開關(guān)電源工作原理

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(dòng)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(dòng)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(shì)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(dòng)、過流與過壓保護(hù)等電路。輸出采樣電路檢測(cè)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(dòng)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t0(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很小)，vC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(dòng)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(chǔ)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

(

為占空比)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。