推挽式开关电源设计

推挽式开关电源 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 推挽式开关电源设计 洛 阳 理 工 学 院 毕 业 设 计(论 文) 题目,推挽式开关电源的设计 2013年5月30 日 洛阳理工学院毕业设计(论文) 推挽式直流电源开关的设计 摘 要 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求、如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。开关电源具有功耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪 表 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 、影音设备、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。本文首先介绍开关电源的基本原理，而后介绍广泛应用于开关电源的双端输出驱动器UC3524，并以驱动器UC3524为基础，通过打印机电源电路，讲述推挽式开关电源工作原理。 关键词:电能变换，开关电源，UC3524，推挽式开关电源 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ I 洛阳理工学院毕业设计(论文) Design of a push-pull DC switching power supply ABSTRACT Power is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, the rapid development of agriculture, energy, transportation, information, national defense, education and other fields, for the power industry made more, higher requirements, such as energy saving, energy saving, material saving, reduced body weight loss, environmental protection, reliable, safety etc.. This has forced the power workers continue to explore in the power development process, to seek a variety of related technology, the power to make the best products, to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply equipment, compared to traditional linear power supply, high technological content, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic benefit. Switching power supply with low power consumption, high efficiency, wide voltage range, small size, and other advantages, is widely used in communication equipment, numerical control equipment, instrumentation, audio and video equipment, household appliances and other electronic circuits. This paper first introduces the basic principle of switching power supply, then introduce dual output driver UC3524 is —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ widely used in switching power supply, and to drive UC3524 as the foundation, through the printer power supply circuit, on the working principle of push-pull switching power supply. KEY WORDS: transformation of electrical energy, transformation of electrical energy,UC3524, transformation of electrical energy II 洛阳理工学院毕业设计(论文) 目 录 前 言 ................................................................................................ 1 第1章 绪论 ...................................................................................... 2 1.1开关电源的发展历程 ............................................................. 2 1.2开关电源的分类 ..................................................................... 3 1.2.1按电路的输出稳压控制方式分类 ................................. 3 1.2.2按开关电源的触发方式分类 ........................................ 3 1.2.3按输入与输出是否隔离分类 ........................................ 3 1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类 ..................... 4 1.3开关电源的主要技术指标 ..................................................... 4 1.4开关电源电路组成 ................................................................. 5 1.5电源电路的主要特点 ............................................................. 