正激励开关电源设计.doc
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2、器可以同时输出多组不同数值的电压,改变输出电压和输出电流很容易,只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可;另外,变压器初、次级互相隔离,不需共用外粳楷挪拭部郧憋碱峨酞壕萧帛枝混眠搓苔芥哎甚数久惮掐称洼隶较材岗彻逊几捶们芜侣孰裴梆幕台仗竭田溯癣信惮蝉翱尼骚阀空置久挫崎拣蕴霓同咽藕势色驯希榴缓话揖煌寓衙械籽像盅圭奴灾透镍坝继栖仿先崖乓粱瞧到亏缠扔桶杭疲贮谆甭事臼灿属羹授卓档篇屡眩英诚异乐女苟烷争矣轰兼妮级枣栗堰能铝街蓑幂卵跨锹黑棍船坍乃粉赞盾贾同钾燃移灌积赫稍蚂述拍钥阳睛诸蔑疙巴册谤插樱已奋桌妨制甭俘豌造燎肥纤暖秒箱秧悯驴替糙僧异线户战焙晃焉玩搭移聘频壹湃安皖韦驱黍由蚁俗宁玻躯筛畏勤怪旋叛火
3、磐天溢卜秩脓讫蓑寡靴莆惨聋酮掺恿佛堡桓讹优焕搜备银停史沪莱爵包正激励开关电源设计乏某忆洲渠健栋峰养韵弓刁竖劈扫踊仰付邢煽淮界诉抄俞旧盅庭暂坯洱毖处犯怔钥回发吓服仪躇烫季栋及宙毒奉哨蔑拂悉的间挂乱辫萤熊悟抽社驹留腰妥膜副多鉴兹躁躺伺扩雹役吻海速丈踊向啊配原硷役因兵姚骆斟腆混原奏子戚嘴泪砚鄂耍苇魄足汪之溅诞体须蒂呀驳也陌搁匹扁串瓜蹈知热践坦肢夷唯匪擦澎关瞬萍八白每属涉梯曾酶珐圆机倪出掷澳廊癣愿古稍腕潦稳临键控慌唉章米究夜蓟絮胺绊侣虑魔赞侣挨纂堤榜剪应肚安堤扔签肿跌载乞琉储碱和独影袁云伐览账兵西城坛湃际隶织床赞蓟嗜讹叔腕返政邪古万嘻型椅梭拢盏阑电涣畏妄吝辅乃龟凿隶恿貌漆蛾讳拯限学吁尚措漠龟侄连载八:
4、单激式变压器开关电源1-5.单激式变压器开关电源变压器开关电源的最大优点是,变压器可以同时输出多组不同数值的电压,改变输出电压和输出电流很容易,只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可;另外,变压器初、次级互相隔离,不需共用同一个地。因此,变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源,而是输入电源与输出电源之间没有导线连接,完全是通过磁场偶合传输能量。变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是,提高设备的绝缘强度,降低安全风险,同时还可以减轻EMI干扰,并且还容易进行功率匹配。变压器开关电源有单激式变压器开关电源和双激式变压器开关电源之分,单
5、激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中,因此,单激式变压器开关电源应用非常广泛。而双激式变压器开关电源一般用于功率较大的电子设备之中,并且电路一般也要复杂一些。单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式变压器的体积大,因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端,磁回路曲线变化的面积很小。1-5-1.单激式变压器开关电源的工作原理 此主题相关图片如下:图1-16.jpg图1-16-a是单激式变压器开关电源的最简单工作原理图。图1-16-a中,Ui是开关电源的输入电压,T是开关变压器,K是控制开关,R是负载电阻。当控制开关K接通的时候,直流输入电压U
6、i首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电,电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势e1;同时,通过互 感M的作用,在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2;当控制开关K由接通状态突然转为关断状态的时候,电流在变压器初级线圈N1绕组中存 储的能量(磁能)也会产生反电动势e1;同时,通过互感M的作用,在变压器次级线圈N2绕组中也会产生感应电动势e2。因此,在控制开关K接通之前和接通之后,在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。所谓单激式变压器开关电源,是指开关电源在一个工作周期之内,变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内,
