直流開關穩(wěn)壓電源畢業(yè)設計

1、<p>　　2008 ～2009 學年第 二 學期</p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　課題 直流開關穩(wěn)壓電源 </p><p>　　姓名 </p><p>　　系

2、部 電子與計算機系 專業(yè) 應用電子 </p><p>　　班級 學號 </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　穩(wěn)壓電源就是其輸出電壓

3、相對穩(wěn)定，它與人們的日常生活密切相關 , 也稱為穩(wěn)定電源、穩(wěn)壓器等。隨著電子技術發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對穩(wěn)壓電源的要求更加靈活多樣。電子設備的小型化和低成本化，使穩(wěn)壓電源朝輕、薄、小和高效率的方向發(fā)展。設計上，穩(wěn)壓電源也從傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源向高效率、體積小、重量輕的開關型穩(wěn)壓電源迅速發(fā)展。</p><p>　　本文中設計的直流穩(wěn)壓電源電路采用脈沖寬度調(diào)制型（PWM

4、）即開關工作頻率保持不變，控制導通脈沖的寬度；開關型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，可以通過改變調(diào)整管導通與截止時間的比例來改變輸出電壓的大小。當調(diào)整管飽和導通時，雖然流過較大的電流，但飽和管壓降很??；當調(diào)整管截止時，管子將承受較高的電壓，但流過的電流基本等于零?？梢?，工作在開關狀態(tài)調(diào)整管的功耗很小，因此，開關型穩(wěn)壓電路的效率較高，一般課達65%-90%。同時本文還采用恒壓差控制，其中接有軟啟動電路，在開關機時，對產(chǎn)生過沖現(xiàn)象有相當大

5、程度的抑制。同時通過控制DC-DC變換的脈寬，可實現(xiàn)過熱、過流保護。</p><p>　　關鍵詞： 脈寬調(diào)制 開關管 濾波電容 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　第一章 穩(wěn)壓電源0</p>

6、<p>　　1.1 穩(wěn)壓電源簡介0</p><p>　　1.2 穩(wěn)壓電源技術的亮點0</p><p>　　第二章 直流穩(wěn)壓電源的分類3</p><p>　　2.1 線性穩(wěn)壓電源3</p><p>　　2.2 開關型穩(wěn)壓電源4</p><p>　　第三章 穩(wěn)壓電源電路設計7</p

7、><p>　　3.1 整流電路7</p><p>　　3.1.1 半波整流電路7</p><p>　　3.1.2 全波整流電路7</p><p>　　3.1.3 橋式整流8</p><p>　　3.2 濾波電路8</p><p>　　3.2.1 電容濾波電路8</p&g

8、t;<p>　　3.2.2 電感濾波電路9</p><p>　　3.3 控制電路設計10</p><p>　　3.3.1 主要特征及工作原理10</p><p>　　3.3.2 TL494的性能測試13</p><p>　　3.3.3 TL494管腳配置及其功能14</p><p>　

9、　3.3.4 TL494的應用14</p><p>　　第四章 直流穩(wěn)壓電源的保護技術16</p><p>　　4.1 極性保護16</p><p>　　4.2 程序保護16</p><p>　　4.3 過電流保護17</p><p>　　4.4 過電壓保護18</p><p

10、>　　第五章 穩(wěn)壓電源的主要技術指標21</p><p>　　5.1 特性指標21</p><p>　　5.2 質(zhì)量指標21</p><p>　　第六章 恒壓差控制22</p><p>　　6.1 同步跟蹤法的機理22</p><p>　　6.2 參數(shù)計算22</p><

11、;p><b>　　總結24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　第一章 穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　1.1 穩(wěn)壓電源簡介</p><p>　　穩(wěn)壓電源問世后，在很多領域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電

12、源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制（PWM）技術的發(fā)展，PWM開關電源問世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達65%～70%，而線性電源的效率只有30％～40％。因此，用工作頻率為20kHz的PWM開關電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關注，在電源技術發(fā)展史上被譽為20kHz革命。隨著超大規(guī)模集成芯片尺寸的不斷減小，電源的尺

13、寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備（如手提計算機、移動電話等）更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進了開關穩(wěn)壓電源的不斷發(fā)展和進步。</p><p>　　1.2 穩(wěn)壓電源技術的亮點</p><p>　?。?）

14、穩(wěn)壓電源功率密度</p><p>　　提高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷追求的目標。這對便攜式電子設備（如移動電話，數(shù)字相機等）尤為重要。使開關電源小型化的具體辦法有以下幾種。</p><p>　　一是高頻化。為了實現(xiàn)電源高功率密度，必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。</p><p>　　二是應用壓電變壓器。應用壓

