 以防止可控硅關斷時在電感負載兩端產(chǎn)生危險的過電壓和可控硅能夠換相導通。2.2濾波 電路2.2.1濾波電路的分類電容濾波電感濾波RC濾波 濾波電路LC濾波兀型濾波交流電經(jīng)過二極管整流之后 ， 方向單一了 ， 但是大小還是處在不斷地變化之中。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番 “ 填平取齊 ” 的工作 ，I2 e2ZB UdD1 D3 e1 e2 c tIfz Rfz UdD4 D2Ud=0.9U2 單 相 橋 式 全 波 整 流 電 路 波 形 圖e2、 Ud2單 相 橋 式 全 波 整 流 電 路 原 理 圖圖 2.5 圖 2.6河南工業(yè)職業(yè)技術學院9這便是濾波 。 換句話說 ， 濾波的任務 ， 就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。2.2.2電容濾波電容濾波電路圖 2.7，電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。在脈動直流波形的上升段，電容 C1充電，由于充電時間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容 C1放電，由于放電時間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在 C1還沒有完全放電時再次開始進行充電。這樣通過電容 C1的反復充放電實現(xiàn)了濾波作用。濾波電容 C1兩端的電壓波形圖 2.8選擇濾波電容時需要滿足下式的條件：2.2.3電感濾波電感濾波電路圖見圖 2.9。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用 ， 電感量越大濾波效果越好 。 電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很大的場合。圖 2.7 圖 2.8河南工業(yè)職業(yè)技術學院10濾波電路是直流電源的重要組成部分，它一般是由電容等儲能元件組成 ， 用來濾除單向脈動電壓中的諧波分量，從而得到比較平滑的直流電壓。圖 2.10所示為橋式整流簡單 RC濾波電路。由圖可以看出，濾波電容 C并聯(lián)于整流電路的輸出端，即 C與 RL并聯(lián)，整流電路的負載為容性。其工作原理為：設 t=0時接通電源 ， 當 2v由零逐漸上升時 ， 二極管 D1、 D3導通 ， D2、 D4截止 ， 電流方向如圖中 箭頭所示 。電流 一路流過 負載 RL，一 路向電容 C充電 ，充電極 性為上 正、下負 。 由于電源內(nèi)阻及二極管導通電阻均很小 ， 即充電時間常數(shù)很小 ， 所以充電進行的很 快， C兩端的電 壓隨 2v很快上升 到峰值，即 mc Vv 2 。當 2v 由峰值開 始下降時，充電過程結(jié)束。圖 2.10橋式整流電容濾波的原理電路 圖 2.11工作波形由于 電容 C兩端 的電 壓 cv 2v ，這 時， 四 只二 極管 均被 反偏截 止， 電容 C向負載 RL放電，從而使通過負載 RL的電流得以維持。放電時間常數(shù) RLC取值愈大 ，RL兩端的電壓下降愈緩慢 ， 輸出波形愈平滑 ， 直到下一個半周到來 ， 且 2v cv時 ，D2、 D4才正偏道通（ D1、 D3仍截止），放電過程結(jié)束， 2v又開始給 C充電。如此周而復始的充電、放電，在負載 RL上便得到如圖 2.11所示的輸出電壓。圖 2.9河南工業(yè)職業(yè)技術學院112.2.5LC濾波電路與 RC濾波電路相對的還有一種 LC濾波電路，這種濾波電路綜合了電容濾波電路紋波小和電感濾波電路帶負載能力強的優(yōu)點。其電路圖見圖 2.122.2.6兀型濾波電路為了 提高濾 波效果， 在電容 C之后 ，我們 再增加一 節(jié) RC低通 電路。 這樣組成的濾波電路稱之謂兀型 RC濾波電路 ， 如 2.13所示 。 經(jīng)過 C1濾波后的電壓 Iv包含直 流分量)(AVIV 和交 流分量， 假設交 流分量主 要用基 波分量最 大值 mIV1 表示 ，則可求得輸出電壓 Ov 的直流分量和交流分量分別為：)()( AVILLAVO VRRRV += （ 1）mILLmO VCR CRRRV 122221 )1(1 += （ 2）圖 2.13兀型 RC濾波電路式中 R =R RL , 為整 流輸出電 壓基波 的角頻率 ，由（ 2）式 知，為了 得到較好的濾波效果，應取 21C R ，此時，式（ 2）可以簡化為mILLOm VRCRRRV 121 1 + 由（ 1）式和（ 3）式可以看出，和簡單的電容濾波電路相比較，兀型 RC濾波電路雖然直流分量衰減了 ， 但交流分量衰減更大 。 