實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中的開關(guān)電源研制畢業(yè)論文

1、 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中的開關(guān)電源研制學(xué) 生 姓 名 :XXX班 級(jí) :電自 0XX學(xué) 號(hào) :XXXXXXXXX指 導(dǎo) 教 師 :XXXXXXXXXX 所 在 單 位 :電氣工程學(xué)院答 辯 日 期 : XXXXXXXX摘 要目前, 開關(guān)電源以小型、 輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為 主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、 通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備, 是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛 速發(fā)展不可缺少的一種電源方式?，F(xiàn)在多數(shù)直流電子負(fù)載均由標(biāo)準(zhǔn)電源供電, 但標(biāo)準(zhǔn)電源電壓未必能夠滿足微 處理器,電機(jī)、 LED ,以及其它的負(fù)載所需電壓,尤其是這個(gè)電源電壓是不穩(wěn)定 的。由電池供電的設(shè)備就是反應(yīng)

2、這個(gè)問題最好的例子:在日常使用中,標(biāo)準(zhǔn) LI 離子或者 NIMH 電池的電壓要么太高,要么太低,或者是在使用放電中,電壓 下降過多。用開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn) DC -DC 能量轉(zhuǎn)換,是目前流行的選擇,有時(shí)候甚至是 必要的選擇?？紤]到種類繁多的電子設(shè)備對(duì)直流電壓的需求也是多樣的,因此, 設(shè)計(jì)者需要把標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的電壓。 電壓轉(zhuǎn)換必須是一個(gè)通 用高效并且可靠的過程。本文設(shè)計(jì)了一款開關(guān)電源, 對(duì)電源的結(jié)構(gòu)和主要電路作了詳細(xì)的討論。 本電 源設(shè)計(jì)采用全橋整流電路, 全橋逆變電路, 橋式可逆變斬波電路及全波可控整流 電路。其脈寬調(diào)制波產(chǎn)生芯片選用的是 KA7500B 。關(guān)鍵詞 :KA7500B

3、 ,開關(guān)電源,全橋逆變電路AbstractCurrently, switching power supply to small, Light volume and the characteristics of high efficiency has been widely used in electronic computer-driven variety of terminal equipment, Communications equipment almost all electronic equipment, the electronic information industry ind

4、ispensable to the rapid development of a power mode.The majority of electronic DC loads are supplied from standard power sources. Unfortunately, standard source voltages may not match the levels required by microprocessors, motors, LEDS, or other loads, especially when the source voltage is not regu

5、lated. Battery-powered devices are prime examples of the problem: the typical voltage of a standard Li+ cell or NIMH stack is either too high/low or drops too far during discharge to be used in conventional applications.Switch-mode power supplies are a popular and sometimes necessary choice for DC-D

6、C power conversion.Considering the multiple DC voltage levels required by many electronic devices, designers need a way to convert standard power-source potentials into the voltages dictated by the load. Voltage conversion must be a versatile, efficient, reliable process.This paper introduces a kind

7、 of the design of switching power supply ,the structure of the main circuit and the control circuit are discussed and analyzed in detail . The power supply use Full-Bridge Converter, Single-Phase Full-Bridge Inverter , Bridge Reversible Chopper and Single-Phase Full-Bridge Controlled Rectifier. The

8、PWM controller is KA7500B.Key words:KA7500B, Switching Power Supply, Full-Bridge Inverter目 錄第 1章 緒 論1.1 課題背景及研究的意義隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展, 電力電子設(shè)備與人們的工作、 生活的關(guān)系日 益密切,而電子設(shè)備都離不開可靠的電源,進(jìn)入 80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了 開關(guān)電源化,率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代,進(jìn)入 90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種 電子、電器設(shè)備領(lǐng)域,程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等 都已廣泛地使用了開關(guān)電源, 更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。 開關(guān)電源是利 用現(xiàn)

9、代電力電子技術(shù), 控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率, 維持穩(wěn)定輸出電 壓的一種電源,開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM 控制 IC 和 MOSFET 構(gòu) 成。 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)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)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向, 高頻化使開關(guān)電源小型化, 并使開關(guān)電源 進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域, 特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用, 推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的 小型化、輕便化。1.2 本文的研究內(nèi)容設(shè)計(jì)一款開關(guān)穩(wěn)壓電源,要求:直流恒流源最大輸出電壓為 30V ,電流大于 300mA , 電流從 0開始由多圈電位

10、器順時(shí)針旋到最大輸出; 整個(gè)直流恒流源為開 關(guān)型電源,而非模擬型電源,以使效率達(dá)到最大;單相交流輸入為 220V ,要有 保護(hù)措施, 短路保護(hù)及保險(xiǎn)絲等也要有負(fù)載短路保護(hù), 并且可用現(xiàn)有直流電流表 顯示當(dāng)前電流值。第 2章 開關(guān)電源簡介2.1 概述開關(guān)電源主要是指利用各類新型自關(guān)斷器件并通過變換技術(shù)制成的高頻開 關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。它的形式有很多種,其中尤以脈沖寬度調(diào)制型(PWM 最 為盛行,現(xiàn)在就著重介紹一下此種形式的開關(guān)電源。采用 PWM 技術(shù)的開關(guān)電源從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路, 余 者稱為控制回路。工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路, 得到高紋波未調(diào)直流電壓, 再經(jīng) 功率轉(zhuǎn)

11、換電路, 變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓, 最后經(jīng)輸出整流濾波電路將 其平滑成連續(xù)的低紋波直流電壓?？刂苹芈吩谔峁└邏洪_關(guān) T 管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí),需要完成輸出電壓穩(wěn) 壓的控制,而且還必須能對(duì)電源或負(fù)載提供保護(hù)。它通常由檢測(cè)比較放大電路、 電壓脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路(V /W 電路 、時(shí)鐘振蕩電路、基極驅(qū)動(dòng)電路、過壓 過流保護(hù)電路,以及自用電壓源等基本電路構(gòu)成。對(duì)于 PWM 方式而言, 將頻率固定的震蕩源稱為時(shí)鐘振蕩器, 這種電源利用 檢測(cè)電路反映輸出電壓值, 通過和給定參考電壓比較產(chǎn)生誤差信號(hào), 再經(jīng) V /W 電路調(diào)制脈沖寬度以調(diào)節(jié)輸出電壓。 例如, 由于某種原因 (負(fù)載電流減小或電網(wǎng) 電壓上