15、電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之一。</p><p>　　三是采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量，須設法改進電容器的性能，提高能量密度，并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻（ESR）小、體積小等

16、。</p><p><b>　?。?）高頻磁性元件</b></p><p>　　電源系統(tǒng)中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用的磁性材料，要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注，納米結晶軟磁材料也已開發(fā)應用。</p><p><b>

17、　?。?）軟開關技術</b></p><p>　　高頻化以后，為了提高開關電源的效率，必須開發(fā)和應用軟開關技術。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。</p><p>　　PWM開關電源按硬開關模式工作（開／關過程中電壓下降／上升和電流上升／下降波形有交疊），因而開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關損耗卻更大了。為此，必須研究開關電壓／電流波形不交疊的技術，即所謂零電

18、壓開關（ZVS）／零電流開關（ZCS）技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到800%～85%。上世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。隨后新的軟開關技術不斷涌現(xiàn)，如準諧振全橋移相ZVS -PWM，恒頻ZVS-PWM／ZCS-PWMZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM全橋移相ZV-ZCS-PWM等。我國已將最新軟開關技術應用于6kW通信電源中，效率達93％。</p><p>

19、<b>　?。?）同步整流技術</b></p><p>　　對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器，進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)損耗。例如同步整流（SR）技術，即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，代替肖特基二極管（SBD），可降低管壓降，從而提高電路效率。</p><p>　?。?）功率因數(shù)校正（PFC）變換器</p><p>

20、;　　由于AC／DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正 弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設備，電網(wǎng)側（交流輸入端）功率因數(shù)僅為0.6～0.65。采用功率因數(shù)校正（PFC）變換器，網(wǎng)側功率因數(shù)可提高到0.90～0.95，輸入電流THD<10％。既治理了對電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術稱為有源功率因數(shù)校正（APFC），單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術已較成熟；三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經(jīng)有很多

21、種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。</p><p>　　高功率因數(shù)AC／DC開關電源，由兩級拓撲組成，對于小功率AC／DC開關電源來說，采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DC／DC變換器組合成一個拓撲，構成單級高功率因數(shù)AC／DC開關電源，只用一個主開關管，可使功率因數(shù)校正到0.8 以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓撲結構稱為單管單級PFC變換器。</p&g

22、t;<p><b>　?。?）全數(shù)字化控制</b></p><p>　　電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用。</p><p>　　全數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確；可以實現(xiàn)

23、快速，靈活的控制設計。</p><p><b>　?。?）電磁兼容性</b></p><p>　　高頻開關電源的電磁兼容（EMC）問題有其特殊性。功率半導體器件在開關過程中所產(chǎn)生的di／dt和dv／dt，將引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾，以及強電磁場（通常是近場）輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，電力電

24、子電路（如開關變換器）內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關動作產(chǎn)生的EMI及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領域里，存在著許多交叉學科的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究，并取得了不少可喜成果。</p><p>　?。?）設計和測試技術</p><p>　　建模、仿真和CAD是一種新的設計

25、研究工具。為了仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是數(shù)字一模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統(tǒng)一的多層次模型等。</p><p>　　電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可靠

26、性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。</p><p>　　第二章 直流穩(wěn)壓電源的分類</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源主要有線性電源、相控電源、開關電源三

27、種。交流電經(jīng)過整流，可以得到直流電。但是，由于交流電壓及負載電流的變化，整流后得到的直流電壓通常會造成20%到40%的電壓變化。為了得到穩(wěn)定的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)穩(wěn)壓。按照實現(xiàn)方法的不同，穩(wěn)壓電源可分為三種：線性穩(wěn)壓電源、開關穩(wěn)壓電源。</p><p>　　2.1 線性穩(wěn)壓電源 </p><p>　　線性穩(wěn)壓電源通常包括：調(diào)整管、比較放大部分（誤差放大器）、反饋采樣部分以及基

28、準電壓部分，它的典型原理框圖如圖1所示。調(diào)整管與負載串聯(lián)分壓（分擔輸入電壓Ui），因此只要將它們之間的分壓比隨時調(diào)節(jié)到適當值，就能保證輸出電壓不變。</p><p>　　這個調(diào)節(jié)過程是通過一個反饋控制過程來實現(xiàn)的。反饋采樣部分監(jiān)測輸出電壓，然后通過比較放大器與基準電壓進行比較判斷：輸出電壓是偏高了還是偏低了，偏差多少？再把這個偏差量放大去控制調(diào)整管，如果輸出電壓偏高，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)高，使負載的分壓減??；如果

