提高開關(guān)電源性能的研究方案

開關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域被普遍采用,而開關(guān)電源技術(shù)也有了重大的突破和進(jìn)步。新型功率器件的開發(fā)促進(jìn)了開關(guān)電源的高頻化,功率MUSFET和IGBT可使中小型開關(guān)電源工作頻率達(dá)到400KHZ,軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)有了可能,它不僅可以減少電源的體積和重量,而且提高了電源的效率;控制技術(shù)的發(fā)展以及專用控制芯片的生產(chǎn),不僅使電源電路大幅度簡化,而且使開關(guān)電源的動態(tài)性能和可靠性大大提高。


    開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù),高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前的小型化,并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域,特別是在高新領(lǐng)域的應(yīng)用,推動到了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化,另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。21世紀(jì)開關(guān)電源的發(fā)展技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個(gè)方面:小型化、輕量化、高頻化;②高可靠性;③低噪聲;④采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。


    開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)


    開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1所示,其中DC/DC變換器用于進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換,是開關(guān)電源的核心部分,此外還有軟啟動、過流與過壓保護(hù)等電路。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化,并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路,再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比,從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的。DC/DC變換器有多種電路形式,常見的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準(zhǔn)正弦波的諧振型變換器,在本設(shè)計(jì)中采用PWM變換器來控制功率器件的占空比。本設(shè)計(jì)主要由四個(gè)部分組成:1)整流濾波電路;2)升壓斬波電路;3)PWM脈寬調(diào)制電路;4)按鍵顯示電路。


    1.單相橋式整流濾波電路


    單相橋式整流濾波電路如圖2所示。負(fù)載RL未接入(開關(guān)S斷開)時(shí)的情況:設(shè)電容器兩端初始電壓為零,接入交流電源后,當(dāng)v2為正半周時(shí),v2通過D1、D3向電容器C充電; v2為負(fù)半周時(shí),經(jīng)D2、D4向電容器C充電,充電時(shí)間常數(shù)為


    其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管D的正向電阻。由于Rint一般很小,電容器很快就充電到交流電壓v2的最大值  ,極性如圖2所示。由于電容器無放電回路,故輸出電壓(即電容器C兩端的電壓vC)保持在  ,輸出為一個(gè)恒定的直流,如圖3中t<0(即縱坐標(biāo)左邊)部分所示。


    因td一般較大,故電容兩端的電壓vC按指數(shù)規(guī)律慢慢下降,其輸出電壓vL = vC,如圖3的ab段所示。與此同時(shí),交流電壓v2按正弦規(guī)律上升。當(dāng)v2>vC時(shí),二極管D1、D3受正向電壓作用而導(dǎo)通,此時(shí)v2經(jīng)二極管D1、D3一方面向負(fù)載RL提供電流,另一方面向電容器C充電(接入負(fù)載時(shí)的充電時(shí)間常數(shù)tc =( RL||Rint)C≈Rint C很。瑅C將如圖3中的bc段,圖中bc段上的陰影部分為電路中的電流在整流電路內(nèi)阻Rint上產(chǎn)生的壓降。vC隨著交流電壓v2升高到接近最大值  .然后,v2又按正弦規(guī)律下降。當(dāng)v2 < vC時(shí),二極管受反向電壓作用而截止,電容器C又經(jīng)RL放電,vC波形如圖3中的cd段。電容器C如此周而復(fù)始地進(jìn)行充放電,負(fù)載上便得到如圖3所示的一個(gè)近似鋸齒波的電壓vL = vC,使負(fù)載電壓的波動大為減小。
                                                                                                                         
    這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高,紋波電壓較小,管子所承受的最大反向電壓較低,同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載,電源變壓器得到了充分的利用,效率較高。因此,這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。


    2.升壓斬波電路


    升壓斬波電路原理圖如圖4所示。當(dāng)控制器輸出脈沖高電平時(shí),開關(guān)管VT導(dǎo)通,電感L儲存能量,在ton時(shí)間內(nèi)電感電流增量為.當(dāng)控制器輸出低電平時(shí),開關(guān)管VT截止,電感L向電容C充電并向負(fù)載提供能量,在Ioff 時(shí)間內(nèi)電感減少的電流量為 ,當(dāng)電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),有 ,可得,因?yàn)?,所以輸出電壓高于輸入電壓,電路實(shí)現(xiàn)升壓,設(shè)計(jì)中只要調(diào)節(jié)占空比的大小就可以改變輸出電壓的大小。

 

    3. PWM脈寬調(diào)制電路


    PWM脈寬調(diào)制電路采用功能強(qiáng)大的TL494定頻調(diào)制芯片,該芯片有16個(gè)引腳,芯片的封裝圖與內(nèi)部電路如圖5所示。


