一種新型高精度開關(guān)電源的設(shè)計

1、一種新型高精度開關(guān)電源的設(shè)計一、目的1、提高學(xué)生運用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力；2、培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用能力、動手能力、創(chuàng)新能力、文字表達能力等，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)；3、培養(yǎng)學(xué)生認真負責(zé)的工作態(tài)度。二、主要內(nèi)容1、介紹開關(guān)電源的研究發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，闡述本文的研究意義；2、分析反激式、半橋式開關(guān)電源的基本原理，以LD7535、L6599A為控制核心，設(shè)計系統(tǒng)硬件電路；3、考慮影響電源輸出精度的原因，并設(shè)計相關(guān)電路進行改進；4、實物制作，測試相關(guān)參數(shù)。課題的根據(jù)：1）設(shè)計方案（設(shè)計用到的主要工具、預(yù)期實現(xiàn)的功能及參數(shù)要求、主要功能模塊等）。 2）自己的見解（主要是對設(shè)計方案的制定、

2、設(shè)計難點及解決辦法、設(shè)計創(chuàng)新方面的思考）。1設(shè)計方案1.1設(shè)計用到的主要工具 本設(shè)計用到的主要工具為Altium Designer，它提供了唯一一款統(tǒng)一的應(yīng)用方案，其綜合電子產(chǎn)品一體化開發(fā)所需的所有必須技術(shù)和功能。Altium Designer 在單一設(shè)計環(huán)境中集成板級和FPGA系統(tǒng)設(shè)計、基于FPGA和分立處理器的嵌入式軟件開發(fā)以及PCB版圖設(shè)計、編輯和制造。并集成了現(xiàn)代設(shè)計數(shù)據(jù)管理功能,使得Altium Designer成為電子產(chǎn)品開發(fā)的完整解決方案一個既滿足當(dāng)前，也滿足未來開發(fā)需求的解決方案。1.2預(yù)期實現(xiàn)的功能及參數(shù)要求目前，開關(guān)電源發(fā)展迅速，已經(jīng)逐步代線性電源普及于各種電子產(chǎn)品領(lǐng)域。市

3、場對開關(guān)電源的要求也越來越高，從傳統(tǒng)的小體積、高效率發(fā)展到高精度，低功耗，高PF值。本設(shè)計正是基于以上要求設(shè)計的新型開關(guān)電源，其主要具有以下優(yōu)勢及實際意義：（1）穩(wěn)壓范圍寬，線性調(diào)整率高： 開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由PWM驅(qū)動信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸出電壓由于輸入信號電壓的變化而引起的不穩(wěn)定，可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度或脈沖頻率來進行補償。典型輸入電壓范圍為90V260V，在輸入工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有非常穩(wěn)定的輸出電壓。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源除具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點外，還具有穩(wěn)壓效果好和線性調(diào)整率高的優(yōu)點。（2）輸出精度高，紋波?。洪_關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要包括輸入電源的噪聲和高

4、頻信號噪聲。開關(guān)電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻入高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關(guān)的過程中引起的高頻噪聲。在輸出端采用型濾波的方式，可濾除高頻噪聲。在反饋環(huán)節(jié)中采用TL431與PC817組成的反饋回路，可以非常精確的控制輸出端電壓。（3）PF值高，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染：一般開關(guān)電源的濾波電路是由單電容和電感組成的，由此引發(fā)出開關(guān)電源功率因數(shù)低的問題，原因是只有在正弦交流電壓的瞬時值高于直流電壓時，電網(wǎng)電壓才對濾波電容充電，充電時間短，充電電流是尖峰狀，偏離了正弦波。有源功率因數(shù)校正器以反激式為基本電路，采用雙環(huán)控制調(diào)節(jié)占空比使電路輸出電

5、壓穩(wěn)定，使輸入電流緊隨輸入電壓變化，功率因數(shù)達到或接近1的水平，效果非常明顯。（4）有較好的保護措施，待機功耗低：保護功能主要有，輸入端過壓保護、輸入端過流保護、輸出端過流保護、輸出端過壓保護、輸出端過載保護、輸出端短路保護等。1.3主要功能模塊（1）拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計開關(guān)電源首先要考慮的是選用合適的拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲結(jié)構(gòu)類型選擇與電源各個組成部分的布置有關(guān)，這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計中性能價格折中的關(guān)鍵點。每種拓撲都有自己的優(yōu)點，有的拓撲可能成本比較低，但輸出的功率受到限制；而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。（2）功率校正技術(shù)，傳統(tǒng)

