陈锦鹏毕业设计论文1Word文件下载.docx
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1.7.2同步整流电路8
1.7.3二次整流电路8
2.隔离式高频开关电源9
2.1隔离式开关电源输入保护器件9
2.2隔离单端反激式变换器电路10
2.2.1单端反激式变换器电路中的开关晶体管11
2.2.2单端反激式变换器电路中的变压器绕组11
2.2.3高频变压器的初级、次级、反馈级的确定12
3.串联开关式稳压电源工作原理及框图13
3.1无工频变压器开关电源工作原理及框图14
3.1.1隔离型DC-DC变换器——自激型单端反激式DC-DC变换器15
4.总体设计说明17
4.1设计目标17
4.2总体说明17
4.3技术方案说明17
5.开关电源设计的总结20
5.1设计实验结果分析20
5.2设计实验总结21
结束语22
参考文献23
致谢24
无工频变压器开关稳压电源
摘要
无工频变压器开关稳压电源以其独有的体积小、重量轻、效率高(包括功率因数大)、输出形式多样化(主要指路数和极性)、稳压范围宽等特点已逐步取代了传统的线性稳压电源,已被应用到与电有关的各个领域,具有十分广阔的应用前景。
本文阐述了基于自激型单端反激式隔离型DC-DC变换器电路的应用——手机万能充电器。
由于手机使用可充电的电池,便需要对电池进行充电,因此手机电池充电器是一种需求量极大的日常电子消费品,该电路具有结构简单,调试容易,工作可靠等优点,适于小功率输出的场合。
由高频功率开关管和高频变压器为核心构成了自激型反激式DC-DC变换器,通过自激型自激激励电路控制功率开关管按一定的周期“开”、“关”,并且变换器是间歇工作方式,即在50HZ交流电的正半周才工作,在负半周不工作,通过整流滤波电路,可将市电220V变成约310V的直流电压、经过由高频功率开关管和高频变压器组成的逆变电路,将310V的直流电变成了高频变压器次级输出的频率较高的交流电,将此高频交流电经过高频整流滤波电路,可变成负载所需的低压直流电。
关键词:
开关电源、无工频变压器、自激型、反激式
Nofrequencytransformerswitchingpowersupply
Abstract
Nofrequencytransformerswitchingpowersupplywithitsuniquesmallsize,lightweight,highefficiency(includingpowerfactorlarge),theoutputformthediversity(numberandpolarityofthemainguiding),widevoltagerangeandsohasgradually
replacedthetraditionallinearpowersupply,hasbeenappliedtovariousfieldsandelectrical-related,haveverybroadapplicationprospects.
Inthispaper,basedonself-excitedtypesingle-endedflybackisolatedDC-DCconvertercircuitapplications-mobilephoneuniversalcharger.
Asmobilephoneuserechargeablebatteries,theyneedtochargethebattery,somobilephonebatterychargerisagreatdemandfordailyconsumerelectronics,thecircuithassimplestructureandeasytoworkandreliable,suitableforsmallpower
theoutputoftheoccasion.
Bythehigh-frequencypowerswitchandhigh-frequencytransformerasthecoreconstitutetheself-excitedflybacktypeDC-DCconverter,throughtheself-excited-typeself-excitedexcitationcontrolofpowerswitchcircuitthecyclebyacertain"
open"
"
Off"
andconverteristheintermittentwork,thatis50HZACpositivehalfweekstoworkinthenegativehalfcycleisnotworking,throughtherectifierfiltercircuitcanbeturnedintoelectricityatabout310V220VDCvoltage,afterthehigh-frequencypowerswitchand
invertercircuitcomposedofhigh-frequencytransformer,the310Vofdirectcurrentintoahigh-frequencytransformersecondaryoutputhighfrequencyAC,thishigh-frequencyalternatingcurrentthroughthehigh-frequencyrectifiercircuit,low-voltagedirectcurrentintotheloadrequired
.
