開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案

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開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案范文第1篇

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；IR2110；SG3525；高頻變壓器；MOSFET

1 緒論

電源是將各種能源轉(zhuǎn)換成為用電設(shè)備所需要的裝置，是所有靠電能工作的裝置的動(dòng)力源泉。隨著電源在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其需求量增長(zhǎng)，效率、體積、重量及可靠性等方面也要求更高。開(kāi)關(guān)電源的核心為電力電子開(kāi)關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)整體方案

1.電源的設(shè)計(jì)要求：

（1）輸出電壓：額定工作電壓36V；

（2）輸出電流：額定工作電流1A；

（3）輸入條件：50Hz，交流220V；

（4）紋波電壓 Vor為20mV[8]。

2.整個(gè)課題的設(shè)計(jì)，分為三部分：主電路的設(shè)計(jì)，包括整流輸入濾波、半橋式逆變、高頻變壓輸出、輸出整流、輸出濾波；開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路；控制電路的設(shè)計(jì)，包括控制逆變電路開(kāi)關(guān)管工作的脈沖輸出、調(diào)占空比。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1主電路結(jié)構(gòu)

半橋式開(kāi)關(guān)電源主電路如圖3-1所示。圖中開(kāi)關(guān)管V1、V2選用MOSFET開(kāi)關(guān)管。半橋式逆變電路一個(gè)橋臂由開(kāi)關(guān)管V1、V2組成，另一個(gè)橋臂由電容C1、C2組成。高頻變壓器初級(jí)一端接在C1、C2的中點(diǎn)，另一端接在V1、V2的公共連接端，V1、V2中點(diǎn)的電壓等于整流后直流電壓的一半，開(kāi)關(guān)管V1、V2交替導(dǎo)通就在變壓器的一次側(cè)形成幅值為 的交流方波電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比，就能改變變壓器二次側(cè)整流輸出平均電壓Vo。

圖3-1 開(kāi)關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

半橋驅(qū)動(dòng)芯片選用IR2110。其中自舉電容的選為104無(wú)極性瓷片電容?？旎謴?fù)二極管選為FR207。

3.3 開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路的控制電路是整個(gè)電路的主要部分。目前實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中有各種典型的控制電路，鑒于對(duì)電源和驅(qū)動(dòng)的要求，結(jié)合本次設(shè)計(jì)選擇SG3525。

1.自激振蕩電路

SG3525的自激振蕩器輸出的鋸齒波送至PWM比較器，而輸出的方波一方面送到PWM鎖存器，另一個(gè)方面有4腳輸出作為其他芯片的同步信號(hào)，另外振蕩器可由3腳送來(lái)的脈沖信號(hào)控制，便于多個(gè)芯片同步使用。此次設(shè)計(jì)，取Ct=0.01uf，Rt=9K，Rd=200Ω，則由公式f=1/[Ct（0.67 Rt+1.3 Rd）]得，f=16k。

2.脈沖寬度調(diào)節(jié)

由于11腳14腳輸出低電平時(shí)間取決于9腳電壓，而9腳電壓又取決于誤差放大器輸出電壓，故人為改變SG3525 1腳或2腳電位，即可改變9腳電壓，9腳電壓變低時(shí)，A1提前輸出“1”，使11腳或14腳輸出脈沖寬度變窄，而9腳電壓上升時(shí)則與上相反，完成對(duì)輸出脈寬的控制。由圖可知，1腳電位與輸出脈沖寬度成反比，而2腳電位則與輸出脈沖寬度成正比.在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中，反饋電壓可加于1腳或2腳。本次設(shè)計(jì)使用2腳加一個(gè)可調(diào)電阻調(diào)占空比。

3.SG3525電路圖：

圖3-2 SG3525電路圖

4 電路調(diào)試

控制電路調(diào)試主要測(cè)量SG3525的 9腳的電壓是否在1.5V 至5.2V之間，5腳波形是否為鋸齒波，16腳電壓有無(wú)5.1V。最重要的是11腳與14腳的輸出波形是不是方波，是否有足夠的死區(qū)時(shí)間，調(diào)2腳電壓時(shí)11腳14腳輸出方波的占空比是否變化等。

在測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路時(shí)主要測(cè)IR2110的10腳與12腳的輸入波形是否與SG3525的輸出波形相對(duì)應(yīng)，IR2110的1腳7腳的輸出波形是否是漂亮的方波，自舉電容兩端的波形是否在比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

