开关稳压电源Word下载.docx
《开关稳压电源Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关稳压电源Word下载.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（1）了解开关直流稳压电源的优点。
（2）知道开关直流稳压电源的三种不同方式的分类。
（3）理解开关直流稳压电源的基本电路组成及工作原理。
（4）理解直流稳压电路的基本工作原理——调节占空比稳压。
（5通过开关直流稳压电源的工作原理分析，培养分析问题的能力。
（6通过开关直流稳压电源的工作原理分析，使明确理论知识来源于实际，并能在实际中发挥指导作用的辩证法教育。
1.2开关稳压电源的简介
1.3元器件的选用
2.1设计要求及技术指标
设计一开关型直流稳压电源，设计要求及技术指标如下：
1）输入交流电压220V。
2）输入交流电压在180~250V之间变化时，输出电压相对变化量小于2%。
3）频率在50~60Hz，这样不会影响开关稳压电源的特性。
4）输入电压瞬时下降或瞬时断电
在输入电压瞬时下降或瞬时断电时，在额定输出电压和电流条件下的输入电压定义为额定输入电压。
一个正常工作的开关稳压电源，其输出电压一直保持在电压精度范围内，此时瞬时出现跌落的输入电压及其维持时间称为输入下陷。
瞬时断电的规定为10ms和20ms。
5）冲击电流
指电源刚刚接通输入电压和输出电压开始上升时流经的峰值电流，其数值一般为20~50A。
6）漏电流
其规范是为防止触电危险的发生，一般规定为0.5~1mA。
7）效率
开关稳压电源的效率定义为当输入和输出均为额定值时，其输出功率与输入有效功率的比值。
效率随输出电压，电流，功率因数和开关方式的不同而异，一般均可达到65%~80%。
效率也受输入和输出的环境条件的影响，所以应注意开关稳压电源的散热条件。
8）输出交流电压5V，输出电流3A。
9）输出电阻R0<
0.1欧姆
10）输出最大纹波电压小于10Mv。
开关稳压电源是由整流滤波电路、变换电路、开关调整管导通和截止控制电路、采样比较和放大电路、保护电路、抗干扰电路、直流输出电路等组成。
开关型稳压电源的分类方法有多种多样，按负载与储能电感的连接方式分，有串联型与并联型开关稳压电源；
三种类型开关电源工作原理分析
1.串联型开关电源
图1
串联型开关电源
220V交流经整流、C1滤波后，在C1上得到300V直流电压（市电220V是指有效值，实际上最大可达到220
=311V，故整流可得300V直流电压），该电压经L1加到开关管V的集电极。
V基极加有脉冲信号，当脉冲信号高电平加到V的基极时，V饱和导通，300V电压经L1、V的ce极对Ｃ2充电,在C2上充得上正下负的电压，充电电流在流经L1时，L1会产生左正右负电动势阻碍电流，L2上感应出左正右负电动势（同名端原因），二极管D1截止。
当脉冲信号低电平加到V基极时，V截止，无电流流过L1，L1马上产生左负右正电动势，L2上感应出左负右正电动势，D1导通，L2上电动势经D1对C2充电。
充电途径：
L2右正——>
C2——>
地——>
D1——>
L2左负，结果在C2上获得电压U0，供给负载RL。
稳压过程：
若市电电压下降会引起300V电压也下降，如果V基极脉冲宽度不变化，则在V导通时，充电电流下降（因300V电压下降），C2充电少，C2两端电压下降。
为了保证在市电电压下降的情况下，C2两端电压仍正常，可让脉冲信号变宽，V导通时间长，300V电压经V对C2充电时间长，C2两端电压回升到正常值。
2.并联型开关电源
开关管V基极加有脉冲信号，当脉冲信号高电平到来时，V饱和导通，300V电压产生电流，电流流经V的ce极、电感Ｌ1到地。
电感L1的电感量很大，电流在流经L1时，产生很高的上正下负电动势阻碍电流，同时L1储存了能量。
脉冲信号低电平到V时，V截止，无电流流过L1，L1马上产生上负下正电动势，该电动势对C2充电。
充电途径是：
L1下正
——>
地
L1上负，在C2上充得上负下正电压，该电压供给负载RL。
图2并联型开关电源
若300V电压上升，会导致C2两端电压U0上升。
这时可让加到V基极的脉冲信号宽度变窄，V导通时间短，L1流过电流时间短，储能减少，在V截止时，L1产生的上负下正电动势小，对C2充电少，C2两端电压下降，回到正常值。
2.
