基于對(duì)機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源設(shè)計(jì)的探討

1.機(jī)電設(shè)備中開關(guān)電源的工作原理

1.1 原理簡(jiǎn)介

在節(jié)電設(shè)備的開關(guān)電源中，開關(guān)元件主要是利用電子技術(shù)通過半導(dǎo)體等相關(guān)的元器件對(duì)開關(guān)的打開以及關(guān)閉進(jìn)行控制，從而有效的保證電壓能夠穩(wěn)定的輸出。通過開關(guān)電源能夠使得晶體管能夠?qū)崿F(xiàn)接通與關(guān)閉，晶體管導(dǎo)通的情況下，電壓比較低，電流比較大;晶體管關(guān)閉時(shí)，電壓比較高，電流比較小。半導(dǎo)體元件中電壓與電流的成績(jī)就是該元件的損耗量，所以說此類開關(guān)電源能夠在損耗比較低的情況下能夠提供多種直流電源。

在PWM工作的時(shí)候其首先是將輸入電流的電壓進(jìn)行斬波，從而將其轉(zhuǎn)換為與輸入電壓幅值相同的脈沖電壓。對(duì)于機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源的調(diào)節(jié)主要是通過脈沖的占空比進(jìn)行控制的，通過PWM將其斬波為交流方波之后，就可以通過變壓器等設(shè)備對(duì)幅值進(jìn)行控制。想增加電壓的組數(shù)，只需對(duì)變壓器的繞組數(shù)目的增加就可以實(shí)現(xiàn)。通過整流濾波的作用，就能夠獲得我們所需要的直流電壓。

在對(duì)機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，輸入能夠從母線出獲取，這是對(duì)于變頻器的特點(diǎn)進(jìn)行分析得出的結(jié)論。在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中主要包括以下幾個(gè)方面：輸入電路、功率因數(shù)的校正以及轉(zhuǎn)換、輸出電路和頻率振蕩器等部分。

若想實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換主要是靠高頻的電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知若接通占空比的高地決定著負(fù)載電壓的高地。

1.2 UC3842的反激式原理簡(jiǎn)介

對(duì)開關(guān)電源的分類通常有反激式變換器以及正激式變換器兩種，在本文中筆者將對(duì)反激式變壓器進(jìn)行著重討論。反激式變換器主要指的是變壓器的初級(jí)性與次級(jí)性時(shí)不同的，而正激式變換器則與之相反。

對(duì)于反激式變換器的工作原理介紹：在打開的時(shí)候，Q1為導(dǎo)通的狀態(tài)，在LP的兩側(cè)對(duì)其加以電壓U0,此時(shí)的電流就會(huì)呈線性增加的方式進(jìn)行升高，反激式變換器則進(jìn)行儲(chǔ)能作用;反激式變換器的此時(shí)的電壓為N0/N2與Vm以及D的乘積，在這個(gè)時(shí)候位于L5兩側(cè)的電壓上方的為負(fù)電壓，下方的為正電壓，但是D0由于反偏的作用就會(huì)停止。在其關(guān)閉的時(shí)候，Q1處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)其中的電流為0,但是在原邊中的電壓的極性則呈反向，相應(yīng)的副邊電壓也會(huì)發(fā)生調(diào)換，這時(shí)候之前所儲(chǔ)存在變壓器中的磁能就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苓M(jìn)行釋放。

對(duì)于單端的反激式變換器來說，在其開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)候能夠進(jìn)行電能的儲(chǔ)存，在將開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候能夠?qū)⒅八鶅?chǔ)存的電能進(jìn)行釋放，所以說高頻變壓器不僅具有變壓、隔離的作用，同時(shí)還是一種能夠進(jìn)行能力儲(chǔ)存的元件。

2.關(guān)于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

2.1 所選用的器件介紹

通過UC3842能夠產(chǎn)生PWM波形，能夠?qū)﹄娏鞣绞竭M(jìn)行很好的控制。在這種電路中不但具有振蕩器，而且具有能夠?yàn)闇囟妊a(bǔ)償提供參考等作用，若想有效的驅(qū)動(dòng)MOSFET,就必須選用大電流圖騰柱輸出。

