电子开关电路论文

电子开关电路论文（共8篇）

电子开关电路论文 篇1

0引言

国内高校目前广泛采用的模拟电子技术教材种类繁多,但在“直流稳压电源”相关章节时表现出了高度的一致性,即:以线性稳压电源为主进行讲解,对开关电源的知识体系甚少提及,多采用回避或淡化的编写思路。而在实验、实训环节中,更是难觅开关电源相关内容。

1开关电源的应用背景

开关电源作为当前电源产品的发展趋势,在《模拟电子技术》等理论及实验教材中需要及早引入。但是,开关电源的电路拓扑种类较多,工作原理也不尽相同,贸然地将完整的开关电源知识体系引入传统的模电教学体系并不可取,相反还会增大学习难度,引起学生对相关知识的反感甚至厌恶。有鉴于此,笔者开发出一套简洁、直观、学生参与度较高的开关电源新型实验电路装置,配合实训指导书,能够将开关电源的设计、调试、测试内容清晰地介绍给学生,一方面可增强大多数学生的技术体验与知识、技能储备,同时还可以激发部分学生对开关电源行业的兴趣,如果通过后续课程的学习,可以为将来毕业后便捷地进入开关电源企业或公司就业打开绿色通道。

2开关电源实训电路方案

实训装置采用MC34063作为PFM主控器件,其内部结构框图如图1所示。虽然仅有8只管脚,但通过不同的电路拓扑连接,可以实现降压(step-down)、升压(step-up)、反压(Voltage Inverting)三种基本的开关电源工作模式。

DC-DC开关电源降压电路的输出电压值低于输入电压,与输入电压极性相同,其典型电路结构如图2所示。

DC-DC开关电源升压电路输出电压的值超过输入电压,与输入电压的极性保持一致。升压电路在锂电池供电场合应用广泛,可以将较低的锂电池电源电压(3.7V)提升至5V、12V,以便向不同的负载供电。利用MC34063构建的升压实训电路如图3所示。

除了升压与降压功能之外,MC34063还可以实现电压反转输出,即:正电压输入、负电压输出,特别适用于需要使用+/-双电源的运算放大器供电。 MC34063构成的负压实训电路如图4所示。

3开关电源实训板的应用技巧

三套实训方案分别对应不同的实训电路板。为了便于学生理解电路结构的工作原理、相关参数的测试,部分元器件采用了接插件形式,如:MC34063芯片、储能电感L1、滤波电感L2等。MC34063在调试中容易发生损坏,故采用接插件形式安装在电路中;同时设计了一块MC34063检测板,可以让学生随时了解芯片的健康状况。当不同电感量的电感器应用在实训电路时,可以观察到不同的工作波形。此外,重要的滤波电容E3并不仅仅是一只电容器,而是采用两只电解电容(47μF+470μF)并联而成,通过在470μF电容正极串联一只小型拨动开关,可以实现两种滤波电容容量,以测试、验证其对电路参数的影响。

电位器P1是实现电压调节的关键元件,实训电路中采用常用3296电位器,分辨率较高。为避免电位器调节到末端时可能对电路造成的不利影响,对P1串联了一只小电阻以起到保护作用。红色LED作为输入指示,绿色LED作为输出指示,不同的显示状态可为学生进行故障排查提供参考。

每个电路图中设置了6个测试点(T1~T5),实训指导书提供实测波形,同时,对MC34063的每只管脚测试一组工作电压范围,供学生在调试时参考。这些数据对于学生缩小故障范围提供了有力帮助。

为了突出开关电源实训板的调试功能,在进行PCB板设计时,设计有人为的断点,必须用焊锡短接才能正常工作。当需要对学生的调试能力进行评测时,简单地焊开连接点即可。此外,导线之间人为的细小短路点也被运用到PCB设计过程中,以便设计短路故障。与这些设计内容相对应,PCB实训板在加工时不能使用阻焊工艺。

4开关电源实训板的特色及创新点

经过反复设计完成的开关电源实验系统规范、简洁,全面优化了电路的拓扑结构与参数。同时编写了针对性较强、详细的实验指导书,给出完整的电路实验原理、实验步骤、参数及波形的观察与测试方法,供实验指导教师与实验学生使用。模块化的电路结构设计与实验指导书结合紧密,便于学生迅速掌握并完成课内实验内容。

开关电源实训板按照标准PCB的样式设计、制作,摆脱传统实验板为了实验而实验的模式;其次,实训板采用5V的USB端口供电,能够产生+3.3V(面向白光LED供电)、+12V(面向直流电机供电)、-5V(面向运放电路供电)的电压种类,能够让学生充分感受到真实的电源电路,迅速提升学生的学习兴趣。

实训电路的关键技术难点主要体现在电路结构与参数的优化、保护单元的合理选择与使用,对此,实训方案在PCB上为电流扩展、过流保护、短路保护、过压保护、参数指示、故障指示等电路单元预留出扩展空间,让学有余力的学生有进一步学习研究的提高机会。 此外,将硬件的开关电源实验测试与软件的电路仿真有机结合,可以引导学生朝开关电源的设计方向拓展。

