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论文朱珩应用电子0921
南京化工职业技术学院
毕业论文设计
题目:
关于开发稳压电源的应用研究
姓名:
朱珩
所在系部:
自动控制系
班级名称:
应用电子0921
学号:
0903180107
指导老师:
葛先雷
2011年12月
摘要
本文主要就开关稳压电源的发展方向及其工作原理,并且对开关稳压电源的各种类型的电路原理作用进行研究。
其中包括反激式开关电源、单端正激式开关电源、自激式开关稳压电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源、反转式稳压电源。
稳压电源电路是一个电路的核心,因此对于其保护电路也需掌握,这里就针对直流稳压电源的保护电路讨论了四种,分别为过流保护电路、过电压保护电路、软启动保护电路,过热保护电路。
最后对其的检测方法和优缺点进行了仔细的描述。
关键词开关稳压电源;工作原理;保护电路;检测方法
目录
第一章引言…………………………………………………1
第二章开关稳压电源的发展方向概述……………………2
第三章稳压电源的工作原理及其分析……………………3
3.1稳压电源的工作原理…………………………………………………
3.2稳压电源的电路原理…………………………………………………
3.2.1基本电路框图……………………………………………………
3.2.2基本电路框图的理解……………………………………………
第四章开关稳压电源的各种电路类型……………………6
4.1单端反激式开关电源…………………………………………………
4.2单端正激式开关电源板………………………………………………
4.3自激式开关稳压电源…………………………………………………
4.4推挽式开关电源………………………………………………………
4.5降压式开关电源………………………………………………………
4.6升压式开关电源………………………………………………………
4.7反转式稳压电源………………………………………………………
第五章开关稳压电源的保护电路(直流)………………12
5.1针对直流保护电路的描述……………………………………………
5.1.1开关电源的原理……………………………………………………
5.1.2特点…………………………………………………………………
5.2直流开关电源的保护电路………………………………………………
5.2.1过流保护电路………………………………………………………
5.2.2过电压保护电路……………………………………………………
5.2.3软启动保护电路……………………………………………………
5.2.4过热保护电路………………………………………………………
第六章应用变压器时的检测方法……………………………
第七章开关稳压电源的优缺点………………………………
7.1开关稳压电源的优点……………………………………………………
7.2开关稳压电源的缺点……………………………………………………
第八章开关电源的一些问题总结及其注意事项……………
8.1使用开关电源的原因……………………………………………………
8.2在使用的过程中还有一些问题需要注意:
……………………………
第九章参考文献………………………………………………
引言
稳定电源是各种电子电路的动力源,被誉为电路的心脏。
人所皆知,所有用电设备,包括电子仪器仪表、家用电器等,对供电电压都有一定的要求。
例如,有的电视机要求220V的电网供电电压变化不能超过10%,即从198V到242V之间。
如果超过这个范围,电视机就不能正常收看,甚至会因电压过高而烧坏电视机。
至于精密电子仪器,对供电电压保持稳定不变的要求就更为严格。
为解决用电设备要求供电稳定,而市电电网又难以保证的供求矛盾,人们便研制了各种各样的稳定电源。
所谓“稳定”是指电压或电流的变化小到可以允许的程度,并不是绝对不变的。
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。
根据调整管的工作状态,我们常把稳压电源分成两类:
线性稳压电源和开关稳压电源。
开关电源是一种比较新型的电源。
开关稳压电源(以下简称开关电源)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,用工作频率为20kHz的PWM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。
第二章开关稳压电源的发展方向概述
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。
一、小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积;在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能。
因此,高频化是开关电源的主要发展方向。
二、高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠性。
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通信电源的寿命。
所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。
三、低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯地追求高频化,噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以,尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
四、采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
目前,开关稳压电源按开关调整管的连接方式分类可分成串联型和并联型,两类在工作原理上基本相同,电压调整范围和工作效率也大致相同。
并联型电路在可靠性和安全保护方面较串联型电路要好一些,所以彩色电视机多采用并联型开关稳压电源。
、
、
第三章稳压电源的工作原理及其分析
3.1稳压电源的基本工作原理
开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。
因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。
3.1-
(1)图
对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。
直流平均电压U。
可由公式计算,即Uo=Um×T1/T,式中Um—矩形脉冲最大电压值;
T —矩形脉冲周期;
T1—矩形脉冲宽度。
从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。
这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的
3.2稳压电源的电路原理
3.2.1基本电路图
3.2-
(1)图开关电原基本电路框图
开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。
3.2.2基本电路图的理解
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。
这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。
控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。
第四章开关稳压电源的各种电路类型
4.1单端反激式开关电源
。
4.1-
(1)图单端反激式开关电源
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。
当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。
唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。
4.2单端正激式开关电源板
单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。
4.2-
(1)图单端正激式开关电源
这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。
当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。
为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。
由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200W的功率。
电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。
4.3自激式开关稳压电源
自激式开关稳压电源的典型电路
4.3-
(1)图自激式开关稳压电源的典型电路