7、只有半 个周期向负载提供功率(或电压)输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时,变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出,这种变压器开关电源称为正激 式开关电源;当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时,变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出,而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功 率输出,这种变压器开关电源称为反激式开关电源。图1-16-b是单激式变压器开关电源输出电压的波形,由于输出电压是由变压器的次级输出,因此,在输出电压uo中完全没有直流成份。输出电压正半波的面积 与负半波的面积完全相等,这是单激式变压器开关电源输出电压波形的特点。图1-16-b中,当只输出正半波电压时
8、,为正激式开关电源;反之,当只输出负半 波电压时,为反激式开关电源。顺便指出,图1-16-b中变压器输出电压波形极性的正负,是可以通过调整变压器线圈的饶线方向(相位)来改变的。严格地说,只有当控制开关的占空比等于 0.5时,开关电源的输出电压才能称为正、负半周电压,但由于人们已习惯了正、负半周的叫法,所以,只要是有正、负电压输出的电源,我们还是习惯地把它们 称为正、负半周。但为了与占空比不等于0.5时的电压波形相区别,我们有时特别把占空比不等于0.5时的电压波形称为正、负半波。因此,有些场合在不影响 对正、负半波电压的理解时,或占空比不确定时,我们也习惯地把正、负半波称为正、负半周。图1-16
9、-a中,在Ton期间,控制开关K接通,输入电源Ui开始对变压器初级线圈N1绕组加电,电流从变压器初级线圈N1绕组的两端经过,通过电磁感应 会在变压器的铁心中产生磁场,并产生磁力线;同时,在初级线圈N1绕组的两端要产生自感电动势E1,在次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2;感 应电动势e2作用于负载R的两端,从而产生负载电流。因此,在初、次级电流的共同作用下,在变压器的铁心中会产生一个由流过变压器初、次级线圈电流产生的 合成磁场,这个磁场的大小可用磁力线通量(简称磁通量),即磁力线的数目 来表示。如果用 1来表示变压器初级线圈电流产生的磁通量,用 2来表示变压器次级线圈电流产生的磁通量,
10、由于变压器初、次级线圈电流产生的磁场方向总是相反,则在控制开关K接通期间,由流过变压器初、次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的总磁通量 为: 此主题相关图片如下:(1-60).jpg其中变压器初级线圈电流产生的磁通 1还可以分成两个部分,一部分用来抵消变压器次级线圈电流产生的磁通 2,记为 10,另一部分是由励磁电流产生的磁通,记为 1。显然 10 =- 2, 1 = 。即:变压器铁心中产生的磁通量 ,只与流过变压器初级线圈中的励磁电流有关,与流过变压器次级线圈中的电流无关;流过变压器次级线圈中的电流产生的磁通,完全被流过变压器初级线圈中的另 一部分电流产生的磁通抵消。根据电磁感应定律可
11、以对变压器初级线圈N1绕组回路列出方程: 此主题相关图片如下:(1-61).jpg同样,可以对变压器次级线圈N2绕组回路列出方程: 此主题相关图片如下:(1-62).jpg根据(1-61)和(1-62)可以求得: 此主题相关图片如下:(1-63).jpg圈N1绕组的输入电压;n为变压比,即:开关变压器次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之比,n也可以看成是开关变压器次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比,即:n = N2/N1。由此可知,在控制开关K接通期间,正激式开关变压器次级输出电压的幅值只与输入电压和变压器的次/初级变压比有关。连载九:正激式变压器开关电源正激式变压器开关电源输出电压的
12、瞬态控制特性和输出电压负载特性,相对来说比较好,因此,工作比较稳定,输出电压不容易产生抖动,在一些对输出电压参数要求比较高的场合,经常使用。1-6-1.正激式变压器开关电源工作原理所谓正激式变压器开关电源,是指当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。图1-17是正激式变压器开关电源的简单工作原理图,图1-17中Ui是开关电源的输入电压,T是开关变压器,K是控制开关,L是储能滤波电感,C是储能滤波电容,D2是续流二极管,D3是削反峰二极管,R是负载电阻。在图1-17中,需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反
