基于-单片机单相电机调速系统--电源电路设计.doc

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本科毕业设计论文

论文题目： 基于单片机的单相电机调速系统
——电源电路的设计

作者
指导教师
所在院系
专业班级

提交日期 ____2021年5月

基于单片机的单相电机调速系统——电源电路

摘 要

本文简单介绍了单相电机的工作原理及变频调速原理，同时详细介绍了开关电源的工作原理。基于这些理论设计了相应的电源电路，将200AC电源整流后提供应单片机，并设计了一开关电源作为控制电路和单片机及外围电路的电源。另外根据单相电机的参数，选择适宜的驱动芯片和驱动管，实现对单相电机的驱动。本文作者还完成了原理图和PCB板的设计以及硬件调试。本系统本钱不高，采用了脉宽调制技术组成的PWM交-直-交变频装置。
关键字：单相电机，变频调速，开关电源，驱动
目录

摘要I
ABSTRACTII
目录III
图例VI
第1章绪论1
1.1课题研究的背景1
1.2国外研究现状2
1.3课题研究容4
1.4课题研究意义5
1.5设计方案6
第2章开关电源简介9
2.1开关电源简介9
2.2开关电源的原理9
2.3开关电源的三个条件10
2.4开关电源的种类10
2.4.1 DC/DC变换10
2.4.2 AC/DC变换11
2.5开关电源的选用12
2.5.1 输出电流的选择12
2.5.2 接地12
2.5.3 保护电路12
2.6开关电源电器可靠性设计13
2.6.1 供电方式的选择13
2.6.2 电路拓扑的选择13
2.6.3 控制策略的选择13
2.6.4 元器件的选择14
第3章电源电路的设计与分析16
3.1全波整流滤波输入电路16
3.1.1 桥式整流电路16
3.1.2 滤波电容的选取17
3.2开关电源电路18
3.2.1 IR2153芯片简介19
3.2.2 TL431简介21
3.2.3 LM7805简介24
3.3输出整流滤波电路25
第4章驱动电路的设计与分析26
4.1驱动电路原理图26
4.2功率驱动单元元器件的选取27
4.2.1 功率器件27
4.2.2 接口驱动芯片的选取28
4.3集成驱动芯片IR2130介绍29
4.3.1 IR2130驱动芯片的特点30
4.3.2 IR2130部构造及其工作原理31
4.3.3 桥式MOSFET驱动电路32
4.4电机驱动电路33
4.3保护电路分析34
第5章PCB板的设计35
5.1元器件的布局35
5.2电源的设计36
5.3线路的设计36
5.3PCB图37
第6章硬件调试39
6.1调试准备工作39
6.2调试工作39
6.3调试结果40
全文总结44
参考文献45
附录 实物图47
致48

图例
图1-1 单相电机变频调速原理图7
图3-1全波整流滤波电路16
图3-2开关电源电路19
图3-3IR2153引脚排列图19
图3-4IR2153的部简化功能框图21
图3-5TL431封装形式22
图3-6TL431功能模块示意图22
图3-7改变控制极电压得到阴极电压的实验电路和数据23
图3-8TL431阴极伏安特性图24
图4-1功率驱动主电路27
图4-2IR2130部构造图30
图4-3桥式MOSFET驱动电路32
图4-4 电机驱动电路33
图5-1 PCB图38
图6-1 PWM4和PWM5的波形图40
图6-2 Q1的1,3引脚间的波形图41
图6-3 U3-3波形图41
图6-4 LO1与HO1输出波形图42
图6-5 M1与M2输出波形图42
图6-6 IALL输出波形图43