在UC3842中，首先要在其引腳的電路的1腳要求與定時(shí)電阻和電容之間進(jìn)行連接，其作用是控制震蕩頻率;2腳與阻容元件之間進(jìn)行連接，其主要作用就是對(duì)誤差放大器的頻率進(jìn)行補(bǔ)償;其3腳要與反饋電壓的輸入端之間進(jìn)行連接，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)其電壓轉(zhuǎn)向反響輸入端的功能;與4腳進(jìn)行連接的則是電流的檢測(cè)輸入端;;7腳的作用為基準(zhǔn)的電壓輸出。

在TL431電路中的電壓基準(zhǔn)與齊納管的運(yùn)行為同種原理，利用外部電阻能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其電壓編程為40V,通常將其坎作為能夠維持電壓穩(wěn)定的二極管，在其兩端的輸出電壓主要是由它外部所連接的電阻所決定的。當(dāng)TL431的輸出電壓提高的時(shí)候，就會(huì)使得其中的晶體管VT能夠?qū)?，其輸出電壓相?yīng)的就會(huì)降低。

由于在開關(guān)電源的輸入端的電源大多都是從直流的母線中所取得的，在反激變換功率關(guān)斷的時(shí)候就會(huì)使得電壓出現(xiàn)頂峰，為了對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)就必須對(duì)其采取相應(yīng)的措施以抑制。通過RCD能夠有效的緩解存在于元器件兩側(cè)的過電壓。通過RCD電路的設(shè)計(jì)，根據(jù)楞次定律的相關(guān)知識(shí)可以知道，當(dāng)關(guān)斷MOS的時(shí)候，能夠在變壓器的原邊中形成一個(gè)非常高的瞬時(shí)電壓，由此可見在設(shè)計(jì)選擇MOS的時(shí)候要保證其能夠承受的電壓在實(shí)際電路輸入電壓的1.5倍以上。

2.2 關(guān)于電路

在機(jī)電設(shè)備的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于功率開關(guān)管的控制以及IC的控制，其電源的供給主要是通過直流母線，之后再設(shè)計(jì)各種電壓的開關(guān)電源。在本文中筆者將對(duì)10V的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行闡述，向大家講解機(jī)械設(shè)備的開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

UC3842這種芯片能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)電流控制的功能，這種芯片主要是通過對(duì)頻率的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的有效控制。在其工作的狀態(tài)中在濾波器的作用下，能夠?qū)﹂_關(guān)的噪音以及諧波等進(jìn)行濾除。交流電壓之間形成一個(gè)能夠抗串膜的干擾電路，主要就是為了能夠?qū)υ肼晫?shí)現(xiàn)其抑制的作用。

電路中的交流電源能夠在經(jīng)其處理之后進(jìn)去到整流器之中，從而獲得我們所需要的電壓。也就是說通過濾波電容的輸入將輸入電壓中所存在的一些干擾因素進(jìn)行去除，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。[!--empirenews.page--]

對(duì)于啟動(dòng)電路中主要包括電阻以及電容，若想保證其在啟動(dòng)之后能夠正常工作，首先要保證其功率能夠達(dá)到2W,在電容中所存儲(chǔ)的能量要保證能夠滿足開關(guān)電源啟動(dòng)時(shí)的需求，不能夠低于150uF.

由于此電源開關(guān)中有很多電路輸出，不能夠單純的對(duì)其中的某一路進(jìn)行反饋，所以說要在電路中設(shè)計(jì)一個(gè)反饋線圈來進(jìn)行對(duì)電壓的反饋，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)沒路輸出進(jìn)行很好的控制。通過整流濾波的作用能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)相對(duì)較為穩(wěn)定的電壓反饋。

在通過UC3842對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)的時(shí)候，如果輸入端出現(xiàn)短路的情況，就會(huì)導(dǎo)致過流的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致漏極電流明顯的提高，其中的電壓也會(huì)有明顯的提高。