在 不變的情況下 ， C2和 R (R圖 2.12河南工業(yè)職業(yè)技術學院12 RL)愈大 ，則 濾波 效果愈 好。 為了 使 R 值大 ，要 求 R和 RL都應 大， 但 R增大會使輸出 直流電壓減小， C2的增大又 增大了體積和重 量?？梢娯Ｐ?RC濾波電路雖然可以減小紋波系數(shù)，但因 R上有直流壓降，外特性并沒有得到改善。2.3并聯(lián) 穩(wěn)壓 電路2.3.1硅穩(wěn)壓管并聯(lián)穩(wěn)壓電源1、電路原理分析 圖 2.14是硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電源。其中 D1是穩(wěn)壓二極管， R1是限流電阻， R2是負載 。 由于 D1與 R2是并聯(lián) ， 所以稱并聯(lián)穩(wěn)壓電路 。 此電路必須接在整流濾波電路之后，上端為正下端為負。由于穩(wěn)壓管 D1反向?qū)〞r兩端的電壓總保持固定值，所以在一定條件下 R2兩端的電壓值也能夠保持穩(wěn)定。下面我們來分析一下具體工作原理： 假設設輸入電壓為 UI， 當某種原因?qū)е?UI升高時 ， UD1相應升高 ， 有穩(wěn)壓管的特性可知 UD1上升很小都會造成 ID1急劇增大 ， 這樣流過 R1上的 IR1電流也增大， R1兩端的電壓 UR1會上升， R1就分擔了極大一部分 UI升高的值， UD1就可以保持穩(wěn)定 ， 達到負載上電壓 UR2保持穩(wěn)定的目的 。 這個過程可用下面的變化關系圖表示：UI UD1 ID1 IR1 UR1 UD1相反的，如果 UI下降時，可用下面的變化關系圖表示：UI UD1 ID1 IR1 UR1 UD1圖 2.14河南工業(yè)職業(yè)技術學院13通過前面的分析可以看出 ， 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中 ， D1負責控制電路的總電流 ，R1負責控制電路的輸出電壓，整個穩(wěn)壓過程由 D1和 R1共同作用完成。2、元件選擇 下面我們來看看已知負載電壓 UR1和負載電流 IR1時如何設計硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電源。（ 1）初選穩(wěn)壓管 D1一般情況下，可以按照 UD1 UR2和 ID1 （ IR2） max來初步選定穩(wěn)壓管 D1，如果負載有可能開路則應選擇（ ID1） max （ 2 3）（ IR2） max，這是因為當負載時所有電流全部都會流過 D1，所以 ID1應該適當選擇大一點。（ 2）選定輸入電壓一般可選擇 UI（ 2 3） UR2（ 3）選定限流電阻 R1R1（ UI UR2） /（ ID1 IR2）但是需要考慮兩種極限情況：當 UI最大 ， 且負載開路時 （ 即 IR2 0） ， 流過 D1的電流最大 。 為了不超過 D1的最大允許電流（ ID1） max，需要有足夠大的電流電阻，否則會燒壞 D1。 則R1需要滿足：R1（ UI） max UR2） /ID1） max當 UI最小，且負載電流最大時，流過 D1的電流最小。為了保證此時 D1能夠工作在擊穿區(qū)起到穩(wěn)壓的作用，要有一定的電流流過 D1，一般取 5mA 10mA。則 R1需要滿足：R1N1時 ， 其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器：當 N2N2， V1V2，該 變壓 器為 降壓變壓器 .反之則為升壓變壓器 .河南工業(yè)職業(yè)技術學院21第三章 穩(wěn)壓電源的工作原理及性能指標3.1穩(wěn)壓 電源 的工 作原理 穩(wěn)壓 電源 的工 作原理 穩(wěn)壓 電源 的工 作原理 穩(wěn)壓 電源 的工 作原理 直流 穩(wěn)壓電源 一般由 電源變壓 器，整 流濾波電 路及穩(wěn) 壓電路所 組成。 變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。 整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。 經(jīng)濾波后 ， 穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出 。 