開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作辛云宏陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)2007國(guó)賽：設(shè)計(jì)并制作如下圖所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求： 1 1基本要求： 輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU2%（IO=2A）；IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V, UO=36V, IO=2A）；DC-DC變換器的效率70%（U2=18

2、V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=2.50.2A；陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)2 2發(fā)揮部分發(fā)揮部分進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU0.2%（IO=2A）；進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI0.5%（U2=18V）；進(jìn)一步提高效率，使效率 85%（U2=18V, UO=36V, IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測(cè)量和數(shù)字顯示功能。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)電源簡(jiǎn)介電源簡(jiǎn)介由于線性調(diào)節(jié)器式直流穩(wěn)壓電源，存在諸多缺點(diǎn)，如體積大

3、，很難小型化、損耗大、效率低、輸出與輸入之間有公共端，不易實(shí)現(xiàn)隔離，只能降壓，不能升壓，很難在輸出大于5A的場(chǎng)合應(yīng)用。因此開關(guān)電源得到廣泛利用，凡采用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件作為開關(guān)管，通過對(duì)開關(guān)管的高頻開通與關(guān)斷控制，將一種電能形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種電能形態(tài)的裝置，叫做開關(guān)轉(zhuǎn)換器。以開關(guān)轉(zhuǎn)換器為主要組成部分，用閉環(huán)自動(dòng)控制來穩(wěn)定輸出電壓，并在電路中加入保護(hù)環(huán)節(jié)的電源，叫做開關(guān)電源。開關(guān)電源組要組成部分是DC-DC功率變換器功率變換器，因?yàn)樗寝D(zhuǎn)換的核心。高頻開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。分類多，應(yīng)用廣。開關(guān)電源參數(shù)有額定輸出電壓、額定輸出電壓、額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)

4、定范圍，輸出電流的變化范圍和輸額定輸出電流、輸出電壓的穩(wěn)定范圍，輸出電流的變化范圍和輸出電壓的紋波出電壓的紋波。開關(guān)電源應(yīng)具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保開關(guān)電源應(yīng)具有輸出過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)功能，還應(yīng)具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率、低的轉(zhuǎn)換損耗、低的噪護(hù)功能，還應(yīng)具有較高的電能轉(zhuǎn)換效率、低的轉(zhuǎn)換損耗、低的噪聲、好的電磁兼容和絕緣性等聲、好的電磁兼容和絕緣性等。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)直流電源(DC/DC)變換器按其輸入與輸出是否進(jìn)行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場(chǎng)合的

5、需要。在非隔離式變換器中，有降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉(zhuǎn)型變換器的電路結(jié)構(gòu)。在隔離式變換器中，應(yīng)用雙極型晶體管作為開關(guān)且開關(guān)管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激PWM變換器。自激式變換器主要是RCC變換器和Reyer變換器，他激式變換器主要有單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結(jié)構(gòu)。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)非隔離式變換器降壓型（Buck）變換器降壓型（Buck）變換器原圖降壓型（Buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。輸入電壓Uin是未經(jīng)穩(wěn)壓直流電壓；晶體VT1為調(diào)整管，即開關(guān)管UB為矩形

6、波是控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；電感L與電容C組成濾波電路，而VD1為續(xù)流二極管。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)a） VT1導(dǎo)通等效電路圖(b) VT1關(guān)斷等效電路圖（c）VT1關(guān)斷后電流為零等效電路圖降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式；陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)非隔離式變換器升壓型（Boost）變換器 主電路由串聯(lián)在回路中的儲(chǔ)能電感L1，開關(guān)管VT1及整流二極管VD1、濾波電容C1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的DCDC變換器。升壓型（Boos

7、t）變換器原理圖陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。（c）T1 關(guān)斷電感電流為零（a） VT1導(dǎo)通等效電路 （b）VT1 截止等效電路陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)非隔離式變換器極性反轉(zhuǎn)型 (BuckBoost)變換器 主電路所用元器件與Buck、Boost變換器相同，由開關(guān)管VT1、儲(chǔ)能電感L1、整流二極管VD1及濾波電容C1等元器件組成。這種電路具有Buck變換器降壓與Boost變換器升壓的雙重作用。升壓還是降壓取決于PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比D.極性反轉(zhuǎn)型 (BuckBoost)變換器原理圖

