开关稳压

2024-07-24

开关稳压（精选七篇）

开关稳压篇1

1) 主要特点。现代开关稳压电源的体积小、功率小、效率高;滤波的效率大为提高, 其滤波电容的容量和体积也有相应的减少;使用电路形式多样。虽然开关稳压电源的优点较多, 但也有不足的地方, 就是使用程序较为复杂, 维修较麻烦等。2) 工作原理。开关电源主要是利用电感、变压器或电容等储能元件来进行能量转换, 实现对输入电压的升、降和极性翻转。

2 新型开关型稳压电源的优点与缺点

1) 开关稳压电源优点功耗小, 效率高。在开关稳压电源电路中, 晶体管V在激励信号的激励下, 它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态, 转换速度很快, 频率一般为50k Hz左右, 在一些技术先进的国家, 可以做到几百或者近1000k Hz。这使得开关晶体管V的功耗很小, 电源的效率可以大幅度地提高, 其效率可达到80。体积小, 重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后, 又省去了较大的散热片。由于这两方面原因, 所以开关稳压电源的体积小, 重量轻。2) 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的, 输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样, 在工频电网电压变化较大时, 它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽, 稳压效果很好。此外, 改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点, 而且实现稳压的方法也较多, 设计人员可以根据实际应用的要求, 灵活地选用各种类型的开关稳压电源。滤波的效率大为提高, 使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50k Hz, 是线性稳压电源的1000倍, 这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍;即使采用半波整流后加电容滤波, 效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下, 采用开关稳压电源时, 滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500~1/1000。电路形式灵活多样, 有自激式和他激式, 有调宽型和调频型, 有单端式和双端式等等, 设计者可以发挥各种类型电路的特长, 设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。3) 开关稳压电源缺点。开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中, 功率调整开关晶体管V工作在开关状态, 它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰, 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽, 就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离, 这些干扰就会串入工频电网, 使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重干扰。

3 电路设计分析

3.1 可控正弦波产生电路

如图1所示。正弦波的来源是使用220V/50Hz的正弦波, 通过电压互感器转变成电压为50Hz正弦波 (例如5V) 。这种正弦波谐波的失真程度取决于电力的谐波失真度和互感器的参数, 其输出幅度由D/A转换器控制光电耦合器驱动电路实现, D/A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度, 与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压, 经电容隔离直流分量, 仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大, 产生随D/信号幅度大小而控制的纯净交流信号量。

3.2 控制方式

1) 脉冲宽度调制方式。主要特点就是开关频率固定, 并改变冲宽度, 以此来调节占空比。开关周期设置为固定, 主要是为了稳定电源运行, 但由于功率管最小导通时间的限制, 所流通的电压不能超过宽范围调节;在晶体管开通的时间以内, 可以进行短时间的调节。PWM方式的调制波形如图4a所示, tp表示脉冲宽度 (即功率开关管的导通时间ton) , T代表周期。2) 脉冲频率调制方式。固定脉冲宽度, 我们对开关频率进行调节, 以此来控制占空比。在电路设计的过程中, 我们用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器, 同时利用电压/频率转换器 (例如压控振荡器VCO) 改变频率。PFM的电源输出电压调节范围很宽, 再输入过程中不接受假负载, 但是滤波器体积较大。PFM方式的调制波形如图4b所示。3) 混合调制方式。该方式是由于指脉冲宽度与开关频率均不固定, 互相要经过改变之后才能正常使用, 它属于PWM和PF的混合方式。由于t和T均可单独调节, 所以, 其空占比较宽, 比较适合制作供实验室使用的输出电压, 有利于稳定开关电源。

3.3 小功率开关稳压电源控制系统

文章所介绍了开关稳压电源属于小功率电源控制系统, 控制电路部分选用Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片, 这是一种性能较高, 频率固定的电流型控制器, 其中包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。与我们以前使用的PWM相比, 其是电流型PWM控制器的典型代表, 可以很好的调整电压频率, 系统的稳定性和动态特性也得到了明显的提高, 尤其是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。

4 结语

开关稳压电源的控制力较好, 小功率开关稳压电源正逐渐向小功率, 小体积方面发展。其内部的各个功能模块可相对独立并可常为厚膜电路, 其电路设计结构也是简单、调试方便、可靠性高的, 是未来电源发展的主要方向。

摘要：文章主要分析了现代新型开关型稳压电源的设计情况和使用, 并与传统电源做了比较, 证实开关稳压电源是一种新颖独特, 效率高, 体积小, 非线性失真小的优良技术, 也是新一代交流稳压电源的全新方案。

分析开关稳压电路的方法篇2

1 开关稳压电路的分析方法

性能优良的开关稳压电路, 都是由启动电路、振荡电路、稳压取样电路、过压过流保护电路等这些电路组成的, 只要我们熟悉上述各部分电路的结构与特点, 一个一个去进行分析与研究, 就不难掌握一个开关稳压电路的工作原理, 进而准确快速的把其维修好。根据本人的体会, 要分析一个开关稳压电路的工作原理, 应从如下几个方面去分析。

(1) 该电路是如何启动的?开关稳压电路的启动元件有两个特点, 一是电阻元件的阻值大, 二是与电网电压有关。即电网电压整流滤波后 (约有300V) , 通过阻值很大的一个或两个电阻与稳压电路的启动端相连。

