开关电源变换器片式路电压毕业论文模板(编辑修改稿)

开关电源变换器片式路电压毕业论文模板(编辑修改稿)内容摘要：

； CJ：肖特基势垒管的结电容， F； n：变压器初 级对次级的匝数比， NP/NS。 吸收回路中的电容器 CS的值可以在 F 到 F 之间任意选择，电阻上的功率损耗 PR可以由下式求出： 212 inRSVP C fn  （ 14） 其中 f 是变换器的工作频率。 功率输出电感的特性 在设计隔离式高频开关电源时，大多数人都使用电感作为输出滤波电路的一部分。 电感的存在，有两方面的作用。 第一个作用是它可以存储能量，以便在开关功率管截止或“死区”时间内，能够给负载提供连续不断的电流 ；第二个作用就是使输出的直流电压更加平滑，使输出电压波纹能够达到允许的标准。 目前，市场上有多种材料制成的磁芯可供设计者在设计电感时选择。 常用的磁芯有铁氧体磁芯，铁粉磁芯和坡莫合金（ MPP）磁芯。 这些磁芯对于设计电感都是很好用的。 基本的设计原则是要与成本、重量和实用性等因素综合起来考虑。 铁粉磁芯与 MPP 磁芯一般是圆环形状，由于具有如下特点，所以最适合于作扼流圈。 （ 1）饱和磁通密度高，可达4800010T 以上。 （ 2）能量存储能力强。 （ 3）由于有固有的气隙口，因此无须对磁芯再 开气隙口。 （ 4）供选择的尺寸宽。 对于铁氧体磁芯来说，由于其饱和磁通密度 Bsat 低，所以必须要开气隙口，它们对温度比较敏感，其体积也较大。 铁氧体扼流圈的特点是容易绕制。 它更适于使用粗导线绕制电感线圈。 如果用罐形磁芯作输出电感，由于其固有的屏蔽特性，电感所辐第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 12 射的射频干扰会减小。 开关电源的控制电路 当今的开关电源大部分采用脉冲宽度调制技术 (PWM)，这一技术主要是在主变换器工作周期不变的情况下，通过改变开关晶体管的导通时间和截止时间，以控制输出电压稳定在预先确定的电压值上。 PWM 提供了优越的性能，如良好的线性、负载调整率高以及在温度变化过程中具有较高的稳定性等。 开关稳压系统的隔离技术 隔离式高稳定开关电源的任务主要有两个方面，首先，它必须提供高度稳定的若干组低输出，为电子设备或机电电路提供充足的供电电源；另一方面，它必须在输出和输出之间提供很高的隔离特性，以保护电器免受因高压及冲击电流引起的电气短路的危害。 PWM 系统 尽管许多开关技术可用于开关电源的设计中，但直到目前为止，使用最多的开关技术还是固定频率的 PWM 技术。 在一个 PWM 系统中， 通常是产生一组方波脉冲来对开关晶体管的开关进行控制，用改变脉冲宽度的方法，来改变晶体管相应的导通和截止时间，因而能够使输出电压稳定在预定的值上。 PWM 控制电路可以是单端的，即能够驱动一个单晶体管变换器（如反激式和正激式变换器电路）。 如果有两个或更多 的晶体管需要驱动（采用半桥式或全桥式变换器电路），则需要采用一个双路的 PWM 电路。 PWM 控制电路 一个简单的闭环回路 PWM 控制电路，可用很少几个分立元件构成的半导体电路来实现。 一个时钟脉冲生成电路 IC1 产生一串 固定频率的不对称方波脉冲，固定频率为 20kHZ， IC1 可选用 555 时基电路或其他等效电路进行设计 PWM 控制器 第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 12 近年来已开发出许多高频开关电源控制集成电路，这些电路包含了建立 PWM 开关电源所需的所有功能，使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。 图 描述了一个简单的 PWM 控制器的基本构成框图和它相关部位的波形。 这个电路电路的工作过程如下：误差放大器将从电源输出端引入的反馈信号与其反相输出端的固定参考电压 Vref进行比较，误差信号被放大并送到比较器的反相输入端，而比较器 的同相输入端输入的是由一个固定频率振荡器产生的具有线性斜率的锯齿波，振荡器的输出同时送到一个翻转触发器（ F/F),产生方波输出 Q 和。 比较器的输出方波和触发器的方波输出，都用于驱动与门，使得两个输入信号均为“ 1”时输出，这样，在 A 路和 B 路最终得到的是可变脉冲占空比的脉冲串。 