開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)電路課程設(shè)計(jì)

16/18目錄TOC\o"1-3"\h\u202250引言 1273861開(kāi)關(guān)電源介紹 2279211.1開(kāi)關(guān)電源的主要用途 2131121.2開(kāi)關(guān)電源的主要類(lèi)型 2205231.3開(kāi)關(guān)電源使用指南 5279151.3.1輸出計(jì)算 5136821.3.2接地 5206351.3.3保護(hù)電路 5280821.3.4接線方法 6101501.4反激式電路工作原理 6284972.UC3842介紹 8317872.1主要特點(diǎn) 873502.2內(nèi)部原理 8198982.3工作時(shí)序 928023電路參數(shù)設(shè)計(jì) 1125443.1啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 11129784仿真試驗(yàn) 13107925總結(jié) 1514766參考文獻(xiàn) 160引言開(kāi)關(guān)電源的輸入電路大都采用整流加電容濾波電路。在輸入電路合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零會(huì)形成很大的瞬時(shí)沖擊電流，特別是大功率開(kāi)關(guān)電源，其輸入采用較大容量的濾波電容器，其沖擊電流可達(dá)100A以上。在電源接通瞬間如此大的沖擊電流幅值，往往會(huì)導(dǎo)致輸入熔斷器燒斷，有時(shí)甚至將合閘開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)燒壞，輕者也會(huì)使空氣開(kāi)關(guān)合不上閘，上述原因均會(huì)造成開(kāi)關(guān)電源無(wú)法正常投入。為此幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源在其輸入電路設(shè)置防止沖擊電流的軟起動(dòng)電路，以保證開(kāi)關(guān)電源正常而可靠的運(yùn)行。1開(kāi)關(guān)電源介紹開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。1.1開(kāi)關(guān)電源的主要用途開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)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(shè)備，視聽(tīng)產(chǎn)品，安防監(jiān)控，LED燈袋，電腦機(jī)箱，數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類(lèi)等領(lǐng)域。1.2開(kāi)關(guān)電源的主要類(lèi)型現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源有兩種：一種是直流開(kāi)關(guān)電源；另一種是交流開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)這里主要介紹的只是直流開(kāi)關(guān)電源，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(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓（精電）。直流開(kāi)關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)是依賴(lài)DC/DC轉(zhuǎn)換器分類(lèi)的。也就是說(shuō)，直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)是基本相同的，DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)基本上就是直流開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)。直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有隔離的稱(chēng)為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器；另一類(lèi)是沒(méi)有隔離的稱(chēng)為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來(lái)分類(lèi)。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式（DoubleTransistorForwardConverter），雙管反激式（DoubleTransistrFlybackConverter）、推挽式（Push-PullConverter）和半橋式（Half-BridgeConverter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-BridgeConverter）。非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類(lèi)。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式（Buck）DC/DC轉(zhuǎn)換器，升壓式（Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式（BuckBoost）DC/DC轉(zhuǎn)換器、CukDC/DC轉(zhuǎn)換器、ZetaDC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPICDC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來(lái)的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式（Buck-Boost）DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-BridgeConverter）。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時(shí)，通常采用變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍，也便于實(shí)現(xiàn)不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。在功率開(kāi)關(guān)管的電壓和電流定額相同時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開(kāi)關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開(kāi)關(guān)管數(shù)越多，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率越大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的1/4。非隔離式轉(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合，可以得到單個(gè)轉(zhuǎn)換器所不具備的一些特性。按能量的傳輸來(lái)分，DC/DC轉(zhuǎn)換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器，既可以從電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率，也可以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管自持周期性開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換器，叫做自激式轉(zhuǎn)換器，如洛耶爾（Royer）轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)器件控制信號(hào)，是由外部專(zhuān)門(mén)的控制電路產(chǎn)生的。