5结语

开关电源实训方案通过规范的实验步骤,让学生熟悉了基本的DC-DC电路工作波形,掌握了基本的参数测试与调试方法,并逐步学习简单的开关电源故障排查方法。学生通过学习非线性电路的概念与分析方法,对《模拟电子技术》教材中占主导地位的线性电路做了有益补充;此外,开关电源实训方案让学生接触到较少涉及到的电感元件,能够巩固《电路原理》等课程中的相关知识点。

电子开关电路论文 篇2

科学概念目标

1．开关可以用来连接或断开电路，控制电路中电器元件的工作状态。

2．开关有的地方需要用导体来做，而有的地方必须用绝缘体来做。

科学探究目标

利用身边的材料设计并制作一个简单的开关，并用它来控制电路。

科学态度目标

培养动手实践能力和创新意识。

科学、技术、社会与环境目标

了解所学知识在生活中的应用。

【教学重点】

设计并制作一个简单的开关，并用它来控制电路。

【教学准备】

教师准备：

1.回形针开关

2.简单电路

学生准备：科学活动手册

【教学流程】

教学环节

教师指导与评价

学生学习活动

评价要点

一、聚焦

（5分钟）

谈话：生活中，我们能安全、方便的使用各种电器，是因为有一个重要的元件控制着电流的通和断，这个元件就是开关。

提问：电路中的开关是怎样控制电流的通和断的？

倾听、思考

将话题聚焦到：电路种的开关是怎样控制电流的通和断的

二、探索

（25分钟）

1.观察小开关

这个开关的制作使用了哪些材料，这些材料有什么作用？

2.观察生活中常见的开关。

想一想，这些开关是怎样控制电路中的电流的通和断的？

3.做个回形针开关

像图中那样，用小木板、回形针和图钉做一个简易开关。

（1）把回形针伸开放在木板上，用笔在伸开的回形针两端各描一个点作为标记。

（2）先把一个图钉固定在木板的一个描点上，再用图钉把回形针大的一端固定在木板的另外一个描点上。

（3）把回形针开关连接到电路中，看看它能不能控制小灯泡的亮与不亮。

观察开关，并把这个小开关连接到电路里，观察开关是怎样控制电流的通和断的。

思考

按照操作说明制作回形针开关，通过观察和制作发现开关的特点，搜集更多的现象和证据发现开关是如何控制电流的通和断的。

三、研讨

（10 分钟）

1.回形针开关是怎样控制电流的通和断的？

2.你还能用其他的材料和方法做一个小开关吗？你是怎样制作的，你的小开关有什么特点？

根据研讨的问题进行班级讨论交流

根据探索结果，通过交流最终发先电路种电流是可以被控制的。

四、拓展

将红色、绿色玻璃纸分别包在小灯泡外面，并将它们与电池、导线、回形针开关连接起来，做成红绿灯。试着用我们制作的回形针开关控制这组红绿灯。

软开关BUCK电路研究 篇3

1 典型的ZVT-PWMBUCK变换器分析

软开关BUCK变换器有多种形式, 目前使用较为广泛的一种ZVT-PWMBUCK变换器原理图如图l所示。

这种较为典型的ZVT-PWMBUCK变换器的特点是结构简单, 利用谐振电感Lr和主开关并联电容Cr, 谐振使主开关两端电压在主开关开通前下降到零, 同时由于谐振电流流过主开关的体内反向二极管, 所以主开关是零电压零电流开通。其优点是主开关和辅助开关电压电流应力小, 主开关零电压开通容易实现;而其主要缺点, 是辅助管工作在硬开关的状态, 关断损耗较大, 甚至可能比不加辅助电路时主开关管的关断损耗还要大。

2 改进的ZVT-PWMBUCK变换器

改进后的拓扑如图2所示。与典型ZVT-PWMBUCK电路相比, 改进后的电路结构增加了电容Cs和二极管VD1、VD2, 其目的是实现辅助开关的近似零电压关断, 从而降低辅助开关关断时的损耗 (见图2) 。

3 计算机仿真

为了验证改进的ZVT-PWM变换器能够改善变换器的效率, 及Cr的大小将影响变换器工作效率的大小, 本文对改进的ZVT-PWMBUCK变换器进行了计算机模拟仿真。

我们选用的模拟参数为:开关频率40kHZ, 直流输入电压40V, 输出电压16V (占空比D=0.4) , 负载电阻10, 输出电压纹波分量<0.5V, 输出电流脉动ipp<0.05A。

从原理分析可以看出, 主开关管VS1和辅助开关管VS2承受的电压都为输入电压Ui, 流过VS1的电流约为2A, 流过VS2的电流约为3A。本文选用低通态电阻值的功率MOSFET作为开关管, VS1、VS2均选择型号为IRF640的功率MOSFET。当VS1截止时二极管VD导通, Lr内磁场能量通过VD传输到负载。由此可知, VD的正向额定电流必须大于负载电流。当VS1完全导通时, 输入电压将全部加在VD两端, 因此, 其耐压值必须大于Ui。同时, 为了尽可能地减小二极管的反向恢复损耗, 本文选用型号为MU R8 50的快恢复二极管。同理, 二极管VDr、VD1、VD2也要求正向额定电流必须大于负载电流, 耐压值必须大于输入电压值, 所以选用型号为MUR1520的快恢复二极管。