(2) 该电路的振荡电路 (元件) 在何处?有振荡正反馈元件吗?传统的开关稳压电路振荡正反馈元件的特点是, 通过开关变压器其中的一个绕组, 取出反馈信号, 送回振荡电路。但有的开关稳压电路是逻辑振荡, 电路的起振, 并不需要专门的正反馈绕组提供正反馈信号, 这一点是要引起注意的。

(3) 该电路工作时, 主要元件如集成电路, 其工作电压是如何提供的?任何集成电路、三极管等有源器件, 工作时都是需要供电的, 稳压电路的有源器件也不例外。开关稳压电路中集成电路的供电特点是, 一方面与启动元件有关, 另一方面又由专门的分立元件构成的稳压电路来提供。

(4) 该电路是如何对输出电压的变化进行取样与控制的?从取样的对象来看, 开关稳压电路要对负载电压的变化进行取样, 要对电网电压的变化进行取样。从取样的方式来看, 有直接取样与间接取样两种方式。对电网电压的取样一般采用直接取样, 这种电路的特点是与电网电压整流滤波电路有关联;对负载的取样如果是通过光耦器件与稳压主输出相关联的, 属于直接取样;如果是通过开关变压器其中的一个绕组来取样的, 属于间接取样。

(5) 该电路的过流、过压保护电路是如何工作的?过流保护一般是对稳压电路的开关管而言的, 其电路的特点是, 通过检测串联在开关管e极回路中的电阻上的压降来进行的。过压保护可分为电网过压保护与负载过压保护两种, 电网过压保护电路与电网电压整流滤波电路有关联, 负载过压保护一般与负载电压变化取样电路有关联。

(6) 该电路遥控开关机是如何进行控制的?彩色电视机遥控开关机的方式有多种, 目前最流行的方法是, 通过微处理器的开关机控制端子输出一个高低变化的电平, 控制光耦器的发光情况, 降低开关稳压电路的振荡频率, 从而降低开关稳压电路输出的电压来实现控制的。

逐一从上述几个方面去分析与研究, 要弄清楚一个开关稳压电路的工作原理或检修稳压电路的故障, 就会变得容易。

2 超单片机芯开关稳压电路工作原理分析

TCL超单片机芯大屏幕彩色电视机的稳压电路, 以最新研制的STR-W6856厚膜集成电路为核心, 构成性能优良的稳压电路。

该电路的优点是, 有过压、过流、过热保护功能;遥控关机通过降低开关电源振荡频率的方法来实现, 且开关管为场效应管, 开关电源本身消耗的功率大为降低;稳压取样直接对主输出电压进行取样, 通过光电耦合器件反馈回振荡电路中, 稳压控制灵敏度大大提高, 代表了目前彩电开关电源发展的主流。电路的工作原理分析如下。STR—W6856为单列直播七脚封装, 其各引脚功能, 如表1所示。

由STR—W6856组成的稳压电路原理图, 如图1所示。

2.1 电路的启动元件及启动过程

(1) 电路的启动元件是R803。 (2) 电路的启动过程。电网电压经全波整流、滤波后, 通过开关变压器T803的1、5脚, 加到IC801的1脚。同时电网电压经桥堆半波整流, 经过启动电阻R803串联分压, C813滤波后加到IC801的4脚, 电路开始启动。

2.2 电路的振荡元件及振荡过程

(1) 电路的振荡元件在IC801内部。 (2) 电路的振荡过程。IC801的4脚电压正常后, 其内部的脉冲振荡电路开始工作, 振荡产生的脉冲经内部的输出控制器处理后, 加到IC内部场效应开关管的栅极。场效应管工作于开关状态, T803次级感应出电压, 经整流、滤波, 二次稳压 (IC802、IC803) 后, 向各负载送电。由上述过程可见, 该稳压电路的振荡电路, 在IC801内自动完成, 不需要外部的绕组提供正反馈信号便能振荡, 请注意这一特点。

2.3 集成电路 (IC801) 的供电电路

电路启动后, T803的7-8脚感应的电压经D804整流、C816滤波, Q801、R809、D803稳压, D802隔离后, 送入IC801的4脚, 作为IC801的供电。而T802的9-7脚感应的电压, 经D808、C813后也送入IC801的4脚, 作为备用电源, 即Q801等稳压电路不工作时, IC801还可正常工作。

2.4 稳压取样与稳压控制过程

稳压控制是通过对主输出130V进行取样放大, 经光电耦合隔离, 控制IC801的6脚电流大小来实现的。当主输出130V电压上升时, 通过R834、R835、VR802串联分压后, Q822的b极电压将上升, 流过Q822的c极电流, 即光耦器IC802的2脚电流就会上升, IC802内发光二极管发光加强, 输出端3、4脚电流, 即IC801的6脚电流会上升, 经IC801内部进行调整, 使开关管的导通时间减少, 输出电压便得到稳定。若主输出130V电压下降, 则变化情况相反。

2.5 过流保护、过压保护、过热保护

(1) 电网电压过压保护。当电网电压上升过多, 整流滤波后超过300V时, 加到T803的1、5脚的电压会上升, T803的8、7脚感应的电压也会上升, 这个电压经R806、D804、C816整流滤波后, 一路加到Q802的e极, 一路经R807、VR801加到Q803的b极。Q803因b极电压上升而导通, 其c极电位下降, 这样Q 80 2将导通, Q 80 2导通后其c极电压经R804、D810隔离, 加到IC801的4脚, 当IC804的4脚电压高于其保护电压的上限值25V时, IC内的开关管将停止工作, 以实现电网过压保护。 (2) 过流保护。过流保护, 主要由IC801的5脚内外电路来共同完成。当流过T803的9脚的R812、D807、R811、D806、R813的电流过大时, 检测取样电阻R813上的压降会上升, 电压上升到一定值时, 其内部比较电路会让开关电源停止工作。 (3) 过热保护。温度过热检测保护电路置于IC801内, 当IC801的工作温度超过150℃时, 会让开关电源停止工作。

