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1、目录1 绪论21.1 引言21.2开关电源市场情况21.3 开关电源的技术性能31.4 设计的指标52 开关电源电路的工作原理62.1 开关电源的电路组成62.2 输入电路的原理及常见电路62.3 功率变换电路72.4 输出整流滤波电路92.5 稳压环路原理102.6 短路保护电路112.7 输出端限流保护143 基于TL494开关电源的实现153.1 芯片选择153.2 整个控制电路的设计183.3 整个系统框图274 可靠性分析284.1 影响开关电源可靠性的因素284.2 可靠性设计的原则304.3 可靠性设计314.4 电源的热设计325 总结34参考文献351 绪论1.1 引言随着电
2、力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上
3、，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.2 开关电源市场情况据FrostSaullivan公司的资料显示，1999年，全球开关电源市场的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元，平均年增长率为10。这是由于作为电源和开关电源最主要用户
4、的计算机及其外转设备市场的不断发展，以通讯通信业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景。 目前，在计算机、电子仪器仪表和通信设备中应用得最多的开关电源，有ACDC、DCDC两种。到2000年，ACDC产品所占的市场份额，将从1992年的80%减少为76%，而DCDC产品所占的市场份额，将从1992年的20增长为24de。开关电源除了主要应用在计算机、仪器仪表和通信领域之外，还普遍应用在通用工业和消费电子产品领域。 开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输人端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发
5、展。在开关电源领域，正在开展一系列的技术革新，例如功率系数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式转换调节器等，所有这些改进，都使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其在新兴的通信领域大有用武之地。1998年上半年，世界上生产开关电源的厂商已达600多家。虽然开关电源的厂商不少，但是由于业内的竞争异常激烈，目前还没有哪一家厂商能独家垄断市场。 日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。日本约占全球市场的50%；美国约占29%；欧洲约占11；亚洲（除日本以外）约占5。虽然亚洲目前在全球开关电源市场上所占比例尚小，但是，据FrostSull
6、ivan公司预测，到2000年，由于亚洲通信业的高速发展，对开关电源的需求也将与日俱增，其需求量在全球市场上的比例将翻一番，上升至10，并且这个比例还将在对世纪初期继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一。1.3 开关电源的技术性能开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。高效率：为了使开关电源较、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必
7、然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到8588%。据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DCDC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17wcm3，效率为8090%；日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率为200300kHz，功率密度为27Wcm3，用同步整流器（即用
8、MOSFER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。 高可靠：开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DCDC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。 模块化：无论是ACDC或是DCDC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故
9、障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。 低噪声：开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的共模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。 抗电磁干扰（EMI）：当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界
10、各国已有抗EMI的规范或标准，如美国的FCC、德国的VDE等，研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要。 电源系统的管理和控制：应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，中内处理单元实现智能控制，可自动诊断故障、减少维护工作量，确保正常运行。 计算机辅助计（CAD）：利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。 产品更新加快：目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要
11、增加DC150V这一电压）、输人端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能。1.4 设计的指标1） 交流输入电压AC220V 20 ；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Up 50mV；2 开关电源电路的工作原理2.1 开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。 开关电源的电路组成方框图如下：
12、图2.1开关电源的电路组成方框图图2.2 输入整流、滤波电路2.2 输入电路的原理及常见电路2.2.1 AC输入整流滤波电路原理 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1
13、（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2.3 功率变换电路2.3.1 MOS管的工作原理目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制
14、漏极电流的大小。2.3.2 常见的原理图图2.3 功率转换电路2.3.3 工作原理R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R
15、1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。C4和R6为尖峰电压吸收回路。2.4 输出整流滤波电路2.4.1 正激式整流电路 图2.4.1 正激式整流电路T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。图2.4.2 反激式整流电路2.4.2 反激式整流电路 T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成型滤波器。2.5 稳压环路原理2.5.1 反馈电路原理图 图2.5.1 电压反馈环路原理