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景
电机是一种进展机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量这个转换的功能来看，电机可分为两大类。第一类是发电机，它是把机械能转换为电能的装置，通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后通过发电机转换电能，经输、配电网络送往各工矿企业、城市、家庭等各种用电场合。第二类是电动机，它把电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械和其他装置，以满足人类的不同需求[1]。
三相电机和单相电机原理根本一样，都是电磁原理的应用。只是三相电机的磁场为圆形，可以自启动，单相电机的磁场为脉振磁场，需要增加电容或电阻以及启动线圈使之形成椭圆形磁场，才能启动。另外的区别是使用的电源不同。通常家庭以及没有三相电源的地方使用单相电机，功率通常比较小，通常小于750W，工业和功率较大场所都选用三相电机。
三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。旋转磁场的转速为：n=60f/P 式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数n的单位是：每分钟转数。根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关[2]。
单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以一样转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时〔如顺时针方向旋转〕，这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来[3],[4]。
随着电力电子技术、微控制器及控制理论的快速开展, 近年来交流电机调速技术取得了突飞猛进的进步。尤其是随着一些高性能的交流调速方法如“矢量控制技术〞、“直接转矩控制技术〞及“同步机自控式〞等方法的出现, 交流电机调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能。由于交流电机构造简单、价格低廉等自身的优点, 交流调速迅速兴起, 彻底打破了直流调速占调速领域主导地位的格局, 调速系统向着交流化、高频化、网络化的方向开展[5]。
交流调速系统一般包括以下几局部的容 异步电动机变压调速系统、异步电动机变频调速系统、绕线转子异步电动机双馈调速系统、同步电动机变频调速系统。目前变频调速是交流调速开展的主流, 已成为电力传动领域研究的一个热点。
1.2 国外研究现状
随着我国电子、电气技术的迅猛开展、人们生活水平的不断提高，对电机的性能提出了许多新的更高的要求，出现了各种各样的电器产品，在各种电器产品中使用着各种各样的电动机。目前在工业兴旺国家，每个家庭平均使用着50～100台小功率电动机。据美国能源部报告，美国电动机电力消耗中，小功率电动机站64%。从世界销售市场统计，各类电机年总销售额为300亿美元，小功率电动机占了1/3。小功率电动机是我国机电产品出口的主要工程之一，近年来开展很快，具有良好的前景[6]。
目前世界各国小功率电动机的产量逐年增加，其增长率大于大中型电机。我国参加世贸组织后，已经融入全球经济，形成国际化市场的竞争环境，即带来了新的机遇又带来新的挑战。在国际市场上，电机是机电产品的重要组成局部，每年的世界贸易额约为35亿美元。再由于工业兴旺国家对于原材料、工时耗用多而获利少的普通电机产品不愿意制造，纷纷转向开展中国家加工和购置，因此国际市场上对电机的需求呈上升趋势。现在面对国外广阔的市场前景，国生产厂家投入大量人力、财力来进展中小功率电动机的研究与开发，是很有必要的。
近10年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速开展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为开展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。交流调速中最活泼、开展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的根底和主干容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节间效果，广泛的适用围及其它许多优点而被国外公认为最有开展前途的调速方式[7],[8]。