12、升 使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大, 電源輸出電壓也將隨之提 高, 反饋檢測(cè)電路將提高了的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較, 并產(chǎn)生負(fù)極性的誤 差電壓, V /W 電路根據(jù)該誤差電壓及時(shí)減小輸出脈寬, 這樣使輸出電壓平均值 減小。接近原來的數(shù)值,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。開關(guān)電源的主要特點(diǎn)是使調(diào)節(jié)部件(調(diào)整管工作在“開”或“關(guān)”兩種狀 態(tài)下,換一句話說就是工作在“全通”或“全斷”的兩種狀態(tài)下。所謂的“開” 就是使調(diào)整管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)(相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)“接通”一樣 ,管子的電 壓降很小,所以調(diào)整管自身損耗也很小;所謂的“關(guān)”就是使調(diào)整管工作在截止 狀態(tài)下(相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)“斷開”一樣 ,電流為零,所以

13、管耗也為零。開關(guān)穩(wěn) 壓電源效率之所以高,其主要原因之一就是調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)。2.2 開關(guān)電源的分類人們?cè)陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開發(fā)相關(guān)電力電子器件,邊開發(fā)開關(guān)變頻技 術(shù), 兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率向著輕、 小、 薄、 低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。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。 以下開關(guān)電源的分類作 詳細(xì)闡述。1. 按驅(qū)動(dòng)方式分有自勵(lì)式與他勵(lì)式。

14、2. 按 DC/AC變換器的工作方式分:1 隔離型有通 /通、通 /斷、中心抽頭、半橋、全橋、諧振等方式。2 非隔離型有降壓型、升壓型、極性反轉(zhuǎn)型、開關(guān)電容型以及諧振型。3. 按控制方式分:1 脈沖控制方式有自勵(lì)式與他勵(lì)式。2 磁放大器的混合控制方式有電壓控制、電流控制及并聯(lián)控制。3 脈沖控制與磁放大器的混合控制方式。4. 按控制信號(hào)的隔離方式分:1 采用光耦合的隔離方式。2 采用變壓器的隔離方式。3 電壓 /頻率變換、頻率 /電壓變換、用變壓器隔離控制信號(hào)的方式。4 采用磁放大器隔離方式。5. 按過流保護(hù)方式分有輸出電流檢測(cè)方式與開關(guān)電流檢測(cè)方式。2.3 開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)開關(guān)電源

15、的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下四個(gè)方面。(1小型化、薄型化、輕量化、高頻化。開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲(chǔ) 能元件 (磁性元件和電容 決定的, 因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減 小其中儲(chǔ)能元件的體積。 在一定范圍內(nèi), 開關(guān)頻率的提高, 不僅能有效地減小電 容、電感及變壓器的尺寸,而且還能夠抑制干擾,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,因此高 頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。(2高可靠性。開關(guān)電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍,因此降 低了可靠性。 從壽命角度出發(fā), 電解電容、 光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定 著電源的壽命。 所以, 要從設(shè)計(jì)方面著眼, 盡可能使用較少的器件, 提高集成度, 這樣不

16、但解決了電路復(fù)雜、 可靠性差的問題, 也增加了保護(hù)等功能, 簡化了電路, 提高了平均無故障時(shí)間。(3低噪聲。開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大,單純地追求高頻化,噪聲也 會(huì)隨之增大。 采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù), 在原理上既可以提高頻率又可以降低 噪聲,所以,盡可能降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。(4采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。采用 CAA 和 CDD 技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓 撲和最佳參數(shù), 使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。 在電路中引入微機(jī)檢測(cè)和 控制,可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄并自動(dòng)報(bào)警等。第 3章 開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理3.1 開關(guān)電源的基本工作原理我們所說的開關(guān)穩(wěn)壓電源,在習(xí)慣上

17、多半指“ DC-DC ” (直流 -直流的一種 電壓的變換, 就是由一種直流電壓值變換成另一種直流電壓值的電源。 由電子元 器件組成的 DC-DC 變換的電路,稱為“ DC-DC 變換器”或簡稱“變換器” ,也 有叫“轉(zhuǎn)換器”的。DC-DC 變換器的基本工作原理的示意圖, 如圖 3-1所示, 圖中的開關(guān) “ SW ” 不停的交替,工作在“ ON ”或“ OFF ”的兩種狀態(tài),結(jié)果將輸入的直流電壓 V1經(jīng)開關(guān)電路作用,斬成“矩形波” (也可以叫“脈沖”或“方波” 輸出,如圖 3-2(a 所示的波形。當(dāng)開關(guān) SW 處在“ ON ”狀態(tài)時(shí),開關(guān)完全接通,輸出肯 定是高電位,其電壓的幅度就是輸入電壓

18、V1,為了和輸入的直流電壓分開,這 里矩形波的高電位用 V2來表示, V2在圖 3-2(a 所示“ OFF t ” 時(shí)間段 , “ t ON ” 時(shí)間加“ OFF t ” 時(shí)間就是矩形波的一個(gè)周期 T 的時(shí)間,再將矩形波輸入濾波電路 (有的叫“儲(chǔ)能電路” ,由濾波電路輸出的電壓,就是轉(zhuǎn)換后輸出的直流電壓 V o ,如圖 3-2(b 所示。 RL直流電源 圖 3-1 DC-DC變換器的基本工作原理示意圖 圖 3-2 濾波電路的波形因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓電源的核心是 “開關(guān)” 二字, 故因此而得名為 “開關(guān)穩(wěn)壓電源” 或“開關(guān)電源” 。但在實(shí)際應(yīng)用中的開關(guān)穩(wěn)壓電源,不可能使用機(jī)械開關(guān),因?yàn)?機(jī)械開關(guān)的開關(guān)速

19、度不可能很高, 壽命又太短。 目前也只有使用晶體三極管, 場 效應(yīng)管等電子元器件做成的電子開關(guān)才能勝任,這是目前較為理想的、高速的、 長壽的、可靠的電子開關(guān)部件。3.2 開關(guān)電源的調(diào)制方式脈沖寬度調(diào)制式的開關(guān)穩(wěn)壓電源的開關(guān)部件, 一般都是由大功率三極管或大 功率場效應(yīng)管來擔(dān)任的, 由于電源輸出電壓的改變和穩(wěn)定, 都是靠開關(guān)管飽和導(dǎo) 通的時(shí)間和截止時(shí)間長短的改變來實(shí)現(xiàn)的,所以稱該管為“開關(guān)調(diào)整管” 。脈沖 寬度調(diào)制方式,就是用輸入電壓的變化,使輸出脈沖寬度發(fā)生變化的一種方式, 簡稱“脈寬式” 。脈寬式開關(guān)調(diào)整管工作的周期 T 是固定不變的,輸出電壓的改 變和穩(wěn)定就是控制開關(guān)調(diào)整管飽和導(dǎo)通“ ON