图 用虚线说明了，当误差信号幅度变化时，输出脉冲的宽度是如何被调制的。 通常 PWM 控制器在其外部经缓冲后去驱动主电源开关晶体管。 这一类的电路可被用来驱动两支晶体管或是驱动单晶体管，在后一种情况下，输 出可在片外进行“与”处理（直接相与），或者只允许有一路作为驱动。 这种 PWM 控制器的优点是很突出的，包括可编程的固定频率振荡器，线性 PWM可从 0%~100%地调整占空比，防止输出晶体管同时导致的死区时间调整，并具有电路简捷、可靠性高和价格便宜的优点。 PWM 控制器及其应用 早期出现的单片 PWM 集成控制电路是摩托罗拉公司生产的 MC3420 开关方式的稳压控制器和 SG 公司生产的 SG3524PWM 控制器，这两种集成电路已经成为工业标准器件。 这些 PWM 控制芯片在很长一个时期内 成为了开关电源设计的中心部分，它们既可以单端应用，也可以双端应用，效果很好。 而后许多生产厂家又相继推出了多款PWM 控制芯片，其中德州仪器公司推出的 TL494 芯片就是对 SG3524 的改进，提供了可调整的死区时间控制功能，输出晶体管也具有较高的拉、灌电流能力，改进了限流控制，输出方向控制等功能。 由于功率 MOSFET 管的引入，又首次出现了 SG1525A 和 SG1526 系列芯片，它们采取图腾柱式输出方式，具有直接驱动功率 MOSFET 和双极性晶体管的功能。 这些电路还具有低压时锁定输出，可编程式软启动，数字式电 流限制，并可在高达400kHZ 的频率下工作。 开关电源的辅助电路 为了增强开关电源的稳定性和可靠性，还需要许多外围电路和辅助电路。 在开关电源的主振回路中，广泛的应用了像光电耦合器一类的元器件，这些元器 件在反激式变换器和正激式变换器电路中，除了提供必要的输入 输出隔离功能外，它们还能提供良好的信号传递功能。 此外，主振回路还包括其它一些电路类型：如软启动电路、过流保护电路、过压保护电路等，这些电路可以有效防止电源由于意外原因造成失效损坏。 光电耦合器 光电 耦合器又叫做光电隔离器，在开关电源的主振回路中，它在输入回路和输出回路之间起隔离作用。 同时，它还为电源的稳压控制电路提供信号传递通路。 图 表示的是一个典型的光电耦合器结构图。 光电耦合器主要由两个元件组成：一个是光源。 实际上它是一个发光二极管（ LED），另一个是光敏器件，它可以是光电池、光敏三极管、光敏单向可控硅等器件。 最通用的光电耦合器是把一个砷化镓发光二极管（ LED）和一个硅光敏三极管封装在一个完全与外界光线隔绝的外壳中。 光电耦合器的基本工作过程如下：当有电流经过 LED 时，便产生一个光源，光的 强度取决于激励电流的强度，此光源照射到封装在一起的 光敏三极管上后，控制光敏三极管产生一个与 LED 正向电流成比例的集电极电流。 开关电源主振回路所使用的自举式辅助电源 在高频开关电源中，用驱动变压器推动开关管的基极可以实现必要的输入 输出时间隔离，但通常是用在半桥式和全桥式变换器电路中。 在大多数正激式和反激式变换电路中，都是利用光电耦合器作隔离器件。 第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 27 利用光电隔离器可以大大简化电路的设计，因为它不需要驱动变压器和辅助电源变压器。 在这种情况下，总的控制电路是以变压器的初级 侧为基准的。 启动电路和自举式辅助电源技术可以直接应用于直流高压线和高频变压器之间，并为控制电路提供电源。 自举式辅助电源电路的功能如下：当输入交流电压加上后， PWM 控制和驱动电路得到了启动电压 VC,此电压是由直接与直流高压相连的 R VDW1 和 VT1 线性稳压电路形成的启动电压。 在电源启动后，主变压器的辅助线圈提供了电压 VD，其电压值高于 VC，从而是二极管 D5 处于反向偏置。 因此，把线性稳压器也关闭了。 在这一条件下，电源提供了自举的辅助电源电压 VD 以保持它本身的工作，而启动稳压器即无功率消耗了。 在设计以上电路时，必须选用符合条件的晶体管。 要求此晶体管在截止时，要能承受基极 集电极的高压。 这种电路形式只要稍加变化，便可在许多的实际电路中被采用。 