課程設(shè)計(jì)正文—《開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)及制作》(李強(qiáng)正式版)

1、摘 要摘 要隨著科技的發(fā)展，電源已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、航空航天、通信、儀表、以及家用電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)其的需求量亦是日益增長(zhǎng)。同時(shí)也對(duì)電源的效率、體積、重量、可靠性等方面有更高的要求。開(kāi)關(guān)電源以其小體積、重量輕、高效率的優(yōu)勢(shì)在很多方面取代了效率不高、體積大、笨重的線性電源。現(xiàn)在電力電子技術(shù)的發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到了一個(gè)很高的水平，使其有了更高的穩(wěn)定性和性價(jià)比。開(kāi)關(guān)電源常用的變換電路有推完、全橋、半橋、單端正激和單端反擊等。本文介紹了兩種電源的設(shè)計(jì)與制作方案，分別為串聯(lián)可調(diào)式線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。并且詳細(xì)闡述了開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)，并組裝出樣機(jī)予以測(cè)試。關(guān)鍵字：電源，電力電子技術(shù)，線性

2、電源，開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)與制作25AbstractABSTRACTWith the development of science and technology, power supply has been widely used in computer, aerospace, communications, instrumentation, as well as household appliances and other fields. The demand is also growing. At the same time, the efficiency of the power, size,

3、 weight, reliability has a higher requirement. Switching power supply with its small size, light weight, high efficiency advantages instead of linear power supply efficiency is not high, large volume, heavy in many aspects. Now the development of power electronic technology, the switching power supp

4、ly operating frequency up to a very high level, which has higher stability and price. Circuit switching power supply commonly used are pushed out, full bridge, half bridge, single ended forward and single end counter etc.This paper introduces the design and fabrication of two kinds of power supply s

5、cheme, respectively series adjustable linear regulated power supply and switch regulated power supply. And expounds the circuit design of switching power supply, and assembling a prototype.Key Words: power, electronics, power electronic technology, switching power supply, design and manufacture目錄目 錄

6、第1章引言1第2章電源概述42.1 電源42.2 電源的分類42.3 電源的常見(jiàn)類型5第3章線性穩(wěn)壓電源的工作原理與制作63.1 線性穩(wěn)壓電源63.2 直流線性穩(wěn)壓電源的工作原理63.3 直流穩(wěn)壓電源電路的總體組成框圖73.4 直流電源各模塊分析73.5 線性直流穩(wěn)壓設(shè)計(jì)指標(biāo)83.6 直流線性電源的電路原理圖103.7 安裝與測(cè)試10第4章開(kāi)關(guān)電源的工作原理與設(shè)計(jì)制作134.1 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源與串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的對(duì)比134.2 開(kāi)關(guān)電源的常見(jiàn)分類134.3 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理154.4 開(kāi)關(guān)電源器件的選用164.5 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)184.6 安裝與測(cè)試20第5章結(jié)論和展望22參考文獻(xiàn)23致謝

7、24附錄25附錄一：直流線性穩(wěn)壓電源輸入端波形圖25附錄二：直流穩(wěn)壓電源濾波后波形圖25第1章 引言第1章 引言如今電子技術(shù)發(fā)展迅猛，電子系統(tǒng)廣泛的運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，電子產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多樣化，人們的工作、生活越來(lái)越離不開(kāi)電子產(chǎn)品。而任何電子產(chǎn)品都需要一個(gè)可靠的電源，因而電子產(chǎn)品的多樣化使得它們對(duì)電源的要求也越來(lái)越苛刻。電子產(chǎn)品的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種穩(wěn)壓電源有著比較成熟的技術(shù)，并且有很多線性穩(wěn)壓電源模塊已經(jīng)集成化，具備著輸出波紋很小、穩(wěn)定性高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但是一般需求體積大質(zhì)量較笨重的變壓器和濾波器