20、 ”的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的,用“ t ON ”來表 示; 沒有脈沖輸出時(shí), 就是所謂的 “截止” 時(shí)間, 也就是 “ OFF ” 的時(shí)間, 用 “OFF t ” 來表示。 由于開關(guān)調(diào)整管工作的周期 T 是固定不變的, 所以 “ t ON ” 時(shí)間改變時(shí),“OFFt ”時(shí)間就要相反的改變。再簡述一下:脈沖寬度調(diào)制式的開關(guān)穩(wěn)壓電源, 就是利用脈沖寬度的改變來 穩(wěn)壓的, 不論是負(fù)載電流發(fā)生變化, 還是輸入電壓發(fā)生變化, 都要引起輸出電壓 的變化, 將這個(gè)輸出電壓的變化量, 經(jīng)過穩(wěn)壓系統(tǒng), 又去控制開關(guān)調(diào)整管導(dǎo)通時(shí) 間的長短,從而使脈沖的寬度發(fā)生變化,最終使輸出電壓是穩(wěn)定的。如圖 3-3,這是由開關(guān)調(diào)整管輸出

21、的脈沖,在輸出電壓正常的情況下,假定 脈沖的寬度如圖 3-3(a 所示,如果輸出電壓低于正常電壓時(shí),經(jīng)穩(wěn)壓電路使脈 沖的寬度如圖 3-3(b 所示,由于脈沖變寬,使它的直流分量增加,也就是使平 均電壓增加了, 結(jié)果使輸出電壓回升, 從而抑制了輸出電壓的下降, 維持了輸出 電壓的穩(wěn)定。 如果輸出電壓升高了, 經(jīng)穩(wěn)壓電路使脈沖的寬度變窄, 如圖 3-3(c 所示,由于脈沖變窄,使它的直流分量減少,也就是使平均電壓降低了,結(jié)果使 輸出電壓降低,從而抑制了輸出電壓的升高,維持了輸出電壓的穩(wěn)定。 圖 3-3 脈沖寬度變化示意圖脈沖頻率調(diào)制式的開關(guān)電源,它的開關(guān)調(diào)整導(dǎo)通的時(shí)間 t ON 是固定的,由于導(dǎo)通

22、時(shí)間是固定不變的,那么也只有改變截止時(shí)間 OFF t 才能改變頻率,因?yàn)檫@種 制式是通過改變工作頻率來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的, 故稱為 “脈沖頻率調(diào)制式” 或 “脈頻式” 。 不論是負(fù)載發(fā)生變化還是輸入電壓發(fā)生變化, 都要引起輸出電壓的變化, 這個(gè)變 化的電壓, 經(jīng)過穩(wěn)壓電路, 使脈沖的頻率發(fā)生變化, 實(shí)質(zhì)上就是調(diào)整管截止時(shí)間 發(fā)生了變化, 這同樣能改變直流分量, 從而達(dá)到改變輸出電壓和穩(wěn)定電壓的目的。圖 3-4 脈沖頻率變化示意圖請(qǐng)看圖 3-4,當(dāng)它的輸出電壓正常時(shí),波形如圖 3-4(a 所示;如果輸出電 (a (a (b(c頻率變高頻率變低壓下降, 則通過穩(wěn)壓電路, 使截止時(shí)間縮短, 脈沖的頻率增高,

23、 波形如圖 3-4(b 所示 , 由于直流分量增加了,從而抑制了輸出電壓的下降,維持了輸出電壓的穩(wěn) 定;如果輸出電壓上升,經(jīng)過穩(wěn)壓電路,使其截止時(shí)間加長,頻率降低,波形如 圖 3-4(c 所示,由于直流分量降低了,從而抑制了輸出電壓的上升,維持了輸 出電壓的穩(wěn)定。脈寬脈頻調(diào)制方式, 是通過改變脈沖的寬度和頻率使直流分量發(fā)生變化, 可 以控制輸出電壓的高低和進(jìn)行穩(wěn)壓。脈沖幅度調(diào)制方式 , 是通過控制輸出脈沖電壓幅度的變化,來改變輸出電壓 和穩(wěn)定輸出電壓的,簡稱“脈幅式” 。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過穩(wěn)壓電路, 控制開關(guān)調(diào)整管, 使輸出脈沖電壓幅度發(fā)生與其相反的變化, 從而抑制了輸出電 壓的變化,

24、 使輸出電壓穩(wěn)定。 脈沖幅度調(diào)制式的開關(guān)穩(wěn)壓電源, 輸出電壓的高低, 不受頻率高低變化的影響, 也不受脈沖寬度變化的影響, 只與脈沖幅度的高低變 化有關(guān)。脈沖幅度增加,輸出電壓就升高,脈沖幅度降低,輸出電壓就降低。脈 幅式開關(guān)穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點(diǎn), 所以在顯示器、 電視機(jī)中以及其它各種電子設(shè)備 中,都得到了廣泛的應(yīng)用。3.3 占空比(Duty Cycle不論使用什么方式調(diào)制,它們都是一種“時(shí)間比例”關(guān)系的控制方式。如果 只是改變頻率,而在一個(gè)周期內(nèi),它的導(dǎo)通時(shí)間(t ON 與周期(T 時(shí)間的比 值并不改變, 矩形波電壓 V2的幅值也不改變, 那么它的直流分量也不會(huì)有改變, 這樣輸出的直流電壓也不

25、會(huì)有改變,也不會(huì)起到穩(wěn)壓作用。從上面的討論中可以得出這樣一個(gè)規(guī)律:在第 1、 2、 3種調(diào)制方式中,輸出 電壓的改變和電壓的穩(wěn)定,都是靠改變“時(shí)間比例”關(guān)系來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際應(yīng)用 中,我們將時(shí)間比例關(guān)系叫做“占空比” ,占空比就是導(dǎo)通時(shí)間(t ON 與周期 (T 時(shí)間的比值,一般用“ d ” (或“ D ” 來表示,即:d=TON由占空比的定義可以看出,占空比的實(shí)質(zhì)就是:導(dǎo)通時(shí)間 t ON 在一個(gè)周期 T內(nèi)所占有的比例,可以稱為“幾比幾”或“幾分之幾”都可以。占空比是一個(gè)無 量綱的數(shù)字, 因?yàn)榉肿雍头帜傅膯挝欢际菚r(shí)間而約掉。 脈沖寬度的變化, 就是導(dǎo) 通時(shí)間 t ON 的變化,導(dǎo)通最窄時(shí)間為 0

