串联与并联型开关稳压电源设计.docx
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串联与并联型开关稳压电源设计
摘要
电子技术和应用迅速地发展,对电子仪器和设备的要求是:
在性能上,更加安全可靠;在功能上,不断地增加;在使用上,自动化程度要越来越高;在体积上,要日趋小型化。
这使开关稳压电源就显得更加重要了。
其在计算机、通信、航天等方面都得到了越来越广泛的应用,这大大促进了其发展,从事这方面研究的人也不断增加,其种类也越来越多。
尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构等各不相同,但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源。
通过对这两大类开关稳压电源计算、分析、研究及设计,目的在于在以后的电子技术中,通过对某些地方的改变,能够发明出相对应所需要的开关稳压电源。
关键词:
开关稳压电源;串联;并联;电子
Abstract
electronictechnologyandapplicationofrapiddevelopmentofelectronicinstrumentsandequipmentrequirementsare:
inperformance,moresecureandreliable;functions,continuedtoincrease;inuse,toincreasinglyhighdegreeofautomation;involume,tobecomeincreasinglysmaller.Thismakesswitchingpowersupplyhasbecomemoreimportant.Inthecomputer,communications,aerospace,etc.havebeengrowingawiderangeofapplications,whichgreatlypromotedthedevelopmentofresearchinthisfieldwhoisalsoontherise,moreandmoreofthetypes.DespitethevariousincentivesWayscircuit,theoutputDCvoltageregulationmeansconnectedtoenergystorageinductor,switchdevicetypesaswellasseries-parallelstructuresvary,buttheycanalwayscomedowntothelastseriesswitchingpowersupplyandParallel-typeswitchingpowersupply.Throughthesetwomajorcategoriesofswitchingpowersupplycalculation,analysis,researchanddesign,thepurposeofelectronictechnologyinthefuturethroughchangestocertainplaces,totheinventionrelativetotherequiredswitchingpowersupply.
Keywords:
switchingpowersupply;inseries;parallelconnection;electron
1前言………………………………………………………………………………………………4
2开关稳压电源……………………………………………………………………………………6
2.1开关稳压电源的结构………………………………………………………………………6
2.2开关稳压电源的优缺点……………………………………………………………………6
3串联型开关稳压电源……………………………………………………………………………8
3.1串联型开关稳压电源的结构………………………………………………………………8
3.2串联型开关稳压电源的工作原理…………………………………………………………9
3.3串联型开关稳压电源的设计………………………………………………………………11
3.3.1开关晶体管V的选择………………………………………………………………11
3.3.2续流二极管VD的选择………………………………………………………………11
3.3.3储能电感L的选择…………………………………………………………………11
3.3.4滤波电容C的选择…………………………………………………………………14
4并联型开关稳压电源……………………………………………………………………………16
4.1并联型开关稳压电源的结构………………………………………………………………16
4.2并联型开关稳压电源的工作原理…………………………………………………………17
4.3并联型开关稳压电源的设计………………………………………………………………18
4.3.1开关晶体管V的选择………………………………………………………………18
4.3.2二极管VD的选择…………………………………………………………………19
4.3.3滤波电容C的选择…………………………………………………………………19
4.3.4储能电感L的选择…………………………………………………………………20
5开关稳压电源中的控制、驱动和保护电路…………………………………………………22
5.1控制电路……………………………………………………………………………………22
5.2驱动电路……………………………………………………………………………………22
5.2.1驱动波形的要求……………………………………………………………………22
5.2.2驱动电路的种类……………………………………………………………………23
5.2.3驱动电路的设计……………………………………………………………………25
5.3保护电路……………………………………………………………………………………25
