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第2章开关电源的概述8
2.1开关电源的定义8
2.2开关电源的分类8
2.2.1DC/DC变换9
2.2.2AC/DC变换10
2.3开关电源的选用10
2.3.1输出电流的选择10
2.3.2接地11
2.3.3保护电路11
2.4开关电源技术的发展动向11
2.5开关电源的工作原理和特点12
第3章数控直流稳压电源的设计15
设计指导15
第4章软件EWB的应用16
4.2EWB的基本使用方法17
第5章单元电路的设计19
5.1“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计19
5.1.1工作原理20
5.1.2操作方式20
5.2数字显示电路的设计21
5.3D/A转换电路(数模转换器)的设计22
5.4反相求和电路23
5.5调整输出的设计23
5.5.1改进措施24
第6章本设计总体图25
结束语28
参考文献29
谢辞30
第1章绪论
电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障60%来自源,因此,电源越来越受到人们的重视。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。
到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及,但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的,所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了!
开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电源)已有30多年历史,最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管了作于开关状态后,脉宽调制(PWM)控制技术有了发展,用以控制开关变换器,得到PWM开关电源,它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达65~70%,而线性电源的效率只有30~40%。
在发生世界性能源危机的年代,引起了人们的广泛关往。
线性电源工作于工频,因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代,可大幅度节约能源,在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。
随着ULSI芯片尺寸不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;
航天,潜艇,军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机,移动电话等)更需要小型化,轻量化的电源。
因此对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量要小。
此外要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。
第2章开关电源的概述
2.1开关电源的定义
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。
SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用,GTR驱动困难,开关频率低,逐渐被IGBT和MOSFET取代。
开关电源的三个条件:
1、开关:
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态
2、高频:
电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
3、直流:
开关电源输出的是直流而不是交流
2.2开关电源的分类
人们的开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
2.2.1DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
其具体的电路由以下几类:
(1)Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。
(2)Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。
(3)Buck-Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。
(4)Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反,电容传输。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80-90)%。
日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200~300)kHz,功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器(MOS-FET代替肖特基二极管),是整个电路效率提高到90%。
2.2.2AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了AC/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。
按电源相数可分为,单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
2.3开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上,由于其自身电路结构的特点(多级串联),一般的输入干扰如浪涌电压很难通过,在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势,其输出电压稳定度可达(0.5~1)%。
开关电源模块作为一种电力电子集成器件,在选用中应注意以下几点:
2.3.1输出电流的选择
因开关电源工作效率高,一般可达到80%以上,故在其输出电流的选择上,应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流,以使被选用的开关电源具有高的性能价格比,通常输出计算公式为:
Is=K*If
式中:
Is—开关电源的额定输出电流;
If—用电设备的最大吸收电流;
K—裕量系数,一般取1.5~1.8;
2.3.2接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰,对共模干扰敏感的用电设备,应采取接地和屏蔽措施,按ICE1000.EN61000.FCC等EMC限制,形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施,因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。
如利德华福技术的HA系列开关电源,将其FG端子接大地或接用户机壳,方能满足上述电磁兼容的要求。
2.3.3保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能,故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块,并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配,以避免损坏用电设备或开关电源。
2.4开关电源技术的发展动向
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。
开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源工作效率。
对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的的可靠性大大提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。
针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。
电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。
2.5开关电源的工作原理和特点
开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止.将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压,从而产生所需要的一组或多组电压。
转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多.所以开关变压器可以做的很小,而且工作时不是很热。
成本很低。
如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。
开关变压器也不神秘。
就是一个普通的变压器。
这就是开关电源。
开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种,隔离型的必定有开关变压器,而非隔离的未必一定有。
简单地说,开关电源的工作原理是:
1.交流电源输入经整流滤波成直流;
2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;
在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;
开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;
一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源。
以上说的就是开关电源的大致工作原理。
其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。
计算机开关电源的发展经过了AT、ATX、ATX12V三个发展阶段。
AT标准是由IBM早期推出PC/AT机时所提出的,提供+5V、-5V、+12V、-12V四组电压,具备硬开关。
ATX标准的产生具有划时代的意义,实现了软开机关机,可以通过远程网络唤醒,增加了+3.3V、+5VSB输出。
ATX12V是CPU等硬件发展的产物,主要是增加了+12V的输出能力。
开关电源技术参数
输入电压
1.正常情况下,交流输入的电源也可以用于直流输入。
2.当交流输入电压范围为85-264VAC,直流输入电压范围为120-370VDC;
当交流输入电压范围为210-370VDC,或根据开关选择输入范围为85-132VAC/170-264VAC。
输入冲击
指的是电源冷启动时的最大瞬间输入电流。
多路输出
1:
在多路输出电源中所列出的电流是每路输出的最大电流,每路输出的总值均不超过系列电源额定功率范围。
正常情况下,多路输出电源的V1输出是独立于其他几路输出。
对于共地产品,只需将V1的+/-极相应端子与其他几路的其他端子相连即可。
2:
对于多路输出的负载调整率的测试,是将被测试的那一路输出负载在额定值的20%-100%变化,其它各路输出负载都保持在额定值的60%进行。
输出功率
如果将输出电压调高,那么输出电流将相应减少以保持总功率不变。
如果将输出电压调低时,输出电流应不超过标准额定值。
输出纹波与噪声:
1.低频纹波:
频率为输入AC电源频率的2倍(直流输入时无此项)。
2.高频纹波:
频率与开关电源的内部脉冲调制(PWM)频率相同。
3.开关噪声:
与开关脉冲的频率相同中。
4.随机噪声:
与交流输入电压及开关频率无关。
工作温度
指电源在正常工作时的环境温度,如电源安装在设备的机箱内,工作温度就指机箱内部温度,而非室内或室外温度。
因此如果电源的工作温度超过额定标准,建议用户按电源功率定额值的2%/℃减额使用或采取风冷措施以使工作温度低于额定的最高工作温度。
第3章数控直流稳压电源的设计
设计指导
随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研,生活、提供更好的,更方便的设施就需要从数字电子技术入手,一切向数字化,智能化方向发展.本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比,具有操作方便,电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示,主要用于要求电源精度比较高的设备,或科研实验电源使用,并且此设计,没有用到单片机,只用到了数字技术中的可逆计数器,D/A转换器,译码显示等电路,具有控制精度高,制作比较容易等优点。
通过设计巩固学习过的专业知识,也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来;
