開(kāi)關(guān)電源工作原理

開(kāi)關(guān)電源在各個(gè)領(lǐng)域被普遍采用，而開(kāi)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(kāi)發(fā)促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的高頻化，功率MUSFET和IGBT可使中小型開(kāi)關(guān)電源工作頻率達(dá)到400KHZ，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使高頻開(kāi)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(jiǎn)化，而且使開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和可靠性大大提高。
開(kāi)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(lái)的效益是使開(kāi)關(guān)電源裝置空前的小型化，并使開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)
開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的核心部分，此外還有軟啟動(dòng)、過(guò)流與過(guò)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(guò)放大及脈寬調(diào)制（PWM）電路，再經(jīng)過(guò)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(jiàn)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(lái)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(kāi)關(guān)S斷開(kāi)）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(guò)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(wú)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t<0（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(kāi)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(kāi)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(guò)它們發(fā)出的脈沖可以控制變換器開(kāi)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(kāi)關(guān)管。本設(shè)計(jì)采用第一種工作方式。
該芯片的最高工作頻率為300kHz ，實(shí)際工作頻率由引腳5、6 所接的電阻與電容決定，其振蕩頻率算式為f = 1.1/(RTCT ) ，本設(shè)計(jì)選擇的振蕩頻率為50kHz ，鋸齒波在片內(nèi)被送到比較器1 和2 的反相端，鋸齒波與片內(nèi)的誤差放大器的輸出在PWM 比較器2 中比較，而死區(qū)控制電平與鋸齒波在死區(qū)時(shí)間比較器1 中比較，兩者的輸出分別為一定寬度的矩形波，它們同時(shí)送到或門(mén)電路，經(jīng)分頻器分頻后，再經(jīng)相應(yīng)的門(mén)電路去控制內(nèi)部三極管導(dǎo)通，VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通或截止，從而控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止。其工作波形如圖6 所示。

另外，在輸入電源剛接通時(shí)，由于電容上的電壓不能突變，所以起動(dòng)瞬間，死區(qū)控制端4 與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓14 端等電位，為高電平，死區(qū)比較器1 也輸出高電平，封鎖輸出端的兩個(gè)晶體管；隨著電容電壓的不斷上升，4 端電位逐漸降低，這兩個(gè)晶體管才逐漸開(kāi)通，使得該電源的輸出電壓不會(huì)突變，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。正常工作時(shí)，主電路開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間(它決定正常工作時(shí)的輸出電壓值) 將由接入誤差放大器1 反相端的給定電壓Ug 和接入同相端的反饋電壓Uf 比較確定。

4. 按鍵顯示電路
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要通過(guò)按鍵調(diào)整輸出電壓值，并實(shí)時(shí)顯示電壓設(shè)定值和實(shí)際值，可采用8個(gè)數(shù)碼管來(lái)顯示數(shù)值，四個(gè)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)定的電壓值，另外四個(gè)分時(shí)顯示實(shí)際電壓值和電流值；而按鍵應(yīng)包括增加鍵和減少鍵，還可以通過(guò)按鍵來(lái)控制主電路的開(kāi)通與關(guān)斷。

5．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。設(shè)計(jì)中以升壓斬波電路為主回路，該電路實(shí)現(xiàn)將整流濾波后的直流電壓變?yōu)?5V～30V的輸出電壓。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)PIC16F877A和PWM調(diào)制芯片TL494構(gòu)成控制系統(tǒng)。TL494產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制升壓斬波電路，同時(shí)還通過(guò)外圍電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、過(guò)流保護(hù)、自恢復(fù)、軟啟動(dòng)等功能。單片機(jī)通過(guò)控制數(shù)字電位器MCP41010的輸出值，實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的設(shè)定和步進(jìn)的調(diào)整，此外還通過(guò)A/D模塊，實(shí)現(xiàn)輸出電壓、電流值的數(shù)顯。在升壓斬波電路中，采用了導(dǎo)通電阻非常小的MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，快恢復(fù)二極管作為續(xù)流管，有效的提高了電路的效率。

6.軟件功能
主程序不斷檢測(cè)是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進(jìn)行相應(yīng)的鍵值處理，根據(jù)按鍵改變?cè)O(shè)定的電壓值，實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸入，并分時(shí)顯示實(shí)際電壓值和電流值。通過(guò)編程軟件實(shí)現(xiàn)以下功能：
1).輸出電壓可按0.1V的步進(jìn)值調(diào)整；
2).通過(guò)A/D采樣，顯示輸出電壓和輸出電流；
3).通過(guò)按鍵，可以控制主電路的開(kāi)通與關(guān)斷。

總結(jié)
本設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)硬件和軟件編程相結(jié)合的方法，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)從系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)框圖入手，再根據(jù)各模塊的功能進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)和主要器件的選擇，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在電子、電器設(shè)備和家電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地方便了人們的生活和生產(chǎn)，可以相信其市場(chǎng)前景一片廣闊。