改进型ZVT-PWMBUCK电路的仿真波形如图3所示。

从图3可以看出, 主开关VS1开通时电压已降为零, 实现了零电压导通, 而关断时电压的上升率受到限制, 实现了近似零电压关断。另外, 从VS1电流iS1的波形可看出, 除在辅助谐振电路工作外, VS1上没有电流流过, 说明其漏源结电容引起的内部循环电流在改进电路中已不存在。仿真结果与分析的相符, 这说明设计是有效的, 可行的。

4 结语

本文对ZVT-PWMBUCK变换器电路进行了改进, 增加了缓冲电容Cs, 使得在辅助开关关断时两端电压的上升率受到了Cs的限制实现了近似零电压关断, 减小了开关损耗。增加与谐振电感串联的二极管后, 有效地截断了原电路中存在的内部循环电流, 减小了开关管寄生参数对电路工作的不良影响, 能使电路的效率得到进一步提高。

摘要：在计算机、消费产品等多电源供电的系统中, BUCK型DC/DC变换器有着很普遍的应用。本文分析了一典型的ZVT-PWM变换器, 设计了一种新型ZVT-PWMBUCK变换器, 并对新型变换器进行了仿真验证。结果显示, 改进的变换器较典型的变换器有更高的工作效率。

关键词：软开关,降压型变换器

参考文献

[1]李洁, 钟彦儒, 曾光.一种ZVT-PWM Buck变换器的改进电路[J].电力电子技术.

电子开关电路论文 篇4

关键词：变频空调,开关电源,开关芯片,应用环境

引言

变频空调是时代发展趋势, 已经逐步普及走进千家万户, 空调除了具有基本的制冷、制热作用外, 其功能日益多样化。要求也提高:节能、环保、舒适、低分贝、用户触控体验效果。实现这些功能离不开高可靠性的控制器系统, 其中开关电源供电系统在控制器中承担关键作用, 为各电路正常工作提供电源, 使各单元电路按照整体系统设计控制目标完成相应的控制、检测、保护等, 完成空调各种功能如制冷、制热、扫风、显示等的目的, 以实现空调舒适、完美体验。

作为空调中控制器中的重要电路, 开关电源部分一旦发生故障, 将导致空调整体功能失效, 而且维修需要全机导通检测, 维修麻烦、难度高, 维修成本高, 严重时可能导致控制器爆板, 空调整机烧毁, 造成严重的安全事故。因此研究开关电源电路、开关芯片炸失效模式、失效机理非常重要, 采取有效方案解决全面提升开关电源电路整体工作的可靠性, 从而降低其售后故障率, 减少控制器维修成本, 提高消费者对品牌的满意度具有十分重要的意义。

经对开关芯片失效模式、失效数据进行统计分析发现我司三款开关芯片售后均有失效。开关电源电路芯片炸等失效一直也是空调甚至整个行业长期存在难题, 均未有有效的解决方案, 经过大量对器件核心参数、整机开关电源电路实验验证分析测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下, 离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸, 最终采取有效方案解决问题。该方案对空调等行业在开关电源电路设计提供设计开发思路借鉴与参考。

1 事件背景

变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题, 经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片炸失效导致, 经过多年的跟踪空调实际应用维修数据, 因开关芯片炸失效导致售后投诉单数达268单, 占整个控制器售后故障率15.9%, 控制器售后大比例失效严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果。问题急需进行分析研究解决。

2 芯片失效原因及失效机理分析

2.1 开关芯片失效检测分析

将安森美、三肯开关芯片炸主板多次寄给对应厂家分析, 及各厂家现场来司协助分析, 一致认为开关芯片炸主要还是漏极过电冲击损伤导致击穿失效, 是芯片本身质量问题还是电路设计问题, 经过分析不排除芯片本身质量、开关电源磁饱和、高频变压器器件异常、主板使用工作环境等因素导致。

开关芯片失效开封图片如下图1。

2.2 各厂家开关芯片极限参数测试

售后开关电源电路中开关芯片炸失效, 经过对器件失效分析为过电击穿失效, 售后应用出现大概率失效不可能全部是用户电源出现异常, 是否是芯片抗极限耐压及浪涌冲击能力较差。三个厂家开关芯片在售后均出现失效 (使用开关芯片信息如表1) , 其中安森美开关芯片失效最多, 是否是各厂家芯片极限耐压整体偏低, 存在差异性。带着这些疑问对各厂家使用开关芯片进行极限参数杜比分析, 通过对售后失效器件对应开关芯片进行核心参数分析及相关数据测试结果表明, ON、三肯、科汇厂家开关芯片极限耐压均可以达到700V, 其中三肯开关芯片极限耐压最高达820V, 平均在760V。科汇开关芯片相对较差 (极限耐压对比测试数据如下表2) 。

