开关电源的设计与制作文档格式.docx
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其中,交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点,造成了资源的严重浪费。
在这种背景下,开关稳压电源应运而生。
任何电子设备均需直流电源来供给电路工作,特别是采用电网供电的电子产品,为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化,更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。
但开关电源的主要缺点是电路比较复杂。
根据比较,我们选择开关电源。
开关电源的最大优点就是转换效率高,特别是在高压变低压而且电压差很大的时候,这种情况下线性电源效率极低发热严重。
开关电源还有一个优点是可以把低电压转换成高电压,这是线性电源无法做到的。
开关电源的缺点是纹波通常比线性电源大。
1.2开关电源的发展概述
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。
第二章开关电源工作原理
2.1开关电源基本结构
开关电源的基本结构如图2-1所示,整机电路可分为主电路和控制电路两部分,主电路由交流ENI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/DC功率变换器三个环节组成,控制电路的作用是保证主电路正常工作,同时也起到了对主电路的保护作用。
图2-1开关电源基本结构
DC/DC变换器是开关电源最主要电子功率变换环节,它有两种基本类型即脉宽调制型和谐振型。
脉宽调制型用控制脉冲占空比、间断工作来产生所需的脉冲电压和电流。
谐振型有零电流谐振式和零电压谐振式,电流谐振式就是开关导通时,电流波形呈正弦波状,导通时间快结束时,电流减为零,因而可使通/断时开关损耗降为零。
同时也会减少浪涌电流,这种方式叫做零电流开关方式。
电压谐振式就是通过开关在断开时间里使其上的电压呈正弦波状,在下一次断开时间之前使其电压降为零,从而减少开关损耗和降低浪涌电压,这种方式叫做零电压开关方式。
谐振技术以正弦形式处理功率开关管,使开关管在零电流下换流或者在零电压下换向,降低了开关的转换损耗。
2.2单管自激式变换器开关电源的工作原理
它由整流滤波电路、主开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路和次级整流滤波电路等组成。
其工作原理是:
交流输入电压经过整流滤波电路变成直流电压,再被开关功率管斩波和高频变压器降压,经过次级整流滤波电路整流滤波获得所需直流输出电压。
控制电路中,光电耦合器4N35及Q2、Q3、Q4对输出起反馈作用,以调整占空比,达到稳压的目的。
电源的设计原理图
图2-2电源设计原理图
2.2.1整流电路的工作原理分析
把交流电转换成直流电的过程称为整流.利用晶体二极管的单向导电性把单相交流电转换成直流电的电路称为二极管单相整流电路,它有单相半波整流、单相全波整流和倍压整流等电路。
(1)单相半波整流电路
图2-3是单相半波整流电路图,电路由电源变压器T、整流二极管V和负载电阻RL组成。
一、工作原理
设电源变压器T的初级接交流电压υ1时,在次级就感应出交流电压υ1,它的瞬时表达式是
υ2=1.41V2sinωt
式中υ2为瞬时值,V2是交流电压有效值,ω为角频率,ωt为相位角。
当υ2为正半周即为正值时(A端为正、B端为负,A端电位高于B端电位),二极管V导通,电流iv自A端经二极管V、自上而下的流过负载RL到B端,因为二极管正向压降很小,可认为负载两端电压υL与υ2几乎相等,即υL≈2。
当υ2为负半周即为负值时(B端为正、A端为负,B端电位高于A端电位),
