開關(guān)電源的基本工作原理(2)

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1、第一章開關(guān)電源的基本工作原理開關(guān)電源是利用時(shí)間比率控制（TimeRatioControl,縮寫為TRC）的方法來控制穩(wěn)壓輸出的。按TRC控制原理，有以下三種方式：1)脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation,縮寫為PWM）。開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。2)脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM）導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。3)混合調(diào)制導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)

2、制型。本設(shè)計(jì)采用的就是脈寬調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電源，其基本原理可參見右圖。對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Uo可由公式計(jì)算，即Uo=Um×T1/T式中Um—矩形脈沖最大電壓值；T—矩形脈沖周期；T1—矩形脈沖寬度。從上式可以看出，當(dāng)Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。[1]此外，為因應(yīng)各種不同的輸出功率，開關(guān)電源按DC/DC變換器的工作方式分又可分為反激式（Flyback）、順向式（Forwar

3、d）、全橋式（FullBridge）、半橋式（HalfBridge）和推挽式（Push-Pull）等電路拓?fù)洌═opology）結(jié)構(gòu)。其中單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20～100Ｗ，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率，應(yīng)用較為廣泛。本設(shè)計(jì)采用的就是該方案，其典型的電路如圖所示。[1]圖1-1反激式開關(guān)電源典型電路結(jié)構(gòu)藉由PWMIC控制開關(guān)管的導(dǎo)通與否，配合次級側(cè)的二極管和電容，即可得到穩(wěn)定DC電壓的輸出。Ui為含有一定交流成份的直流電壓，由開關(guān)功率管斬波和高頻變壓器降壓，將儲(chǔ)存于在變壓器的能量傳遞給次級側(cè)，轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后

4、再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸４送飧淖冏儔浩鞒?、次級的圈?shù)，就可以得到想要的DC電源。PWM控制電路是這類開關(guān)電源的核心，它通過取樣反饋閉環(huán)回路，調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例即占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。由于高頻變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)，并且只有一個(gè)輸出端，而MOS開關(guān)功率管導(dǎo)通時(shí)，次級整流二極管截止，電能就儲(chǔ)存在高頻變壓器的初級電感線圈中；當(dāng)MOS功率管關(guān)斷時(shí)整流二極管導(dǎo)通，初級線圈上的電能傳輸給次極繞組，并經(jīng)過次級整流二極管輸出，故稱之為單端反激式。第一節(jié)開關(guān)電源的干擾特性及其抑制措施開關(guān)電源雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)并得到廣泛的應(yīng)用，但由

5、于它具有嚴(yán)重的射頻干擾,在線性電路中的應(yīng)用一直受到很大的限制。開關(guān)電源是把工頻交流整流為直流后，再通過開關(guān)變?yōu)楦哳l交流，其后再整流為穩(wěn)定直流的一種電源，這樣就有工頻電源的整流波形畸變產(chǎn)生的噪聲與開關(guān)波形產(chǎn)生的噪聲。在輸入側(cè)泄露出去就表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲，在輸出側(cè)泄露出去就表現(xiàn)為紋波。同時(shí)外部噪聲會(huì)進(jìn)到電子設(shè)備中，而供給負(fù)載的電源噪聲也會(huì)泄露到外部。若電源線中有噪聲電流通過，電源線就相當(dāng)于天線向空中輻射噪聲。而這些噪聲都會(huì)影響設(shè)備的正常工作。要想使其得到更廣泛的應(yīng)用，滿足電磁兼容性的有關(guān)指標(biāo)，就需要有效地抑制開關(guān)電源的干擾。雜訊干擾的途徑有兩種，即傳導(dǎo)干擾與輻射干擾。

6、以下分別對兩種干擾的特性與抑制方法做一介紹。1.1傳導(dǎo)干擾及其抑制措施從導(dǎo)線傳入的干擾稱為傳導(dǎo)干擾，其干擾能量通過導(dǎo)電體進(jìn)行傳播，開關(guān)電源的輸入、輸出引線都是傳導(dǎo)干擾的媒介。開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾會(huì)沿電源引線進(jìn)入電網(wǎng)，污染電網(wǎng)，使同一電網(wǎng)的電子設(shè)備受到干擾。同時(shí)電源的輸出線還將把干擾噪聲傳遞給負(fù)載，使作為電源負(fù)載的電子設(shè)備直接受到干擾，當(dāng)這種干擾幅度若大到一定程度，會(huì)影響線性電路和一些小信號電路的正常工作。由于傳導(dǎo)干擾主要是通過輸入輸出引線進(jìn)行傳播，因而相對來說傳導(dǎo)干擾的抑制要容易些，主要方法是加接輸入輸出濾波器。在開關(guān)電源的輸入側(cè)要介入電容與電感構(gòu)成的濾波器，用于抑制交流

7、電源產(chǎn)生的EMI，而該濾波器也稱為電磁兼容（EMI）濾波器。其電路如圖2-1所示。圖1-1輸入端抑制傳導(dǎo)干擾電路（EMI）該濾波器是一典型的低通濾波器，使開關(guān)電源產(chǎn)生的一些高頻脈沖干擾經(jīng)過它后得到極大的衰減，能較好的濾除來源于電網(wǎng)或者傳入電網(wǎng)的干擾，使其符合FCC、CE、VDE等標(biāo)準(zhǔn)。圖中L901、L902為共模扼流圈，它是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨(dú)立的線圈，圈數(shù)相同，繞向相反，在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁通相互抵消，磁芯不會(huì)飽和，主要抑制共模干擾，感值愈大對低頻干擾抑制效果愈佳。這樣繞制的濾波電感抑制共模干擾的性能大大提高。L901、L902分別選擇感