26、,導(dǎo)通最寬時(shí)間為 T ,所以占空比的變化 范圍是(0 T /T,也就是只有從 0 1的變化范圍,這是一個(gè)很重要的概念。 由該式的比值可以看出, 由于脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源都是降壓式的變換器, 所以反 映出降壓系數(shù) k 的概念,降壓系數(shù) k 通俗地講就是:輸出電壓 Vo 是輸入電壓 V1的幾分之幾, 也就是 Vo 與 V1的比值。 輸出直流電壓的幅度可以從 0變化到輸入 直流電壓的幅度,即:(0 V1 / V1,變化范圍是從 0 1,這樣占空比 d 和降 壓系數(shù) k 是相等的,所以占空比的數(shù)值,也就是電壓比的數(shù)值,于是有:d=k=Vo/V1=TON所以有:Vo=TON V1= d V1其中:V1為輸

27、入直流電壓由式中可以清楚的看出,輸出電壓 Vo 等于占空比 d 乘以輸入電壓 V1。 在計(jì)算輸出直流電壓 Vo 的式子中,輸入電壓應(yīng)該是矩形波的峰值電壓 V2, 經(jīng)過開關(guān)管變成矩形波后,是有一定壓降的(約有 0.3V 到 1V ,所以矩形波的 峰值電壓 V2小于輸入直流電壓 V1。如果矩形波峰值電壓 V2較高,管壓降就可 以忽略不計(jì),用上式就可以。但用下式計(jì)算較為精確:Vo=TON V2= d V2再強(qiáng)調(diào)一下,這是一個(gè)很重要的結(jié)論:輸出電壓 Vo 等于占空比乘以矩形波 的峰值電壓 V2。我們?cè)谟?jì)算輸出電壓 Vo 的公式中可以看出,輸出電壓 Vo 是矩 形波在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓,或者說是矩形波

28、的直流分量。我們從用占空比來計(jì)算脈寬式穩(wěn)壓電源輸出直流電壓 Vo 的公式可以看出, 如果矩形波的峰值電壓 V2不變,周期 T 也不變,那么要想改變輸出電壓,也只 有改變導(dǎo)通時(shí)間 t ON 了 ,也就是只有改變了占空比,才能改變輸出直流電壓 Vo 。 如果輸出電壓降低了,只要想辦法使占空比增加(就是增加導(dǎo)通時(shí)間 ,就可以 使輸出電壓不降低; 如果輸出電壓升高了, 只要想辦法使占空比減小 (就是減少 導(dǎo)通時(shí)間 ,就可以使輸出電壓不升高。以上就是脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的最基本 工作原理, “脈頻式”和“脈寬脈頻式”的工作原理,也是根據(jù)這個(gè)基本原理來 設(shè)計(jì)和制造的。影響占空比的原因有以下三種情況, 那就是

29、人工調(diào)節(jié)輸出電壓的變化、 負(fù)載電流的變化、輸入電壓的變化?，F(xiàn)對(duì)這三種情況做一下簡單的說明:1. 當(dāng)人工調(diào)節(jié)輸出電壓變化時(shí):當(dāng)調(diào)節(jié)使輸出電壓升高時(shí),占空比就加大; 當(dāng)調(diào)節(jié)使輸出電壓降低時(shí),占空比就減小。2. 當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí):當(dāng)負(fù)載電流加大時(shí),輸出電壓就要降低,但通過穩(wěn) 壓系統(tǒng)使占空比加大, 使輸出電壓上升, 從而抑制了輸出電壓的降低; 當(dāng)負(fù)載電 流減小時(shí), 輸出電壓就要升高, 但通過穩(wěn)壓系統(tǒng)使占空比減小, 使輸出電壓下降, 從而抑制了輸出電壓的升高。3. 當(dāng)輸入直流電壓變化時(shí):當(dāng)輸入直流電壓升高時(shí),輸出的直流電源必然 也要升高, 但通過穩(wěn)壓系統(tǒng)使占空比減小, 從而抑制了輸出電壓的升高; 當(dāng)輸入

30、 直流電壓降低時(shí), 輸出的直流電源必然也要降低, 但通過穩(wěn)壓系統(tǒng)使占空比增大, 從而抑制了輸出電壓的降低。以上使占空比發(fā)生變化的三種原因, 簡單的說就是:如果人工調(diào)節(jié)輸出電壓 升高時(shí)、負(fù)載電流加大時(shí)、輸入電壓降低時(shí),占空比就加大;如果人工調(diào)節(jié)輸出 電壓降低時(shí)、負(fù)載電流減小時(shí)、輸入電壓升高時(shí),占空比就減小。3.4 開關(guān)電源的濾波電路在開關(guān)穩(wěn)壓電源中, 輸出直流電壓的濾波電路, 和其他形式的電源中的濾波 電路沒有什么大的區(qū)別,也是由電容器、電感器和二極管等電子元件所組成的, 由電子元件組成的濾波電路,叫做“濾波器” 。因?yàn)殡娙萜骱碗姼衅魅加袃?chǔ)存 能量的功能,所以又有將濾波電路叫做“儲(chǔ)能電路”的。

31、電容器能將能量以電場 的形式儲(chǔ)存起來, 而電感器能將能量以磁場的形式存起來, 所以人們將電容器和 電感器的功能之一, 各用一句話來表示, 那就是:電容器兩端的電壓不能突變 (或 者說:電容器能恒反抗兩端電壓的變化 、電感器中的電流不能突變(或者說:電感器能恒反抗電路中電流的變化 。各種濾波器,都是把供應(yīng)過來的一部分能 量供給負(fù)載使用外, 同時(shí)把一部分能量儲(chǔ)存起來, 當(dāng)短時(shí)間供電不足或供電中斷 時(shí), 電容器和電感器就把儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為電能, 供給負(fù)載繼續(xù)用電, 從而保證 電源能不間斷地向負(fù)載提供電流。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中, 給濾波電路輸入的電壓, 一般都是頻率比較高的矩形波, 而且還必須得是“單極性