在測(cè)試IR2110的輸出時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)占空比時(shí)IR2110的占空比0-100%可調(diào)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)限流電阻和下拉電阻的取值問(wèn)題導(dǎo)致波形畸變，從而導(dǎo)致IR2110的輸出出現(xiàn)不良情況。通過(guò)多次更換限流電阻和下拉電阻，波形畸變得到了一定的改善，不過(guò)還是不能達(dá)到完全的線性傳輸。為了得到更好的驅(qū)動(dòng)效果，從SG3525加一電阻接在IR2110的輸入端，經(jīng)實(shí)際測(cè)試IR2110的輸出波形0-45%可調(diào)，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

對(duì)于主電路的調(diào)試，一定要一步一步調(diào)，先用示波器測(cè)試整流濾波電路再測(cè)變壓器原邊的波形，變壓器副邊的波形，輸出電壓等。

5 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)完成的主要任務(wù)是制作占空比可調(diào)，輸出36V的開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)搜集開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)資料，了解電源的相關(guān)制作方法，并通過(guò)控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的選擇，針對(duì)任務(wù)提出了可行方案。在設(shè)計(jì)方案中，結(jié)合芯片SG3525和IR2110特點(diǎn)，用半橋的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)地闡述了SG3525的控制原理和IR2110的驅(qū)動(dòng)過(guò)程。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路。雖然做了以上幾方面工作，但由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制等原因，所做工作還有很多需要完善的地方。SG3525沒(méi)有過(guò)流保護(hù)電路，控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間沒(méi)有光隔離，半橋主電路前的熱敏電阻在上電完成后沒(méi)有用繼電器隔離開(kāi)而影響效率等。

作者簡(jiǎn)介：

巴深（1992-），男，漢族，湖北武漢，本科在讀，湖北省 武漢市 武漢紡織大學(xué) 電子信息工程 430200

開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案范文第2篇

關(guān)鍵詞：DC-DC；同步整流；BUCK結(jié)構(gòu)；續(xù)流；均流技術(shù)

1 系統(tǒng)方案整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)方案主要由兩個(gè)BUCK變換器構(gòu)成的DC-DC降壓式電路、主控電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路以及PWM模塊組成。主控芯片通過(guò)采樣得到的電壓電流參數(shù)來(lái)控制輸出PWM波的占空比，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，閉環(huán)控制電流電壓，使其穩(wěn)定輸出。提高了供電的效率和穩(wěn)定性。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

2 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 DC-DC模塊

系統(tǒng)方案的DC-DC模塊采用是兩個(gè)相同的BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且使電感始終工作在電流連續(xù)狀態(tài)，否則閉環(huán)穩(wěn)壓時(shí)易振蕩。另外，為了降低電路損耗，本系統(tǒng)方案選用導(dǎo)通電阻較低的開(kāi)關(guān)管IRF3205（額定電流110A，耐壓達(dá)55V，導(dǎo)通電阻小于8毫歐）。

對(duì)于BUCK電路濾波電感L1的計(jì)算如下：

為使輸出電流連續(xù)且穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)選擇L1=800uh。為了避免電感飽和，且更好地實(shí)現(xiàn)電感的儲(chǔ)能功能，本設(shè)計(jì)選用外徑為4.8cm的鐵粉磁環(huán)繞制電感。由于電流可高達(dá)2-3A，為了降低電感線圈的發(fā)熱損耗，選用2股直徑為0.64mm的漆包線繞制。

2.2 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

如圖3所示，MOS管驅(qū)動(dòng)電路選用具有波形互補(bǔ)的可編程芯片IR2104，PWM波從2腳輸入，HO和LO輸出兩路反相的PWM分 別控制兩個(gè)MOS管的開(kāi)斷。

D5和C1/C2為自舉二極管和自舉電容，兩者串聯(lián)起到電流配合的作用實(shí)現(xiàn)電壓自舉，抬高VS的電位，使輸出的PWM更穩(wěn)定，同時(shí)二極管起到防止電流倒灌的作用。

2.3 電流采樣電路

如圖4所示，該部分選擇高邊電流采樣的方案，高邊電流采樣要求放大器必須具備大動(dòng)態(tài)輸入范圍以及高共模抑制比，所以采用TI公司專(zhuān)用高邊電流采樣芯片INA282；采樣電阻選擇耐高溫，溫度系數(shù)小，精度可控的康銅絲電阻。