29、輸出電壓偏低，則將調(diào)整管上的壓降調(diào)低，使負載的分壓增大，從而實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。</p><p>　　圖1 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源原理框圖</p><p>　　下圖2為用分立元件組成簡單的線性穩(wěn)壓器電路</p><p>　　線性穩(wěn)壓電源的線路簡單、干擾小，對輸入電壓和負載變化的響應非?？?，穩(wěn)壓性能非常好。</p><p>　　但是，線性穩(wěn)壓電源功率調(diào)整管

30、始終工作在線性放大區(qū)，調(diào)整管上功率損耗很大，導致線性穩(wěn)壓電源效率較低，只有20%～40%，發(fā)熱損耗嚴重，所需的散熱器體積大，重量重，因而功率體積系數(shù)只有20～30W/dm3；另外線性電源對電網(wǎng)電壓大范圍變化的適應性較差，輸出電壓保持時間僅有5ms。因此線性電源主要用在小功率、對穩(wěn)壓精度要求很高的場合，如：一些為通信設備內(nèi)部的集成電路供電的輔助電源等。</p><p>　　圖2 線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源</p&g

31、t;<p>　　2.2 開關型穩(wěn)壓電源 </p><p>　　線性穩(wěn)壓電源的動態(tài)響應非?？?，穩(wěn)壓性能好，只可惜功率轉換效率太低。要提高效率，就必須使圖2中的功率調(diào)整器件處于開關工作狀態(tài)，電路相應地稍加變化即成為開關型穩(wěn)壓電源。轉變后的原理框圖如圖3所示。調(diào)整管作為開關而言，導通時（壓降?。缀醪幌哪芰浚P斷時漏電流很小，也幾乎不消耗能量，從而大大提高了轉換效率，其功率轉換效率可達80%以上。在圖

32、3中，波動的直流電壓Ui輸入高頻變換器（即為開關管Q和二極管D），經(jīng)高頻變換器轉變?yōu)楦哳l（≥20kHz）脈沖方波電壓，該脈沖方波電壓通過濾波器（電感L和電容C）變成平滑的直流電壓供給負載。高頻變換器和輸出濾波器一起構成主回路，完成能量處理任務。而穩(wěn)定輸出電壓的任務是靠控制回路對主回路的控制作用來實現(xiàn)的?？刂苹芈钒ú蓸硬糠?、基準電壓部分、比較放大器（誤差放大器）、脈沖/電壓轉換器等。開關電源穩(wěn)定輸出電壓的原理可以直觀理解為是通過控制濾波

33、電容的充、放電時間來實現(xiàn)的。具體的穩(wěn)壓過程如下：</p><p>　　當開關穩(wěn)壓電源的負載電流增大或輸入電壓Ui降低時，輸出電壓Uo輕微下降，控制回路就使高頻變換器輸出的脈沖方波的寬度變寬，即給電容多充點電（充電時間加長），少放點電（放電時間減短），從而使電容C上的電壓（即輸出電壓）回升，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。反之，當外界因素引起輸出電壓偏高時，控制電路使高頻變換器輸出脈沖方波的寬度變窄，即給電容少充點電，從而

34、使電容C上的電壓回落，穩(wěn)定輸出電壓。</p><p>　　圖3降壓型開關電源原理圖</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的主要性能比較 表1</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比，功率轉換效率高，可達65%～90%，發(fā)熱少，體積小、重量輕，功率體積系數(shù)可達60～100W/dm3，對電網(wǎng)電壓大范圍變化具有很強的適應性，電壓、負載穩(wěn)定度高，輸出

35、電壓保持時間長達20ms。但是線路復雜，電磁干擾和射頻干擾大。具體性能指標對比如表1所示。</p><p>　　和相控穩(wěn)壓電源相比，開關電源不需要工頻變壓器，工作頻率高，所需的濾波電容、電感小，因而體積小，重量輕，動態(tài)響應速度快。開關電源的開關頻率都在20kHz以上，超出人耳的聽覺范圍，沒有令人心煩的噪聲。開關電源可以采用有效的功率因數(shù)較正技術，使功率因數(shù)達0.9以上，高的甚至達到0.99（安圣的HD4850整流

36、模塊）。這些使得開關電源的性能幾乎全面超過相控電源，在通信電源領域已大量取代相控電源。</p><p>　　開關電源的線路復雜，這種電路問世之初，其控制線路都是由分立元件或運算放大器等集成電路組成。由于元件多，線路復雜以及隨之而來的可靠性差的原因，嚴重影響了開關電源的廣泛應用。</p><p>　　開關電源的發(fā)展依賴于元器件和磁性材料的發(fā)展。70年代后期，隨著半導體技術的高度發(fā)展，高反壓快