32、”的,所謂的單極性,就是矩形波在變動(dòng)的過程中出現(xiàn) 的電壓極性,必須都是同一極性的,它只是正極性的,或者只能是負(fù)極性的。如 果是正極性的, 在變動(dòng)過程中, 不準(zhǔn)許負(fù)的電壓出現(xiàn), 否則需要加二極管整流去 掉負(fù)的極性, 才能給濾波電路輸入。 如果輸出的直流電壓是正的, 就需要加二極 管整流去掉負(fù)的電壓; 如果輸出的直流電壓是負(fù)的, 就需要加二極管整流去掉正 的電壓。3.5 開關(guān)電源的保護(hù)電路開關(guān)電源中控制電路比較復(fù)雜, 晶體管和集成器件耐受電、 熱沖擊的能力較 差, 在使用過程中給用戶帶來很大不便, 因而開關(guān)穩(wěn)壓器的保護(hù)應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓器 本身和負(fù)載的安全。 為了保護(hù)開關(guān)電源自身和負(fù)載的安全, 故根據(jù)開

33、關(guān)電源的電 路特點(diǎn),介紹了浪涌電流保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、反峰電壓保護(hù) 以及過熱保護(hù)電路。 在實(shí)際的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中, 通常選用幾種保護(hù)方式加以組合, 構(gòu)成完善的開關(guān)電源保護(hù)系統(tǒng)。1. 把開關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)用的開關(guān)三極管限制在直流安全工作區(qū)域內(nèi)工作對(duì)于選定的開關(guān)三極管, 由三極管手冊(cè)可查得其直流安全工作區(qū), 根據(jù)集電 極電流的最大值來確定輸入過電流的保護(hù)值。 但是, 這個(gè)瞬時(shí)最大值應(yīng)轉(zhuǎn)換為電 流的平均值。 在額定輸出電流與輸出電壓的條件下, 開關(guān)管的動(dòng)態(tài)負(fù)載線不超過 直流安全工作區(qū)的最大輸入電壓,即輸入過電壓保護(hù)的電壓值。2. 把開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出限制在給定的技術(shù)指標(biāo)內(nèi)在所要求的工作溫度范

34、圍內(nèi), 開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓的上、 下限就是輸出過、 欠電壓保護(hù)的電壓值。 過電流保護(hù)可根據(jù)最大輸出電流來確定。 為了不產(chǎn)生誤報(bào) 警,保護(hù)值應(yīng)適當(dāng)留一定的余量。由上述保護(hù)電路設(shè)計(jì)原則確定保護(hù)方式后, 再根據(jù)電源裝置的需要來確定報(bào) 警措施。 一般報(bào)警措施有聲警和光警兩種。 聲警適用于整機(jī)比較復(fù)雜、 電源部分 裝在不顯眼的地方, 可以給工作人員以有效的故障報(bào)警; 光警可以醒目地指示故 障報(bào)警并指出故障發(fā)生的部位和類型。 保護(hù)措施要視所保護(hù)的部位而確定。 在大 功率、多路電源的場合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構(gòu)成自動(dòng)保護(hù) 裝置, 切斷電源的輸入使系統(tǒng)停止工作, 免受損害。 通過邏輯控制電路

35、使相應(yīng)的 開關(guān)三極管截止的方案既靈敏、 方便又經(jīng)濟(jì)。 這樣可以省去體積大、 響應(yīng)時(shí)間長、 價(jià)格貴的大功率繼電器或斷路器。電源中加設(shè)了保護(hù)電路后會(huì)影響系統(tǒng)的可靠 性, 為此要求保護(hù)電路本身的可靠性要高, 以提高整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性, 進(jìn)而 提高電源本身的 MTBF(Mean Time Between Failure, 平均無故障時(shí)間 。 這就要求 保護(hù)的邏輯嚴(yán)密, 電路簡單, 元器件最少, 此外還要考慮到保護(hù)電路本身出故障 時(shí)維修難度和其保護(hù)的電源的損壞程度。1 抑制浪涌電流電路開關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路,在進(jìn)線電源合閘瞬間, 由于電容器上的初始電壓為零, 充電瞬間會(huì)形成很大的

36、浪涌電流, 特別是大功率 開關(guān)電源采用容量較大的濾波電容器, 浪涌電流可達(dá) 100 A以上。 在電源接通瞬 間如此大的浪涌電流,重者往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點(diǎn)燒壞, 整流橋過流損壞; 輕者會(huì)使空氣開關(guān)合不上閘。 上述現(xiàn)象均會(huì)造成開關(guān)電源無法 正常工作。 因此, 幾乎所有開關(guān)電源都設(shè)置了防止浪涌電流的軟啟動(dòng)電路, 以保 證電源正常而可靠地運(yùn)行。抑制浪涌電流的方法有以下幾種:(1熱敏電阻保護(hù)法抑制浪涌電流最簡單且有效的方法就是在開關(guān)電源整流濾波電路的主電路 中串聯(lián)一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 Rt ,它的冷態(tài)電阻大,熱態(tài)電阻小.當(dāng)電路剛 接通時(shí), 該熱敏電阻的阻值很大。 從而限制了電路啟動(dòng)

37、電流, 以避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生 大的浪涌電流;幾秒鐘后,電源正常工作, Rt 的溫度上升,電阻趨于零,失去 了限流作用。熱敏電阻 Rt 抑制浪涌電流的時(shí)間很短,所以它平時(shí)耗電很少。 (2晶閘管保護(hù)法晶閘管保護(hù)法的電路如圖 1所示。晶閘管 Vs 與電阻并聯(lián)。對(duì)于晶閘管,陽 極與陰極之間加正偏電壓, 門極與陰極之間加正偏電壓:以上兩條件同時(shí)滿足時(shí) 晶閘管才導(dǎo)通。一旦晶閘管導(dǎo)通,門極就對(duì)其失去控制。在開機(jī)瞬問,晶閘管門 極上還未加控制脈沖,是截止的,電阻 Rl 串聯(lián)在電路中起到抑制浪涌電流的作 用; 當(dāng)電源啟動(dòng)后, 開關(guān)管導(dǎo)通, 高頻變壓器的晶閘管觸發(fā)繞組上產(chǎn)生的交流脈 沖通過二極管加在晶閘管的門極上,使

38、其導(dǎo)通并短路電阻 Rl ,電路進(jìn)入正常狀 態(tài)。在圖 1中,晶閘管 Vs 也可以為雙向晶閘管,此時(shí)二極管 D7就省掉了。 圖 1 晶閘管保護(hù)法(3繼電器保護(hù)法圖 2是采用繼電器 K 和限流電阻 Rl 構(gòu)成的防浪涌電流電路。 電源接通瞬間, 輸入電壓經(jīng)整流 (DlD4 和限流電阻 Rl 對(duì)濾波電容器 cl 充電,防止接通瞬間的 浪涌電流,同時(shí)輔助電源 Vcc 經(jīng)電阻 R2對(duì)并接于繼電器 K 線包的電容器 c2充 電;當(dāng) c2上的電壓達(dá)到繼電器 K 的動(dòng)作電壓時(shí), K 動(dòng)作,其觸點(diǎn) K1. 1閉合而 旁路限流電阻 R1失去作用,電源進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。限流的延遲時(shí)間取決于時(shí) 間常數(shù) (R2C2,通常選