二极管V截止,通过负载RL上的电流iv=0,
上的电流iv=0,负载上的电压υL=0。
可见,在交流电υ2工作的全周期内,RL上只有自上而下的单方向电流,实现了整流。
υ2、υL、iL相应的波形如图所示。
可以看出他们的大小是波动的,但方向不变.这种大小波动\方向不变的电压和电流,称为脉动直流电(它的波形不平滑,通常称为含有交流成分或纹波成分)。
由υL的波形可见,这种电路仅利用了电源电压υ2的半个波,故称为半波整流电路,它输出的是半波脉动直流电。
显然,它的缺点是电源利用率低且输出电压脉动大。
图2-3单相半波整流电路(a)电路(b)波形
二、负载整流二极管上的电压和电流
半波整流输出的电压或电流是用半波脉动直流电压或电流的平均值表示的。
理论和实验都证明,负载两端电压υL与变压器次级电压有效值V2的关系是
VL=0.45V2
流过负载的电流IL是
IL=VL/RL=0.45V2/RL
由电路图可知,流过整流二极管的正向工作电流IV和流过负载RL的电流IL相等,即
IV=IL=0.45V2/RL
当二极管截止时,它承受的反向峰值电压VRM是υ2的最大值,即
VRM≈1.41V2
图2-4桥式单相全波整流电路图
选用半波整流二极管时应满足下列两个条件:
(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压;
(2)二极管允许的最大整流电路应大于流过二极管的实际工作电流。
(2)桥式单相全波整流电路
图2-4是桥式单相全波整流电路图,简称桥式整流电路。
它是由四只接成桥式的整流二极管V1~V4源变压器T组成,RL是负载电阻。
工作原理:
如图2-5(a)设υ2为正半周时,A端电位高于B端(即A端为正,B端为负),二极管V1和V3导通,V2和V4截止,电流i1自A端流过V1、RL、V3到B端,它是自上而下流过RL。
如图2-5(b)所示,当υ2为负半周时,B端电压高于A端(即B端为正,A端为负),二极管V2和V4导通,V1和V3截止,电流i2自B端流过V2,也是自上而下的通过RL,经V4到A端。
这样,在υ2整个周期内,
都有方向不变的电流通过RL,且i1和i2叠加形成I流电路属于全波整流类型,称
为桥式单相全波整流电路。
图2-5桥式整流电路工作过程
(a)u2为正半周时的电流方向(b)u2为负半周时的电流方向
顺便指出:
在很多场合,习惯上把变压器中心抽头式全波整流电路简称为全波整流电路:
而把桥式单相全波整流电路简称为桥式整流电路,实质上它们是结构形式不同但都属于全波整流的电路。
1、负载上和整流二极管上的电压和电流由以上的讨论可知,桥式全波整流电路和变压器中心抽头式全波蒸馏电路在负载RL上得到的都是全波脉动直流电,波形是一样的,所以负载上电压和电流计算公式是一样的,即
VL=0.9V2
IL=0.9V2/RL
桥式整流电路中,每个二极管在电源电压变化一周内只有半个周期导通,因此,每个二极管的平均电流值是负载电流的一半,即
IV=0.5IL
每个二极管在截止时承受的反向峰值是υ2的峰值。
即
VRM=1.41V2
桥式全波整流电路与变压器中心抽头式全波整流电路相比,所使用的整流二极管多了一倍、但二极管承受的反向峰值电压低了一半,而且变压器无需中心抽头,因而获得广泛的应用。
整流元件的组合件称为整流队,常见的有半桥2CQ型整流堆和全桥QL型整流堆,它们的内部电路及外形,使用一个全桥整流堆或连接两个半桥整流堆,就可以代替四只整流二极管与电源变压器相连,组成桥式整流电路,既方便又可靠。
选用时仍应注意它们的额定工作电流值和允许的最高反向电压值要符合整流电路的要求。
2.2.2变压器的工作原理分析
(1)变压器的用途
变压器是将某一数值的交流电压变换为统一频率另一数值的交流电压的电气设备,在工程上有着广泛地应用。
在电力输送方面,为了减小输电损失,采用升压变压器将发电机发出的电压升高到35kV以上,在用电目的地又通过降压变压器将高压降为供用户使用的低电压。