KeyWords:
Switchingpowersupply、Nofrequencytransformer、self-excitedtype、flyback
前言
电源是各种电子设备的核心,现代电子、电气设备都需要电源才能工作,电源系统出故障会使整个电子设备不能正常工作,实际中,电子设备的故障约60%来自电源系统,电源系统质量的优劣和可靠性的高低直接决定着整个电子设备的质量。
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源,这种传统的稳压电源技术比较成熟,并且已经有了大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好,输出纹波电压小,使用可靠等优点,但其需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器,其内部功耗大,转换效率低,一般只有45%左右。
而开关稳压电源具有内部功率损耗小,转换效率高,体积小,重量轻,稳压范围宽,线性调整率高等特点,目前已逐步取代线性稳压电源。
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。
它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。
本文阐述了基于自激型单端反激式隔离型DC-DC变换器电路的应用——手机万能充电器电路。
它只使用了一个晶体三极管,便完成了变换工作。
可将市电220V变成约310V的直流电压、经过由高频功率开关管和高频变压器组成的逆变电路,将310V的直流电变成了高频变压器次级输出的频率较高的交流电,将此高频交流电经过高频整流滤波电路,可变成负载所需的低压直流电。
这类模拟电路的优点是结构简单,调试容易,工作可靠。
缺点是变换器的工作频率随着输出功率及输入电压的变化而变化,晶体管的集电极电流从零开始线性增长,当工作频率低时,效率较低,因此此种变换器只适合于小功率输出的场合。
且各元件参数的选取非常重要,一般先经过估算,进而由实验来确定最佳参数。
此充电器的电路主要分为两部分,以高频功率开关管Q1和高频变压器组成开关电源,六个三极管Q2~Q7组成了充电、自动检测及显示电路。
手机目前保有量极大,而且使用可充电的电池,需要对电池进行充电,故手机万能充电器需求量极大,具有较好的应用。
1.开关电源概述
1.1开关电源的发展简介
能源在每个国家中的地位都是举足轻重,关乎兴衰的,所以如何开发并合理
利用能源是一个重要的课题。
特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国,更是
如此。
我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。
能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术,这是一门结合了微电子学、电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学科,它利用功率半导体器件对电网功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理,使得电力电子装置小型化、高频化、智能化,效率和性能得以大幅度提高。
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展,特别是微处理器和半导体存储器的开发利用,孕育了电子系统的新一代产品。
显然,那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。
取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。
早在70年代,随着电子技术的不断发展,集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。
这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。
随着半导体技术的高度发展,高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。
而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础,适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生,其功能不断完善,集成化水平也不断提高,外接元件越来越少,使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化,成本也不断下降。
目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。
近年来高反压MOS大功率管的迅速发展,又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150~200kHz,其结果是使整个开关电源的体积更小,重量更轻,效率更高。
开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平,使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。
当然开关电源能被工业所接受,首先是它在体积、重量和效率上的优势。
在70年代后期,功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。
到1980年,功率在50w以上就具有竞争力了。
随着开关电源性能的改善,到80年代后期,电子设备的消耗功率在20w以上,就要考虑使用开关电源了。
过去,开关电源在小功率范围内的成本较高,但进入90年代后,其成本下降非常显著,当然这包括了功率元件,控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。
此外,能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。
开关电源技术属于电力电子技术,它运用功率变换器进行电能变换,经过变
换电能,可以满足各种对参数的要求。
这些变换包括交流到直流(AC-DC,即整流),直流到交流(DC-AC,即逆变),交流到交流(AC-AC,即变压),直流到直流(DC-DC)。
广义地说,利用半导体功率器件作为开关,将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路;
转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源(SwitchingPowerSupply)。