按照開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開(kāi)關(guān)（HardSwitching）和軟開(kāi)關(guān)（SoftSwitching）兩種。硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)器件是在承受電壓或流過(guò)電流的情況下，開(kāi)通或關(guān)斷電路的，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗（Switchingloss）。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也是一定的，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，同時(shí)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來(lái)附加損耗，因此，硬開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率不能太高。軟開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管，在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流為零，即零電流開(kāi)關(guān)（Zero-Current·Switching，ZCS）。這種軟開(kāi)關(guān)方式可以顯著地減小開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中激起的振蕩，使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是應(yīng)用較多的開(kāi)關(guān)器件，它有較高的開(kāi)關(guān)速度，但同時(shí)也有較大的寄生電容。它關(guān)斷時(shí)，在外電壓的作用下，其寄生電容充滿電，如果在其開(kāi)通前不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內(nèi)部，這就是容性開(kāi)通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場(chǎng)效應(yīng)管宜采用零電壓開(kāi)通方式（ZVS）。絕緣柵雙極性晶體管（Insu1atedGateBipo1artansistor，IGBT）是一種復(fù)合開(kāi)關(guān)器件，關(guān)斷時(shí)的電流拖尾會(huì)導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗，如果在關(guān)斷前使流過(guò)它的電流降到零，則可以顯著地降低開(kāi)關(guān)損耗，因此IGBT宜采用零電流（ZCS）關(guān)斷方式。IGBT在零電壓條件下關(guān)斷，同樣也能減小關(guān)斷損耗，但是MOSFET在零電流條件下開(kāi)通時(shí)，并不能減小容性開(kāi)通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器（ResonantConverter，RC）、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器（Qunsi-TesonantConverter，QRC）、多諧振轉(zhuǎn)換器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零電壓開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器（ZVSPWMConverter）、零電流開(kāi)關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器（ZCSPWMConverter）、零電壓轉(zhuǎn)換（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM轉(zhuǎn)換器等，均屬于軟開(kāi)關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開(kāi)關(guān)器件和零開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展，促使了高頻開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。1.3開(kāi)關(guān)電源使用指南1.3.1輸出計(jì)算因開(kāi)關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的最大吸收電流，以使被選用的開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：式中：—開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流；K—用電設(shè)備的最大吸收電流；—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8；1.3.2接地開(kāi)關(guān)電源比線性電源會(huì)產(chǎn)生更多的干擾，對(duì)共模干擾敏感的用電設(shè)備，應(yīng)采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，開(kāi)關(guān)電源均采取EMC電磁兼容措施，因此開(kāi)關(guān)電源一般應(yīng)帶有EMC電磁兼容濾波器。如利德華福技術(shù)的HA系列開(kāi)關(guān)電源，將其FG端子接大地或接用戶機(jī)殼，方能滿足上述電磁兼容的要求。1.3.3保護(hù)電路開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首選保護(hù)功能齊備的開(kāi)關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源。1.3.4接線方法L：接220v交流火線N：接220v交流零線FG：接大地G：直流輸出的地+5v：輸出+5V點(diǎn)的端口ADJ：是在一定范圍內(nèi)調(diào)輸出電壓的，開(kāi)關(guān)電源上輸出的額定電壓本來(lái)出廠時(shí)是固定的，也就是標(biāo)稱(chēng)額定輸出電壓，設(shè)置此電位器可以讓用戶根據(jù)實(shí)際使用情況在一個(gè)較小的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，一般情況下是不需要調(diào)整它的。1.4反激式電路工作原理開(kāi)關(guān)變換器是指利用半導(dǎo)體功率器件作為開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的主電路。反激式開(kāi)關(guān)電源是開(kāi)關(guān)變換器的一種，其主電路原理圖如圖1-1所示。圖1-1反激電路原理圖由于變壓器同名端在一側(cè)，故輸出電壓上負(fù)下正。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電壓源給原邊電感充電，電感電流線性上升，直到開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻，原邊電流達(dá)到最大值。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，由于二極管承受反向電壓，副邊沒(méi)有電流通過(guò)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，副邊二極管承受正向電壓開(kāi)始導(dǎo)通，給電容充電，同時(shí)電容通過(guò)電阻放電。