开关式稳压电源的工作原理.docx
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开关式稳压电源的工作原理
开关式稳压电源的工作原理
随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。
传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%-50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。
为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。
正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。
一、开关式稳压电源的基本工作原理
开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。
因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。
对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。
直流平均电压U。
可由公式计算,即Uo=Um×T1/T
式中Um—矩形脉冲最大电压值;
T —矩形脉冲周期;
T1—矩形脉冲宽度。
从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。
这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。
二、开关式稳压电源的原理电路
1、基本电路
图二开关电原基本电路框图
开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。
这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。
控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。
2.单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。
当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。
唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。
3.单端正激式开关电源
单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。
这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。
当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。
为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。
由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200W的功率。
电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。
4.自激式开关稳压电源
自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。
这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。
当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。
与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。
在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。
这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。
自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。
电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。
这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源*
5.推挽式开关电源
推挽式开关电源的典型电路如图六所示。
它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。
电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。
这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。
电路的输出功率较大,一般在100-500W范围内。
6.降压式开关电源
降压式开关电源的典型电路如图七所示。
当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。
当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。
电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。
这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。
7.升压式开关电源
升压式开关电源的稳压电路如图八所示。
当开关管VT1导通时,电感L储存能量。
当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。
8.反转式开关电源
反转式开关电源的典型电路如图九所示。
这种电路又称为升降压式开关电源。
无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。
当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。
当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。
数模转换的原理
数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量,实现该功能的电路或器件称为数模转换电路,通常称为D/A转换器或DAC(DigitalAnalogConverter)。
我们知道数分可为有权数和无权数,所谓有权数就是其每一位的数码有一个系数,如十进制数的45中的4表示为4×10,而5为5×1,即4的系数为10,而5的系数为1,数模转换从某种意义上讲就是把二进制的数转换为十进制的数。
最原始的DAC电路由以下几部分构成:
参考电压源、求和运算放大器、权产生电路网络、寄存器和时钟基准产生电路,寄存器的作用是将输入的数字信号寄存在其输出端,当其进行转换时输入的电压变化不会引其输出的不稳定。
时钟基准产生电路主要对应参考电压源,它保证输入数字信号的相位特性在转换过程中不会混乱,时钟基准的抖晃(jitter)会制造高频噪音。
二进制数据其权系数的产生,依靠的是电阻,CD格式是16bit,即16位。
所以采用16只电阻,对应16位中的每一位。
参考电压源依次经过每个电阻的电流和输入数据每位的电流进行加权求和即可得出模拟信号。
这就是多比特DAC。
多比特与1比特的区别之处就是,多比特是通过内部精密的电阻网络进行电位比较,并最终转换为模拟信号
1.数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统,一般用低通滤波即可以实现。
数字信号先进行解码,即把数字码转换成与之对应的电平,形成阶梯状信号,然后进行低通滤波。
根据信号与系统的理论,数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积,那么由卷积定理,数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱(即Sa函数)的乘积。
这样,用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿,由数字信号便可恢复为采样信号。
由采样定理,采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。
一般实现时,不是直接依据这些原理,因为尖锐的采样信号很难获得,因此,这两次滤波(Sa函数和理想低通)可以合并(级联),并且由于这各系统的滤波特性是物理不可实现的,所以在真实的系统中只能近似完成。
2.模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保持和编码的过程。
模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,
使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。
3.比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。
最简单的比较器就是运算放大器。
我们知道,运算放大器在连有深度负反馈的条件下,会在线性区工作,有着增益很大的放大特性,在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。
而在没有反馈的条件下,运算放大器在线性区的输入动态范围很小,即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。
如果同相端电压较大,则输出最大电压,一般是+12V;如果反相端电压较大,则输出最小电压,一般是-12V。
这样,就实现了电压比较功能。
真正的电压比较器还会增加一些外围辅助电路,加强性能。
又叫watchdogtimer,是一个定时器电路,一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给WDT清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,是MCU复位.防止MCU死机.看门狗的作用就是防止程序发生死循环,或者说程序跑飞。
工作原理:
在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器,看门狗就开始自动计数,如果到了一定的时间还不去清看门狗,那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断,造成系统复位。
所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。
硬件看门狗是利用了一个定时器,来监控主程序的运行,也就是说在主程序的运行过程中,我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环,或者说PC指针不能回来。
那么定时时间到后就会使单片机复位。
常用的WDT芯片如MAX813,5045,IMP813等,价格4~10元不等.