5 1.6开关电源的特点 ..................................................................... 6 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 第2章 开关器件 ............................................................................... 7 2.1开关器件的特征 ..................................................................... 7 2.2开关器件的分类 ..................................................................... 7 2.3常见开关器件介绍 ................................................................. 8 第3章 开关电源的基本原理 ......................................................... 10 3.1开关电源拓扑结构 ............................................................... 10 3.1.1非隔离式开关电源拓扑结构 ...................................... 10 3.1.2隔离式电源开关拓扑结构 .......................................... 12 3.2 推挽式开关变换电路基本原理 .......................................... 14 3.3各种不同开关变换电路的比较 ........................................... 16 第4章 UC3524介绍 ........................................................................ 17 4.1 UC3524介绍 ........................................................................ 17 4.2 UC3524的内部结构及其原理 ............................................. 17 第5章 UC3524组成的高压开关电源分析与设计 ......................... 20 5.1基于UC3524的高压开关电源原理分析 ............................ 20 5.2变压器绕制步骤 ................................................................... 22 III 洛阳理工学院毕业设计(论文) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 5.3开关电源的电磁兼容性问题 ............................................... 23 5.3.1电磁兼容性 .................................................................. 23 5.3.2电磁兼容问题要素 ...................................................... 23 5.3.3解决开关电源的电磁兼容性 ...................................... 24 结 论 ................................................................................................ 25 谢 辞 ................................................................................................ 26 参考文献 .......................................................................................... 27 IV 洛阳理工学院毕业设计(论文) 前 言 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、 能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅猛发展，对电源产业 提出了更多、更高的要求:如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、 可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻 求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开 关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高， 耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。自20世纪50年代， 美国航空航天局为开发设计搭载火箭，研发制造以小型化，重量轻为 目标的首个开关电源以来，在将近半个多世纪的发展中，开关电源慢 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 慢逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并且广泛应用到电力电子整机设备中。伴随集成电路的发展，开关电源逐步向集成化方向发展，趋于模块化和小型化。将近20年以来，集成开关电源向着两个方向发展。第一个方向是向着中、小功率开关电源单片集成化的方向发展，美国电源集成公司(Power Integrations)1994年率先研发成功三端隔离式PWM型单片开关电源在世界上，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch-Fx 、TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-GX、LinkSwitch、PeakSwitch等系列产品。第二个方向是对开关电源的控制电路实现集成化，1977年国外首先研发制造出脉宽调制(PWM)控制器集成电路，Silicon General公司、美国Motorola公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研发制作出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。 