2.6 遥控开关机的工作原理

电视机正常使用时, T803的12、15脚感应的电压, 经D823整流、C832滤波, 由D824加到Q821的e极, e极电压约为10V;T803的10、13脚感应的电压经D825整流, C834滤波, 由R827、D834稳压加到Q820的b极, 由于D834的稳压值为9.1V, 故Q820、Q821都截止。

当电视机处于待机状态时, IC201的64为高电平, Q007饱和, Q824截止, Q823饱和, 光耦器IC802的2脚电流上升, 内部发光加强, 致使IC801的6脚电流上升许多, IC801内的振荡电路处于间歇振荡状态, 开关管导通时间大大下降。T803各次级绕组输出电压约为原来的1/10, 行场扫描电路停止工作, 电视机无光栅。

此时T803的15、12脚感应的电压, 经D823、C832、D824加到Q821的e极电压只有2V左右;而T803的10、13脚感应的电压, 经D825、C834后, 仍有13V左右, 经R827、D834稳压加到Q820的b, 电压为9.1V, 于是Q821、Q820导通, Q821的e极输出电压约为8V。这一电压被送微处理器电路, 继续向CPU供电, 让CPU维持正常的工作状态。

开关稳压电路中, 其它电路元件的作用如下。

IC801的7脚外的R818、C810、R814这些元件的参数, 可决定电视机处于待机状态时, 间歇振荡的周期, 改变这些元件的参数, 可以改变待机状态时T803各次级绕组输出电压的大小。

电路中, R802、D801、C808、C817等元件的作用是阻尼掉开关管截止期间, 在的1、5脚产生的感应脉冲, 使IC801的1脚电压不致过高, 保护IC801内的开关管。

通过上述的例子可以看出, 分析一个开关稳压电路的工作原理时, 只要按照正确的分析方法, 一个个电路来找, 一个个电路来分析研究, 最终都能弄懂其工作原理。这是分析开关稳压电路行之有效的好方法。

摘要：开关稳压电路由于其工作原理较为复杂, 电路形式多样, 老师在讲授、学生在学习该内容时, 都会感到难度很大。本文根据自己多年的讲课体会, 针对这一问题, 谈谈分析开关稳压电路的方法, 并以TCL超单片机芯大屏幕彩色电视机的稳压电路为例, 具体分析开关稳压电路的工作原理。

PWM型开关稳压电源设计篇3

本设计为提高主回路的输入电压UIN,整流滤波电路部分采用了三倍压整流电路,如图1所示。

2.DC-DC变换器控制电路设计

变换器控制部分采用了开关电源集成控制器SG3525A,该芯片具有输出频率范围宽,工作电压范围广,基准电源精度高,死区时间可调等优点。SG3525A具有两个交替工作的输出端,本设计中只需控制一个开关元件,所以采用了两输出端经过4071同时驱动开关元件的方法,如图2所示。

3.提高效率的方法及实现方案

1)选择结构简单,主回路中元件少的降压型DC-DC变换器作为拓扑结构。

2)选用饱和导通压降小、开关速度快的IGBT作为开关元件。

3)采用工作性能稳定,开关速度较高的M57962L驱动IGBT。如图3所示:

4)合理布置主回路连线。

4.电路设计与参数计算

1)主控电路设计采用AT89S51单片机作为控制核心,整体框图见图4:

2)保护电路设计

IGBT的关断瞬间是最易发生损坏的过程,本设计中采取通过在IGBT的C、E两端添加RC缓冲器,减少关断瞬间的集电极电流。

5.测试方法与测试数据

a)测试仪器

测试仪器主要包括:MT800型高精度数字万用表;TDS3012B型数字示波器;1KVA单相调压器;30Ω/200W滑动变阻器。

b)测试方法

1)将MT800型数字万用表选择直流电压档,与输出端并联,测量输出电压。

2)将数字万用表选择直流电流档,串联在输出回路中,测量输出电流。

3)通过单相调压器改变隔离变压器副边输出电压,使U2在15V~21V改变,利用数字电压表测量输出端电压,根据计算电压调整率。

4)设定整流滤波电路输入电压~18V,通过滑动变阻器改变输出电流0A~2A,利用数字电压表测量输出端电压,根据计算负载调整率。

5)利用四块万用表,同时测量输入端UIN、IIN、UO和IO,根据计算DC-DC变换器效率。

c)测试数据

基本及发挥部分数据测试:

1)输出电压Uo可调范围:30V~60V;

2)最大输出电流Iomax:2A;

3)Io从0变到2A时,负载调整率SI≤0.33%(U2=18V);

4)DC-DC变换器的效率≥75%

5)具有过电流保护功能,动作电流Io(th)=2.5A;

6)能对输出电压进行键盘设定和初步调整,步进值1V;同时具有输出电压,电流的测量和数字显示功能。

6.结束语

本设计经过参数测试,发现该稳压电源的DC-DC变换器效率不高。经测试原因是IGBT导通和关断时集电极电流较大,损耗了较大功率。为降低IGBT导通和关断时的损耗,最后采用零电流谐振或零电压谐振,以改善IGBT工作状态,降低损耗,提高DC-DC变换器效率。