软件看门狗技术的原理和这差不多,只不过是用软件的方法实现,我们还是以51系列来讲,我们知道在51单片机中有两个定时器,我们就可以用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。
我们可以对T0设定一定的定时时间,当产生定时中断的时候对一个变量进行赋值,而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值,在这里我们要设定的定时值要小于主程序的运行时间,这样在主程序的尾部对变量的值进行判断,如果值发生了预期的变化,就说明T0中断正常,如果没有发生变化则使程序复位。
对于T1我们用来监控主程序的运行,我们给T1设定一定的定时时间,在主程序中对其进行复位,如果不能在一定的时间里对其进行复位,T1的定时中断就会使单片机复位。
在这里T1的定时时间要设的大于主程序的运行时间,给主程序留有一定的的裕量。
而T1的中断正常与否我们再由T0定时中断子程序来监视。
这样就够成了一个循环,T0监视T1,T1监视主程序,主程序又来监视T0,从而保证系统的稳定运行。
51系列有专门的看门狗定时器,对系统频率进行分频计数,定时器溢出时,将引起复位.看门狗可设定溢出率,也可单独用来作为定时器使用.
凌阳61的看门狗比较单一,一个是时间单一,第二是功能在实际的使用中只需在循环当中加入清狗的指令就OK了。
C8051Fxxx单片机内部也有一个21位的使用系统时钟的定时器,该定时器检测对其控制寄存器的两次特定写操作的时间间隔。
如果这个时间间隔超过了编程的极限值,将产生一个WDT复位。
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看门狗使用注意:
大多数51系列单片机都有看门狗,当看门狗没有被定时清零时,将引起复位。
这可防止程序跑飞。
设计者必须清楚看门狗的溢出时间以决定在合适的时候,清看门狗。
清看门狗也不能太过频繁否则会造成资源浪费。
程序正常运行时,软件每隔一定的时间(小于定时器的溢出周期)给定时器置数,即可预防溢出中断而引起的误复位。
看门狗运用:
看门狗是恢复系统的正常运行及有效的监视管理器(具有锁定光驱,锁定任何指定程序的作用,可用在家庭中防止小孩无节制地玩游戏、上网、看录像)等具有很好的应用价值.
系统软件"看门狗"的设计思路:
1.看门狗定时器T0的设置。
在初始化程序块中设置T0的工作方式,并开启中断和计数功能。
系统Fosc=12MHz,T0为16位计数器,最大计数值为(2的10次方)-1=65535,T0输入计数频率是.Fosc/12,溢出周期为(65535+1)/1=65536(μs)。
2.计算主控程序循环一次的耗时。
考虑系统各功能模块及其循环次数,本系统主控制程序的运行时间约为16.6ms。
系统设置"看门狗"定时器T0定时30ms(T0的初值为65536-30000=35536)。
主控程序的每次循环都将刷新T0的初值。
如程序进入"死循环"而T0的初值在30ms内未被刷新,这时"看门狗"定时器T0将溢出并申请中断。
2.3.设计T0溢出所对应的中断服务程序。
此子程序只须一条指令,即在T0对应的中断向量地址(000BH)写入"无条件转移"命令,把计算机拖回整个程序的第一行,对单片机重新进行初始化并获得正确的执行顺序。
上拉电阻:
一般应用于OC输出电路,比如P0口设定为输入/输出时,如果没有上拉电阻,当向P0口写入FFH时,P0口依然不能输出高电平,此时P0处于悬空状态,当接有上拉电阻时会输出FFH。
下拉电阻:
有时候是为了加快信号的反映速度,有时候是为了固定电平状态或抗干扰。
拉电流:
当此点输出为高电平时,此点可以向外输出的电流。
灌电流:
当此点输出为低电平时,此点可以从外部吸入的电流。
灌电流对单片机的影响:
由于单片机内部线路较细,如果灌电流太大会烧毁芯片,一般单片机的总电流都要求小于50毫安。
如下图的两个BiasResaitor电阻就是上拉电阻和下拉电阻。
图中,上部的一个BiasResaitor电阻因为是接地,因而叫做下拉电阻,意思是将电路节点A的电平向低方向(地)拉;同样,图中,下部的一个BiasResaitor电阻因为是电源(正),因而叫做上拉电阻,意思是将电路节点A的电平向高方向(电源正)拉。
当然,许多电路中上拉下拉电阻中间的那个12k电阻是没有的或者看不到的。
我找来这个图是RS-485/RS-422总线上的,可以一下子认识上拉下拉的意思。
但许多电路只有一个上拉或下拉电阻,而且实际中,还是上拉电阻的为多
PLC好学吗?