6毕业设计总结…………………………………………………………………………………27
谢辞…………………………………………………………………………………………………28
参考文献……………………………………………………………………………………………29
1前言
电的电子产品,为了适应电网电压的波动和电路的工作状态变化,更需要具备适应电网电压变化和负载变化的直流稳压电源。
近年来,随着电子技术的发展及人们对如何提高稳压电源的转换效率、增强对电网的适应性、缩小体积减轻重量的研究,使得开关电源应运而生。
来说说开关电源的发展史:
1955年美国的科学家罗耶(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。
此后,利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来,从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。
由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态,所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻,因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。
由于那时的微电子设备及技术十分落后,不能制作出耐压较高、开关速度较高、功率较大的晶体管,所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入,并且转换的速度也不能太高。
60年代末,由于微电子技术的快速发展,高反压的晶体管出现了,从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入,不再需要有工频变压器降压了。
从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关稳压电源。
省掉了工频变压器,又使开关稳压电源的体积和重量大为减小。
开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。
70年代以后,与这种技术有关的高频、高反压的功率晶体管,高频电容,开关二极管,开关变压器铁芯等元器件也不断地被研制和生产出来,使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展,并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中,从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源中的佼佼者。
再来说说国内的发展情况:
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年代中期进入了实用阶段,70年代初期开始研制无工频降压变换器开关稳压电源。
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提高到数百KHZ,把输出功率由数十瓦提高到数百瓦甚至数千瓦,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。
2开关稳压电源
2.1开关稳压电源的结构
图1-1画出了开关稳压电源的原理图及等效原来框图。
它是由全波整流器、开关管V、激励信号、续流二极管VD、储能电感L和滤波电容C组成。
开关稳压电路方框图如图1-1(b)所示,由输入的交流电压或负载电流的变化所引起的输出电压的变化,同样可通过取样电路取出其变化量与基准电路作比较,其误差电压通过比较放大器放大,去控制开关脉冲宽度,以达到稳定直流输出的目的。
脉冲调宽电路的作用是对开关脉冲宽度进行调制,即用误差电压作为调制信号,使开关脉冲宽度受误差电压控制。
(a)
(b)
图2.1开关稳压电源的原理图及其等效原理框图
实际上,开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。
这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。
逆变器:
它是把直流转变为交流的装置。
逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中
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、数值各不相同的多种直流供电电压。
2.2开关稳压电源的优缺点
(1)功耗小,效率高
在图2-1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到截止和截止到导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50HZ左右。
在一些技术先进的国家,可以做到几百KHZ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,其效率可以达到80%。
(2)体积小,重量轻
从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到,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以后,又省去了较大的散热片。
由于这两方面的原因,所以开关稳压电源的体积小、重量轻。
(3)稳压范围宽
开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变压可以通过调频或调宽来进行补偿。
这样,在工频电网电压变化较大时,它仍能保证有较稳定的输出电压,所以开关稳压电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。
