開關(guān)電源設(shè)計相關(guān)(一)

1、開關(guān)電源設(shè)計相關(guān)(一)    目錄摘要1、開關(guān)電源概述2、開關(guān)電源的發(fā)展3、開關(guān)電源的基本構(gòu)成及分類4、開關(guān)電源的電路組成及功能開關(guān)電源的PWM1、開關(guān)電源PWM的五種反饋控制模式2、三種經(jīng)典型號控制集成芯片：UC3842、TL494、SG3525開關(guān)電源的電磁兼容性與可靠性開關(guān)電源的電磁電磁兼容技術(shù)開關(guān)電源的噪聲開關(guān)電源的EMC設(shè)計開關(guān)電源的計算機輔助分析與計算直流開關(guān)電源設(shè)計直流開關(guān)電源原理及特點直流開關(guān)電源的保護六、參考文獻開關(guān)電源設(shè)計相關(guān) 電源，即提供電能的設(shè)備，主要分三類：一次電源（將其它能量轉(zhuǎn)換為電能），二次電源和蓄電池。其中，二次

2、電源指的是把輸入電源（由電網(wǎng)供電）轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率、波形及在穩(wěn)定性、可靠性（含電磁兼容，絕緣散熱，不間斷電源，智能控制）等方面符合要求的電能供給負載。電子設(shè)備都離不開可靠的電源。開關(guān)電源由于具有效率高、體積小、重量輕的特點，近年來獲得了飛速發(fā)展。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，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。   開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源

3、，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和功率開關(guān)器件（如MOS-FET）等構(gòu)成。簡單的說：就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源把直流電源或交流電源通過它可以獲得一個穩(wěn)定的直流電壓源。它具有效率高，輸出電壓穩(wěn)定，交流紋波小，體積小和重量輕的許多優(yōu)點。 開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路。它們的功能是：輸入電網(wǎng)濾波器：消除來自電網(wǎng)，如電動機的啟動、電器的開關(guān)、雷擊等產(chǎn)生的干擾，同時也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴散。 輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入電壓進行整流濾波，為變換器提供直流電壓。 變換器：是開關(guān)電源的關(guān)鍵部分。它把直流電

4、壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。 輸出整流濾波器：將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時還防止高頻噪聲對負載的干擾。 控制電路：檢測輸出直流電壓，并將其與基準電壓比較，進行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。 保護電路：當開關(guān)電源發(fā)生過電壓、過電流短路時，保護電路使開關(guān)電源停止工作以保護負載和電源本身。   現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源；另一種是交流開關(guān)電源。       PWM開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、

5、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制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(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。 PWM的開關(guān)頻率一般為恒定，控制取樣信號有：輸出電壓、輸入電壓、輸出電流、輸出電感電壓、開關(guān)器件峰值電流。由這些信號可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的，同時可以實現(xiàn)一些附帶的過流保護、抗偏磁、均流等功能。對于定頻調(diào)寬的PWM閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，主要有五種PWM反饋控制模式  開關(guān)電源PWM的五種反饋控制模式1、電壓模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM)：2.

6、峰值電流模式控制PWM (PEAK CURRENT-MODE CONTROL PWM)：3. 平均電流模式控制PWM (AVERAGE CURRENT-MODE CONTROL PWM)：4. 滯環(huán)電流模式控制PWM (HYSTERETIC CURRENT-MODE CONTROL PWM)：5. 相加模式控制PWM (SUMMING-MODE CONTROL PWM)： 開關(guān)電源的PWM專用芯片有三個經(jīng)典型號:UC3842,TL494,SG3525UC3842是電流模式八腳單端PWIVI控制芯片，其內(nèi)部電路框圖如圖所示，主要由基準電壓發(fā)生器、欠電壓保護電路、振蕩器、PWM閉鎖保護、

7、推挽放大電路、誤差放大器及電流比較器等電路組成。該控制芯片與外圍振蕩定時器件、開關(guān)管、開關(guān)變壓器可構(gòu)成功能完善的他勵式開關(guān)電源。直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子儀器，廣泛地應(yīng)用于電子電路、教學實驗和科學研究等領(lǐng)域。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，可靠性性差，操作使用不方便，自我保護功能不夠，因而故障率高。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備對穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化，高效率，低成本，高可靠性，低電磁干擾，模塊化和智能化方向發(fā)展。以單片機系統(tǒng)為核心而設(shè)計制造出來的新一代智能穩(wěn)壓電源不但電路簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，性能卓越，

8、而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數(shù)據(jù)進行各種計算，從而可排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了對模擬電路的要求。智能穩(wěn)壓電源可利用單片機設(shè)置周密的保護監(jiān)測系統(tǒng)，確保電源運行可靠。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，操作使用方便，具有較高的使用價值。控制和保護電路主要處理信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關(guān)器件，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴重的后果，使電源停止工作或損壞。電源的很多指標，如穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、紋波、輸出特性等也與控制電路相關(guān)開關(guān)電源主要有以下特點：體積小、重量輕：由于沒有工頻變壓器，所

9、以體積和重量只有線性電源的2030%。 功耗小、效率高：功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以晶體管上的功耗小，轉(zhuǎn)化效率高，一般為6070%，而線性電源只有3040%。 開關(guān)電源的電路組成： 開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。 開關(guān)電源的電路組成方框圖如下： 輸入電路的原理及常見電路：AC輸入整流濾波電路原理：防雷電路：當有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F

10、3、FDG1組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3會燒毀保護后級電路。輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當電源開啟瞬間，要對C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。整流濾波電路：交流電壓經(jīng)BRG1整流后，經(jīng)C5濾波后

11、得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。DC輸入濾波電路原理：輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間，由于C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo)通使Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會在很短的

12、時間燒毀，以保護后級電路。功率變換電路：MOS管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是MOSFET（MOS管），是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進行工作的。也稱為表面場效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達105歐姆，MOS管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。常見的原理圖：    3、工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，

13、這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作，開關(guān)管Q1立即關(guān)斷 。 R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1導(dǎo)通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達到了磁場