变压器耦合型开关电源
图3
变压器耦合型开关电源
300V
电压经L1加到开关管V的集电极，与此同时，脉冲信号加到V的基极，当脉冲信号高电平到来时，V
饱和导通，有电流流过L1，L1产生上正下负电动势阻碍电流，由于同名端的原因，L2感应出上负下正电动势，D1截止。
当脉冲信号低电平加到V
基极时，V截止，L1马上产生上负下正电动势，L2H上感应出上正下负电动势，该电动势经D1对C2充电，在C2上充得上正下负电压U0，供给后级电路。
若市电下降300V电压下降L1储能少，产生电动势低，
输出电压U0下降。
这时可让V基极脉冲变宽，V导通时间长，L1储能多，在V截止时产生的电动势高，L2感应电动势高，它对C2充电，C2两端电压上升到正常值。
从图2中可以看出，这种开关变压器有两种地，其中C1负端的地称为热地，因为该地与220V
市电只隔一个整流二极管，二极管还会导通，所以热地带电，在检修时手不要接触；
C2负端的地称为冷地，它通过变压器与电源电路隔开，故冷地不带电。
前面分析的串联型和并联型开关电源只有热地，采用这种电源电路的电视机整机都带电。
变压器耦合开关电源有热地和冷地，除电源电路外，其他电路都是冷地，故采用变压器耦合型的开关电源较安全，很多电视机都采用这种类型的开关电源。
以上的三种方案中，我选择第一种串联型开关稳压电源。
传统的线性串联型稳压电源，其调整管是连续地工作在线性放大状态；
开关稳压电源，其调整管是断续地工作在导通和截止状态。
图一（a）是一个最简单的串联开关稳压电源原理示意图，开关S代表调整元件。
图2（b）是开关接通和断开时的波形。
如果将开关S接通，则直流输入电压ui便加到负载电阻民上；
如果将开关断开，负载电阻RL上则无电压。
如果开关交替通、断，在负载上便出现如图2（b）所示的短形波。
设开关接通的持续时间为乙，开关断开的持续时间为toff，开关转换周期为T=Ton+
td，则输出电压的平均值U。
为
式中8为脉冲占空系数，它等于乙／To由此可见，改变占空系数8值，就可以调节输出电压平均值的大小。
为此有三种方法可供选择：
一是脉冲频率控制法，即保持开关导通时间乙不变，改变开关转换周期T来调节输出电压Uo；
二是脉冲宽度控制法，即保持开关转换周期T不变，改变开关导通持续时间乙来调节输出电压Uo；
三是混合法，即同时改变开关转换周期T和开关导通持续时间乙，以调节输出电压Uo，便输出电压保持稳定。
图2是一种简单的串联开关型稳压电源的原理图。
图中耵，、W2为复合开关调整管，它们同时与W3管组成一种特殊的多谐振荡器，在W3管截止时复合管饱和导通，
W3管饱和时调整管截止。
储能元件L、q、
C，和续流二极管Ⅷ组成平滑滤波器。
VT4是误差放大管，稳压管Ⅷw和电阻B5组成的参数稳压器提供基准电压，电阻凡、凡和电位器R7串联组成取样电路。
由于晶体管W3的集电极、发射极分别与复合管Wl、W2的基极、发射极并联，当
VT3饱和导通时调整管截止，其集电极为低电位。
此时将有一部分电流通过VT3的发射结向电容器C，充电，同时形成Iu，C，的下端为正，上端为负。
VT3的基极与C1的下端相连，因此W3基极的电位随C1下端电位的升高而升高。
当C1下端电位升高到一定程度时，W3管便截止。
与此同时复合调整管转入饱和导通状态。
电容器C，便通过凡和误差放大管W4放电，放电的时间长短与误差放大管的基极电压有关，基极电压越低放电时间越长。
当C1放电使VT3基极电位降低到一定程度时，VT3又进入饱和导通状态，调整管也立即转入截止状态。
如此循环下去，便形成自激振荡。
当输出电压因某种原因降低时，取样电阻凡、R，和Bo上的电压也下降，经分压加到