此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。
这样,开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较多,设计人员可以根据实际应用的要求,灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
(4)滤波的效率大为提高,使滤波电容的容量和体积大为减小
开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50KHZ,是线性稳压电源的频率的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。
就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500倍。
在相同的纹波输出电压的要求下,采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/500~1/1000。
(5)安全可靠
开关稳压电路一般都具有自动保护电路。
当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时,能自动切断电源,保护功能灵敏可靠。
(6)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工作在开关状态,它产生的交流电压和电流会通过电路中的其它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,由于开关稳压电源震荡器没有工频降压变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
目前,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,因而造价不能进一步降低,也影响到可靠性的进一步提高。
所以,在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中,开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及使用。
特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件,在我国还处于研究、开发阶段。
在一些技术先进国家,开关稳压电源虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在一些问题,不能十分令人满意。
这暴露出开关稳压电源的又一个缺点:
那就是电路结构复杂,故障率高,维修较麻烦。
对此,如果设计者和制造者不予以充分重视,则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。
当今,开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。
3串联型开关稳压电源
3.1串联型开关稳压电源的结构
图3-1是串联型开关稳压电源的原理框图及电路中各点的波形图.由图可见,串联型开关稳压电源的基本电路是由一次整流和滤波、开关晶体管V、续流二极管VD、储能电感L和滤波电容C组成的。
复杂的串联型开关稳压电源电路还包括取样、基准、放大、调节和驱动等电路。
为了分析方便和统一,对一些常用的物理量符号定义如下:
Ui---直流变换器的输入电压;
iC---开关晶体管的导通电流;
iD---续流二极管的正向电流;
uce---开关晶体管的集电极对发射极的电压降;
uL---储能电感两端的电压降;
iL---储能电感中流过的电流;
RL---供电系统的等效电阻;
Io---开关稳压电源的输出电流;
Uo---开关稳压电源的输出电压;
Ton---开关晶体管的导通时间,即开关管集电极输出方波或正弦波正半周的宽度;
Toff---开关晶体管的截止时间,即开关管集电极输出方波或正弦波低电平的宽度;
T-----开关管由开到关一个周期所用的时间,即T=ton+toff;
f-----开关稳压电源的工作频率,它与周期时间T之间的关系为f=1/T;
----开关稳压电源的占空比,也称为占空系数,
=ton/T;
----开关稳压电源的转换效率,它等于输出功率Po与输入功率Pi的比值,即
=Po/Pi;
t
-----上升时间,开关管由完全截止到完全导通所需的时间;
t
-----下降时间,开关管由完全导通到完全截止所需的时间;
t
-----存储时间,是开关管由饱和导通向截止转换时所出现的一段存储时间。
图3-1串联型开关稳压电源原理图及波形图
这里我只给出了发射极输出型的串联开关稳压电源的原理框图和各点的输出波形。
没有给出集电极输出型的串联型开关稳压电源的原理框图和各点输出波形,这是因为它们的工作原理都是一样的,只是输入和输出的电流、电压极性相反。
3.2串联型开关稳压电源的工作原理
把图3-1中所示的标准方波驱动信号加到开关晶体管V的基极,这样开关管V就会周期性地开和关,开关周期为T=ton+toff,占空系数为
=ton/T(
<1)。
它的工作过程可以从开关管的导通、截止以及开关电源实现动态平衡等过程来理解。
在ton=t1-t0期间,开关管V导通,续流二极管VD因反向偏置而截止。
储能电感L两端所加的电压为Ui-Uo。
虽然输入电压Ui是一个直流电压,但L中的电流不能突变,而在V导通的ton期间电流IL1将线性上升,并以磁能的形式在储能电感中储存能量。
这时,L中的电流IL1为
IL1=
(3-1)
式中,IL0为t0时刻的储能电感中的电流,即为起始电流。
在t1时刻,也就是驱动方波正半周要结束的时刻,L中的电流上升到最大值,其大小为
ILmax=
(3-2)
从式(3-1)和式(3-2)可以计算出L中电流变化的最大值△ILmax为
△Imax1=ILmax-IL1=
(3-3)
在toff=t1-t2期间,开关管V截止。
但是在t1时刻,V刚刚截止,储能电感L中的电流不能突变,于是L两端就产生了与原来电压极性相反的自感电动势。