本設計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過 220V50HZ交流電壓經(jīng)電源變壓器降壓后 ，通過 橋式 整流 VD1 VD2整流 成直 流電 再經(jīng)過 濾波 電容 C1平滑 直流 電， 減少直流 電紋波系 數(shù)。最 后，通過 三端集 成穩(wěn)壓器 CW7824穩(wěn)壓 ，將輸出 電壓穩(wěn) 定在 24V左右。圖 3.1穩(wěn)壓電源 框架圖3.2穩(wěn)壓 電源 的主 要指標 穩(wěn)壓 電源 的主 要指標 穩(wěn)壓 電源 的主 要指標 穩(wěn)壓 電源 的主 要指標 穩(wěn)壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓 、 輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等 ； 另一種是質(zhì)量指標 ， 用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度 ， 包括穩(wěn)壓系數(shù) 、 輸出電阻 、 溫度系數(shù)及紋波電壓等 。 這些質(zhì)量指標的含義，可簡述如下： 3.2.1.穩(wěn)壓器質(zhì)量指標（ 1）電壓調(diào)整率 SV河南工業(yè)職業(yè)技術學院22電壓調(diào)整率是表征穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標 ， 又稱為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù) ， 它表征當輸入電壓 VI 變化時穩(wěn)壓器輸出電壓 VO穩(wěn)定的程度 ， 通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比）（ %100 OOIVVV 表示。（ 2）電流調(diào)整率 SI電流調(diào)整率是反映穩(wěn)壓器負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩(wěn)定系數(shù) 。 它表征當輸入電壓不變時 ， 穩(wěn)壓器對由于負載電流 （ 輸出電流 ） 變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力 ， 在規(guī)定的負載電流變化的條件下 ， 通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的白分比來表示穩(wěn)壓器的電流調(diào)整率（ %100OOVV ）（ 3）紋波抑制比 SR紋波抑制比反映了穩(wěn)壓器對輸入端引入的市電電壓的抑制能力 ， 當穩(wěn)壓器輸入和輸出條件保持不變時，穩(wěn)壓器的紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰 -峰值與輸出紋波電壓峰 -峰值之比表示，一般用分貝數(shù)表示，但是有時也可以用百分數(shù)表示，或直接用兩者的比值表示。 （ 4）溫度穩(wěn)定性集成穩(wěn)壓器的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的穩(wěn)壓器工作溫度 Ti 最大變化范圍內(nèi) （ Tm in Ti Tm ax ） 穩(wěn)壓器輸出電壓的相對變化的百分比值 （ %100OOVV ） / T。3.2.2.穩(wěn)壓器的工作指標穩(wěn)壓器的工作指標是指穩(wěn)壓器能夠正常工作的工作區(qū)域 ， 以及保證正常工作所必須的工作條件，這些工作參數(shù)取決于構(gòu)成穩(wěn)壓器的元件性能。 （ 1）輸出電壓范圍符合穩(wěn)壓器工作條件情況下 ， 穩(wěn)壓器能夠正常工作的輸出電壓范圍 ， 該指標的上限 是由最大輸入電 壓和最小輸入 -輸出電 壓差所規(guī)定，而 其下限由穩(wěn)壓器 內(nèi)部的基準電壓值決定。 （ 2）最大輸入 -輸出電壓差該 指標 表征 在保 證 穩(wěn)壓 器正 常工 作 條件 下穩(wěn) 壓器 所 允許 的最 大輸 入 輸 出之間的電壓差值，其值主要取決于于穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標。