W4基极的电位也降低，使误差放大器yr4的集电极电流Io减小，C1放电变慢，加长了
VT3管的截止时间，延长了调整管的饱和导通时间，因而使输出电压U。
上升。
当U。
上升时，Ub04上升，L增大，C：
放电加快，缩短了调整管的导通时间，使输出电压降低。
从而调整了输出电压使之保持稳定。
∙2007-1-22
由储能元件L、C2、C3和续流二极管Ⅷ组成的滤波器的作用，是将调整管经过开关调节的脉冲电压变成平滑的直流电压输出。
当调整管饱和导通时，续流二极管由于反偏而截止，此时调整管集电极电流通过L、C2、
C3滤波器对负载供电，同时l、C2、C3自身储存一定的能量。
当开关调整管截止时，它的集电极输出电流为零，储能电感L上的感应电热极性为左臼右①，续流二极管处于正偏状态而导通，电感L中储存的能量便通过续流二极管Ⅷ对负载继续供电。
当电感电流
i1小于输出电流Io时，不足的部分由滤波电容对负载放电补充因而负载可获得连续的平滑直流。
图三是续流二极管Ⅷ反向电压U腑、电感L两端的电压UL、电感中的电流iL和输出电压U。
的波形图。
这里需要指出，如果在一个转换周斯中输入电压Ui和输出电压U。
不变，则通过电感l的电流是线性升或线性下降的，形成如图©
所示的锯齿波电流，这个电流的平均值就是负载电流Io。
输出电压由于有L、C的能量交换作用，因而有如图
（d）那样较小的波动。
综上所述，简单的串联开关稳压电源可用图图四框图表示。
它和普通串联反馈型稳压电源一样，都有连续工作的取样电路、误差放大器和基准电压。
所不同的是调整管工作在开头关状态，并且增加了脉冲发生器、L、C脉冲滤波器和续流二极管。
3.1单元电路的设计
1）．DC/DC变换器
从图四可看出，串联型开关稳压电源主要部分是开关管，它与高频变压器，滤波电路一起构成DC/DC变换器，这是开关稳压电源的核心部分。
DC/DC变换电路就是将直流电压变换成固定的或可调的直流电压。
2）．电流检测电路
在电流环的控制电路中,电流放大器通常选择较大的增益,其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压,而检测电阻小损耗也小。
电流检测电路的实现方法主要有两类：
电阻检测（resistivesensing）和电流互感器（currentsensetransformer）检测。
电阻检测有两种,如图1、图2所示。
当使用图1直接检测开关管的电流时还必须在检测电阻RS旁并联一个小RC滤波电路,如图3所示。
因为当开关管断开时集电极电容放电,在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰,此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定,从而使PWM电路出错。
但是在实际电路设计时,特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想,因为检测电阻损耗大,达数瓦,甚至十几瓦;
而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。
实际上在大功率电路中实用的是电流互感器检测,
如图4所示。
电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽,电流互感器还提供了电气隔离,并且检测电流小损耗也小,检测电阻可选用稍大的值,如一二十欧的电阻。
电流互感器将整个瞬态电流,包括直流分量耦合到副边的检测电阻上进行测量,但同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位,尤其在平均电流模式控制中,电流互感器检测更加适用,因为平均电流模式控制中被检测的脉冲电流在每个开关周期中都回零。
