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1、1 综述随着电子技术的发展，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电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器和隔离之用，滤波器的体积和重量也很大。而调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于调整管上消耗较大的功率
2、，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关电源的迅速发展。 开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。1.1主要技术指标1）交流输入电压AC220V20；2）直流输出电压416V可调；3）输出电流040A；4）输出电压调整率1；5）纹波电压Up50mV；6）显示与报警具有电流/电压显示功能及故障告警指示。2 基本工作原理及原理框图220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压
3、器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。该电源的原理框图如图2-1所示。图2-1整体电源的原理框图3 各组成部分主要功能描述3.1 交流EMI滤波及整流滤波电路交流EMI滤波及整流滤波电路如图3-1所示。图3-1交流EMI滤波及输入整流滤波电路由于开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有
4、效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。3.2 半桥式功率
5、变换器该电源采用半桥式变换电路，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP400功率MOS管。3.3功率变压器1）工作频率的设定工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz；T=1/fs=1/50kHz=20s。2）磁芯选用1 选取磁芯材料和磁芯结构
6、选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。2 确定工作磁感应强度BmR2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。3 计算并确定磁芯型号磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为 （3-1） 式中：效率；j电流密度，一般取300500；Kc磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1； Ku铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.10.5左右。各参数
7、的单位是：PoW，S，Q，BmT，fsHz，j。取Po=640W，Ku=0.3，j=，=0.8，Bm=0.15T，代入式3-1得SQ=4.558。由厂家手册知，EE55磁芯的S=3.54,Q=3.1042,则SQ=10.9，EE55磁芯的SQ值大于计算值，选定该磁芯。3）计算原副边绕组匝数按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=1.2176=211.2V。对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比Dmax=0.9，则tonmax=
8、TDmax=9.0sUpmintonmax=105.69.0代入公式得次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采用全波整流，Us为次级绕组上的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降，取0.3V，则Us=19.22VN2=N1=1.8匝为了便于变压器绕制，次级绕组取为2匝，则初级绕组校正为：N1=10匝。4）选定导线线径在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度由式（2）决定 （3-2）式中：=2fs；为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率r=1，则=0r=4；为铜的电导率，=58。变压器工作
9、频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为=0.2956，因此绕组线径必须是直径小于0.59的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取36，故这里选用0.56的漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选用厚0.15扁铜带绕制2匝。3.4 辅助电源辅助电源采用RCC变换器（RingingChokeConverter），见图3-2。其输入电压为交流220V整流滤波电压，输出直流电压为12.5V，输出直流电流为0.5A。电路中Q8和变压器初级绕组线圈N1与反馈绕组线圈N3构成自激振荡。R72为启动电阻。Q9、R77构成辅助电源初级过流保护。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76构成电压检测与稳压电路
10、，控制Q8的基极电流的直流分量，从而保持输出电压恒定，变压器采用EE19、LP3材质构成。初级180匝，反馈绕组5.5匝，次级11匝，初级电感量是2.6mH，磁芯中间留有间隙0.4。图3-2 辅助电源原理图3.5 驱动电路驱动电路如图3-3所示。TL494输出50kHz的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOS管。图3-3 驱动电路原理图次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此期间Q7截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q7导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R68、D15、R67可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。D17
11、和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。3.6 PWM控制电路控制电路采用通用脉宽调制器TL494，具有通用性和成本低等优点，见图3-4。图3-4 开关电源原理图输出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经R5阻抗匹配后送到TL494脚1。RV1装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。R103和C14将输出电感L1前信号采样，经R5送到TL494脚1，用于提高电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。3.7 风扇风速控制电路风扇风速控制电路见图3-5。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势的特性，将D9、D10做为散热器温度采样器件。方法是将D9、D10两二极管紧靠在散热器上，
12、当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放N2A正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Q3开始导通，风机上电压升高，转速升高，最终到达最高转速。当负载较轻，使散热器温度低于50时，N2A输出高电平，Q3不导通，辅助电源12.5V经电阻R57降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路可以提高风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，减少风机带来的噪声。图3-5 风扇风速控制电路3.8 过流保护电路为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器CT1检测初级变压器电流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再经D2D4，C9整流滤波后，经过电位器RV3分压，
13、反相器N3反相后加在Q1管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，Q1管导通，将VREF=5V的高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、高电平关断），TL494关断。输出直流总线上过流保护，采用R45R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输出电流大于40A的105时，TL494的内部运放动作，脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态4 结语交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。这是该开关电源的基本工作原理。通过风扇风速控制电路来控制工作温度以及PWM控制电路的应用可以提高电源的稳定度。所以该开关稳压电源具有可靠性高、成本低的优点，其效率85，纹波优于30mV，由于时间仓促，有些地方难免有不足和疏漏之处，请指导教师加以指点以便进一步的提高和改进。参考文献1 叶治政,叶靖国.开关稳压电源M.北京：高等教育出版社.1998.2 何希才.新型开关电源及其应用M.北京：人民邮电出版社.1996.3 黄永定.电子实验综合实训教程M.北京：机械工业出版社，2004.4 毕满清.电子技术实验与课程设计M.北京：机械工业出版社，2000.10