（ 3）最小輸入 -輸出電壓差河南工業(yè)職業(yè)技術學院23該指標表征在保證穩(wěn)壓器正常工作條件下 ， 穩(wěn)壓器所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。（ 4）輸出負載電流范圍 輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍 ， 在這一電流范圍內(nèi) ， 穩(wěn)壓器應能保證符合指標規(guī)范征所給出的指標。 3.極限參數(shù)（ 1）最大輸入電壓 該電壓是保證穩(wěn)壓器安全工作的最大輸入電壓。（ 2）最大輸出電流 是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。3.3開關 電源 的基 本工作 原理3.3.1開關穩(wěn)壓電源的電路原理框圖開關穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 3.2所示。AC DC比較器脈寬 取樣器振蕩器 基準電輸入 整流濾波功率 轉(zhuǎn)換電路高頻變 壓器 輸出整 流濾波控 制電路圖 3.2開關電源電路框圖交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后 ， 變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波 ， 最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。 反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器 ， 它主要由取樣器 、 比較器 、 振蕩器 、 脈寬調(diào)制及基準電壓等電路構(gòu)成 。這部分電路目前己集成化 ， 制成了各種開關電源專用集成電路 。 控制電路用來調(diào)河南工業(yè)職業(yè)技術學院24整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 3.3.2調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理開關穩(wěn)壓電源按控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種 。 在目前開發(fā)和使用的開關電 源電路中 ，絕大 多數(shù)為脈 寬調(diào)制 型 ,即為 PWM技術 。 PWM技術 ，全稱脈 沖寬度調(diào)制（ PulsewidthModulation,PWM）技術，是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需波形 （ 含形狀和幅值 ） 的 。 PWM控制技術主要是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術 ， 廣泛應用在從事測量 、 通信到功率控制與變換的諸多領域 。 PWM開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理就是在輸入電壓 、 內(nèi)部參數(shù)以及外接負載變化的情況下 ， 控制電路通過被控信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋 ， 調(diào)節(jié)主電路開關器件的導通脈沖寬度 ， 使得開關電源的輸出電壓被控制信號穩(wěn)定。 調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的控制原理如圖 3.3所示。對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓 Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓 Uo可由公式 (3.1)計算：Uo=UM* T1/T公式 (3.1)式中 Um 矩形脈沖最大電壓值； T 矩形脈沖周期； T1 矩形脈沖寬度。當 Um與 T不變 時，直 流平均電 壓 Uo將與 脈沖寬 度 T1成正 比。這 樣，只要設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達到穩(wěn)定電壓的目的 。圖 3.3脈寬調(diào)制式開關電源控制原理圖河南工業(yè)職業(yè)技術學院253.4開關 電源 的種 類選擇開關型穩(wěn)壓電源的種類很多 ， 分類方法也有多種 。 