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高速电子开关;
LC滤波器
Abstract
Withtheswitchpowersupplyincomputer,communication,aerospace,instrumentationandelectricalappliances,etc,toitswideapplication,andgrowingdemandforpowerefficiency,volume,weightandreliability,etc.Toputforwardhigherrequest.Switchingpowersupplywithitshighefficiency,smallvolume,lightweight,etcadvantagesinmanyrespectsgraduallyreplacedtheefficiencyislow,thestupidandheavylinearpower.Powerelectronictechnologydevelopment,especiallythepowerMOSFETdeviceIGBTandtherapiddevelopmentofswitchpowersupply,willworktoimprovethefrequencyofhighlevel,whichhashighstabilityandhighperformancecharacteristics.Themainpurposeoftheswitchpowersupplytechnicalservicesfortheinformationindustryisone.Thedevelopmentofinformationtechnologyonpowertechnologyandputforwardhigherrequest,soastopromotethedevelopmentofswitchpowertechnology.Frequencyconversionofswitchpowersupplycircuit,commonformsofpush-pull,allhavetransformcircuit,halfbridge,bridgeandsinglestraightexcitationflybacketc.Thispaperexpoundsakindofgraduationdesignusingpulsewidthmodulation(PWM)technologywithhighfrequencyelectronicselectronicswitch,transformerandLCfilterscommunicateswitchmanostatrealizationideasandassemblingaprototype.WiththetraditionalthyristoradjustableAngleinterfluentstablepowersupply,highefficiency,smallvolume,lowdegreeofnonlineardistortions,outputvoltageandcurrentstabilityetc
Keywords:
Switchingpowersupply;
PWMtechnology;
High-speedelectronicswitch;
LCfilters
目录
绪论5
第一章电源的发展概况6
1.1开关稳压电源的发展6
1.2开关稳压电源电路结构6
1.3开关稳压电源的特点7
1.4开关稳压电源的种类8
1.5开关电源的发展趋势9
第二章整机电源的设计10
2.1设计要求10
2.2开关电源电路总体设计10
2.2.1硬件框图10
2.2.2整流滤波电路图11
2.2.3主控电路图11
2.2.4设计说明13
2.2.4.1电路的工作原理13
2.2.4.2工作控制方式13
2.2.5元件介绍13
2.2.5.1F9530N介绍13
2.2.5.2触发器13
2.3稳压电路15
2.3.1+5V稳压电路17
2.3.2-5V稳压电压电路17
2.4电源输噪声17
2.4.1噪声的来源17
2.4.2抗干扰设计的基本原则18
2.4.3电源噪声的减小方法19
2.5电路保护20
2.5.1极性保护20
2.5.2防浪涌软启动电路20
2.5.3短路保护20
2.5.4过压、欠压及过热保护21
第三章存在的不足与改进23
参考文献24
附录25
绪论
开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。
它于90年代中、后期相继问世后,便显示出强大的生命力,目前它成为国际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。
由它构成的开关电源,在成本上与同等功率的线性稳压电源相当,而电源效率显著提高,体积和重量则大为减小。
这就为新型开关电源的推广与普及,创造了良好条件。
开关电源技术属于电力电子技术,它运用功率变换器进行电能变换,经过变换电能,可以满足各种用电要求。
由于其高效节能可带来巨大经济效益,因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。
[1]
传统采用工频变换技术的相控电源相比,开关电源采用大功率开关管的高频整流电源,在技术上是一次飞跃,它不但可以方便地得到不同的电压等级,更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。
由于采用高频功率变换,使电源装置显著减小了体积和重量,而有可能和设备的主机体积相协调,并且使电性能得到进一步提高。
正因为如此,我国作出重大决策,要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。
现在从实践中已经证明,这一决策是完全正确的。
开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。
由于变换效率提高,能耗减少,降低了电源周围环境的室温,改善了工作人员的环境。
我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。
值得指出的是,近两年来出现的电力系统直流操作电源,是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的,它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。
国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。
目前,国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家,形成规模的有十多家。
国产开关电源已占据了相当市场,一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同,在电源市场竞争中颇具优势,并有少量开始出口。
能源在社会现代化方面起着关键作用。
电力电子技术以其灵活的功率变换方式,高性能、高功率密度、高效率,在21世纪必将得到大力发展,而开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。
随着半导体技术和微电子技术的高速发展,集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现,使得电子设备的体积在不断地缩小,重量在不断地减轻,所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想,他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器,使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要,这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难