INA282的增益為50，采樣電阻阻值為RS，反饋電壓為：

VIFB=50×RS×I0

考慮到單片機(jī)ADC的采樣范圍為0～2.5V，對(duì)應(yīng)0～2.5A，根據(jù)公式可知RS=10毫歐。

2.4 過(guò)流保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)是由電流采樣電阻、運(yùn)算放大電路及保護(hù)電路組成。主要是通過(guò)運(yùn)算放大電路采取采樣電阻兩端的電壓，從而可以間接知道電阻兩端的電流，利用LM358比較器，設(shè)定電路的閾值當(dāng)電路中的電流值超過(guò)了指定的閾值時(shí)，此時(shí)整個(gè)電路的供電就斷開(kāi)了，從而起到了保護(hù)作用。

3 均流技術(shù)-PID算法

采樣DC/DC模塊1的輸出電流I1，反饋控制DC/DC模塊1的開(kāi)關(guān)PWM波，使DC/DC模塊1輸出電流I1維持一固定值；采樣負(fù)載兩端電壓V0，反饋控制DC/DC模塊2的開(kāi)關(guān)PWM波，是負(fù)載兩端電壓為定值V0。在負(fù)載電阻一定時(shí)，由于負(fù)載電壓穩(wěn)定，輸出總電流I一定，又因DC/DC模塊1的輸出電流I1穩(wěn)定，故可以確定DC/DC模塊2的輸出電流I2。從而可以實(shí)現(xiàn)均流的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章提出了一種DC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)的技術(shù)方案，該設(shè)計(jì)方案采用多模塊并聯(lián)操作可以很好的解決市場(chǎng)上單一集中式電源；從實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)中，電路的供電效率達(dá)到了97.21%；電流的分配效果非常精準(zhǔn)，可以很好的利用在開(kāi)關(guān)電源的行業(yè)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用率高，具有很好的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳志明，孫道宗，黃孝遠(yuǎn)，等.程控開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（7）：108-111.

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開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案范文第3篇

關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源；數(shù)字控制；單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－7597（2012）0210075－01

0 引言

直流穩(wěn)壓電源已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中（如電焊、電鍍或直流電機(jī)的調(diào)速等），需要用到大量的電壓可調(diào)的直流電源，他們一般都要求有可以方便的調(diào)節(jié)電壓輸出的直流供電電源。目前，由于開(kāi)關(guān)電源效率高，小型化等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源、晶閘管穩(wěn)壓電源逐步被直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。開(kāi)關(guān)電源主要的控制方式是采用脈寬調(diào)制集成電路輸出PWM脈沖，采用模擬PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行脈寬調(diào)制，這種控制方式，存在一定的誤差，而且電路比較復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一種以ST公司的高性能單片機(jī)μpsd3354為控制核心的輸出電壓大范圍連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源，由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的主電路執(zhí)行數(shù)字控制，電路簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大。

1 功率直流電源系統(tǒng)原理與整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理。本功率直流電源系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號(hào)，采用負(fù)反饋構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。開(kāi)關(guān)電源采用PWM控制方式，通過(guò)給定量和反饋量的比較得到偏差，并通過(guò)數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制PWM輸出，從而控制開(kāi)關(guān)電源的輸出。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件部分由輸入輸出整流濾波電路、功率變換部分、驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)系統(tǒng)和輔助電路等幾部分組成。

當(dāng)50Hz、220V的交流電經(jīng)電網(wǎng)濾波器消除來(lái)自電網(wǎng)的干擾，然后進(jìn)入到輸入整流濾波器進(jìn)行整流濾波，變換成直流電壓信號(hào)。該直流信號(hào)通過(guò)功率變換電路轉(zhuǎn)化成高頻交流信號(hào)，高頻交流信號(hào)再經(jīng)輸出整流濾波電路轉(zhuǎn)化成直流電壓輸出?？刂齐娐凡捎肞WM脈寬調(diào)制方式，由單片機(jī)產(chǎn)生的脈寬可調(diào)的PWM控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路處理后，驅(qū)動(dòng)功率變換電路工作。 利用單片機(jī)高速ADC轉(zhuǎn)換通道定時(shí)采集輸出電壓，并與期望值比較，根據(jù)其誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。電壓采集電路實(shí)現(xiàn)了直流電壓V0的采集，并使其與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入電壓范圍匹配，在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流和短路故障時(shí)，保護(hù)電路對(duì)電源和負(fù)載起保護(hù)作用。輔助電源為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等提供直流電源。