37、速功率開關管使無工頻變壓器的開關穩(wěn)壓電源迅速實用化。而集成電路的迅速發(fā)展為開關穩(wěn)壓電源控制電路的集成化奠定了基礎。陸續(xù)涌現(xiàn)出的開關穩(wěn)壓電源專用的脈沖調(diào)制電路如SG3526和TL494等為開關穩(wěn)壓電源提供了成本低、性能優(yōu)良可靠、使用方便的集成控制電路芯片，從而使得開關電源的電路由復雜變?yōu)楹唵?。目前，開關穩(wěn)壓電源的輸出紋波已可達100mV以下，射頻干擾和電磁干擾也被抑制到很低的水平上?？傊?，隨著電技術的發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源的缺點正逐步被克服，

38、其優(yōu)點也得以充分發(fā)揮。尤其在當前能源比較緊張的情況下，開關穩(wěn)壓電源的高效率能夠在節(jié)能上做出很大的貢獻。正因為開關電源具有這些優(yōu)點，它得到了蓬勃的發(fā)展。</p><p>　　第三章 穩(wěn)壓電源電路設計</p><p><b>　　3.1 整流電路</b></p><p>　　3.1.1 半波整流電路</p><p>　

39、　半波整流就是利用二極管的單向導電性能，使經(jīng)變壓器出來的電壓Vo只有半個周期可以到達負載，造成負載電壓VL是單方向的脈動直流電壓。</p><p><b>　　圖4</b></p><p><b>　　主要參數(shù)： </b></p><p>　　3.1.2 全波整流電路</p><p>　　利用副邊

40、有中心抽頭的變壓器和兩個二極管構成如圖5所示的全波整流電路。從圖中可見，正負半周都有電流流過負載，提高了整流效率。</p><p><b>　　圖5</b></p><p><b>　　全波整流的特點：</b></p><p>　　輸出電壓VO高；脈動??；正負半周都有電流供給負載，因而變壓器得到充分利用，效率較高。<

41、/p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　3.1.3 橋式整流</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　橋式整流屬于全波整流，它不是利用副邊帶有中心抽頭的變壓器,而是用四個二極管接成電橋形式，使在電壓V2的正負半周均有電流流過負載，在負載形成單方向的全波脈

42、動電壓。</p><p><b>　　主要參數(shù)：　　</b></p><p><b>　　3.2 濾波電路</b></p><p>　　從上面的分析可以看出，整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，與所要求的波形相去甚遠。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。&

43、lt;/p><p>　　3.2.1 電容濾波電路</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　圖7分別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設t<0時，電容器C已經(jīng)充電到交流電壓V2的最大值（如波形圖所示）。</p><p>　　結論1：由于電容的儲能作用，使得輸出波形比較平滑，脈動成分降低輸

44、出電壓的平均值增大。</p><p>　　當RLC的值適當，且整流電路的內(nèi)阻較?。◣讱W）時，</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　結論2：從圖8可看出，濾波電路中二極管的導電角小于180o　,導電時間縮短。因此，在短暫的導電時間內(nèi)流過二極管很大的沖擊電流，必須選擇較大容量的二極管。</p><p&g

45、t;<b>　　在純電阻負載時：</b></p><p><b>　　有電容濾波時：</b></p><p>　　結論3：電容放電的時間τ=RLC越大,放電過程越慢，輸出電壓中脈動（紋波）成分越少，濾波效果越好。一般取τ≥（3～5）T/2，T為電源交流電壓的周期。</p><p>　　3.2.2 電感濾波電路</p

46、><p>　　電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點，把電感器與負載串聯(lián)起來，以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看，當電源提供的電流增大（由電源電壓增加引起）時,電感器L把能量存儲起來；而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感L有平波作用。</p><p>　　圖9 圖10</p&

47、gt;<p>　　優(yōu)點：整流二極管的導電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。</p><p>　　缺點：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾,一般只適應于低電壓、大電流的場合。</p><p>　　3.3 控制電路設計</p><p>　　TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激雙管式、半橋式、全橋

48、式開關電源。TL494有SO-16和PDIP-16兩種封裝形式，以適應不同場合的要求。其主要特性如下：</p><p>　　3.3.1 主要特征及工作原理</p><p><b>　　特征：</b></p><p>　?。?）集成了全部的脈寬調(diào)制電路。</p><p>　?。?）片內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件僅兩

49、個（一個電阻和一個電容）。</p><p>　?。?）內(nèi)置誤差放大器。</p><p>　?。?）內(nèi)止5V參考基準電壓源。</p><p>　?。?）可調(diào)整死區(qū)時間。</p><p>　?。?）內(nèi)置功率晶體管可提供500mA的驅動能力。</p><p>　?。?）推或拉兩種輸出方式。</p><p&

50、gt;<b>　　工作原理簡述</b></p><p>　　TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：</p><p>　　輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選

51、通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。參見圖11。</p><p>　　控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0