8、陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn) （c）VT1關(guān)斷時(shí)電感電流為0效電路圖(b)VT1截止等效電圖（a）VT1導(dǎo)通等效電路圖 陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)非隔離式變換器 CukCuk變換器變換器 Cuk變換器是BuckBoost串聯(lián)變換器它是針對(duì)BuckBoost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動(dòng)值大的缺點(diǎn)。主要電路如下圖所示，它由開關(guān)管VT1、儲(chǔ)能電容器C1、輸入儲(chǔ)能電感L1、輸出儲(chǔ)能電感L2、續(xù)流二極管VD1及輸出濾波電容器C2等元器件組成，開關(guān)管VT1由PWM驅(qū)動(dòng)電路控制的，二極管VD1將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是

9、輸出回路。 Cuk變換器原理圖陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn) (b) VT1截止等效電路圖 （a）VT1導(dǎo)通等效電路 （c) 電流斷續(xù)等效電路圖陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)芯片介紹 MC34063, AZ34063 The AZ34063A is a monolithic switching regulator control circuit which contains the primary functions required for DC-DC converters. This device consists of internal tem

10、perature compensated reference, voltage comparator, controlled duty cycle oscillator with active current limit circuit, driver and high current output switch. The AZ34063A is specifically designed as a general DC-DC converter to be used in Step-Down, Step-Up and Voltage-Inverting applications with a

11、 minimum number of external components. The AZ34063A is available in 2 packages: SOIC-8 and DIP-8.Features Operation from 3.0V to 36V Input Low Standby Current Current Limiting Output Switch Current to 1.5A Output Voltage Adjustable Operation Frequency up to 180KHz Precision 2% Reference陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息

12、技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)隔離式變換器推挽變換器推挽變換器 推挽變換器是一種相當(dāng)兩個(gè)正激變換器的組合。它由逆變器（DC-AC）和高頻整流濾波電路（AC-DC）兩部分主電路及控制驅(qū)動(dòng)電路組成。推挽變換器電路原理圖如下：推挽變換器原理圖陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)推挽式升壓原理：推挽式升壓原理： 根據(jù)變壓器得變壓比：根據(jù)變壓器得變壓比：變壓器兩組線圈圈數(shù)分別為N1和N2，N1為初級(jí)，N2為次級(jí)，在初級(jí)線圈上加一交流電壓，在次級(jí)線圈兩端就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)N2N1時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要比初級(jí)所加得電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器；當(dāng)N2N1時(shí)，為降壓變壓器。這種電路結(jié)構(gòu)特

13、點(diǎn)是：這種電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈，兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系，輪流通斷。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高頻變壓器磁芯利用率高、輸出功率大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單.陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)DC-DC DC-DC 變換器的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)變換器的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)器件的選擇：器件的選擇：控制芯片： KA3525, SG3525, TL494開關(guān)管： IRF640，IFR540 系列 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管；IRF640, 18A, 200V，Rds (on) =0.180歐，所以不

14、會(huì)擊穿同時(shí)導(dǎo)通損耗也比較小。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn) 選用臺(tái)灣KA3525 PWM調(diào)變IC來作此推挽式轉(zhuǎn)換的控制IC，此IC具有振蕩器，利用改變RT與CT之值，就可以設(shè)定PWM的切換頻率；此外尚有兩組PWM輸出、軟啟動(dòng)及完全截止的功能。 KA3525采用電壓模式控制方法。占空比為0-100%，考慮到死區(qū)時(shí)間，最大占空比通常為90-95%。其采用分頻器，可以得到兩路互補(bǔ)的占空比分別為0-50%的PWM信號(hào)，同樣，考慮到死區(qū)時(shí)間的存在，最大占空比通常為45%-47.5%。這樣的PWM信號(hào)試用于半橋、全橋、推挽等雙端電路的控制。 陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電