8、。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了使輸出電壓穩(wěn)定，調(diào)整管的集電極與發(fā)射極之間需要承受比較大的電壓差，從而導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率低，一般只有45%左右。 因?yàn)檩^大的功率消耗在調(diào)整管上，所以需要采用裝有體積很大的散熱器的大功率調(diào)整管，這樣很難滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開(kāi)發(fā)了開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)了將近半個(gè)世界的發(fā)展，具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并且廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世

9、紀(jì)90年代，開(kāi)關(guān)電源更是廣泛應(yīng)用在電子、電器、家電等領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期。 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零;當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零。所以其功耗小，效率可高達(dá)70%-95%。而功耗小，散熱器也隨之減小。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，因而不需要電源變壓器。此外，開(kāi)關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小。因此開(kāi)關(guān)電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 由于開(kāi)關(guān)電源功耗小，機(jī)內(nèi)溫升較低，從而將整機(jī)的穩(wěn)

10、定性和可靠性提高了。而且它有更強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)能力，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220±10%，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓在110-260伏范圍內(nèi)變化時(shí)，仍可以得到穩(wěn)定的輸出電壓。 開(kāi)關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來(lái)的效益是使開(kāi)關(guān)電源裝置空前地小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。 目前市場(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用MOSFET (Metal-Oxide-Semiconducto

11、r Field-Effect Transistor，金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管晶體管)的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開(kāi)關(guān)頻率，必須采用高速開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上開(kāi)關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開(kāi)關(guān)方式。 它可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度，理論上開(kāi)關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開(kāi)關(guān)方式的兆赫級(jí)變換器已經(jīng)實(shí)用化。開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下四個(gè)方面。 1. 小型化、薄型化、輕量化、高頻化2. 高可靠性3. 低噪聲4. 采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制總之，人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開(kāi)發(fā)新型元器件，兩者

12、相互促進(jìn)并推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源以每年超過(guò)兩位數(shù)的市場(chǎng)增長(zhǎng)率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。第2章 電源概述第2章 電源概述2.1 電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做電源。發(fā)電機(jī)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，干電池能把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)，電池本身并不帶電，它的兩極分別有正負(fù)電荷，由正負(fù)電荷產(chǎn)生電壓(電荷在電壓的作用下定向移動(dòng)而形成電流)，導(dǎo)體里本身就帶有電荷，只需要加上電壓就可以產(chǎn)生電流。干電池這一類叫做供電電源；通過(guò)變壓器的變壓和整流器的整流，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置叫做供電整流電源。能提供信號(hào)的電子設(shè)備叫做信號(hào)源。晶體三極管能把前面送來(lái)的信號(hào)加以放大，又把放大了的信號(hào)傳送到后面

13、的電路中去。晶體三極管對(duì)后面的電路來(lái)說(shuō)，也可以看做是信號(hào)源。整流電源、信號(hào)源有時(shí)也叫做供電電源。2.2 電源的分類電源可分為普通電源和特種電源。普通電源可分為：開(kāi)關(guān)電源、逆變電源、穩(wěn)壓電源、通信電源、模塊電源、移動(dòng)電源、變頻電源、不間斷電源、緊急電力供給電源、凈化電源、PC電源、整流電源、定制電源、加熱電源、焊接電源/電弧電源、電鍍電源、網(wǎng)絡(luò)電源、電力操作電源、適配器電源、線性電源、電源控制器/驅(qū)動(dòng)器、功率電源、其他普通電源。特種電源指的就是特殊種類的電源。所謂特殊主要是由于衡量電源的技術(shù)指標(biāo)要求不同于常用的電源，其主要是輸出電壓特別高，輸出電流特別大，或者對(duì)穩(wěn)定度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及紋波要求特別高，