6、的開關(guān)電源存在一個致命的弱點：功率因數(shù)低，一般只有0.450.75，而且其無功分量基本上為高次諧波。高次諧波的危害在很多電器設(shè)備中會造成致命的影響。區(qū)別于傳統(tǒng)的開關(guān)電源，新型的開關(guān)電源采用功率因數(shù)校正電路，以提高電路的效率，減小諧波的影響。常規(guī)開關(guān)電源的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，使輸出電流變?yōu)榧饷}沖。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負載時，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)則為1。于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負載變?yōu)殡娮栊载撦d。（3）反饋電路，在過去的普通開關(guān)電源設(shè)計中，通常采用將輸出電壓經(jīng)過誤差

7、放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應(yīng)用中也能較好地發(fā)揮作用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類似拓撲結(jié)構(gòu)的方案。此類結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源有以下特點：輸出經(jīng)過TL431(可控分流基準(zhǔn))反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個電流模式的PWM控制器的開關(guān)時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。2本人見解開關(guān)電源以其高效率、高功率密度、體積小、重量輕等優(yōu)點在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，已成為工業(yè)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品。但是目前開關(guān)電源技術(shù)仍然存在精度不夠高，功率因數(shù)低，功率不夠大等問題。本課題

8、設(shè)計的新型開關(guān)電源同時采用反激式、半橋式拓撲結(jié)構(gòu)，具有三路高精度輸出，額定功率達到130W。同時采用有源功率因數(shù)校正器，以期使電路更加完善，電源性能更加優(yōu)越，電源整機效率更高。本設(shè)計在前人設(shè)計基礎(chǔ)上擬集反激式開關(guān)電源技術(shù)和半橋諧振式開關(guān)電源技術(shù)于一體，采用TL431與光耦構(gòu)成反饋電路，實現(xiàn)輸出的高精度控制，并且采用功率因數(shù)校正電路，對電源功率因數(shù)進行校正，同時實現(xiàn)輸入欠壓保護、過壓保護、輸出端過流保護、過壓保護、過載保護、短路保護等功能。將具有輸出精度高，穩(wěn)壓范圍寬，功率因數(shù)高，待機功耗小等優(yōu)點。設(shè)計的主要內(nèi)容:1、設(shè)計方案與方案認證；2、選擇開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)及主要控制芯片；3、設(shè)計輸入整流濾

9、波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；4、設(shè)計輸出整流濾波電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)；5、設(shè)計電壓反饋電路；6、具有過壓、過流、過載保護保護功能；7、做出實物，對實物進行調(diào)試和性能測試。主要參考資料：1 張占松, 蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004: 88-92.2 周凱. 反激DC-DC變換電路研究D. 華中科技大學(xué), 2008: 85-87. 3 康華光, 陳大欽, 張林. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京: 高等教育出版社, 2006: 80-150.4 韓新華. 反激式開關(guān)電源的分析與研究J. 太原科技, 2010(1): 95-96.5 沙占友. EMI濾波器的設(shè)計原理

10、J. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2001, 13(6): 213-216.6 邱關(guān)源, 羅先覺. 電路M. 北京: 高等教育出版社, 2006: 7-69.7 李宏凱. LLC諧振式DC/DC變換器的研究D. 西安理工大學(xué), 2010: 15-18.8 管春, 何豐, 張希. 開關(guān)電源的PCB設(shè)計J. 印制電路信息, 2006, 13(2): 96-112.9 楊立杰. 多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計J. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2007, 14(6): 15-18.10 孟建輝. 反激式開關(guān)電源主電路參數(shù)選擇D. 大連交通大學(xué), 2011: 128-129.11 段新東. PWM控制電流模式的DC-DC變換器

11、設(shè)計D. 吉林大學(xué), 2007: 71-74.12 林曉偉. 單端反激開關(guān)電源原理與設(shè)計J. 電子工程師, 2007, 25(4): 29-33.13 Milanovic M, Korelic J. The RC-RCD clamp circuit for fly-back converter. ISIE. 2005: 27-31.14 William McMurray. Optimum snubbers for Power semiconductors. IEEE Transactions on Industry Applications. 2002: 15-19.15 M Abou El

