電氣工程及其自動化畢業(yè)論文---隔爆兼本安buck變換器設計

1、<p>　　編號：（ ）字 號</p><p>　　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題目： </p><p><b>　　二〇一一年六月</b></p><p>　　畢業(yè)論文題目： 隔爆兼本安BUCK變換器的設

2、計</p><p>　　畢業(yè)論文專題題目： </p><p>　　畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：</p><p>　　1.了解本質(zhì)安全理論及意義</p><p>　　2.掌握BUCK電路的工作原理</p><p>　　3.控制芯片的選擇及使用</p><p>　　4.本質(zhì)安全變換器的設計 </p

3、><p>　　5.本質(zhì)安全變換器輸出保護電路</p><p><b>　　6.轉(zhuǎn)換器的仿真</b></p><p>　　7.完成與畢業(yè)設計內(nèi)容相關的英文翻譯（近三年的文獻），不少于3000漢字</p><p>　　院長簽字： 指導教師簽字：</p><p><

4、b>　　摘 要</b></p><p>　　開關電源具有高效率、體積小、性能可靠、電路簡單，等優(yōu)點，BUCK變換器是開關電源一種基本拓撲結(jié)構(gòu)，輸出電壓總是低于它的輸入電壓，在現(xiàn)代科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應用。</p><p>　　工作在含有爆炸性混合物環(huán)境的電子設備必須滿足防爆的要求，本質(zhì)安全型是最佳的防爆形式，本質(zhì)安全變換器是本質(zhì)安全電源的核心，因此研

5、究本質(zhì)安全開關變換器是研究本質(zhì)安全開關電源的基礎。</p><p>　　本文首先介紹了本質(zhì)安全電路理論、背景及發(fā)展史和電路放電的三種形式，并對BUCK變換器的原理及濾波電感的連續(xù)、斷續(xù)及臨界三種狀態(tài)進行分析說明。本文采用PWM電壓型控制芯片UC3573進行控制，它可以使開關電源的元器件數(shù)量大幅地減少，提高開關電源的性能，使電路簡單等優(yōu)點 ,并對UC3573芯片的原理和各個管腳的功能做了詳細的介紹。對本質(zhì)安全BUC

6、K變換器的保護原理進行分析，并給出輸入、輸出過壓保護電路和輸出過流、短路保護電路及原理分析。</p><p>　　最后進行仿真和試驗研究，給出了相關實驗波形并進行了分析，結(jié)果驗證了設計的可行性。</p><p>　　關鍵詞： 開關電源； 本質(zhì)安全； BUCK變換器； UC3573</p><p><b>　　Abstract</b></p

7、><p>　　Switching power supply with high efficiency, small size, reliable performance, simple circuit, etc., BUCK converter is a basic topology switching power supply, the output voltage is always lower than its

8、 input voltage, in modern scientific research and industrial production is more and more widely used.</p><p>　　Work environment in the presence of an explosive mixture of electronic equipment must meet the r

9、equirements of explosion-proof, intrinsically safe is the best form of proof, intrinsically safe intrinsically safe power supply converter is the core, the study of intrinsically safe switching converter is intrinsically

10、 safe switch power base.</p><p>　　This paper introduces intrinsically is safe circuit theory, history and background and three forms of discharge circuit, and the BUCK converter and the filter inductance pri

11、nciple of continuous, intermittent, and that the critical analysis of three states. In this paper, the control chip is UC3573 PWM voltage control, switching power supply which can reduce substantially the number of compo

12、nents is to improve the performance of switching power supply, so that the advantages of simple circuit, an</p><p>　　Finally, simulation and experimental is researched, experimental waveforms are given and a

13、nalyzed, the results verify the feasibility of the design.朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p>　　Keywords: switching power supply; intrinsically safe; BUCK converter; UC3573</p><p><b>　　目 錄</b>&

