100w开关稳压电源的设计与实现(编辑修改稿)

100w开关稳压电源的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

型 PWM 控制的缺点 ： 1)对输入电压的变化动态响应较慢； 2)补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压变化而变化，使其更为复杂； 3)输出 LC 滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放 大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。 从总体上说， 开关电源的控制电路还包括过压，过流保护，均流控制等。 14 3 开关电源主电路设计 开关电源的主电路主要处理电能，即功率变换。 主电路主要包括输入滤波电路、逆变电路、高频变压器、输出滤波电路等部分。 主电路的设计通常在整个电源的设计过程中占有最为重要的地位 [7]。 输入级电路设计 主电路输入级电路是整个电路同电网的接口，它主要有以下几个功能 ： 1)EMI 滤波功能，消除来自电网的扰动，同时防止电源本身对电网的 干扰； 2)输 入级一次整流功能 ，为后级逆变提供纹波较小的直流电。 具体的输入级主电路如图 所示： 图 输入级主电路 开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流电网线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载。 输入级滤波电路的主要器件见上图，其中 TXl， CY1,CY2 滤除共模噪声，电容容值为 ， CX1，C2 滤除差模噪声，大小为 ，耐压 400V。 其中电容和 TX1 共模 15 扼流圈一起构成 EMI 滤波电路，这 样就可以有效的消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开 关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。 同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。 在开关电源中，存在着共模干扰 (即受干扰的信号相对于参考点大小、方向同 )，如雷电等，为了消除共模干扰，在整流和逆变环节之间加入共模扼流圈，共模扼流圈需要满足以下几点基本要求 [8]： 1)在正常工作的输入电流或输出电流下，共模扼流圈不应磁饱和 ； 2)在干扰信号下频率阻抗要大 ； 3)直流电阻要小，电感值稳定，不随温度变化而产生大幅度变化 ； 4)分布电容要小； 图中的共模扼流圈 为 TX1，其电路原理如图 所示， 图 共模扼流圈电路原理图 当有高频干扰时，两线圈在同一磁芯内对共模干扰所产生的磁通是同方向的，有相互加强的作用，每一线圈电感值为单独存在是的两倍。 通常共模扼流圈的匝数很少，因此这种绕法的电磁线圈对共模干扰有很强的抑制作用。 16 开关电源的功率开关元件 开关元件特性及其驱动是开关变换器中很关键的问题。 开关管的损耗与基极的驱动电压，电流的波形有直接的关系。 对双极型晶体管的理想驱动波形，最好是波形前沿陡峭并带些尖峰脉冲，以加快开关的接通，减少其损耗。 关断时，最好加反向偏压，以提高关断速率 [9]。 双极型晶体管（ BJT）基本上是个电流控制器件，即加入变动的基极电流 △ Ib，产生变动的集电极电流 △ Ic，共射级放大倍数 β为： Β=△ Ic/△ Ib； 在实际的开关应用中，晶体管处于饱和导通或截止两种状态。 为了加快退出饱和，以利提高开关频率，常加控制环节使开关管导通工作时在准饱和状态，准饱和是指在深饱和与线性区之间的一个区域，对应 IcVce 输出特性曲线开始弯曲部分。 在准饱和区，电流增益开始下 降，但保持着发射结正偏、集电结反偏的状态。 这比把深度饱和导通的晶体管 (集电结已处于正偏状态 )转为关断状态要容易得多，快得 多。 具体方法参见图。 图 晶体管状态图 晶体管并非理想的开关元件。 它从断态变为通态时有开通过程需 17 要一定时间。 在通态变为断态时有关断过程，也需要时间。 通态时通过的电流由外接负载所限定，管本身有饱和压 降 Vces、断态时发射结和集电结在反偏状态，集、射极在高电压下有穿透电流 Iceo。 一般要求，饱和压降 Vces 要小，穿透电流 Iceo 要小。 