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电源工程师设计全攻略(二):开关电源设计

作者:时间:2017-10-31来源:网络

  随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现 了化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都 已广泛地使用了,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电 源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这 为开关电源提供了广泛的发展空间。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/369672.htm

  本期电子发烧友《电源工程师设计全攻略》为你搜集开关电源相关设计资料,加深你对开关电源的理解,让你的电路设计如虎添翼!

  一、开关电源的基本工作原理

  开关电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

  调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

  

  对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,

  即Uo=Um×T1/T

  式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。

  从上式可以看出,当Um 与T 不变时,直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

  二、开关电源的原理电路

  1、基本电路

  

  图二 开关电源基本电路框图

  开关电源的基本电路框图如图二所示。

  交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

  控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

  2.单端反激式开关电源

  单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1 导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容C滤波后向负载输出。

  

  单端反激式开关电源是一种成本最低的,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

  单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

  3.单端正激式开关电源

  单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也

  导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。

  

  在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和

  复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

  4.自激式开关电源

  自激式开关电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

  

  当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

  自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

  5.推挽式开关电源

  推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

  

  这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500 W范围内。

  6.降压式开关电源

  降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时,二极管VD1 截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管 VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

  

  这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

  7.升压式开关电源

  升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时,电感L储存能量。当开关管VT1 截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

  

  8.反转式开关电源

  反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

  

  当开关管 VT1 导通时,电感L 储存能量,二极管VD1 截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

  几种经典的开关

  1、感性开关式

  如图所示,555和R1、R2、C1组成无稳态多谐振荡器,振荡频率约在10kHz,占空比接近50%。VT2、VT3作为扩大电流用的开关管使用。当振荡方波为高电平时,VT2、VT3导通,向LC放电;为低电平时,L中的储能通过续流二极管回路向负载供电。当过压时,DW击穿,VT1饱和导通,c极呈低电平(0.7V),使555复位、停振,起稳压和动态平衡作用。

  

  2、5V不间断电源

  

  电池电压GB为3.6V,由三节AANiCd电池组成。IC1位开关稳压器,IC2位线性稳压器。当输入电压Vin》7.3V,IC1将关断,在此情况下有IC2提供输出电压。Vin则通过VD1和R1以浮充电流对GB进行充电。当Vin7.3V时,IC2则处于关断状态,IC1将3.6V电池电压升到5V,负载电流为50mA。IC2带有低电池电压监测器,并由R6、R7对Vin进行检测。监测器在7脚的输出驱动倒相器VT1,VT1又反过来驱动IC1和IC2的6脚及5脚两个关断输入脚。这两个输入具有相反的极性电平。IC1和IC2公用反馈电阻R2和R3使两个稳压器对输出电压V0都能进行监测。当IC2关断,其输出被切断。当IC1关断,芯片维持低功率状态,消耗电流小于1微安。在工作状态IC1对50mA的负载提供75%的总效率。只要正确设定限流电阻R1的阻值,就能使浮充电流电荷量不超过电池容量的10%,Vin可高达17V。

  3、高耐压PWM开关电源

  

  本电源为简单的5V、5W开关电源。图中TOP210(IC)为PWM开关。IC中含有PWM控制器,功率MOSFET和各种保护电路,这种5V、5W开关电源的成本比常用的线性电源成本低。

  交流输入电压经VD1~VD2整流后的直流高压,加到变压器T初级线圈的一端,初级线圈的另一端加到TOP210内部输出MOSFET的漏极。VD2和VD6组成的箝位电路,把电压器T漏感引起的脉冲前沿尖峰电压限制到安全值。本电源工作频率为100kHz。变压器T次级电压级VD7整流和C4、C5、L2滤波后,输出5V的稳定电压。L1、C1、C6、C7用来减小传导辐射电流,以减小开关电源产生的射频干扰。反馈线圈两端电压经VD8整流,R1、C3滤波后,加到TOP210的控制脚,C3两端电压有TOP210来调整,以便稳定输出电压。

  4、调频灯的开关稳压电源

  本电源在光学仪器和设备中应用非常广泛,其范围主要包括光学教学仪器。如投影仪、幻灯机、放映机、等。光学影像设备如放大机、印像机曝光机、高速摄影机等。光学分析仪器,如显微镜、放大镜、分光光度计、光谱仪等。

  

  电路原理如图所示,电容C1、C2、C3和共模电感T1组成的共模滤波器,可将电源内部主变换器产生的高频信号对电网(220V,50Hz)的影响和污染降到最低,二极管VD1~VD4及电解电容C4组成的全波整流滤波电路,将220V、50Hz变成300V的直流电压,用以作电路的电源。主变换器有开关功率管VT1和VT2、电容C6和C10、变压器T2和T3等外围元件组成,电路形式为半桥型自激式。

