宽电压输入直流开关电源的设计共28页

开关电源原理及各电路功能
EMI电路
整流滤波
功率变换
整流滤波
输出
输入过欠压 保护
功率因数 调整
PWM控 制器
稳压环 路
取 样
图2 开关电源电路方框图
短路保护 限流保护
输出过压保护
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关 断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它通过高 频开关技术将输入的较高的交流电压转换为低压设备所需 要的较低的直流电压。EMI电路整流滤波功率变换整流滤 波PWM控制器输入过欠压保护输出取样稳压环路功率因 数调整短路保护输出过压保护限流保护。
一、开关电源现状和发展
开关电源现状
目前，开关电源产品正在向“四化”的方向发展：应 用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化 和产品性能的绿色化。
开关电源最突出的优点是体积小，重量轻，这一优点 是和系统的高频工作状态相关的。进一步提高工作频率， 电源的体积和重量将更加小，从而实现更高的功率密度。 使开关电源进入更广泛的领域。
二、项目作品实物与作品性能
图1 作品实物图
作品性能
本设计完成的直流变换电源主要解决了三个 问题，一是可以通过不同的接线方式应用于两种 不同的电压下，通用性很 强。为具有250V和 550V两种架线电压系统的厂矿减少了备用机器和 备件。二是输入电压范围很宽，适应了煤矿供电 电网波动大、纹波强、架线的始端和末端压差高 等特点。三是实现了低成本。
• 从输出稳定精度上考虑，达到2%，就能满足 要求；对纹波电压要求也不高。故选择电压模式 控制就可以满足要求。从功率等级上考虑，本设 计的功率200W不是很高，故开关频率不用选择很 高。另外从成本上考虑，目前广泛应用的TL494控 制芯片是最佳选择。
电路非常简单， 难以达到较大
成本很低，可 的功率，变压
靠性高，驱动 器单向励磁，
电路简单
利用率低
各种中、小 几百瓦—几千 功率开关电
瓦
源
几瓦—几十瓦
小功率和消 费电子设备、 计算机设备 开关电源
半桥型 全桥型 推挽型
变压器双向 励磁，无变 压器偏磁问 题，开关较 少，成本低
变压器双向 励磁，容易 达到大功率
变压器双向 励磁。变压 器一次电流 回路中只有 一个开关， 通态损耗较 小，驱动简 单
表2-1 续
有直通问题， 可靠性低，需 要复杂的隔离 驱动电路
各种工业用开
几百瓦—几 关电源，计算
千瓦
机设备用开关
电源
结构复杂，成 本高，可靠性 低，需要复杂 的多组隔离驱 动电路，有直 通和偏磁问题
几百瓦—几 百千瓦
我们设计的作品简单实用，稳定性好，测试工 作120个小时工作正常、性能良好。有良好的应 用前景，广阔的市场需求。下面我介绍一下我们 作品的原理和设计的思路与过程。
作品优势
1）输入电源：可应用于直流250V和550V两种 电压下。输入直流电压的范围要求要宽， 250V电压 等级的电压范围为：150V-400V； 550V电压等级的电压 范围为： 300V-800V。
表2-2 几种整流电路的比较
电路 全桥型整 流
全波整流
倍流整流
电压比
D D D/2
二极管断 平均电流 态电压
优点
缺点 应用领域
I L /2 U 0 /D I L /2 2 U 0 /D
二极管电 压低，变 压器绕组
结构简单
二级管数 量多，总 通态损耗
大
高输出电
压 （﹥100 V）的电 路
期间总数 少，结构 简单，总 通态损耗 小
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器 （EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电 路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护 电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短 路保护电路等
电路方案设计
架线250V/550V
限流滤波 全波整流
半桥电路1
全波整流
半桥电路2
滤波
开关电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进 入到全数字控制阶段。全数字控制作为开关电源的发展趋 势，已经在许多功率变换设备中得到应用。近两年来，高 性能全数字控制芯片相继开发，费用也已降到比较合理的 水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字 控制芯片及软件。
开关电源在煤矿中的应用
我国煤矿井下架线电机车通常采用550V或250V电压等 级的直流电压通过牵引电网供电。此电压无法适应电机车 的照明和警铃信号，通常采取将此电压经过直流变换电源 变换为24V后供照明电路和警铃信号使用。目前矿用直流 变换电源存在着通用性差，输入电压范围较窄以及成本高 的问题，研制低成本宽输入的直流变换电源可以满足煤矿 行业的这一需求。
2）输出电源指标：
电压：DC24V±0.5V
允许最大输出：200W
纹波电压：≤100mV
使用环境温度：-10ºC～+45ºC
3）整个电源的成本控制在100元以内，实现低 成本。
三、开关电源电路设计
• 开关电源原理及各电路功能 • 电路方案设计 • 主电路工作原理 • 控制电路工作原理 • 驱动电路工作原理
大功率工业用 开关电源、焊 接电源、点解 电源等
有偏磁问题
几百瓦—几 低输入电压的
千瓦
开关电源
上表展示了各个不同电路的优点和缺点，经过综 合考虑，并且由于设计要求两个电压等级同时适 用，即250V和550V。故选择两个半桥开关电路， 通过连线使其以并联或串形联式工作，就可满足 要求 。
下面我们讨论一下整流电路的选择。对于三种常 用的整流电路，现将各自的优缺点和适用范围进 行比较
稳压
隔
离
驱
器 ）
动 （ 驱
动
变
压
TL494
（稳 压
）过 流 控 制
输出
图4 整体电路方框图
主电路的选择
主电路的选择主要包括功率变换电路的拓扑结构的选择和整 流电路的选择。
表2-1 功率变换电路各结构比较
电路
优点
缺点 功率范围 应用领域
正激型 反激型
电路较简单成 本低，可靠性 高，驱动电路 简单
Hale Waihona Puke Baidu
变压器单向励 磁，利用率低
二极管电 压高，变 压器绕组 需中心抽
头
输出电压 为5— 100V的 电路
I L /2 2 U 0/D
总通态损 耗小，变 压器绕组 结构简单
二极管电 压高，电 感数量多
输出电压 非常低 （﹤5V）
的电路
从输出电压方面以及电路结构方面考虑， 本设计选用全波整流最为合适 。
控制电路工作原理
• 本设计采用PWM脉冲宽度调制，应用开关电源 PWM集成控制器使得电路简单，轻便，维修方便。 目前常用的PWM控制器有TL494、SG3524、 SG3525A、UC3842/42A、UC3846/47、 UC3823X、UC3825X和MC44603等。