2019高精度直流稳压电源.doc
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4、稳压电源 专 业 应用电子技术 班 级 电子3102班 姓 名 王耀林 学 号 31310228 指导教师 郑海霞 二 一二 年1绪论随着全球对绿色环保问题的不断关注和开关电源在电气电子各个领域中的优良表现, 社会对其的需求量在不断的加大, 开关电源也因为其高效率、小体积、轻重量等多方面的优势在很多领域逐步取代了传统的连续工作的线性电源,但同时人们对这种电源的效率、体积、重量、功率因素及可靠性等方面提出了更高的要求。目前,开关技术的研究热点主要有新型高频高功率半导体器件开发,外围新器件的开发,同步整流技术优化,电磁兼容优化,高性能数字控制,拓扑结构和参数的最优化,低电压,大电流电源的开发等方面
5、。随着研究的不断深入和电力电子技术的迅速发展,开关电源的工作频率,效率将不断提高,体积将不断减小,性能将更加稳定,品种也将越来越多。本文介绍了基于美国PI公司生产的单片开关电源芯片TOPSwitch系列设计的多输出的AC/DC开关电源。 设计电路选用TOPSwitch系列芯片的TOP244Y,该芯集成了PWM控制器、MOSFET功率开关管和欠电压、过电压等保护电路,芯片的开关频率为132kHZ,最大占空比为78%。设计电路的开关电源输出功率为25W时,实现了12V/1.2A,5V/2A和30V/20mA三路直流电压输出,效率为80%以上。论文介绍了开关电源相关内容,反激式开关电源的原理和应用技
6、术,为电路设计提供了理论指导,并且提出了反激式开关电源的设计规划。仔细分析反激式开关电源之后,选择了电路所需的元器件的型号和参数,最终完成电路图的设计。最后使用芯片专属的优化设计软件PI Expert对反激式开关电源进行优化设计。设计结果为,优化设计之前电源的效率为78%左右,实际输出直流电压的最大误差为3.5%,经过优化之后最大误差降为0.36%,且电源效率提高到90%以上。反激式开关电源的直流输出回路接有EMI滤波器,有效地降低了开关电源的输出纹波。2方案论证2.1反激式开关电源介绍 开关电源的基本组成如图2.1所示,其中AC/DC变换器用以进行功率变换,他是开关电源的核心部分;驱动器是开
7、关信号放大部分,对来自信号源的开关信号进行放大和整形,以适应开关管的驱动要求;信号源产生控制信号,该信号有它激或自激电路产生;比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算,控制开关信号的幅值、频率和波形等,通过驱动器控制开关器件的占空比,以达到稳定输出电压值的目的。除此之外,开关电源还有辅助电路,包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。开关电源典型结构有串联开关电源结构、并联开关电源结构、正激开关电源结构、反激开关电源结构、半桥开关电源结构、全桥开关电源结构等。这里重点介绍反激式开关电源结构。图2.1 开关电源的基本组成反激式开关电源如图2.2所示,当功率开关管VT1导通
8、时,输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N1中,由于同名端的关系,次级侧二极管V1不导通,负载没有电流通过。当功率开关管VT1断开时,变压器次级绕组开始为负载供电,二次侧绕组和整流二极管构成电流回路,同时完成了磁复位的功能。反激式开关电源输出纹波电压大,电压和电流调整率低。要提高性能指标,可以增大滤波电容或增加辅助LC滤波器,或者在二次侧再串联一个线性集成稳压器,但是这样势必增大体积和成本,稍弱了本来具有的优点。因此,单端反激式变换器多用于100W左右的小功率电源。图2.2 反激式开关电源原理图2.2 开关电源的芯片简介2.2.1 TOPSwitch-GX芯片的内部工作原理简介TOP
9、Switch系列单片机开关电源是美国功率集成公司于上世纪90年代中期推出的新型高频开关电源,它是三端离线式PWM开关的英文缩写(Three Terminal Off Line PWM Switch)被誉为“顶级开关电源”。它的特点是将高频开关电源中的PWM控制器和MOSFET功率开关管集成在同一芯片上,是一种二合一器件。TOPSwitch-GX是该公司推出的第四代系列产品,除具备TOPSwitch-FX系列的全部优点外,它还将最大输出功率从75W提高到290W,适合构成大中功率的高效率,隔离式开关电源;将开关频率提高到132kHZ,有助于减小高频变压器及整个开关电源的体积,适合作为伺服电机控制