参考文献

[1]安德列亚斯,福尔克麦克尔,郝康普《IGBT模块:技术、驱动和应用》机械工业出版社2016.06。

[2]吴红奎《IGBT基础与应用实务》科学出版社2010.11。

一种PWM开关稳压电源的设计篇4

随着高反压VMOS大功率管的迅速发展,开关稳压电源的工作频率从20 kHz提高到150～500 kHz,其结果是整个开关电源的体积更小、重量更轻、效率更高。开关稳压电源的性能价格比达到了前所未有的水平,使其在线性电源的竞争中具有先导优势。本文要介绍的是一种适用于通讯行业的开关稳压电源的设计。该电源的特点是体积小、重量轻、频率高、功率大,具有对蓄电池充电功能。此外,它还具有输入过压保护、过流保护、蓄电池欠压、过放电等报警功能。若负载过重,本电源具有对负载电流和充电电流进行自动分配的功能,解决了2块功率模块并行工作的问题。

1 主要技术指标及特点

a)工作模式:脉宽调制(PWM)。

b)工作频率:150 kHz。

c)2块500 W功率模块并行工作,总输出功率为1 000 W。

d)能对DC 48 V蓄电池充电。具有欠压、过放电报警功能。过放电时自动切断放电回路。

e)当负载电流过大时,内置的电流分配系统将自动降低充电电流来保证负载的供电。

f)具有过压保护功能,当电网电压高于AC 265 V时,自动切断输入电源。

g)具有过流保护功能,当负载电流过大甚至完全短路时,电源由恒压状态转为恒流状态,恒流工作点连续可调。

h)充电电流限流点和输出电压在一定范围内均连续可调。

i)当电网掉电、过压、电池放电至43 V时,发出声光报警。

j)人机界面:用三位半LCD及MODE键可选择地显示输出电压、负载电流、充电电流值。用LED显示包括蓄电池在内的各种工作状态。用RESET键消除报警状态,用POWER键软关断和接通电源输出。

2 系统设计

本电源由整流滤波电路、功率模块(2块)、检流电路、主控板、显示电路、声光报警电路等组成,面板由三位半LCD、LED指示灯、电源开关键(POWER)、复位键(RESET)、显示模式选择键(MODE)等组成。其系统框图如图1所示。

2.1 整流滤波电路

为了防止工频电网上高频干扰进入稳压电源,也为了阻止稳压电源本身产生的高频干扰反串入电网中,输入电路采用低通滤波器。整流电路采用全桥整流模式。其电原理图如图2所示。

在图2中,C2、C3用于滤除共模干扰,C1、C4用于滤除常态干扰。L1、L2、L1′、L2′用于滤除共模干扰。

2.2 辅助源电路

辅助源电压按DC 12 V设计,所需电流约600 mA,故采用三端稳压器件LM7812提供辅助电源。考滤到反馈回路信号较弱(毫伏级),反馈回路电源精度和稳定性要求较高,故将LM7812输出的DC 12 V电压经过2次稳压调整后供电。这就保证了误差放大环节基准电压精度的要求。其电原理图如图3所示。

可以看出,整流方式为全波整流。2次调整中误差放大器采用单电源供电的通用运算放大器LM2902。基准电压DC 5.1 V由稳压二极管IN5231B提供。2N4401起放大驱动作用,驱动大功率调整管TIP32C。

2.3 反馈控制回路

2.3.1 反馈控制回路的工作原理

输出信号反馈回路的电原理框图如图4所示。

从图4可以看出,开关电源工作模式为PWM。PWM是输出电压、输出电流、充电电流、电网电压共同调制的结果。输出电流、充电电流经检流电路检出的毫伏级信号经过误差积分放大器、加法器送入差分比例积分器的同相端,输出电压取样值送入差分比例积分器的反相端。差分比例积分器的输出信号经电流放大、光电隔离放大后送入比较器的同相端,输入的AC 220 V电网电压经整流、滤波、分压、RC电路形成锯齿波送入比较器的反相端。比较器输出就是反映了3个输出反馈信号及电网变化的PWM脉冲。

由于本开关电源采用2块500 W的功率模块并行工作,共同输出1 000 W的功率。这就必须解决2块功率模块的并机问题。我们采用了一只专用集成电路,由它产生振荡频率为300 kHz的同步脉冲,使2块功率模块同步工作。其原理框图如图5所示。在功率模块中,由大功率场效应管形成全桥整流电路,在同步脉冲和PWM脉冲的作用下,将直流电压转换成交流高频脉冲电压,经主脉冲功率变压器耦合到次级。次级输出经全波整流、电感和电容滤波后形成最终的直流稳压电源。

2.3.2 反馈回路的系统分析

从图4不难看出,控制PWM开关电源的参数除输出电压外,还有输出电流、充电电流。也就是说,同时还是电流控制PWM方式。其反馈回路由电流反馈构成内环路,由电压反馈构成外环路。该系统具有以下特点。

1) 系统具有快速的瞬态响应及高度的稳定性

当输入电压变化或因负载变化引起输出电压变化时,都将引起输出电流变化率的改变,从而使功率开关的转换随时跟着变化,达到控制功率开关的占空比的目的。这对输入电压而言,实质上是起了前馈控制作用,即输入电压变化尚未导致输出电压变化,就由内环产生了调节作用。由于电流内环具有快速响应的能力,从分析整个闭环系统的瞬态响应可以看出,对于电压反馈外环,电流内环相当于一个受控放大器。外环的瞬态响应速度仅决定于滤波电容和负载性质,所以整个系统具有快速的瞬态响应。也就是说,对于整个闭环系统,除内环外,只有一个与滤波电容有关的比例积分环节和一个与负载有关的一阶或二阶环节,这使得整个闭环系统具有高度的稳定性。