15、子競(jìng)賽培訓(xùn)KA3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)引腳功能。軟啟動(dòng)： 由于次級(jí)通常有大濾波電容，所以開關(guān)電源在啟動(dòng)時(shí)不以額定功率啟動(dòng)，否則相當(dāng)于短路。因此，只能小電流充滿大濾波電容以后再正常工作。這就是軟啟動(dòng)。KA3525自帶軟啟動(dòng)功能，在第8腳處接5uF電容，充電完成后再振蕩。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)設(shè)定開關(guān)管工作頻率為50KHz，初級(jí)采用抽頭的形式根據(jù)法拉第定律,取原線圈為4匝+4匝。設(shè)原邊最小輸入電壓為16V，副邊最大輸出電壓為42V，所以原副匝比2:6，副線圈為12匝。實(shí)際上由于繞制變壓器工藝的限制，我們的變壓器的原邊線圈是以

16、繞滿一層為止，前提是匝數(shù)不小于4，副線圈的匝數(shù)按匝數(shù)比來繞制. 骨架的選擇應(yīng)選用高頻變壓器骨架，目前常使用的有金屬錳鋅鎂銅等，繞制時(shí)應(yīng)使初、次級(jí)線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減少變壓器漏感，因?yàn)槿绻└羞^大，將會(huì)造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關(guān)管。因此在繞制高頻變壓器線圈時(shí)，應(yīng)盡量使初、次級(jí)線圈之間的距離近些。漆包線線徑的選擇，要使電流大，那么線徑要大，但過大會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，使電流減小。所以可以多組并繞。包膠帶變壓器設(shè)計(jì)繞制陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)前級(jí)電路陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)設(shè)定與穩(wěn)壓開環(huán)穩(wěn)壓 通過改變輸出PWM波的占空比，來調(diào)節(jié)輸出

17、電壓的大?。辉趯?shí)際電路中，DA設(shè)定值接在誤差放大器的同相輸入端上，設(shè)定輸出電壓，輸出電壓的采樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。 緩沖電路輸出電壓有較大尖峰，這是由于開關(guān)管的高頻開關(guān)造成的，尤其是關(guān)斷時(shí)，由于電路有寄生電感，瞬間電路的切斷會(huì)在電感兩端出現(xiàn)沖擊電壓，因此對(duì)開關(guān)管加緩沖電路，并上R、C改善關(guān)斷性能。驅(qū)動(dòng)問題陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院201

18、4電子競(jìng)賽培訓(xùn)后級(jí)電路陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)輸出為全橋整流，四個(gè)整流二極管均并上R、C，因?yàn)楫?dāng)輸入停止的時(shí)候，會(huì)有反動(dòng)電動(dòng)勢(shì)；在輸出端接上加假負(fù)載,如圖R19和R20組成。因?yàn)樨?fù)載開路時(shí)，輸入電感照常周期性地不斷儲(chǔ)能和釋放能量，而能量沒有被負(fù)載消耗，電容將持續(xù)升高即多余的能量都存儲(chǔ)到電容極板間，很快導(dǎo)致電容擊穿。因此接上假負(fù)載，也就說，當(dāng)檢測(cè)到電源處于空載轉(zhuǎn)態(tài)時(shí)，自動(dòng)投入一個(gè)輕負(fù)載，這個(gè)負(fù)載電阻值較大，即能維持輸出電壓為給定值、本身功率損耗又較小。陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)過流保護(hù)電路 當(dāng)電路輸出電流過大，或者負(fù)載短路時(shí)，將對(duì)負(fù)載造成傷害

19、，因此過流保護(hù)是必須的。 陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn) 我們把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)放大后，經(jīng)電壓比較器比較。其中采樣電阻為康銅絲或大功率低阻值電阻，所采集的電流信號(hào)經(jīng)放大后，輸出比較器的同相輸入端，當(dāng)負(fù)載過流時(shí)候，比較器輸出高電平 。Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止KA3525的輸出，對(duì)電路及負(fù)載起了保護(hù)作用，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過程。過流保護(hù)電路陜西師范大學(xué)物理學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2014電子競(jìng)賽培訓(xùn)注意:在每個(gè)模塊都能正常工作的情況下，整機(jī)連調(diào)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)“共地”問題，導(dǎo)致整機(jī)會(huì)有一個(gè)100Hz的工頻