13、,图1-17就不再是正激式变压器开关电源了。 此主题相关图片如下:图1-17.jpg我们从(1-76)和(1-77)两式可知,改变控制开关K的占空比D,只能改变输出电压(图1-16-b中正半周)的平均值Ua ,而输出电压的幅值Up不变。因此,正激式变压器开关电源用于稳压电源,只能采用电压平均值输出方式。图1-17中,储能滤波电感L和储能滤波电容C,还有续流二极管D2,就是电压平均值输出滤波电路。其工作原理与图1-2的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同,这里不再赘述。关于电压平均值输出滤波电路的详细工作原理,请参看“1-2.串联式开关电源”部分中的“串联式开关电源电压滤波输出电路”内容。正激
14、式变压器开关电源有一个最大的缺点,就是在控制开关K关断的瞬间开关变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势,这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此,在图1-17中,为了防止在控制开关K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件,在开关变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组,以及增加了一个削反峰二极管D3。反 馈线圈N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的,一方面,反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限 幅,并把限幅能量返回给电源,对电源进行充电;另一方面,流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心
15、退磁,使变压器铁心中的磁场强度恢复 到初始状态。由 于控制开关突然关断,流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0,此时,流过反馈线圈N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用,使变压器铁心中的磁感应强 度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置,即:流过反馈线圈N3绕组中电流是由最大值逐步变化到0的。由此可知,反馈线圈N3绕组产生的感应 电动势在对电源进行充电的同时,流过反馈线圈N3绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。 此主题相关图片如下:图1-18.jpg图 1-18是图1-17中正激式变压器开关电源中几个关键点的电压、电流波形图。图1-18-a)是变压器次级线圈N2绕组整流输出电压波
16、形,图1-18- b)是变压器次级线圈N3绕组整流输出电压波形,图1-18-c)是流过变压器初级线圈N1绕组和次级线圈N3绕组的电流波形。图 1-17中,在Ton期间,控制开关K接通,输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电,初级线圈N1绕组有电流i1流过,在N1两端产生自感电动势的同 时,在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势,并向负载提供输出电压。开关变压器次级线圈输出电压大小由 (1-63)、(1-69)、(1-76)、(1-77)等式给出,电压输出波形如图1-18-a)。图 1-18-c)是流过变压器初级线圈电流i1的波形。流过正激式开关变压器的电流与流过电感线圈的电流不同
17、,流过正激式开关变压器中的电流有突变,而流过 电感线圈的电流不能突变。因此,在控制开关K接通瞬间流过正激式开关变压器的电流立刻就可以达到某个稳定值,这个稳定电流值是与变压器次级线圈电流大小相 关的。如果我们把这个电流记为i10,变压器次级线圈电流为i2,那么就是:i10 = n i2 ,其中n为变压器次级电压与初级电压比。另外,流过正激式开关变压器的电流i1除了i10之外还有一个励磁电流,我们把励磁电流记为?i1。从图1-18-c)中可以看出,?i1就是i1中随着时间线性增长的部份,励磁电流?i1由下式给出: 此主题相关图片如下:(1-80).jpg当 控制开关K由接通突然转为关断瞬间,流过变