我国电气传动产业始建于1954年，当时第一批该专业围的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来XX电气传动设计研究所的前身。现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国是一个开展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于兴旺国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速开展，形成了一个巨大的市场，它既对国企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从兴旺国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。 国许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国的成套局部在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国外重大工程工程提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重
目前国主要的产品状况如下：
1) IGBT或BJT PWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。
2) 负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄水能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。
3) 交-交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率局部国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。
随着我国经济的飞速开展，交流调速技术得到了广泛的应用，通用变频器年销售额已超过50亿。国家“十五〞期间，许多大型工程需要交流调速传动。例如，西气东输的大型压缩机传动。大型船舶电力推进，大型热轧和冷轧交流传动，高速铁路牵引传动，以及风机水泵高压变频节能传动等等。
目前我国电动机调速技术的特点是以低压、小容量调速对象为主，高压、高效的变频调速装置以进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨大的市场前景，国产高压大功率变频器的产品生产还根本上刚刚起步。然而，困难与希望同在，挑战与机遇共存。国际上具有生产、研制新型大功率变频调速装置能力的均是世界知名的大电工电气公司，由于他们在电力电子技术开展的过程中一直是按部就班进展的，形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。而我国是一个新兴的开展中国家，尽管在老技术方面有一些投资，但投资相对较小，包袱不大可以马上转入最新技术的开发和利用，借鉴别人的经历，跨过他们已经走过的路程。在最新领域取得研究成果的根底上尽快产业化，可大大缩短与先进国家的差距，在某些方面甚至还可以超过他们。从目前看，大容量交流电机调速技术应用的时机业已成熟，国只要在体制改革、生产管理和经营决策方面走上轨道，其开展前途不可限量[9],[10]。
1.3 课题研究容
目前，单相电机调速大多通过降压来实现，本课题希望通过单片机系统实现单相交流电机的V/F调速功能，从而使系统的性能得到显著的提高。课题根据对单相电机调速系统的要求，设计相应的电源及驱动电路。
〔1〕将200AC电源整流后提供应单相电机，并设计一开关电源，作为控制电路和单片机及外围电路的电源；
〔2〕新型MOSFET桥式电路驱动芯片的选型
随着集成电路制造技术的开展，当前出现了许多用于中小型电机驱动的性能优良的集成电路产品，对于中小型电机控制电路的设计人员来说，选用性能参数都比较适宜的集成功率放大器，与采用分立元件设计的功放电路相比，不但能减小功放电路的体积，提高功放电路的整体性能；而且由于集成功放中设计了多种多样的保护电路，从而可以减少系统发生故障的可能性，提高电路的可靠性。课题根据单相电机的参数，选择适宜的驱动芯片和驱动管，实现对单相电机的驱动。
1.4 课题研究意义
单相交流异步电动机构造简单，生产本钱低廉，使用维护方便，在小功率电机应用方面，如电冰箱、洗衣机、电风扇、空调等家用电器，汽车附件等领域占据主导地位[11]。随着电力电子技术、微控制器及控制理论的快速开展，近年来交流电机调速方法如“矢量控制技术〞、“直接转矩控制技术〞及“同步机自控式〞等方法的出现，交流电机调速更是获得了几乎可以和直流调速相媲美的性能。由于交流电机构造简单、价格低廉等自身的优点，交流调速迅速兴起，彻底打破了直流调速占调速领域主导地位的格局，调速系统向着交流化、高频化、网络化的方向开展【5】。
交流调速系统的应用不但可到达节能的目的，还可实现整个系统的性能最正确，改善工艺条件，并大大提高生产效率和产品质量。近年来，由于微处理机和大功率晶体管〔GTR〕的应用，交流调速技术进入了一个崭新的时代，且大有在调速系统，大批取代直流调速系统的趋势。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段，作用相当明显。随着单片机的普及应用，利用单片机来控制电机调速的系统，以其控制灵活、参数调节方便、调节性能良好等诸多优点受到人们的青睐。单片机具有价格低廉、可靠性高、部资源丰富、易于开发等优点，它的出现大推动了电机控制行业的开展。用单片机作为电动机的核心控制元件，可防止传统的调速方案中的一些缺点,到达提高控制精度的目的[12],[13]。
众所周知，单相电机的使用性能与它的驱动电路有着密切的关系，随着电子技术和功率开关电子器件的出现，使电机的控制电路和功率驱动电路发生了很大的变化，特别是集成电路的推广和微机的普及应用，更使电机驱动电源的研制上了一个新的台阶，使其性能指标有了显著的提高。国对这方面的研究一直很活泼，但是可供选用的高性能的电机驱动电源却很少，而且国的驱动电源方面根本都存在着体积大、外形尺寸不规那么、性能指标不稳定及远没有到达系列化等问题，这就给驱动电源的选用和安装带来了极大的不便，国外虽然有通用的各种类型的电机驱动电源，但大都存在一些问题，如价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。
如前所述，电机的系统性能，不仅与电机本身的特性有关，而且还与电机的控制方式、驱动电源的特性及负载特性有着密切的关系，特别是驱动电源技术方面，对电机运行性能的改善如高频力矩的提高，单步振荡及振动的消除等方面起着至关重要的作用。
因此，对电机的驱动电源及其驱动控制方式进展应用性研究，做出适合单相电机运行特性的电源电路及驱动电路，不仅具有较高的现实意义。而且具有极大的经济价值。
1.5 设计方案
变频调速作为一种新的电机调速方法，就是通过整流桥将工频电源整流成直流电源，再通过控制电力电子器件构成的逆变器来提供可变频率的电源给电机，使电机的同步的转速能够变化，从而改变电动机的转速。
本课题采用的单相电机调速电路如图1-1所示。