39、取為 0. 30. 5 s。為提高延遲時(shí)間的準(zhǔn)確性以及防止繼電器動(dòng)作抖動(dòng)振蕩,延遲電路可采用圖 3所示的電路替代 R2C2延遲電路。 2 過流保護(hù)電路當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、 過載或控制電路失效等意外情況時(shí), 流過穩(wěn)壓器中開關(guān)三 極管的電流過大,使管子功耗增大、發(fā)熱。若沒有過流保護(hù)裝置,大功率開關(guān)三 極管就有可能損壞, 故而在開關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護(hù)是常用的。 最經(jīng)濟(jì)、 簡便的 方法是用保險(xiǎn)絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險(xiǎn)絲一般不能起到保護(hù)作用。 常用的是快速熔斷保險(xiǎn)絲。 這種方法具有保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn), 但需要根據(jù)具體開關(guān) 三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險(xiǎn)絲的規(guī)格。 這種過流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是帶來 經(jīng)常更

40、換保險(xiǎn)絲的不便。 圖 2 繼電保護(hù)法 圖 3 延遲電路在直流開關(guān)電源電路中,要保護(hù)調(diào)整管在電路短路、電流增大時(shí)不被燒毀, 基本方法是:當(dāng)輸出電流超過某一值時(shí), 調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)從而截止, 自 動(dòng)切斷電路電流。過電流保護(hù)電路由三極管 BG2和分壓電阻 R4、 R5組成,如 圖 4所示。電路正常工作時(shí),通過 R4與 R5的分壓作用,使得 BG2的基極電位 比發(fā)射極電位高,發(fā)射結(jié)承受反向電壓,于是 BG2處于截止?fàn)顟B(tài) (相當(dāng)于開路 , 對(duì)穩(wěn)壓電路沒有影響。當(dāng)電路短路時(shí),輸出電壓為零, BG2的發(fā)射極相當(dāng)于接 地, BG2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài) (相當(dāng)于短路 ,從而使調(diào)整管 BG1基極和發(fā)射極近 于短

41、路而處于截止?fàn)顟B(tài), 切斷電路電流, 從而達(dá)到保護(hù)的目的。 但這種方法會(huì)影 響電源的效率, 因此多用于小功率開關(guān)穩(wěn)壓器的場合。 在大功率的開關(guān)穩(wěn)壓電源 中,考慮到功耗,應(yīng)盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護(hù)轉(zhuǎn)換為 過、欠電壓保護(hù)。 .圖 4 過電流保護(hù)電路3 過電壓保護(hù)電路開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護(hù)包括輸入過電壓保護(hù)和輸出過電壓保護(hù)。 (1輸入過電壓保護(hù)電路開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高, 開關(guān)穩(wěn)壓器就不能正常工作, 甚至損壞內(nèi)部器件, 因此有必要使用輸入過電壓保 護(hù)電路。 用晶體管和繼電器組成的保護(hù)電路如圖 5所示。 在該電路中, 當(dāng)輸入直 流電源的電壓

42、高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時(shí), 穩(wěn)壓管被擊穿, 有電流流過電阻 R ,使晶體管 V 導(dǎo)通,繼電器動(dòng)作,常閉接點(diǎn)斷開,切斷輸入。 直 流 電 源圖 5 輸入過電壓保護(hù)電路(2輸出過電壓保護(hù)電路輸出過電壓保護(hù)在開關(guān)穩(wěn)壓電源中是至關(guān)重要的。 特別對(duì)輸出為 5 V的開關(guān) 穩(wěn)壓器來說, 它的負(fù)載是大量的高集成度的邏輯器件。 如果在工作時(shí), 開關(guān)穩(wěn)壓 器的開關(guān)三極管突然損壞, 輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電 壓值, 瞬時(shí)造成很大損失。 常用的方法是晶閘管短路保護(hù)。 最簡單的過電壓保護(hù) 電路如圖 6所示。當(dāng)輸出電壓過高時(shí),穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,把輸出 端短路造成過電流, 通過保險(xiǎn)絲或

43、電路保護(hù)器將輸入切斷, 保護(hù)負(fù)載。 這種電路 的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)于晶閘管的開通時(shí)間,約為 5 1O s。它的缺點(diǎn)是動(dòng)作電壓是固 定的,溫度系數(shù)大,動(dòng)作點(diǎn)不穩(wěn)定。另外,穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性,型號(hào)相 同但過電壓起動(dòng)值卻各不相同,給調(diào)試帶來了困難。 圖 6 輸出過電壓保護(hù)電路 圖 7 輸出過電壓保護(hù)改進(jìn)電路 圖 7是改進(jìn)后的電路。 圖 7中, TL431是精密可調(diào)基準(zhǔn)電源,改電路利用了 TL431內(nèi)部的臨界電壓 Vref 。 R1、 R2對(duì)輸出電壓串連分壓,得出取樣電壓加在 TL431的參考端。當(dāng)輸出電壓超過一定電壓時(shí), TL431觸發(fā),使雙向晶閘管 VS 導(dǎo)通,產(chǎn)生瞬間大電流將保險(xiǎn)絲熔斷從而保護(hù)后

44、級(jí)電路或負(fù)載。 4 欠電壓保護(hù)電路FS輸出電壓低于規(guī)定值時(shí), 反映了輸入直流電源、 開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部或輸出負(fù)載 發(fā)生了異常。 輸入直流電源電壓下降到規(guī)定值之下時(shí), 會(huì)導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出 電壓跌落,輸入電流增大,既危及開關(guān)三極管,也危及輸入電源。因此,要設(shè)置 欠電壓保護(hù)。 簡單的欠電壓保護(hù)電路如圖 8所示。 當(dāng)未穩(wěn)壓輸入的電壓值正常時(shí), 穩(wěn)壓管 ZD 被擊穿,晶體管 V 導(dǎo)通,繼電器動(dòng)作,觸點(diǎn)吸合,開關(guān)穩(wěn)壓器加電。 當(dāng)輸入低于所允許的最低電壓值時(shí),穩(wěn)壓管 ZD 不通, V 截止,觸點(diǎn)跳開,開關(guān) 穩(wěn)壓器不能工作。 入圖 8 欠電壓保護(hù)電路開關(guān)穩(wěn)壓器內(nèi)部由于控制電路失常或開關(guān)三極管失效,會(huì)使輸出電壓