为了使电流互感器完全地磁复位,就需要给磁芯提供大小相等方向相反的伏秒积。
在多数控制电路拓扑中,电流过零时占空比接近100％,所以电流过零时磁复位时间在开关周期中只占很小的比例。
要在很短的时间内复位磁芯,常需在电流互感器上加一个很大的反向偏压,所以在设计电流互感器电路时应使用高耐压的二极管耦合在电流互感器副边和检测电阻之间电流检测在电流控制中起着重要的作用,电流检测分为电阻检测和电流互感器检测。
为了减少损耗,常采用电流互感器检测。
在电流互感器检测电路的设计中,要充分考虑电路拓扑对检测效果的影响,综合考虑电流互感器的饱和问题和副边电流的下垂效应,以选择合适的磁芯复位电路、匝比和检测电阻。
3）．保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。
图中适用于低频小功率驱动,如果将双极型NPN与PNP三极管换成N沟道与P沟道大功率场管后就可形成高频大电流驱动器。
----图中不采用光电耦合器作信号隔离而用磁环变压器耦合方波信号,简单而且不存在光电耦合器的上升下降波沿,光电管速度不可能过快,变压器传输可获得陡直上升下降波沿,几乎没有传输延时。
使用高频大功率的MOSFET驱动器,无论使用何种器件（VMOS或IGBT）,都能获得很好的效果。
----本电路驱动速度快,过流保护动作关断快,是比较理想的驱动保护二合一实用电路。
4）．PWM控制电路的基本构成和原理
PWM控制电路由以下几部分组成：
①基准电压稳压器，提供一个供输出电压进行比较的稳定电压和一个内部IC电路的电源；
②振荡器，为PWM比较器提供一各锯齿波和与该锯齿波同步的驱动脉冲控制电路的输出；
③误差放大器，使电源输出电压与基准电压进行比较；
④以正确的时序使输出开关管导通的脉冲倒相电路。
这里我们选用TL494
（1）脉宽调制组件TL494
TL494的输出三极管可接成共发射极及射极跟随器两种方式，因而可以选择双端推挽输出或单端输出方式，在推挽输出方式时，它的两路驱动脉冲相差180度，而在单端方式时，其两路驱动脉冲为同频同相。
TL494的内部功能框图如图1所示。
（2）其引脚功能如下：
1、2脚分别为误差比较放大器的同相输入端和反相输入端。
3脚为控制比较放大器和误差比较放大器的公共输出端，输出时表现为或输出控制特性，也就是就在两个放大器中，输出幅度大者起作用。
当3脚的电平变高时，TL494送出的驱动脉冲宽度变窄，当3脚电平低时，驱动脉冲宽度变宽4脚为死区电平控制端，从4脚加入死区控制电压可对驱动脉冲的最大宽度进行控制，使其不超过180度，这样可以保护开关电源电路中的三极管。
5、6脚分别用于外接振荡电阻和电容。
7脚为接地端。
8、9脚和11、12脚分别为TL494内容末级两个输出三极管的集电极和发射极。
12脚为电源供电端。
13脚为功能控制端。
14脚为内部5V基准电压输出端。
15、16脚分别为控制比较放大器的反相输入端和同相输入端。
五．参数性能指标及测试方法
1．
描述输入电压影响输出电压的几个指标形式。
1）．
绝对稳压系数。
A．绝对稳压系数：
表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量△U0与输入电网变化量△Ui之比。
既：
K=△U0/△Ui。
B．
相对稳压系数：
表示负载不变时，稳压器输出直流电压Uo的相对变化量△Uo与输出电网Ui的相对变化量△Ui之比。
急：
S=△Uo/Uo
/
△Ui/Ui
2）.