14、或者要求電源輸出的電壓或電流是脈沖或其它一些要求。這就使得在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)此類電源時(shí)有比普通電源有更特殊甚至更嚴(yán)格的要求。特種電源可分為：岸電電源、安防電源、高壓電源、醫(yī)療電源、軍用電源、航空航天電源等。2.3 電源的常見(jiàn)類型1. 交流穩(wěn)壓電源能夠提供一個(gè)穩(wěn)定電壓和頻率的電源稱交流穩(wěn)定電源。包括參數(shù)調(diào)整（諧振）型電源、自耦（變比）調(diào)整型電源、開(kāi)關(guān)型交流穩(wěn)壓電源。參數(shù)調(diào)整型電源：穩(wěn)壓的基本原理是LC串聯(lián)諧振，早期出現(xiàn)的磁飽和型穩(wěn)壓器就屬于這一類。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)眾多的元器件，可靠性相當(dāng)高穩(wěn)壓范圍相當(dāng)寬，抗干擾和抗過(guò)載能力強(qiáng).缺點(diǎn)是能耗大、噪聲大、笨重且造價(jià)高。自耦（變比）調(diào)整型電源：又可分為機(jī)

15、械調(diào)壓型、改變抽頭型、大功率補(bǔ)償型這三種類型。機(jī)械調(diào)壓型：就是以伺服電機(jī)帶動(dòng)炭刷在自耦變壓器的的繞組滑動(dòng)面上移動(dòng)，改變Vo對(duì)Vi的比值，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)整和穩(wěn)定。該種穩(wěn)壓器可以從幾百瓦到幾千瓦。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，輸出波形失真??；但由于炭刷滑動(dòng)接點(diǎn)易產(chǎn)生電火花，造成電刷損壞以至燒毀而失效；且電壓調(diào)整速度慢。改變抽頭型：改變抽頭型將自耦變壓器做成多個(gè)固定抽頭，通過(guò)繼電器或可控硅（固態(tài)繼電器）做為開(kāi)關(guān)器件，自動(dòng)改變抽頭位置，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓器優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓范圍寬，效率高，價(jià)格低，而缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度低工作壽命短，它適用于家庭給空調(diào)器供電。大功率補(bǔ)償型：它用補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸

16、出電壓的穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制。優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好，穩(wěn)壓精度高、響應(yīng)快、電路簡(jiǎn)單、工作可靠。缺點(diǎn)是：帶計(jì)算機(jī)，程控交換機(jī)等非線性負(fù)載時(shí)有低頻振蕩現(xiàn)象；輸入側(cè)電流失真度大，源功率因數(shù)較低；輸出電壓對(duì)輸入電壓有相移。對(duì)抗干擾功能要求較高的單位，在城市里應(yīng)用為宜，計(jì)算機(jī)供電時(shí)，必須選用計(jì)算機(jī)總功率的2-3倍左右穩(wěn)壓器來(lái)使用。因具有穩(wěn)壓、抗干擾，響應(yīng)速度快、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。開(kāi)關(guān)型交流穩(wěn)壓電源：它應(yīng)用于高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，與一般開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別是它的輸出量必須是與輸入側(cè)同上頻、同相的交流電壓。它的輸出電壓波型有準(zhǔn)方波、梯型波、正弦波等，市場(chǎng)上的不間斷電源抽掉其中的蓄電源和充電器，就是一臺(tái)開(kāi)關(guān)型交

17、流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓性好，控制功能強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)智能化，是非常具有前途的交流穩(wěn)壓電源。但因其電路復(fù)雜，價(jià)格較高，所以推廣較慢。2. 直流穩(wěn)定電源直流穩(wěn)定電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源，線性穩(wěn)定電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)定電源?；瘜W(xué)電源：平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了智能化電池；在充電電池材料方面，美國(guó)研制人員發(fā)現(xiàn)錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放電時(shí)間長(zhǎng)，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池。線性穩(wěn)定電源：它的特點(diǎn)是功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連