45、下降; 負(fù)載發(fā)生短路也會(huì)使輸出電壓下降。 特別是在升壓型或反相升壓型的直流開關(guān)穩(wěn) 壓器中, 欠電壓的保護(hù)是跟過電流保護(hù)緊密相關(guān)的, 因而更加重要。 實(shí)現(xiàn)方法是 在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端接電壓比較器,其電路原理圖如圖 9所示。 圖 9 輸出欠電壓保護(hù)電路5 反峰電壓保護(hù)電路開關(guān)電源的高頻變壓器的初級(jí)繞組并聯(lián)由電阻、 電容和二極管組成的反峰電 壓保護(hù)電路, 其作用是消除開關(guān)管從飽和導(dǎo)通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí), 開關(guān) 變壓器初級(jí)繞組電感下端產(chǎn)生的瞬間反向高壓, 以免疊加在原直流電壓上將開關(guān) 管擊穿。其電路如圖 1O 所示。由電阻 R1、電容 c3、 c4和二極管 D 組成的反峰 電壓保護(hù)電路,當(dāng)開關(guān)管

46、 V 由導(dǎo)通突變?yōu)榻刂箷r(shí),高頻變壓器 T 的初級(jí)繞組中 的持續(xù)電流將向電容 c3、 c4快速充電,并被電阻 R1吸收,從而減小開關(guān)管 V 集電極上出現(xiàn)的反峰電壓,防止開關(guān)管 V 被擊穿。 C2 L圖 1O 反峰電壓保護(hù)電路6 過熱保護(hù)電路開關(guān)穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高, 電源裝置內(nèi)部的元器件對(duì)其工作環(huán)境溫度的要求也相應(yīng)提高。 因此, 在大功率開 關(guān)穩(wěn)壓器中應(yīng)該設(shè)過熱保護(hù)。 采用溫度繼電器來檢測(cè)電源裝置內(nèi)部的溫度, 當(dāng)電 源裝置內(nèi)部過熱時(shí), 溫度繼電器就動(dòng)作, 使整機(jī)報(bào)警電路處于報(bào)警狀態(tài), 實(shí)現(xiàn)對(duì) 電源的過熱保護(hù)。 亦可將溫度繼電器置于開關(guān)三極管附近。 當(dāng)管殼溫

47、度超過允許 值后,繼電器就切斷電器,對(duì)開關(guān)管進(jìn)行保護(hù)。如圖 1 1所示的電路中,根據(jù) P 型控制柵熱晶閘管 (Trl02, 如圖 11中虛線框內(nèi)所示 的特性, 由熱敏電阻 RT 值確 定該器件的導(dǎo)通溫度。 RT 越大,導(dǎo)通溫度就越低。當(dāng)將其放置在功率開關(guān)三極 管附近,或電源裝置內(nèi)時(shí),它就能起到溫度指示作用。 圖 11 過熱保護(hù)電路第 4章 脈沖寬度調(diào)制器 KA7500B4.1 KA7500B 芯片簡介KA7500B 是由三星公司生產(chǎn)的電壓型 PWM 控制器。該芯片含有 5V 電 壓基準(zhǔn)電路(精度±1% ,兩個(gè)誤差放大器,一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,一個(gè)死 區(qū)比較器,一個(gè)振蕩器。該芯片工作頻

48、率范圍:1KHZ 至 300KHZ 。其內(nèi)部結(jié) 構(gòu)圖(圖 4-1如下: 圖 4-1 KA7500B 芯片內(nèi)部結(jié)圖其中:1 腳和 16 腳分別是誤差放大器 1和誤差放大器 2的同相輸入端, 2 腳和 15 腳分別是誤差放大器 1 和誤差放大器 2 的反相輸入端。 3腳是誤差 放大器 1 和誤差放大器 2 公共輸出端。 4 腳是死區(qū)控制端,電位高時(shí) 8 腳和 11 腳輸出脈沖被封鎖, 電位為零時(shí) 8 腳和 11 腳正常輸 出脈沖。 5 腳和 6 腳 分別外接內(nèi)部振蕩器的時(shí)基電阻 R T 和電容 C T 。 7 腳是接地端。 8 腳和 11 腳 是 PWM 脈沖輸出端。 12 腳是芯片工作電壓輸入端

49、。 13 腳是輸出控制端。 14 腳 是 5V 基準(zhǔn)電壓輸出端。4.2 PWM 的產(chǎn)生PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖波形由 KA7500B 產(chǎn)生, 它是一種電壓型開關(guān)電壓集成控制 器。 內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器, 振蕩頻率可通過外部電阻 t R 和外部電容 t C 盡心 調(diào)節(jié)。 輸出脈沖的寬度是通過電容 t C 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信 號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。一路送至死區(qū)時(shí)間比較器 , 一路送往誤差放大器的輸入端。 內(nèi)部的功率輸出管受控于或非門。 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被 選通 , 即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。8 腳和 11 腳輸出驅(qū)動(dòng)脈沖(相位相差 180 度如下:

50、圖 4-2 PWM 波形第 5章 開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)整機(jī)工作原理分析 5.1 簡述開關(guān)穩(wěn)壓電源的整機(jī)電路圖, 如圖附圖一所示。 輸入電壓為單相交流 220V , 其中一路輸出電壓為 5V ,另一路最大輸出電壓為 30V ,輸出電流大于 300mA 。 本電路分為濾波整流電路、 DC 變換振蕩電路、逆變電路、直流斬波電路等幾部 分。下面便對(duì)各個(gè)電路做詳細(xì)說明。5.2 濾波整流電路當(dāng)接通電源后, 輸入的 220V 交流電壓 (在附圖一左上方 , 首先通過由 C1、 C2、 FL 和 C3、 C4、 C5所組成的低通濾波電路后,然后經(jīng)過 BROGE 橋式全波 整流,又經(jīng)兩個(gè)串聯(lián)的濾波電容器 C6和 C