通过器件单体核心参数检测对比, 器件方面差异没有较大明显区别。售后突出失效与开关芯片可能没有直接关系。

2.3 磁饱和分析

开关芯片炸失效经过对器件相关参数, 可靠性对比分析, 可能不是开关芯片本身问题, 开关电源设计考虑是整个系统设计, 非单个器件。出现开关芯片炸失效是否是电路设计存在问题, 是否是出现磁饱和。

我们知道开关电源磁饱和与电路中相关器件配合等有直接关系, 开关芯片、高频变压器、输入电源、应用环境等都是影响开关电源可靠性关键问题。开关芯片失效是否与磁饱和有关, 如果是是哪些因素影响导致, 针对产生众多个疑问开关全面分析验证。

2.3.1 常态环境

常态环境电路与高频变压器 (12年底整改后制品) 搭配后, 测试Vds漏极电流最高峰值约800mA, 未发现磁饱和现象.即未出现过流, Vds多次验证未出现超过600V及以上电压, 即未出现过压。 (测试波形图片如下图2)

常态环境:通过将售后多单故障件交给厂家分析及来司现场分析, 常态条件下对开关芯片漏极电流波形检测没有发现存在磁饱和异常, 但是从检测波形看, 电流峰值逐渐接近磁饱和, 特别是安森美厂家开关芯片对应电路。

2.3.2 高温高湿环境

高频变压器使用磁性材料为铁氧体, 由于磁材特性当环境温度达到一定温度后磁性有衰退现象, 会出现退磁, 可能会导致出现磁饱和异常, 导致开关芯片炸失效, 统计数据售后失效控制器多为8、9月份, 当时空调运行环境温度比较高, 这个可能是个因素。

磁材磁性一致性不好, 或是高频变压器预留抗饱和度余量低, 在高温下提前出现退磁, 也是会影响开关芯片正常工作。空调实际应用中出现开关芯片炸失效具体是什么原因失效, 是受温度、湿度影响还是综合影响导致结果, 针对问题展开全面验证分析, 测试开关芯片漏极电流波形如下图3、4。

高温高湿环境:控制器整机高温高湿环境下, 开机后开关芯片工作瞬间检测开关芯片漏极电流波形出现低概率的磁饱和现象, 经过测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下, 离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸。

2.3.3 分析总结

磁饱和异常与厂家多次交流分析讨论, 逐一排查磁性材料、电感线圈绕线工艺等异常将问题锁定在开关电源电路抗磁饱和设计余量上, 最终确定整改方案:调整高频变压器初次级匝数, 通过增加线圈匝数降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度, 进而解决高频变压器产生磁饱和异常问题。

3 开关芯片失效整改措施

3.1 开关芯片失效解决方案

解决方法:调整高频变压器初次级匝数 (具体调整线圈匝数如下图5、6) , 通过增加线圈匝数, 降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度, 进而解决高频变压器产生磁饱和异常。整改内容具体方案调整:43110329---4311032901/2/3

4 整改效果评估及应用效果验证

新制品经过整机验证测试抗磁饱和强度大幅度提升, 经过实际验证显示即使再次出现售后恶劣使用环境, 也不会出现磁饱和异常, 电路设计整改后实际试验测试验证抗磁饱和强度提升40%, 有效解决问题。长期跟踪过程及售后失效率为零, 实际整改效果显著。整改后高温高湿环境芯片漏极电流波形检测如下图7。

5 开关芯片失效整改总结及意义

本次售后大批出现开关芯片失效属于开关电源电路设计缺陷, 在电路设计开发时未能有效考虑到实际设计开关电源电路非常规条件下磁饱和问题导致实际应用中出现重大质量问题, 本次整改从整体提升开关电源设计可靠性角度出发具体为调整高频变压器初次级匝数, 通过增加线圈匝数, 降低了Bsat值有效提高高频变压器抗磁饱和强度, 进而有效解决高频变压器产生磁饱和问题。

参考文献

[1]胡晓辰.高频变压器磁饱和电流测量技术研究[J].河北科技大学.2013-05-26

开关电流电路主要误差的改善 篇5

1 时钟馈通误差分析

时钟馈通误差是一个复杂的物理现象,在这里以第二代开关电流存储单元为例进行分析。

图1为存储单元,图2为开关断开时的电荷注入示意图。

对图1所示的存储单元,Ms的沟道电荷可以近似地描述为

其中:Cox是栅氧化层单位面积电容;WSeff和LSeff分别是Ms的有效沟道宽度和长度;vgs是Ms的栅-源电压;VT是Ms的阈值电压,由式(2)给出:

式中:2|φF|是强反型层表面势垒;γ是体阈值参数;VT0是vgs=0时的阈值电压。

一般情况下,1 V

将式(3)代入式(1),得到注入存储电容的沟道电荷为:

其中:αq表示沟道电荷注入存储电容的分配系数,典型值为:αq=1/2。由栅极扩散覆盖电容Col注入存储电容的电荷为:

根据式(4)和式(5)可得整个注入电荷的总量为:

存储管栅-源电压的误差为:

假设晶体管工作于饱和区,则:

由于:

式中:mi=ii/J,称为调制指数。将式(9)代入式(8),得:

所以由时钟馈通效应产生的漏电流误差为:

2 传输误差分析

开关电流电路属于电流模式电路,其基本结构的等效电路如图3所示。

从图3可以看出,上一级电路的输出电阻与下一级电路的输入电阻并联。设上一级电路的输出电流为Iout,输出电阻为Rout,下一级电路的输入电流为Iin,输入电阻为Rin,则下一级电路的输入电流为:

从式(12)可看出,增大输出电阻或减小输入电阻都可以减小传输误差。

3 误差的改善方法

(1)时钟馈通误差的改善。改善时钟馈通误差可采用S2 I电路。图4给出S2 I存储单元的电路和时序。它的工作原理为:在Ф1a相,Mf的栅极与基准电压Vref相连,此时Mf为Mc提供偏置电流J。Mc中存储的电流为ic=J+ii。当Ф1a由高电平跳变为低电平时,由于时钟馈通效应等因素造成Mc单元存储的电流中含有一个电流误差值,假设它为Δii,则Mc中存储的电流为ic=J+ii+Δii。在Ф1b相期间,细存储管Mf对误差电流进行取样,由于输入电流仍然保持着输入状态,所以Mf中存储的电流为If=J+Δii。当Ф1b由高电平跳变为低电平时,考虑到Δii<

(2)传输误差的改善。从前面的分析知,增大输出电阻或减小输入电阻都可以减小传输误差。下面介绍一种调整型共源共栅结构电路,见图5。

由图5可计算出输出电阻为:

与图1中第二代基本存储单元相比,输出电阻增大gmb[gmr1-1]gb倍。

结合S2I电路与调整型共源共栅结构电路的优点,构造调整型共源共栅结构S2I存储单元,见图6。

4 仿真及结果

采用0.5μm标准数字CMOS工艺对图6电路仿真,仿真参数如表1所示:

所有NMOS衬底接地,所有PMOS衬底接电源。所有开关管宽长比均为0.5μm/0.5μm。输入信号为振幅50μA,频率200 kHz的正弦信号,时钟频率5 MHz,Vref=2.4 V,VDD=5 V。表1中给出了主要晶体管仿真参数。HSpice仿真结果见图7(a)。对图1中第二代基本存储单元仿真结果见图7(b)。

从图7中可以看出,调整型共源共栅结构S2I电路大大提高了精度。图8(a)是图7的放大图,图8(b)是Matlab中的理想波形。从图8(a)可以看出,在A点时,输出开关断开,输入开关闭合,输出电流变为零。在AB区间内,输入信号对存储管的寄生电容充电。在B点,输出开关闭合,输入开关断开,输出电流为B点的电流值,半个时钟周期后,在C点,输出开关断开,输入开关闭合,继续重复上一周期对输入电流的采样-保持。整个电路全由管构成依靠晶体管的栅极寄生电容对输入信号采样-保持,所以可以与标准数字CMOS工艺兼容,与数字电路集成在1块芯片上。与Matlab中的理想波形对比后可以看出此电路的性能相当精确。

5 结语

与开关电容电路相比,开关电流电路不需要线性浮置电容,能够与标准数字CMOS工艺兼容。但是由于误差的存在,至今无法完全取代开关电容电路。这里分析了开关电流电路中的时钟馈通误差与传输误差,并提出了解决办法,从仿真结果可以看出改进后的电路性能大大提高精确完成了对输入信号的采样保持。

参考文献

[1]Toumazou C,Hughes J B,Battersby N C.开关电流-数字工艺的模拟技术[M].姚玉洁,译.北京:高等教育出版社,1997.

[2]赵玉山,周跃庆,王萍.电流模式电子电路[M].天津:天津大学出版社,2001.

[3]Martins J M,Dias V F.Harmonic Distortion in Switched-current Audio Memory Cells[J].IEEE Trans.on Circuitsand Systems-II,1999,46(3):326-334.

[4]Hughes J B,Moulding K W.S²I:A Two-step Approach toSwitched-Currents[A].IEEE Proc.Int.Symp.Circ.Syst.[C].1993,2:1 235-1 238.

[5]李拥平,石寅.一种开关电流电路时钟馈通的补偿技术[J].半导体学报,2003,24(7):775-779.

[6]Yilmaz A,Wong K C,Chao K S.Switched Current Sigma-Delta Modulators[J].IEEE Proceedings of Technical Pa-pers,VLSI Technology,Systems and Applications,2005:365-369.

[7]林谷,石秉学.一种用于模式识别的新型开关电流Hamming神经网络[J].电子学报,2005,26(11):135-139.

[8]高清运,秦世才,贾香莲.离散时间积分器特性研究[J].南开大学学报,2000(12):20-25.

[9]伊晓燕.开关电流技术及其在滤波器设计中的应用研究[D].长沙:湖南大学,2003.