2)很高的输出电压精度

由于系统的快速响应及高稳定性,反馈回路的增益比一般PWM系统的回路增益高很多,不致于造成稳定性与回路增益之间的矛盾,从而使输出电压具有较高的精度。

3)具有内在的对功率开关电流的控制和限流能力

流过功率开关的峰值电流直接受误差放大器输出的电流给定值所控制,所以在任何输入电压和负载的瞬态条件下,功率开关的峰值电流被控制在一个给定值。由于误差放大器具有限幅特性,所以对功率开关的电流具有限流能力。最大电流正比于误差放大器的限幅值。改变限幅值可以改变所限制的最大电流,使功率开关在输出过载甚至短路时得到保护。

4)2块功率模块能并联工作,不需要外加均流措施

由于电流控制的功能使系统的内环如同一个良好的受控电流放大器,可获得电流的比例分配,使用电流控制的功率模块可方便地并联工作。

2.4 输入过压保护

当电网电压大于AC 265 V时,过压保护电路自动切断功率模块的输入通路;一旦电网电压正常后,又自动接通功率模块的输入通路。其电原理图如图6所示。

本电路工作原理:Ui为电网电压AC 220 V经整流、滤波、分压后的电网取样值,它与+5 V基准电压比较,当电网电压大于AC 265 V时,比较器A的输出从高电平变为低电平,经与非门B反向后使得三极管T1截止,继电器线包J11断电,触点J11′断开,切断功率模块的输入电压,从而保护了功率模块。当电网电压小于AC 265 V时,比较器A再次翻转,输出由低电平变为高电平,三极管T1导通,继电器线包J11加电,触点J11′接通,恢复功率模块的供电。

电阻R105、电阻R106、光电耦合器OPT3的作用是削减起动时的浪涌电流。其工作过程是:电源起动时比较器A输出高电平,三极管T1导通,继电器线包J11加电,触点J11′接通,整流器输出的高直流电压经过继电器触点J11′、电阻R105、电阻R106、光电耦合器OPT3的发光二极管给平滑滤波电容C110充电。在此期间,光电耦合器OPT3导通,三极管T2截止,继电器线包J12断电,触点J12′断开。电阻R105和R106限制了给电容C110充电的浪涌电流。随后,充电电流逐渐减小,电容C110上电压逐渐升高,最终达到最大值。同时,光电耦合器OPT3截止,三极管T2导通,继电器线包J12加电,触点J12′接通,完成了低浪涌电流的起动过程。

2.5 充放电控制

本电源除了给负载供电,还可以同时对48 V蓄电池充电。一旦电网掉电,蓄电池可以无断点继续为负载供电。当蓄电池欠压(小于45 V)时,发出声光报警信号。当蓄电池过放电(小于43 V)时,除发出声光报警信号外,5秒钟后自动切断放电回路。其电原理图如图7所示。图中V+取自于蓄电池端电压。

控制电路的工作原理是:正常工作状态下,比较器A、B输出高电平,三极管T3导通,继电器线包J41加电,触点J41′接通,电源输出除了给负载供电,还为蓄电池充电。电网掉电后,由蓄电池继续为负载供电。如果蓄电池放电到低于45 V时,比较器B输出低电平,比较器B翻转产生的负脉冲通过二极管D4、与非门D、电容C1、二极管D1、三极管T1触发由与非门E、F、G、H、电阻R16、三极管T2、蜂鸣器BUZZ、电阻R403、发光二极管ALARM等元件组成的报警系统发出声光报警。同时,与非门D的输出点亮蓄电池欠压发光二极管LBATT,表明蓄电池处于欠压状态。此时如果按动RESET键可消除报警信号;如果蓄电池过放电到低于43 V时,比较器A输出低电平,比较器A翻转产生的负脉冲通过电阻R3、与非门C、电容C2、二极管D2耦合到三极管T1基极触发报警系统发出声光报警。与此同时,与非门C的输出点亮蓄电池过放电发光二极管FBATT,表明蓄电池处于过放电状态。此时如果按动RESET键可消除报警信号。5 s后由于电容C11放电完毕,三极管T3截止,继电器线包J41断电,触点J41′断开,切断放电回路。

电网上电后,进入正常工作状态,继电器触点J41′接通,蓄电池自动接入电源系统,继续为蓄电池充电。

2.6 显示系统

显示系统用三位半LCD、A/D转换器TC7106、模拟开关MC4066、计数器MC14017、LED发光二极管、薄膜按键等器件来实现。面板上的MODE键是显示模式选择键,通过按动MODE键在LCD上可循环显示输出电压、输出电流、充电电流3个参数,同时3只LED发光二极管指示出当前显示的参数; RESET键用于解除报警状态;POWER键用于关断和接通输出。

3 结束语

本文对电源中的反馈控制回路进行了详细的系统分析。同时给出了整流滤波电路、辅助源电路、输入过压保护电路、蓄电池的充放电控制电路的电原理图及其工作原理。本文所介绍的设计思想已用于某通讯行业用电源的设计,其稳定性和可靠性得到了很好的验证,可广泛应用于其他电源系统的设计。

参考文献

[1]Analog Devices Inc.A Designer′s Guide to Instrumentation Amplifers[M].2005.