18、續(xù)可調(diào)的成品。缺點(diǎn)是體積大、較笨重、效率相對(duì)較低。這類穩(wěn)定電源又有很多種，從輸出性質(zhì)可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一身的穩(wěn)壓穩(wěn)流（雙穩(wěn)）電源。從輸出值來(lái)看可分定點(diǎn)輸出電源、波段開(kāi)關(guān)調(diào)整式和電位器連續(xù)可調(diào)式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數(shù)字顯示式型等等。開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：它的電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它的它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和就是截止區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點(diǎn)相對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō)紋波較大。第4章 開(kāi)關(guān)電源的工作原理與設(shè)計(jì)制作第3章 線性穩(wěn)壓電源的工作原理與制作3.1 線性穩(wěn)

19、壓電源線性穩(wěn)壓電源指的就是當(dāng)調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是一種電源變換電路。線性穩(wěn)壓電源有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻（50Hz)上，所以重量較大。這類電源優(yōu)點(diǎn)是它的穩(wěn)壓性能很好，而且輸出波紋很小，工作產(chǎn)生的噪聲低、可靠性高、線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于維修、易做成多路,輸出連續(xù)可調(diào)的成品；但是功耗大、效率相對(duì)較低（一般只有45%左右）、體積大質(zhì)量笨重，不便于微小化和攜帶、必須有較大容量的濾波電容。3.2 直流線性穩(wěn)壓電源的工作原理線性穩(wěn)壓電源指的就是當(dāng)調(diào)整管工作

20、在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是一種電源變換電路。原理是將220V/50HZ的交流高電壓經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換為較為低的電壓，經(jīng)過(guò)整流橋的整流作用得到脈動(dòng)比較大的直流電，再將得到的直流電經(jīng)過(guò)濾波電路濾去電壓中的交流成分保留直流部分最后在經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓就可以得到較為平滑的輸出電壓。3.3 直流穩(wěn)壓電源電路的總體組成框圖圖3-1 直流穩(wěn)壓電源電路總體組成框圖3.4 直流電源各模塊分析1.電源變壓器電源變壓器是一個(gè)降壓變壓器，將220V的交流電壓變換成符合需要的低交流電壓，送給整流電路。變壓器的變壓比是初級(jí)電壓與次級(jí)電壓的比值，因此由變壓器的副邊輸出來(lái)確定。變壓器有以下5個(gè)主要參數(shù)：1. 變壓比：變壓器的

21、變壓比是初級(jí)電壓與次級(jí)電壓的比值。2. 額定功率：是指變壓器在指定頻率和電壓下能連續(xù)工作而不超過(guò)規(guī)定溫升的輸出功率。3. 效率：是輸出功率與輸入功率之比，它反映了變壓器的自身?yè)p耗。4. 空載電流：變壓器在工作電壓下次級(jí)空載時(shí)（次級(jí)電流為零），初級(jí)線圈流過(guò)的電流稱為空載電流。空載電流大的變壓器損耗大、效率低。5. 絕緣電阻和抗電強(qiáng)度：絕緣電阻是指變壓器線圈之間、線圈與鐵心之間及引線之間的電阻?？闺姀?qiáng)度是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)變壓器可承受的電壓，它是變壓器特別是電源變壓器安全工作的重要參數(shù)。2.整流電路整流電路將經(jīng)過(guò)變壓器變壓后的低交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流，再送與濾波電路進(jìn)行濾波。常用的整流電路有單相半波整

22、流、橋式整流。單相半波整流：利用二極管的單向?qū)щ娦?，只輸出交流中的正電壓部分。?yōu)點(diǎn)是電路非常的簡(jiǎn)單，使用的二極管也非常的少。但是由于他只利用了交流電壓的半個(gè)周期，所以輸出電壓低、交流分量大、效率就很低。因此這種整流電路只適合整流電流小，對(duì)脈動(dòng)要求也不是很高的地方。單相橋式整流：橋式整流是對(duì)二極管半波整流的一種改進(jìn)。半波整流利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，在輸入為?biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下，輸出獲得正弦波的正半部分，負(fù)半部分則損失掉。橋式整流器利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分時(shí)兩只管導(dǎo)通，得到正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另外兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。

