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开关稳压电源的设计
发布日期:2018-03-14 21:46:00    来源:未知    作者:未知    浏览量:0

此次开关稳压电源的设计,主要利用现阶段技术比较成熟的集成芯片设计PWM主控制电路,整个设计流程主要围绕PWM控制电路的设计和开关变压器的设计为主要方向,根据课题要求实现稳定输出电压。在论文中描述了开关电源的使用方法及性能指标,并重点讲述了开关电源易发故障的检查与简易维修。在最后一章中,本文讨论了有关开关电源的干扰问题,详细分析了干扰来源及常采用的抑制方法。开关电源性能的好坏一方面依赖开关电源本身设计技术和工艺结构的优劣,另一方面与使用现场条件及使用者将其与其他电器设备连用的具体情况有密切关系,如接地技术,通道接线,电缆屏蔽与隔离及外壳的绝缘等方面。所以开关电源噪声的产生是多方面的和不确定的,对其噪声的抑制方法与形式也是灵活多变的,不能套用一个固定模式,而要根据具体情况和要求采用相应的噪声抑制方法和形式。

由于篇幅和时间有限,许多方面还存在欠缺和不足,在此深表歉意。

 

 

 

²        Buck仿真电路图

 

[注]:输入电压:120/30KHZ

               正弦波信号

      输出电压:10V/30KHZ

                正弦波信号

    

 

 

 

 

 

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²        Buck仿真波形

文本框: 文本框:

 

 

 

 

 

²        Buck仿真电路图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附  录4  文献综述

 

概述

开关稳压电源简称开关电源(Switching Power Supply),因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术,通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源,具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性,广泛应用在诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、VCD游戏机等电子设备上。随着电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性,因此,开关电源将逐渐取代速胜工频变压器的线性稳压电源。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展,两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与各支持,而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平,即提高一个国家单位能耗的产出水平,具有举足轻重的作用。

开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点,在小功率范围内基本上取代了线性调整电源,并迅速向中大功率范围推进,在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。但是开关电源的设计工作较为繁琐,难度大。目前国内开关电源的设计裕量过大,设计过程中对产品工作状况和实际性能的预见性较差。开关电源技术在迅速的向前发展,为了能够在理解基本原理的基础上进行再创造,我们应该对开关电源技术有个整体概念的把握及其发展趋势的预测,从而提高自己的设计水平,最终提高产品的质量。开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的,开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。顾名思义,开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。这样一来,如果把四大类基本电力电子电路(AC-DC 电路、DC-AC 电路、AC-AC 电路、DC-DC 电路)都看成电源电路,则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。但是在实际应用中,开关电源所涵盖的范围比这个范围要小的多。同时具备三个条件的电源可称之为开关电源,这三个条件就是:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。开关电源前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前,许多控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加,功能越来越强,他们的体积却越来越小,因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源,这就成了开关电源技术发展的强大动力。新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。在20 世纪60 年代末,巨型晶体管(GTR)的出现,使得采用高工作频率的开关电源得以问世,那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。后来随着电力MOSFET 的应用,开关电源的频率进一步提高,使得电源体积更小,重量更轻,功率密度进一步提高。在20世纪80 年代,IGBT 的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源也得以发挥。在20 世纪80 年代后20 年为了解决因开关频率提高而引发的电磁干扰问题,出现了软开关技术开关电路。随后在20 世纪90 年代,为了提高开关电源的功率因数, 出现了功率因数校正技术(PFC)。目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外,开关电源已经全面取代了线性稳压电源,主要用于小功率场合。例如:计算机、电视机、各种电子仪器的电源。在许多中等容量范围内,开关电源逐步取代了相控电源,例如:通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源。开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。概括地讲,开关电源技术的发展趋势为:继续向高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化发展。

开关稳压电源的性能主要处决于开关管的工作频率。要提高开关频率,就要减少开关损耗,而要减少开关损耗,就需要有高速开关元器件。然而,开关速度提高后,会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样,不仅会影响周围电子设备,还会大大降低电源本身的可靠性。其中,为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌,可采用R-C或L-C缓冲器,而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过,对1MHz以上的高频,要采用谐振电路,以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波,这样既可减少开关损耗,同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃,因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零,而且噪声也小,可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前,世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

