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毕业生论文3.1开关电源的概念和分类 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。开关电源的概念电是工业的动力,是人类生活的源泉。电源是产生电的装置,表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等;在同一参数要求下,又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电,一般都需要经过转换才能适合使用的需求,例如交流转换成直流,高电压变成低电压,大功率变换为小功率等。按照电子理论,所谓AC/DC就是交流转换为直流;AC/AC称为交流转换为交流,即为改变频率;DC/AC称为逆变;DC/DC为直流...

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3.1开关电源的概念和分类 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。开关电源的概念电是工业的动力,是人类生活的源泉。电源是产生电的装置, 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等;在同一参数要求下,又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电,一般都需要经过转换才能适合使用的需求,例如交流转换成直流,高电压变成低电压,大功率变换为小功率等。按照电子理论,所谓AC/DC就是交流转换为直流;AC/AC称为交流转换为交流,即为改变频率;DC/AC称为逆变;DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的,电源变换的方法是多样的。自 20世纪60年代,人们研发出了二极管、三极管半导体器件后,就用半导体器件进行转换。所以,凡是用半导体功率器件作开关,将一种电源形态转换成另一种形态的电路,叫做开关变换电路。在转换时,以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路,称为开关电源(SwitchingPowerSupply)。开关电源在转换过程中,用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器(Off-lineSwitchingCpnwerter),常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成,如图3-1所示。第一部分是输入电路,它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi,此电压送到第二部分进行功率因数校正,其目的是提高功率因数,它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正(ActivePowerFactorCorrection,APFC),是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换,它是由电子开关和高频变压器来完成的,是把高功率因素的直流电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。 第四部分是输出电路,用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部是控制电路,输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器,它产生一种高频波段信号,该信号与控制信号叠加进行脉宽调制,达到脉冲度可调。有了高频振荡才有电源变换,所以说开关电源的实质是电源变换。合设计要求的高方波脉冲电压。第四部分是输出电路,用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压出。第五部分是控制电路,输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器,它产生一种高频波段信号,该信号与控制信号叠加进行脉宽调制,达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换,所以说开关电源的实质是电源变换。 开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点: (1)节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源,它的效率一般可以达到 85%,质量好的可以达到95%甚至更高,而铁芯变压器的效率只有 70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计,美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。 (2)体积小,重量轻。据统计,100W的铁芯变压器的重量为 1200g左右,体积达350cm3,而100W的开关电源的重量只有250g,而且敞开式的电源更轻,体积不到铁芯变压器的1/4。 (3)开关电源具有各种保护功能,不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当,发生短路或断路的事故较多。 (4)改变输出电流、电压比较容易,且稳定、可控。 (5)根据人们的要求,可设计出各种具有特殊功能的电源,以满足人们的需要。 3.1.2开关电源的分类 目前开关电源的种类很多,从工作性质来分,大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关,是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”,而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然,开关在接通和关断期间是有电流、电压存在的,因此,这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多,所以,硬开关在很多地方仍然在应用,如脉宽调制(Pulse器就属于硬开关。目前,很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关,电子开关在零电压下导通,在零电流下关断。可见,电子开关是在“零状态”下工作的,所以,理论上它的损耗为零,对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大,其工作频率可以提高到5MHz以上,开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”,我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道,谐振就是容抗等于感抗,总的电抗为零,电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上,这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡,当振荡倒零时,电子开关导通,称之为零电压导通。同样,流过电子开关的电流振荡到零时,电子开关关断,称之为零电流关断。 总之,电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件,这种变换器称为准谐振变器它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的,固定电子开关导通时间,通过调整振荡频率,最终使电路产生谐振,从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化,它的输出电流也不随用电负载的变化而变化,这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数,我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制,再加上准谐振电路电压峰值高,开关所受到的应力大,目前还没有得到广泛应用。 DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型,它通过控制开关通、 断时间的比例,用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理,从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说,DC/DC 变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑,即降压式(Buck)、升压式(Boost)、升压—降压式(Buck-Boost)、串联式(Cuk)、并联式(Sepic)以及赛达(Zata)。 按激励方式分,有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式,他激式包括调频式(PWF)、调宽式(PWM)、调幅式(PAM)和谐振式(RSM)4种,我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种:正激式(ForwardConverter)、反激式(FeedbackConverterMode)、半桥式(HalfBridgeConverter)、全桥式(OverallBridgeMode)、推挽式(PushDrawMode)和阻塞式(RingingChokeConverter,RCC)等6种。 按谐振方式分,有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式;按能量传递方式分,有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。 3.3开关电源的控制方式 目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式,少数采用脉冲频率调制方式,很少见到混合调制方式。脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,PFM)是将脉冲宽度固定,通过调节工作频率来调节输出电压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器,并利用电压、频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。稳压原理是:当输出电压升高时,控制器输出信号的脉冲宽度不变,而工作周期变长,使占空比减小,输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽,调节方便,输出可以不接假负载,详见图3-2所示的波形图。混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定, 都可以改变。 目前这种调节方式应用得不是很多,产品类型也不多,只是在个别实验室中使用,其原因是两种调制方式共存,相互影响较大,稳定性差。再者,这种开关电源电路比较复杂,集成控制电路也不是很多。但是它的占空比调节范围很宽,输出电压能做到很低。 3.3.1脉宽调制的基本原理 开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例,所以有必要对脉宽调制的基本原理加以了解220V交流输入电压经过整流(BR)滤波后变为脉动直流电压,供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极有脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽 调制器由基准电压源、 误差放大器、PWM比较器和锯齿波发生器组成,如图3-3所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大,然后将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的,当输电压V0下降时,与基准电压比较的差值增加,经发达后输入到PWM比较器,加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后,驱动高频变压器,使变压器初级电压升高,然后耦合到次级,经过二极管VD整流和电容C2滤波后,输出电压上升,反之亦然。 3.3.2脉冲频率调制的基本原理 脉冲频率调制的过程是这样的: 如图3-4所示,从输出电压中取出一信号电压并由误差放大器放大,放大后的电压与5V 基准电压进行比较,输出误差电压Vr,并以此电压作为控制电压来调制 VCO的震荡频率f。再经过瞬间定时器、控制逻辑和输出级,输出一方波信号,驱动MOS开关管,最后经高频变压器TR和整流滤波获得稳定的输出电压V 0。假设由于某种原因而使V 0上升或负载阻抗下降,控制电路立即进行下述闭环调整:V 0↑→Vr↑→f↓→V0↓。该循环的结果是输出电压 V0趋于稳定,反之亦然。这就是PFM的工作原理。假设电源效率为η,脉冲宽度为m,冲频率为f,则有 V0=1Vfm??η。当1Vm?η确定后,通过调制VCO 的震荡频率就可以调节输出电压V0,并实现稳定输出。需要指出的是:a、b、c是压控振荡器外围元件连接端,它们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度。D端为锯齿波电压输入端,由它改变定时器的定时时间。
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