從推動功率管的方式來分可分為自激式和它激式 ， 在自激式開關電源中由開關管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩 ;它激式開關穩(wěn)壓電源必須附加一個振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關脈沖加在開關管上 ， 控制開關管的導通和截至 。 按開關管的個數(shù)及連接方式可分為單端式 、 推挽式 、 半橋式和全橋式等 。 按開關管的連接方式 ， 開關電源分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開關電源 ， 串聯(lián)型開關電源的開關管是串聯(lián)在輸入電壓與輸出負載之間的，屬于降壓式穩(wěn)壓電路 ;而并聯(lián)型開關電源的開關管是并聯(lián)在開關電源之間的，屬于升壓式電路。 1.單端反激式開關電源單端反激式開關電源的典型電路如圖 3.4所示 。 電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè) 。 所謂的反激 ， 是指當開關管 VT1導通時 ，高頻變壓器 T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管 VD1處于截止狀態(tài) ，副邊上沒有電流通過 ， 能量儲存在高頻變壓器的初級繞組中 。 當開關管 VT1截止時 ， 變壓器 T副邊上的電壓極性顛倒 ， 使初級繞組中存儲的能量通過 VD1整流和電容 C濾波后向負載輸出。單端反激式開關電源電路簡單、所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離 ， 能方便的實現(xiàn)單路或多路輸出，開關管驅(qū)動簡單，可通過改變高頻變壓器的原 、 副邊繞組匝比使占空比保持在最佳范圍內(nèi) ， 且有較好的電壓調(diào)整率 。 其輸出功率 為20 100W。 它也有其一定的缺點 ， 如開關管截止期間所受反向電壓較高 ， 導通期間流過開關管的峰值電流較大 。 但這可以通過選用高耐壓 、 大電流的高速功率器件 ， 在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決 。 單端反激式開關電源使用的開關 管 VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍 ， 工作頻率 在 20 200kHz之間。圖 3.4單端反激式開關電源河南工業(yè)職業(yè)技術學院262.單端正激式開關電源 單端正激式開關電源的典型電路如圖 3.5所示 。 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。當開關管 VT1導通時 ,VD2也導通，這時電網(wǎng)向負載傳送能量 ， 濾波電感 L儲存能量 ： 當開關管 VT1截止時 ， 電感 L通過續(xù)流二極管 VD3繼續(xù)向負載釋放能量。在電路中還設有鉗位線圈與二極管 VD1，它可以將開關管 VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時問應相等 ，所以電路中脈沖的占空比不能大于 50%。由于這種電路在開關管 VT1導通時 ， 通過變壓器向負載傳送能量 ， 所以輸出功率范圍大，可輸出 50 200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復雜，體積也較大，因此這種電路的實際應用較少。圖 3.5單端正激式開關電源3.自激式開關穩(wěn)壓電源 自激 式開關 穩(wěn)壓電源 的典型 電路如圖 3.6所示 。當接 入電源后 在 R1給開 關管 VT1提供啟動電流 ， 使 VT1開始導通 ， 其集電極電流 Ic在 L1中線性增長 ， 在L2中感 應出使 VT1基極 為正， 發(fā)射極為 負的正 反饋電壓 ，使 VT1很快 飽和。 與此同時 ， 感應電壓給 C1充電 ， 隨著 C1充電電壓的增高 ， VT1基極電位逐漸變低 ，致使 VT1退出飽和區(qū) ， Ic開始減小 ， 在 L2中感應出使 VT1基極為負 、 發(fā)射極為正的電壓 ， 使 VT1迅速截止 ， 這時二極管 VD1導通 ， 高頻變壓器 T初級繞組中的儲能 釋放給負 載。在 VT1截止 時， L2中沒 有感應電 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 ， 使其重新導通 ， 再次翻轉(zhuǎn)達到飽和狀態(tài) ， 電路就這樣重復振蕩下去 。 