10、板的板载电源的主控器件。当开关电源负载很轻时,它能自动将开关频率从132kHZ降低到30kHZ(在半频模式下,则由66kHZ降到15kHZ),这样可降低开关损耗,进一步提高电源效率,采用被称作EcoSmart的节能新技术,显著降低了在远程通/断模式下的功耗,当输入交流电压是230V时,功耗仅为160mW。2.2.2 TOPSwitch-GX芯片的使用的特点TOPSwitch-GX的内部主要由18个部分组成,与第三代TOPSwitch-FX系列的主要区别是在原有的5个组成部分上新增加了3个单元电路,电流极限调节器也增加了软启动输出端;将频率抖动振荡器产生的开关频率提升到132kHZ(全频模式)或
11、66kHZ(半频模式);给频率抖动振荡器增加了一个“停止逻辑”电路,使其工作更为可靠。TOPSwitch-GX利用反馈电流来调节占空比,达到稳压目的,当输出电压降低时,经过光耦反馈电路使反馈电流减小,占空比则增大,输出电压随之升高,最终使输出电压维持不变,同理,当输出电压升高时,通过内部调节,也能使输出电压维持不变。2.3 PWM反馈控制方式PWM开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件的导通脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。控制取样信号有输出电压、输入电压、输出
12、电流、输出电感电压及开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统,实现稳压、稳流及恒定功率的目的。同时,可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁等功能。图2.4为Buck降压斩波器的电压模式控制反馈系统原理图。电压模式控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至今仍然在工业界广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法,即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上的斜波相比较,通过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为主电路有较大
13、的输出电容和电感的相移延时作用,输出电压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。图2.4 反馈系统原理 电压模式控制的优点有:PWM三角波的幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量;占空比调节不受限制;对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好;单一反馈电压闭环设计、调试比较容易;对输出负载的变化有较好的响应调节。电压模式控制的缺点有:对输入电压的变化的动态响应较慢;补偿网络设计由于闭环增益随输入电压而变化而更为复杂;输出LC滤波器给控制环增加了双极点,在补偿设计误差放大器时,
14、需要将主极点低频衰减,或者增加一个零点进行补偿。在检测及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。2.4 反激式开关电源的设计规划本课题要求设计基于TOPSwitch系列芯片设计的单片反激式开关电源,用于智能仪表的多输出AC/DC开关电源。综合运用所学过的电力电子和模拟电路等多学科知识。设计电路的输出总功率为25W,采用反激式开关电源,共有三路输出电压,输出电压各为12V/1.2A,5V/2A,30V/20mA。电路采用闭环反馈控制模式称为脉冲宽度调制(PWM)稳压方式,使输出电压稳定在设定值,电路有过电压和欠电压保护,也有降低最大占空比的电路和从外部设定极限电流等。满足开关电源设计输出功率以及功能要
15、求的TOPSwitch芯片很多,考虑电路的可靠性、灵活性以及开关电源的效率,综合电路设计要求,最后在TOPSwitch-FX和TOPSwitch-GX两个系列中做选择。现比较两种芯片的性能特点。两种系列芯片的开关频率、最大占空比都没有大的区别,TOPSwitch-GX系列比TOPSwitch-FX系列更加注重电源的效率,TOPSwitch-GX具有轻载时自动降低开关频率的电路,对于TOPSwitch-GX而言,开关频率及占空比能随输出端负载的降低而自动减小。其减小量与控制端流入的电流成反比。当控制端电流逐渐增大时,占空比能线性地减小到10%,但是当负载很轻时,占空比还可低于10%。与此同时,开
16、关频率也减少到最小值,以提高开关电源在轻载下的效率。例如当开关频率在全频模式下,频率最小值就降至30kHZ,在半频模式下开关频率最小值就降至15kHZ。该特性能保证开关电源在轻载时,仍保持良好的负载调节功能,并且降低了电源的开关损耗,提高了电源的效率。相对TOPSwitch-FX系列在电源轻载时跳过周期的方式更加灵活和高效。所以对于现如今能源紧缺的环境,并且负载情况的多样性,TOPSwitch-GX系列更加适合作为本电路设计的开关电源芯片。以宽范围交流输入为输入电压,参照PI公司提供的产品型号和最大输出功率表,选择TOP244Y敞开式电源。该型号芯片的最大输出功率为40W,芯片性能特点满足设计
