多路输出开关电源毕业设计

多路输出开关电源毕业设计内容摘要：

导通时间减小， 输出电压下降，起到稳压的作用。 如果忽略电感的直流电阻，那么输 兰州理工大学毕业设计 8 出电压 Vo为调整管发射极电压 Ve的平均分量，于是在输入电压一定的时候，输出电压与占空比正比，通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值。 图 开关电源工作原理 高频开关电源的结构 图 高频开关电源的基本原理电路的框图 上图所示的通用高频开关电源框图，由以下四部分电路组成的：一是市电输入的整流滤波电路，其作用是将市电输入的交流电压 Uac 转换成纹波较小的直流电压 Udc；二是开关电源的主要组成部分，也是开关 电源的核心 DC/DC 转换器。 其作用是将市电输入经过整流滤波的直流电压 Udc,进行 PWM控制和 DC/DC 转换，得到另一种数值的直流稳定电压 U0；三是检测控制电路。 其作用是通过 R1和 R2组成的分压器检测出输出电压 U0的值 ,将 U0通过误差放大器与参考电压 UREF进行比较，得到误差电压 Uea，将 Uea通过脉宽调制器 PWM 与锯齿比电压进行比较，得到 PWM 矩形波脉冲，此脉冲列通过驱动器并以负反馈的方式，对 DC/DC 转换器进 兰州理工大学毕业设计 9 行 PWM 控制，并将 Udc转换成另一种数值的直流稳定电压 U0，达到稳定输出电压的目的；四是开关电源 保护电路，其作用是保护开关电源安全稳定的工作。 兰州理工大学毕业设计 10 第三章 主电路设计 . 滤除干扰电路 开关电源电磁干扰的产生机理 开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。 现在按噪声干扰源来分别说明二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于 PN 结中有较多的载流子积累，因而在载流子 消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。 （ 1）开关管工作时产生的谐波干扰： 功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。 输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。 当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。 另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。 （ 2）交流输入回路产生的干扰： 无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡，产生干扰。 开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰 能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。 这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。 （ 3）其他原因： 元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（ PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性， PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成 EMI 干扰。 抑制干扰的几种措施：形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。 因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。 首先应该 抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。 本次设计采用的抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道。 使用的方法是屏蔽、接地和滤波。 兰州理工大学毕业设计 11 ① 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。 功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。 器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的 底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，切断了射频扰向输入电网传播的途径。 ② 电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。 例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。 电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电 位。 因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。 在电路系统设计中遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声，实际上很难实现 “一点接地”。 因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面 (底板或多层印制板电路的导电平面层等 )作为 参考 地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。 为进一步减小接地回路的压降， 可用旁路电容减少返回电流的幅值。 在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。 ③ 滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。 在电源输入端接上滤波器，可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本 身的侵害。 在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。 恰当地设计或选择滤波器 ,并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。 EMI 滤波技术是一种抑制尖脉冲干 扰的有效措施，可以滤除多种原因产生的传导干扰。 滤除电磁干扰电路设计 电源噪声是电磁干扰（ EMI）的一种，它属于射频干扰（ RFI），其传导噪声的频谱大致分为 10kHz~30MHz,最高可达 15MHz。 根据传播的方向不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引进的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经由电源线传导出去的噪声。 这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。 若从形成特点上看，噪声干扰分串模干扰和共模 兰州理工大学毕业设计 12 干扰两种。 