pwm型半桥开关电源设计毕业设计(编辑修改稿)

pwm型半桥开关电源设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比 D的变化范围。 (6)输出电压稳定性：输出电压随负载的变化而变化的特性，这个变化量越小越好。 它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。 反馈调节回路增益越高，基准电压 Ue越稳定，输出 电压 U0的稳定性越好。 (7)输出功率 P0：电源能输出给负载的最大功率，他和负载功率有关。 为了保证电源安全，要求输出功率有 20％ — 50％的裕量。 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 46 页 第二章 开关电源的拓扑结构及比较 开关电源典型结构 串联电源典型结构 串联开关电源原理图如图。 开关原件及功率开关晶体管 VT串联在输入与输出之间。 正常工作时，功率开关晶体管 VT在开关脉冲信号的作用下周期性的在导通、界之间交替转换，是输入与输出之间周期性的闭合和断开。 输入不稳定的直流电压通过功 率开关晶体管 VT后输出周期性脉冲信号电压，再经脉冲整流滤波后，就可以得到平滑直流输出电压 U0。 U0和功率开关晶体管 VT的脉冲占空比 D有式（ 12）的关系。 输入交流电压或负载电流的变化，会引起输入直流电压的变化，通过输出取样电路后将得到的取样电压与基准电压比较，其误差值通过误差放大器放大后控制脉冲调宽电路的脉冲占空比 D，达到稳定输出直流电压 U0的目的。 在串联开关电源中，由于功率开关 VT 串联在输入电压 Ui和输出电压 U0之间，因此对开关耐压要求低。 但由于输入电压和输出电压共用地线，电压输入与输出间不隔离，有可 能使电路板底板带 电，使用不安全，更不满足外接 AV输入、影碟机、录放相机的要求。 因此在目前的电子装置和视听设备的电源电路中以较少采用长联开关电源，而更多是采用并联开关电源。 图 串联开关电源原理图 并联开关电源结构 并联开光电源原理图如图 ：其中功率开关管 VT与输入电压。 输出负载并联，输出电压为： iUU0 D11 (14) 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 46 页 图 17所示为一种输出升压型并联开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将输出升压型并联开关电源转化为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。 图 并联开关电源原理图 变压器耦合并联开关电源原理图如图 ，功率开关管 VT与开关变压器初级线圈相串联在电源供电输出端，功率开关管 VT再开关冲脉冲的周期性的导通与截 止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压这个次级脉冲电压经整流滤波后的到直流输出电压 U0。 同样，经过取样电路后将得到的取样电压与基准电压 UE进行比较，其误差电压再被误差放大器放大后输出值功率开关管 VT，来控制功率开关管 VT 的导通、截止，达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。 由于采用变压器耦合，因此变压器的初、次级侧以相互隔离，从而使初级侧电路与次级侧 图 变压器耦合并联开关电源原理图 电路的分开，做到次级侧路的不带电，使用安全。 同时由于变压器耦合，因此 可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。 由于变压器耦合并联开关电源输入端与输出端不共地，即所谓的冷底板供电，因此该开关电源可外接数字通信设备，从而在电子通信设备中得到广泛的使用。 使用中应注意，在并联开关电源中，对功率开关管 VT的耐压要求较高，一般高于 2~3倍电源供电电压。 正激电源开关结构 正激开关电源是一种更采用变压器耦合的降压型开关稳定电源，其电路图如图 所示。 加在变压器 N1绕组上的电压振幅等于输入电压 UI功率开关管 VT 导通时间 TON为开关脉冲宽度，变压器次级侧开关脉 冲电压经二极管 Vi整流变为直流。 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 46 页 图 正激开关电源电路 这种开关电源中功率开关管 VT导通时，变压器初级绕组励磁电流最大值为： DTLUI NiN 11  （ 15） 式中， LN1表示变压器初级绕组 N1的电感量； D表示脉冲占空比； T表示脉冲开关周期。 