考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料,和组织材料的综合能力;
通过使用电路CAD软件Protel99se,了解到计算机辅助设计(CAD)的智能化。
此数控直流稳压电源共有六部分,步进电压精确到0.1V控制可逆计数器分别作加,减计数,可逆计数器的二进制数字输出分两路运行:
一路用于驱动数字显示电路,精确显示当前输出电压值;
另一路进入数模转换电路(D/A转换电路),数模转换电路将数字量按比例,转换成模拟电压,然后经过射极跟随器控制,调整输出级,输出稳定直流电压。
为了实现上述几部分的正常工作,需要另制±
15V,和±
5V的直流稳压电源,及一组未经稳压的12V~17V的直流电压。
此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制,使输出0~9V的稳定的可调直流电压。
此原理方框图如下图1所示。
第4章软件EWB的应用
EWB的全称为ELECTRONICSWORKBENCH(电子工作台)
它提供仿真实验和电路分析两种仿真分析手段,可用于模拟电路、数字电路、数模混合电路和部分强电电路的仿真实验、分析和设计。
EWB是一种优秀和易学的EDA软件,与其他仿真分析软件相比,EWB的最显著特点是提供一个操作简便且与实际很相似的虚拟实验平台。
它几乎能对“电子技术”课程中所有基本电路进行虚拟实验又称仿真实验,虚拟实验过程和仪器操作方法与实际相似,但比实际方便、省时。
它还能进行实际无法或不便进行的实验内容,例如观测短路、漏电和过载等非常情况的影响或后果等。
通过存储和打印等方法可以精确记录其实验结果。
它提供十多种电路分析功能,能仿真电路的实际工作状态和性能。
它与其他EDA软件具有较好的互通性,例如:
与常用的电子电路分析软件PSPICE元器件库兼容,电路可通过SPICE网表文件相互转换,电路图可以常用印制电路板排版软件接受的格式输出。
应用EWB,便于实现边学边练的教学模式,使用电子技术课程的学习变的有趣容易。
4.1软件介绍
本附录首先介绍EWB的基本使用方法,然后给出精选的仿真实验与分析训练项目,这些项目考虑了各章的实际训练项目与之相配合或想补充。
电子电路设计的传统方法,是先依据理论进行电路及其参数设计,然后进实验室安装电路,进行调测。
由于理论和工程实际之间往往有较大的差别,因此往往需要较麻烦费时的调整和测试,才能实现设计目标。
学会了EWB的应用,可以在设计好的电路图及其参数后首先进行仿真调试,方便、省时省力省钱的进行调测,得到接近实际的电路及其参数,再进实验室安装电路就易于实现设计目标,这样,读者就学会了一种先进、高效的电子电路设计方法。
4.2EWB的基本使用方法
一、EWB对系统的要求和软件安装
(一)系统要求
1.当运行在MICROSOFTWINDOWS操作系统时要求:
486以上微机;
与之兼容的鼠标器;
8MBRAM(推荐16MBRAM)。
2.约37MB硬盘空间(安装约占17MB,其余用于运行时建立临时文件)。
(二)光盘安装
1.启动WINDOWS,将EWB光盘放入光驱运行其中的SETUP文件。
2.根据屏幕提示信息,确定安装路径、目录,进行安装
二、EWB的主窗口
用鼠标双击EWB图标启动将出现
如图所示的主窗口,其主要组成及个部分作用如下:
1.菜单栏
提供文件管理、创建电路和仿真分析等所需的各种命令。
2.工具栏
提供常用的操作命令如图所示,用鼠标单击某一按钮,可完成上图所示的相应功能。
3、元器件库和仪器仪表库栏
提供了丰富的元器件和常用的仪器仪表,如图所示
4、控制按钮
按钮O/I和PAUSE用于控制仿真实验运行与否。
5、电路工作区
用于电路的创建、测试和分析
第5章单元电路的设计
5.1“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计
EWB设计电路如下:
此部分电路主要用两按钮开关
和单刀双掷开关作为电压调整键,与可逆计数器的加计数CPU时钟输入端和减计数CPD时钟输入端相连,可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块74LS192级联而成。
最上方计数器为产生脉冲的作用。
74LS192是双时钟,可预置数,异步复位,十进制(BCD码)可逆计数器。
5.1.1工作原理
由于输出电压从0V到9.9V可以调节,所以74LS192两计数器总计数范围从00000000到10011001(即0~99),而74LS192本身为十进制可逆计数器,所以只需两块这样的芯片级联就可以达到目的,PL是低电平有效的预置数允许端,PL=0时,预置数输入端P0~P3上的数据被置入计数器。
MR是高电平有效的复位端,MR=1时,计数器被复位,所有输出端都为低电平。
CPU是加计数时钟,CPD是减计数时钟,当CPU=CPD=1时,计数器处于保持状态,不计数。
当CPD=1,CPU由“0”变为“1”时,计数器的计数值加“1”;
当CPU=1,CPD由“0”变“1”时,计数器的计数值减1”。
TCU是进位输出端,当加计数器达到最大计数值时,即达到9时,TCU在后半个时钟周期(CPU=0)内变成低电平,其他情况均为高电平。
TCU是借位输出端,当减计数器计到零时,TCD在时钟的后半个周期(CPD=0)内变成低电平,其他情况下均为高电平。
为实现100进制的计数可把第一块芯片的TCU,TCD分别接后一级的CPU,CPD就可以级联使用,这就达到了0~99的计数。
5.1.2操作方式
当单刀双掷开关向上时,计数器为加计数器,点击电路左上方按钮,即开始计数;
当单刀双掷开关向下时,计数器为减计数器,点击电路左上方按钮,即开始计数。
5.2数字显示电路的设计
EWM仿真如下:
由于在EWB中四输入的七段显示器已经带有译码器功能,所以在本部分电路设计中,直接将计数器连接到显示器上,省去了译码器的加入。
高位连接计数器的高位,低位连接计数器的地位。
5.3D/A转换电路(数模转换器)的设计
EWB仿真如下:
工作原理:
在EWB中,我选用了VDAC元件进行数模转换,其功能为
V0=(1/256)×
(D1×
1+D2×
2+D3×
4+D4×
8)×
2,
此处,设置高位基准电压为-128V,地位基准电压为-12.8V,则反相运用加法计数器,则能得到数字信号转换所对应的模拟电压值。
5.4反相求和电路
反相求和电路的公式为
-V0=(Vi1×
R1/R)+(Vi2×
R2/R)
此处运用反相求和电路,是由于两数字信号
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