1、根据自己所学专业和对电子产品的好奇，结合自身条件，自做一手机充电器，一来可以提高自己动手能力，二来可以自己用，三还可以满足自己的好奇心，可谓一举三得。1.2.2 研究目标与内容中小功率开关电源以其诸多优良的性能，在测控仪器仪表、通信设备、学习与娱乐等诸多电子产品中得到广泛的应用。随着环境和能源问题日益突出，人们对电子产品的环保要求不断提高，对电子产品的能源效率更加关注。设计无污染、低功耗、高效率的绿色模式电源已成为开关电源技术研究的热点，电池充电器就是其中一种。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，
2、充电器具有广泛的应用前景。它不但设计巧妙，还功能强大深受人们的喜爱。本次设计主要是将220V的交流电转换为1.5V的适合5号和7号电池的电压，其中要用到半波整流电路，将交流电中的直流成分加大，再用电容器将交流成分虑掉，经过变压和一系列变换，最终转换成适合手机电池的电压，综合起来就是由一个稳定电源。2 电池充电器设计方案2.1内容摘要了解电池充电器的简单工作原理以及各原件的特性与作用；通过动脑与动手行动来完成充电器的设计与制作；接通电源检测与调试电路。2.2设计要求输入电压为220V交流电，输出为1.5V直流电。2.3制作目的加强自己的动手、动脑，以及收集资料的能力，掌握线性电源充电器的工作原理
3、，同时也对开关电源作一定的了解。2.4总体方案的选择与论证本次的设计我做的是电池充电器，之所以选择这个题目是因为其制作原理相对简单之余也需要懂得相关的知识才能完成，适合我自己。这次的电池充电器题目中我也有两个小的项目可供选择：线性电源：相对于开关电源，线性电源的制作比较简单、原理明了，适合我们制作，但它有体积大、消耗高、效率低等缺点。开关电源：对于市面上大多充电器的设计都为开关电源的，选择它主要原因是应为其需要的技术含量相对较高，原理相对复杂，但是它具有高效率、低耗能、体积小且相对稳定的特性。3 开关电源的设计基础开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方
4、便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。3.1 开关电源的概念和分类电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。3.1.1开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；
5、DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成，如图3-1所示。 图3-1 开关电源工作原理
6、框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因素的直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电
7、路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=。断开时间所占T的比例称为断开占空比（D），开关周期是开关频率的倒数，例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期（微秒）。很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电
8、压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：（1） 节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的
9、“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。（2） 体积小，重量轻。据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350cm3，而100W的开关电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。（3） 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。（4） 改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。（5） 根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。3.1.2开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开
10、关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关在接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电
11、源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关
12、导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变
13、压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Converter）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push
14、 Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6种。按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。3.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展3.2.1开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：（1） 器件问题。
15、电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。（2） 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。（3） 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。（4） 软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作
16、，目前还存在很大的差距。（5） 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。3.2.2开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或
17、拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。3.3 开关电源的控制方式目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制方式，很少见到混合调制方式。脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利用电压、频率转换器（例如压控振荡器VCO）改变频率。稳压原理是：当输出电压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周