在整个输配电过程中变压器是关键设备。
在电子仪器中,采用电源变压器将220V电压变为合适的低电压给电路供电,起到了电压配合和隔离作用;
在电路中采用耦合变压器来进行信号的传递等。
在其他方面,有实验用调压器;
有用于交流测量的电压和电流互感器;
有用于电焊、电炉及整流用的专用变压器等。
电子变压器在电源中的作用:
电子变压器和半导体开关器件,半导体整流器件,电容器一起,称为电源装置中的4大主要元器件。
根据在电源装置中的作用,电子变压器可以分为:
1、电压和功率变换作用的电源变压器,功率变压器,整流变压器,逆变变压器,开关变压器,脉冲功率变压器;
2、起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器,声频变压器,中周变压器;
3、起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器,驱动变压器,触发变压器;
4、起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器,起屏蔽作用的屏蔽变压器;
5、起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器,起改变输出相位作用的相位变换变压器(移相器);
6、起改变输出频率作用的倍频或分频变压器;
7、起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器;
8、起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器(包括恒压变压器)或稳流变压器,起调节输出电压作用的调压变压器;
9、起交流和直流滤波作用的滤波电感器;
10、起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器,起抑制噪声作用的噪声滤波电感器;
11、起吸收浪涌电流作用的吸收电感器,起减缓电流变化速率的缓冲电感器;
12、起储能作用的储能电感器,起帮助半导体开关换向作用的换向电感器;
13、起开关作用的磁性开关电感器和变压器;
14、起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器;
15、起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。
(2)变压器的基本结构
变压器虽然种类很多,用途各不相同,但其基本结构都是由铁心和套装在铁心上的绕组组成。
为了减小涡流及磁滞损耗,变压器的铁心是用表面涂有绝缘层、厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成。
根据铁心的结构不同,分为心式和壳式两种,绕组绕在两侧的铁心柱上,多用于容量较大的变压器中。
它的高压、低压绕组都绕在中间的铁心柱上,常用于小容量的变压器中。
绕组构成变压器的电路部分,一般小容量变压器的绕组是用高强度漆包线绕制,大容量变压器可用扁铜线或扁铝线绕制。
(3)单相变压器的工作原理
图2-6为单相变压器原理图。
通常把与电源相连接的绕组称为一次绕组,与负载相连接的绕组称为二次绕组。
为讨论方便,一般规定:
凡与一次绕组有关的各量都在其下角标以“1”,而与二次绕组有关的各量都在下角标以“2”,例如,一次、二次电压、电流分别用U1、U2、I1、I2表示,匝数分别用N1、N2表示。
+
u1-+Z
-+-
图2-6变压器工作原理
(4)变压原理
当变压器的一次绕组接入交流电压u1时,在一次绕组中便有交流电流流过,并产生交流磁通。
该磁通的绝大部分通过铁心同时穿过一次、二次绕组,称为主磁通;
在一次绕组产生的交流磁通中,还有很少一部分通过周围空气闭合,称为漏磁通。
通常漏磁通很少,为讨论问题方便而把它忽略不计。
