1、精品毕业设计 2008 2009 学年第 二 学期 毕业设计（论文） 课题 直流开关稳压电源 姓名 系部 电子与计算机系 专业 应用电子 班级 学号 指导教师 精品毕业设计 摘要 稳压电源就是其输出电压相对稳定，它与人们的日常生活密切相关 , 也称为稳定电源、 稳压器等。随着电子技术发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对稳压电源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。设计上，稳压电源也从传统的晶体管串联调整稳压电源向高效率、体积小、重量轻的开关型稳压电源迅速发展。 本文中设计的直流稳压电源电路采用脉冲宽度调制型（ PW
2、M）即开关工作频率保持不变，控制导通脉冲的宽度；开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，可以通过改变调整管导通与截止时间的比例来改变输出电压的大小。当调整管饱和导通时，虽然流过 较大的电流，但饱和管压降很小；当调整管截止时，管子将承受较高的电压，但流过的电流基本等于零。可见，工作在开关状态调整管的功耗很小，因此，开关型稳压电路的效率较高，一般课达 65%-90%。同时本文还采用恒压差控制，其中接有软启动电路，在开关机时，对产生过冲现象有相当大程度的抑制。同时通过控制 DC- DC 变换的脉宽，可实现过热、过流保护。 关键词： 脉宽调制 开关管 滤波电容 精品毕业设计 目录 摘要 . I 第一章
3、 稳压电源 . 0 1.1 稳压电源简介 . 0 1.2 稳压电源技术的亮点 . 0 第二 章 直流稳压电源的分 类 . 3 2.1 线性稳压电源 . 3 2.2 开关型稳压电源 . 4 第三章 稳压电源电路设计 . 7 3.1 整流电路 . 7 3.1.1 半波整流电路 .7 3.1.2 全波整流电路 .7 3.1.3 桥式整流 .8 3.2 滤波电路 . 8 3.2.1 电容滤波电路 .8 3.2.2 电感滤波电路 .9 3.3 控制电路设计 . 10 3.3.1 主要特征及工作原理 .10 3.3.2 TL494 的性能测试 .13 3.3.3 TL494 管脚配置及其功能 .14 3.
4、3.4 TL494 的应用 .14 第四章 直流稳压电源的保护技术 . 16 4.1 极性保护 . 16 4.2 程序保护 . 16 4.3 过电流保护 . 17 4.4 过电压保护 . 18 第五章 稳压电源的主要技术指标 . 21 5.1 特性指标 . 21 5.2 质量指标 . 21 第六章 恒压差控制 . 22 6.1 同步跟踪法的机理 . 22 6.2 参数计算 . 22 总结 . 24 参考文献 . 25 精品毕业设计 第一章 稳压电源 1.1 稳压电源 简介 稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，
5、但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（ PWM）技术的发展， PWM 开关电源问世，它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65% 70%，而线性电源的效率只有 30 40。因此，用工作频率为 20kHz 的 PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源 技术发展史上被誉为 20kHz 革命。随着超大规模集成 芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积
6、重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关稳压电源的不断发展和进步。 1.2 稳压电源技术的亮点 （ 1） 稳压 电源功率密度 提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标 。这对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有以下几种。 一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高 PWM 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压 -振动”变换和“振动 -电压”
7、变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。 三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器的性能，提 高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻（ ESR）小、体积小等。 精品毕业设计 （ 2） 高频磁性元件 电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料，要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。 （ 3） 软开关技术 高频化以后，为了提高 开
8、关电源 的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。 PWM 开关电源按硬开关模式工作（开关过程中电压下降上升和电流上升下降波形有交叠），因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ ZVS）零电流开关（ ZCS）技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到 800% 85%。上世纪 70 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐 振全桥移相 ZVS -PWM，恒频 ZVS-PWMZCS-PWMZVS-PWM 有源嵌位； ZVT-PWM ZCT-
9、PWM 全桥移相 ZV-ZCS-PWM等。我国已将最新软开关技术应用于 6kW 通信电源中，效率达 93。 （ 4） 同步整流技术 对于低电压、大电流輸出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流（ SR）技术，即以功率 MOS 管反接作为整流用开关二极管，代替 肖 特基二极管（ SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。 （ 5） 功率因数校正（ PFC）变换器 由于 AC DC 变换电路的输入端 有整流器件和滤波电容，在正 弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为 0.6 0.65。采用功率因数校正（ PFC）变换器，网侧
10、功率因数可提高到 0.90 0.95，输入电流 THD10。既治理了对电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正（ APFC），单相 APFC 国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC 的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。 高功率因数 AC DC 开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率 AC DC 开关电源来说，采用两 级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高时，将 PFC 变换器和后级 DC DC 变精品毕业设计 换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数 AC DC 开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到 0.8
11、以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级 PFC 变换器。 （ 6） 全数字化控制 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。 全数字控制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精 确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。 （ 7） 电磁兼容 性 高频开关电源的电磁兼容（ EMC）问题有其特殊性。功率半导体器件在开关过程中所产生的 di dt 和 dv dt，将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰，以及强电磁场（通常是近场）辐射。不但严重