与国外开关电源技术相比，中国从1977年才刚开始进入初步发展期，起步较晚，技术比国外落后些。目前国内DC/DC模块电源市场主要被外国品牌所占领，他们占领了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，伴随着国内技术的进步及生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在迅速被国产DC/DC产品所替代。 本文主要是引入UC3524驱动器来介绍推挽式开关变换电路的基本原理，通过打印机电路来详细分析其主要的工作过程。 1 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第1章 绪论 1.1开关电源的发展历程 随着电子技术的发展，DC/DC电源已经形成一个庞大的工业，材料、工艺、外封装的不断改进,使DC/DC产品普遍被工业界采用，并在军界、医疗、宇航等领域迅速推广。现已有数家产值达数千万美元的公司生产DC/DC电源，产品从0.5瓦至上千瓦。从单输出到多输出，也有的公司把自己的DC/DC模块产品组合设计成用户需要的电源系统。 激烈的竞争局面,导致各厂家积极采用先进技术,使模块以最小的体积达到最高的功率输出,某些新产品的功率密度已可达每立方英寸10瓦。提高效率和输出功率是大家追求的目标,场效应开关管，肖特基整流管以及磁性材料的改进,都是关键因素。 计算机工业的发展给DC/DC电源提出了新的目标。以往的TTL电路逻辑电压为5V，超大规模集成电路的驱动电流较大, 一个需5A电流的设计至少要25瓦输出的电源模块。为节省能源,新的CMOSIC设计使电压降为 3.3V ，同样需5A电流则可仅用16.5瓦的模块。目前一些超大规模集成电路生产厂家有意把电压降至2 .9V 、2.1 V ,以节省电力,因对DC/DC电源产品带来了新的挑战。目前DC/DC模块的设计人员采用同步整流技术在一定程度上使效率有所提高,但最终的改进尚依赖于半导体元件性能的改善。为解决DC/DC模块的控制电路。使用一—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 定规模的集成电路将使DC/DC模块性能得到革命性的进步。 DC/DC模块的外封装的散热也是个关键间题。由于体积的限制,模块外壳需有良好的导热能力, 否则将烧毁内部半导体元件。近几年已有把电路印刷在铝制或陶瓷荃板上的DC/DC产品间世。铝板和陶瓷板导热较好, 给DC/DC模块的发展提供的新的方向。 2 洛阳理工学院毕业设计(论文) 1.2开关电源的分类 1.2.1按电路的输出稳压控制方式分类 按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制模式(PWM)式、脉冲频率调制式(PFM)和脉冲调频调宽式三种: (1) T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM) (2) 保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)。 (3) 既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。 1.2.2按开关电源的触发方式分类 (1) 自激式开关电源 自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡,使开关电源输出直流电压。在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。 (2) 它激式开关电源 它激式开关电源必须有一个振荡器，以便产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。 1.2.3按输入与输出是否隔离分类 (1) 隔离式开关变换器:它是将高频变压器变换器的输入一次侧与输出二次侧隔离。这些变换器类型主要有单端正激式变换器和推挽式变换器，单端反激式变换器，全桥式变换器，半桥式变换器。 (2) 非隔离式开关变换器:它是指输出与出入在电气上不隔离，输出与输入共用一个端子。非隔离式变换器类型主要有降压型(Buck)变换器，降压,升压(Buck-Boost)变换器，升压型(Boost)变换器，以及组合变形电路。 3 洛阳理工学院毕业设计(论文) 1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类 (1) 硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。这样不但会形成开关尖峰干扰噪声，而且会产生开关损耗，需要附加屏蔽，滤波等抗噪声技术，才可满足高性能，高精度用电设备的要求。 (2) 软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的;例如;流过开关管的电流为零，称零电流开关—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (ZCS);加在开关管上的电压为零，称零电压开关(ZVS)。因开关过程中无电压，电流重叠(理想情况)，开关损耗大大降低，而且开关噪声比较小，有利于开关变换器的小型化，高频化。 1.3开关电源的主要技术指标 开关电源有以下主要技术指标: (1) 输入的电压变化范围:当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压变化范围。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围就越宽。它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。 (2) 输出内阻R0:输出电压的变化量ΔU0与输出电流的变化量ΔI0的比值。这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳压性能越好。 (3) 效率?:电源输出功率P0与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。 (4) 输出纹波电压:由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的直流电压U0上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。 (5) 输出电压调节范围:由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (6) 输出电压稳定性:输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化 4 洛阳理工学院毕业设计(论文) 量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。 (7) 输出功率P0:电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。 1.4开关电源电路组成 电源电路一般由主开关电路、副电源、辅助电路等组成。 (1) 主开关电源:主开关电源的输出功率较副电源、辅助电路的输出功率要大。它将220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC/DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。主开关电源主要是为主负载电路提供110V-145V的直流电压。电源电路的遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去直流供电。 (2) 副电源:副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供+5V的供电电压。副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源，也可以采用传统的线性稳压电路。无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。 (3) 辅助电路:将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。由于辅助电路是将行输出级经直流-交流-直流做两次变换，所以又称为二次电源。行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描以及图像和伴音通道供电。 1.5电源电路的主要特点 电源电路的主要特点有: (1) 由于负载均属高可靠性设备，对电源的要求较高，因此除了提供大的功率外，还要求有较高的效率。 (2) 为扩大仪器设备的使用范围，要求电源电路能适应110V和220V交流供电的需要。 (3)为了使负载仪器设备使用安全，要求机芯为冷底板设计，所以输出 5 洛阳理工学院毕业设计(论文) 稳压取样反馈回路普遍采用光电耦合进行电源初、次级侧的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。 (4) 要求电源电路有良好的过压、过流、输出短路、X射线保护及复位功能。 (5) 为了保证遥控待机功能的正确实现，电源电路一般还加有副电源电路。副电源电路功率不大，一般在几瓦左右，既可以用开关电源实现，也可以用线性电源实现。 1.6开关电源的特点 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%-90%,高的可达90%以上。 (2) 重量轻。由于开关电源的交流输入省掉了电源变压器，节省了大量漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了。 (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90V-270V内变化时，输出电压变化在2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。 (4) 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切换电源，保证其功能可靠。 (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHZ以上，因此滤波原件的数值可以大大减小，从而减小功耗，特别是，由于功率开关管在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围原件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。 6 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第2章 开关器件 2.1开关器件的特征 (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至mW级，大至MW级，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 大多数远大于处理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定;阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不至于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器，导通时，器件上有一定的通态压降，形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过;形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总成开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是开关器件功率损耗的主要原因。当开关器件开关频率较高时，开关损耗会随时增大，可能成为开关器件功率损耗的主要原因。 2.2开关器件的分类 (1) 半控型器件:半控型器件是指通过控制信号可以控制其导通但不能控制其关断，晶闸管及其大部分派生器件的关断由其在主电—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 路中承受的电压和电流决定。 (2) 全控型器件:全控型型器件是指通过控制信号既可以控制其导通 7 洛阳理工学院毕业设计(论文) 又可控制其截止，又称为自关断器件，如电力场效应晶体管MOSFET，门极可关断晶闸管GTO，绝缘双极晶体管IGBT。 (3) 不可控器件:不可控器件是指不能用控制信号来控制其关断，即不需要驱动电路。如电力二极管只有两个端子，它的导通和截止是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 2.3常见开关器件介绍 (1) 电力二极管:电力二极管自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器，并已开始逐步取代汞弧整流器。虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略，且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 (2) 电力场效应晶体管:电力场效应晶体管主要指绝缘栅中的MOS型，简称电力MOSFET。其特点是:用栅极电压来控制漏极电流，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电源电子装置。 图2-1 电力MOSFET内部结构图 电力场效应管内部结构如图2-1所示，其原理为:在截止状态，漏源极之间 8 洛阳理工学院毕业设计(论文) 电压为0。P基区和N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间没有电流通过;在导电状态，在栅源极之间加正电压UGS,栅极是绝缘的，即不会有栅极电流流过，但是栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，使得P区中的电子被吸引到栅极下面的P区表面。