    TL494由振蕩器、D觸發(fā)器、死區(qū)時(shí)間比較器、PWM比較器、兩個(gè)誤差放大器、5V基準(zhǔn)電壓源與兩個(gè)驅(qū)動三極管組成。芯片的1腳、2腳和15腳、16腳分別為兩個(gè)誤差放大器輸入端;3腳為誤差放大器的反饋補(bǔ)償端;4腳為死區(qū)電平控制端;5腳、6腳為振蕩器的 R、C輸入端;8腳、9腳和11腳、10腳分別為兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動三極管的集電極和發(fā)射極,通過它們發(fā)出的脈沖可以控制變換器開關(guān)管的交替導(dǎo)通與截止;13腳為輸出狀態(tài)控制端,當(dāng)13腳為低電平時(shí),兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動三極管同時(shí)導(dǎo)通或截止,引腳8 和11 同步工作,單端輸出,當(dāng)13腳為高電平時(shí),兩個(gè)內(nèi)部驅(qū)動三極管交替導(dǎo)通,引腳8 和11推挽工作,雙路輸出,分別控制變換器的兩個(gè)開關(guān)管。本設(shè)計(jì)采用第一種工作方式。


    該芯片的最高工作頻率為300kHz ,實(shí)際工作頻率由引腳5、6 所接的電阻與電容決定,其振蕩頻率算式為f = 1.1/(RTCT ) ,本設(shè)計(jì)選擇的振蕩頻率為50kHz ,鋸齒波在片內(nèi)被送到比較器1 和2 的反相端,鋸齒波與片內(nèi)的誤差放大器的輸出在PWM 比較器2 中比較,而死區(qū)控制電平與鋸齒波在死區(qū)時(shí)間比較器1 中比較,兩者的輸出分別為一定寬度的矩形波,它們同時(shí)送到或門電路,經(jīng)分頻器分頻后,再經(jīng)相應(yīng)的門電路去控制內(nèi)部三極管導(dǎo)通,VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通或截止,從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止。其工作波形如圖6 所示。


    另外,在輸入電源剛接通時(shí),由于電容上的電壓不能突變,所以起動瞬間,死區(qū)控制端4 與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓14 端等電位,為高電平,死區(qū)比較器1 也輸出高電平,封鎖輸出端的兩個(gè)晶體管;隨著電容電壓的不斷上升,4 端電位逐漸降低,這兩個(gè)晶體管才逐漸開通,使得該電源的輸出電壓不會突變,實(shí)現(xiàn)軟起動。正常工作時(shí),主電路開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間(它決定正常工作時(shí)的輸出電壓值) 將由接入誤差放大器1 反相端的給定電壓Ug 和接入同相端的反饋電壓Uf 比較確定。


    4. 按鍵顯示電路


    根據(jù)設(shè)計(jì)要求,要通過按鍵調(diào)整輸出電壓值,并實(shí)時(shí)顯示電壓設(shè)定值和實(shí)際值,可采用8個(gè)數(shù)碼管來顯示數(shù)值,四個(gè)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)定的電壓值,另外四個(gè)分時(shí)顯示實(shí)際電壓值和電流值;而按鍵應(yīng)包括增加鍵和減少鍵,還可以通過按鍵來控制主電路的開通與關(guān)斷。


    5.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)構(gòu)框圖


    系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。設(shè)計(jì)中以升壓斬波電路為主回路,該電路實(shí)現(xiàn)將整流濾波后的直流電壓變?yōu)?5V~30V的輸出電壓。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)PIC16F877A和PWM調(diào)制芯片TL494構(gòu)成控制系統(tǒng)。TL494產(chǎn)生的脈沖信號控制升壓斬波電路,同時(shí)還通過外圍電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、過流保護(hù)、自恢復(fù)、軟啟動等功能。單片機(jī)通過控制數(shù)字電位器MCP41010的輸出值,實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的設(shè)定和步進(jìn)的調(diào)整,此外還通過A/D模塊,實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流值的數(shù)顯。在升壓斬波電路中,采用了導(dǎo)通電阻非常小的MOSFET作為開關(guān)管,快恢復(fù)二極管作為續(xù)流管,有效的提高了電路的效率。


    6.軟件功能


    主程序不斷檢測是否有按鍵輸入,如果有按鍵,則進(jìn)行相應(yīng)的鍵值處理,根據(jù)按鍵改變設(shè)定的電壓值,實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸入,并分時(shí)顯示實(shí)際電壓值和電流值。通過編程軟件實(shí)現(xiàn)以下功能:

    1)。輸出電壓可按0.1V的步進(jìn)值調(diào)整;


    2)。通過A/D采樣,顯示輸出電壓和輸出電流;


    3)。通過按鍵,可以控制主電路的開通與關(guān)斷。


    總結(jié)


    本設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)硬件和軟件編程相結(jié)合的方法,根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)從系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)框圖入手,再根據(jù)各模塊的功能進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和主要器件的選擇,設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在電子、電器設(shè)備和家電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,極大地方便了人們的生活和生產(chǎn),可以相信其市場前景一片廣闊。


 


【上一個(gè)】 詳解開關(guān)電源變壓器的漏感 【下一個(gè)】 開關(guān)電源接假負(fù)載情況詳解


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