过渡的过程，用图 所标的几个时间段来标志。 晶体管基极驱动电路主要应使驱动电流或电压波形为最佳并要注意隔离和保护的问题。 驱动方式一般有直接式和隔离式。 本系统的驱 动电路如图 所示。 图 晶体管驱动电路图 高频变压器 在众多 的 DCDC 变换 器中，可以分为两大类：隔离变换器和非隔离变换器，所谓隔离与非隔离指的是在主电路功率传输中是否存在电气隔离，大多数情况下指是否存在变压器隔离。 在非隔离变换器中，存在很多缺陷，例如，输入输出无法隔离会对系统安全性存在隐患，输入输出的电压和电流比无法很大以及无法实现多路输出等问题。 这些局限需要靠变压器来克服。 高频变压器在主电路中主要起隔离、降压和实现多路输出的作用 [7]。 理想的隔离变压器主要有以下几点特征： 18 1)从输入到输出能够通过所有的信号的频率，即从理想的直流到不理想的直流都能变换 ； 2)变换时可不考虑能量损耗 ； 3)能使输入输出之间完全隔离 ； 4)变换中，无论从原边到副边，或副边到原边，都是一样方便有效。 因此高频变压器在隔离 DCDC 变换器中占有非常重要的地位，变压器性能的好坏直接影响到整个系统性能的好坏 [5]。 输出级电路设计 开关电源的输出整流滤波电路是出现在开关功率变压器次级回路中，如 图 中的 L2， C24， C25， C29， U3 组成的滤波电路。 图 输出级电路图 1)输出整流二极管 输出整流电路一般都为高频整流电路，整流二极管必须采用高频 19 快恢复开关二极管。 肖特基二极管不但具有高频快恢复开关二极管的特性， 而且还具有正向管压降特别低的优点，因此特别适合用做开关电源电路的输出级整流二极管 [10]。 输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，也即流过负载的电流，最大为 2OA。 根据以上的分析，同时考虑手头的元件，选用 S20C40C 肖特基二极管作为快速整流二极管， S20C40C 内置的二极管的耐压值为 40V，电流等级为 20A，金属封装 TO220。 2)输出滤波电感 输出滤波 电感中的电流是单一方 向流动的，对直流阻抗小，对交流阻抗大 ,流过磁性绕组的电流具有较大的直流分量，并且叠加一个较小的交流分量，因此磁芯的最大工作磁通密度，可取高端值，它接近饱和磁通密度。 图中的 L2 用三股直径 1mm 的漆包线绕 10 圈而成。 3)输出滤波电容 输出电容 C 的选择应满足最大输出纹波电压的要求，滤波电容的大小对输出直流电源的纹波大小有决定作用。 图中的 C24， C25 为3300UF 的极性电容， C29 为无极性 CBB 电容。 4 开关电源控制电路的设计 控制电路的设计 随着半导体技术的高速发展，适应各类 开关电源的控制集成电路功能不断完善，集成化水平不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的研制生产日益简化，成本日益降低，集成控制芯片种类繁多， 20 这里重点介绍本系统所应用的主控制芯片 电压型脉宽调整控制器TL494，电路图如图 所示。 图 TL494控制电路图 电压型脉宽调整控 制器 TL494 最高工作频率 300KHz， 可单 端输出，也可推挽输出。 它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。 TL494 有 SO16和 PDIP16 两种封装形式，以适应不同场合的要求 [10]。 其主要特性如下： 1)集成了全部的脉宽调制电路 ； 2)片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容） ； 3)内置误差放大器 ； 4)内止 5V 参考基准电压源 ； 5)可调整死区时间 ； 6)内置功率晶体管可提供 500mA 的驱动能力。 21 TL494 芯片管脚定义 TL494 是 16 脚芯片 ，它的 管脚排列如图 所示。 图 TL494管脚图 1 脚 /同相输入：误差放大器 1 同相输入端。 2 脚 /反相输 入：误差放大器 1 反相输入端。 3 脚 /补偿 /PWM 比较输入：接 RC 网络，以提高稳定性。 4 脚 /死区时间控制：输入 04VDC 电压，控制占空比在 045%之间变化。 同时该因脚也可以作为软启动端，使脉宽在启动时逐步上升到预定值。 5 脚 /CT：振荡器外接定时电 容。 6 脚 /RT：振荡器外接定时电 阻。 振荡频率： f=。 7 脚 /GND：电源地。 8 脚 /C1：输出 1 集电。