这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。
当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。
与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。
在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。
这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。
自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。
电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。
这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。
4.4推挽式开关电源
4.4-
(1)图推挽式开关电源的典型电路
它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。
电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。
这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。
电路的输出功率较大,一般在100-500W范围内。
4.5降压式开关电源
4.5-
(1)图降压式开关电源的典型电路
当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。
当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。
电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。
这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。
4.6升压式开关电源
当开关管VT1导通时,电感L储存能量。
当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。
4.6-
(1)图升压式开关电源的稳压电路
4.7反转式稳压电源
4.7-
(1)图反转式开关电源的典型电路
这种电路又称为升降压式开关电源。
无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。
当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。
当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。
第五章开关稳压电源的保护电路(直流)
5.1针对直流保护电路的描述
着科学技术的发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用,并相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源.同时随着许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展,开关电源技术在不断地创新,这为直流开关电源提供了广泛的发展空间.但是由于开关电源中控制电路比较复杂,晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差,在使用过程中给用户带来很大不便.为了保护开关电源自身和负载的安全,根据了直流开关电源的原理和特点,设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路.
5.1.1开关电源的原理
直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成.功率转换部分是开关电源的核心,它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功能.它主要由开关三极管和高频变压器组成.
5.1图直流开关电源
图1画出了直流开关电源的原理图及等效原理框图,它是由全波整流器,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,直流开关电源的核心部分是一个直流变压器.
5.1.2特点
为了适应用户的需求,国内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,特别是通过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下获得高的磁性能,同时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.因此直流开关电源的发展趋势是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化.
直流开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰,适应恶劣环境和突发故障的能力较弱.由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距,因此直流开关电源的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。
5.2直流开关电源的保护
基于直流开关电源的特点和实际的电气状况,为使直流开关电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作,本文根据不同的情况设计了多种保护电路.
5.2.1过流保护电路
在直流开关电源电路中,为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁.其基本方法是,当输出电流超过某一值时,调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流.如图2所示,过电流保护电路由三极管BG2和分压电阻R4、R5组成.电路正常工作时,通过R4与R5的分压作用,使得BG2的基极电位比发射极电位低,发射结承受反向电压.于是BG2处于截止状态(相当于开路),对稳压电路没有影响.当电路短路时,输出电压为零,BG2的发射极相当于接地,则BG2处于饱和导通状态(相当于短路),从而使调整管BG1基极和发射极近于短路,而处于截止状态,切断电路电流,从而达到保护目的.
5.2-
(1)图过流保护电路
5.2.2过电压保护电路
直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护.如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源(诸如蓄电池和整流器)的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用输入过电压保护电路.图3为用晶体管和继电器所组成的保护电路,在该电路中,当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时,稳压管击穿,有电流流过电阻R,使晶体管T导通,继电器动作,常闭接点断开,切断输入.输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路.
5.2-
(1)图过电压保护电路
5.2.3软启动保护电路
稳压电源的电路比较复杂,开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器.在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍.这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断.另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏.为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电.为了不使该限流电阻消耗过多的功率,以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后,用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电,这种电路称之谓直流开关电源的“软启动”电路,在电源接痛瞬间,输入电压经整流桥(D1~D4)
5.2.3-
(1)图软启动保护电路
和限流电阻R1对电容器C充电,限制浪涌电流.当电容器C充电到约80%额定电
时,逆变器正常工作.经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短
路限流电阻R1,开关电源处于正常运行状态.为了提高延迟,时间的准确性及防止
继电器动作抖动振荡,延迟电路可采用图4(b)所示电路替代RC延迟电路.
