开关稳压电源的设计与分析 - 毕业论文

武汉工程大学毕业设计(论文)说明书

3.1.1 正弦波电路结构及分析 （1）正弦波振荡的条件 振荡平衡条件：AF=1

幅度平衡条件：|AF|=1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） 起振条件：AF>1

幅度起振条件：|AF|>1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......） （2）正弦波产生电路

其组成包括基本放大电路A；反馈网络F；选频网络；稳幅环节。以保证产生单一频率和幅值稳定的正弦波。根据选频网络的不同， RC桥式、三点式振荡正弦波振荡电路的电路结构、工作原理和振荡频率计算也不同。

（3）正弦波发生电路的分析方法：

Ⅰ分析电路的组成是否满足正弦波发生电路的组成要求。

Ⅱ分析放大电路跟否正常工作：分立器件电路，检查静态工作点Q是否合适，对集成运放，检查输入端是否有直流通路。

Ⅲ检查电路是否满足自激条件：（1）幅值条件 （2）相位条件 Ⅳ估算振荡频率fo，它取决于选频网络的参数。

正弦波的来源采用直接从市电的220V/50Hz的正弦波，利用电压互感器变换成较低电压的50Hz 正弦波（例如5V）经过一系列的控制和变换得到所需要的交流正弦输出电压。

考虑到设计指标的要求，即输出频率跟踪输入市电的频率，由于采用电压互感器将市电信号引出，可获得较准确的和低失真的输出频率信号。该正弦波谐波失真度取决于市电的谐波失真度和互感器的参数，其输出幅度由D/A 转换器控制光电耦合器驱动电路实现，D/A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度，与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压，经过电容隔直后送到放大器输出所需的交流信号。D/A控制信号产生的原则是：根据输出到负载上的电压和电流配合市电的电压幅度大小进行综合运算，由微处理器向D/A 转换器提供通过综合运算的数字量使得提供给负载的输出电压（或电流）趋于稳定。可控正弦波产生电路的电路图如图3-2所示。

8

武汉工程大学毕业设计(论文)说明书

图3-2 可控正弦波产生电路

市电220V 的交流电经过电压互感器原边传送到副边，该副边信号与外接直流电源E 叠加，提供给光电耦合器与分压电阻一起分压，光电耦合器的等效阻抗由来自D/A 转换器的信号强度决定，经过分压后由电容器隔离直流分量，仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大（这里选5 倍）后产生随D/A 信号幅度大小而控制的纯净交流信号量，传到下一级进行A/D转换。

图3-2中，外接直流电源的作用是为了使光电耦合器中的三极管在电压互感器输出信号的负半周也能可靠导通。该电源采用一个小功率变压器由市电降压，经过整流、滤波和稳压后来提供，该电压要求高于电压互感器副边最大可能的电压峰峰值即双幅值，且再留有光电耦合器C－E之间最小工作电压，再留几伏特的余量。

选择电压互感器为220V:5V，根据输入参数要求为输入电压在80V 到260V之间，即输入电压最大值260V，显然220:5=260:Vo，则输出电压最大有效值

Vo =5×260÷220 = 5.9V 双幅值为2×

×5.9V＝16.7V

设光电耦合器导通所需要的最小工作电压为3.6V，外加一定的余量3.6V，则该外部电源所需要提供的电压E为

E＝16.7V ＋3.6 V＋3.6＝23.9V 实际取24V，稳压用78L24实现。

系统中比较器控制部件的直流供电电压±15V由变压器降压、整流、滤波和稳压，稳压用78L15和79L15实现。下面有详细说明。

3.1.2 三角波发生器的电路结构及分析

由于本PWM波的产生电路主要靠高频三角波和低频调制波通过比较器实现调制，并且又由于本课题要求输出50Hz 正弦波，所以其调制波应为50Hz 正弦波。

9

武汉工程大学毕业设计(论文)说明书

三角波和正弦波的产生可以由微处理器通过D/A转换器来实现，也可以由硬件电路直接实现，考虑到软件编程的难易程度，本课题拟用硬件电路直接实现，三角波为用运算放大器配合阻容元件实现，即先由方波经过电容几分电路后产生，正弦波为采用电压互感器从市电变换而得到标准的、低谐波失真的50Hz波形。理想的三角波涉及到无限的d2V/dt2，所以高保真三角波应有极宽的带宽。微功耗电路带宽相当窄，因此用这种电路产生良好的三角波是有问题的。导致运放不能提供所需的瞬时输出开关电流而产生具有大量的毛刺脉冲的极坏波形。你只要加大电阻器阻值和减小电容器电容值，就可使波形有所改善，但这种改善非常有限，而且电路会增大噪声，容易受到干扰。由一般理论知识可知，三角波可以由方波通过积分电路来实现，方波的产生可以有很多种电路形式。本课题采用运算放大器实现方波的产生，并用运算放大器设计电容积分电路产生三角波，其电路图如图3-3所示

图3-3三角波发生器的电路结构

对于方波发生器，有

对于积分电路，有

不难分析，由Rf对C1的充电和放电过程来看，运算放大器A1输出为50%占空比的矩形波，即方波，送到由A2、R4、C2组成的绩分电路分别进行正向积分和反向积分后，便从A2的输出端产生三角波。由于电路要求三角波的频率为150KHz，实际上三角波的频率完全取决于方波发生器的方波频率。影响方波发生器的频率的因素有Rf和C1以及R1与R2，当R1、R2和C1固定时,仔细调节Rf，不难获得150KHz 的标准方波。而R5 和C2 的

10

武汉工程大学毕业设计(论文)说明书

参数决定了三角波的斜率和幅度，对其要求由后续文档予以详尽描述。该运算放大器采用OP07实现。

3.1.3脉冲宽度的调制（PWM）器的电路结构及分析

三角波发生器产生150KHz的标准三角波，送到比较器的同向输入端，正弦波发生器产生50Hz的标准正弦波，送到比较器的反向输入端，在比较器的输出端便产生了受正弦波瞬时幅度调制而宽度变化的矩形波，如图3-4所示。

图3-4 PWM产生电路

根据比较器电路的工作原理，即当同相输入端电位高于反向输入端电位时输出端为接近Vdd，反之当同相输入端电位低于反向输入端电位时输出端为接近Vss，不难分析，其输入和输出的时序图如图3-5所示，比较器采用专用比较器集成电路LM393。

当三角波的波形幅度（或斜率）确定后，正弦波的瞬时振幅确定了PWM信号的宽度，也就决定了向负载提供的正弦波幅度。所以对三角波幅度的要求是足够正弦波的最大振幅。如果从图3-2的可控正弦信号输出端口送来的最大正弦信号幅度为10V，则要求三角波的最大幅度应大于等于10V，可通过仔细调节积分电路中的R5来实现。

11