有的人说好学,更多的人说难学。
我的看法是入门易,深造难。
入门易,总有它易的方法。
很多人都买了有关PLC的书,如果从头看起的话,我想八成学不成了。
因为抽象与空洞占据了整个脑子,一句话晕!
学这东东要有可编程控制器和简易编程器才好,若无,一句话,学不会。
因为无法验证对与错。
如何学,我的做法是直奔主题。
做法如下:
1、认识梯形图和继电器控制原理图符号的区别:
500)this.width=500"border=0>继电器控制原理图中的元件符号,有常开触点、常闭触点和线圈,为了区别它们,在有关符号边上标注如KM、KA、KT等以示不同的器件,但其触头的数量是受到限制。
而PLC梯形图中,也有常开、常闭触点,在其边上同样可标注X、Y、M、S、T、C以示不同的软器件。
它最大的优点是:
同一标记的触点在不同的梯级中,可以反复的出现。
而继电器则无法达到这一目的。
而线圈的使用是相同的,即不同的线圈只能出现一次。
2、编程元件的分类:
编程元件分为八大类,X为输入继电器、Y为输出继电器、M为辅助继电器、S为状态继电器、T为定时器、C为计数器、D为数据寄存器和指针(P、I、N)。
关于各类元件的功用,各种版本的PLC书籍均有介绍,故在此不介绍,但一定要清楚各类元件的功能。
编程元件的指令由二部分组成:
如LD(功能含意)X000(元件地址),即LDX000,LDIY000......。
3、熟识PLC基本指令:
(1)LD(取)、LDI取反)、OUT(输出)指令;LD(取)、LDI(取反)以电工的说法前者是常开、后者为常闭。
这二条指令最常用于每条电路的第一个触点(即左母线第一个触点),当然它也可能在电路块与其它并联中的第一个触点中出现。
500)this.width=500"border=0>这是一张梯形图(不会运行)。
左边的纵线称为左母线,右母线可以不表示。
该图有三个梯级;第1梯级;左边第一个触点为常开,上标为X000,X表示为输入继电器,其后的000数据,可以这样认为它使用的是输入继电器中的编号为第000的触点(下同)。
其指令的正确表示应为(如右图程序所示):
0、LDX000(前头的0即为从第0步开始,指令输入时无须理会,它会自动按顺序显示出)。
第2梯级;左边的第一个触点为常闭触点,上标为T0,T表示定时器(有时间长短不同,应注意),0则表示定时器中的编号为0的触点。
其指令的正确表示应为:
2、LDI T0(如程序所示)。
第3梯级;左边第一个触点为常闭,上标为M0,M为辅助继电器(该继电器有多种,注意类别),其指令的正确表示应为:
4、LDIM0(如程序所示)。
本梯级的第2行第一个触点为常开,上标为Y000,Y表示输出继电器,由于该触点与后面Y001触点呈串联关系,形成了所谓的电路"块",故而其触点的指令应为5、LDY000。
总之LD与LDI指令从上面可以看出,它们均是左母线每一梯级第一触点所使用的指令。
而梯级中的支路(即第3梯级的第2行)有二个或二个以上触点呈串联关系,其第一触点同样按LD或LDI指令。
可使用LD、LDI指令的元件有:
输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C、状态继电器S。
OUT为线圈驱动指令,该指令不能出现在左母线第一位。
驱动线圈与驱动线圈不能串联,但可并联。
同一驱动线圈只能出现一次,并安排在每一梯级的最后一位。
如上图中的1、OUTY000,3、OUTY001,Y为输出继电器,其线圈一旦接获输出信号,可以这样认为,线圈将驱动其相应的触点而接通外部负载(外部负载多为接触器、中间继电器等)。
而上图8、OUTT0K40为定时器驱动线圈指令,其中的K为常数40为设定值(类似电工对时间继电器的整定)。
可使用OUT指令元件有:
输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C、状态继电器S。
(2)触点的串联指令AND(与)ANI(与非);前者为常开,后者为常闭。