52、—3.3V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導通百分比時間中下降到零。兩個誤差放大器具有從-0.3V到（Vcc-2.0）的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺得

53、到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進行“或”運算，正是這種電路結構，放大器只需最小的輸出即可支配控制回路。</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　當比較器CT放電，一個正脈沖出現(xiàn)在死區(qū)比較器的輸出端，受脈沖約束的雙穩(wěn)觸發(fā)器進行計時，同時停止輸出管Q1和Q2的工作。若輸出控制端連接到參考電壓源，那么調(diào)制脈沖交替輸

54、出至兩個輸出晶體管，輸出頻率等于脈沖振蕩器的一半。如果工作于單端狀態(tài)，且最大占空比小于50%時，輸出驅動信號分別從晶體管Q1或Q2取得。輸出變壓器一個反饋繞組及二極管提供反饋電壓。在單端工作模式下，當需要更高的驅動電流輸出，亦可將Q1和Q2并聯(lián)使用，這時，需將輸出模式控制腳接地以關閉雙穩(wěn)觸發(fā)器。這種狀態(tài)下，輸出的脈沖頻率將等于振蕩器的頻率。</p><p>　　TL494內(nèi)置一個5.0V的基準電壓源，使用外置偏置

55、電路時，可提供高達10mA的負載電流，在典型的0—70℃溫度范圍50mV溫漂條件下，該基準電壓源能提供±5%的精確度。</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　3.3.2 TL494的性能測試</p><p>　?。?）工作電壓對各參數(shù)的影響，如表2所示。此時調(diào)頻電容為9 nF，調(diào)頻電阻為9

56、0;kΩ，調(diào)寬電壓為2．5 V。</p><p>　　表2 工作電壓與各參數(shù)的對應關系</p><p>　　從表2可以看出，工作電壓V的改變對輸出脈沖的周期T及脈寬T1無影響，而脈沖的幅值F隨著工作電壓V的增加也逐步增大，工作電流I隨電壓的變化不是很大，其供電范圍在7～40 V之間，而其工作頻率可達300 kHz，可見TL494的可調(diào)性大。</p>

57、;<p>　?。?）當TL494調(diào)頻電容和電阻一定時，改變脈沖寬度，就會得到輸出脈沖寬度不同的一系列脈沖，這樣就會得到調(diào)寬電壓與占空比的關系，如圖14所示。從圖14可以看出，當脈寬為周期的1/2時，效果最佳。</p><p>　　圖14 脈寬電壓與占空比關系圖</p><p>　　3.3.3 TL494管腳配置及其功能</p><p>　　TL49

58、4的內(nèi)部電路由基準電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖15是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加0～3.3V電壓時可使截止時間從2%線懷變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極； 圖15 T

59、L494管腳圖</p><p>　　12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。</p><p>　　3.3.4 TL494的應用</p><p>　　TL494脈寬調(diào)制器件是目前微機電源中被廣泛采用來構成其他激式直

60、流開關電源的專用器件。在顯示電源和其他開關電源的應用中也常被采用。在大功率直流開關電源中，為提高直流電源調(diào)整精度及易于完成各種自動保護控制功能，是直流開關電源中常用的脈寬調(diào)制器件，而且價格便宜。下面介紹一個TL494的應用電路。</p><p>　　圖16 降壓型直流穩(wěn)壓電源電路圖</p><p>　　第四章 直流穩(wěn)壓電源的保護技術</p><p>　　直流穩(wěn)

61、壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控制電路亦比較復雜,另外,開關穩(wěn)壓器的負載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統(tǒng)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差。因而開關穩(wěn)壓器的保護應該兼顧穩(wěn)壓器本身和負載的安全。保護電路的種類很多,這里介紹極性保護、程序保護、過電流保護、過電壓保護、欠電壓保護等電路。通常選用幾種保護方式加以組合,構成完善的保護系統(tǒng)。</p><p><b>　　4.1

62、 極性保護</b></p><p>　　直流開關穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩(wěn)壓電源。極性保護的目的,就是使開關穩(wěn)壓器僅當以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時才能工作。利用單向導通的器件可以實現(xiàn)電源的極性保護。最簡單的極性保護電路如圖17所示。由于二極管D要流過開關穩(wěn)壓器的輸入總電流,因此這種電路應用在小功率的開關穩(wěn)壓器上比較合適。在較大功率的場合

63、,則把極性保護電路作為程序保護中的一個環(huán)節(jié),可以省去極性保護所需的大功率二極管,功耗也將減小。為了操作方便,便于識別極性正確與否,在圖17中的二極管之后,接指示燈。</p><p>　　圖17 簡單的極性保護</p><p><b>　　4.2 程序保護</b></p><p>　　開關穩(wěn)壓電源的電路比較復雜,基本上可以分為小功率的控制部分