〔a〕

〔b〕
图1-1 单相电机变频调速原理图
系统的总体构造和硬件配置由整流电路、开关电源、电机驱动电路、桥式MOSFET驱动电路、保护电路和PIC单片机等组成，本次设计采用了PIC单片机，Microchip公司推出的PIC系列单片机最大的特点是：
不搞单纯的功能堆积,而是从实际出发-重视产品的性能与价格比,靠开展多种型号来满足不同层次的应用要求；精简指令使其执行效率大为提高。具有独特的RISC构造,数据总线和指令总线别离的哈佛构造总线，使其指令具有单字长的特性且允许指令码的位数可多余4 位的数据位数,这与传统的采用复杂指令集构造的4 位单片机相比可以到达2:1的代码压缩,使指令的执行速度比一般的单片机要快4-5倍；产品开发容易、周期短，并且能够快速进入市场，采用了RISC指令集，指令少，且全部为单字长指令易学易用，相对于CISC复杂指令集,构造的单片机可节省30%以上的开发时间、2倍以上的程序空间。如果采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市；低价实用，配备有OTP型、EPROM型和E2PROM型等多种形式的芯片，其OTP型芯片的价格很低；功耗低，采用CMOS设计结合了诸多的节电特性,使其在静态设计可进入睡眠省电状态而不影响任何逻辑变量；优越的开发环境，OTP单片机开发系统具有实时性，每推出一款新型号的同时,推出相应的仿真芯片,所有的开发系统由专用的仿真芯片支持,实时性非常好；芯片引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至交流电源,可直接与继电器相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便；自带看门狗定时器，可以提高程序运行的可靠性；彻底的性，以熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。因此PIC系列的微控制器在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、工业控制等不同领域获得了非常广泛的应用[14],[15]。