串模干扰时两条电源线之间（简称线 对线）的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。 因此，电源干扰滤波器应符合电磁兼容性（ EMC）的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出的噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。 此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。 电磁干扰滤波器的基本电路如下图所示，该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。 电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感） L、滤 波电容 C1C4。 L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的的磁通方向相同，经过耦合后总电感两迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。 它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。 当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强。 L的电感量与 EMI 滤波器的额定电流 I有关，参见表。 需要指出，当额定电流较大时，共模厄流的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。 此外，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。 C1 和 C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是 ，主要用来滤除除串模干扰。 C3 和 C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效抑制共模干扰。 C3 和 C4 的容量范围是，电容量不宜超过。 C1C4 的耐压值均为630VDC 或 250VAC. 图 电磁干扰滤波器的基本电路 其中电感选择时，其与额定电流的关系如下表所示： 表 1 电感量范围与额定电 流关系 额定电流 I 1 3 6 10 12 15 电感量范围L 823 24 兰州理工大学毕业设计 13 图 所示的是一种两级复合式 EMI 滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳，针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态脉冲干扰的问题，最近国内外还开发出群脉冲滤波器（亦称群脉冲对抗器），能对上述干扰起到抑制作用。 图 两基复合式 EMI 滤波器电路 电磁干扰的主要技术参数有：额定电压、额定电流、漏电流，测试电压，绝缘电阻，直流电阻，使用温度范围，工作温升（ Tr），插入损耗（ AdB），外型尺寸，重量。 上述参数中最重要的是插入损耗（亦称插入衰减），它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。 插入损耗（ AdB）是频率的函数，用 dB 表示。 设电磁干扰滤波器插入前后传输到负载上噪声功率分别为 P P2，有公式 AdB =10lg P1/ P2 假定负载阻抗在插入前后始终的保持不变，则 P1 =U12/Z P2 =U22/Z 式中是噪声源直接加到负载上的电压，是噪声源与负载之间插入电磁干扰滤波器后负载上的噪声电压，且 U2＜＜ U1。 代入式中得到 AdB =20lgU1/U2 插入损耗用分贝（ dB）表示，分贝值愈大，说明抑制噪声干扰的能力越强。 鉴于理论计算比较繁琐且误差较大，通常由生产厂家进行实际测量，根据噪声频谱点测出所对应的插入损耗，然后绘制出典型的插入损耗曲线，向用户提供。 计算电磁干扰滤波器对地漏电流的公式为 ILD=2π fCUC 式中 ILD为漏电流， f是电网频率。 在设计中 f=50Hz,C= C3 + C4=4400pF, Uc是 U U4上的压降，亦即输出端对地电压，可取 Uc ≈ 220V/2=110V。 由式不难算出，此时漏电流 ILD=. C3 和 C4若选 4700pF,则 C=4700pF 2=9400Pf, ILD=。 兰州理工大学毕业设计 14 显然，漏电流与 C 成正比。 对漏电流的要求是愈小愈好，这样安全性高，一般应为几百微安至几毫安。 在电子医疗设备中对漏电流的要求更为严格。 （ EMP）电路的设计 电磁脉冲 EMP 的设计主要是考虑浪涌保护的设计。 浪涌保护主要是指防雷保护，就是在极短时间内释放掉设 备上因感应雷击而产生的大量脉冲能量到安全地线上，从而保护了整个设备。 目前浪涌保护一般采用压敏电阻、稳压二极管和气体放电管三种保护方法。 对于保护方法的基本要求是反应速度快，保证受保护电路的两端在抑制器起作用之前不出现快速上升的瞬时峰值电压，确保运行设备的安全。 浪涌的三种保护方法的工作原理如下。 气体放电管一般由两种金属导体组成，并以 1015cm 的距离隔开，管内含大量气体，当放电管两端电压上升到一定程度时，击穿隔离层，形成低阻抗，使得大量的能量通过放电管泻放到安全地线上，其缺点是易引起泄露，增加损耗。 稳压二 极管主要是利用二极管的雪崩现象，将瞬态高压钳位于稳压管的范围内，其缺点是承受的瞬态浪涌功率有限，如果采用较大的稳压管则价格昂贵，而且需要较大的散热器，压敏电阻是可变电阻器，其反应时间取决于器件的物理结构和通过它的电流脉冲波形，压敏电阻的反应时间一般在 500us 之内。 压敏敏电阻的优点有三个：①能抗大能量的瞬态冲击；②它的 PN 结构不同于稳压管，因此它的损耗小；③耐浪涌性能好。 有上述比较我们可以在设计中选择压敏电阻，在输入电路中并联一只氧化锌压敏电阻。 当电网出现瞬时尖峰脉冲时，压敏元件可以进行削波钳位。 如果过压情况比较严重，压敏电阻则会击穿导通这时将保险丝烧毁，使开关电源得到保护。 只要输入电源电压低于压敏电阻的压敏电压值，压敏电阻则呈现高组态。 由此可见，压敏电阻的压敏电压值必需高于最高交流输入电压的峰值，并且还考虑到保险系数（ K=）。 对于 220V 的工频输入电压，通常选用压敏电压为 380420V的压敏电阻，大多选用 420V 的压敏电阻。 对电磁脉冲 EMP 的抑制主要是根据 规定，将浪涌电流抑制在 6kV，来考虑的防雷击保护，估计在80%以上的区域都可以得到有效的 EMP 保护。 （ EMC）的设计 电子、电器产品电磁兼容性的设计目的，是使产品在预期的电磁环境中能正常工作，无性能降低或故障，并具有对电磁环境中的任何电子、电器设备不构成电磁干扰的能力。 通常将系统内电磁兼容设计分为五部分：有源器件的选用、布线、接地、屏蔽及滤波。 兰州理工大学毕业设计 15 ．整流、滤波电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。 完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 220V 的交流电压经过EMI 滤波器消除高次谐波，再通过整流桥和电容滤波输出较为平整的直流电。 电容滤波的单相不 可控整流电路，在空载时， R=∞，放电时间常熟为无穷大，输出电压最大， Ud= 2 U2 表 2 整流。