64、和大功率的開關部分。開關晶體管則屬大功率，為保護開關晶體管在開啟或關斷電源時的安全,必須先讓調(diào)制器、放大器等小功率的控制電路工作。為此,要保證正確的開機程序。開關穩(wěn)壓器的輸入端一般接有小電感、大電容的輸入濾波器。在開機瞬間,濾波電容器會流過很大的浪涌電流,這個浪涌電流可以為正常輸入電流的數(shù)倍。這樣大的浪涌電流會使普通電源開關的觸點或繼電器的觸點熔化,并使輸入保險絲熔斷。另外,浪涌電流也會損害電容器,使之壽命縮短,過早損壞。為此,開機時應

65、該接入一個限流電阻,通過這個限流電阻來對電容器充電。為了不使該限流電阻消耗過多的功率，以致影響開關穩(wěn)壓器的正常工作,而在開機暫態(tài)過程結束后，用一個繼電器自動短接它,使直流電源直接對開關穩(wěn)壓器供電，如圖18所示。這種電路稱之謂開關穩(wěn)壓器的“軟啟動”電路。</p><p>　　圖18 軟啟動電路</p><p>　　開關穩(wěn)壓器的控制電路中的邏輯組件或者運算放大器需用輔助電源供電。為此,輔助電

66、源必須先于開關電路工作，這可用開機程序控制電路來保證。一般的開機程序是:輸入電源的極性鑒別,電壓保護→開機程序電路工作→輔助電源工作并通過限流電阻 R對開關穩(wěn)壓器的輸入電容器C充電→ 開關穩(wěn)壓器的調(diào)制電路工作，短路限流電阻→開關穩(wěn)壓器 穩(wěn)定工作。</p><p>　　在開關穩(wěn)壓器中,剛開機時,因為其輸出電容容量大,充到額定輸出電壓值需要一定時間。在這段時間內(nèi),取樣放大器輸入低的輸出電壓采樣,根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)特性將

67、迫使開關三極管的導通時間加長,這樣一來,開關三極管就會在這段期間內(nèi)趨于連續(xù)導通,而容易損壞。為此,要求在開機這一段時間內(nèi),開關調(diào)制電路輸出給開關三極管基極的脈寬調(diào)制驅動信號，能保證開關三極管由截止逐漸趨于正常的開關狀態(tài)，故而要加設開機保護以配合軟啟動。 </p><p>　　4.3 過電流保護</p><p>　　當出現(xiàn)負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時,會引起流過穩(wěn)壓器中開關三

68、極管的電流過大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩(wěn)壓器中過電流保護是常用的。最經(jīng)濟簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護作用,常用的是快速熔斷保險絲。這種方法具有保護容易的優(yōu)點，但是,需要根據(jù)具體開關三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格。這種過流保護措施的缺點是帶來經(jīng)常更換保險絲的不便。</p><p>　　在線性穩(wěn)壓器中常用限

69、流保護和電流截止保護在開關穩(wěn)壓器中均能應用。但是,根據(jù)開關穩(wěn)壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護開關三極管。為了實現(xiàn)過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關穩(wěn)壓器的場合。而在大功率的開關穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗，應盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護轉換為過、欠電壓保護。 </p><p&g

70、t;　　4.4 過電壓保護</p><p>　　開關穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。開關穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高,使開關穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器所組成的保護電路如圖19所示。</p><p>　　圖19 輸入過電壓保護</p><p>　　

71、圖20 輸入過電壓保護</p><p>　　在該電路中，當輸入直流電源的電壓高于穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓值時，穩(wěn)壓管擊穿，有電流流過電阻R， 使晶體管V導通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。其中穩(wěn) 壓管的穩(wěn)壓值Vz=ESrmax－UBE。輸入 電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結合在一起,構成極性 保護鑒別與過電壓保護電路。 </p><p>　　輸出過電壓保護在開關穩(wěn)壓電源中是至關

72、重要的。特別對輸出為5V的開關穩(wěn)壓器來說,它的負載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時,開關穩(wěn)壓器的開關三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值,瞬時造成很大的損失。常用的方法是晶閘管短路保護。最簡單的過電壓保護電路如圖20所示。當輸出電壓過高時,穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導通,把輸出端短路,造成過電流,通過保險絲或電路保護器將輸入切斷,保護了負載。這種電路的響應時間相當于晶閘管的開通時間，約為5～10μs。

73、它的缺點是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，給調(diào)試帶來了困難。圖21是改進后的電路。其中R1、R2是取樣電路，Vz是基準電壓。 </p><p>　　圖 21 輸出過電壓保護</p><p>　　輸出電壓Esc突然升高，晶體管V1、V2導通，晶閘管就導通。UBE1為V1的發(fā)射結（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變