如果引腳中的電壓超過2V的時(shí)候，比較器中就會(huì)輸出比高電平，這樣就會(huì)使鎖存器復(fù)位，輸出也就會(huì)隨之而關(guān)閉。在這種情況下芯片的引腳中是沒有輸出電壓的，從而達(dá)到了保護(hù)電路的目的。如果電路中的電壓太高，不能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的調(diào)整，就會(huì)導(dǎo)致變壓器中的電壓升高，從而輸出也會(huì)關(guān)閉。

在電路短路的情況下，電流的突然增大所產(chǎn)生的熱量就會(huì)使電阻值增大，實(shí)現(xiàn)斷路的作用，經(jīng)過技術(shù)解決之后，自恢復(fù)開關(guān)便能夠恢復(fù)其阻抗值。

根據(jù)示波器的顯示我們可以發(fā)現(xiàn)，在直流母線的上電過程中電壓不夠穩(wěn)定，但是在芯片的調(diào)解下，能夠有效地保證電壓輸出，由此可見其抗干擾的能力是非常強(qiáng)的，所以在一些比較復(fù)雜的環(huán)境中也能夠正常的工作。

在機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)電源通道之間的相互隔離，只需在原基礎(chǔ)之上加入一些新的元器件就能夠達(dá)到我們的目的，投資不高，能夠更好的對(duì)變頻器進(jìn)行利用。根據(jù)機(jī)電設(shè)備中開關(guān)電源的使用調(diào)查情況可以發(fā)現(xiàn)，此電路系統(tǒng)是非常安全的。

3.變壓器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

3.1 變壓器參數(shù)

變壓器的工作頻率為50kHz,變壓器的工作周期為30us,其工作效率η為0.87;變壓器的電壓為220v±50%,所以其范圍為110v-330v,該變壓器的輸出功率為120w.

3.2 變壓器設(shè)計(jì)過程

在變壓器的設(shè)計(jì)過程中首先要按照整流管的損耗選擇合理的刺心，變壓器的輸入功率通過計(jì)算式計(jì)算為率P輸入= P輸出/η=120/0.87=138W.變壓器的磁芯一般都是選用鐵氧體的磁芯，主要原因是由于這種磁芯的電阻率比較高，而且價(jià)格比較便宜。

UC3842能夠有效的對(duì)電流的峰值進(jìn)行控制，在其正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，該芯片的占空比要小于0.6,在變壓器的設(shè)計(jì)過程中占空比按照0.5進(jìn)行計(jì)算，所以說在變壓器的工作過程中開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為12.5微秒，變壓器的輸入電壓為180v.

變壓器工作過程中的磁通密度也非常重要，在其溫度處于100攝氏度的時(shí)候其磁感應(yīng)強(qiáng)度為400mT,將此時(shí)變壓器的振幅折中計(jì)算，此時(shí)交變電流的磁通密度為0.238T.

對(duì)于邊緣線的匝數(shù)的計(jì)算時(shí)，首先要掌握變壓器中磁芯的有效面積，不同的變壓器的型號(hào)可以找出其中的固定數(shù)值等方面進(jìn)行計(jì)算。變壓器的電源輸出端與負(fù)載之間連接的時(shí)候通常都會(huì)使得電壓降低，在變壓器的設(shè)計(jì)中就要在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上對(duì)每個(gè)輸出電路多設(shè)計(jì)出一匝，這樣能夠得到一個(gè)要高一些的電壓，自后再由穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換得到我們所需要的電壓。

4.結(jié)語

對(duì)于機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源的設(shè)計(jì)具有非常高的要求，在對(duì)于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中只有很好的把握好其中的技術(shù)關(guān)鍵才能夠保證設(shè)計(jì)成功。

由于機(jī)電設(shè)備經(jīng)常性的開啟和關(guān)閉，所以在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候要保證能夠在電磁干擾比較低的情況下為其提供穩(wěn)定的電源，通過選取合理的電容值，避免波紋的出現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的供電產(chǎn)生影響。由于機(jī)電設(shè)備開關(guān)電源在性能方面比較優(yōu)越，在未來的機(jī)電設(shè)備中的應(yīng)用會(huì)變得越來越廣泛，所以對(duì)于此類問題的研究還要不斷的深入。