1、第一章 开关电源概述1.1开关电源简介开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。目前,开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域
2、,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外,开关电源的发展与应用在安防监控,节约能源、节约资源及保护环境方面都具
3、有重要的意义。1.2开关电源的原理和组成特点1.2.1开关电源的原理(1)一般的开关电源电路包括整流滤波电路、高频变换电路、控制电路(pwm/pfm)、保护电路等模块。如图1-1所示:图1-1 开关电源基本原理工作框图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的
4、。1.2.2开关电源组成特点开关电源大致可由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成,四种电路介绍如下:1、主电路冲击电流限幅:限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器:其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。3、
5、检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4、辅助电源实现电源的软件(远程)启动,为保护电路和控制电路(PWM等芯片)工作供电。1.3开关电源应用及发展前景1.3.1开关电源应用随着电力电子技术的发展,特别是大功率MOS 管技术的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到150200 kHz,这使得功率损耗更小,电源的效率可达90%95%。用高频变压器取代工频变压器可大大减小体积,降低重量; 同时输出电压纹波降低到0.05%以内,稳定度可达0.5%1%,抗干扰能力强而且智能化程度高,因为这些优良的特性,高功率开关电源主要应用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉
6、冲功率技术应用领域中,电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上,体积和重量只有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要应用于家电、IT 等领域,如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。下面简要介绍几种相关电源:1.通信电源通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流- 直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V 的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代
7、,它通过MOSFET 或IGBT 的高频工作,开关频率一般控制在50100kHz 范围内,实现了高效率和小型化。近几年,一次电源的功率容量不断扩大,单机容量已从48V/12.5A 扩大到48V/200A、48V/400A。通信设备计算速度的不断提高,使得时钟频率不断提高,所用集成电路的种类繁多,其电源电压要求也各不相同,通常超过10 种,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC- DC 隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V 直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,
8、通信电源容量也将不断增加。2.高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流- 直流- 交流- 直流(AC- DCAC-DC)变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题,也是用户最关心的问题
9、。采用微处理器作为脉冲宽度调制( PWM) 的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压6075V,电流调节范围5300A,重量29kg。3.大功率开关型高压直流开关电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等大型设备。电压高达50l59kV,电流达到0.5A 以上,功率可达100kW。自从上个世纪70 年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz 左右的中频
10、,然后升压。进入80 年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz 以上,并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。4.电力操作电源在上个世纪90 年代之前,电力操作电源几乎全部选用相控电源,即采用可控硅整流充电设备,由于可控硅整流在纹
11、波、效率、体积等方面不尽人意,监控系统也不够完善,尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控,对直流系统的性能和可靠性要求更高,因此90 年代之后更新换代为开关电源。变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的,它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。它的性能优劣直接关系到变电所的正常安全供电,进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后,输出电压精度高,其输出纹波系数从2%提高到0.1%,电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%,能够保证对蓄电池的平稳充放电,延长了电池使用寿命。由于采用模块化结构和N+1 备份方式,可根据实际负载容量的大小,选择合适的整流模块数量。当1
12、 台电源故障时,只需将该模块退出检修,而其它模块仍可继续运行,在保证系统充电容量的前提下,为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统,其备件需要1 个同样大小的硅整流模块,而改用高频开关后,只需备12 个高频开关单元就可以了,减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于0.9,而常规整流功率因数仅为0.7 左右,对同样的负载,采用高频开关模块可节省输入功率30%。1.3.2开关电源发展前景开关电源的发展方向是频率更高、体积更小、电压更低、电流密度更大、效率更高。随着电力电子器件开关频率的不断提高,使得开关电源的频率进一步提高,小功率DCDC 变换器的开关频率已将现
13、在的200500kHz 提高到1MHz 以上。频率的提高使体积进一步缩小,开关电源在封装结构上正朝着薄型,甚至超薄型方向发展,目前薄型封装尺寸已可达到7.5mm、8.5mm 和10 mm。半导体工艺等级在未来十年将从0.18 微米向50 纳米工艺迈进,芯片所需最低电压最终将为0.6V,但输出电流将朝着大电流方向发展。1991 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W,现在输出功率每立方英寸可达数百瓦。日本TDK 公司的分布式隔离型DCDC 转换器,输出电压12V、输出电流27A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸236W。而各种软开关技术的应用及用MOSFET 代替整流二极管都能大大地提
14、高模块在低输出电压时的效率,即将达到92% (5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。总体来讲可概括为五个方面:1、高频化技术随着开关频率的提高,开关变换器的体积也随之减少,功率密度也得到大幅提升,动态响应得到改善。小功率DC/DC变换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的不断提高,开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI等新的问题也将随之产生。 2、数字化技术在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作。目前,在整个的电子模拟电路系统中,电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化,而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来,数字电源的