[2]蔡锦福.运算放大器的原理与应用[M].北京:科学出版社,2005.

[3]王志强.开关电源设计[M].北京:电子工业出版社,2005.

[4]高光天.传感器与信号调理器件应用技术[M].北京:科学出版社,2002.

数控开关稳压电源的硬件设计篇5

1、系统硬件总体结构

开关稳压电源系统方框图如图1所示, 它主要由AT89S52单片机、整流滤波电路、DC—DC电路、MOSFET管驱动电路、LED显示、3×8键盘、A/D转换电路等组成。

220V的市电, 经过220V/18V变压器, 输出18V交流电压, 经桥式整流、电容滤波后输出大约24V直流电压, 经DC-DC变换得到一个幅度30V—36V可调的稳定直流电压。

2、DC/DC主电路原理

当功率晶体管导通时, 高频变压器原边电压等于输入电源电压减去晶体管的饱和管压降, 若忽略晶体管的饱和管压降, 其值可近似认为等于输入电压。其极性为上正下负。与之对应的高频变压器副边电压为上负下正。此时整流二极管VD1承受的是反向偏置电压, 故不导通。负载RL上的电流靠输出电容C的放电电流来提供。电路原理图见图2。

3、高频变压器的选择

反激式开关稳压电源高频变压器的设计是一大难题, 又是其设计的核心, 高频变压器的设计直接影响着电路的性能和高频变压器的外形。

3.1 计算流过变压器原边绕组的峰值电流

在反激型开关电源中, 高频变压器的原边绕组是和功率晶体管相串联的, 所以流过变压器原边绕组和峰值电流和流过功率晶体管的峰值电流相等。加在变压器原边绕组上的电压U1min可表示为

输出功率等于变压器储存的磁能除以周期T, 即

由以上两式相除可得流过变压器原边绕组峰值电流的公式为

设开关电源的占空比最大值qmax=0.45, 已知交流电压的最小值Uac=160V, 所以U1min=160×1.2=192V。故得峰值电流为

3.2 求最小占空比qmin

在反激型开关电源中, 输出电压的稳定是通过改变占空比q来实现的。如果输入电压在U1min到U1max范围内变化, 则

整理得:

式中:K=U1max/U1min=260×1.2/160×1.2=1.625.带入数值, 则:

4、过电流保护电路的设计

当负载电流达到1A时, 电流反馈值被A/D转换器送入单片机, 单片机控制数字电位器阻值降到最低, 单片机P2.7和P2.8口均输出高电平, 三极管Q3、Q4导通, 发出声光报警, 同时继电器控制端带电, 继电器常闭触电打开, 由于电阻R10的存在, 负载电压为20V。排除故障后, 电源恢复为正常状态。

5、结语

一种新型智能开关稳压电源设计篇6

节能降耗和科技创新是我国“十三五”规划中确立的基本国策之一。智能且绿色的生产方式正在逐步深入到人们的生活中,低碳水平上升也要求科研人员提高产品的转化效率。各种电子设备都离不开电源,电源的性能已是衡量电子设备性能的一项重要指标,所以对电源的要求也越来越高[1]。与串联调整型稳压电源相比,开关型稳压电源具有高效节能、适应市电变化能力强、输出电压可调范围宽、一只开关管可方便地获得多组电压等级不同的电源、体积小、质量轻等诸多优点,因而被广泛应用。本设计的创新之处在于采用总线技术和计算机技术,通过PWM控制MOS管的通断给一个大电容充电,从而实现了输出电压以0.6 V步进在0~30 V范围内可调节。此设计既可以使分布式集散控制系统的实现变得简单,而且更有利于提高电器的智能化控制水平,为人们的生活带来更大的便捷。

脉宽调制(PWM)技术是控制数字化的基础。电动机控制技术已经深入日常生活,其发展方向也在向控制数字化和整体化过渡。脉宽调制(PWM)技术的主要功能逐步转变为频率调节等。传统的电机控制方法在目前使用的整体电路中已显得过于繁琐,采集样点的周期较长,且范围越大测量精度则会降低,两者不能兼得,这些原因也使得PWM技术得以推广[1]。PWM技术利用微处理器的数字输出,对模拟电路进行有效的控制,在通信、测量、功率控制与变换等许多方面被广泛应用。

在工作过程中PWM是A/D转换的一种方法,利用性能较高的计数器的分辨率同样也高这一特性,模拟信号的电平值在被变换成数字信号后,其方波的占空比被提取出来进行信号调制,故PWM技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。实际电压源(或实际电流源)在工作过程中,在模拟负载上叠加重复脉冲序列,以确保电路满足只有接通或断开两种状态。接通状态,即负载上有直流供电通过;断开状态,即负载上的直流供电断开。根据这一特性,在任意给定的时刻上,满偏电流只有两种状态:全为高电平或全为低电平。因此,在带宽满足的条件下,任何模拟的电信号均可以使用PWM技术进行信号编码。