17、要求,而且增加的新功能可以使开关电源的电路设计更加灵活而且可靠性高。选择好了芯片型号之后,开始对开关电源的EMI电路、整流电路、高频变压器、保护电路、多路输出电路和反馈电路分部设计。在设计过程中选择电路的各部分的元器件以及元件的参数。最后使用芯片的辅助设计软件对反激式开关电源的电路进行优化设计。2.5开关电源的EMI设计开关电源应用于交流电网的场合,整流电路导致输入电流的断续,增加了大量的高次谐波。同时,开关电源中功率开关管的高速开关动作形成了电磁干扰源,所以尽量降低开关电源的EMI,提高其使用范围,是从事开关电源设计时必须考虑的问题。滤波是抑制干扰的一种有效措施,尤其是对开关电源EMI信号的
18、传导干扰和辐射干扰来说更是如此。任何电源线上的传导干扰信号均可用差模和共模信号来表示。在一般情况下,差模干扰幅度小,频率低,所造成的影响较小;共模干扰幅度大,频率高,还可以通过导线产生辐射,所造成的影响较大。因此,欲减弱传导干扰,把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下,最有效的方法就是在开关电源的输入和输出电路中加装EMI滤波器。2.5.1 电源的输入回路的EMI滤波器设计开关电源的工作频率为10100kHZ。对开关电源产生的高频段EMI信号,只要选择适当的去耦电路或网络结构较简单的EMI滤波器,就可获得满意的抑制效果。开关电源EMI滤波器中的4只电容器用了两种不同的下标“x”和“
19、y”,不仅表示其在滤波网络中的作用,还表明了它们在滤波网络中的安全等级。不论是选用还是设计EMI滤波器,都要认真地考虑Cx和Cy的安全等级。在实际应用中,Cx电容接在单相电源线的L和N之间,它上面除加有电源额定电压外,还会叠加L和N之间存在的EMI信号峰值电压,因此要根据EMI滤波器的应用场合和可能存在的EMI信号峰值,正确选择适当的安全等级的Cx电容器。Cy电容器接在电源供电线L、N与金属外壳(E)之间。在使用开关电源滤波器时,要注意滤波器在额定电流下的电源频率。在安装滤波器时,要特别注意滤波器的输入导线与输出导线间隔距离不能把它们捆在一起走线,否则EMI信号很容易从输入线上耦合到输出线上,
20、这将会大大降低滤波器的抑制效果。电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除,开关电源EMI滤波器的基本电路如图所示。在图3.1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。图3.1 开关电源输入的EMI滤波器共模电感L1是由同一个磁环上的两个绕向相反,匝数相同的绕组构成的,通常使用环形磁芯,漏磁小,效率高,但是绕组困难。当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,使得共模电感对工频电流不起任何阻碍作用,可以无损耗的传输。如果工频电流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,
21、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。L1的电感量与EMI滤波器的额定电流I的具体关系如下表3.1所示:表3.1电感量与额定电流的关系额定电流I(A)12345电感量L(mH)823240.40.80.20.300.08在实际使用中,共模电感的两个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用作差模电感,所以,一般电路中不必在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,图中的电容Cy1和Cy2也是用来滤除共模干扰的。对共模滤波在低
22、频时主要有电感器起作用,而在高频时大部分有电容Cy1和Cy2起作用。电容Cy的选择要根据实际情况来定,由于电容Cy介于电源线和地线之间,承受的电压比较高,所以,需要具有高耐压、低漏电流等特性2.5.2 电源的输出回路的EMI滤波器设计由于开关电源的干扰源是不可能消除的,所以减小干扰源的能量就显得十分重要。开关电源输出整流电路如图3.2所示,其中VD5为整流二极管,VD6为续流二极管。由于VD5、VD6工作于高频开关状态,因此,输出整流电路的EMI源主要为VD5和VD6。在图中,R5、C12和R6、C13分别为VD5,VD6的吸收电路,用于吸收其开关时产生的电压尖峰。通过减少整流二极管的数量可减
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