开关稳压电源国际发展状况

(1)     开关稳压电源的发展史。1995年,美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁心的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后,世界各地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的功率晶体管工作在开关状态,因此,由此而制成的稳压电源输出路数多,输出极性可变,转换效率高,体积小,重量轻,因而被广泛地应用于航海、航空以及军事电子设备上。由于那时的微电子设备和技术十分落后,不能够研制出耐压较高,开关速度较快,功率较大的开关晶体管,因此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。另外,由于输入电压不能过高,因此当时的直流变换器中还含有工频降压变压器。

20世纪60年代末,由于微电子技术的快速发展,高反压、大电流的功率开关晶体管出现了,从此,直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电,终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压器甩掉了,从而迅速地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。由于省掉了工频降压变压器,开关稳压电源的体积和重量大幅度地减小和降低,开关稳压电源这才真正走上了被普及与应用的道路。

20世纪70年代以后,与这种技术有关的高频率、高反压、大电流的开关功率晶体管,高频率、高温度电容,高反压、大电流、快恢复肖特基二极管,高频变压器磁心等元器件也不断地被研制生产出来,使无工频变压器开关稳压电源得到了不断的完善和快速的发展,并且被迅速而又广泛地应用于电子计算机、通信、航海、航天、军事电子设备和电视机等领域中,从而使无工频变压器的开关稳压电源成为各种设备供电电源中的佼佼者。

(2)目前正在克服的困难。随着电力电子技术和微电子技术的高速发展以及集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现,电子设备的体积在不断地缩小,重量在不断地减轻,内部功率损耗在不断地减少。因此,一台电子设备能否小型化、微型化和成为便携式的关键技术,就是开关稳压电源能否小型化、微型化和成为模块式。因此开关稳压电源的小型化、微型化、模块化就成了技术人员研究和探讨的核心和热门学科。从事开关稳压电源研究和生产的技术人员认为开关稳压电源电路中的变压器还不是十分理想,他们正致力于研制出转换效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过其他的路径和方法来取代电路中的变压器,使之能够满足电子仪器和设备小型化和微型化的需要和要求。这就是从事开关稳压电源研究工作的科技人员目前正在克服的第一个困难。

开关稳压电源的效率是与功率开关的变换速度成正比的,并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后,才能使之由一组输入电压得到极性、大小各不相同的多路输出电压,因此,要进一步提高开关稳压电源的转换效率,就必须提高其工作频率。但是当工作频率提高以后,对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如,高频电容、功率开关晶体管、高频开关变压器、储能电感、快恢复续流二极管、PCB电路设计等都会出现新的问题。进一步研制适应开关稳压电源高频率工作的有关元器件和PCB电路,就成了从事开关稳压电源研究、设计和生产的科技人员要解决的第二个困难。

工作在线性放大状态的线性稳压电源电路,具有稳压和滤波的双重作用,而且其工作频率也较低,为工频50Hz,因而串联线性稳压电源不产生开关噪声和干扰,并且输出的纹波电压也较低。但是在开关稳压电源电路中的功率开关工作在频率较高的开关状态,其高频电压和电流就会通过电路中的元器件和PCB引线辐射和传播较强的尖峰干扰和谐振噪声。这些干扰和噪声就会污染工频电网和周围环境,影响邻近的电子仪器和设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰、噪声的各种措施及方法的不断改进和提高,开关稳压电源的这一缺点得到了克服,可以达到不妨碍一般电子仪器、设备和家用电器正常工作和正常使用的程度。但是在一些对输出稳定度和输出纹波要求较高的精密电子测量仪器和仪表中!由于开关稳压电源的这一缺点,却使它不能得到应用。导致这些高精度仪器和仪表要么采用电池或电瓶供电,要么就不能被小型化、微型化而成为便携式仪器和仪表。所以克服开关稳压电源的这一缺点,进一步提高它的输出稳定度和降低它的输出纹波电压,扩大它的适用范围,就成了从事开关稳压电源研究、设计和生产的科技人员要解决的第三个困难。

工作在开关状态的开关稳压电源电路中,功率开关晶体管上的损耗主要包括驱动导通的上升时间内的损耗,驱动关断的下降时间内的损耗,导通以后由于管压降不能为零而产生的损耗和关断以后由于漏电流不能为零而引起的损耗这四部分损耗。其中,驱动导通的上升时间内的损耗和驱动关断的下降时间内的损耗这两部分损耗可以通过提高功率开关的工作速度来解决,而导通以后由于管压降不能为零而产生的损耗和关断以后由于漏电流不能为零而引起的损耗这两部分损耗则必须通过寻求新的驱动方式和新的功率开关来解决。新的驱动方式和新的功率开关主要指的是开关稳压电源中的开关工作状态应该是零流关断和零压开通,即电路中的功率开关关断时漏电流为零,导通时管压降为零。因此寻求新的驱动方式和研制新的功率开关便成了从事开关稳压电源研究、设计和生产的科技人员要解决的第四个困难。