二者均用于单个触点的串联。
二指令可重复出现,不受限制,。
如下图所示。
500)this.width=500"border=0> 由第1梯级来看;X000、T0、Y001三触点成串联关系,即T0的常闭串接于X000的后端,而Y001的常闭则串接于T0常闭的后端。
由于都是常闭故用ANI指令。
现来看第2梯级;X000、M0、Y001,同样三触点也是串联关系,M0的常闭接点串接于X001的后端,而Y000的常开接点则串接于M0的后端。
故M0的指令用ANI,而Y000的指令则用AND(具体编程详上图),一句话只要是串联后面是常开的用AND,是常闭的则用ANI。
可使用AND、ANI指令元件有:
输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C、状态继电器S。
(3)触点并联指令OR(或)、ORI(或反);触点并联时,不管梯级中有几条支路,只要是单个触点与上一支路并联,是常开的用OR,是常闭的则用ORI。
如下图所示。
500)this.width=500"border=0> 可以看出上图的X000、X001、M0三者处于并联关系。
由于X000下面二条支路均为单个触点,因X001是常开触点,故用OR指令。
而M0是常闭触点,则用ORI指令。
三接点并联后又与M1串联,串联后又与Y000并联,而Y000也是单个触点,所以仍采用OR指令。
可使用OR、ORI指令元件有:
输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C、状态继电器S。
(4)串联电路块的并联指令ORB(或);任一梯级中有多(或单支路)支路与上一级并联,只要是本支路中是二个以上的触点成串联关系(即所谓的:
串联电路块),则应使用ORB指令。
如下图所示。
500)this.width=500"border=0> 由上图可以看出,第一支路X003的常开触点与M1的常开触点成串联关系(在这样的情况下,形成了块的关系),它是与上一行的X000与M0串联后相并联,此时程序的编写,如步序号0、1、2、3、4所示。
4所出现的第一个ORB指的是与上一行并。
而第二支路,常闭Y001与M2同样是串联关系。
也是一个块结构,其串联后再与第一支路并。
故步序7再次出现ORB。
ORB指令并无梯形图与数据的显示。
可以这样认为;它是下一行形成电路块的情况下与上一行并联的一条垂直直线(如图中所示的二条粗线)。
(5)并联电路块与块之间的串联指令ANB;如左下图虚线框内所示的二电路块相串,各电路块先并好后再用ANB指令进行相串。
左图的梯形图可以用右图进行简化。
程序的编写如下图所示。
ANB指令并无梯形图与数据的显示。
可以这样认为;它是形成电路块与电路块之间的串联联接关系,是一条横直线。
500)this.width=500"border=0>
500)this.width=500"border=0>
(6)进栈指令MPS、读栈指令MRD、出栈指令MPP和程序结束指令END;MPS、MRD、MPP这是一组堆栈指令。
如下图使用的二种堆栈形式;在堆栈形式下MPS应与MPP成对出现使用。
如在第一堆栈形式下,则采用MPS、MPP指令。
若在MPS、MPP指令中间还有支路出现,则增加MRD指令,如下图的第二堆栈所示。
应知道MPS、MPP成对出现的次数应少于11次,而MRD的指令则可重复使用,但不得超过24次。
要知道这一组指令,同样并无梯形图与数据的显示。
可以这样认为;MPS是堆栈的起始点,它起到承上启下的联接点作用,而支路的MRD、MPP则与之依次联接而已。
而END指令则是结束指令,它在每一程序的结束的末端出现。
500)this.width=500"border=0>
当然还有其它的指令,但只要熟织和应用以上的指令,我以为入个门应该没什
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- 开关 稳压电源 工作 原理