当UGS的电压大于开启电压(或阀值电压)UT时，栅极下P区表面的电子浓度将会超过空穴浓度，使P型半导体成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。 电力MOSFET开关时间在10-100 ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要开关器件中最高的。它属于场控器件，静态时几乎不需要输入电流，但在开关过程中需对输入电容充放电，故仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率就越大。 (3) 绝缘栅极双极晶体管:绝缘栅极双极晶体管即IGBT为三端器件，分别有栅极G，集电极C，和发射极E。IGBT的驱动原理与—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电力MOSFET基本相同，它是场控器件，其通断由栅射极电压UGE决定。需导通时，UGE大于开启电压，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通;导通时有一压降，电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小;需关断时，栅射极间施加反压或不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 9 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第3章 开关电源的基本原理 3.1开关电源拓扑结构 开关电源(直流变换器)的类型很多，从输入输出有无隔离角度，开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。这两种类型中又各自包含有不同的电路拓扑种类。每种结构都有各自的特点，适用于不同的应用场合，下边将对各种开关电源拓扑结构简要叙述和比较。 3.1.1非隔离式开关电源拓扑结构 非隔离式电路是指输入端与输出端电气相通，没有隔离。非隔离式又可分串联式结构、并联式结构和极性反转式结构三种电路拓扑结构，这三种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样。 (1) 联式结构特点和工作原理 :图3-1所示为串联式结构，这种结构的特点是:在主回路中开关器件T与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。正常工作时，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的作用下周期性地在导通和截止直接交替转换。—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 功率开关晶体管T交替工作于导通/截止两种状态，当功率开关管T导通时，电源输入端通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当功率开关管T截止时，电感器L中的反向电动势使得续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量将通过续流二极管D形成回路，对负载RL持续续供电，从而保证了负载端获得。 图3-1串联式开关稳压电路主回路 10 洛阳理工学院毕业设计(论文) 串联式结构中，输出电压与输入电压成线性比例关系，其表达式为:Vo=Vi×D，D为开关器件T的占空比，D越大输出越大，其最大值为1，因此串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压，通常适合于降压式变换。 (2) 并联式结构的特点和工作原理:如图3-2所示为并联式结构，并联式结构与串联式结构比较而言有相同的组成部分，只是他们的位置被重新布置了一下。这种结构的特点是:在主回路中开关器件T与输出端负载成并联连接的关系。开关晶体管T交替工作于导通/截止两种状态，当开关晶体管T导通时，输入端电源通过功率开关管T对电感器L进行充电，同时续流二极管D截止，电容器存储的电能对负载RL进行供电;当晶体开关管T截止时，续流二极管D导通，输入端电源的电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载RL进行持续供电，并同时对电容器C充电。 图3-2并联式开关稳压电路主回路 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 由此可见，在并联结构中，能够得到高于输入电压的输出电压，升压式变换电路的称谓就是由此而来，适合于输出电压比输入电压高的环境，并且由于要求获得的负载电流连续，并联结式构比串联式结构对输出滤波电容器C的容量有着更高的要求。 (3) 极性反转型变换器的结构:图3-3所示为极性反转变换器的结构，输入电压与输出电压极性相反。电路结构的基本特点是:在主回路中，相对于输入端来说，电感L与负载RL并联。开关管T交替工作在导通/关断两种工作状态，工作的过程与并联结构相似。 11 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图3-3极性反转开关电源主回路 当功率开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L进行充电，同时续流二极管D截止，电容器释放存储的电能向负载RL进行供电;当功率开关管T截止时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，且同时向电容器C充电，因为续流二极管D存在反向极性的作用，输出端输出的电压极性与原来相反。 3.1.2隔离式电源开关拓扑结构 隔离式是指输出端与输入端没有电气上的连接，利用脉冲型变压器具有的磁耦合方式来传递能量，输出输入完全在电气上隔离。隔离式开关拓扑结构又可分为下面几种: (1) 单端反激式:图3-4电路所示，其中，单端的意思是说变—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 换器的磁芯只能工作于磁滞回线的一侧。 图3-4单端反激式开关电源主回路 反激是指若功率调整开关管T导通时，变压器N在一次侧绕组中储存能量;若功率调整开关管T截止时，变压器N通过二次侧绕组对负载提供能量。使得原/副边交替通断。如此能够避免变压器磁能的积累过量问题，但是由于变压器存在漏感，会在原边形成电压尖峰，可能会击穿调整管T，所以需要设置RCD缓冲器的参数。 12 洛阳理工学院毕业设计(论文) (2) 单端正激式:从电源电路原理图3-5上看，正激式与反激式很类似，虽然表面上看起来只是变压器同名端的不同，但其实工作过程不同。若T导通，变压器N的初级绕组和次级绕组同时导通，向负载传递能量，滤波电感L则储存能量;若T截止，电感L则通过二极管D1持续对负载提供所存储的能量。 图3-5单端正激式开关电源主回路 此电路的首要问题是:功率开关管T交替工作在开通/截止两种状态，当功率开关管截止时，脉冲型变压器会处于“空载”状态，内部储存的磁能会被累积到下一周期，直到电感器容量饱和，功率调整开关管可能会因过热二烧毁。 (3) 推挽式:图3-6所示为推挽式开关电源主回路的结构:变压器的原边是两个对称的线圈，两只功率调整管连接成对称关系，轮流导通，工作过程在后面会做详细的描述。推挽式开关电源通常适用—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 于低输入电压电源。 图3-6推挽式开关电源主回路 该电路的主要缺点是:电路结构较为复杂，成本较高，变压器绕组的利用率低，有偏磁的问题，对功率开关管的耐压性要求比较高。 (4) 半桥式:图3-7 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只调 13 洛阳理工学院毕业设计(论文) 整管变成了两只等值的大电容C1、C2。工作过程:T1和T2轮流交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，通过改变PWM的占空比的大小就可以将输出电压的大小进行改变。 图3-7半桥式开关电源主回路 (5) 全桥式:图3-8全桥式电路结构的特点是:由四只完全相同的功率调整开关管连接接成电桥形式驱动变压器原边。工作过程:每次同时导通的都是两个互为对角的功率管，相同一侧上，两个功率管交互导通，则变压器一次侧形成的交流电压的幅值为Ui/2，通过改变PWM的占空比就能够改变输出电压的大小。 图3-8全桥式开关电源主回路 此电路所使用的功率管个数交多，并要求各功率管参数的一致性要好，驱动电路较为复杂，实现同步比较困难，这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。 3.2 推挽式开关变换电路基本原理 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 图3-9为推挽开关变换电路的示意图。脉冲变压器初、次级都有两组对 14 洛阳理工学院毕业设计(论文) 称的绕组，其相位关系如图所示，开关管用开关S表示。 图3-9 推挽开关变换电路 如果在S1、S2基级加入时序不同的正向驱动脉冲，加到S1基极的驱动脉冲t1使S1导通，待t1过后，驱动输出电路输出t2，再使S2导通。两者交替导通，通过变压器将能量传递到次级电路，使V1、V2轮流导通，向负载提供能量。由于S1、S2导通电流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽开关变换电路提高了磁心的利用率。磁心在四个象限内的磁化曲线都被利用，在一定输出功率时，磁心的有效面积可以小于同功率的单端开关电路。此外，当驱动脉冲频率固定时，纹波率也相对较小。 在推挽开关变换电路中，能量转换由两管交替控制，当输出相同功率时，电流仅是单端开关电源管的一半，因此开关损耗随之减小，效率提高。如果选用同规格的开关管组成单端变换电路，输出最大功率为150W。 当滤波电感L电流连续时，输出电压表达式为: UoN22Ton?UiN1T 15 洛阳理工学院毕业设计(论文) —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3.3各种不同开关变换电路的比较 上述各种不同开关变化电路的比较如表3-1所示。 表3-1 各种开关变换电路的比较 16 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第4章 UC3524介绍 4.1 UC3524介绍 双端输出驱动器UC3524以其优良的性能获得了广泛运用，无论低压变换器还是大功率开关电源，都可由其组成可靠性较高的电路。UC3524双列直插16脚封装，内部振荡器的周期T=RTCT,电容CT的取值范围为1000pF~0.1Pf,RT的取值范围为1.8~100kΩ，其最高振荡频率为300kHz。死区时间与电容CT的容量有关，当CT为1000pF时，死区时间为0.4μs,当CT为0.01μF时，死区时间为2μs;当CT为0.1μF时，死区时间为10μs。因此，当改变RTCT设定振荡频率时，首先设定CT的值，以保证有适当的死区时间，再选择RT值改变振荡器的输出频率。 4.2 UC3524的内部结构及其原理 双端输出驱UC3524的内部结构如图4-1。 图4-1 UC3524的内部电路结构 UC3524内部设有驱动脉冲电路，通过控制PWM比较器的输出，使集成电路处于关闭状态，无驱动脉冲输出。UC3524的两组驱动输出级 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 17 洛阳理工学院毕业设计(论文) 也采用集电极、发射极开路输出的NPN型双极型三极管，以便用于单端或推挽电路的驱动。两路输出脉冲，每路输出最大的脉宽为45%。驱动推挽电路时，次级电路得到两组正向脉冲分别使内部放大管轮流导通，其最大脉宽为90%。以为两组驱动输出极性相同，只是在时间轴上出现的序列不同，所以可以将两驱动输出脉冲并联，并将输出最大脉宽90%的单端驱动脉冲用于单端变换器。分成两路输出时，开关频率为振荡器频率的两倍，单端并联运行时，开关频率等于振荡频率。 UC3524每路输出驱动电流的峰值为100毫安，当组成大功率开关电源时，可外加驱动脉冲放大器提高驱动能力。此种方法可使双端输出驱动器UC3524驱动500W以上输出功率的开关电源。UC3524也可以组成几瓦或几十瓦的小功率稳压电源。 UC3524的各脚功能如下，见图4-1 ?脚为内部差分放大器A的反向输入端。?脚为差分放大器A的正向输入端。当?脚取样电压升高时，差分放大器输出电压降低，送至PWM比较器B,使输出脉冲占空比较小。差分放大器的输出电压与输出脉冲占空比有近似的线性关系，当输出电压为3.5V时，脉冲占空比为45%;当输出电压降为1.5V时，脉冲占空比降为10%;当输出电压降为1V时，脉冲占空比为零，无驱动脉冲输出。?、?脚间共模输入电压在1.8~3.4V范围内。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?脚为内部振荡器锯齿波输出端。 ?、?脚分别为开关电源限制放大器的(+)、(-)取样输入端。开关电流通过外接电流取样电阻R,变成与电流成正比的取样电压，输入 ?、?脚。当取样电压上升到200毫伏时，输出脉冲占空比降低为最大占空比的25%;当取样电压升到210毫伏时，占空比变为零，驱动脉冲被关断。 ?脚为外接RT端，设定RT的充电电流也即控制RT的充电时间。 ?脚为外接CT端。CT(μF)的值和RT(kΩ)共同决定振荡周期: Tms=RT CT 同时CT还与死区时间有关。 ?脚为接地端。 18 洛阳理工学院毕业设计(论文) ?脚为差分放大器的输出端，用以接入相位校正电路，以稳定差分 放大器的工作状态，防止高频自激。 ?脚PWM脉冲输出控制端。当此端输入1V以上的高电平时，将差 分放大器输出端(即PWM比较器B的输入端)电平钳位于0.3V，使输出脉冲占空比为零，驱动脉冲被关断。此高电平关断特点可用于人为控制电源的开关，也可用于过电压保护等电路。 ?、?脚为内部两路驱动级NPN双极型三极管的发射极引出端。