当主磁通同时穿过一次、二次绕组时,就在两个绕组中分别产生与电源频率相同的感应电动势e1和e2。
设一次、二次绕组匝数分别为N1、N2,则由法拉第电磁感应定律可知,一次、二次绕组上感应电动势的数学表达式为
e1=-N1(dφ/dt)
e2=-N2(dφ/dt)
设φ=φmsinwt代入上式计算得
e1=—wN1φmcoswt
=2πfN1φmsin(wt-900)
=E1msin(wt-90)
式中,E1m=2πfN1Φm是一次绕组感应电动势的最大值,其有效值为
E1=(1/1.414)fN1Φm=4.44fN1Φm(2-1)
同理,二次绕组感应电动势的有效值为
E2=4.44fN2Φm(2-2)
当忽略一次、二次绕组的直流电阻和漏电磁通时,有U1=E1,U2=E2,将式(2-1)和式(2-2)取比值
U1/U2=E1/E2=N1/N2=K(2-3)
式中,K—变压器的变化,即变压器一次、二次绕组的匝数之比。
上式表明,变压器一次、二次侧的电压之比等于匝数之比。
当K>
1时,U1>
U2,为降压变压器;
当K<
1时,U1<
U2,为升压变压器。
由于U1=E1=4.44fN1Φm,因此在使用变压器时必须注意:
U1过高,f过低,N1过少都会引起Φm过大,使变压器中用来产生磁通的励磁电流大大增加而烧坏变压器。
1、变压原理
由以上分析可知,变压器从电网上吸收能量并通过电磁感应,以另一个电压等级把电能输送给负载。
在这个过程中,变压器只起到能量的传递作用。
根据能量守恒定率,在忽略了损耗的情况下,变压器输入、输出的视在功率相等,即
U1I1=U2I2
I1/I2=U2/U1=1/K(2-5)
式(2-5)表明,变压器在改变电压的同时,电流也随之成反比例地变化,且一次、二次电流之比等于匝数之反比,即变压器具有变流功能。
变换阻抗原理
变压器除能变压和变流,还能变换阻抗,这在电信工程中有着广泛的应用。
阻抗变换原理如图2-7所示,图中ZL为负载阻抗,其端电压为U2,流过的电
流为I2,变压器变比为K,则
ZL=U2/I2
变压器一次绕组中的电压和电流分别为
U1=KU2,I1=I2/K
从变压器输入端看进去,等效的输入阻抗Z′L为图2-7阻抗变换原理
Z′L=U1/I1=K2(U2/I2)=K2ZL
式(2-6)表明,负载阻抗ZL反映到一次侧的等效输入阻抗ZL,其值为ZL的K2倍,因此,只需改变变压器的匝数比,就可把负载阻抗变换为所需的数值。
变压器的同名端及绕组的正确连接
图2-8多绕组变压器
当变压器有多个一次绕组或二次绕组,在使用时又需要将一次绕组或二次绕组串联或并联时,就需要知道变压器的同名端(同极性端)。
如果连接错误,不 但得不到所需的电压值,严重时还会将变压器烧坏。
变压器的同名端
变压器的同名端是这样定义的;
当给变压器的一次绕组(或二次各绕组)通以电流时,它们在磁路中产生的磁通方向如果相同,则称各绕组电流的流入端为同名端,用“.”表示,如图2-8所示。
其中,A、B为变压器的一次绕组,当电流从1和3端流进时,两绕组产生的磁通方向相同,即1和3端为两绕组的同名端。
同理,2、4端也是同名端。
C、D为变压器的二次绕组,当电流从5和7端流进时,两绕组产生的磁通方向相同,即5和7端为二次绕组的同名端。
变压器的正确连接
当绕组变压器需要进行绕组的串联或并联时,则要依据它的同名端进行连接.例如,一变压器的一次侧有两个绕组,每个绕组的工作额定电压为110V,如将变压器接入220V交流电源,则绕组需串联连接,正确的连接方法,如图2-9(a)所示。
如将变压器接入110V交流电源,则绕组需并联连接,正确的连接方法,如图2-9(b)所示。
如果同名端接错,则两个绕组产生的磁通方向相反,相互抵消,使穿过俩绕组的磁通为零,两绕组产生的自感器电动势则为零,绕组中的电流将变得很大,将导致两绕组烧毁。
(b)两个绕组相并联
图2-9变压器绕组的正确连接