  5、低噪声开关电路原理图

  电路如图所示,该电路可以获得更大的输出功率,只需更改部分器件。图中左边的电路R1,L1,D1,C1至C7是常规的共模滤波和整流电路,获取约 300V的直流电压供DC-DC变换电路使用;最右边电路L5,C11等是普通的LC滤波电路;IC2,D8,R9,R10组成电压反馈电路,形成闭环结构,稳定电源输出电压;中间部分是DC-DC变换器,降噪声的关键是对这一部分的电路进行适当处理。



  开关电源的抑制

  开关电源工作在高频开关状态,内部会产生很高的电流、电压变化率,导致开关电源产生较强的信号不仅对电网造成污染,还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作,而且作为辐射干扰闯入空间,造成电磁污染,制约着人们的生产和生活。

  1、无源滤波技术

  无源滤波电路简单,成本低廉,工作性能可靠,是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成,其直接作用是解决传导发射。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。

  由于原电源电路中滤波电容容量大,整流电路中会产生脉冲尖峰电流,这个电流由非常多的高次谐波电流组成,对电网产生干扰;另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高,对周围电路会产生出不同频率的感应电流,其中包括差模和共模干扰信号,这些干扰信号可以通过 2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号,又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律,得E=Ldi/dt,其中:E为L两端的电压降;L为电感量;di/dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小,则要求电感量就越大。

  脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号;开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场,电路会产生位移电流,而这个位移电流也属于共模干扰信号。图1中共模滤波器就是用来抑制共模干扰,使之受到衰减。

  2 、有源滤波技术

  有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。该方法从噪声源出发而采取的措施(如图2所示),其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号,以达到降低干扰水平的目的。如图2所示,利用晶体管的电流放大作用,通过把发射极的电流折合到基极,在基极回路来滤波。R1,C2组成的滤波器使基极纹波很小,这样射极的纹波也很小。由于C2的容量小于C3,减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。另外,在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装位置要恰当,安装方法要正确,才能对干扰起到预期的滤波作用。

  3、共模、差模电源线滤波器设计

  电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除,开关电源EMI滤波器基本电路如图所示。一个合理有效的开关电源EMI滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。在图中CX1和CX2叫做差模电容,L1叫做共模电感,CY1和CY2叫做共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。

  共模电感L1是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用环形磁芯,漏磁小,效率高,但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一进一出,产生的磁场恰好抵消,使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用,可以无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感,这种共模噪声电流是同方向的,流经两个绕组时,产生的磁场同相叠加,使得共模电感对干扰电流呈现出较大的感抗,由此起到了抑制共模干扰的作用。

  实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值,不过这种差值正好被利用作差模电感。所以,一般电路中不必再设置独立的差模电感了。共模电感的差值电感与电容CX1及CX2构成了一个∏型滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的衰减。

  除了共模电感以外,图6中的电容CY1及CY2也是用来滤除共模干扰的。共模滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用,而在高频时大部分由电容CY1及 CY2起作用。电容CY的选择要根据实际情况来定,由于电容CY接于电源线和地线之间,承受的电压比较高,所以,需要有高耐压、低漏电流特性。计算电容 CY漏电流的公式是:ID=2πfCYVcY,式中:ID为漏电流,f为电网频率。

  一般装设在可移动设备上的滤波器,其交流漏电流应《1mA;若为装设在固定位置且接地的设备上的电源滤波器,其交流漏电流应3.5mA,医疗器材规定的漏电流更小。由于考虑到漏电流的安全规范,电容CY的大小受到了限制,一般为2.2~33nF。电容类型一般为瓷片电容,使用中应注意在高频工作时电容器CY与引线电感的谐振效应。

  差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成,最简单的就是一只滤波电容接在两根电源线之间而形成的输入滤波电路(如图6中电容CX1),只要电容选择适当,就能对高频干扰起到抑制作用。该电容对高频干扰阻抗甚底,故两根电源线之间的高频干扰可以通过它,它对工频信号的阻抗很高,故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值,只要满足功率线路的耐压等级,并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击危害,CX电容容量不宜过大,一般在0.01~0.1μF之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄膜电容。

  4、屏蔽技术和接地技术

  采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。屏蔽一般分为2种:一种是静电屏蔽,主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁屏蔽,主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中,可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等,通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽,以使电磁波产生衰减。

  此外,为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散,为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响,应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩,然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体,就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入/输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露,且不易散热,结构成本大幅度增加等因素。

  为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用,加强屏蔽效果,同时保障人身和设备的安全,应将系统与大地相连,即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的,将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题,又可提高电子产品的抗干扰能力。在地线设计中应注意以下几点:

  (1)、正确选择单点接地通常,滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点,同一级电路的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上,主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的,因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰;

  (2)、量加粗接地线 若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变坏,因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线,尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,如有可能,接地线的宽度应大于3mm,也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用;

  (3)输入地与输出地本开关电源中为低压的DC-DC,欲将输出电压反馈回变压器的初级,两边的电路应有共同的参考地,所以在对两边的地线分别铺铜之后,还要连接在一起,形成共同的地。

——下期《电源工程师设计全攻略(三):充电电源设计》不日上线,敬请期待!



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