由于其高效节能可带来巨大经济效益,因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。
电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片,是开关电源的核心控制芯片。
电源管理芯片在90年代中后期问世,由于替换了大部分分立器件,使开关电源的整体性能得到大幅度提高,同时降低了成本,因而显示出强大的生命力。
我国开关电源起源于1970年代末期,到1980年代中期,开关电源产品开始
推广应用。
那时的开关电源产品采用的是频率为20kHz以下的PWM技术,其效
率只能达到60%~70%。
经过20多年的不断发展,新型功率器件的研发为开关电
源的高频化莫定了基础,功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工
作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。
软开关技术的出现,真正实现了
开关电源的高频化,它不仅可以减少电源的体积和重量,而且提高了开关电源的
效率。
目前,采用软开关技术的国产开关电源,其效率已达到93%。
但是,目前
我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。
开关电源的发展历史可以追溯到几十年前,可分为下列几个时期:
1.电子管稳压电源时期(1950年代)。
此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源,这种电源体积大、耗能多、效率低。
2.晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。
随着晶体管技术的发展,晶体管稳压电源得到迅速发展,电子管稳压电源逐渐被淘汰。
3.低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。
出现了晶体管自激式开关稳压电源,工作频率在20kHz以下,工作效率60%左右。
随着压控率器件的出现,促进了电源技术的极大发展,它可使兆瓦级的逆变电源设计简化,可取代需要强迫换流的晶闸管,目前仍在使用。
功率MOSFET的出现,构成了高频电力电子技术,其开关频率可达l00kHz以上,并且可并联大电流输出。
4.高性能的开关稳压电源时期(1990年代~至今)。
随着新型功率器件和脉宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。
1.2开关电源的分类
按激励方式划分:
1)它激式开关稳压电源
2)自激式开关稳压电源
按调制方式划分:
1)脉宽调制型开关稳压电源
2)频率调制型开关稳压电源
3)混合型开关稳压电源
按开关功率管电流的工作方式划分:
1)开关式开关稳压电源
2)谐振式开关稳压电源
按功率开关的类型划分:
1)晶体管型开关稳压电源
2)可控硅型开关稳压电源
3)MOSFET型开关稳压电源
4)IGBT型开关稳压电源
按储能电感的连接方式划分:
1)串联型开关稳压电源
2)并联型开关稳压电源
按功率开关连接方式划分:
1)单端正激式开关稳压电源
2)单端反激式开关稳压电源
3)推挽式开关稳压电源
4)半桥式开关稳压电源
5)全桥式开关稳压电源
按输入和输出电压大小划分:
1)升压式开关稳压电源
2)降压式开关稳压电源
3)输出极性反转式开关稳压电源
按工作方式划分:
1)可控整流型开关稳压电源
2)斩波型开关稳压电源
3)隔离型开关稳压电源
按电路结构划分:
1)散件式开关稳压电源
2)集成电路式开关稳压电源
1.3开关电源的优缺点
优点:
1)内部功率损耗小,转换效率高。
2)体积小,重量轻。
3)稳压范围宽,线性调整率高。
4)滤波效率大为提高。
5)电路形式灵活多样,选择余地大。
缺点:
1)开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰。
2)电路结构复杂,不便于维修。
3)成本高,可靠性低。
1.4开关电源的发展展望
1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。
2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势:
1)低电压化
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变为0.6V,但输出电流将朝着大电流方向发展。
2)高效化
应用各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术,如ZVS/ZCS谐振、准谐振;
恒频零开关技术;
零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率,而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。
3)大电流、高密度化
4)高频化
为了缩小开关电源的体积,提高电源的功率密度并改善其动态响应,小功率
DC-DC变换器的开关频率已将现在的200~500kHz提高到1MHz以上,但高频
化又会产生新的问题,如开关损耗以及无源元件的损耗增大,高频寄生参数以及
高频电磁干扰增大等。
5)在封装结构上正朝着薄型,甚至超薄型方向发展
1.5开关电源所用的术语
效率:
电源的输出功率与输入功率的百分比。
其测量条件是满负载,输入交流电压为标准值。
ESR:
等效串联电阻。
它表示电解电容呈现的电阻值的总合。
一般情况下,ESR值越低的电容,性能越好。
输出电压保持时间:
在开关电源的输入电压撤消后,依然保持其额定输出电压的时间。
启动浪涌电流限制电路:
它属于保护电路。
它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。
为了防止不必要的功率损耗,在设计这一电路时,一定要保证滤波电容充满电之前,就起到限流作用。
‘
隔离电压:
电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。
或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。
线性调整率:
输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。
条件是负载和周围的温度保持恒定。
负载调整率:
输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。
条件是线电压和环境温度保持不变。
噪音和波纹:
附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。
通常是以mv度量。
隔离式开关电源:
一般指高频开关电源。