電容電壓為上負(fù)下正。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，原邊電流：其中，為原邊電流，V為原邊電壓，為原邊電感，為原邊初始電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，原邊電流達(dá)到最大值:其中D為占空比，T為開(kāi)關(guān)周期。開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在變壓器原邊的能量通過(guò)副邊負(fù)載釋放，副邊電流線性下降：其中，為副邊電流瞬時(shí)值，為變壓器原邊匝數(shù)，為變壓器副邊匝數(shù)，為輸出電壓，為副邊電感。2.UC3842介紹2.1主要特點(diǎn)UC3842是一種高性能、單端輸出、頻率可調(diào)的電流型PWM調(diào)制器，最大的優(yōu)點(diǎn)是外接元件少、外圍線路簡(jiǎn)易、價(jià)格低，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中的開(kāi)關(guān)電源。UC3842主要特點(diǎn)有：①振蕩器的頻率控制較精確，可微調(diào)；②電流工作模式頻率可達(dá)500KHz；③自動(dòng)前饋補(bǔ)償功能；④閉鎖PWM，逐周電流限制；⑤內(nèi)置參考源，可欠壓鎖定；⑥大電流圖騰柱輸出，最大可達(dá)1A；⑦帶滯后的欠壓鎖定；⑧啟動(dòng)、工作電流門(mén)檻較低。2.2內(nèi)部原理UC3842內(nèi)部原理圖如圖2-1所示圖2-1UC3824內(nèi)部原理圖由圖示可以看出，UC3842一共有8個(gè)引腳，其各個(gè)引腳的功能分別為：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測(cè)輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為±1A；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。UC3842內(nèi)部存在兩個(gè)控制環(huán)路，一個(gè)采樣電壓反饋給誤差放大器，跟基準(zhǔn)電壓2.5V比較產(chǎn)生誤差放大電壓信號(hào)，一個(gè)是變壓器初級(jí)電流在采樣電阻Rs上產(chǎn)生的采樣電壓，與誤差放大器的輸出電壓比較產(chǎn)生調(diào)制PWM的脈沖信號(hào)，由于誤差信號(hào)實(shí)際控制原邊峰值電流的大小，故UC3842為電流型PWM調(diào)制器。2.3工作時(shí)序UC3842工作時(shí)的時(shí)序圖如圖2-2所示。圖2-2UC3842工作時(shí)序圖產(chǎn)生的充放電波形經(jīng)過(guò)振蕩器整形后變成方波信號(hào)，充電時(shí)振蕩器輸出低電平，放電時(shí)為高電平。在充電過(guò)程中，RS觸發(fā)器置位腳S=“0”，若采樣電阻Rs上的電壓低于輸出繞組反饋補(bǔ)償輸出電壓(經(jīng)過(guò)誤差放大器)，使RS觸發(fā)器復(fù)位腳R=“0”，此時(shí)輸出低電平“0”,UC3842輸出高電平Q1導(dǎo)通；當(dāng)采樣電阻電壓高于反饋補(bǔ)償輸出電壓時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位R=“1”，此時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平“1”經(jīng)過(guò)或門(mén)后，UC3842輸出低電平，Q1截止。截止后采樣電阻電壓低于輸出繞組反饋補(bǔ)償輸出電壓，RS觸發(fā)器復(fù)位R=“0”，此時(shí)觸發(fā)器處于輸出保持狀態(tài)，Q1仍舊截止。當(dāng)開(kāi)始放電時(shí)，RS觸發(fā)器置位腳S=“1”，此時(shí)觸發(fā)器置位，則輸出低電平“0”，但是經(jīng)過(guò)或門(mén)后，或門(mén)輸出為“1”，此時(shí)Q1仍舊截止。當(dāng)下一個(gè)充電狀態(tài)開(kāi)始時(shí)，RS觸發(fā)器置位腳S=“0”，R此時(shí)也為“0”，觸發(fā)器保持輸出狀態(tài)，輸出低電平“0”，此時(shí)經(jīng)過(guò)或門(mén)后，Q1開(kāi)始導(dǎo)通。通過(guò)以上UC3842的正常工作狀態(tài)的描述，可以看出，電流采樣電阻電壓和輸出繞組反饋電壓共同決定了Q1開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)于電路能否正常工作至關(guān)重要。如果電路參數(shù)設(shè)計(jì)得不合適，電路將不能工作或者工作在故障狀態(tài)。因此電路參數(shù)的設(shè)計(jì)是任何電路設(shè)計(jì)的重中之重，也是本文設(shè)計(jì)的重中之重。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)DC-DC式開(kāi)關(guān)電源，其指標(biāo)如下：輸入：85-265V交流電壓輸出：12V，2A開(kāi)關(guān)頻率：50KHz電源效率：70%最大占空比：0.43.1啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了供電繞組給UC3842供電，但是在電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)以前，供電繞組無(wú)法給芯片供電，因此需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路。常規(guī)的做法是采用阻容串聯(lián)電路提供啟動(dòng)電壓，等到電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，由供電繞組供電。圖3-1阻容供電電路由圖3-1可知，電源通過(guò)r1對(duì)電容c2充電，當(dāng)電容電壓到達(dá)16V以后，芯片啟動(dòng)。此后由于電阻r1提供的電流不足以使芯片正常工作，電容c2上電壓下降到14V，即供電繞組電壓，芯片由供電繞組供電。為了使電路正常工作，當(dāng)電容電壓達(dá)到16V以后，充電電流必須大于啟動(dòng)電流且小于UC3842的工作電流，即：當(dāng)電阻不滿足上述條件時(shí)，芯片可能無(wú)法啟動(dòng)或者電容電壓持續(xù)上升導(dǎo)器件損壞。4仿真試驗(yàn)本文基于上述分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)反激式開(kāi)關(guān)電源，并且在開(kāi)關(guān)電源仿真軟件saber中搭建了仿真模型進(jìn)行仿真。Saber模擬及混合信號(hào)仿真軟件是美國(guó)Synopsys公司的一款EDA軟件，被譽(yù)為全球最先進(jìn)的系統(tǒng)仿真軟件，其仿真結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)果，因此具有較高的可靠性。本文在saber中搭建了仿真模型，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。仿真程序總圖如圖4-1所示。圖4-1仿真程序總圖輸出電壓波形如圖4-2所示。圖4-2輸出電壓波形輸出電流波形如圖4-3所示。圖4-3輸出電流波形從以上波形可以看出，輸出電壓和電流波形都出現(xiàn)了階躍，這是因?yàn)闆](méi)有達(dá)到啟動(dòng)電壓之前芯片沒(méi)有啟動(dòng)，到達(dá)啟動(dòng)電壓之后，芯片啟動(dòng)，仿真波形出現(xiàn)階躍現(xiàn)象?？傊抡娌ㄐ芜_(dá)到了預(yù)設(shè)的目標(biāo)，本文提出的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)模型完全正確。5總結(jié)電源技術(shù)經(jīng)過(guò)了迅