2 開(kāi)關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源主電路是用來(lái)完成DC-AC-DC的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)主電路采用全橋型DC-DC變換器，本系統(tǒng)采用的功率開(kāi)關(guān)器件是EUPEC公司的BSM 50GB120DN2系列的IGBT模塊，每個(gè)模塊是一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)，故在全橋系統(tǒng)中，需要兩個(gè)模塊。每個(gè)模塊內(nèi)嵌入一個(gè)快速續(xù)流二極管。

3 控制電路硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖。功率直流電源的控制電路采用ST 公司的μpsd3354單片機(jī)為核心?？刂齐娐分饕瓿扇缦鹿δ埽弘妷翰杉?、A/D轉(zhuǎn)換、閉環(huán)調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)產(chǎn)生，IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、鍵盤(pán)輸入和輸出電壓顯示等功能?？刂齐娐分饕ǎ?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)、電壓采集電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路和鍵盤(pán)、顯示電路等。系統(tǒng)通過(guò)PWM輸出控制功率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，完成對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定控制，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換完成對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的采樣，同時(shí)采用電壓閉環(huán)控制，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，根據(jù)期望值與電壓反饋值的偏差，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM占空比進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

3.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。根據(jù)電壓控制算法（可采用改進(jìn)的PID控制算法）設(shè)置單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器控制開(kāi)關(guān)器件，調(diào)整電路輸出設(shè)定的電壓值。要使IGBT正常工作，合適的驅(qū)動(dòng)是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電路的任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間、可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護(hù)等功能。

3.3 傳感器輸入通道與A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器采集電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換被單片機(jī)接收。本系統(tǒng)采用CHV系列霍爾電壓傳感器采集電壓，采用μpsd3354單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，線路連接簡(jiǎn)單，精度最大為5mV。基本能滿足控制要求。

3.4 鍵盤(pán)和顯示電路。功率直流電源的鍵盤(pán)和顯示電路部分都裝在操作面板上，由單片機(jī)控制。本系統(tǒng)采用自制4×4矩陣鍵盤(pán)，以單片機(jī)的PB4～PB7做輸出線，PB0～PB3做輸入線。顯示部分采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼顯示，以專(zhuān)用的數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能：鍵盤(pán)掃描、數(shù)碼顯示、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字PID調(diào)節(jié)和PWM波形產(chǎn)生等。鍵盤(pán)掃描和數(shù)碼顯示這里不作介紹，本設(shè)計(jì)主要是采用軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率直流電源的數(shù)字控制。

4.1 主程序設(shè)計(jì)。主流程在完成各種變量和I/O初始化后，可以輸入期望電壓值并存入寄存器，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，啟動(dòng)電源系統(tǒng)，這里設(shè)定啟動(dòng)時(shí)，使PWM輸出占空比為最小值，即0.1％。啟動(dòng)后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序并讀入鍵值，將反饋電壓值與給定電壓值相比較后，調(diào)用PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，更新驅(qū)動(dòng)波形的占空比，然后調(diào)用PWM產(chǎn)生子程序輸出PWM信號(hào)，并通過(guò)顯示子程序顯示輸出電壓。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換部分子程序。直接利用單片機(jī)10位ADC口，A/D轉(zhuǎn)換部分程序比較簡(jiǎn)單，程序只要完成如下功能：選擇模擬輸入通道，并預(yù)制分頻數(shù)；配置控制寄存器ACON；讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，返還ADTA0、ADTA1中的數(shù)據(jù)。

4.3 PID調(diào)節(jié)子程序。PID調(diào)節(jié)由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)對(duì)給定信號(hào)與反饋信號(hào)相減得到的誤差來(lái)計(jì)算調(diào)整量，用以控制開(kāi)關(guān)的占空比。算法中，做了一點(diǎn)修正，當(dāng)偏差與積分符號(hào)相反時(shí)，積分清零。因?yàn)槿舴?hào)相反，說(shuō)明積分項(xiàng)起了反作用，故把積分項(xiàng)清零。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)電源與單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)電源。該電源精度高，電路簡(jiǎn)單，操作靈活，具有良好的應(yīng)用前景。單片機(jī)控制直流電源符合電力電子新技術(shù)產(chǎn)品向“四化”方向發(fā)展的要求，即應(yīng)用技術(shù)的高頻化、硬件結(jié)構(gòu)的模塊化、軟件控制的數(shù)字化、產(chǎn)品性能的綠色化。

參考文獻(xiàn)：

[1]PressmanA，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)二版[M].王志強(qiáng)譯，北京：電子工業(yè)出版社，2005.