15、研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。 3、软开关技术为提高变换器的变换效率,各种软开关技术应用而生,具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术,主要包括零电压开关/零电流开关(ZVS/ZCS)谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术(ZVS/ZCS-PWM)以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制(ZVT/ZCT-PWM)技术等。采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力,有助于变换器变换效率的提高。4、功率因数校正技术(PFC)由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流
16、输入端)功率因数仅为0.60.65。采用PFC(功率因数校正)变换器,网侧功率因数可提高到0.950.99,输入电流THD小于20%。既治理了电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC单相,APFC国内外开发较早,技术已较成熟。目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两大类,采用PFC技术可以提高AC/DC变化器输入端功率因数,减少对电网的谐波污染,但还有待继续研究发展。5、模块化技术模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。近年来,有些公司把开关电源的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM
17、),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流、毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。第二章 开关电源设计方案2.1变换器设计方案论证2.1.1单端反激式开关电源变换器单
18、端反激式电源变换器如图图2-1所示。图2-1 单端反激式开关电源变换器电路(1)工作原理:图中Ui是市电AC经过整流滤波后的直流电,反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感,当开关管VT1 导通时,高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出,由于开关频率很高,使得输出电压,即滤波电容两端的电压基本维持恒定,从而实现稳压的目的。(2)特点:电路结构简单,成本低,低耗,输出功率为20100,可以同时输出不同的电压,有较好的电压
19、调整率,但是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。2.1.2单端正激式开关电源变换器电路:单端正激式变换器电路如图2-2所示:图2-2 单端正激式开关电源变换器电路当开关管VT1导通时,原边绕组接向电源Ui,以同名的工作关系,VD2也导通,这时复变绕组能量传递到输出端,同时滤波电感储存能量;当开关管VT1截止时,电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量,继续对负载RL供电。注:由于正激变换器的隔离元件T1纯粹是个变压器,因此输出端要加一个电感器L作为能量的储藏及传递元件。变压器的另一个绕组与VD1串联后接到Ui,主要起去磁复位的作用。输出功率范围大,可输出50200 的功率,
20、但变压器结构复杂,体积较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。2.1.3 自激式开关电源变换器电路自激式开关稳压电源变换器如图2-4所示:图2-4 自激式开关电源变换器电路当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器初级绕组中的储能释放给
21、负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压。自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。2.1.4 推挽式开关变换器推挽式开关电源变换器电路如图2-5所示:图2-5 推挽式开关电源变换器两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。两
22、个开关管容易驱动,但是开关管的耐压达到两倍电压峰值,对器件的耐压要求较高。2.1.5半桥式开关电源变换器半桥式开关电源变换器原理图如图六所示:图2-6 半桥式开关电源变换器工作原理:稳态条件下,C1=C2,Tr1导通,C1上的1/2Vs加在原边线圈上,Tr1流过负载电流Io折算至原边电流加上磁化电流,经过占空比所定的时间后,Tr1关断。此时,由于原边绕组和漏电感的作用,电流续流流入原边绕组黑点标示端。但B点摆动到负电位(A为0电位)。如果原边绕组漏电感储存能量足够大,二极管D4将导通,钳位电压进一步变负。D4导通的过程,把反激能量再生,对C2进行充电。如果Tr2加有导通脉冲,Tr2导通,原边绕
23、组黑点处变为负。Io折算电流加上磁化电流,经原边绕组和Tr2,然后重复以前的过程。当Tr1导通时,副边绕组电压使D1导通,电流通过二极管D1、电感L、负载R构成回路,当Tr1关断,两个绕组电压变为零。Tr2导通时,D2导通,负载上的电流与电压方向没有发生改变,由此形成的方波电压,经过D和C3构成的滤波环节产生稳定的输出电压Vo。特点:晶闸管导通时,绕组电压为电源电压一半,关闭后开关管承受一半的电压,但会出现偏磁现象,控制较为复杂。同时,因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半,与推挽式电路相比,欲输出相同的功率,则开关晶体管必须流过2倍的电流。2.2方案的设计选择2.2.1电源设计指标
24、本设计电源设计参数如下:输入电压:AC220V;输入电压变化的范围:120v240v;输入频率:50HZ;输出电压:24v;输出电流:5A;输出效率按80%计算;2.2.2电源设计方案选择综合以上开关电源变换器的拓扑结构和特点可知:单端正激开关电源由于变压器结构复杂,绕制方法困难,并且变压器体积较大,每组输出都需要额外加一个大的电感组成LC滤波来消除纹波,在开关电源设计中很少运用,所以本次设计不采用该拓扑结构。自激式开光电源结构复杂,但是设计过程中涉及自激振荡电路,脉冲宽度调制的控制系统,取样系统等,电路参数难易确定。推挽式开关电源两个开关器件需要很高的耐压,其耐压必须大于工作电压的两倍。因此
25、,推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。而半桥式变换器虽然初级绕组只用一个,结构简单,但是两个开关管可能会出现同时导通的状态,并且电源利用率比较低,这里也不选用此变换器。又根据电源设计指标可得:输出功率:P=U*I=24V*5A=120W;(0150w)属于小型开关电源类型,这里选择单端反激式拓扑结构,主电路结构简单,易控制,采用UC3842做主回路的主控芯片产生PWM控制开关管。由于开关电源的体积的大小很大一部分取决于开关频率,开关频率越大,所用的电容和变压器体积越小,UC3842的开关频率选择100k。由于此次设计电路元件不完全是按照计算出的数据,电路保护模块添加单片机AD模块,检测保护电路电压,反馈主控芯片或直接将掉电、报警等保护方式。第三章 开关电源系统设计3.1 开关电源主电路设计3.1.1输入滤波电路的设计随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现,电磁干扰成为一种公害,这种干扰可能导致电子设备无法正常工作,特别是瞬间电磁干扰,其电压幅度高、上升速率快、持续时间短、随机性强容易对数字电路产生严重干扰,这引起国内外电子界的高度重视。(1)电
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