這里就像單端反激式開關電源那樣 ， 由變壓 器河南工業(yè)職業(yè)技術學院27T的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。 自 激 式 開關 電 源 中 的 開 關管 起 著 開 關 及 振蕩 的 雙 重 作 用 ，也 省 去 了 控 制 電路 。 電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài) ， 具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。圖 3.6自激式開關電源4.推挽式開關電源 推挽式開關電源的典型電路如圖 3.7所示 。 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) 。 電路使用兩個開關管 VT1和 VT2， 兩個開關管在外激勵方波信號的控制下交替的導通與截止 ， 在變壓器 T次級繞組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?這種電路的優(yōu)點是兩個開關管容易驅(qū)動 ， 主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在 100 500W范圍內(nèi)。圖 3.7推挽式開關電源5.降壓式開關電源 降壓式開關電源的典型電路如圖 3.8所示 。 當開關管 VT1導通時 ， 二極管 VD1截止，輸入的整流電壓經(jīng) VT1和 L向 C充電，這一電流使電感 L中的儲能增加 。當開關管 VT1截止時，電感 L感應出左負右正的電壓，經(jīng)負載 RL和續(xù)流二極 管VD1釋放電感 L中存儲的能量 ， 維持輸出直流電壓不變 。 電路輸出直流電壓的高河南工業(yè)職業(yè)技術學院28低由加在 VT1基極上的脈沖寬度確定。圖 3.8降壓式開關電源6.升壓式開關電源 升壓式開關電源的穩(wěn)壓電路如圖 3.9所示 。 當開關管 VT1導通時 ， 電感 L儲存能量 。 當開關管 VT1截止時 ， 電感 L感應出左負右正的電壓 ， 該電壓疊加在輸人電壓上 ， 經(jīng)二極管 VD1向負載供電 ， 使輸出電壓大于輸人電壓 ， 形成升壓式開關電源。圖 3.9升壓式開關電源7.反轉(zhuǎn)式開關電源 反轉(zhuǎn) 式開關 電源的典 型電路 如圖 3.10所示 。這種 電路又稱 為升降 壓式開關電源 。 無論開關管 VT1之前的脈動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 。 當開關管 VT1導通時 ， 電感 L儲存能量 ， 二極管 VD1截止 ， 負 載RL靠電 容 C上次 的充電電 荷供電 。當開關 管 VT1截止 時，電感 L中的 電流繼續(xù)流通 ， 并感應出上負下正的電壓 ， 經(jīng)二極管 VD1向負載供電 ， 同時給電容 C充電 。降壓式 、 升壓式 、 反轉(zhuǎn)式開關電源的高壓輸出電路與副邊輸出電路之間沒有絕緣隔離，統(tǒng)稱為斬波型直流變換器。河南工業(yè)職業(yè)技術學院29圖 3.10反轉(zhuǎn)式開關電源一般 來說， 功率很小 的電源 （ 1 100W）采 用電路 簡單、成 本低的 反激型電路較好；當電源功率在 100W以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短 路頻繁時 ，則應 采用正激 型電路 ；對于功 率大于 500W、工 作條件較 好的電源 ， 則采用半橋或全橋電路較為合理 ； 如果對成本要求比較嚴 ， 可以采用半橋電路 ； 如果功率很大 ， 則應采用全橋電路 ； 推挽電路通常用于輸入電壓很低 、 功率較大的場合。 基于本設計中開關型穩(wěn)壓電源是采用全控型電力電子器件作為開關 ， 利用控制開關的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小 ， 以及可靠性高等特點 。 本設計旨在設計并制作出一種額定輸出功率為 60W的通用的小功率開關電源 ， 主要采用 TOP246Y、 PC817A、 TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合 ， 使設計出的開關電源具有自動穩(wěn)壓功能 。 因此 ， 本設計就選擇了基于 TOP246Y的單端反激式開關電源。