開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案范文第4篇

關(guān)鍵詞:穩(wěn)壓電源; 交流穩(wěn)壓電源; 脈沖寬度調(diào)制器; 高頻電子變壓器

中圖分類(lèi)號(hào):TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)10-0204-03

Design of Switch-Mode AC Stabilized Voltage Supply

XU Jin-xing, XU Chang-hua

(Research & Development Center of Electronic Products Equipment Manufacture of Jiangsu Province, Huaian 223003, China)

Abstract:An advanced design of AC stabilized voltage power supply is expounded in this paper. The pulse width modulator (PWM), high-speed electronic switches, high-frequency electronic transformer, and LC filters was adopted to realize the design. In comparison with AC stabilized voltage supply of the traditional thyristor angle modulation mode, this scheme is ofhigher efficiency, smaller size, smaller nonlinear distortion and it is an entirely new design of AC stabilized voltage supply.

Keywords:stabilized voltage supply; AC stabilized voltage supply; PWM; high-frequency electrosic transformer

目前,空間技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)及家電中的電源逐漸被開(kāi)關(guān)電源所取代。現(xiàn)在一般應(yīng)用的串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)的串聯(lián)穩(wěn)壓器、調(diào)整管總是工作在放大區(qū),流過(guò)的電流是連續(xù)的,這種穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)是承受過(guò)載和短路的能力差,效率低,一般只有35%~60%。由于調(diào)整管要損耗較大的功率,所以需要采用大功率調(diào)整管,并裝有體積很大的散熱器[1]。而開(kāi)關(guān)電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),功率損耗小,效率可達(dá)70%~95%,穩(wěn)壓器的體積小,重量輕,調(diào)整管的功率損耗較小,散熱器也隨之減小[2]。此外,開(kāi)關(guān)頻率工作在幾十kHz,可用數(shù)值較小的濾波電感、電容元件,故可以大大提高允許的環(huán)境溫度。

1 電路組成及工作原理

開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路框圖如圖1所示。工作原理描述:由三角波發(fā)生電路產(chǎn)生150 kHz的三角波,由低頻正弦波產(chǎn)生電路產(chǎn)生50 Hz的正弦波。兩個(gè)信號(hào)分別同時(shí)送到比較器的同相和反相輸入端,在比較器的輸出端將產(chǎn)生矩形波。該矩形波的頻率與150 kHz的三角波相同,該矩形波的脈沖寬度受50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度的調(diào)制后,隨50 Hz正弦波實(shí)時(shí)幅度而變化,即已調(diào)制矩形波。將其送到高速電子開(kāi)關(guān)中一個(gè)輸入端,并經(jīng)過(guò)一級(jí)反向器反向,送到高速電子開(kāi)關(guān)的另外一個(gè)輸入端。

圖1 開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源電路拓?fù)鋱D

市電整流濾波獲得的2倍于輸入交流電壓(典型值約為311 V)的直流高電壓送到高速電子開(kāi)關(guān)的電源輸入端。高速電子開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸出端由兩個(gè)反向的輸入矩形波驅(qū)動(dòng),從約311 V直流電源取得能量后,分別經(jīng)過(guò)一級(jí)短時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路連接到高頻開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)。該LC 濾波電路的作用是使進(jìn)入高頻開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波脈沖拐角趨于圓滑,以降低其高頻諧波。高頻開(kāi)關(guān)變壓器的初、次級(jí)還起到對(duì)市電隔離的作用,高頻開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)獲得交變、拐角圓滑的矩形波電壓,經(jīng)過(guò)多級(jí)長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)的LC濾波電路,將150 kHz高頻信號(hào)濾除,還原出50 Hz正弦波的調(diào)制信號(hào),送到負(fù)載用于對(duì)負(fù)載供電[3]。