18、期变长，使占空比减小，输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可以不接假负载，详见图3-2所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调节方式应用得不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂，集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能做到很低。（a） PWM控制方式 （b） PFM控制方式图3-2 PWM、PFM控制方式和波形图3.3.1脉宽调制的基本原理开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解
19、。220V交流输入电压经过整流（BR）滤波后变为脉动直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图3-3所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大，然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压V0下降时，与基准电压比较的差值增加，经发达后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管VD整流和电容C2滤波后，输出电压上升，反之亦然。图3-3 脉宽调制的原理图3.3.2脉冲频
20、率调制的基本原理脉冲频率调制的过程是这样的：如图3-4所示，从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大，放大后的电压与5V基准电压进行比较，输出误差电压Vr，并以此电压作为控制电压来调制VCO的震荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动MOS开关管，最后经高频变压器TR和整流滤波获得稳定的输出电压V0。假设由于某种原因而使V0上升或负载阻抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：V0VrfV0。该循环的结果是输出电压V0趋于稳定，反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为，脉冲宽度为m，脉冲频率为f，则有V0=当确定后，通过调制VCO的震荡频率就可以调节输出电压V
21、0，并实现稳定输出。需要指出的是：a、b、c是压控振荡器外围元件连接端，它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D端为锯齿波电压输入端，由它改变定时器的定时时间。图3-4 脉冲频率调制的基本原理3.5 谐振式电源与软开关技术3.5.1谐振式电源的基本原理谐振式电源是新型开关电源的发展方向。它利用谐振电路产生正弦波，在正弦波过零时切换开关管，从而大大提高了开关管的控制能力，并减小了电源体积。同时，也使得电源谐波成分大为降低。另外，电源频率得到大幅度提高。PWM一般只能达到几百K，但谐振开关电源可以达到1M以上。普通传统的开关电源功率因数在0.4-0.7，谐振式电源结合功率因数校正技术，功率因数
22、可以达到0.95以上，甚至接近于1。从而大大抑制了对电网的污染。这种开关电源又分为： ZCS零电流开关。开关管在零电流时关断。 ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。下面是这两种开关的简单原理图。图3-16 电流谐振式开关电路和电压谐振式开关电路ZCS电流谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路通过Lr的谐振电流通过S，我们可以控制开关在电流过零时进行切换。这个谐振电路的电流是正弦波，而Us为矩形波电压。ZVS电压谐振开关中，Lr、Cr构成的谐振电路的Cr端谐振电压并联到S，我们可以控制开关在电压过零时进行切换。
23、这个谐振电路的电压是正弦波，而Is接近矩形波。以上两种电路，由于开关切换时，电流、电压重叠区很小，所以切换功率也很小。以上开关电源是半波的，当然也可以设计成全波的。所以又有半波谐振开关和全波谐振开关的区分。3.5.2谐振开关的动态过程分析实际上，谐振开关中的所谓“谐振”并不是真正理论上的谐振，而是L、C电路在送电瞬间产生的一个阻尼振荡过程。下面，我们对这个过程做一些分析，以了解谐振开关的工作原理。（1） 零电流开关实际的零电流开关谐振部分拓补又分L型和M型。如下面两组图形所示图3-17 L型零电流谐振开关（中半波，右全波）图3-18 M型零电流谐振开关（中半波，右全波）这里的L1用于限制di/
24、dt，C1用于传输能量，在开关导通时，构成串联谐振。用零电流开关替代PWM电路的半导体开关，可以组成谐振式变换器电路。按照Buck电路的拓扑结果，可以得到如下电路：图3-19 Buck型准谐振ZCS变换器（L型）图3-20 Buck型准谐振ZCS变换器（M型）这里，我们分析一下L型电路的工作过程。假定这是一个理想器件组成的电源。L2远大于L1，从L2左侧看，可以认为流过L2、C2、RL的输出电流是一个恒流源，电流I0。谐振角频率： （3-9）特性阻抗： （3-10）动态过程如下： 线性阶段（）：在S导通前，VD2处于续流阶段。此时S导通时，L1电流由0开始上升，由于续流没有结束，此时初始由，且
25、L1初始电流为0，有： （3-11）到t1时刻，达到负载电流I0，因此：此阶段持续时间： （3-12）可以看出，此阶段是时间的线性函数。 谐振阶段（在电流i1上升期间，当时，由于无法供应恒流，续流过程将维持。时，将以对C1充电，VD2开始承受正压，VD2电流下降并截止。L1、C1开始串联谐振，因谐振继续上升。 （3-13） （3-14）因而： （3-15）其中，为谐振电流。 （3-16）谐振到时刻，谐振电流归零。如为半波开关，则开关自行关断；如果是全波开关，开关关断后，将通过VD1进行阻尼振荡，将电容能量馈送回电源，到时刻电流第二次为0。本阶段结束，这时的时刻为t2。VC1在i1谐振半个周期，
26、时，达最大值。第一次过零（）时，S断开。如为半波开关，则谐振阶段结束。如为全波开关，C1经半个周期的阻尼振荡到电流为0（）时，将放电到一个较小值。可以看出谐振阶段前，、是时间的正弦函数；如为全波开关，还有一段时间的阻尼振荡波。 恢复阶段（由于VC1滞后1/4个谐振周期，因而在t2后，因L2的作用还将继续向负载放电，直至=0。这阶段，如考虑电流方向性： （3-17）故： （3-18）因此，这个阶段的是时间的线性函数，电压从逐步下降到零。如为半波开关，则开关分压也将线性上升到输入电源值。 续流阶段（当电容放电到零后，VD2因反压消失而导通，对L2及负载进行续流，以保持电流I0连续。此时，我们根据电路的要求，选择在适当时间再次开通S，重新开始线性阶段。根据以上导出的各公式，可以得到如下的波形图：图3-21 半波ZCS开关波形与全波ZCS开关波形从以上分析可以看出，ZCS谐振开关变换器的开关管总是在电流为0时进行切换。实际情况与理想分析有所不同，将有所超前。