变压器的二次绕组在链接时,如果将两个二次绕组的异名端6、7两端相连,由5、8两端输出电压,则输出电压为CD两个绕组的输出电压之和;
如将两绕组的同名端57两端响亮,由8两端输出电压,则输出电压为CD两绕组的输出电压之差。
即变压器的二次绕组可以通过不同的组合方式得到不同的电压值。
变压器在电子电路中应用时,有时需要考虑绕组的同名端,以判别电路是正反馈还是负反馈。
(5)单相变压器的运行特
对于负载而言,变压器相当于一个电源,要求其供电电压相对稳定;
而对于电网而言,变压器起电能传递作用,要求在传递过程中本身损耗校,效率高。
因此,一般用来表示变压器运行特性的指标有两个:
一是变压器的电压变化率,二是变压器的效率。
一、变压器的外特性及电压变化率
当电源电压和负载的功率因数为定值时,变压器二次侧的端电压U2与二次侧的电流I2之间的关系称为变压器的外特性,即U2=f(I2),如图2-10所示。
图2-10变压器的外特性
从图2-10中可以看出,变压器的外特性与负载的大小和性质有关。
随着负载的增大,对于纯电阻性负载,端电压下降较少;
对于感性负载,端电压下降较大;
对于溶性负载,则端电压有所上升。
变压器二次侧输出电压随负载而变化的程度用电压变化率δ来表示。
所谓电压变化率,是指负载的功率因数一定,依次侧加额定电压,二次侧空载和负载时的电压之差的相对值,即
δ=(U20-U2)/U20Χ100%
式中,U20——二次侧空载时的电压;
U2——二次侧负载时的电压
δ——电压变化率
电压变化率表示了变压器运行时输出电压的稳定性,是变压器的主要性能指标之一。
电力变压器在额定运行时,一般要求δ<
5%
二、变压器的损耗与效率
变压器从电源得到的有功率P1不会全部转为输出功率P2,因传输过程中有能量损耗。
变压器存在两种损耗:
一种是电流流过一次二次绕组上的电阻时产生的损耗,称为铜损耗ΔPCu;
另一种是交变磁通在铁心中所产生的磁滞损耗和涡流损耗,合称为铁损耗ΔPFe。
这些损耗均变为热量使变压器的温度升高。
根据能量守恒定律有
P1=P2+ΔPCu+ΔPFe
变压器的效率为
η=P2/P1Χ100%=P2/(P2+ΔPCu+ΔPFe)Χ100%
随低损耗材料的使用和变压器结构设计的日趋合理,电力变压器的效率逐渐提高,目前可达95%以上。
(6)其他用途变压器及变压器的应用
1自耦变压器
普通变压器一般指双绕组变压器,其一次二次绕组在电路上是互相分开的。
而自耦变压器是一种单绕组变压器,其中一次绕组的部分线圈兼作二次绕组。
因此,自耦变压器的一次二次绕组之间不仅有磁的耦合,在电路上还互相连通,如图2-11所示。
图2-11自耦变压器
与普通变压器一样,当一次绕组接上交流电压U1后,铁心中产生交流磁通,在N1和N2上的感应电动势分别为
E1=4.44fN1Фm
E2=4.44fN2Фm
因此变压器的变比为
K=E1/E2=N1/N2=U1/U2=I2/I1
可见,适当选择匝数N2就可以在二次侧电路中获得所需要电压U2。
若将二次绕组接通电源,则自耦变压器可作为升压变压器使用。
自耦变压器的优点是:
结构简单,节省铜线,效率比普通变压器高。
其缺点是:
由于高低压绕组在电路上是相通的对使用者构成潜在的危险,因此自耦变压器的变比一般不超过1.5~2。
自耦调压器常在实验室中使用。
注意在使用前必须把手柄转到零位,使输出电压为零,以后再慢慢顺时针转动手柄使输出电压逐步上升。
按照电器安全操作规程,自耦变压器不能作为安全变压器使用,因为线路万一按错将可能发生触电事故,因此规定:
安全变压器一定要采用一次绕组和二次绕组互相分开的双绕组变压器。
2变压器的正确使用
变压器在工作中如果使用不当,往往会造成变压器的损坏。
正确使用变压器的依据是工作时尽量使变压器工作在额定状态,由其不能时间过载。
变压器的主要额
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