12、Ela, J Roger. Optimization of the function of a photovoltaic array using a feedback control system. Solar. Cells. 1994:58-61.目 錄 摘要1關(guān)鍵詞1引言21 新型高精度開關(guān)電源總體設(shè)計21.1 總體設(shè)計方案21.2 功能要求及技術(shù)指標(biāo)31.2.1 電源效率及功率因數(shù)31.2.2 輸出電壓及電流32 新型高精度開關(guān)電源的設(shè)計42.1 輸入電路42.1.1 輸入保護電路42.1.2 EMI濾波電路42.2 有源功率因數(shù)校正電路52.2.1 功率校正技術(shù)的原理52.2.2 L6

13、562應(yīng)用電路52.3 反激拓撲電路62.4 半橋諧振電路72.5 功率變換電路72.5.1 MOSFET的主要特點72.5.2 脈沖寬度調(diào)制的原理82.6 輸出整流濾波電路82.7 反饋穩(wěn)壓電路93 新型高精度開關(guān)電源電路圖及實物圖103.1 整體電路圖103.2 設(shè)計PCB圖123.3 實物圖134 性能測試144.1 整機效率以及功率因數(shù)143.2 交叉負載153.3 紋波及噪音153.4 輸出電壓過沖及爬升時間163.5 溫升測試17結(jié)論18參考文獻18致謝1917一種新型高精度開關(guān)電源的設(shè)計摘 要：設(shè)計了一種同時采用反激式、半橋諧振式拓撲結(jié)構(gòu)的新型開關(guān)穩(wěn)壓電源?；谛盘柫鞒毯碗娐饭δ?/p>

14、模塊劃分，分析了新型開關(guān)電源的設(shè)計原理、各組成模塊的功能以及工作過程。利用三端穩(wěn)壓器TL431 配合LD7535和L6599 分別采用脈沖寬度調(diào)節(jié)和脈沖頻率調(diào)節(jié)實現(xiàn)了對電源電壓的控制和穩(wěn)壓輸出。同時采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，提高功率因數(shù)以期使電路更加完善，電源性能更加優(yōu)越。實驗測試結(jié)果表明：所設(shè)計的電源具有穩(wěn)壓性能好，紋波小，功率因數(shù)高，電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激式；半橋諧振式；APFC；高精度引言開關(guān)電源是一種采用開關(guān)方式控制的直流穩(wěn)壓電源，通過控制開關(guān)的頻率或占空比來調(diào)整輸出電壓，達到穩(wěn)壓輸出的目的1。它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中

15、，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形式。與此同時，許多新的領(lǐng)域和新的要求也對開關(guān)電源提出了更高的挑戰(zhàn)2。針對一般電源精度不夠高和功率因數(shù)低的問題，本設(shè)計提出了一種采用反激式和半橋式拓撲結(jié)構(gòu)，通過閉環(huán)反饋控制，借助有源功率校正技術(shù)，旨在開發(fā)一款具有高精度、高效率、高功率因數(shù)，無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、省電節(jié)能的電源產(chǎn)品。與普通開關(guān)電源相比，輸出電壓精度更高，功率因數(shù)更高，紋波更小，負載調(diào)整率和電壓調(diào)整率更低，功率較大，帶負載能力更好，成本更低。1 新型高精度開關(guān)電源總體設(shè)計1.1 總體設(shè)計方案開關(guān)電源主要由輸入電路、功率因數(shù)校正電路、脈沖控制電路、功率變換電路、輸出電路、反饋電路等構(gòu)成

16、3。第一部分是輸入電路，220V交流電經(jīng)保護電路、EMI濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓，此電壓送到第二部分進行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，即利用開關(guān)管的開關(guān)作用把直流電壓變換成一定頻率的脈沖波形，通過開關(guān)變壓器把能量傳遞到輸出端。第四部分是輸出電路，將高頻方波脈沖電壓整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是反饋控制電路，輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進行比較、放大。 使用精準(zhǔn)調(diào)整器TL431和光電耦合器PC817C設(shè)計反饋電路，反饋電路根據(jù)輸出電壓反饋到控制芯片，從而使控制芯片輸出PWM控制信號，達到高精確穩(wěn)定輸出