(3)面对困难所出现的新突破和新进展。为了解决开关稳压电源中所出现的困难,从事开关稳压电源研究的科技人员,以及与这门学科相关的其他学科的科技人员已在不懈地努力和探索着。首先是从事开关稳压电源研究的科技人员设计和研制出了谐振式开关稳压电源,从根本上解决了由于功率开关上的功耗大而导致开关稳压电源转换效率低的问题,同时也从根本上解决了由于功率开关上的电流和电压应力大而导致开关稳压电源可靠性和稳定性低的问题。另外,从事半导体技术和工艺研究的科技人员几乎在同一时期也设计和研制出了具有零流关断和零压开通的复合功率开关IGBT(其中也包括智能型IGBT(MCBT))。这种复合功率开关IGBT把晶体管(GTR)和MOSFET管的优点集于一体,既具有MOSFET管的输入驱动所需功率非常小的输入特性,又具有GTR管的导通以后管压降非常小的(主要是导通电阻非常小)输出特性。谐振式开关稳压电源电路结构再加上复合功率开关IGBT,使开关稳压电源的应用可以拓展到大功率和超大功率的应用场合,如应用于逆变焊机、电瓶汽车、电力机车、磁悬浮列车和直流输电等领域。

开关稳压电源国内发展状况

我国的晶体管直流变换器和开关稳压电源设计、研制和生产开始于20世纪60年代初期,到60年代中期进入了实用阶段。70年代初期开始设计、研制和生产无工频降压变压器的开关稳压电源。1974年研制成功了我国第一台工作频率为10kHz、输出直流电压为5V的无工频降压变压器的开关稳压电源。近十年来,我国的许多研究所、工厂和高等院校纷纷研制出了多种型号和多种用途的工作频率在20kHz左右,输出功率在1000W以下的无工频降压变压器的开关稳压电源,并应用于电子计算机、通信、电视机等方面,取得了非常好的效果。工作频率为100~200kHz的无工频降压变压器的高频开关稳压电源于20世纪80年代初期开始试制,90年代初期就已试制成功。目前正处于实用和进一步提高工作频率阶段。许多年来,虽然我国的科技人员在无工频降压变压器开关稳压电源方面坚持独立自主、自力更生的道路,历尽千辛万苦,一直在不懈地努力着、奋斗着,并取得了可喜的巨大成果,但是我国的开关稳压电源技术与一些先进国家相比仍有巨大的差距。此外,这些年来,我国虽然把无工频降压变压器的开关稳压电源的工作频率从数十千赫兹提高到数百千赫兹,把输出功率由数十瓦提高到数百瓦甚至数千瓦,但是,由于我国的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降压变压器的开关稳压电源电路中的关键器件,如功率开关晶体管、高频开关变压器磁性材料、储能电感、快恢复续流二极管大部分仍然采用的是国外的。因此,我国的开关稳压电源事业要发展,要赶超世界先进水平,最根本的问题是要提高我国的半导体技术和工艺。

衡量一个国家开关稳压电源技术发展状态的先进与落后,除了要看以上所说的开关稳压电源电路中的那些关键性元器件和磁性材料的发展现状以外,还要看开关稳压电源电路中的脉宽调制PWM(或正弦波脉宽调制SPWM)控制与驱动集成电路的发展状态。我们国家目前市场上出现的各种各样的开关稳压电源产品,不管是小功率、中功率输出式,还是大功率、超大功率输出式;不管是单端输入驱动式,还是双端输入驱动式;不管是输出单路式,还是输出多路式;不管是输出正压式,还是输出负压式;不管是自激式、它激式,还是谐振式;不管是散件式,还是模块式……所有这些开关稳压电源电路中所使用的PWM(或SPWM)控制与驱动集成电路芯片几乎全部都是采用进口的,仅有极个别的是采用国产的。所谓国产的,也只不过是把进口的芯片拿回来进行了一下封装。因此,我们国家有关开关稳压电源的PWM(或SPWM)控制与驱动集成电路芯片的微电子工业几乎等于零。因此,我们要发展我国的开关稳压电源事业,要赶超世界先进水平,要独立于世界强国之林,就必须从零做起,从基础做起。

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