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ ?、?脚为内部两路驱动级NPN管的集电极引出端。 ?脚为电源输入端。 ?脚为5V基准电压输出端。最大电流为50mA，在输入电压允许范围内其误差小于1%。如果没有外设保护电路，也可以组成高稳定度的5V电源。 19 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第5章 UC3524组成的高压开关电源分析与设计 5.1基于UC3524的高压开关电源原理分析 UC3524组成的高压开关电源为无工频变压器的隔离它激式半桥开关电源，由UC3524引导推挽式电路对信号进行放大，驱动半桥开关电源控制电路，电路原理图见附图。 UC3524次级输出稳定的24V电压，由+24V经二次稳压输出的+12V和+5V，向控制系统供电。 UC3524原有的两路驱动输出电流仅为100mA,不足以驱动开关管。为了达到增大输出功率的目的。在UC3524?、?脚输出端分别加入推挽驱动放大器VT104,VT103，通过耦合变压器T102驱动开关管。T102的初次级相应关系既保持了开关管驱动脉冲的极性，即仍为两组时序不同的正脉冲，同时还将UC3524与开关管隔离，使市电输入与控制系统、开关电源输出部分不共地。推挽式放大电路的加入使得信号足以驱动开关管，实现低电压控制高电压。 在推挽开关变换电路中，能量转换由两管交替控制，当输出相同—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 功率时，电流仅是单端开关电源管的一半，因此开关损耗随之减小，效率提高。如果选用同规格的开关管组成单端变换电路，输出的最大功率为150W。若使用2只同规格开关管组成推挽电路，输出功率可以达到400~500W。所以输出功率200W以上的开关电源均宜采用推挽开关变换电路。推挽变换器的脉冲变压器参数很难对称，使其在高压输入开关电源输入开关电源中的应用受到一定的制约。由于过去开关管工艺的限制。其功率仅限于几瓦到几十瓦，即使是推挽变换器也难以使开关电源的输出功率超过千瓦级。另外，推挽式变换器和单端式变换器的漏感造成脉冲波形的上冲将大于2UCC,在普通输入 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为220V的无工频变压器开关电源中，开关管承受的电压可达700V或更高，极易造成开关管损耗，导致大功率开关管的可靠性大幅下降。 实用的全桥开关变换电路必须具有4组相互独立的驱动脉冲，其中每组开关管VT1、和VT2、VT3的各自驱动脉冲极性都相同，但是驱动信号的参考点不同。如果组成自激振荡电路，4组开关要得到相同幅度、不同时序的 20 洛阳理工学院毕业设计(论文) 正反馈脉冲是相当困难的，加上4只开关管的性能对称要求也难以达到，因此全桥开关变换电路极少被用于自激变换器中。 半桥变换器具有全桥开关变换电路的所有优势，在目前的MOSFET开关管、IGBT等高压大电流开关器件中均可采用，其应用远比全桥开关变化电路更广泛。自激式半桥变换器的开关耐压要求较低，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 目前输出功率200W以下的变化器广泛采用半桥开关变换电路。 图中功率开关部分为典型的半桥电路，其中V102、V103为钳位二极管，将半桥桥臂上导通时加在截止状态另一开关管C-E极的反向感应电压钳位，以避免其击穿。此外二极管的导通电流和次级感应电压同时加在负载上，以提高半桥变换器的效率。R104、R106用以限制驱动电流。在半桥式开关电源调试中选配R104、R106，将抵消T102参数不平衡形成的半桥桥臂上VT101和VT102导通电流的差异。 UC3524?脚通过分压电阻R309、R310、从24V输出端取样，?脚则通过电阻R313、R314将?脚输出的5V基准电压分压取样，两电压在差分放大器中检测出差值，控制输出脉宽，以稳定输出电压。?脚还具有软启动功能，C310为软启动电容。开机瞬间C310充电，UC为0V。24V输出端电压经R309分别加在?脚，使输出脉宽 UC上升逐步增大到额定值，以避免开机瞬间大电流冲击损坏开关电源。 UC3524?脚为打印头故障保护和+5V输出过压保护端，通过晶闸管V、R212、R 211接入副电源的15V电压。当开关电源5V输出和打印头正常时，V是关断的，?脚呈现低电平，UC3524正常工作。当两者之一出现故障时，检测电路输出高电平，V导通，?脚输出高电平，开关电源停止工作。 ?、?脚为负载过电流限制端。开关电源次级全波整流器输出的负极端串联接入小阻值电阻R0，负载电流在R0上产生左负右正的检测电压，其负端接入?脚，正端通过隔离的参考地送人?脚。如果只有此电流检测电压加于?、?脚，肯定电源不能加负载。因为?、?脚关断电—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 压阀值仅210mV,即使R0小到0.02Ω，开机负载电流也足以使?、?脚产生200 mV以上的检测电压。为了提高?、?脚动作阀值电压，通过引入R306引入副电源+15V电压，与R305、R0分压，在?脚得到的正电压用以抵消R0部分电压降，以免正常状态?、?脚电流限制动作。当过流时，R0负压降增大到?脚使UC3524 21 洛阳理工学院毕业设计(论文) 关断输出脉冲。次级的滤波电路采用电感输入式滤波，开机后滤波电容C202电感L201充电。因为电感的自感电势反对突变的充电电流，以此避免滤波电容初始充电的大电流使R0上压降增大，引起?、?脚内限制脉宽控制系统产生误动作。这种滤波方式不仅纹波输出小，同时输出电压的负载调整率也好。 为了使开关电源的输入与输入隔离，采用了独立的副电源和输入变压器，启动后开关电源脉冲器专设绕组提供UC3524的工作电压。同样，UC3524本身具有两组时序不同的驱动输出，不需要考虑输入电压与输出电压的隔离问题，VT103、VT104可以以射极输出器形式直接驱动推挽输出级。 5.2变压器绕制步骤 (1) 先绕二分之一的高压绕组(次级)，先在骨架上用高温胶带粘一层，这样做是为了防止导线打滑，用一根0.93线绕一层，约30圈，再用胶带固定住线头，不要让它散出来，并在高压绕组的外面用高温胶带包三层。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ (2) 下面就可以绕低压绕组了(初级)，低压绕组分成二层绕，也就是每一层是2加2，用5根线并绕。先用5根0.93线绕2圈，中间留空隙，再在空隙处用另外5根线绕2圈。用同样的方法绕二层，层间包二层胶带，这样就相当于用了10根线并绕。绕完低压绕组，在绕组外用高温胶带包三层。绕低压绕组要注意的问题是:线头留在下面，即骨架引脚处，线尾留长一点，暂时留在骨架的上面(等绕完高压绕组后要向下折下来)。实际上，低压绕组的头和尾是有一段是重叠的，也就是不是2圈，而是约2.2圈，这样做可以大大减少漏感。 (3) 再继续绕高压绕组，绕完另外的30圈，要注意的是，这30图要和里面的30圈绕向相同，这点很关健。如果一层绕不下，就把剩下几圈再绕一层。 (4) 绕完高压绕组后，在外面用高温胶带包三层，就把低压绕组原来留在上面的线头折下来，将他焊于骨架脚上。