開關電源保護電路的設計畢業(yè)論文

開關電源保護電路的設計摘要：隨著科學技術的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，因此直流開關電源開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了直流開關電源。同時隨著許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數(shù)校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術等技術的發(fā)展，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。但是由于開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據(jù)了直流開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路。關鍵詞：直流電源、保護、原理圖1緒論1.1課題背景及目的開關電源產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽產(chǎn)品，安防，電腦機箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領域。所有的電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義?，F(xiàn)代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。直流開關，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉(zhuǎn)換成滿足設備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。也就是說，直流開關電源的分類與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類是基本相同的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直流開關電源的分類。隨著科學技術的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，因此直流開關電源開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了直流開關電源。同時隨著許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數(shù)校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術等技術的發(fā)展，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。但是由于開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據(jù)了直流開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路。2直流開關電源的原理及特點2.1工作原理直流開關電源就是用通過電路控制開關管進行高速的道通與截止．將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓！轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50HZ高很多．所以開關變壓器可以做的很小，而且工作時不是很熱！成本很低。如果不將50HZ變?yōu)楦哳l那開關電源就沒有意義。直流開關電源的工作原理是:1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關管,將那個直流加到開關變壓器初級上；3.開關變壓器次級感應出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載；4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的。交流電源輸入時一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾;在功率相同時,開關頻率越高,開關變壓器的體積就越小,但對開關管的要求就越高;開關變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出;一般還應該增加一些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關電源.主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機，電腦等。開關電源，顧名思義，就是這里有一扇門，一開門電源就通過，一關門電源就停止通過，那么什么是門呢，開關電源里有的采用可控硅，有的采用開關管，這兩個元器件性能差不多，都是靠基極、（開關管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號來完成導通和截止的，脈沖信號正半周到來，控制極上電壓升高，開關管或可控硅就導通，由220V整流、濾波后輸出的300V電壓就導通，通過開關變壓器傳到次級，再通過變壓比將電壓升高或降低，供各個電路工作。振蕩脈沖負半周到來，電源調(diào)整管的基極、或可控硅的控制極電壓低于原來的設置電壓，電源調(diào)整管截止，300V電源被關斷，開關變壓器次級沒電壓，這時各電路所需的工作電壓，就靠次級本路整流后的濾波電容放電來維持。待到下一個脈沖的周期正半周信號到來時，重復上一個過程。這個開關變壓器就叫高頻變壓器，因為他的工作頻率高于50HZ低頻。那么推動開關管或可控硅的脈沖如何獲得呢，這就需要有個振蕩電路產(chǎn)生，我們知道，晶體三極管有個特性，就是基極對發(fā)射極電壓是0.65-0.7V是放大狀態(tài)，0.7V以上就是飽和導通狀態(tài)，-0.1V--0.3V就工作在振蕩狀態(tài)，那么其工作點調(diào)好后，就靠較深的負反饋來產(chǎn)生負壓，使振蕩管起振，振蕩管的頻率由基極上的電容充放電的時間長短來決定，振蕩頻率高輸出脈沖幅度就大，反之就小，這就決定了電源調(diào)整管的輸出電壓的大小。那么變壓器次級輸出的工作電壓如何穩(wěn)壓呢，一般是在開關變壓器上，單繞一組線圈，在其上端獲得的電壓經(jīng)過整流濾波后，作為基準電壓，然后通過光電耦合器，將這個基準電壓返回振蕩管的基極，來調(diào)整震蕩頻率的高低，如果變壓器次級電壓升高，本取樣線圈輸出的電壓也升高，通過光電耦合器獲得的正反饋電壓也升高，這個電壓加到振蕩管基極上，就使振蕩頻率降低，起到了穩(wěn)定次級輸出電壓的穩(wěn)定，太細的工作情況就不必細講了，也沒必要了解的那么細的，這樣大功率的電壓由開關變壓器傳遞，并與后級隔開，返回的取樣電壓由光耦傳遞也與后級隔開，所以前級的市電電壓，是與后級分離的，這就叫冷板，是安全的，變壓器前的電源是獨立的，這就叫開關電源。直流開關電源由輸入部分、功率轉(zhuǎn)換部分、輸出部分、控制部分組成。功率轉(zhuǎn)換部分是開關電源的核心，它對非穩(wěn)定直流進行高頻斬波并完成輸出所需要的變換功能。它主要由開關三極管和高頻變壓器組成。圖1畫出了直流開關電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關管V，激勵信號，續(xù)流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，直流開關電源的核心部分是一個直流變壓器。