1、簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)學(xué)校：徐州師范大學(xué)班級(jí)：03電氣42班姓名： 李 旻摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，電子設(shè)備的種類(lèi)也越來(lái)越多，對(duì)電源的要求更加靈活多樣。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源，這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟。并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等特點(diǎn)。但其通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器和隔離之用，濾波器的體積和重量也很大。而調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較

2、大，電源效率很低，一般只有45%左右，另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，于是它很難滿足電子設(shè)備發(fā)展的要求。從而促成了高效率、體積小、重量輕的開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管（GTR）為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，集電極和發(fā)射極兩端的壓降接近零，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，其集電極電流為零，所以其功耗小，效率可高達(dá)70%95%。而功耗小，散熱器也隨之減小，同時(shí)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流濾波調(diào)整，然后由開(kāi)關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器；此外，開(kāi)關(guān)工作頻率在幾十千赫，濾波電容

3、器、電感器數(shù)值較小。因此開(kāi)關(guān)電源具有重量輕，體積小等特點(diǎn)。另外，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，從而提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。而且其對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍為220V+10%，而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓從110V260V范圍內(nèi)變化時(shí)，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓。前 言本次設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)小型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，為了深入研究該課題，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合，應(yīng)用電力電子技術(shù)解決開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的分析和設(shè)計(jì)。直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中所使用的大功率開(kāi)關(guān)器件價(jià)格較貴,其控制電路亦比較復(fù)雜,另外,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載一般都是用大量的集成化程度很高的器件安裝的電子系統(tǒng)。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較

4、差。因而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的保護(hù)應(yīng)該兼顧穩(wěn)壓器本身和負(fù)載的安全。通常選用電力電子元件加以組合控制,構(gòu)成完善的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸入一般都是未穩(wěn)壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會(huì)將其極性接錯(cuò),將損壞開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，因此，許多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源需要很多保護(hù)電路。極性保護(hù)的目的,就是使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器僅當(dāng)以正確的極性接上未穩(wěn)壓直流電源時(shí)才能工作。通過(guò)此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅深刻理解了電力電子技術(shù)這門(mén)課的學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)，而且達(dá)到了理論和實(shí)際相結(jié)合的效果，更重要的是該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步完善。 目錄第一章 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介 11開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)圖1畫(huà)出了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開(kāi)關(guān)管V，

5、激勵(lì)信號(hào)，續(xù)流二極管Vp，儲(chǔ)能電感和濾波電容C組成。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變壓器。這里我們對(duì)直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。逆變器通常被廣泛地應(yīng)用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應(yīng)用在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數(shù)值各不同的多種直流供電電壓。 12開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)1.功耗小，效率高。在圖1中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管V在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，它交替地工作在導(dǎo)通截止和截止導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在

6、一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開(kāi)關(guān)晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%。2.體積小，重量輕。從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片。由于這兩方面原因，所以開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小，重量輕。    3.穩(wěn)壓范圍寬。從開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很

7、好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。    4.濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減少。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500b倍。在相同的紋波輸出電壓下，采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容的1/5001/1000。 &#

8、160;  5.電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式，有調(diào)寬型和調(diào)頻型，有單端式和雙端式等等，設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類(lèi)型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。13開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中，功率調(diào)整開(kāi)關(guān)晶體管V工作在狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作。此外由于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒(méi)有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾。 

9、0;  目前，由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)、阻容器件生產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家還有一定的差距，因而造價(jià)不能進(jìn)一步降低，也影響到可靠性的進(jìn)一步提高。所以在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對(duì)于無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開(kāi)關(guān)管、開(kāi)關(guān)變壓器的磁芯材料等器件，在我國(guó)還處于研究、開(kāi)發(fā)階段。在一些技術(shù)先進(jìn)國(guó)家，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源雖然有了一定的發(fā)展，但在實(shí)際應(yīng)用中也還存在一些問(wèn)題，不能十分令人滿意。這暴露出開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的又一個(gè)缺點(diǎn)，那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，維修麻煩。對(duì)此，如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重

10、視，則它將直接影響到開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用。當(dāng)今，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源推廣應(yīng)用比較困難的主要原因就是它的制作技術(shù)難度大、維修麻煩和造價(jià)成本較高。第二章 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源種類(lèi)21開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源種類(lèi)簡(jiǎn)介現(xiàn)在，電子技術(shù)和應(yīng)用迅速地發(fā)展，對(duì)電子儀器和設(shè)備的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不斷地增加。在使用上自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在體積上，要日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源就顯得更加重要了。所以，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用，這大大促進(jìn)了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的發(fā)展，從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的品種和類(lèi)型也越來(lái)越多。下