14、lt;/p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1研究的意義1</p><p>　　1.2本質(zhì)安全理論產(chǎn)生的背景1</p><p>　　1.3本質(zhì)安全標準及相關理論發(fā)展簡介1</p><p>　　1.4本質(zhì)安全開關電源發(fā)展與現(xiàn)狀2</p><p

15、>　　1.5本質(zhì)安全電路基本原理及電氣放電形式3</p><p>　　1.5.1本質(zhì)安全電路基本原理3</p><p>　　1.5.2電氣放電形式3</p><p>　　1.6本質(zhì)安全防爆開關電源的特點4</p><p>　　1.7本質(zhì)安全開關變換器的組成及原理5</p><p>　　2 降壓型（BUC

16、K）電路7</p><p>　　2.1 BUCK型開關電源原理7</p><p>　　2.2降壓式變換電路（Buck電路）7</p><p>　　2.2.1開關器件導通和關斷時，電路的動態(tài)工作過程分析8</p><p>　　2.2.2電感電流連續(xù)模式下的工作過程分析9</p><p>　　2.2.3電感電流斷

17、續(xù)模式下的工作過程分析。12</p><p>　　2.2.4電感電流臨界模式13</p><p><b>　　3 電路設計15</b></p><p>　　3.1控制IC的選擇15</p><p>　　3.1.1UC3573的性能及技術參數(shù)15</p><p>　　3.1.2管腳引線功能

18、介紹17</p><p>　　3.2電路設計20</p><p>　　3.2.1UC3573控制的BUCK主電路圖20</p><p>　　3.2.2主要參數(shù)的計算20</p><p><b>　　4 保護電路23</b></p><p>　　4.1本質(zhì)安全BUCK變換器輸出保護電路2

19、3</p><p>　　4.2輸入、輸出過壓保護電路25</p><p>　　4.3輸出過流、短路保護電路25</p><p>　　4.4仿真結(jié)果26</p><p><b>　　5 結(jié)論29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p&g

20、t;<p><b>　　英漢翻譯32</b></p><p><b>　　英文原文32</b></p><p><b>　　中文譯文41</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　

21、1 緒論</b></p><p><b>　　1.1研究的意義</b></p><p>　　作為通訊、監(jiān)控、檢測、報警以及控制系統(tǒng)的供電設備，本質(zhì)安全電源主要應用在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物環(huán)境中。隨著電力電子技術的迅速的發(fā)展以及現(xiàn)代化水平的不斷提高，自動控制設備和儀器在煤礦井下的使用越來越廣泛，用電設備發(fā)生的漏電、短路、電火花等電氣事故，成

22、為這些危險性環(huán)境可燃氣體或物質(zhì)爆炸的隱患。所以要求應用于煤礦、石油等易燃、易爆危險性環(huán)境的電氣設備必須滿足防爆的要求。防爆電源作為危險環(huán)境下系統(tǒng)不可缺少的部分[1]。</p><p>　　危險環(huán)境的所以設備必須滿足防爆要求，根據(jù)防爆措施，可把防爆電氣設備分為本質(zhì)安全型、隔爆型、增安型、正壓型、油侵型等，其中應用較多的是隔爆型和本質(zhì)安全型。本質(zhì)安全型電氣設備有很多優(yōu)點：安全程度高、體積小、攜帶維護方便、價格低廉。因

23、此本質(zhì)安全電源將更為廣泛的應用，所以對本質(zhì)安全的研究會越來越重要。</p><p>　　當前半導體技術的發(fā)展，大功率高速器件的出現(xiàn)，PWM芯片的性能越來越強大，使本質(zhì)安全電源具有更高的性能和優(yōu)越性。開關電源對于實現(xiàn)本質(zhì)安全輸出最重要的優(yōu)勢是隨著開關頻率的提高，電源的輸出電感、電容可以很小，其所具有釋放的能量很小，更具有本質(zhì)安全性能，更安全。</p><p>　　1.2本質(zhì)安全理論產(chǎn)生的背景