23、保證了整個(gè)周期內(nèi)負(fù)載上的電壓電流方向始終不變。 實(shí)現(xiàn)了全波整流，將輸出電壓負(fù)半周期也利用起來(lái)了。所以橋式整流器對(duì)輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。因此，綜合考慮，直流線性穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)采用單相橋式整流，橋式整流如圖3-2所示。圖3-2 橋式整流電路圖3.濾波電路濾波電路的作用是濾除整流電路輸出電壓中的大部分交流成分，以此得到較為平滑的直流電壓。4.穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路的目的是為了確保輸出的電壓是穩(wěn)定的，不隨著交流電網(wǎng)和負(fù)載的變化而改變。它的原理是通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)穩(wěn)壓管自身的電流大小來(lái)滿足負(fù)載電流的改變，并且與限流電阻配合將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化從而適應(yīng)電網(wǎng)的波動(dòng)。常用的穩(wěn)壓器有固定式和可調(diào)式

24、三端穩(wěn)壓器兩種。3.5 線性直流穩(wěn)壓設(shè)計(jì)指標(biāo)1. 電網(wǎng)調(diào)整率它表示輸入電網(wǎng)電壓由額定值變化±10%時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對(duì)變化量，有時(shí)也以絕對(duì)值表示。一般穩(wěn)壓電源的電網(wǎng)調(diào)整率等于或小于1%、0.1%，甚至0.01%。2. 穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)有絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)和相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出直流變化量與輸入電網(wǎng)電壓變化量之比，即 (3-1)它表示輸入電網(wǎng)電壓變化量引起多大輸出電壓的變化。所以絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)K值越小越好。K越小，說(shuō)明同一引起的越小，也就是輸出電壓越穩(wěn)定。但是，在穩(wěn)壓電源中更重視相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)。相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)S表示在負(fù)載不變時(shí)，穩(wěn)壓器輸出直流電壓的相對(duì)變化

25、量與輸入電網(wǎng)電壓的相對(duì)變化量之比，即 (3-2)穩(wěn)壓系數(shù)通常是指相對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)S，而不是絕對(duì)穩(wěn)壓系數(shù)K。3. 輸出電阻在額定電網(wǎng)電壓下，由于負(fù)載電流變化引起輸出電壓變化，則輸出電阻為 (3-3)4. 紋波電壓（1）最大紋波電壓在額定輸出電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對(duì)值大小，通常以峰峰值或有效值表示。（2）紋波系數(shù) 在額定負(fù)載電流下，輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比 （3-4）（3）紋波電壓抑制比紋波電壓抑制比是指在規(guī)定的紋波頻率（例如50Hz）下，輸入電壓中的紋波電壓與輸出電壓中的紋波電壓之比，即紋波電壓抑制比 。3.6 直流線性電源的電路原理圖圖3-3 直流線性電源電

26、路原理圖從圖3-3的電路圖可以看出，該電路包括整流濾波電路和穩(wěn)壓電路兩個(gè)部分，其中穩(wěn)壓電路由取樣電路、基準(zhǔn)電壓形成電路、誤差比較放大電路和調(diào)整電路4部分組成。VD1-4組成橋式整流電路，C1-2組成濾波電路，將脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)化成為非直流電。R3、RP1/R4組成取樣電路，R2、VD5組成基準(zhǔn)電壓形成電路，Q3為誤差比較放大管，Q1、Q2組成復(fù)合調(diào)整管，C3為有源濾波電容，R1為復(fù)合管提供驅(qū)動(dòng)電流。C4為輸出濾波電容，L1為負(fù)載，其亮度可以直觀的看出輸出電壓的高低。3.7 安裝與測(cè)試整個(gè)安裝用萬(wàn)能板走錫法在萬(wàn)能板上安裝。安裝時(shí)，先安裝比較小的元件，因此安裝時(shí)先安裝整流電路，接著安裝穩(wěn)壓電路最后安裝