電壓和電流取樣電路從負(fù)載上獲取電壓和電流信號(hào),分別送兩路A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換,變成離散的數(shù)字信號(hào)。一方面用于通過(guò)微處理器處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;另一方面用于通過(guò)微處理器處理后送D/A 轉(zhuǎn)換器變換為模擬量,經(jīng)過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制正弦波發(fā)生器的幅值,又經(jīng)過(guò)比較器、反向器、高速電子開(kāi)關(guān)、LC 濾波、高頻開(kāi)關(guān)變壓器、多級(jí)LC 濾波等電路,用于控制負(fù)載上電壓或電流的穩(wěn)定。電壓互感器的作用是從市電中獲得低諧波失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波,經(jīng)由正弦波產(chǎn)生電路控制其幅值;鍵盤(pán)用于輸入準(zhǔn)備向負(fù)載提供的電壓或電流值。

2 電路設(shè)計(jì)分析

2.1 可控正弦波產(chǎn)生電路

可控正弦波產(chǎn)生電路的電路圖如圖2所示[2]。

正弦波的來(lái)源采用直接從市電的220 V/50 Hz的正弦波,利用電壓互感器變換成較低電壓的50Hz 正弦波(例如5 V)。該正弦波的諧波失真度取決于市電的諧波失真度和互感器的參數(shù),其輸出幅度由D/A 轉(zhuǎn)換器控制光電耦合器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn),D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)控制光電耦合器導(dǎo)通程度,與分壓電阻分壓后產(chǎn)生交流和直流疊加的電壓,經(jīng)電容隔離直流分量,僅保留交流分量送運(yùn)算放大器進(jìn)行若干倍的放大,產(chǎn)生隨D/A信號(hào)幅度大小而控制的純凈交流信號(hào)量。

圖2 可控正弦波產(chǎn)生電路

D/A控制信號(hào)產(chǎn)生的原則是:根據(jù)輸出到負(fù)載上的電壓或電流配合市電的電壓幅度大小進(jìn)行綜合運(yùn)算,由微處理器向D/A 轉(zhuǎn)換器提供通過(guò)綜合運(yùn)算的數(shù)字量,使得提供給負(fù)載的輸出電壓(或電流)趨于穩(wěn)定。

2.2 脈沖寬度調(diào)制器

PWM產(chǎn)生電路由正弦波產(chǎn)生電路、三角波產(chǎn)生電路和比較器三個(gè)部分組成。三角波加到比較器的反向輸入端,正弦波加到比較器的同向輸入端,比較器輸出端產(chǎn)生受正弦波瞬時(shí)幅度而變化的脈沖寬度調(diào)制波[4-5]。

圖3是電壓型PWM比較器的工作波形,輸入三角波接在比較器的反向輸入端,可控正弦波信號(hào)送至比較器的同相輸入端,經(jīng)放大后輸出PWM信號(hào)。

圖3 PWM工作波形圖

2.3 高速電子開(kāi)關(guān)

高速電子開(kāi)關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)將PWM波功率放大,配合高頻電子變壓器和濾波電路,可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)為受某信號(hào)參數(shù)調(diào)制的矩形波,輸出信號(hào)為還原出該參數(shù)的解調(diào)電路[6]。其典型電路圖如圖4所示,是PWM經(jīng)反相器出來(lái)的波形。整個(gè)電路由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的橋式開(kāi)關(guān)電路、高頻開(kāi)關(guān)變壓器、多組LC 濾波電路(圖中只畫(huà)出一組L3,C3)組成。

圖4 高速電子開(kāi)關(guān)電路

高頻開(kāi)關(guān)變壓器Tr還兼起市電隔離的作用。電路中,L1,C1 和L2,C2 組成濾波電路,用以使輸入到高頻開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)的矩形波拐角變成“緩變”形狀,以使流經(jīng)變壓器的諧波分量減小,降低干擾。

經(jīng)過(guò)高頻開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)到的電壓通過(guò)L3,C3(實(shí)際為多級(jí)LC,如三級(jí))的進(jìn)一步濾波可以將PWM的高頻矩形波濾除,在負(fù)載上得到被還原的原調(diào)制波的正弦波形,如圖5所示。

圖5 還原出來(lái)的波形

圖5中還原出來(lái)的調(diào)制波實(shí)際上是有一定程度的鋸齒波成分,如果用數(shù)字存儲(chǔ)示波器存儲(chǔ)波形,然后局部放大觀測(cè)可發(fā)現(xiàn),如圖5中顯示了局部放大后的鋸齒形狀,其鋸齒程度反映了信號(hào)的失真度,與多級(jí)LC濾波器的性能參數(shù)有關(guān)。