17、的目的4。圖1.1 總體設(shè)計方案1.2 功能要求及技術(shù)指標(biāo)1.2.1 電源效率及功率因數(shù)在特定的輸入電壓及溫度范圍條件下，下面表格描述了本電源輸出效率和功率因數(shù)的目標(biāo)范圍。整機效率為被測電源在額定輸入電壓輸出滿載時，輸出電流和輸出電壓的乘積得出該電源的輸出功率，然后與輸入端功率計顯示的輸入有功功率的百分比。功率因數(shù)為輸入有功功率與輸出實在功率的比值。表1.1 電源效率及功率因數(shù)輸入電壓范圍輸出負載效率PF值90VAC額定值84%98%264VAC額定值88%93%1.2.2 輸出電壓及電流在特定的輸入電壓及溫度范圍條件下，下面表格描述本電源各組輸出的電流、電壓范圍值及輸出紋波和噪音的目標(biāo)值。紋

18、波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率同步的成分，用峰峰值表示，常規(guī)要求紋波應(yīng)在輸出電壓的0.5% 以下。噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻噪聲成分，通常要求噪聲在輸出電壓的1%左右。表1.2 輸出電壓及電流項目V1V2V3V4輸出電壓+12V+24V+5V+5Vsb峰值電流2.5A5A3.5A1A額定電流2A4A3A0.5A電壓調(diào)整率±5%±5%±5%±5%紋波60mV180mV30mV30mV紋波及噪音120mV240mV50mV50mV2 新型高精度開關(guān)電源的設(shè)計2.1 輸入電路2.1.1 輸入保護電路輸入保護電路主要由保險管、

19、負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和壓敏電阻組成，熱敏電阻在開關(guān)電源剛啟動時，溫度低，電阻值高，瞬時能對充電電流加以限制。隨著電流通過發(fā)出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動成功，功耗降低。壓敏電阻的作用是吸收從電網(wǎng)竄入的浪涌電壓。電網(wǎng)中的電壓由于受到其它用電設(shè)備或自然雷電的干擾，容易引起浪涌電壓。浪涌電壓往往都是在瞬間發(fā)生，并且電壓值會升得很高，它會使電源中的保險絲和其它元器件燒壞。因此，在輸入電壓的兩端加上壓敏電阻，起到分壓的作用，吸收浪涌電壓，保護其后電路。圖2.1 輸入保護電路2.1.2 EMI濾波電路EMI濾波器設(shè)計的普遍做法是采用共模電感和濾波電容共同組成輸入濾波電路5。共模電感是在一個閉

20、合磁路的磁芯上繞制電感量相同的兩個繞阻。由于電源頻率分量所產(chǎn)生的磁通彼此的相位差為180度，此時它們的匝數(shù)相等而被相互抵消，對電源頻率分量的電感為零；而對于共模噪聲成分則呈現(xiàn)很高的有效導(dǎo)磁率，因而將得到很大的衰減。圖2.2 EMI濾波電路2.2 有源功率因數(shù)校正電路2.2.1 功率校正技術(shù)的原理功率因數(shù)是指有效功率與總耗電量（視在功率）的比值。在含有AC/DC變換器的電力電子裝置中，DC/DC變換器或DC/AC變換器的供電電源一般是由交流市電經(jīng)整流和大電容濾波后得到較為平直的直流電壓。濾波電容在使輸出電壓平滑的同時導(dǎo)致輸出電流變?yōu)榧饷}沖。如果整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負載時，輸入電流

21、即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)則為1。于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負載變?yōu)殡娮栊载撦d6。2.2.2 L6562應(yīng)用電路常有兩大類功率校正技術(shù)，一類是無源功率校正技術(shù)，另一類是有源功率校正技術(shù)。有源功率因數(shù)校正(APFC)電路主要是在整流器與輸出電容器之間串聯(lián)有源功率控制器，使AC/DC變換器的輸入電流和輸入電壓為同頻同相的正弦波，強迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)的開發(fā)，提高了開關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率。本設(shè)計運用模擬集成電路L6562進行功率校正。圖2.3

22、L6562應(yīng)用電路圖如圖2.3所示，APFC功率因數(shù)校正器的輸出電壓HV經(jīng)電阻采樣后，通過芯片腳INV輸入到誤差放大器的反相輸入端。內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓，由同相端輸入，經(jīng)比較放大后，輸出至乘法器M2。由全橋整流的交流電壓被采樣電阻分壓器采樣，通過MULT腳輸入乘法器M1，乘法器的輸出電壓則正比于M1 和M2 的乘積。外接功率MOSFET的源極串聯(lián)電阻，將漏極的升壓電感器L的峰值電流取樣，由CS腳輸入電流誤差放大器，并與乘法器輸出電壓作參考。當(dāng)CS腳上的電壓達到門限值，也就是L中的電流達到峰值后，PWM比較器將停止驅(qū)動MOSFET的柵極。2.3 反激拓撲電路反激式電路是指當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動脈沖