27、電容濾波電路。安裝時(shí)需要注意的是二極管和電解電容的極性不要接反。在焊接的過(guò)程當(dāng)中要仔細(xì)，細(xì)心，盡量保持手不要大幅度的擺動(dòng)，盡量使得焊點(diǎn)成一個(gè)光滑的圓錐形。檢查確定無(wú)誤后再將整流、濾波電路和電源變壓器進(jìn)行連接。接著通電，調(diào)節(jié)RP1的阻值，觀察輸出電壓是否符合設(shè)計(jì)的指標(biāo)，若符合，說(shuō)明穩(wěn)壓電源的各個(gè)電路工作正常，此時(shí)可以進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。圖3-4 直流線性穩(wěn)壓電源實(shí)物正面照片圖3-5 直流線性穩(wěn)壓電源實(shí)物反面照片測(cè)試得到輸出電壓為7.21V，各三極管的各端電壓如表3-1所示。表3-1 三極管各端測(cè)試數(shù)據(jù)輸出電壓（V）整流電壓（V）輸出電壓(V)9.509.307.9211.2412.9311.54

28、第4章 開(kāi)關(guān)電源的工作原理與設(shè)計(jì)制作4.1 開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源與串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的對(duì)比穩(wěn)壓電源是通過(guò)電子電路調(diào)整輸出電壓使其達(dá)到穩(wěn)定目的的電源。常見(jiàn)的分類有串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、并聯(lián)型穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源包括開(kāi)關(guān)電源，但是不能直接說(shuō)穩(wěn)壓電源就是開(kāi)關(guān)電源。一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源都安裝有電源變壓器，有著輸出電壓穩(wěn)定、波紋較小等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)是電壓范圍比較小，效率低。 并聯(lián)穩(wěn)壓電源有特別穩(wěn)定的電壓輸出，但是又有很差的負(fù)載能力，所以一般只在儀表內(nèi)部做基準(zhǔn)用。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源擁有很高的效率，較寬的電壓范圍，相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓，由于開(kāi)關(guān)管工作在通和關(guān)斷狀態(tài)，功耗小，所以開(kāi)關(guān)電源的工作效率可達(dá)8090。而通

29、常的線性調(diào)整式穩(wěn)壓電源的效率僅達(dá)50左右 因而近代普遍推廣開(kāi)關(guān)電源，比如現(xiàn)在筆記本電腦電源適配器、打印機(jī)電源、手機(jī)充電器等等。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)開(kāi)關(guān)器件周期性間斷工作，控制開(kāi)關(guān)器件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。其中DC/DC變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路檢測(cè)輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓經(jīng)過(guò)放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源它的電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而

30、是工作在幾十赫茲到幾兆赫茲。功能管不斷工作在飽和及截止區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此被稱做開(kāi)關(guān)電源。4.2 開(kāi)關(guān)電源的常見(jiàn)分類1. 由開(kāi)關(guān)管在電路中的連接方式的不同來(lái)分類，可分為串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和脈動(dòng)變壓器耦合式開(kāi)關(guān)電源。串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：指的是開(kāi)關(guān)管（或儲(chǔ)能電感）與負(fù)載通過(guò)串聯(lián)連接接的方式連接的一種電源電路。并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：指的是開(kāi)關(guān)管（或儲(chǔ)能電感）與負(fù)載通過(guò)并聯(lián)連接的方式連接的一種電源電路。脈沖變壓器耦合型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路電源：指的是開(kāi)關(guān)管與脈沖變壓器一次繞組串聯(lián)后與整流電路并聯(lián)，負(fù)載電路與脈沖變壓器二次繞組并聯(lián)的一種電源電路。2. 按開(kāi)關(guān)管的激勵(lì)方式的不同來(lái)分類分類，開(kāi)關(guān)電源

