开关电源完整版毕业论文 - 图文

1 开关电源概述

1.1 开关电源的产生与发展

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。

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。

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150一200kHz，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。

1.2 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

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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1—1所示。

在图1.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””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(MOsFE丁)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，通常在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(FwM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的。

当然控制电路还有调频方式的，本文不予讨论。

在方波的上升沿和下降沿．有很多高次谐波，如果这些高次谐波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必须要设置无线频率干扰(RFl)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。

此外，为了使整个电路安全可靠地工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等。

图1.1 隔离式开关电源酌方框图

1.3 开关电源所用的术语

下面列出一些本书所使用的开关电源术语，并给出解释，以供读者参考。 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。

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2 输入电路

2.1 电压倍压整流技术

在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90—130v和180一260v的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图3.1所示。

在图2.1中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻Rv和可控硅vs具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。

电路工作过程如下：当开关S1闭合时．电路在115v交流输入电压下1：作。在交流电的正半周，通过二极管vDl和电容器c1被充电到交流电压的峰值。即115v×1．4＝160v，在交流电的负半周，电容器c2通过二极管vD4也被充电到160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器c1和c2上充电电压之和．即160V十160V＝320V。当开关S1打开时，：：极管VDl—vD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整流，也同样产生320v的直流电压。

图2.1 两种输入交流电压的转换

2.2 第二节 输入保护器件

隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流*设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