74、，并且動作點相當穩(wěn)定。當穩(wěn)壓管為7V時，其溫度系數(shù)和晶體管V1的發(fā)射結（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對于輸出為5～5.5V的直流開關穩(wěn)壓器來說，其常用的動作電壓是 5.5～6V。那么穩(wěn)壓管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是－20～－30mV/℃。因此,溫度變化大的場合保護電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變

75、跟相應的邏輯電路配合，構成過電壓保護電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。</p><p>　　以上分別討論了在開關穩(wěn)壓器中的各種保護方式,并介紹了一些具體實現(xiàn)的方法。對一個給定的開關穩(wěn)壓電源來說，還應從整機保護方面考慮以下幾點：</p><p>　　1)把開關穩(wěn)壓器中所應用的開關三極管限制在直流安全工作區(qū)域之內(nèi)工作。對于選定的開關三極管,由晶體管手冊可查得其直流安全工作區(qū)。根據(jù)集電極電流的最大值來

76、確定輸入過電流的保護值。但是,這個瞬時最大值應轉換為電流的平均值。在額定輸出電流與輸出電壓的條件下,開關管的動態(tài)負載線不超過直流安全工作區(qū)的最大輸入電壓,就是輸入過電壓保護的電壓值。</p><p>　　2)把開關穩(wěn)壓器的輸出限制在所給定的技術指標之內(nèi)。在所要求的工作溫度范圍內(nèi),開關穩(wěn)壓器的輸出電壓的上、下限就是輸出過、欠電壓保護的電壓值。過電流保護則可根據(jù)最大輸出電流來確定。為了不誤告警,保護值應適當留一定的余

77、量。</p><p>　　3)由以上兩點確定保護方式之后,再根據(jù)電源裝置的需要來確定告警措施。一般告警措施有聲警和光警兩種。聲警適用于整機比較復雜、電源部分又裝在不顯眼的地方,它可以給工作人員以有效的故障告警;光警可以醒目地指示故障告警并指出故障發(fā)生的部位和類型。保護措施要視所保護的部位來確定。在大功率,多路電源的場合,總是用交、直流斷路器,高靈敏繼電器等構成自動保護措施,切斷電源的輸入使系統(tǒng)停止工作,免受損害。

78、通過邏輯控制電路使相應的開關三極管截止的方案顯得既靈敏方便又經(jīng)濟。這樣可以省去體積大,響應時間長,價格貴的大功率繼電器或斷路器。</p><p>　　4)電源中加設了保護電路之后會影響系統(tǒng)的可靠性，為此要求保護電路本身的可靠性要高，以提高整個電源系統(tǒng)的可靠性，進而提高電源本身的MTBF。這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單、元器件最少，除此而外還要考慮到保護電路本身出故障時維修難度和其所保護的電源損壞程度。</

79、p><p>　　所以必須全面系統(tǒng)地考慮開關電源各種保護措施，確保開關電源的正常工作和高效率與高可靠性。</p><p>　　第五章 穩(wěn)壓電源的主要技術指標</p><p>　　技術指標是用來表示穩(wěn)壓電源性能的參數(shù)，主要有以下兩種：</p><p><b>　　5.1 特性指標</b></p><p&g

80、t;　　表明穩(wěn)壓電源工作特性的參數(shù)。</p><p>　　例如：允許輸入的電壓，輸出電壓及可調(diào)范圍，輸出電流等。</p><p><b>　　5.2 質(zhì)量指標</b></p><p>　　衡量穩(wěn)壓電源性能優(yōu)劣的參數(shù)。</p><p><b>　　1．穩(wěn)壓系數(shù)Sr</b></p>&l

81、t;p>　　負載不變時，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與輸入電壓相對變化量之比。即</p><p>　　它表明穩(wěn)壓電源克服電網(wǎng)電壓變化的能力。</p><p><b>　　2．輸出電阻ro</b></p><p>　　輸入電壓不變時，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。即</p><p>　　它表明穩(wěn)壓電源克服負載電阻

82、變化的能力。</p><p><b>　　3．電壓調(diào)整率</b></p><p>　　額定負載不變時，電網(wǎng)電壓變化10%，輸出電壓相對變化量。即</p><p><b>　　4．電流調(diào)整率</b></p><p>　　電網(wǎng)電壓不變時，輸出電流從零到最大值變化時，輸出電壓的相對變化量。即</p&

83、gt;<p>　　一般常用穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻ro這兩個主要指標。其數(shù)值越小，電路穩(wěn)壓性能越好。</p><p>　　第六章 恒壓差控制</p><p>　　在DC-DC轉換電路和線性穩(wěn)壓電源之間采用恒壓差控制，即：通過反饋，使DC-DC轉換電路輸出電壓與線性穩(wěn)壓器輸出電壓差值恒定，這樣，即可保證線性穩(wěn)壓電路所需的電壓差，降低了線性穩(wěn)壓電路低輸出的損耗，提高穩(wěn)壓模塊效率。