31、可分為自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和它激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。利用電源電路中的正反饋電路來(lái)完成自激振蕩，啟動(dòng)電源，這樣的電路稱之為自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。而它激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路則是專門的設(shè)有一個(gè)振蕩器來(lái)啟動(dòng)電源。3. 按照使用器件的不同來(lái)分類，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可分為分立元器件組成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和集成電路組成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。4. 按照不同穩(wěn)壓控制方式來(lái)分類，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源可分為脈沖調(diào)寬式和脈沖調(diào)頻式這兩種。所謂脈沖調(diào)寬式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：指的是利用相關(guān)電路通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種穩(wěn)壓電路。所謂脈沖調(diào)頻式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源：指的是通過(guò)相關(guān)電路調(diào)制開(kāi)關(guān)的脈沖頻率的一種穩(wěn)壓電路。 5. 按照功能的不同又可分為AC/

32、DC電源、DC/DC電源、通信電源、臺(tái)電電源、模塊電源和特種電源等。AC/DC電源：電源也稱一次電源，它自電網(wǎng)取得能量，經(jīng)過(guò)高壓整流濾波得到一個(gè)直流高壓，供DC/DC 變換器在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，功率從幾瓦幾千瓦均有產(chǎn)品，用于不同場(chǎng)合。屬此類產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)繁多，據(jù)用戶需要而定通信電源中的一次電源。DC/DC電源：在通信系統(tǒng)中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個(gè)直流輸入電壓，經(jīng)DC/DC 變換以后在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)直流電壓。 通信電源：通信電源其實(shí)質(zhì)上就是DC/DC 變換器式電源，只是它一般以直流-48V 或24V

33、 供電，并用后備電池作DC 供電的備份，將DC 的供電電壓變換成電路的工作電壓，一般它又分中央供電、分層供電和單板供電三種，以后者可靠性最高。 電臺(tái)電源：電臺(tái)電源輸入AC220V/110V，輸出DC13.8V,功率由所供電臺(tái)功率而定,幾安幾百安均有產(chǎn)品.為防止AC 電網(wǎng)斷電影響電臺(tái)工作,而需要有電池組作為備份,所以此類電源除輸出一個(gè)13.8V 直流電壓外,還具有對(duì)電池充電自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。 模塊電源：隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)電源可靠性、容量/體積比要求越來(lái)越高，模塊電源越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，它工作頻率高、體積小、可靠性高，便于安裝

34、和組合擴(kuò)容，所以越來(lái)越被廣泛采用。目前，目前國(guó)內(nèi)雖有相應(yīng)模塊生產(chǎn)，但因生產(chǎn)工藝未能趕上國(guó)際水平，故障率較高。 DC/DC 模塊電源目前雖然成本較高，但從產(chǎn)品的漫長(zhǎng)的應(yīng)用周期的整體成本來(lái)看，特別是因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的高昂的維修成本及商譽(yù)損失來(lái)看，選用該電源模塊還是合算合算的，在此還值得一提的是羅氏變換器電路，它的突出優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高和輸出電壓、電流的紋波值接近于零。 特種電源：高電壓小電流電源、大電流電源、400Hz 輸入的AC/DC 電源等，可歸于此類，可根據(jù)特殊需要選用。4.3 開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)容易理解。在

35、線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?。功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比是開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)生高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

36、控制器的主要目的式保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類似。也就是說(shuō)控制器的功能模塊電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。它們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓脈沖轉(zhuǎn)換單元。開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很少，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的場(chǎng)合下個(gè)有優(yōu)點(diǎn)。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)式：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。升壓式變換器中峰值電流較高，因此只適合功率不大于150W的應(yīng)用場(chǎng)合，在所有拓?fù)渲?，這類變換器所用的元器件最小，因