正激开关源的特点是，当初级侧的功率开关管 VT 导通时，电源输入侧的能量由次级侧二极管V1经输出电感 L为负载供电；当功率开关管 VT断开时，有 续流二极管 V2=继续为负载供电，并由消磁绕组 N3和消磁二极管 V3将初级绕组 N1的励磁回馈到输入端。 反激开关电源结构 反激开关电源结构电路如图 110所示，当功率开关管 VT 导通时，输入侧的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈 N1中，由于同名端关系，次级侧二极管 V1不导通，负载没有电流流过。 当功率开关晶体管 VT断开时，变压器次级绕组以输出电压 U0为负载供电，并对变压器进行消磁。 反激开关电源电路简单，输出电压 U0即可高与输入电压 Ui又可低于输入电压，一般适用在输出 图 反激 开关电源电路 功率为 200W以下的开关电源中。 当要求电源开关输出功率更大，如在 200W~400W 范围内时，可采用半桥开关电源，他在一些较大负载的电路中被普遍采用。 半桥开关源结构 半桥开关电源结构电路及波形图如图 ，两个功率开关管 VT1和 VT2在开关脉 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 46 页 （ a） 电路图；（ b） 波形图 图 半桥开关电源电路及波形 冲信号作用下，交替的导通与截止。 当开关管 VT1导通， VT2截止时，输入电压 Ui经 VT变压器初级绕组 N1及电容 C2为变压器初级线圈 N1励磁，同时经次级侧 二极管 V绕组 N2给负载供电。 所以，初级测电源通过功率开关管 VT 、 VT2交替给变压器供电。 变压器初级侧的脉冲电压峰值为 Ui/2。 同样，电容 C C2上的电压也分别为 Ui/2。 半桥开关电源最大的优点是自动平衡能力强，不易使变压器由于 VT VT2的导通时间不一致而产生磁饱和显现，是功率开关管 VT VT2损坏。 这是因为， VT VT2导通时间不一致时，变压器初级侧 N1绕组的励磁电流大小不一样，致使电容 C C2上的电压不不相等，励磁电流越大，则对应的电容器电压越小，从而起到自动平衡的作用。 但是由于每个 开关管中流过的电压只有输出电源电压的的一半，因此要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。 300W左右的开关电源多采用半桥式。 同时，半桥开关电源中需要避免功率开关 VT VT2 的共态导通问题，否则将是两个功率开关损坏。 这点可以通过使 VT VT2 功率开关管的导通间相互错开来解决。 这一相互错开的的最小时间成为死区时间。 全桥开关电源结构 源电路及波形如图 112所示。 由 4个功率开关管 VT VT VT VT4组成一个电桥形式的电路，其中，由 VT1与 VT VT2与 VT3分别组成两个导通回路，当 VT VT3的触发控制信号有效时， VT VT4的触发控制信号无效， VT VT3导通时，输入电压 Ui经 VT变压器的初级线圈 N1和 VT3形成电流回路，加之变压器初级线圈，的电压为电源电压 Ui,并经次级侧二极管 V1整流、滤波后为负载供电。 同理，当VT VT3关短， VT VT4导通时，输入电压 Ui从和 VT VT3导通时的电流相反的方向为变压器初级线圈N1励磁，并通过次级线圈 N2和整流二极管 V2为负载供电，这样再次级得到如 Up所示的脉冲波形。 和半桥开关电源相比，由于家 在全桥变压器初级线圈上的电压、电流比半桥开关电源的各大一倍，因此在相同的电源供电电压 Ui下，全桥开关电源的输出功率是半桥电源开关的 4倍。 全桥电源开关厂用在输出功率较大的场合。 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 46 页 （ a） 电路图；（ b） 波形图 图 全桥开关电源及波形图 同样，在全桥电源开关中也存在 4个功率开关管 VT VT VT VT4的共态导通问题。 这点可以通过设置死区时间的方法来克服。 开关电源技术要点 电源电路的组成及主要特点 1. 电源电路主要由开关电源、副电源、辅助电路组成。 (1) 主开关电 源 主开关电源的输出功率较副电源、辅助电路的输出功率要大。 它将 220V的交流输入直接整流、滤波为 300V 左右的直流电压，在经过电源稳压调整环节中的开关调节管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对 300V左右的直流电压进行 DC/DC 开关变换，产生各种所需稳定的直流电压输出。 