23、變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原付邊交錯通斷。但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件，需要設(shè)置RCD電壓鉗位電路予以保護。單端反激式可以滿足小功率高頻開關(guān)電源的要求，同時由于反激式開關(guān)電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇且電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜。典型的隔離反激式變換電路結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4 典型的隔離反激式電路結(jié)構(gòu)圖由電流模式脈寬調(diào)制控制器LD7535輸出PWM波控制MOSFET導(dǎo)通與截止。其工作頻率為50-130KHz，通過3腳到地接一只電阻設(shè)定工作頻率，一般為100K時，開關(guān)頻率為65KHZ。

24、電路的工作過程如下：當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，它在變壓器初級電感線圈中儲存能量，與變壓器次級相連接的二極管處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管截止。在變壓器次級回路無電流流過，即沒有能量傳遞給負載。當(dāng)MOSFET截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)過來，使得二極管導(dǎo)通，給輸出電容充電，同對在負載上也有了電流。2.4 半橋諧振電路諧振式電源是新型開關(guān)電源的發(fā)展方向。它利用諧振電路產(chǎn)生正弦波，在正弦波過零時切換開關(guān)管，控制半橋電路的MOS管交替地導(dǎo)通和截止，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出的平均電壓7。半橋諧振式拓撲結(jié)合有源功率因數(shù)校正技術(shù)，功率因數(shù)可以達到0.95以上，從而大大抑制了對電網(wǎng)的

25、污染。L6599是一個專門用于諧振半橋拓撲電路的精確的雙端控制器，輸出180°異相信號，提供50%占空比。不同于PWM控制器，能量傳輸是由開關(guān)器件的占空比來控制的，諧振半橋的占空比是固定的，能量傳輸是由開關(guān)頻率來控制的，輸出電壓的調(diào)整是通過調(diào)整工作頻率來實現(xiàn)。如圖2.5所示，從4腳到地接一只電阻RF min，用于設(shè)置最低振蕩頻率。從4腳接一只電阻RF max，通過反饋環(huán)路控制光耦接地，用于調(diào)整控制器的振蕩頻率，調(diào)節(jié)輸出電壓。RF max是最高工作頻率設(shè)置電阻8。圖2.5 L6599應(yīng)用電路圖 2.5 功率變換電路2.5.1 MOSFET的主要特點MOSFET分P溝道耗盡型、P溝道增強

26、型、N溝道耗盡型和N溝道增強型4種類型。增強型MOSFET具有應(yīng)用方便的“常閉”特性（即驅(qū)動信號為零時，輸出電流等于零）9。在開關(guān)電源中，用作開關(guān)功率管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強型器件。這是因為MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關(guān)速度。2.5.2 脈沖寬度調(diào)制的原理脈沖寬度調(diào)制(PWM)的原理是：電源在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)PWM控制芯片的導(dǎo)通脈沖寬度，使它對輸出電壓進行調(diào)整，使電源輸出電壓穩(wěn)定。2

27、20V交流輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變?yōu)槊}動直流電壓，供給功率開關(guān)管作為驅(qū)動電壓。MOS柵極由PWM控制器的脈沖驅(qū)動。PWM控制器由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和PWM比較器組成，如圖2.6所示。開關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進行比較、放大，然后將其差值送到PWM比較器。脈寬調(diào)制的頻率是不變的，當(dāng)輸出電壓V0下降時，與基準(zhǔn)電壓比較的差值增加，經(jīng)放大后輸入到PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經(jīng)開關(guān)晶體管功率放大后，驅(qū)動高頻變壓器，使變壓器初級電壓升高，然后耦合到次級，經(jīng)過肖特基整流和電容濾波后，輸出電壓上升，反之亦然10。圖2.6 脈沖寬度調(diào)制的原理框圖2.6 輸出整流濾波電路開關(guān)電源經(jīng)過開關(guān)變壓器后，要

