開關電源工作原理

開關電源在各個領域被普遍采用，而開關電源技術也有了重大的突破和進步。新型功率器件的開發促進了開關電源的高頻化，功率MUSFET和IGBT可使中小型開關電源工作頻率達到400KHZ，軟開關技術使高頻開關電源的實現有了可能，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；控制技術的發展以及專用控制芯片的生產，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關電源的動態性能和可靠性大大提高。
開關電源的高頻化是電源技術發展的創新技術，高頻化帶來的效益是使開關電源裝置空前的小型化，并使開關電源進入更廣泛的領域，特別是在高新領域的應用，推動到了高新技術產品的小型化、輕便化，另外開關電源的發展與應用在節約資源與保護環境方面都具有深遠的意義。21世紀開關電源的發展技術追求和發展趨勢可以概括為以下四個方面：小型化、輕量化、高頻化；②高可靠性；③低噪聲；④采用計算機輔助設計和控制。

開關電源的結構
開關電源的基本構成如圖1所示，其中DC/DC變換器用于進行功率轉換，是開關電源的核心部分，此外還有軟啟動、過流與過壓保護等電路。輸出采樣電路檢測輸出電壓變化，并與基準電壓進行比較，誤差電壓經過放大及脈寬調制（PWM）電路，再經過驅動電路控制功率器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。DC/DC變換器有多種電路形式，常見的有工作波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振型變換器，在本設計中采用PWM變換器來控制功率器件的占空比。本設計主要由四個部分組成：1）整流濾波電路；2）升壓斬波電路；3）PWM脈寬調制電路；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。負載RL未接入（開關S斷開）時的情況：設電容器兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當v2為正半周時，v2通過D1、D3向電容器C充電； v2為負半周時，經D2、D4向電容器C充電，充電時間常數為

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? ，輸出為一個恒定的直流，如圖3中t<0（即縱坐標左邊）部分所示。
因td一般較大，故電容兩端的電壓vC按指數規律慢慢下降，其輸出電壓vL = vC，如圖3的ab段所示。與此同時，交流電壓v2按正弦規律上升。當v2>vC時，二極管D1、D3受正向電壓作用而導通，此時v2經二極管D1、D3一方面向負載RL提供電流，另一方面向電容器C充電（接入負載時的充電時間常數tc =( RL||Rint)C≈Rint C很?。?，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阻Rint上產生的壓降。vC隨著交流電壓v2升高到接近最大值? 。然后，v2又按正弦規律下降。當v2 < vC時，二極管受反向電壓作用而截止，電容器C又經RL放電，vC波形如圖3中的cd段。電容器C如此周而復始地進行充放電，負載上便得到如圖3所示的一個近似鋸齒波的電壓vL = vC，使負載電壓的波動大為減小。
這種電路的優點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。

2．升壓斬波電路
升壓斬波電路原理圖如圖4所示。當控制器輸出脈沖高電平時，開關管VT導通，電感L儲存能量，在ton時間內電感電流增量為 。當控制器輸出低電平時，開關管VT截止，電感L向電容C充電并向負載提供能量，在Ioff 時間內電感減少的電流量為 ，當電路工作于穩定狀態時，有 ，可得 （ 為占空比），因為 ，所以輸出電壓高于輸入電壓，電路實現升壓，設計中只要調節占空比的大小就可以改變輸出電壓的大小。

3. PWM脈寬調制電路?
PWM脈寬調制電路采用功能強大的TL494定頻調制芯片，該芯片有16個引腳，芯片的封裝圖與內部電路如圖5所示。

TL494由振蕩器、D觸發器、死區時間比較器、PWM比較器、兩個誤差放大器、5V基準電壓源與兩個驅動三極管組成。芯片的1腳、2腳和15腳、16腳分別為兩個誤差放大器輸入端；3腳為誤差放大器的反饋補償端；4腳為死區電平控制端；5腳、6腳為振蕩器的 R、C輸入端；8腳、9腳和11腳、10腳分別為兩個內部驅動三極管的集電極和發射極，通過它們發出的脈沖可以控制變換器開關管的交替導通與截止；13腳為輸出狀態控制端，當13腳為低電平時，兩個內部驅動三極管同時導通或截止，引腳8 和11 同步工作，單端輸出，當13腳為高電平時，兩個內部驅動三極管交替導通，引腳8 和11推挽工作，雙路輸出，分別控制變換器的兩個開關管。本設計采用第一種工作方式。
該芯片的最高工作頻率為300kHz ，實際工作頻率由引腳5、6 所接的電阻與電容決定，其振蕩頻率算式為f = 1.1/(RTCT ) ，本設計選擇的振蕩頻率為50kHz ，鋸齒波在片內被送到比較器1 和2 的反相端，鋸齒波與片內的誤差放大器的輸出在PWM 比較器2 中比較，而死區控制電平與鋸齒波在死區時間比較器1 中比較，兩者的輸出分別為一定寬度的矩形波，它們同時送到或門電路，經分頻器分頻后，再經相應的門電路去控制內部三極管導通，VT1和VT2同時導通或截止，從而控制開關管的導通與截止。其工作波形如圖6 所示。

另外，在輸入電源剛接通時，由于電容上的電壓不能突變，所以起動瞬間，死區控制端4 與內部基準電壓14 端等電位，為高電平，死區比較器1 也輸出高電平，封鎖輸出端的兩個晶體管；隨著電容電壓的不斷上升，4 端電位逐漸降低，這兩個晶體管才逐漸開通，使得該電源的輸出電壓不會突變，實現軟起動。正常工作時，主電路開關元件的導通時間(它決定正常工作時的輸出電壓值) 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
根據設計要求，要通過按鍵調整輸出電壓值，并實時顯示電壓設定值和實際值，可采用8個數碼管來顯示數值，四個實時顯示當前設定的電壓值，另外四個分時顯示實際電壓值和電流值；而按鍵應包括增加鍵和減少鍵，還可以通過按鍵來控制主電路的開通與關斷。

5．系統實現方案及結構框圖
系統設計框圖如圖7所示。設計中以升壓斬波電路為主回路，該電路實現將整流濾波后的直流電壓變為25V～30V的輸出電壓。整個系統以單片機PIC16F877A和PWM調制芯片TL494構成控制系統。TL494產生的脈沖信號控制升壓斬波電路，同時還通過外圍電路實現穩壓、過流保護、自恢復、軟啟動等功能。單片機通過控制數字電位器MCP41010的輸出值，實現輸出電壓值的設定和步進的調整，此外還通過A/D模塊，實現輸出電壓、電流值的數顯。在升壓斬波電路中，采用了導通電阻非常小的MOSFET作為開關管，快恢復二極管作為續流管，有效的提高了電路的效率。

6.軟件功能
主程序不斷檢測是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進行相應的鍵值處理，根據按鍵改變設定的電壓值，實現數控輸入，并分時顯示實際電壓值和電流值。通過編程軟件實現以下功能：
1).輸出電壓可按0.1V的步進值調整；
2).通過A/D采樣，顯示輸出電壓和輸出電流；
3).通過按鍵，可以控制主電路的開通與關斷。

總結
本設計采用系統硬件和軟件編程相結合的方法，根據設計目標從系統總體的設計方案和結構框圖入手，再根據各模塊的功能進行電路原理圖的設計和主要器件的選擇，設計出來的產品具有體積小、重量輕、效率高、發熱量低、性能穩定等優點，在電子、電器設備和家電領域中得到了廣泛的應用，極大地方便了人們的生活和生產，可以相信其市場前景一片廣闊。