开关电源的电路开发及应用 篇6

虽然和线性电源相比, 开关电源的成本也是随着输出功率的增加而增长, 但是两种电源的增长速率确是不同。在输出功率点上, 线性电源的成本反而是偏高了。而且随着技术不断革新发展, 这一成本反转点也在不断的向电路输出低端方向移动, 这就为开关电源的发展提供了广阔的空间。

一、开关电源概述

1. 开关电源工作原理

开关电源主要由主电路, 控制电路, 检测电路和辅助电源四大部分组成。

其工作原理也是相当容易理解, 线性电源是让功率晶体管在线性模式下工作。与之不同, 开关电源则是让其在关断和导通的状态间工作。其主要类型则分为直流和交流两种, 直流中又分为隔离式和非隔离式。隔离式也可以按有源功率器件的个数来分类, 单管分为正激式和反激式两种;双管则有双管正激和双管反激, 四管就是全桥。非隔离式则可以分为单管, 双管和四管三类, 其中单管共六种。又有按照能量的传输来分, 可分为单向传输和双向传输两种;按照开关管的开关条件, 分为硬开关和软开关两种。

2. 开关电源发展趋势

高频开关电路时当今开关电源发展的主要方向, 因为频率的升高使得开关电源的体积大大缩小, 并且能够使得开关电源进入到更大广泛的领域, 这样就可以极大的推动开关电源的发展前进。这样发展的开关电源越来越轻, 越来越小, 越来越薄, 而且具有低噪音, 可靠性高和抗干扰性高的特点。开关电源不仅可以满足相当复杂的电源要求, 而且在节约能源, 资源及保护环境方面都具有十分重要的意义, 是高密度, 清洁能源使用的典型代表。

二、开关电源的开发应用

根据市场的需要和开关电源本身的特点, 其设计及应用也是有着不同的方向。

1. 绿色开关电源

绿色开关电源, 主题为无辐射无污染的高效率电源, 意义在可以大幅度减少电源在使用中对于环境的不良影响。如UCC28600电源, 不仅具有零电压开关的转换, 而且具有多种模式的控制形式:准谐振模式, 馈模式, 绿色模式, 而且这种电源可以对线路和负载进行设定, 并具有先进的逻辑控制和电源故障控制。

电路设计中需要注意的问题是此种电源具有多种保护方式, 要保证顺利实现, 其外电路参数满足要求, PCB的布线要注意功率回路与信号回路的地线严格分离。提高PFC的转换和注意选用Vt6.R16.Vd8关系到VT关闭的速度。

2. 准谐振开关电源

准谐振开关电源主要特点为: (1) 应用的输入电压前反馈控制技术, 使输出保持恒定的功率; (2) 电源的低启动电流只有50uA的时候, 低静态电流为3.5mA; (3) 开关控制的闭锁控制; (4) 此电路具有零电流控制;控制最大峰值电流。 (5) 电路具有频率转换的功能, 这样可以保证开关管的安全运行。 (6) L6565的设计有电流比较器, 这样可以作为电路的保护, 一旦出现异常情况, 栅极驱动截止为0。

3. 单片开关电源

单片开关电源的设计。其电源电路的设计特点: (1) IC将PWM功率驱动于一体对D的调节, 范围在1.7%和67%之间, 调节范围还是比较宽广, 效率为92%, 内部含有保护电路, 高压启动和环路补偿的电路。 (2) TOP227Y电路的设计属于电流型的开关电源, 其特点是调制精确, 安装方便使用灵活。 (3) 宽电压的输入和宽频率的调整范围。 (4) 此设计思路的电源具有良好的EMI和EMC性能。

电路设计时应该注意: (1) 元件选择的问题, 在选择IC时应该选用足够大的效率, 整流二极管的工作电流, 电压及反向恢复时间的选择。 (2) PCB版的设计问题在设计时也应该注意TOP246Y性能特点。

4. 单片六端TOP227Y多功能开关电源

单片六端TOP227Y多功能开关电源。电路的特点为: (1) 将控制, 保护, 检测, 驱动, 调制于一体, 工作频率提高到132KHz, 功率提高到250W; (2) 不管输入电压高低, 实现软启动; (3) 具有各种保护功能, 自动调整工作频率; (4) 芯片采用前置电压馈送方式具有±3%频率抖动, 以用来降低EMI干扰。

设计时应该注意的问题: (1) 交流整流, 输入滤波电容负极直接连接反馈绕组, 提高扼制浪涌干扰能力。 (2) S极与L, C, X应该各一条独立线连接, 外围元件距离要很近, 且远离D极。 (3) 检测电阻R1要接近L脚。 (4) 变压器宜采用堆叠式绕发, 改善稳定性, 加强耦合。 (5) C7容量不宜大, 否则增加漏电。

三、结论

论文以开关电源为研究对象, 分析了开关电源的工作原理和发展趋势, 根据开发和功能性的不同, 论文将开关电源分为绿色开关电源、变频开关电源、准谐振开关电源、单片开关电源和单片六端TOP227Y多功能开关电源等不同类型的开关电源, 对于每一种电源的具体电路工作原理和应用范围做了较为详细的说明。

摘要：开关电源是利用现代的电力电子控制技术, 根据需求控制电源的开关管开通和关断的时间, 从而维持输出电压稳定的一种电源。本文主要对不同种类的开关电源的开发特点和应用范围做详细的分析。