2.4 微處理器

微處理器部分用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)裝置的智能化,微處理器部分包括微處理器芯片、鍵盤(pán)、LCD 顯示器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器,且適合于控制的微處理器芯片往往采用單片機(jī),而單片機(jī)基本上都包含有I/O 接口電路、ROM,RAM、定時(shí)器和中斷系統(tǒng),因此這些部件基本上都不需要擴(kuò)展。

軟件部分的設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、LCD顯示器、鍵盤(pán)系統(tǒng)等功能的子程序,還包含系統(tǒng)監(jiān)控程序和各種中斷服務(wù)程序等[7],其系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)控程序流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在此介紹的開(kāi)關(guān)式交流穩(wěn)壓電源是一種較為先進(jìn)的交流電源設(shè)計(jì)方案。隨著時(shí)代的快速發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),目前正在研制開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)與控制電路集成于同一芯片的集成模塊。然而,把功率開(kāi)關(guān)與控制電路,包括反饋電路都集成于同一芯片上,必須解決電氣隔離與熱絕緣的問(wèn)題,這將是今后的一大研究課題。

參考文獻(xiàn)

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[5]李琪.PWM全橋軟開(kāi)關(guān)直流變換器的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

開(kāi)關(guān)電源與設(shè)計(jì)方案范文第5篇

[關(guān)鍵詞]單端反激式 寬范圍 DC/DC變換器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）13-0293-01

引言

LM5032是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的業(yè)內(nèi)首個(gè)適用于傳統(tǒng)及有源箝位復(fù)位電路結(jié)構(gòu)的100V雙通道交錯(cuò)輸出脈沖寬度調(diào)制控制器。本文介紹了一種采用LM5032控制器設(shè)計(jì)寬范圍輸入（9V～36V），多路輸出（+5V，±12V）的隔離型DC/DC變換器，它大大提高了DC/DC變換器的功率密度，提高了電源模塊的可靠性和穩(wěn)定性。

1.電路方案設(shè)計(jì)原理

眾所周知，隔離型DC/DC變換器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全橋式、半橋式、推挽式、正激式以及反激式等。其中全橋式和半橋式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所需元器件較多，主要使用于大功率的開(kāi)關(guān)電源，由于本電源模塊輸出功率為10W，所以全橋式、半橋式和推挽式電路不再本次電路設(shè)計(jì)方案考慮之中。單端反激式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變壓器可作為輸出電感，與單端正激式相比，可有效減小產(chǎn)品體積，提高DC/DC模塊的功率密度。因此，根據(jù)產(chǎn)品的具體技術(shù)指標(biāo)和外形尺寸綜合考慮，在本電路設(shè)計(jì)中采用了單端反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1是本電路設(shè)計(jì)所采用的原理圖。

2.主要技術(shù)指標(biāo)與變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓：9V～36V

輸出電壓及電流：+5V/100mA，±12V/200mA

2.2 變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)

變壓器選TDK公司的罐形變壓器（直徑Ф=9mm），磁芯有效截面積Ae=0.101cm2，

磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔB=1500GS，Dmax=0.5，開(kāi)關(guān)頻率f=200kHz.

2.2.1 計(jì)算原邊繞組流過(guò)的峰值電流Ip

2.2.2 原邊繞組的電感值

2.2.3 求Dmin

取14匝

3.DC/DC電源變換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DC/DC電源變換器要求高度低（高度不超過(guò)8mm），多路輸出（+5V，±12V），對(duì)器件的結(jié)構(gòu)，元器件的裝配、輸出紋波、效率都有嚴(yán)格的要求，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常重要。

為解決較低的輸出紋波及提高電源的功率密度，本產(chǎn)品采用單層PCB板設(shè)計(jì)，開(kāi)關(guān)管選用PowerPAK SO-8封裝形式，電阻、電容大部分選用0603封裝的。

通過(guò)熱設(shè)計(jì)，將發(fā)熱元件盡可能的均勻分布整個(gè)組件中，并將其緊貼在金屬殼體上，產(chǎn)品最終采用導(dǎo)熱性能好的硅橡膠實(shí)體灌封，六面體金屬封裝，實(shí)現(xiàn)良好的散熱，提高了產(chǎn)品的可靠性。

4.產(chǎn)品達(dá)到的性能指標(biāo)

該型寬范輸入范圍、多路輸出DC/DC變換器達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

5.結(jié)論