3.5電路 的設 計3.5.1 主電路的工作原理電路主要包括輸入整流濾波、 TOP246Y脈寬調(diào)制、高頻變壓器、電壓反饋整流濾波、輸出整流濾波等幾部分，其電路原理圖如圖 3.11所示。該電源共使用 3片集成電路： TOP246Y型 6端單片開關電源（ IC1） ；線性光耦合器 PC817A（ IC2） ； 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431（ IC3） 。 電阻 R13用來從外部設定功率開關管的漏極極限電流 ， 使之略高于滿載或輸入欠壓時的漏極峰值電流 ID(PK)。這 就允許 在電源起 動過程 中或輸出 負載不 穩(wěn)定但未 出現(xiàn)飽 和的情況下 ， 采用較小尺寸的高頻變壓器 。 當輸入直流電壓過壓時 。 R13還能自動降低最大占空比 Dmax， 對最大負載功率加以限制 。 R13為欠壓或過壓檢測電阻 ， 并能給河南工業(yè)職業(yè)技術學院30線 路提 供電 壓 前饋 ，以 減少 開 關頻 率的 波動 。 取 R5=2M 時 ，僅 當直 流 輸入 UI電 壓 達 到 100V時 ， 電 源 才 能 起 動 。 GX的 欠 壓 電 流 IUV=50 A， 過 壓 電 流IOV=225 A。有公式UUV=IUV R5公式 (3.2)UOV=IOV R5公式 (3.3)將 R5=2M 分 別 代 入式 （ 2） 和 式 （ 3） 中 得 到， UUV=100V（ DC） ， UOV=450V（ DC） 。 過壓 時最 大占 空 比 Dmax隨 流入 X端 的電 流 IX的 增大 而減 小， 當 IX從90 A增加 到 190 A時， 最大 占空 比 Dmax就從 78（ 對應 于 UUV=100V）線 性地降低到 47（對應于 375V） 。在掉電后，欠壓檢測能在 C1放電時減少輸出干擾，只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于 40V的情況，都會使 -GX關閉 。 當開關電源受到 450V以上的沖擊電壓時 ， R11同樣可使 TOP249關斷 ， 避免元器件受到損壞。由 VDZ1和 D9構(gòu)成的漏極鉗位電路，能吸收在 MOSFET關斷時由高頻變壓器初級漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護 MOSFET不受損壞。 VDZ1采用鉗位電壓為 200V的P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器 。 將電容 C1電阻 R1、 R2和 VDZ1并聯(lián)后 ， 能減少鉗位損耗。選擇全頻工作方式時，開關頻率設定為 132kHz。為了減小次級繞組和輸出整流管的損耗 ， 現(xiàn)將兩路次級繞組都分成兩路 ， 每路單獨使用兩只共陰極肖特基對管 （ D1、 D2、 D3、 D4） 并聯(lián)工作 ， 輸出濾波電路由 C4、 C5、 C6、 L1、 C10、C11、 C12、 L2、 C13、 C14構(gòu)成 。 空載時 ， TOP246Y能自動降低開關頻率 ， 使得在交流 230V輸入時電源損耗僅為 520mW。 TOP246Y具有頻率抖動特性 ， 這對降低電磁干擾很有幫助。只要合理地選擇安全電容 C20和 EMI濾波器（ L3、 C21、 C22）的元件值，就能使開關電源產(chǎn)生的電磁輻射符合 CISPR22（ FCCB） /EN55022B國際標準。將 C20的一端接 UI的正極，能把 TOP246Y的共模干擾減至最小。需要指出， C20和 C21、 C22都稱作安全電容，區(qū)別只是 C20接在高壓與地之間，能濾除初 、 次級耦合電容產(chǎn)生的共模干擾 ， 在 IEC950國際標準中稱之為 “ Y電容 ” 。C21、 C22則接在交流電源進線端 ， 專門濾除電網(wǎng)線之間的差模干擾 ， 被稱作 “ X電容 ” 。河南工業(yè)職業(yè)技術學院31河南工業(yè)職業(yè)技術學院32圖 3.11120W通用開關電源電路原理河南工業(yè)職業(yè)技術學院333.5.2輸入整流濾波電路的設計精密光耦反饋電路由 PC817、 TL431等組成 。 輸出電壓 UO通過電阻分壓器 R7、R8、 R12獲得取樣電壓 ， 與 TL431中的 2.50V基準電壓進行比較后產(chǎn)生誤差電壓 ，再經(jīng)過光耦去改變 TOP246Y的控制端電流 IC，使占空比發(fā)生變化，進而調(diào)節(jié) UO保持不變。