第2章 开关电源简介

2.1 开关电源简介
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，开关电源一般由脉冲宽度调制〔PWM〕控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的本钱都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为本钱反转点。随着电力电子技术的开展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一本钱反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的开展空间。
开关电源具有工频变压器所不具备的优点，新型、高效、节能的开关电源代表着稳压电源的开展方向，因为开关电源部工作于高频率状态，本身的功耗很低电源效率就可做得较高，一般均可做到80%，甚至接近90%。这样高的效率不是普通工频变压器稳压电源所能比较的。开关电源常用的单端或双端输出脉宽调制〔PWM〕，省去了笨重的工频变压器，可制成几瓦至几千瓦的电源。
2.2 开关电源的原理
简单地说,开关电源的工作原理是：
1) 交流电源输入经整流滤波成直流；
2) 通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；
3) 开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供应负载；
4) 输出局部通过一定的电路反响给控制电路,控制PWM占空比,以到达稳定输出的目的。
交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰；在功率一样时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路,比方空载、短路等保护,否那么可能会烧毁开关电源。
以上说的就是开关电源的大致工作原理。
其实现在已经有了集成度非常高的专用芯片,可以使外围电路非常简单,甚至做到免调试。
例如TOP系列的开关电源芯片(或称模块),只要配合一些阻容元件,和一个开关变压器,就可以做成一个根本的开关电源[17]。
2.3 开关电源的三个条件
1) 开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态；
2) 高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；
3) 直流：开关电源输出的是直流而不是交流。
2.4 开关电源的种类
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向开展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的构造和特性作以阐述[18]。
2.4.1 DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，ton不变，改变Ts〔易产生干扰〕。其具体的电路由以下几类：
1) Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压 U0小于输入电压Ui，极性一样。
2) Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压Ui，极性一样。
3) Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
4) Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。还有Sepic、Zeta电路。
上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为(6.2、10、17)W/cm3，效率为〔80～90〕％。日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为〔200～300)kHz，功率密度已到达27W/cm3，采用同步整流器〔MOSFET代替肖特基二极管〕，使整个电路效率提高到90％。
2.4.2 AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流〞，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变〞。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到平安标准〔如UL、CCEE等〕及EMC指令的限制〔如IEC、、FCC、CSA〕，交流输入侧必须加EMC滤涉及使用符合平安标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率到达一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
2.5 开关电源的选用
开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路构造的特点〔多级串联〕，一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5～1〕％。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点
2.5.1 输出电流的选择
因开关电源工作效率高，一般可到达80％以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：
Is=KIf
式中：Is—开关电源的额定输出电流；
If—用电设备的最大吸收电流；
K—裕量系数，一般取1.5～1.8。
2.5.2 接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。
2.5.3 保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以防止损坏用电设备或开关电源。
2.6 开关电源电器可靠性设计
电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、平安性设计、三防设计等方面。因为任何方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可靠性设计的重要性。
2.6.1 供电方式的选择

集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性高，容易组成N＋1冗余供电系统，扩展功率也相比照较容易。所以采用分布式供电系统可以满足高可靠性设备的要求。
2.6.2 电路拓扑的选择
开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，那么使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按60％降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。
2.6.3 控制策略的选择
在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。
硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、适宜的储能元件尺寸、较宽的控制围及负载围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。
2.6.4 元器件的选择
因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要集中在以下四个方面：
〔1〕元器件可靠性问题
元器件可靠性问题即根本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、稳定性差、早期失效等，应进展筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。
〔2)设计问题
首先是恰当地选用适宜的元器件：
1) 尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。
2) 多采用集成电路，减少分立器件的数目。
3) 开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。
4) 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。
5) 应选择金属封装、瓷封装、玻璃封装的器件。制止选用塑料封装的器件。
6) 集成电路必须是一类品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500标准B－1以上质量等级的军品。
7) 设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。
8) 原那么上不选用电位器，必须保存的应进展固封处理。
9) 吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。在潮湿和盐雾环境下，铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况，所以在舰船和潮湿环境，最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。钽电解电容温度和频率特性较好，耐上下温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。
关于降额设计：
电子元器件的根本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低，所以在电路设计时要进展降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、重量、本钱等因素。不同的元器件降额标准亦不同，实践说明，大局部电子元器件的根本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，以下为开关电源常用元器件的降额系数：
1) 电阻的功率降额系数在0.1～0.5之间。
2) 二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。
3) 发光二极管。

第3章 电源电路的设计与分析

3.1 全波整流滤波输入电路
图3-1中F1为交流保险丝，当发生过流现象时，F1就会自动熔断，以断开市电与部电路，保证部电路无损。市电经过由整流桥组成的桥式全波整流电路，成为脉动直流。图中C20是一个滤波电容，使脉动直流变为平滑直流。C20接在整流电路和驱动主电路之间还起到缓冲的作用。DC+输出为300V电压。