11、面的組圖給出了各種類(lèi)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖。22 開(kāi)關(guān)電源的劃分方式(1)按激勵(lì)方式劃分     他激式    電路中轉(zhuǎn)設(shè)激勵(lì)信號(hào)的振蕩器，電路形式如圖6所示。     自激式    開(kāi)關(guān)管兼作振蕩器中的振蕩管，電路形式如圖7所示。    (2)按調(diào)制方式劃分     脈寬調(diào)制型    振

12、蕩頻率保持不變，通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，有時(shí)通過(guò)取樣電路、耦合電路等構(gòu)成反饋閉環(huán)回路，來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的幅度。  頻率調(diào)制型    占空比保持不變，通過(guò)改變振蕩器的振蕩頻率來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅度。     混合調(diào)制型    通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來(lái)完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。(3)按開(kāi)關(guān)管電流的工作方式劃分     開(kāi)關(guān)型   

13、0;用開(kāi)關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波，電路形式類(lèi)似于他激式。  諧振型    開(kāi)關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電路形式類(lèi)似于自激式。    (4)按開(kāi)關(guān)晶體管的類(lèi)型劃分     晶體管型    采用晶體管作為開(kāi)關(guān)管，電路形式如圖6所示。     可控硅型    采用可控硅作為開(kāi)關(guān)管，這種電路的特點(diǎn)是直接

14、輸入交流電，不需要一次整流部分，其電路形式如圖5。    (5)按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分     串聯(lián)型    儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖3所示。     并聯(lián)型    儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖4所示。(6)按晶體管的連接的連接方式劃分     單端式  

15、60; 僅使用一個(gè)晶體管作為電路中的開(kāi)關(guān)管，這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸出功率不能提高，其電路形式如圖3、圖4和圖6所示。     推挽式    使用兩個(gè)晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)變壓器必須具有中心抽頭，電路形式如圖12。     半橋式    使用兩個(gè)晶體管，將其連接成半橋形式。它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場(chǎng)合。電路形式如圖11。  &#

16、160;  全橋式    使用四個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，將其連接成全橋形式。它的特點(diǎn)是輸出的功率比較大。其電路形式如圖12。(7)按輸入與輸出的電壓大小劃分     升壓式    輸出電壓比輸入電壓高，實(shí)際就是并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。     降壓式    輸出電壓比輸入電壓低，實(shí)際就是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。數(shù)值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣，經(jīng)放大后反饋至開(kāi)

17、關(guān)控制端，控制驅(qū)動(dòng)電(8)按工作方式劃分     可控整流型    所謂可控整流型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開(kāi)關(guān)管，可由交流市電電網(wǎng)直接供電，也可用變壓器變壓后供電。（這種供電方式在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源剛興起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱(chēng)為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱(chēng)為導(dǎo)通角。依靠調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小，可達(dá)到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定電壓的目的。其電路如圖10所式。     斬波型&#

18、160;   斬波型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開(kāi)關(guān)電路上，在開(kāi)關(guān)電路的輸出端得到單向的脈動(dòng)直流，經(jīng)過(guò)濾波得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流電壓，電路還從輸出電壓取樣，經(jīng)過(guò)比較、放大、控制脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，用以控制調(diào)整開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的長(zhǎng)短或開(kāi)關(guān)的工作頻率，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過(guò)壓保護(hù)電路也是依據(jù)這一部分提供的取樣信號(hào)來(lái)進(jìn)行工作的，斬波型電路形式如圖9所示。   隔離型    這種形式的開(kāi)關(guān)電源是在輸入回路與逆變電路之間，經(jīng)過(guò)高頻變壓器（也可稱(chēng)為開(kāi)關(guān)變壓器），利用磁場(chǎng)的變化實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，沒(méi)有電流間的直接流通，隔離型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源采用直流供電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電路，將直流電變成頻率很高的交流電，再經(jīng)變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），然后經(jīng)整流器整流，最后就可以得到新的、極性和路的工作，最后達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種形式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在實(shí)際穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛。 (9)按電路結(jié)構(gòu)劃分     散件式    整個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路都是采用分立元器件組成的，它的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可靠性較差。  集成電路式  &#