反饋繞組的輸出電壓經(jīng) D10、 C17整流濾波后，給光耦中的接收管提供偏壓。在輸 入端先 通過 EMI濾波 器（由 L3、 C11、 C12構(gòu)成 ）來防 止電磁干 擾，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.12所示。它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電源的抗干擾能力及系統(tǒng)和可靠性。圖 3.12EMI濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考與本設計類似相關的實驗數(shù)據(jù)資料 ， 本電源就采用 AlAP-IA型的 EMI濾波 器 ， 并 合 理 選 擇 了 EMI濾 波 器 （ L3、 C11、 C12） 的 參 數(shù) 值 ： 取 L3=20mH、C11=0.1 F、 C12=0.1 F。 為更好抑制 EMI， 濾波器可采用如圖 3.9所示電路 ，其中 L1、 L2、 C1可除去差模干擾， L3、 C2、 C3可除去共模干擾。初步 濾波 之后 ，加接 單相 整流 橋，交 流輸 入電 壓最大 值為 UACImax=265V，經(jīng) 整 流 濾 波 后 得 到 其 直 流 輸 入 電 壓 最 大 值 UACImax， 由 公 式 （ 3.4） 得 到 ：UDCImax=UACImax*(1.2 1.4)=345V。 而 輸 入 整 流 橋 的 最 大 反 向 電 壓UBR=UDCImax=345V， 則 輸入 整 流橋 的 反 向擊 穿 電壓 URM應 滿 足： URM=（ 2 3）UBR=600V。 由于電路的輸入電 流 IACImax限制 在 3.15A以下 ， 即 IACImax=3.15A。當交流輸入電壓為固定輸入 220V時，輸入濾波電容通常與輸出額定功率 Po的值相當 ， 并且 UACImin=85V， UACImax=265V， 由公式 （ 3.4） 和 （ 3.5） 計算得 ：UDCImin=UACImin*(1.2 1.4) 公式 （ 3.4）UDCImax=UACImax*(1.2 1.4) 公式 （ 3.5）計算得到： UDCImin=110V， UDCImax=345V。河南工業(yè)職業(yè)技術學院34此處取 C20=680 F,耐壓 400V的電解電容。3.5.3基于 TOP246Y的開關電源設計利用 TOP246Y設計了一種新型單端反激式開關電源，其輸出分別為 5V、 8V、24V、 115V電路原理如圖 3.5.1所示 。 該電源設計的要求為 ： 輸入電壓范圍為交流 220V，輸出功率為 120W。由此可見，選擇 TOP246Y能夠滿足此要求。從該電路原理圖中可以看出 ， 電阻 R13用來從外部設定功率開關管的漏極極限電 流，使 之略高于 滿載或 輸入欠壓 時的漏 極峰值電 流 ID(PK)。這 就允許 在電源起動過程中或輸出負載不穩(wěn)定但未出現(xiàn)飽和的情況下 ， 采用較小尺寸的高頻變壓器 。 將 F端與 S端短接可將 TOP246Y設為全頻工作方式 ， 開關頻率為 132kHz。當輸入直流電壓過壓時 ， R13還能自動降低最大占空比 Dmax， 對最大負載功率加以 限 制 。而 R5為 欠 壓 、過 壓 檢 測 電 阻 ，在 線 路 檢 測 端 L與 直 流 輸入 電 壓 UDCI端連接電阻 R5可進行線路檢測，并能給線路提供電壓前饋，以減少開關頻率的波動 。 取 R5=2M 時 ， 僅當直流輸入電壓 UDCI達到 150V時 ， 電源才能起動 。 -GX的欠壓電 流 IUV=50 A， 過壓電 流 IOV=225 A。 因此其欠壓保護工作電壓 為 150V，過壓保護工作電壓 為 450V， 即 TOP246Y在本電路中的直流電壓范圍 為 100 450V，一旦超出了該電壓范圍， TOP246Y將自動關閉。另外，空載時， TOP246Y能自動降低開關頻率 ， 使得在交流 230V輸入時電源損耗僅為 520mW。 TOP246Y具有頻率抖動特性，這對降低電磁干擾很有幫助。當然 ， 在過壓時最大占空比 Dmax隨流入 X端的電流 IX的增大而減小 ， 當 IX從 90 A增加到 190 A時 ， 最大占空比 Dmax就從 78%（ 對應于 UUV=100V） 線性地降低到 47%（ 對應于 375V） 。 在掉電后 ， 欠壓檢測能在 C1放電時減少輸出干擾 ，只要出現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)失效或者輸入電壓低于 40V的情