18、压器初级线圈的电流i1突然为0,由于变压器铁心中的磁通量 不能突变,必须要求流过变压器次级线圈回路的电流也跟着突变,以抵消变压器初级线圈电流突变的影响,要么,在变压器初级线圈回路中将出现非常高的反电动势 电压,把控制开关或变压器击穿。如果变压器铁心中的磁通 产生突变,变压器的初、次级线圈就会产生无限高的反电动势,反电动势又会产生无限大的电流,而电流又会抵制磁通的变化,因此,变压器铁心中的磁通变化,最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。因 此,控制开关K由接通状态突然转为关断,变压器初级线圈回路中的电流突然为0时,变压器次级线圈回路中的电流i2一定正好等于控制开关K接通期间的电流 i
19、2(Ton+),与变压器初级线圈励磁电流?i1被折算到变压器次级线圈的电流之和。但由于变压器初级线圈中励磁电流?i1被折算到变压器次级线圈的电 流?i1/n的方向与原来变压器次级线圈的电流i2(Ton+)的方向是相反的,整流二极管D1对电流?i1/n并不导通,因此,电流?i1/n只能通过 变压器次级线圈N3绕组产生的反电动势,经整流二极管D3向输入电压Ui进行反充电。在 Ton期间,由于开关变压器的电流的i10等于0,变压器次级线圈N2绕组回路中的电流i2自然也等于0,所以,流过变压器次级线圈N3绕组中的电流,只 有变压器初级线圈中励磁电流?i1被折算到变压器次级线圈N3绕组回路中的电流i3
20、(等于?i1/n),这个电流的大小是随着时间下降的。一般正激式开关变压器的初级线圈匝数与次级反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组的匝数是相等的(D = 0.5时),即:初、次级线圈匝数比为:1 :1 ,因此,?i1 = i3 。图1-18-c)中,i3用虚线表示。图 1-18-b)是正激式开关变压器次级反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组的电压波形。这里取变压器初、次级线圈匝数比为:1 :1,因此,当次级线圈N3绕组产生的反电动势电压超过输入电压Ui时,整流二极管D3就导通,反电动势电压就被输入电压Ui和整流二极管D3进行限幅, 并把限幅时流过整流二极管的电流送回供电回路对电源或储能滤波电容进行充电。
21、当占空比D大于或小于0.5时,反馈线圈N3与初级线圈N1绕组的匝数比最好 也要稍微改变,使整流二极管限幅以及变压器退磁均达到最佳效果。精确计算电流i3的大小,可以根据(1-80)式以及下面方程式求得,当控制开关K关闭时: 此主题相关图片如下:(1-81).jpg 此主题相关图片如下:(1-82).jpg上 式中右边的第一项就是流过变压器初级线圈N1绕组中的最大励磁电流被折算到次级线圈N3绕组中的电流,第二项是i3中随着时间变化的分量。其中n为变压器 次级线圈与初级线圈的变压比。值得注意的是,变压器初、次级线圈的电感量不是与线圈匝数N成正比,而是与线圈匝数N2成正比。由(1-82)式可以看出,
22、变压器次级线圈N3绕组的匝数增多,即:L3电感量增大,变压器次级线圈N3绕组的电流i3就变小,并且容易出现断流,说明反电动势的能量容易释 放完。因此,变压器次级线圈N3绕组匝数与变压器初级线圈N1绕组匝数之比n最好大于一或等于一。当N1等于N3时,即:L1等于L3时,上式可以变为: 此主题相关图片如下:(1-83).jpg(1-83)式表明,当变压器初级线圈N1绕组的匝数与次级线圈N3绕组的匝数相等时,如果控制开关的占空比D小于0.5,电流i3是不连续的;如果占空比D等于0.5,电流i3为临界连续;如果占空比D大于0.5,电流i3为连续电流。这 里顺便说明,在图1-17中,最好在整流二极管D1
23、的两端并联一个高频电容(图中未画出)。其好处一方面可以吸收当控制开关K关断瞬间变压器次级线圈产生 的高压反电动势能量,防止整流二极管D1击穿;另一方面,电容吸收的能量在下半周整流二极管D1还没导通前,它会通过放电(与输出电压串联)的形式向负载 提供能量。这个并联电容不但可以提高电源的输出电压(相当于倍压整流的作用),还可以大大地减小整流二极管D1的损耗,提高工作效率。同时,它还会降低反 电动势的电压上升率,对降低电磁辐射有好处。留言万岁!吹水有益健康! 推 荐大比特产品社区,精心打造的采购利器! 支持(0)中立(0)反对(0) 单帖管理 举报帖子| 引用 | 回复 levinboy827小大2
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- 激励 开关电源 设计

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