12、污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路（如开关变换 器）内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的 EMI 及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性，再加上 EMI 测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。 （ 8） 设计和测试技术 建模、仿真和 CAD 是一种新的设计研究工具。为了仿真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的
13、热模型、可靠性模型和 EMC 模型。各种模 型差别很大，建模的发展方向是数字一模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。 电源系统的 CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、 EMI 设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的 CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是 21 世纪仿真和 CAD 技术的发展方向之一。此外，电源系统的热测试、 EMI 测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。 精品毕业设计 第二 章 直流稳压电 源的分
14、类 直流稳压电源主要有线性电源、相控电源、开关电源三种。交流电经过整流，可以得到直流电。但是，由于交流电压及负载电流的变化，整流后得到的直流电压通常会造成 20%到 40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同，稳压电源可分为三种：线性稳压电源、开关稳压电源。 2.1 线性稳压电源 线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大部分（误差放大器）、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图 1所示。调整管与负载串联分压（分担输入电压 Ui），因此只要将它们之间的 分压比随时调节到适当值，就能保证输出电压不变。 这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现
15、的。反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。 图 1 线性串联稳压电源原理框图 下 图 2 为用分立元件组成简单的线性稳压器电路 线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的 响应非常快，稳压性能非常好。 但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低 ，只有 20% 40%，发热损耗严重，所需的散热器
16、体积大，重量重，因而功率体积系数只有 20 30W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有 5ms。因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：一 些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。 精品毕业设计 图 2 线性串联稳压电源 2.2 开关型稳压电源 线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能 好，只可惜功率转换效率太低。要提高效率，就必须使图 2 中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。转变后的原理框图如图 3 所示。调整管作为开关而言，导通时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从
17、而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达 80%以上。在图 3中，波动的直流电压 Ui 输入高频变换器（即为开关管 Q和二极管 D），经高频变换器转变为高频（ 20kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过滤波器（电感 L 和电容C）变成平滑的直流电压供给负载。高频变换器和输出滤波器一 起构成主回路，完成能量处理任务。而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。控制回路包括采样部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器）、脉冲 /电压转换器等。开关电源稳定输出电压的原理可以直观理解为是通过控制滤波电容的充、放电时间来实现的。具体的稳压过程如下： 当开关稳压电源的负载电流增大或输入
18、电压 Ui 降低时，输出电压 Uo 轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长），少放点电（放电时间减短），从而使电容 C上的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出 电压的作用。反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容 C上的电压回落，稳定输出电压。 图 3 降压型开关电源原理图 精品毕业设计 开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较 表 1 项目 开关稳压电源 线性稳压电源 功率转换效率 65% 95% 20% 40% 发热（损耗） 小 大 体积 小 大 功率体积系数 60 100
19、W/dm3 20 30W/dm3 重量 轻 重 功率重量系数 60 150W/kg 22 30W/kg 对电网变化的适应性 强 弱 输出电压保持时间 长（ 20ms） 短（ 5ms） 电路 复杂 简单 射频干扰和电磁干扰 （ RFI 和 EMI） 大 小 纹波 大（ 10mV） P-P 小（ 5mV） P-P 动态响应 稍差（ 2ms） 好（ 100 s) 电压、负载稳定度 高 低 开关稳压电源和线性稳压电源相比，功率转换效率高，可达 65% 90%，发热少，体积小、重量轻，功率体积系数可达 60 100W/dm3，对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达
20、 20ms。但是线路复杂，电磁干扰和射频干扰大。具体性 能指标对比如表 1所示。 和相控稳压电源相比，开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因而体积小，重量轻，动态响应速度快。开关电源的开关频率都在 20kHz 以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声。开关电源可以采用有效的功率因数较正技术，使功率因数达 0.9 以上，高的甚至达到 0.99（安圣的 HD4850 整流模块）。这些使得开关电源的性能几乎全面超过相控电源，在通信电源领域已大量取代相控电源。 精品毕业设计 开关电源的线路复杂，这种电路问世之初，其控制线路都是由分立元件或运算放大器等集成电路组成。由于元
21、件多，线路复杂以及随之而来的可靠性差的原因，严重影响了开关电源的广泛应用。 开关电源的发展依赖于元器件和磁性材料的发展。 70 年代后期，随着半导体技术的高度发展，高反压快速功率开关管使无工频变压器的开关稳压电源迅速实用化。而集成电路的迅速发展为开关稳压电源控制电路的集成化奠定了基础。陆续涌现出的开关稳压电源专用的脉冲调制电路如 SG3526 和 TL494 等为开关稳压电源提供了成本低、性能优良可靠、使用方便的集成控制电路芯片，从而使得开关电源的电路由复杂变为简单。目前，开关稳压电源的输出纹波已可达 100mV以下，射 频干扰和电磁干扰也被抑制到很低的水平上。总之，随着电技术的发展，开关稳压电源的缺点正逐步被克服，其优点也得以充分发挥。尤其在当前能源比较紧张的情况下，开关稳压电源的高效率能够在节能上做出很大的贡献。正因为开关电源具有这些优点，它得到了蓬勃的发展。