2.2特點為了適應用戶的需求，國內(nèi)外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是通過改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體(Mn-Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能，同時SMT技術的應用使得開關電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關電源的輕、小、薄。因此直流開關電源的發(fā)展趨勢是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。直流開關電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，適應惡劣環(huán)境和突發(fā)故障的能力較弱。由于國內(nèi)微電子技術、阻容器件生產(chǎn)技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因此直流開關電源的制作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高。3直流開關電源的保護電基于直流開關電源的特點和實際的電氣狀況，為使直流開關電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據(jù)不同的情況設計了過電流保護電路，過電壓保護電路，過熱保護電路以及軟啟動保護電路。3.1過電流保護電路在直流開關電源電路中，為了保護調(diào)整管在電路短路、電流增大時不被燒毀。其基本方法是，當輸出電流超過某一值時，調(diào)整管處于反向偏置狀態(tài)，從而截止，自動切斷電路電流。過電流保護電路由三極管BG2和分壓電阻R4、R5組成。電路正常工作時，通過R4與R5的分壓作用，使得BG2的發(fā)射極電位比基極電位高，發(fā)射結(jié)承受反向電壓。于是BG2處于截止狀態(tài)（相當于開路），對穩(wěn)壓電路沒有影響。當電路短路時，輸出電壓為零，BG2的發(fā)射極相當于接地，則BG2處于飽和導通狀態(tài)（相當于短路），從而使調(diào)整管BG1基極和發(fā)射極近于短路，而處于截止狀態(tài)，切斷電路電流，從而達到保護目的。圖1開關調(diào)整元件圖2直流開關電源原理圖3輸入過電流保護電路3.2過電壓保護電路直流開關電源中開關穩(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。如果開關穩(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，將導致開關穩(wěn)壓器不能正常工作，甚至損壞內(nèi)部器件，因此開關電源中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，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T導通，繼電器動作，常閉接點斷開，切斷輸入。輸入電源的極性保護電路可以跟輸入過電壓保護結(jié)合在一起，構(gòu)成極性保護鑒別與過電壓保護電路。圖4輸入過電壓保護電路3.3過熱保護電路直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內(nèi)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應提高，必然會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率直流開關電源中應該設過熱保護電路。本文采用溫度繼電器來檢測電源裝置內(nèi)部的溫度，當電源裝置內(nèi)部產(chǎn)生過熱時，溫度繼電器就動作，使整機告警電路處于告警狀態(tài)，實現(xiàn)對電源的過熱保護。如圖5(a)所示，在保護電路中將P型控制柵熱晶閘管放置在功率開關三極管附近，根據(jù)TT102的特性(由Rr值確定該器件的導通溫度，Rr越大，導通溫度越低)，當功率管的管殼溫度或者裝置內(nèi)部的溫度超過允許值時，熱晶閘管就導通，使發(fā)光二極管發(fā)亮告警。倘若配合光電耦合器，就可使整機告警電路動作，保護開關電源。該電路還可以設計成如圖5(b)所示，用作功率晶體管的過熱保護，晶體開關管的基極電流被N型控制柵熱晶閘管TT201旁路，開關管截止，切斷集電極電流,防止過熱。采用P型熱晶閘管（b）采用N型熱晶閘管圖5過熱保護電路3.4軟啟動保護電路開關穩(wěn)壓電源的電路比較復雜，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，浪涌電流基于直流開關電源的特點和實際的電氣狀況，為使直流開關電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，本文根據(jù)不同的情況設計了多種保護電路。在電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流橋（D1～D4）和限流電阻R1對電容器C充電，限制浪涌電流。當電容器C充電到約80％額定電壓時，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管導通并短路限流電阻R1，開關電源處于正常運行狀態(tài)。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用電路替代RC延遲電路。直流開關電源中開關穩(wěn)壓器的高集成化和輕量小體積，使其單位體積內(nèi)的功率密度大大提高，因此如果電源裝置內(nèi)部的元器件對其工作環(huán)境溫度的要求沒有相應提高，必然會使電路性能變壞，元器件過早失效。因此在大功率直流開關電源中應該設過熱保護電路，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(jié)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，這種電路稱之謂直流開關電源的“軟啟動”電路。軟啟動電路（b）延遲電路圖6軟啟動保護電路總結(jié)本論文間的是直流開關電源的保護，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，同時隨著許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數(shù)校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術等技術的發(fā)展，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這為直流開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。但是由于開關電源中控制電路比較復雜，晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較差，在使用過程中給用戶帶來很大不便。為了保護開關電源自身和負載的安全，根據(jù)了直流開關電源的原理和特點，設計了過熱保護、過電流保護、過電壓保護以及軟啟動保護電路。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有