84、</p><p>　　在這一模塊電路中，還接有軟啟動電路，在開關機時，對產(chǎn)生過沖現(xiàn)象有相當大程度上的抑制。同時，通過控制DC-DC變換的脈寬，可實現(xiàn)過熱、過流保護。</p><p>　　6.1 同步跟蹤法的機理</p><p>　　同步跟蹤法的原理方框圖如圖22所示。這里RP和RP′是一個阻值均為2K的精密多圈同軸電位器。</p><p>

85、　　圖 22 同步跟蹤法的原理方框圖</p><p><b>　　6.2 參數(shù)計算</b></p><p>　　(1) MJE3055管壓降的確定：為了確保整機技術指標和管子安全，調(diào)整管管壓降選擇至關重要。一般不能取得太低，因為低于1.4V時復合管進入了飽和區(qū)，許多技術指標會急劇下降。又不能取得太低，高了會使效率下降，甚至造成管子過熱而損壞調(diào)整管。一般去3—6V

86、為宜。折中考慮去5V。</p><p>　　(2)輸出電壓范圍確定：根據(jù)題目要求輸出電壓范圍+9—+12V，盡量擴展輸出范圍，這里暫定+5—+15V。</p><p>　　（3）Uref、U´ref、RP和RP’的確定：因總體方案和各模塊方案確定之后，主要器件已經(jīng)確定。故許多參數(shù)自然就確定了。如，PWMTL494確定之后，U´ref U´ref =3.5V(內(nèi)

87、部提供的)。另選擇Uref=2.5V(實際上是2.495V)，Rp=Rp’=2k</p><p>　　(4)R14和R15的確定：</p><p>　　{1+（RP+R14）/ R15}Uref=Uomax</p><p>　　{1+R14/ (R15+RP)}Uref=Uomin</p><p>　　由兩式代人數(shù)據(jù)解得： R14=1K

88、 R15=3K</p><p>　　R11和R12的確定：</p><p>　　{1+（2+R11/R12）}×U´ref=15+5=20</p><p>　　{1+R11/(2+R12)} ×U´ref=5+5=10</p><p>　　由兩式代人數(shù)據(jù)解得： R11≈6K R12≈1.2K

89、</p><p>　　(5)效率估算：在輸出電壓Uo=Uomin時，效率為最低：在Uo=Uomin時效率最高?，F(xiàn)設變壓器的效率為　η1=95%,整流濾波器的效率η2=95%，DC-DC轉換器的效率η3=90%。設線性穩(wěn)壓電路效率為η4。</p><p>　　于是 ηmin=η1·η2·η3·η4=0.95×0.95×0.9×5/

90、10=0.406</p><p>　　ηmax=η1·η2·η3·η4=0.95×0.95×0.9×15/20=0.609</p><p>　　通過設計對元器件的選用及有關元器件參數(shù)的計算、效果的估計，都能達到預期效果。</p><p><b>　　總結</b></p>

91、<p>　　經(jīng)上述文章的闡述，直流穩(wěn)壓電源的設計和制作過程已完成，精心的設計使得直流開穩(wěn)壓電源在工作中取得獨特的效果。但由于選用器件的質(zhì)量有限，導致直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓效果大大降低，從而體現(xiàn)了穩(wěn)壓電源的局限性。</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源采用PWM調(diào)制方式來控制調(diào)整管，大大的提高了電源的安全性，而且降低的調(diào)整管的管壓降，對調(diào)整管起到很好的保護作用。后面采用恒壓差控制通過反饋，使DC-DC轉換電路輸出

92、電壓與線性穩(wěn)壓器輸出電壓差值恒定，這樣，即可保證線性穩(wěn)壓電路所需的電壓差，降低了線性穩(wěn)壓電路低輸出的損耗，提高穩(wěn)壓模塊效率。同時，通過控制DC-DC變換的脈寬，可實現(xiàn)過熱、過流保護。</p><p>　　通過加強對此產(chǎn)品的制作水平，投入實際應用中將會取得極大的經(jīng)濟效益。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]李

93、愛文.現(xiàn)代逆變技術及應用[M].北京:科學出版社,2000.</p><p>　　[2]何希才.新型開關電源設計與應用[M].北京:科學出版社,2001.</p><p>　　[3]常敏慧.開關電源應用、設計與維修[M].北京:科學文獻出版社,2001.</p><p>　　[4]摘自科技論壇網(wǎng).www.cnki.net</p><p>