1 系统设计论证

本系统设计的主要目标是实现输出电压以0.6 V步进在0~30 V范围内可调节。在设计过程中,可以采用基础理论电路如数字电路或模拟电路等实现控制功能。但考虑到可靠性、稳定性等因素,最终选用单片机最小系统为基础电路实现功能控制过程。单片机最小系统采用8位增强型51单片机C8051F020为核心,采用升压芯片LM2577、LM2596及MOS管IRF3205,可以使电源输出电压达到30 V或36 V,通过PWM控制MOS管的通断给一个大电容充电。单片机C8051F020的优点是除了4个标准的8051端口外,还具有4个附加端口,共64个通用I/O端口。而且所有I/O端口均可配置为漏极开路或推挽输出,进一步向低功耗应用发展。它自带AD等功能,管脚接口丰富,可以方便地满足系统设计需求。C8051F020单片机的功能强大,兼容性高,对于硬件搭建电路要求较高的电路较为适合,单片机本身存储、运算、读写速度快,对于较为恶劣的工作环境仍可以正常工作。另外,其扩展功能强大,功耗低,也是其得以广泛使用的一大优势。在电源输出电压的过程中,PWM控制和AD采样算法采用“冒泡法”。整个电源系统的供电功能由贴片式开关型稳压芯片LM2596支持,大大节省了空间。

2 硬件设计与实现

系统结构总体框图见图1。

2.1 单片机最小系统C8051F020

单片机最小系统C8051F020是MCU芯片,其信号系统集成度高,具有64个数字输入/输出引脚或32个数字输入/输出引脚。其主要组成包括:164k B片内Flash程序存储器,4352B的RAM,一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器,2个比较器,5个16位通用定时器,5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟,其工作电压范围为2.7~3.6 V(端口I/O,RST和JTAG引脚的耐压为5 V)[2]。4个限流二极管与芯片直接相连,起到了保护芯片、防止芯片管脚电压过高的作用。C8051F020单片机是整个电路板的核心,它控制整个电路的液晶控制屏、PWM和按键。

单片机具有复位功能,其作用是将电路初始化到稳定状态。本次设计的复位电路,其作用是把控制初始化到稳定的空闲状态。实现这一功能时我们采用按键复位电路,只需要在复位电容旁并联一个按键开关。当按键按下时,电容处于放电状态,复位指令(RST)也跳变为高电平,电容充电会保持一段时间的高电平,从而使单片机达到复位状态[3]。

2.2 电源

电源部分采用开关型稳压和直流稳压两种形式。开关型集成稳压电路采用的LM2596,输入电压是15~40 V,输出电压为+12 V,输出的最大电流为3 A,其供电电压为15~40 V。这个稳压芯片供电给整个电路板,同时具有良好的线性和负载调节特性。LM2576芯片是降压型集成电路,电路正常工作需输出3 A的电流驱动,同时直流稳压电源输出5 V和3.3 V直流电压,分别对显示屏和单片机系统进行供电。开关型集成稳压电源电路图见图2。

2.3 升压模块电路

采用LM2577升压芯片,在输入电压稳定的情况下,升压到预设值(36 V),后级连接一个MOS管IRF3205,通过PWM控制MOS管的通断给一个大电容充电,从而实现电压的可调节。它通过AD电压采样电路来实现电压的实时跟踪。

2.4 显示电路

在1602字符型液晶屏上排列着若干5*7或5*10点阵的字符位,每个字符位可显示1个字符,从行列上分有1行、2行、4行和8、16、20、24、32、40字符。显示屏的原理是:1602字符型显示屏模块由KS0066、KS0065及几个电阻电容组成。KS0065是扩展显示字符用的,例如16个字符、1行模块就可不用KS0065,而16个字符、2行模块就要用1片KS0065。接口方面有8条数据控制线与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令,就可使升压模块电路正常工作。

2.5 按键输入电路

在单片机系统中,通过按键输入常量命令以及通过显示器显示按键值,或功能提示符来实现人机对话功能。本设计中采用4路独立式键盘S1~S4,通过软件去抖,S1负责增加输出电压,S2负责减小输出电压。S3、S4是两个备用功能按键。

2.6 AD采样电路

AD采样时,必须要有一个参考电压源来提供稳定、准确的电压,VREF就是参考电压源。电路中的电流用采样元件转换为电压信号,然后用ADC量化转换为相应的数字信号。电流采集电路就是其中的一个环节[4]。通常,使用一个电阻串联到电路中,流过的电流会在电阻上形成相应的电压。另外,也可以采用电流互感器、霍尔元件等器件进行转换,也可以得到对应的电压。电压采样使用电阻分压,电流采样使用电流采样芯片,可以将模拟信号转换成数字信号。

2.7 PWM输出控制电路

PWM就是在固定频率下更改占空比。其根据相应负载电荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置,从而改变晶体管或MOS管的导通时间,以实现开关稳压电源输出的变化。这种方式利用微处理器的数字信号对模拟电路进行有效控制,在工作条件变化时电源的输出电压仍可保持恒定,从而达到频率固定作用。

3 软件设计与实现

本系统软件使用C语言编程来实现各项功能。主程序流程图见图3。

4 系统调试及分析

4.1 输出电压U0=20~30 V范围的调试

通过改变脉冲调制的数值,给定一个输出电压值,相对应地有一个AD采样输出电压,PWM控制和AD采样算法采用“冒泡法”,每次采样2~3次,去掉最小值,从而得到输出电压0~31.7 V,由此得出输出电压的可调范围为0~3.17 V。此测试结果满足设计要求。

4.2 最大输出电流的调试

在输出端接200Ω/50 W可调电阻器,给定一个固定的输出电压(例如30 V),然后改变电阻,使用万能表测出相应的电流。由此得出可实现的最大电流为3 A。

4.3 电压调整率Su的调试

U2在15~25 V调试时,输出电流I0=0.5 A,电压调整率(%)={(U-U0)/U0}×100,得出电压在13~36 V变化时调整率<2%,实现了基本要求。