28、對輸出的開關(guān)電壓進行整流和濾波。肖特基二極管是以多數(shù)載流子工作的整流器件，具有很好的開關(guān)特性。它的正向壓降小，且隨著溫度的升高而降低，可降低整流管導(dǎo)通損耗。在選取輸出整流管的參數(shù)時，應(yīng)遵循以下原則：管子的額定工作電流至少為該路最大輸出電流的3倍；管子的最高反向工作電壓必須高于最低耐壓值。輸出濾波器把經(jīng)過整流以后的交流方波變換成直流。如圖2.7所示，整流后的波形直接接到濾波器的輸入端，先是大電容濾波，它將方波濾波成為較平滑的直流波形。L51與C55組成了后置濾波器使波形變得平穩(wěn)，減小紋波。圖2.7 輸出整流濾波電路圖2.7 反饋穩(wěn)壓電路本設(shè)計采用電壓環(huán)進行閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出的，使用光

29、耦作為輸入采樣、反饋信號、輸出驅(qū)動的隔離器件11。反饋電路的設(shè)計如圖2.8所示。TL431為精密穩(wěn)壓器，它的作用是使光耦合器PC817C的管腳2穩(wěn)定在2.5V的電壓。當(dāng)輸出24V電壓升高，管腳2的電壓不變，而管腳1的電壓升高，使發(fā)光器導(dǎo)通發(fā)光，受光器接受光線也導(dǎo)通，管腳4的電壓變低；反之，當(dāng)輸出24V電壓降低，受光器截止，管腳4的電壓為高。PC817C把管腳4的電壓高低狀態(tài)反饋到控制芯片，芯片調(diào)整PWM的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定。R54和R56是輸出取樣電阻，兩者對輸出的分壓通過TL431的REF端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個電流又是直接驅(qū)動光耦的發(fā)光部分的。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢時，

30、Vref隨之增大導(dǎo)致流過TL431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強，感光端得到的反饋電壓也就越大?？刂菩酒诮邮苓@個變大反饋電壓后將改變MOSFET的開關(guān)時間，輸出電壓隨改變而回落12。圖2.8 反饋電路的設(shè)計3 新型高精度開關(guān)電源電路圖及實物圖3.1 整體電路圖整體電路主要包括設(shè)計總圖、輸入電路及功率因數(shù)校正單元、反激部分及半橋諧振三個部分，對應(yīng)電路圖分別如圖3.1、圖3.2、圖3.3及圖3.4所示：圖3.1 設(shè)計總圖圖3.2 輸入電路及功率因數(shù)校正單元圖3.3 反激部分圖3.4 半橋諧振部分3.2 設(shè)計PCB圖圖3.5 設(shè)計PCB圖3.3 實物圖圖3.6 頂層實物圖圖3.7 底層實物圖4 性能

31、測試開關(guān)電源性能測試是檢驗其性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，一般測試項目主要有：整機效率、功率因數(shù)、交叉負載、紋波及噪音、輸出電壓過沖及溫升等。本設(shè)計在進行性能測試時使用的主要儀器包括3KW AC自偶變壓器、CHROMA 650電子負載、TDS3032B示波器及P6021電流探頭等。以下測試數(shù)據(jù)均為本人實習(xí)期間使用公司測試儀器實際測試所得數(shù)據(jù)，由于學(xué)校不具備相應(yīng)測試設(shè)備，因此無法重新測試及拍攝相關(guān)測試視頻。4.1 整機效率以及功率因數(shù)檢測整機效率以及功率因數(shù)是否合乎規(guī)格要求。根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，在AC220V/50HZ條件下，整機功率小于1500W的電源，其整機效率應(yīng)不小于85%，功率因數(shù)應(yīng)不小于0.921

32、3。表4.1 電源整機效率以及功率因數(shù)測試結(jié)果測試項目滿載（%）80%負載（%）半載（%）PF值效率PF值效率PF值效率90V99.7 86.01 99.7 86.90 99.6 86.87 120V99.5 88.24 99.6 88.45 99.3 88.10 160V99.5 89.22 99.2 89.40 98.3 88.68 220V98.3 89.98 97.7 89.99 96.8 89.03 264V96.7 90.16 95.2 90.21 94.3 89.03 圖4.1 電源整機效率以及功率因數(shù)測試折線圖由表4.1可知，在不同負載條件下，電源效率最小為86.01%，電源效