图3-1 全波整流滤波电路
3.1.1 桥式整流电路
变换器的最大输出功率设计为500W，效率为η= 90%，那么输入功率:
Pin=500/0.9=555 〔W〕 〔3-1〕
所以输入整流桥电流的有效值为：
Pin/220=2.52 〔A〕 〔3-2〕
在实际使用中，考虑电流的足够裕量，整流滤波电路中的整流桥选用了Mic KBPC609。
3.1.2 滤波电容的选取
滤波电容的容量和输出功率的大小有密切的关系。由于输入级没有PFC电路(一种高效率的功率因子改善电路,电路采用零电流转换方式进展控制,并采用双向开关实现电路初级的同期整流,从而实现了高功率因子,高效率和低高次谐波的功率因子改善电路)，电容选得大，输入电流的畸变率高，而容量低又会导致输入纹波变动围大。
一、 滤波电容
滤波电容器在输入电压220V±20%或输入电压85V~265V〔110V－20%~220V＋20%〕时的最高整流输出电压可以到达370V，因此应选择额定电压为400V的电解电容器或选择两只额定电压为200V〔也可以是250V〕的电解电容器串联使用。需要注意的是，尽管电解电容器的额定电压有10%左右富裕量，在上述应用场合下，从产品的平安角度考虑是不允许使用额定电压为300V或350V的电解电容器。对于带有功率因数校正的整流滤波电路，当功率因数校正电路输出电压为380V时可以选择额定电压400V电解电容器，而功率因数校正电路输出电压高于380V时那么只能选择额定电压为450V的电解电容器。
二、 滤波电容容量的选择
滤波电容器，为限制整流滤波输出电压纹波，正确选择电容量是非常重要的。通常滤波电容器的电容量在输入电压220V±20%时按输出功率选择为：不低于每瓦1μF〔即：≥1μF/W〕，输入电压85V~265V〔110V－20%~220V＋20%〕输入时按输出功率选择为：不低于每瓦〔3~4〕μF〔即：≥〔3~4〕μF/W〕。滤波电容器电容量的取值依据为：在220V±20%交流输入及85V~265V交流输入的最低值时，整流输出电压最低值分别不低于200V和90V，在同一输入电压下的整流滤波输出电压分别约为：240V和115V，电压差分别为：40V和25V。每半个电源周波〔10mS〕，整流器导电时间约2mS〔ms〕，其余8mS为滤波电容器放电时间，承当向负载提供全部电流，即：
〔3-3〕
220V±20%交流输入时：
〔3-4〕
〔3-5〕
〔3-6〕
〔3-7〕
即：1μF/W
85V～265V交流输入时：
〔3-8〕

〔3-9〕
〔3-10〕
〔3-11〕
即：3.6μF/W
每半个电源周波〔10mS〕，整流器导电时间约3mS，其余7mS为滤波电容器放电时间，承当向负载提供全部电流，那么：滤波电容器容量为：0.88μF/W和3.15μF/W。
以上是从滤波后的纹波电压角度考虑如何选择，如果从电解电容器的额定电流和寿命考虑那么需要清楚滤波电解电容器所能承受的纹波电流和预计电容器的寿命。综上，本课题中选用470μF，450V的电解电容。
3.2 开关电源电路
本文采用了半桥驱动芯片IR2153和LM7805组成的开关电源。如图3-2所示。

图3-2 开关电源电路
DC+〔+300V，经前端全波整流滤波电路所得〕输入，R19和C12组成一个RC振荡器，通过改变R19或C12的大小可以改变电路的工作频率。增加R9时，电路的工作频率会减少，驱动电流和功率都会增加。图中IR2153利用C6和D2构成自举供电方式，直接驱动高端、低端功率管。HO输出来驱动MOS管IRFP460。与普通的脉冲变压器驱动等构造形式的半桥电路相比，该电路具有构造简洁、功能齐全、开关损耗低等优点,适合多种场合使用。由于变换级采用无电感形式的直流输出电压叠加方式，使能够有效地克制电流输出闭塞的现象、能够有效地适应电极肥大的场合。电路过7805进展转换得到+5V的