4.4 负载调整率Iu的调试

I0在0~0.5 A时,通过设定一个固定空载时的输出电压,然后读出此时的电流,给电路加上一个负载,用万能表测出相应的电压值。负载调整率Iu=(空载时的U0-负载时的U0)/空载时的电阻,由此得出从0到0.5 A时,负载调整率<4%。

4.5 噪声纹波电压峰-峰Uopp的调试

试验设定:

U2=20 V,U0=30 V,I0=0.5 A,利用示波器显示出电路噪声的纹波电压。

4.6 DC-DC变换器的效率[5]

4.7 过流保护调试

经测试,当I0>1 A时,超过LM2596-12的输出能力,单片机断电复位。

5 结语

本设计采用8位增强型51单片机C8051F020进行程序编译工作。其主程序及相关子程序占用存储单元少,工作过程中实际电路执行操作命令时速度快,且能够准确掌控操作时间,为实现精准控制奠定了良好的基础。其各项性能均能满足设计要求,而且输出电压可调范围、最大输出电流、电压调整率、负载调整率、输出噪声纹波电压峰-峰值、DC-DC变换器的效率等指标远远优于现有的设计。在今后的研发调试过程中,还可以将开关稳压电源的性能进一步改善,扩展更多的功能,例如可以通过Wi Fi、Zigbee模块实现远程无线控制等。同时还可以采用更先进的集成电路进一步提高功能性,也可考虑简化外观,满足体积小、操作简便的实际需求。其工作的独立性也方便单独安装在工作现场,具有较高的实用价值和良好的应用前景。

参考文献

[1]钟文.基于PMW智能电力变压器设计[J].中小企业管理与科技,2014(14):323.

[2]孟臣,李敏.单片机C8051F020及其在仪器和仪表中的应用[J].电子元器件应用,2003(3):45-48.

[3]戴佳成,张宏艳,何耀霆.基于PWM超级电容充电装置的设计装置[J].电子设计工程,2014,22(17):67-69.

[4]王林.用555定时器制作开关电源[N].电子报,2014-03-23.

开关稳压篇7

开关电源方案采用LM5117用于高侧MOSFET的CSD18563以及用于低侧MOSFET的CSD18532 (X2) 。该方案适用于高电压或各种输入电源的降压型稳压器应用。其控制方法采用仿真电流斜坡的电流模式控制。电流模式控制具有固有的输入电压前馈、逐周期电流限制和简化环路补偿的功能。使用仿真控制斜坡可降低脉宽调制电路对噪声的敏感度, 有助于实现高输入电压应用所必需的极小占空比的可靠控制, 同时不会影响输出纹波。

电流恒定控制采用场效应管CSD18532KCS构成压控恒流源, 再由LM5117芯片控制DC-DC实现降压变换。该方案可以实现电压线控制电源, 增加了执行效率提高恒流效果。拥有超低的QG、QGD、雪崩额定值和逻辑电平等优点, 并且不会影响输出纹波, 输出电流波动较小。本文的过流保护如图1所示, 调整下MOS管Q2的源极电阻R14使输出电流≥3.1A时, 电路进入打嗝模式, 启动限流保护。

二、电路设计

LM5117包含一个双电平UVLO (欠压锁定) 电路。当UVLO低于0.4V时, LM5117处于关断模式。关断比较器可提供100 MV的迟滞, 以避免转换过程中的跳动 (CHATTER) 。当UVLO引脚的电压高于0.4V, 但低于1.25V时, 控制器处于待机模式。在待机状态下, VCC偏置稳压器被激活, 而HO和LO驱动器被禁用, SS引脚保持低电平。此功能允许通过一个集电极开路或漏极开路器件将UVLO引脚拉至低于0.4V, 以实现远程关断功能。当VCC引脚超过其欠压锁定阈值, 且UVLO引脚电压高于1.25V时, HO和LO驱动器被启用, 并开始正常运行。

此处直接选取13.5V电压能正常开机即可, 根据UVLO=1.25V, 这里选取电阻RUV2为91K, RUV1=10K, 使得U=1.25* (91K+10K) /10K, 即UIN>12.6V, 此电路即可工作。

在MOS管导通的时间里, 电感L会将通过的电流转换为磁能, 把能量贮存起来。电容C将通过电感L的那部分电流转化为电荷贮存起来。在MOS管截止的时间里, 电感L会产生反向电动势, 将其输送给负载R并与续流二极管D组成回路, 同时电容C将电荷转换成电流向负载供电。

三、系统测试

为了减少误差, 测试方案采用, 多次重复测试的方法进行。测量电路点如图2所示 (3、4、5、6、7为测量点) :

额定输入电压下, 产品主要做了以下5组测试, 测试结果如表1所示:

由表1可知:

(1) |∆UO|在0.01~0.03V之间, 符合|∆UO|=|5V-UO|≤100MV的设计要求;

(2) IOMAX在3.00~3.01之间, 符合额定输入电压下, 最大输出电流:IO≥3A的设计要求;

(3) 输出噪声纹波电压峰峰值UOPP在32MV~40 MV之间。符合UOPP≤50MV (UIN=16V, IO=IOMAX) 的设计要求;

参考文献

[1]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社.2015, P17-39.

[2]张占松, 蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社, 2011, P35-58.