37、而在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中和流行。開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程：交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；通過(guò)高頻 PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上；開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。4.4 開(kāi)關(guān)電源器件的選用1. 基準(zhǔn)穩(wěn)壓器件TL431TL431是一個(gè)有著良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等。

38、TL431的特點(diǎn)：(1)最它輸出電壓為36V。(2)電壓參考誤差：±0.4% ，典型值25（TL431B）。(3)低輸出噪聲電壓。(4)低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，典型0.22。(5)等效全范圍溫度系數(shù)典型值為50 ppm/。(6)負(fù)載電流能力1.0mA to 100mA。圖4-1 TL431外觀和引腳2. 電力二極管電力二極管的主要類型可分為：肖特基二極管、快恢復(fù)二極管和普通二極管。（1）肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode，簡(jiǎn)稱SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040n

39、s），正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。因此，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點(diǎn)在于：當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，所以多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。（2）快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管是反向恢復(fù)過(guò)程很短的二極管，簡(jiǎn)稱為快速二極管。它在工藝上曹勇了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)PiN，結(jié)構(gòu)采用外延性PiN結(jié)構(gòu)的快恢復(fù)外延二極管它的反向恢復(fù)時(shí)間更加短暫，而且正向壓降也很低。（3）普通

40、二極管普通二極管又稱之為整流二極管，多用于開(kāi)關(guān)頻率不高的整流電路。它的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上,這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。3. 光耦器件JC817和PC817一樣是常用的線性光耦，在各種要求比較精密的功能電路中常被當(dāng)做耦合器件，其具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。當(dāng)輸入端加載上電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接收光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“光-電-光”的轉(zhuǎn)換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)（開(kāi)關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連

41、續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同，光耦合器不但可以起到反饋的作用還可以起到隔離的作用。光耦合器主要應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源、充電器、適配器、USP、空調(diào)、DVD以及其他家用電上。圖4-2 JC817實(shí)物圖4.5 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)功率因素校正頻率震蕩發(fā)生器控制電路輸出電路功率轉(zhuǎn)換 輸入電路直流輸出交流輸入電壓220V低通濾波平滑濾波二次整流脈寬調(diào)制誤差放大一次整流有源調(diào)整電子開(kāi)關(guān)高頻變壓器采樣輸出基準(zhǔn)電壓比較器脈沖驅(qū)動(dòng)圖4-3 開(kāi)關(guān)電源的組成框圖圖4-3第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。2

42、20V 交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到 第二部分進(jìn)行功率因數(shù)校正，其目的是提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數(shù)校正的方法有無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。所謂有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指電源在校正過(guò)程中常采用三極管和集成電路。開(kāi)關(guān)電源電路常采用有源功率因數(shù)校正。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它是由電子開(kāi)關(guān)和高頻變壓器來(lái)完成的，是把高功率因素的直流電壓變換成受到控制的、符合設(shè)計(jì)要求的高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出

43、。第五部分是控制電路，輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓、采樣后于電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號(hào)，該信號(hào)與控制信號(hào)疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的實(shí)質(zhì)是電源變換。考慮到樣品機(jī)的成本以及實(shí)用性，設(shè)計(jì)一個(gè)手機(jī)直充。其設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4-4所示。圖4-4 開(kāi)關(guān)電源（手機(jī)直充）電路原理圖從圖4-4的電路圖可知該電路包括了典型的開(kāi)關(guān)電源的各組成單元。其中由D2、C1、R1組成的低頻整流濾波電路將220V交流轉(zhuǎn)化為300V的非穩(wěn)直流，R1兼做保險(xiǎn)功能；電阻R7作為啟動(dòng)電阻為開(kāi)關(guān)管Q1提供啟動(dòng)電流；開(kāi)關(guān)變壓器T1的初級(jí)繞組1-2，反饋繞組4-5，正反饋網(wǎng)絡(luò)R6、C2以及開(kāi)關(guān)管組成自激振蕩電路；Q2為分流管，脈沖寬