此刻,续流二极管VD开始正向导通,L中的磁能将通过VD和负载电阻RL开始泄放。
这里的二极管VD起着续流和补充电流的作用,这也正是它被称为续流二极管的原因。
此时泄放掉的电流iL2的波形将是锯齿波中随时间线性下降的那一段电流。
为简化计算,将二极管VD的导通压降近似为零,因而L两端的电压近似为Ui,L中的电流iL2为
IL2=
(3-4)
在t=t2时,L中的电流达到最小值ILmin,其大小为
ILmin=
(3-5)
由式(3-4)和式(3-5)可以计算出在开关管截止的这段时间里L中电流变化的最大值△Imax2为
△Imax2=ILmin-(iL2)t=t2=
(3-6)
只有当开关管V导通期间ton内储能电感L增加的电流△Imax1等于开关管V截止期间toff内储能电感L中减少的电流△Imax2,这样才能达到动态平衡,才能保证储能电感L中一直有能量,才能源源不断地向负载电阻RL提供能量和功率。
这是构成电源的最基本条件,所以下面的关系式一定成立:
(3-7)
将式(3-7)化简整理后得到输出电压Uo与输入电压Ui之间的关系为
Uo=
(3-8)
这就是串联型开关稳压电源的输出电压Uo和输入电压Ui之间的比值也刚好等于这个占空比。
由于占空比总是小于1的,所以Uo也总是小于Ui的,故常被称为下降型(降压型)串联开关稳压电源。
式(3-8)中的占空系数
与开关管V的导通时间ton有关。
若保持开关的周期T不变,则通过改变开关管V的导通时间ton,就可以改变和调节输出电压Uo的大小。
因此,由此而设计出的开关稳压电源通常称为调宽型开关稳压电源。
占空系数
不但与开关管V的导通时间ton有关,而且也与开关管V开与关的周期时间T有关,也就是与工作频率f有关。
所以,保持其他条件不变,只改变开关V的周期时间T,同样也可以使输出电压Uo发生变化,这就是频率调制型(或称调频型)开关稳压电源的基本原理。
同时改变开关管V的导通时间ton和开与关的周期时间T(或者工作频率f),同样也可以起到调节和改变占空系数
或者输出电压Uo。
根据这样的原理而得到的开关稳压电源,通常称为混合型开关稳压电源。
3.3串联型开关稳压电源的设计
3.3.1开关晶体管V的选择
选择作为开关器件使用的晶体管,除了要具有放大特性以外,更重要的是应具有快速的开关作用和输出功率大的特点,因而必须满足下列要求:
晶体管V的导通饱和压降Uces要小;
晶体管V截止时的反向漏电流Ico要尽可能地小;
晶体管V的频率特性要好;
晶体管V的开关时间要短,即转换速度要快;
晶体管V的基极驱动电流要小;
由于晶体管V的输出端一般都是感性负载,所以要求晶体管的反向击穿电压要高。
3.3.2续流二极管VD的选择
由串联型开关稳压电源工作原理的分析中已知:
当开关晶体管V截止时,储能电感L中所存储的磁场能量是通过续流二极管VD传输给负载电阻RL的;当开关晶体管V导通时,集电极和发射极之间的电压近似等于零,这时的输入电压Ui就全部加到了续流二极管VD的两端。
可见续流二极管VD的选择一定要符合以下条件:
续流二极管VD的正向额定电流必须要等于晶体管V的最大集电极电流,即应大于负载电阻RL上的电流;
续流二极管VD的反向耐压值必须大于输入电压值Ui;
为了减小开关转换所引起的输出波纹电压,续流二极管VD应选择反向恢复速度和导通速度都较快的肖特基二极管,即快恢复二极管。
为了提高整机的效率,减小内部功耗,一定要选择正向导通电压降低的续流二极管。
3.3.3储能电感L的选择
储能电感L的临界值L0
流过储能电感L的电流不能发生突变,只能近似线性地上升或线性地下降。
而且电感量较大则电流的变化越平滑;电感量越小,电流变化越陡峭。
图1-3是不同的L值对应的iL的关系曲线。
当电感量小到一定值时就会发生这样一种情况:
在开关管截止瞬间,电感L中储存的能量也刚刚释放完毕,这时的ILmin=0。
此时的电感量就称为临界电感量L0。
那么当储能电感L的电感量小于这个临界值L0时会发生什么情况呢?
从图2-3中可以看出,此时(t=tA)开关管尚处于截止状态,但电感L中的电流已变为零,于是电感L上的电压也为零,开关管V及储能电感L上的电压波形就会发生台阶式的突变。
此突变在示波器上极易观察到。
稳压电源在有负载时是不允许出现这种情况的,因为,它将引起电源稳压特性的明显恶化,甚至产生附加的振荡,而使电源无法正常工作。
所以,在设计开关稳压电源电路时,应选择电感量L大于临界电感量L0。
下面就来计算一下储能电感L的临界电感量L0。
图3-2L值对应不同的iL的关系曲线
图3-3L 由定义,只要求出开关管截止瞬间能使ILmin=0时的储能电感值即为电感L的临界电感量L0。 把ILmin=0代入式(2-5)得到 ILmax= (t2-t1=toff)(3-9) 由于流过储能电感L中的平均电流值就等于负载电阻RL上的流过的电流值Io,因而有 (3-10) 把ILmin=0代入式(3-10)得到 ILmax=2Io(3-11) 将式(3-9)和式(3-11)组成二元一次方程组消去ILmax后,便可求得L0为 (3-12) 式中,Uo/Io=RL,toff=T(1- )= ,因而 L0= (3-13) 储能电感L的计算 在串联型开关稳压电源的原理框图3-1中,在忽略了开关管导通饱和管压降Uces后,可以得到 UL=Ui-Uo=Uo(1- )/ (3-14) 在开关管V导通期间,可近似认为流过储能电感L上的电流为平均电流,即为负载电阻RL上的电流Io,因而就可以求得在导通期间ton内存储电感L上电压降为 UL=L (3-15) 式中,△ILmax=ILmax-ILmin,由此可以得到 ( ) ( ) ( ) ( )(3-16) 式中,△ILmax为储能电感L中流过电流iL变化量的最大值,它就是负载电流Io变化量的最大值。 因为当开关管V截止期间,储能电感L上的电流具有最小值,结合储能电感L的有关电流不能突变的特性,可以有 △ILmax<2Iomin 取△ILmax=1
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