开关电源中的软启动电路 在大多数开关电源设计中，都要有一个延时启动电路，目的是为了避免在电源开关接通的瞬间产生过流现象和使变压器产生饱和现象。 完成这一功能的电路称为“软启动电路”。 一般的软启动电路都由 RC 网络组成，它使得 PWM 控制电路输出从零电压上升到其工作电压的过程是缓慢进行的。 在 PWM 控制电路中软启动电路的组成如图 所示。 在图 中电路可以使 PWM 控制信号从零到其工作电压逐渐地上升，具体工作过程分析如下：在时间 t=0 时，电源开关 刚接通，电容器开始处于未被充电状态，而误差放大器的输出端通过二极管 VD1 保持在零电平。 这样，它就禁止了比较放大器的输出。 第一章 多路输出式单片电源 开关的原理与应用 31 在时间 t=0时，电容器通过电阻 R 开始充电，充电时间常数由下式决定： RC （ 17） 充电电压为 Vref。 当电容器充满电荷时，二极管 VD1 则 处于反向偏置。 因此，误差放大器的输出就和软启动网络隔离开来。 电容器 C 缓慢地充电导致比较放大器输入端的 PWM 波形逐渐地上升。 这样，开关元件的软启动功能就完成了。 二极管 VD2 用于旁路电阻 R，为了确保在系统关闭的情况下，使电容器 C 有足够的速度放电，这样，即使在很短的中断时间，也可以启动另一个新的软启动周期。 在一些第二代的 PWM 集成控制电路中，电阻 R 已被集成在电路芯片上的电源生成器所代替，因此，只需要一个外围器件电容器 C 便可以完成软启动功能。 很显然，软启动电路使得输出电压的上升时间产生一定的时间 延时，因此，必须要合理的选择电阻 R 和电容器 C 的值，以保证这个延时时间在允许的范围内。 第一章 多路输出式单片电源 开关的原理与应用 31 作为开关使用的功率 MOSFET 管 基本的 MOSFET 管定义 尽管场效应管（ FET）在各种电路中已经应用多年，但是金属 氧化物的半导体场效应管（ MOSFET）是在最近十几年内才发展起来的，并广泛应用于电源设计中。 MOSFET 管的性能远远超过开关电源对于器件的要求，它的工作频率超过 20kHZ，可以达到 100kHZ 到 200kHZ，完全超过了双极性晶体管工作频率的限制。 它有几个适用于设计电源变换 器的优点，如其工作频率可达 100kHZ 以上更重要的是它减小了体积和重量，功率 MOSFET 管向电源设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件，它还具有高增益，几乎不存在存储时间，不会有热击穿等优点。 图 是 N 沟道 MOSFET 管与 NPN 型双极性晶体管相比较的原理图符号。 还有一种 P 沟道的 MOSFET，它的电流流动方向与 N 沟道的 MOSFET 相反。 在图 中，双极性晶体管分为集电极、基极和发射极， MOSFET 与之相对应的极分别是漏极、栅极和源极，分别用字母 D、 G 和 S 表示。 虽然这两种器 件都叫做“晶体管”，但是它们在构造上和工作原理上有严格的区别最重要的区别是 MOSFET 管是多数载流子运动的半导体器件，而双极性晶体管是少数载流子运动的半导体器件。 第一章 多路输出式单片电源开关的原理与应用 33 开关电源所用的术语 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。 其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。 ESR：等效串联电阻。 它表示电解电容呈现的电阻值的总合。 一般情况下， ESR值越低的电容，其性能就越好。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤销后，依然保持其额定输出电压 的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。 它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。 为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。 或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。 条件是负载和周围温度保持恒定。