关键词：开关电源,开发,应用

参考文献

[1]陈艳峰.浅谈通信用开关电源技术的发展[J].当代通信.201 (219)

[2]于伟华.通信电源的发展现状及趋势[J].电信建设.2009 (06)

开关电源滤波电路的优化设计 篇7

电子设备或系统的电磁兼容性(EMC,即Electro Magnetic Compatibility)主要包括两部分:

EMI:电子设备或系统不能对所在环境中的任何事物产生其不能承受的电磁干扰。

EMS:电子设备或系统承受外部环境对其干扰的能力,使其在电磁环境中能正常工作。

由于日常生活中电子应用产品数量的增加,电子模块的密度也在增加,因此,从长远的角度看,电磁环境噪声在给定的空间内是增长的,如图1中曲线1所示。当电子设备的抗干扰性高于电磁环境噪声任何点时,电子设备的功能不受影响,但遗憾的是,现在电子系统大部分都具有较高的工作频率和较低的电平开关门限(较低的工作电源),抗噪声的能力在逐渐下降,如图1中曲线2所示。

由图1明显可以看出,当到达环境噪声强度P点的时候,整个电子市场将濒临瓦解。因此,电子市场采取措施来改善电子系统的电磁兼容(EMC)是必要的,这样才能使P点落到无穷的时间线上。

2 改善开关电源滤波电路的重要性

开关电源由于其体积、重量、功率密度和效率等方面的诸多优点,已经被广泛应用于各个领域的电子设备或系统中。由于开关电源应用于交流电网中,整流电路往往会导致输入的电流断断续续,这除了大大降低了输入功率因数外,还增加了大量高次谐波。同时,开关电源中功率开关控制的是高速开关动作,这样就形成了EMI骚扰源。因此,解决开关电源的EMI问题对改善人们生活的电磁环境有着重要的意义。在开关电源中存在的主要干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰,传导干扰会注入电网,干扰接入电网的其他设备。

减少传导干扰的方法有很多,诸如合理铺设地线,采取星型铺地方式,避免形成环形地线,尽可能减少公共阻抗,设计合理的缓冲电路,减少电路杂散电容等。本文主要的研究课题是优化EMI滤波器,衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。

开关电源主要的EMI干扰源是功率率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt,所以,电磁发射一般是宽帯的噪声信号,频率范围是从开关工作频率到几兆赫。因此,传导型电磁环境的测量,很多国际和国家标准所规定的频率范围在0.15～30MHz。设计EMI滤波器,就是要对开关频率、高次谐波的噪声进行衰减。基于上述标准,在通常情况下,只要考虑将高于150 kHz的EME衰减至合理范围内即可。在数字信号处理领域,普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。

3 传统开关电源滤波电路分析

EMI电源滤波器一般是由电感、电容组成的低通滤波器,它允许直流或工频(50～400 Hz)信号通过,对频率较高的信号有较大的衰减作用。根据抑制干扰的程度,EMI电源滤波器一般分为普通性能和高性能两种滤波器。图2、图3给出单环和双环电源滤波器的电路设计基本模型,前者为普通性能电路,后者为高性能电路。当需要加强滤波器某方面的功能时,一般以图2、图3为基础,在此基础上作调整。

针对传统的滤波电路,图2这种单级共模滤波电路对噪声的抑制能力进行分析。对图2滤波电路对电源L相的共模电压干扰和共模电流干扰的能力进行分析,在正常情况下,电感L1两绕组匝数相同,绕在同一个磁环上,电感量是相等的。

4 传统滤波电路改进的方法和理论分析

在以上介绍的传统滤波电路的基础上,本文提出了一种在不改变磁环大小和特性、不改变绕组线径和匝数的前提下,滤波电感增加一个跨等电势面的绕组。该绕组跨接在两个不同的等电势面之间,从而减少了内部共模干扰源直接通过回流路径传导到端口的分量。这样对共模干扰的滤波能力可以从一级变为两级,且对于两相的共模干扰的影响也是一致的,从而大大提高了对共模干扰的滤波能力。具体情况如图4所示。

如图4所示,在滤波电感L1的剩余空间里增加绕跨电势面的绕组LIE,该绕组跨接在第一等势面E1和第二等势面E2之间。第一级滤波电容C5、C6分别连接在滤波电路的一个输入线与第一等势面E1之间,第二级滤波电容C7、C8分别连接在一个输入线与第二个等势面E2之间。跨电势面绕组L1E与第一原绕组L1A、第二原绕组的同名端之间分别接有共模滤波电容C1、C2,形成两级共模滤波电路。图4的等效电路图可化简为图5.

为了对图5滤波电路对L相的共模电压干扰源抑制进行分析,可等效再化简为图6.

根据上图可以得出,其对共模电压干扰源的传递函数为:

同理,对图6滤波电路对L相的共模电流干扰源抑制进行分析,可等效再化简为以下图7.