它从输入的交流电源直接进行整流和滤波,不使用低频隔离变压器。
输出瞬态响应时间:
从输出负载电流产生变化开始,经过整个电路的调节作用,到输出电压恢复额定值所需要的时间。
过载或过流保护:
防止因负载过重,使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。
远程检测:
电压检测的一种方法。
为了补偿电源输出的电压降,直接从负载上检测输出电压的方法。
软启动:
在系统启动时,一种延长开关波形的工作周期的方法。
工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。
电磁干扰—无线频率干扰(EMLBFl):
即那些由开关电源的开关元件引起的,不希望传按和发射的高频能量频谱。
快速短路保护电路;
一种用于电源输出端的保护电路。
当出现过压现象时,保护电路启动,将电源输出端电压快速短路。
占空比;
在高频开关电源中,开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。
1.6开关稳压电源的接地问题
在开关稳压电源电路中,一般都是输入工频整流、滤波和功率变换部分共用一个地,二次整流、滤波、电压采样和负载电路共用一个地。
也就是功率开关变压器的初级以前的电路部分为一个地,次级以后的电路部分为一个地,这两个地是相互独立的,它们之间通过功率开关变压器进行能量交换、传输和耦合。
而反馈控制信号课通过光电耦合器或变压器把过压、过流和欠压等采样信号耦合给控制、保护和驱动电路,最后实现控制和各种保护功能。
开关稳压电源电路中输入工频电路部分与负载电路部分不共地的问题,虽然给减小开关稳压电源的噪声和降低开关稳压电源对工频电网的干扰和影响方面带来了一定的好处,但是却给调试安装和使用维修人员带来了不可忽视的人身触电危险,并增大了烧坏测量和调试所用的仪器、仪表的可能性。
因此,在实际应用中一定呀想法设法利用和发挥其长处,避开和克服其短处,使其安全可靠的工作。
1.7开关稳压电源整流电路
开关整流电路是电源系统最重要的部分,它的技术是否先进关系着开关电源系统的功能和可靠性。
1.7.1倍流整流电路
倍流整流电路在电源的应用,可以提高大电流输出时的副边整流电路的效率,相比较与传统的变压器副边带有中心抽头的全波整流电路相比,倍流整流电路有以下优点:
减小了变压器副边绕组的电流有效值;
变压器利用率较高,无需中心抽头,结构简单;
输出电感纹波电流抵消,可以减小输出电压纹波;
双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。
倍流整流电路电路拓扑如图1-1所示:
图1-1倍流整流电路拓扑图
1.7.2同步整流电路
微处理器等很多高速数字逻辑电路都需要低电压大电流功率变换器。
随着功率变换器输出电压的降低,整流损耗成为变换器的主要损耗。
为了使变换器的转换效率提高,整流损耗必须降低。
采用低导通电阻的MOSFET进行整流,是提高变换器效率的一种有效途径。
同步整流是采用通态电阻极低的专用MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。
它能大大提高DC/DC变换器的效率,并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。
MOSFET属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈线性。
用MOSFET作为整流器时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称同步整流。
实现同步整流功能的MOSFET称为同步整流器。
按照驱动信号的不同,同步整流器有两种驱动方法,即电压驱动方式和电流驱动方式。
电压驱动方式以其结构简单、经济高效备受人们关注,常用的如自驱动型同步整流电路、外驱动型同步整流电路、混合驱动型同步整流电路。
1.7.3二次整流电路
开关稳压电源中的二次整流电路是出现在开关功率变压器次级回路中的整流电路,二次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,因此特别适用作为开关稳压电源电路中的二次整流二极管。
常见的二次整流电路有:
1)半波整流电路:
其优点是高频开关变压器不需要中心抽头,仅适用一个整流二极管,电路结构简单,成本低。
缺点是变压器输出功率的利用率仅有50%,输出直流电压中的纹波电压较高。
此电路一般用于变压器没有中心抽头。
而且频率较高,输出功率不是太大的开关稳压电源电路中。
2)全波整流电路:
其优点是变压器的输出功率利用率为100%,输出直流电压中的纹波电压较低。
缺点是高频开关变压器必须加工有中心抽头。
此电路一般被应用于要求输出功率大,功率转换效率要求高的开关稳压电源电路中。
3)倍压整流电路:
其优点是可以得到非常高的输出电压,输出直流电压中的纹波电压非常低。
缺点是输出电流较小,电路结构较复杂。
这种电路一般用于要达到数千伏至数万伏以上的加速场电路、高压放电电路及高压静电除尘电路中。
2.隔离式高频开关电源
隔离式开关电源的变换器具有多种形式。
主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。
在设计电源时,设计者采取那种变换器电路形式,主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。
各种形式的电源电路的基本功能块是相同的,只是完成这些功能的技术手段有所不同。
隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器,直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。
开关电源的基本功能方框如图2—1所示。
在图2—l中,交流线路电压无论是来自电网的,还是经过变压器降压的.首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压,然后进入高频变换部分。
高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元件,比如开关晶体管、场效应管(MOSFET)等元件,高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方波,所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级,在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。
为了调节输出电压,使得在输入交流和输出负载发生变化时,输出电压能保持稳定,在这
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