33、率最大為90.21%；功率因數(shù)最小為94.3%，最大達到為99.7%。性能優(yōu)越，完全符合設(shè)計要求。折線圖4.1反映出了開關(guān)電源效率和功率因數(shù)在不同輸入電壓及不同負載下的變化關(guān)系。3.2 交叉負載交叉負載是考察電源在不均衡負載下，電壓的調(diào)節(jié)能力。在多組輸出電壓條件下，確認輸出電壓調(diào)整隨輸出負載的變化改變，變化的電壓范圍是否超過該組電壓的規(guī)格值。表4.2 交叉負載測試結(jié)果5V12V24V5V12V24V0.1A0.3A0.2A5.16V11.97V24.22V0.1A0.3A4.0A5.16V12.04V23.91V0.1A2.0A0.2A5.15V11.88V24.63V3.0A0.3A0.2A

34、5.12V11.97V24.24V0.1A2.0A4.0A5.15V11.95V24.30V3.0A0.3A4.0A5.12V12.04V23.93V3.0A2.0A0.2A5.11V11.88V24.64V3.0A2.0A4.0A5.11V11.95V24.32V由表4.2可知，在輸出電壓5V、12V重載，24V輕載時，24V的實際輸出最大達到24.64V。反映出了多路輸出狀態(tài)下負載不平衡時，輸出電壓波動較大的問題。本設(shè)計通過采用精密調(diào)諧器TL431進行反饋調(diào)節(jié)，對此問題有一定的改善作用。3.3 紋波及噪音檢查所有輸出電壓的紋波及噪音是否合乎規(guī)格要求。用示波器量測所有輸出，量測所有高頻和低頻

35、的紋波及噪音。在進行此項測試時需采用一個47uF的電容并上一個0.1uF的電容加在示波器電壓探頭上，同時選用帶寬20MHZ的交流檔測試。在輸入電壓240V、滿載條件下測試三路輸出紋波及噪音結(jié)果如下：表4.3 輸出紋波及噪音測試結(jié)果負載紋波紋波及噪音圖片5V3A09.6mv15.6mv圖4.212V2A37.8mv52.8mv圖4.324V4A117.0mv181.0mv圖4.4 圖4.2 5V紋波 圖4.3 12V紋波 圖4.4 24V紋波紋波是出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用峰-峰值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，一

36、般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，一般在輸出電壓的2%以下14。由表4.3可知，三路輸出紋波及噪音均符合設(shè)計要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。3.4 輸出電壓過沖及爬升時間輸出電壓過沖及爬升時間是指電源在開機或關(guān)機時，引起直流電壓變化的最大峰峰值15。電源開機的時候，用示波器直接記錄輸出電壓的過沖及爬升時間，在輸入電壓在輸入220V、滿載條件下測試輸出電壓過沖及爬升時間結(jié)果如下。圖4.4 輸出電壓過沖及爬升時間輸出電壓負載電流過沖爬升時間圖片+5VMAX0.000%01.6ms圖4.5+12VMAX3.840%06.8ms圖4.6+24VMAX2.789%05.6ms圖4.7 圖4.5 5V過沖 圖

37、4.6 12V過沖 圖4.7 24V過沖根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求電源產(chǎn)品的開關(guān)機過沖幅度最大不應(yīng)超過輸出電壓的±10%。由表4.4可知，過沖最大為3.84%，測試結(jié)果完全符合設(shè)計要求。3.5 溫升測試檢測在額定負載條件下測試相關(guān)元件的溫升是否超過規(guī)格值。由下表可知，測試結(jié)果完全符合設(shè)計要求。由于初級濾波電路采用三個等值電容并聯(lián)，其溫升測試結(jié)果非常理想。表4.5 溫升測試結(jié)果項目Test time:1hTest time:4h平均環(huán)境溫度44.644.144.4溫升1T61(LLC變壓器)73.580.076.832.02L81 (PFC電感)69.078.073.528.73BD1 (工頻橋整流)99.0104.8101.957.14D90 (PFC整流.)91.295.993.648.85Q81(PFC MOS)99.2104.0101.656.86D41 (5V整流)86.288.387.342.57D51 (12V整流)87.489.888.643.88D71 (24V整流)91.393.292.347.59T1(待機變壓器)74.575.775.130.310Q61(LLCMOS)67.274.070.625.811Q62(LLCMOS)66.573.570.025.212Q1(待機MOS)71.075.673.328.513D14(尖峰吸收