51、7濾波(濾波電容器的均壓電阻分別 是 R1和 R2,它們的阻值都是 150K ,最后輸出 300V 的直流電壓。5.3 振蕩電路 T2圖 5-3 開關(guān)電源振蕩電路示意圖開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩電路示意圖,如圖 5-3所示。當(dāng)接通電源后,電阻 R7上的電壓降就給開關(guān)調(diào)整管 Q4的基極注入了電流,這個(gè)基極電流就是啟動(dòng)電流 (注意:開關(guān)調(diào)整管 Q4的發(fā)射極,是接在 300V 的負(fù)端 , Q4有了基極電流, 當(dāng)然也就有了集電極電流,它的集電極電流也就是通過開關(guān)變壓器 T2的初級(jí)繞組 W1的電流,這時(shí)開關(guān)變壓器 T2的所有繞組上都要產(chǎn)生感應(yīng)電壓,在繞組 W2兩端感應(yīng)電壓的極性為上正下負(fù) (如圖 5-3所示 。

52、其上端通過限流電阻 R10和穩(wěn)壓二極管 D5, 最后接在開關(guān)調(diào)整管 Q5的基極與集電極上, 于是會(huì)使 Q5導(dǎo) 通。而 Q5的發(fā)射極又通過電阻 R8接在 Q4的基極上,使 Q4的基極電流增大, 這就是正反饋。正反饋的結(jié)果使 Q4在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。這樣就 將 300V 直流電壓全部加在開關(guān)變壓器 T2的初級(jí)繞組 W1上, 使 T2的初級(jí)繞組 W1中的電流上升,但這時(shí)初級(jí)繞組 W1中的電流不是馬上上升到最大值,而是 線性上升的(如圖所示 。電流有一個(gè)過渡的變化規(guī)律,電感兩端加上直流電壓 后,它的電流 i L 1變化規(guī)律為:i L 1=1Li t(安 其中:V i 加在初級(jí)繞組 W1上的

53、直流電壓(伏L1初級(jí)繞組 W1的電感量(亨t 直流電壓作用在初級(jí)繞組 W1上的時(shí)間(秒我們從上面的公式中可以看出,初級(jí)繞組 W1中的電流 i L 1的增長與時(shí)間成正比,故初級(jí)繞組 W1中的電流 i L 1是線性增長的。式中的1Li 是一常數(shù),它決定了線性上升的斜率, 也就是電流上升的速度, 其電壓V i 越高, 電感量 L1越小,電流 i L 1上升的速度也越快, 如圖 5-4(a 所示。 由于初級(jí)繞組 W1中的電流 i L 1是線性增長的,所以由該電流產(chǎn)生的磁通量,也是線性增長的,如圖 5-4(b 所 示。 由于磁通量的增長量不變, 故在繞組 W2中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是一個(gè)不變的常 數(shù),這個(gè)不變

54、的常數(shù)可以叫“矩形波”或“短時(shí)間的直流電壓”或“方波電壓” 都可以,如圖 5-4(c 所示。如圖 5-4(a 所示,當(dāng) i L 1增長到最大值時(shí)因受控不再增長了,所以從t1時(shí)間開始集電極電流 i L 1不再增長,初級(jí)繞組 W1中因?yàn)闆]有了增長的電流,所以也就沒有了增長的磁通, 因?yàn)榇磐]有了變化量, 所以繞組 W2也就沒有了 感應(yīng)電壓。因此,開關(guān)調(diào)整管 Q5的基極與集電極就沒有了電流,于是 Q5截止。 這時(shí)初級(jí)繞組 W1中的電流會(huì)迅速下降到某一固定值。但是 T2中原來儲(chǔ)存的磁 通仍在減少,這時(shí)在繞組 W2兩端感應(yīng)電壓的極性為上負(fù)下正。當(dāng) T2中磁通量 減少到一定程度以后, 電容器 C11中儲(chǔ)存

55、的正電壓會(huì)抵消繞組 W2感應(yīng)的負(fù)電壓, 于是又給 Q5注入了啟動(dòng)電流,這樣又是正反饋?zhàn)饔檬?Q4的基極電流增大,使 Q4在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。以后的工作就是重復(fù)上面的過程,就這樣周而復(fù)始不停的振蕩下去。 圖 5-4 開關(guān)電源振蕩電路的各種波形我們從振蕩電流和開關(guān)管集電極電流變化規(guī)律的公式中可以看出,影響 額定振蕩頻率的有以下四個(gè)因素:1. 與初級(jí)繞組 W1電感量的大小有關(guān);2. 與初級(jí)繞組 W1兩端加的電壓V i 的高低有關(guān);3. 與開關(guān)管 Q4的 值(三極管的電流放大系數(shù)的大小有關(guān);4. 與開關(guān)管 Q4的基極電流的大小有關(guān)?？傊?開關(guān)管 Q4的集電極電流上升速度越快,其振蕩頻率就越

56、高。初級(jí)繞 組 W1電感量越小、其兩端加的電壓V i 越高、 開關(guān)管 Q4的 值越小、其基極電 流越小時(shí),其振蕩頻率就越高。在 W1的電感量、電壓V i 、開關(guān)管 Q4的 值都 確定后(它們都是不變的常數(shù) ,要想改變振蕩頻率,也就只有改變開關(guān)管 Q4的基極電流了。另外,變壓器 T2還有一路輸出輸送到穩(wěn)壓器 3052中,通過 3052的穩(wěn)壓作 用, 使電路穩(wěn)定的輸出 5V 的直流電壓。 該路輸出的作用為供給電流表內(nèi)部用電, 以便電流表顯示出測(cè)量值。5.4 逆變電路T2輸出端(其輸出波形如附圖二所示通過二極管 D1向脈沖寬度調(diào)制器 KA7500B 供電 (其工作原理祥見第四章 ,通電后 KA750

57、0B 開始工作。從 9腳和 10腳分別輸出兩路方波脈沖,相位相差 180度。波形如附圖二所示。開關(guān)穩(wěn)壓電源的逆變部分電路,如圖 5-4所示。從圖中可以看出,逆變電路 是由四只開關(guān)調(diào)整管 Q6、 Q7、 Q8和 Q9所組成,四個(gè)管子的“開”或“關(guān)”是由脈沖寬度調(diào)制器 KA7500B 的兩路輸出脈沖所控制。 接 9腳圖 5-4 開關(guān)電源逆變電路示意圖如圖 5-4所示,當(dāng) 9腳輸出高電平時(shí),開關(guān)調(diào)整管 Q6與 Q8導(dǎo)通;當(dāng) 10腳 輸出高電平時(shí), 開關(guān)調(diào)整管 Q7與 Q9導(dǎo)通。 四只開關(guān)調(diào)整管兩兩輪流導(dǎo)通工作, 這樣一方面是起到換相的作用, 另一方面控制了管子導(dǎo)通時(shí)間的長短, 就能起到 穩(wěn)壓的作用,