1、簡單開關穩壓電源的設計學校：徐州師范大學班級：03電氣42班姓名： 李 旻摘要隨著電子技術的發展，電子系統的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，對電源的要求更加靈活多樣。電子設備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發展方向。傳統的晶體管串聯調整穩壓電源，是連續控制的線性穩壓電源，這種傳統穩壓電源技術比較成熟。并且已有大量集成化的線性穩壓電源模塊，具有穩定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等特點。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。而調整管工作在線性放大狀態，為了保證輸出電壓穩定，其集電極與發射極之間必須承受較大的電壓差，導致調整管功耗較

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

3、器、電感器數值較小。因此開關電源具有重量輕，體積小等特點。另外，由于功耗小，機內溫升低，從而提高了整機的穩定性和可靠性。而且其對電網的適應能力也有較大的提高，一般串聯穩壓電源允許電網波動范圍為220V+10%，而開關型穩壓電源在電網電壓從110V260V范圍內變化時，都可獲得穩定的輸出電壓。前 言本次設計是實現小型開關穩壓電源，為了深入研究該課題，實現理論與實際相結合，應用電力電子技術解決開關穩壓電源的分析和設計。直流開關穩壓器中所使用的大功率開關器件價格較貴,其控制電路亦比較復雜,另外,開關穩壓器的負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。晶體管和集成器件耐受電、熱沖擊的能力較

4、差。因而開關穩壓器的保護應該兼顧穩壓器本身和負載的安全。通常選用電力電子元件加以組合控制,構成完善的開關電源系統。直流開關穩壓器的輸入一般都是未穩壓直流電源。由于操作失誤或者意外情況會將其極性接錯,將損壞開關穩壓電源，因此，許多開關穩壓電源需要很多保護電路。極性保護的目的,就是使開關穩壓器僅當以正確的極性接上未穩壓直流電源時才能工作。通過此次系統設計，不僅深刻理解了電力電子技術這門課的學習任務和目標，而且達到了理論和實際相結合的效果，更重要的是該系統還可以進一步完善。 目錄第一章 開關穩壓電源簡介 11開關穩壓電源的結構圖1畫出了開關穩壓電源的原理圖及等效原理框圖，它是由全波整流器，開關管V，

5、激勵信號，續流二極管Vp，儲能電感和濾波電容C組成。實際上，開關穩壓電源的核心部分是一個直流變壓器。這里我們對直流變換器和逆變器作如下解釋。逆變器，它是把直流轉變為交流的裝置。逆變器通常被廣泛地應用在采用電平或電池組成的備用電源中。直流變換器，它是把直流轉換成交流，然后又把交流轉換成直流的裝置。這種裝置被廣泛地應用在開關穩壓電源中。采用直流變換器可以把一種直流供電電壓變換成極性、數值各不同的多種直流供電電壓。 12開關穩壓電源的優點1.功耗小，效率高。在圖1中的開關穩壓電源電路中，晶體管V在激勵信號的激勵下，它交替地工作在導通截止和截止導通的開關狀態，轉換速度很快，頻率一般為50kHz左右，在

6、一些技術先進的國家，可以做到幾百或者近1000kHz。這使得開關晶體管V的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%。2.體積小，重量輕。從開關穩壓電源的原理框圖可以清楚地看到這里沒有采用笨重的工頻變壓器。由于調整管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，所以開關穩壓電源的體積小，重量輕。    3.穩壓范圍寬。從開關穩壓電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調節的，輸入信號電壓的變化可以通過調頻或調寬來進行補償，這樣，在工頻電網電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩定的輸出電壓。所以開關電源的穩壓范圍很寬，穩壓效果很

7、好。此外，改變占空比的方法有脈寬調制型和頻率調制型兩種。這樣，開關穩壓電源不僅具有穩壓范圍寬的優點，而且實現穩壓的方法也較多，設計人員可以根據實際應用的要求，靈活地選用各種類型的開關穩壓電源。    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。開關穩壓電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz，是線性穩壓電源的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，采用開關穩壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩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，有調寬型和調頻型，有單端式和雙端式等等，設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同應用場合的開關穩壓電源。13開關穩壓電源的缺點開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾。開關穩壓電源中，功率調整開關晶體管V工作在狀態，它產生的交流電壓和電流通過電路中的其他元器件產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行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重地影響整機的正常工作。此外由于開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。 

9、0;  目前，由于國內微電子技術、阻容器件生產技術以及磁性材料技術與一些技術先進國家還有一定的差距，因而造價不能進一步降低，也影響到可靠性的進一步提高。所以在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中，開關穩壓電源還不能得到十分廣泛的普及及使用。特別是對于無工頻變壓器開關穩壓電源中的高壓電解電容器、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁芯材料等器件，在我國還處于研究、開發階段。在一些技術先進國家，開關穩壓電源雖然有了一定的發展，但在實際應用中也還存在一些問題，不能十分令人滿意。這暴露出開關穩壓電源的又一個缺點，那就是電路結構復雜，故障率高，維修麻煩。對此，如果設計者和制造者不予以充分重