主开关电源主要为主负载电路提供 110~145V 的直流电压。 电源电路的遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去直流供电。 (2)副电源 电源的主要作用是为微处理 器控制电路提供 +5V 的供电电压。 副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源，也可采用传统的线性稳压电路。 无论伏在处于正常工作状态还是待机状态，负电源都必须正常工作。 (3)辅助电路 将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流、滤波，就可以得到所需的直流电压。 由于辅助电路是将行输出及经直流 — 交流 — 直流做两次变换，所以又称为二次电源。 行输出极产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描以及图像和伴音通道供电。 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 46 页 2. 电源电路的主要特点 电源电路的主要特点如下： (1) 由于设备都属 于高可靠性设备，对电源的要求较高，因此除了提供大的功率外，好要求具有较高的效率。 (2) 为扩大设备仪器的使用范围，要求电源电路能适应 110V 和 220V 交流供电的需要。 一般要求电源电路对交流输入时电电压的适应范围为 90— 245V，并对 50Hz 即 60Hz 输入频率均能适应。 (3) 为了使负载仪器设备使用安全，要求机芯为冷底板设计，所以输出稳压取样反馈回路普遍采用光电耦合器进行电源初、次级侧的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。 (4) 要求电源电路有良好的过压、过流、输出短路、 X 射线保护及复位功能。 (5) 为了保证遥控古代及功能的实现，电源电路一般还加有副电源电路（待机电源），副电源电路功率不大，一般在几瓦左右，既可以采用开关电源实现，也可以用线性电源实现。 倍压 /桥式整流自动切换 为了保证负载能在较宽的交流输入电压范围内正常工作，如 90~245V，有些电源加了一个倍压 /桥式整流自动切换电路，使他在 110V 交流电压下工作在倍压整流方式，而在 220V 交流输入电压下工作在桥式整流方式，从而使负载在 110V 和 220V 两种交流供电情况下都能正常工作。 如果不采用倍压 /桥式整流自动切换，则易使开关电源 在 110V交流供电状态时处于欠激励工作状态，而在 220V交流供电状态时有易工作于过激励状态，不能保证开关电源处在最佳工作状态，其效率及可靠性等指标都可以得到保证。 图 倍压 /桥式整流自动切换电路 倍压 /桥式整流自动切换电路如图 113 所示。 当输入 220交流电压时，通过电压检测电路可使双向晶闸管截止，这是电容 C C2相串联，整流电路为普通的整流工作方式，整流输出电压为 U0为 300V左右的直流电压。 当交流输入电压为 110V时，通过电压检测电路是双向晶闸管 V导通，整流电路工作在倍压整流方式。 倍 压整流方式的工作原理图所示。 倍压 /桥式整流自动切换电路可使在 110V和 220V交流输入电压下的整流滤波输出直流电压相差不大，从而确保开关电源即可工作在交款的交流输入电压范围，又可以使开关电源处在最佳工作状态，从而提高开关电源的效率和工作可靠性。 但是倍压 /桥式整流自动切换电路如不能正常完成切换功能，同样会引起负载电路的大面积损坏，设计电路时必须十分重视。 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 46 页 第三章 开关电源的控制及 PWM 技术 开关器件 开关器件的特性及驱动是开关电源电路中关键的问题对开关器件的认识和了解是电源设计和使用的基本知 识。 开关器件的特征 同处理信息的电子器件相比，开关电子器件具有以下特征： (1) 能处理功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于信息处理的电子器件 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断是阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3。