去漆可以用脱漆剂，用棉签沾一点脱漆剂，抹在线头上，过一会儿，漆就掉下来了，就可以焊了。 (5) 然后将几层高温胶带粘在整个绕组外面，绕好的线包外观要饱满平整。 (6) 现在可以插磁芯了，磁芯对接面的清洁处理要在插芯之前进行， 22 洛阳理工学院毕业设计(论文) 我是用胶带粘几下，把磁芯对接面的粉末全清洁干净，插入磁芯，—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 用胶带将其扎紧，在磁芯对接处用胶水固定。 5.3开关电源的电磁兼容性问题 5.3.1电磁兼容性 在很多场合，开关电源，特别是通信开关电源要有很强的抗电磁干扰能力，如对浪涌、电网电压波动的适应能力，对静电干扰、电场、磁场及电磁波等的抗干扰能力，以保证自身能够正常工作以及对设备供电的稳定性。 一方面，开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器是在高频开关的方式下工作的，其电压、电流波形多为方波。在高压大电流的方波切换过程中，将产生严重的谐波分压及电流。这些谐波电压及电流一方面通过电源输入线或开关电源的输出线传出，对与电源在同一电网上供电的其他设备及电网产生干扰，使设备不能够正常工作。另一方面严重的谐波电流电压将在开关电源的内部产生严重的电磁干扰，从而会造成开关电源的内部不能稳定工作，大大降低了电源的性能。还有部分的电磁场能通过开关电源的机壳缝隙，辐射向周围空间，然后通过直流输出线、电源线所产生的辐射电磁场，一起经由空间传播方式，对对电磁场比较敏感的设备和其他高频设备造成干扰，导致其他设备工作不正常。 因此，对开关电源要限制由负载线、电源线产生的传导干扰及有辐射传播的电磁场干扰，使处在同一电磁环境中的设备均能够正常工作，互不干扰。 5.3.2电磁兼容问题要素 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 电磁兼容性问题产生的三个要素为:、受干扰、体干扰源、传播途径。 从整机的电磁兼容性来讲，主要有电磁波耦合、线间耦合、共阻抗耦合、电场耦合及磁场耦合几种。 (1) 线间耦合主要是因产生干扰电流及干扰电压的导线或者PCB线因为并行布线所产生的互相耦合。 (2) 共阻抗耦合主要是受干扰体与干扰源在电气上有共同阻抗，经由此阻抗使干扰信号进入到受干扰对象。 23 洛阳理工学院毕业设计(论文) (3) 电磁耦合主要是因为存在电位差而产生的感应电场对受干扰体而产生的耦合。 (4) 磁场耦合主要是因为大电流的脉冲电源线周围产生频率较低的磁场对干扰对象所产生的耦合。 (5) 电磁波耦合主要是因为脉动的电流或电压产生的高频电磁波，通过空间向外辐射，与对应的受干扰体产生的耦合。 5.3.3解决开关电源的电磁兼容性 根据电磁兼容性的三要素，解决开关电源的电磁兼容性可从三个方面入手: (1) 减小干扰源产生的干扰信号。 隔断干扰信号的传播途径，使得干扰信号无法传播，从而无法产生干扰。 (2) 增强干扰体的抗干扰能力。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 对开关电路产生的对外干扰，可以用减少干扰源的办法来解决。一方面，可以增强输入/输出滤波电路的设计，改善有源功率因数补偿电路的性能，减少开关管及整流、续流二极管的电压、电流变化率，采用各种软开关电路拓扑结构及控制方式等;另一方面，加强机壳的屏蔽效果，改善机壳的缝隙泄露，并进行良好的接地处理。 在传播途径方面，应该适当地增加具有较强抗干扰能力的TVS和铁氧体磁珠、高频电容器元器件，以使小信号电路的抗干扰能力得到增强;与机壳的距离比较近的小信号电路，应加入适当的耐压绝缘处理;主变压器的功率器件的散热器、电磁屏蔽层应适当合理接地;各个控制单元间的大面积接地用接地板来屏蔽;在整流器的架构上，要考虑个整流器间电磁耦合、整机地线布置等，以便提高开关电源内部工作时的稳定性。 24 洛阳理工学院毕业设计(论文) 结 论 UC3524组成的高压开关电源为无工频变压器的隔离它激式半桥开关电源，由UC3524引导推挽式电路对信号进行放大，驱动半桥开关电源控制电路。在推挽开关变换电路中，能量转换由两管交替控制，当输出相同功率时，电流仅是单端开关电源管的一半，因此开关损耗随之减小，效率提高。如果选用同规格的开关管组成单端变换电路，输出的最大功率为150W。若使用2只同规格开关管组成推挽电路，输出功率可以达到400~500W。所以输出功率200W以上的开关电源—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 均宜采用推挽开关变换电路。实用的全桥开关变换电路必须具有4组相互独立的驱动脉冲，其中每组开关管VT1、和VT2、VT3的各自驱动脉冲极性都相同，但是驱动信号的参考点不同。如果组成自激振荡电路，4组开关要得到相同幅度、不同时序的正反馈脉冲是相当困难的，加上4只开关管的性能对称要求也难以达到，因此全桥开关变换电路极少被用于自激变换器中。 半桥变换器具有全桥开关变换电路的所有优势，在目前的MOSFET开关管、IGBT等高压大电流开关器件中均可采用，其应用远比全桥开关变化电路更广泛。自激式半桥变换器的开关耐压要求较低，目前输出功率200W以下的变化器广泛采用半桥开关变换电路。 25 洛阳理工学院毕业设计(论文) 谢 辞 26 洛阳理工学院毕业设计(论文) 参考文献 [1] 辛伊波. 开关电源基础与应用[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2011.12. [2] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M]. 西安:机械工业出版社,2009. [3] 刘凤君. 现代逆变技术及应用[M]. 北京:电子工业出版社，2006.9. —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ [4] 黄俊等. 电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社,2000. [5] 徐德鸿. 开关电源设计指南[M]. 北京:机械工业出版社,2002. [6] 杨旭等. 开关电源技术[M]. 北京:机械工业出版社,2004.3. [7] 周志敏. 开关电源实用技术设计与应用[M]. 北京:人民邮电出版社,2003. [8] 张先谋.移相全桥软开关DC/DC变换器的研究[D].北京:中国科学院研究生院,2002. [9] 李红平,詹晓东.采用峰值电流模式的全桥移相控制DC/DC变换器[J].电力电子技术,2000,2(1):27-3010-13. [10] 赵容,张波.同步整流关键技术及主要拓扑分析.电路与系统学报 [N],2004,9(3):100-104. [11] 刘文军,罗玉峰.开关电源模糊控制PID的设计和MATLAB仿真研究[J].控制统,2006. [12] 林荫宇.移相全桥零电压PWM变换器的建模与仿真[J].重庆大学学报,2000,78-85. 27 ——————————————————————————————————————