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1、高效数控开关电源摘要一种能有效减少开关电源对电网的干扰和提高电源转换效率的新型高频开关电源,它主要由有源功率因数校正电路APFC和全桥软开关相移谐振控制技术共同组成。开关电源的功率因数校正主要是以高性能专用芯片UC3854为核心组成具有高达0.99功率因数的电路来完成。它主要通过校正严重畸变的输入电流波形的失真,使开关电源输入端阻抗接近纯电阻特性使功率因数接近1的同时也大大减少了畸变电流的高次谐波对电网的污染。全桥PWM软开关转换电路则以高性能的全桥相移谐振控制专用芯片UC3875为核心,通过辅助低损耗LC谐振电路使4个桥路开关器件
2、IRFP460LC实现零电压软开关特性。主功率变压器用了更高工作频率更低损耗的PC40型材质型号为PQ40/40的铁氧体磁芯,使开关电源整体效率大为提高。同时引入以MC-51单片机为核心的数字控制技术,从而能方便地对开关电源的工作状态进行监测和控制。关键词:PWM;软开关;数字控制一、概述开关电源技术的应用解决了线性稳压电源效率低下的弊端,其损耗大部分发生在开与关两个状态切换,并且随开关频率的提高而升高。为此人们发明了软开关技术,该技术的关键定在开关器件状态切换期间,使开关器件两端的电压为0或使流过器件的电流为0,根据公式P=UI,
3、在理论上损耗是等于0的。开头电源具有高功率密度、高效率、重量小的特点。二、常用变压电路(一)小功率电源一般都设计成反激式拓扑结构,它的结构简单实用,外围电路也很简洁;(二)正激式开关电源和反激式电路很相似,变压器原边的同名端接电源+Vcc,另一端接开关管;(三)推挽式开关电源由两只开关管接在原线圈同名端上,电源+Vcc则接到原边线圈的中点抽头上,两个功率开关管在极性相反的PWM驱动信号控制下轮流导通和截止,形成一推一挽的工作方式;(四)半桥式开关电源所承受的电压应力要低得多,不仅降低了导通电阻,也提高了开关管的安全性;(五)全桥开关
4、电源半桥中的两个电容被开关管所代替,构成全桥开关电源。三、软开关技术介绍开关器件在开或关时都不是瞬时完成的。如果让开关管在每次的开或关之前使电压或电流为零,这样在过渡时期的损耗P=U*0=0或P=0*I=0,这就是软开关的基本含义。根据开关过程的电压或电流为零分别称为零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS),在全桥开关电源中若是有一个桥臂为零电压开关而另一桥臂为零电流开关的就称为零电压零电流开关(ZVZCS)。四、数控开关电源的设计方案对于本开关电源的控制,选用MC-51单片机作为控制芯片89C51。按照设计要求,控制电路要完成输
5、入交流电压的显示、输出直流电压值的设置和显示,对输出电流的监控若有过流过载,则由单片机输出控制信号关掉开关电源所有的工作芯片,并发出报警。控制电路首先通过ADC(模拟/数字转换器)把开关电源需要监控的各模拟量转换成数字量送到单片机进行处理,然后送到显示部分显示出电压值并送到DAC(数字/模拟转换器)把相应的控制量转换成模拟量后送到开关电源控制芯片,以实现对开关电源的控制。五、APFC技术的实现一个实际的有源功率因数校正器是一个复杂的电路,按照检测控制输入电流的原理划分可为4类:(一)平均电流型,其工作频率恒定,电流连续,如UC385
6、4;(二)滞后电流型,工作频率可变,电流达到滞后带内发生功率开关导通与截止,使电流升高和降低,其电流波形平均值决定电感输入电流,如CS3810;(三)峰值电流型,工作频率变化,电流不连续,如TDA4814;(四)电压控制型,工作频率固定,电流不连续,一般用于反激式开关电源,如ML48413。在设计中,选用性能卓越的平均电流型UC3854。六、全桥软开关技术的原理及设计本开关电源在功率转换部分采用以全桥软开关相移谐振控制芯片UC3875为核心的零电压全桥PWM方案。图1中的软开关电路在一个完整的开关,周期中一共有12个工作过程,下面将
7、介绍12个过程的详细原理。其中正负半周各为12个工作过程:图1(一)、(t0~t1):设在t0之前,S1、S4已经导通,在t0~t1期间S1、S4导通S2、S3截止。所标的粗线为电流回路,由图可知超前臂中点电位UA=EC(电源电压),滞后臂中点电位为0,即UAB=EC在t1时刻原边电流由起始值I1线性增到最大值IPiP(t)=IP=I1+(EC-nUO)(t1-t0)Lr+n2Lof(二)、(t1~t2):是超前臂的谐振过程。可知副边电路的状态及电流方向没有改变。在t1之后电源供电回路被切断,电感中的磁能开始向负载释放,原边电流从I
8、p(t1)开始减小。由于参与谐振的电感量很大,使原边电流衰减很慢,可近似看成一个恒定电流,C1、C3的谐振电压变化为:UC1(t)=IP×t2C1;UC3(t)=EC-IP×t2C3式中,C1=C3=Clead,Ip(t1)=Io/n
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