10、視，則它將直接影響到開關穩壓電源的推廣應用。當今，開關穩壓電源推廣應用比較困難的主要原因就是它的制作技術難度大、維修麻煩和造價成本較高。第二章 開關穩壓電源種類21開關穩壓電源種類簡介現在，電子技術和應用迅速地發展，對電子儀器和設備的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不斷地增加。在使用上自動化程度越來越高。在體積上，要日趨小型化。這使采用具有眾多優點的開關穩壓電源就顯得更加重要了。所以，開關穩壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面都得到了越來越廣泛的應用，發揮了巨大的作用，這大大促進了開關穩壓電源的發展，從事這方面研究和生產的人員也在不斷地增加，開關穩壓電源的品種和類型也越來越多。下

11、面的組圖給出了各種類型開關穩壓電源的原理圖。22 開關電源的劃分方式(1)按激勵方式劃分     他激式    電路中轉設激勵信號的振蕩器，電路形式如圖6所示。     自激式    開關管兼作振蕩器中的振蕩管，電路形式如圖7所示。    (2)按調制方式劃分     脈寬調制型    振

12、蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調節輸出電壓的大小，有時通過取樣電路、耦合電路等構成反饋閉環回路，來穩定輸出電壓的幅度。  頻率調制型    占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調節和穩定輸出電壓的幅度。     混合調制型    通過調節導通時間的振蕩頻率來完成調節和穩定輸出電壓幅度的目的。(3)按開關管電流的工作方式劃分     開關型   

13、0;用開關晶體管把直流變成高頻標準方波，電路形式類似于他激式。  諧振型    開關晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波，電路形式類似于自激式。    (4)按開關晶體管的類型劃分     晶體管型    采用晶體管作為開關管，電路形式如圖6所示。     可控硅型    采用可控硅作為開關管，這種電路的特點是直接

14、輸入交流電，不需要一次整流部分，其電路形式如圖5。    (5)按儲能電感與負載的連接方式劃分     串聯型    儲能電感串聯在輸入與輸出電壓之間，電路形式如圖3所示。     并聯型    儲能電感并聯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; 僅使用一個晶體管作為電路中的開關管，這種電路的特點是價格低，電路結構簡單，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    使用兩個晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點是開關變壓器必須具有中心抽頭，電路形式如圖12。     半橋式    使用兩個晶體管，將其連接成半橋形式。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合。電路形式如圖11。  &#

16、160;  全橋式    使用四個開關晶體管，將其連接成全橋形式。它的特點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，實際就是并聯型開關穩壓電源。     降壓式    輸出電壓比輸入電壓低，實際就是串聯型開關穩壓電源。數值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出端取樣，經放大后反饋至開

17、關控制端，控制驅動電(8)按工作方式劃分     可控整流型    所謂可控整流型開關穩壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調整開關管，可由交流市電電網直接供電，也可用變壓器變壓后供電。（這種供電方式在開關穩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，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱為截止角，導通的正弦曲線的后一部分稱為導通角。依靠調節導通角的大小，可達到調整輸出電壓和穩定電壓的目的。其電路如圖10所式。     斬波型&#

18、160;   斬波型開關穩壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關電路上，在開關電路的輸出端得到單向的脈動直流，經過濾波得到與輸入電壓不同的穩定的直流電壓，電路還從輸出電壓取樣，經過比較、放大、控制脈沖發生電路產生的脈沖信號，用以控制調整開關的導通時間和截止時間的長短或開關的工作頻率，最后達到穩定輸出電壓的目的。電路的過壓保護電路也是依據這一部分提供的取樣信號來進行工作的，斬波型電路形式如圖9所示。   隔離型    這種形式的開關電源是在輸入回路與逆變電路之間，經過高頻變壓器（也可稱為開關變壓器），利用磁場的變化實現能量的傳遞，沒有電流間的直接流通，隔離型開關穩壓電源采用直流供電，經過開關電路，將直流電變成頻率很高的交流電，再經變壓器隔離、變壓（升壓或降壓），然后經整流器整流，最后就可以得到新的、極性和路的工作，最后達到穩定輸出電壓的目的。這種形式的開關穩壓電源在實際穩壓電源中應用最為廣泛。 (9)按電路結構劃分     散件式    整個開關穩壓電源電路都是采用分立元器件組成的，它的電路結構較為復雜，可靠性較差。  集成電路式  &#