目前,软启动保护电路,它能大大减小电视机在使用时保险丝烧坏的可能。
因此在电视机制造方面得到了广泛的应用
5.2.4过热保护电路
流开关电源中开关稳压器的高集成化和轻量小体积,使其单位体积内的功率密度大大提高,因此如果电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求没有相应提高,必然会使电路性能变坏,元器件过早失效.因此在大功率直流开关电源中应该设过热保护电路.
5.2.4-
(1)图过热保护电路
本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度,当电源装置内部产生过热时,温度继电器就动作,使整机告警电路处于告警状态,实现对电源的过热保护.如图5(a)所示,在保护电路中将P型控制栅热晶闸管放置在功率开关三极管附近,根据TT102的特性(由Rr值确定该器件的导通温度,Rr越大,导通温度越低),当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时,热晶闸管就导通,使发光二极管发亮告警.倘若配合光电耦合器,就可使整机告警电路动作,保护开关电源.该电路还可以设计成如图5(b)所示,用作功率晶体管的过热保护,晶体开关管的基极电流被N型控制栅热晶闸管TT201旁路,开关管截止,切断集电极电流,防止过热.
第六章应用变压器时的检测方法
1、通过观察变压器的外貌来检查其是否有明显异常现象。
如线圈引线是否断裂,脱焊,绝缘材料是否有烧焦痕迹,铁心紧固螺杆是否有松动,硅钢片有无锈蚀,绕组线圈是否有外露等。
2、绝缘性测试。
用万用表R×10k挡分别测量铁心与初级,初级与各次级、铁心与各次级、静电屏蔽层与衩次级、次级各绕组间的电阻值,万用表指针均应指在无穷大位置不动。
否则,说明变压器绝缘性能不良。
3、线圈通断的检测。
将万用表置于R×1挡,测试中,若某个绕组的电阻值为无穷大,则说明此绕组有断路性故障。
4、判别初、次级线圈。
电源变压器初级引脚和次级引脚一般都是分别从两侧引出的,并且初级绕组多标有220V字样,次级绕组则标出额定电压值,如15V、24V、35V等。
再根据这些标记进行识别。
5、空载电流的检测。
a、直接测量法。
将次级所有绕组全部开路,把万用表置于交流电流挡(500mA,串入初级绕组。
当初级绕组的插头插入220V交流市电时,万用表所指示的便是空载电流值。
此值不应大于变压器满载电流的10%~20%。
一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应在100mA左右。
如果超出太多,则说明变压器有短路性故障。
b、间接测量法。
在变压器的初级绕组中串联一个10/5W的电阻,次级仍全部空载。
把万用表拨至交流电压挡。
加电后,用两表笔测出电阻R两端的电压降U,然后用欧姆定律算出空载电流I空,即I空=U/R。
F空载电压的检测。
将电源变压器的初级接220V市电,用万用表交流电压接依次测出各绕组的空载电压值(U21、U22、U23、U24)应符合要求值,允许误差范围一般为:
高压绕组≤±10%,低压绕组≤±5%,带中心抽头的两组对称绕组的电压差应≤±2%。
6、一般小功率电源变压器允许温升为40℃~50℃,如果所用绝缘材料质量较好,允许温升还可提高。
7、检测判别各绕组的同名端。
在使用电源变压器时,有时为了得到所需的次级电压,可将两个或多个次级绕组串联起来使用。
采用串联法使用电源变压器时,参加串联的各绕组的同名端必须正确连接,不能搞错。
否则,变压器不能正常工作。
8、电源变压器短路性故障的综合检测判别。
电源变压器发生短路性故障后的主要症状是发热严重和次级绕组输出电压失常。
通常,线圈内部匝间短路点越多,短路电流就越大,而变压器发热就越严重。
检测判断电源变压器是否有短路性故障的简单方法是测量空载电流(测试方法前面已经介绍)。
存在短路故障的变压器,其空载电流值将远大于满载电流的10%。
当短路严重时,变压器在空载加电后几十秒钟之内便会迅速发热,用手触摸铁心会有烫手的感觉。
此时不用测量空载电流便可断定变压器有短路点存在。
第七章开关稳压电源的优缺点
7.1开关稳压电源的优点
功耗小,效率高。
在图
(1)中的开关稳压电源电路中,晶体管V在激励信号的激励下,它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右,在一些技术先进的国家,可以做到几百或者近1000kHz。
这使得开关晶体管V的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可达到80%。
图
(1)开关稳压电源的原理图及其等效原理框图
体积小,重量轻。
从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。
由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后,又省去了较大的散热片。
由于这两方面原因
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