电网调整率。
它表示输入电网电压由额定值变化+-10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。
3）.
电压稳定度。
负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化△Uo/Uo（百分值），称为稳压器的电压稳定度。
2．
负载对输出电压影响的几种指标形式。
负载调整率（也称电流调整率）。
在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。
2）．
输出电阻（也称等效内阻或内阻）。
在额定电网电压下，由于负载电流变化△IL引起输出电压变化△Uo，则输出电阻为
Ro=|△Uo/△IL|
欧。
3．
纹波电压的几个指标形式。
最大纹波电压。
在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。
纹波系数Y（%）。
在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，既
y=Umrs/Uo
x100%
3）．
纹波电压抑制比。
在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输出电压中的纹波电压Ui~与输出电压中的纹波电压Uo~之比，即：
纹波电压抑制比=Ui~/Uo~
。
这里声明一下：
噪声不同于纹波。
纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peak
to
peak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；
噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak
peak）值表示，一般在输出电压的1%左右。
纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak
peak）值表示，一般在输出电压的2%以下。
/P:
No
Load/Full
Load
Ta:
25
℃
3.3测试回路：
3．4说明：
3．4．1
L，N均需测。
3．4．2UL1012
R值为1K5。
TUV
R值为2K/0。
15uF。
3．4．3漏电流规格TUV：
3。
5mA,UL1012:
5mA。
4．温度测试
4.1定义：
温度测试指PSU于正常工作下，其零件或Case温度不得超出其材质规
格或规格定值。
4．2测试条件：
I/P:
Nominal
O/P:
Full
Ta
:
25℃
4．3测试方法：
4．3．1将Thermo
Coupler（TYPE
K）稳固的固定于量测的物体上
（速干、Tape或焊接方式）。
4．3．2
Thermo
Coupler于末端绞三圈后焊成一球状测试。
4．3．3我们一般用点温计测量。
4．4测试零件：
热源及易受热源影响部分
例如：
输入端子、Fuse、输入电容、输入电感、滤波电容、桥整、热
敏、突波吸收器、输出电容、输出电容、输出电感、变压器、铁芯、
绕线、散热片、大功率半导体、Case、热源零件下之P.C.B.……。
4．5零件温度限制：
4．5．1零件上有标示温度者，以标示之温度为基准。
4．5．2其他未标示温度之零件，温度不超过P.C.B.之耐温。
4．5．3电感显示个别申请安规者，温升限制65℃Max（UL1012）,75℃
Max（TUV）。
5．输入电压调节率
（Line
Regulation）,
%
5．1定义：
输入电压在额定范围内变化时，输出电压之变化率。
Vmax-Vnor
Line
Regulation（+）=------------------
Vnor
Vnor-Vmin
Regulation（-）=------------------
Vmax-Vmin
Regulation=----------------
Vnor:
输入电压为常态值，输出为满载时之输出电压。
Vmax:
输入电压变化时之最高输出电压。
Vmin:
输入电压变化时之最低输出电压。
5．2测试条件：
I/P：
Min./Nominal/Max
5.3测试回路：
5．4说明：
Regulation
亦可直接Vmax-Vnor与Vmin-Vnor之±
最大
值以mV表示，再配合Tolerance%表示。
6．负载调节率
（Load
Regulation）%
输出电流于额定范围内变化（静态）时，输出电压之变化率。
|Vminl-Vcent|
Regulation（+）=------------------×
100%
Vcent
|Vcent-VfL|
Regulation（-）=------------------×
|VminL-VfL|
Regulation（%）=----------------×
VmilL:
最小负载时之输出电压
VfL:
满载时之输出电压
Vcent:
半载时之输出电压
6．2测试条件：
Min./Half/Full
25℃
6.3测试回路：
6．4Load
Regulation亦可直接Vmin.L-Vcent与Vcent-Vmax.之±
六．电路安装与调试
直流稳压电源的调整测试
1.在直流稳压电源测试
升级会员 