第一章电源的发展概况
1.1开关稳压电源的发展
开关电源问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%~40%。
因此,用开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;
而航天、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也要小。
此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。
40多年来,开关电源经历了三个重要发展阶段。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。
高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。
[2]
我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期,到60年代中期进入实用阶段,70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。
1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。
近10多年来,我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右,输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源,并应用于电子计算机、通信、电视等方面,取得了较好的效果。
工作频率为100kHz—200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制,90年代初期就已试制成功。
目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。
许多年来,虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力,并取得了可喜的成果,但是,目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。
此外,这些年来,我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz,把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦,但是,由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展,导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。
所以我国的开关稳压电源事业要发展,要赶超世界先进水平,最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。
1.2开关稳压电源电路结构
由全波整流器,开关管V,激励信号,续流二极管Vp,储能电感和滤波电容C组成。
实际上,开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。
直流变换器,它是把直流转换成交流,然后又把交流转换成直流的装置。
这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。
采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。
图1-1开关电源原理图
1.3开关稳压电源的特点
随着电子技术的发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,对电源的要求更加灵活多样。
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。
传统的晶体管串联调整稳压电源,是连续控制的线性稳压电源,这种传统稳压电源技术比较成熟。
并且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。
但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用,滤波器的体积和重量也很大。
而调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右,另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,于是它很难满足电子设备发展的要求。
从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。
开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电压。
以功率晶体管为例,当开关管饱和导通时,集电极和发射极两端的压降接近零,在开关管截止时,其集电极电流为零,所以其功耗小,效率可高达70%~95%。
而功耗小,散热器也随之减小,同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器;
此外,开关工作频率在几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。
因此开关电源具有重量轻,体积小等特点。
另外,由于功耗小,机内温升低,从而提高了整机的稳定性和可靠性。
而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%,而开关型稳压电源在电网电压从110V~260V范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。
开关稳压电源中,功率调整开关晶体管V工作在状态,它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。
此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
1.4开关稳压电源的种类
开关型稳压电源的发展以来于半导体器件和磁性材料的发展。
随着电子工业的发展,高频率,高耐用,打功率开关管的问世。
70年代以来,无工频电源变压器的开关型稳压电源在世界各工业化国家中已普遍成为商品,电路可直接从电网整流供电,更显示了突出的优越性。
因此,以其自身功耗小,体积小,重量轻,得到越来越广泛的使用,尤其适应于打功率其负载固定,输出电压调节范围不打的场合。
80年代开关电源技术不断有新的突破,出现了许多不同种类的开关稳压电源。
(1)按激励方式划分
他激式:
电路中转设激励信号的振荡器
自激式:
开关管兼作振荡器中的振荡管。
(2)按调制方式划分
脉宽调制型:
振荡频率保持不变,通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小,有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路,来稳定输出电压的幅度。
频率调制型:
占空比保持不变,通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。
混合调制型:
通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。
(3)按开关管电流的工作方式划分
开关型:
用开关晶体管把直流变成高频标准方波,电路形式类似于他激式。
谐振型:
开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波,电路形式类似于自激式。
(4)按开关晶体管的类型划分
晶体管型:
采用晶体管作为开关管。
可控硅型:
采用可控硅作为开关管,这种电路的特点是直接输入交流电,不需要一次整流部分。
(5)按储能电感与负载的连接方式划分
串联型:
储能电感串联在输入与输出电压之间。
并联型:
储能电感并联在输入与输出电压之间。
(6)按晶体管的连接的连接方式划分
单端式:
仅使用一个晶体管作为电路中的开关管,这种电路的特点是价格低,电路结构简单,但输出功率不能提高
推挽式:
使用两个晶体管,将其连接成推挽功率放大器形式。
这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头
半桥式:
使用两个晶体管,将其连接成半桥形式。
它的特点是适应于输入电压较高的场合。
全桥式:
使用四个开关晶体管,将其连接成全桥形式。
它的特点是输出的功率比较大。
1.5开关电源的发展趋势
随着电子产品轻、薄、小的发展趋势,要求电子元件体积更小,耗能更低。
开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断的改进。
高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化,成了开关电源的发展方向。
[4]
(1)高效率。
为了使开关电源轻、小、薄,高频化(开关频率达兆赫级)是必然发展趋势。
而高频化又必然使传统的PWM开关(属硬开关)功耗加大,效率降低,噪声也提高了,达不到高频、高效的预期效益,因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。
采用软开关技术可使效率达到~%。
(2)高可靠。
开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性。
从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
追求寿命的延长要从设计方面着眼,而不是从使用方面着想。
美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高,产品的MTBF高达00万小时以上。
(3)模块化。
无论是AC/DC或是DC/DC或是变换器都是朝模块化方向发展。
其特点是:
可以用模块电源组成分布式电源系统;
可以设计成N+冗余电源系统,从而提高可行性;
可以做成插入式,实现热更换,从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件;
多台模并联可实现大功率电源系统。
此外,还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量。
(4)低噪声。
开关电源的又一缺点是噪声大,单纯追求高频化,噪声也随之增大,采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以高频化,又可以低噪声。
但谐振转换技术也有其难点,如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。
(5)抗电磁干扰(EMI)。
当开关电源在高频下开关时,其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰,世界各国已有抗EMI的规范或标准,如美国的FCC、德国的VDE等,研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。
(6)高频化,开关电源发展的方向
开关电源成为现代电子设备中不可缺少的部分,要实现高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化的发展,高频化是关键技术。
第二章整机电源的设计
2.1设计要求
在设计的初始阶段,对于整个电路框架电路,主要是为了实现整机的供电系统。
其中:
(1)为模拟电路提供+12v稳定的直流电压;
数字电路提供+5v的直流电压:
A÷
D转换提供-5v基准电压:
+5v基准电压:
外通信提供+5v电压;
(2)整个系统可接+12v充电电池供电;
(3)对于开关系统,可由面板控制开机和关机,也可由单片机控制关机,为了使数据精确,需要模拟地和数字地电平同电位,如果电位差大了,则保护关机;
(4)为了减少耗电,节约资源,无信号时间超过15分钟自动切换到待机状态;
(5)液晶显示屏+10v背光电源。
2.2开关电源电路总体设计
2.2.1硬件框图
220V交流电压经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路,开关调整电输出稳定的直流电。
用户可根据需要通过键盘控制电源的开关,也可有单片机系统自动对电源工作监控,然后根据设置的程序控制开关调整电路,使电源按照预定的设计进行工作。
图2-1电源硬件结构图
图2-2电源硬件框图
2.2.2整流滤波电路图
图2-3整流滤波电路
交流电压经变压器降压后,经过桥式整流电路,变换成方向不变,大小随时间变化的脉动电压。
流出整流电路的脉动电压再流经电容滤波电路,将含较大谐波成分的脉动电流的交流分量滤去,得到平滑的直流电压。
2.2.3主控电路图
该电源可接12V稳压电源,也可接12V充电电池。
开机和关机通过芯片14093组成RS触发器电路控制VMOS器件F9530N的导通和截止来实现。
控制上可通过操作按键实现开机,关机,也由单片机T1脚输出关机控制.以降低电池的空耗。
F9530N输出的+12V电压再经整理,滤波输出+5V,-5V,-12V电压。
图2-4主控电路图
2.2.4设计说明
2.2.4.1电路的工作原理:
双稳态RS触发电路由U24A和U24B构成,U24的3脚作为RS触发器的Q端,当Q端输出高电平时,驱动管Q1导通,驱动VMOS开关管F9530也导通,整机获得供电,开始工作。
2.2.4.2工作控制方式:
(1)接入电源后,由于C2充电比C1慢,可以认为C2上电压为0,U24B管脚6为低电平,4脚输出高电平,1脚也为高电平,使得3脚为低电平,Q1截止。
当线路地电压由于供电正常引起比电池地电平高到一定电位的时候,Q2导通,C2快速放电为低电平,使Q1截止,从而保护电路。
(2)开关START按下,则U24A管脚2输入低电平脉冲,则使RS触发器翻转,Q端输出高电平使Q1导通,整机供电,另外管脚1由于反馈为低电平,维持3脚输出高电平,Q1持续导通;
同时START键释放,C2充电为高电平。
(3)开关STOP键按下,3脚直接为低电平输入,Q1截止,工作停止;
触发器U24B管脚4输出高电平,和管脚1同时输入高电平使U24A输出低电平维持Q1截止。
(4)当仪器较长时间无人工操作时,单片机定时计数器T1脚输出低电平控制信号时,Q3截止,U24C管脚8、9输入高电平,10脚输出低电平,触发器输出置0,Q1截止,实现关机,减少电耗。
2.2.5元件介绍
2.2.5.1F9530N介绍
由于VMOS管具有输入阻抗高、驱动电流小、开关速度快,通频带宽等优点,且偏置电阻可以取得很大,因此控制回路消耗功率极小,故选取VMOS大功率管F9530N为开关管。
外接电源由+12V整流电压或电池+12V电压通过切换开关COAX接入,送入F9530N源极,只要开关管F9530N饱和导通,则输出端漏极电位近似为+12V。
F9530N所示:
图2-5P沟道增强型F9530N主要参数
2.2.5.2触发器
触发器由双稳态的触发器构成。
如图2-6
图2-6由RS触发器构成的双稳态开关控制电路原理图
这部分电路除了要考虑可控制性,还应考虑的它的待机耗电量,由于这部分电路是控制电源开关,无论在仪器工作还是不工作都一直要耗电,故功耗是主要要求考虑的问题。
[5]CMOS门电路构成的触发器具有功耗低、抗干扰能力强、电源适应范围大等优点,故采用CMOS与非门MC14093B(U24)作为RS触发器主芯片。
MC14093B(U24)门电路具有很好的抗干扰能力。
MC14093B(U24)主要的电路参数和管脚资料,如图所示。
最大额定值(Vss为基
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