根据图7所示,其对L相的共模电流干扰源的传递函数为:

5 改进后的滤波电路效果测试和结论

开关电源电路分析与技术改进 篇8

UC3842的典型应用电路,该电路主要由桥式整流电路,高频变压器,MOS功率管以及电流型脉宽调制芯片UC3842构成。其工作原理为:220V的交流电经过桥式整流滤波电路后,得到大约+300V的直流高压,这一直流电压被MOS功率管斩波并通过高频变压器降压,变成频率为几十k Hz的矩形波电压,再经过输出整流滤波,就得到了稳定的直流输出电压。其中高频变压器的自馈线圈N2中感应的电压,经D2整流后所得到的直流电压被反馈到UC3842内部的误差放大器并和基准电压比较得到误差电压Vr,同时在取样电阻R11上建立的直流电压也被反馈到UC3842电流测定比较器的同柑输入端,这个检测电压和误差电压Vt相比较,产生脉冲宽度可调的驱动信号,用来控制开关功率管的导通和关断时间,以决定高频变压器的通断状态,从而达到输出稳压的目的。R5用来限制C8产生的充电峰值电流。考虑到Vi及Vref上的噪声电压也会影响输出的脉冲宽度,因此,在UC3842的脚7和脚8上分别接有消噪电容C4和C2。R7是MOS功率管的栅极限流电阻。另外,在UC3842的输入端与地之间,还有34V的稳压管,一旦输入端出现高压,该稳压管就被反向击穿,将Vi钳位于34V,保护芯片不致损坏。

2 UC3842保护电路的缺陷

2.1 过载保护的缺陷

当电源过载或输出短路时,UC3842的保护电路动作,使输出脉冲的占空比减小,输出电压降低,UC3842的供电电压也跟着降低,当低到UC3842不能工作时,整个电路关闭,然后通过R6扦始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式(hiccup)保护。在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,因此,它的平均功率很低。但是,由于变压器存在漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期都有很高的开关尖峰电压,即使在占空比很小的情况下,辅助供电电压也不能降到足够低,所以不能实现理想的保护功能。

2.2 过流保护的缺陷

UC3842的过流保护功能是通过脚3实现的。当脚3上检测的电压高于l V时,就会使UC3842内部的比较器翻转,将PWM锁存器置零,使脉冲调制器处于关闭状态,从而实现了电路的过流保护。由于检测电阻能感应出峰值电感电流,所以自然形成逐个脉冲限流电路,只要检测电阻上的电平达到l V,脉宽调制器立即关闭,因此这种峰值电感电流检测技术可以精确限制输出的最大电流,使得开关电源中的磁性元件和功率器件不必设计较大的余量,就能保证稳压电源的工作可靠。但是,通常我们采用的采样电阻都是金属膜或氧化膜电阻,这种电阻是有感的,当电流流过取样电阻时,就会感生一定的感性电压。这个电感分量在高频时呈现的阻抗会很大,因此它将消耗很大的功率。随着频率的增加,流过取样电阻的电流有可能在下一个振荡周期到来之前还没放完,取样电阻承受的电流将越来越大,这样将会引起UC3842的误操作,甚至会引起炸机。因此,UC3842的这种过流保护功能有时难以起到很好的保护作用,存在着一定的缺陷。

2.3 电路稳定性的缺陷

电路中,当电源的占空比大于50%,或变压器工作在连续电流条件下时,整个电路就会产生分谐波振荡,引起电源输出的不稳定。变压器中电感电流的变化过程:没在t0时刻,开关开始导通,使电感电流以斜率m1上升,该斜率是输入电压除以电感的函数。t1时刻,电流取样输入达到由控制电压建立的门限,这导致开关断开,电流以斜率m2衰减,直至下一个振荡周期。如果此时有一个扰动加到控制电压上,那么它将产生一个△I,这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况,即在一个固定的振荡器周期内,电流衰减时闸减少,最小电流开关接通时刻t2上升了△I+△Im2/m1,最小电流在下一个周期t3减小到(△I+△Im2/m4)(m2/m1),在每一个后续周期,该扰动m2/m1被相乘,在开关接通时交替增加和减小电感电流,也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零,使过程重新开始,如果m2/m1大于1,变换器将会不稳定。

3 保护电路的改进

针对上述分析,改进电路该电路具有:(1)通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器,从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡,它可以在后续的周期内将△I扰动减小到零。因此,即使系统工作在占空比大于50%或连续的电感电流条件下,系统也不会出现不稳定的情况。不过该补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m2/2,系统才能具有真正的稳定性。(2)取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻,其精度高且容易做到大功率。采用无感电阻后,其阻抗不会随着频率的增加而增加。这样,即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率,因此也就不会出现炸机现象。(3)反馈电路改用TL43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间,并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端,则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器,传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器,因此,直接采用脚1做反馈,从UC3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l,脚2通过R18接地。这样做的好处是,跳过了UC3842的内部放大器,从而把反馈信号的传输时间缩短了一半,使电源的动态响应变快。另外,直接控制UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。

4 实验结果

UC3842检测电阻的电压波形和采样信号波形:经过改进后的电路,其采样信号的波形紧紧跟随检测电阻的电压波形,没有出现非常大的尖峰电压。因此,该电路能有效避免因变压器漏感等异常干扰引起的电源误操作的问题,也能有效避免因电源占空比过大而引起的系统不稳定的问题。

5 结语