24、</p><p>　　1886年由普魯士瓦斯委員會委托亞琛（Aachen）工業(yè)大學進行了瓦斯爆炸方面的基礎性試驗，并在1898年的后續(xù)試驗過程中得出了“任何電火花都能夠引起爆炸”重要結(jié)論。</p><p>　　1911和1913年英國威爾士（Welsh）和圣海德（Senghenydd）煤礦因電鈴信號線路產(chǎn)生放電火花先后發(fā)生瓦斯爆炸，造成數(shù)百人死亡的嚴重后果。為此，當時任英國內(nèi)政部技術官員

25、R.V.Wheeler教授開始研究電鈴信號電火花的引燃特性，并設計了火花試驗裝置。1915年W.M.Thoronton參與了該項研究工作，在1916年提出了本質(zhì)安全電路設計方法和理論，這一理論的提出標志著本質(zhì)安全理論正式創(chuàng)立[1]。</p><p>　　1.3本質(zhì)安全標準及相關理論發(fā)展簡介</p><p>　　隨著電子器件的更新和科學技術的進步，本質(zhì)安全電氣設備的種類和形式發(fā)生了巨大的變化

26、，英國國家標準機構(gòu)于1945年再一次修訂BS1259：1958。1967年在IEC31G委員會布拉格會議期間，經(jīng)過對火花放電提交的不同試驗結(jié)論比較，決定采用聯(lián)邦德國西門子公司一組工作人員設計的火花試驗裝置所作的試驗結(jié)果，并將該試驗裝置推選為國際標準火花試驗裝置。</p><p>　　1978年國際電工委員會（IEC）發(fā)布了一系列相關標準，其中包括“本質(zhì)安全和附屬設備的構(gòu)造和試驗”標準，標準代號：IEC刊物79-1

27、1。在此期間，歐洲標準化組織CENELEC也制定了一系列關于“可燃性環(huán)境中電氣設備的構(gòu)造與試驗”歐洲標準，本質(zhì)安全型標準代號為：EN50020。歐洲電工標準協(xié)調(diào)委員會于1981年制定有關本質(zhì)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測試的歐洲標準，代號為：EN50039，與之相當?shù)挠鴺藴蕿椋築S5501：1982年美國在本質(zhì)安全電路設計方面，先后制定了本質(zhì)安全國家電氣規(guī)程（NEC504-2條），1995年保險商實驗室（UL913）和美國儀表學會（ISA），出版了

28、用于檢驗和安裝本質(zhì)安全設計的標準（ANSI/ISA-PR12.6-1995）。在本質(zhì)安全電器產(chǎn)品檢驗方面，世界各國都有專門授權(quán)的防爆檢驗部門從事本質(zhì)安全電路和電氣設備及其關聯(lián)設備的檢驗[1]。 </p><p>　　目前，在全球范圍內(nèi)已廣泛接受的電氣設備防爆技術有：隔爆型 (Exd)、本質(zhì)安全型 (Exi)、正壓型 (Exp)、增安型 (Exe)、油浸型、充砂型、澆封型、n型、特殊型、粉塵防爆型等。以上每種方式都

29、有其各自的優(yōu)點，其中隔爆型、本質(zhì)安全型和正壓型應用較為廣泛。比較三種主要防爆型式的優(yōu)缺點可知，本質(zhì)安全型電氣設備從電路的電氣參數(shù)上保證了防爆，省去了隔爆外殼，具有安全程度最高、體積最小、重量最輕、攜帶與維護最方便和造價最低廉的五大優(yōu)點。因此，用于爆炸性危險場所的電氣系統(tǒng)和電氣設備，凡是可以或有希望設計成本質(zhì)安全型的，總是盡量設計成本質(zhì)安全型，而不設計成隔爆型或其它類型。直流電源是電子產(chǎn)品必不可少的重要組成部分，也是功率較大的電子設備，因

30、此其面臨的本質(zhì)安全問題更為突出[2]。</p><p>　　我國開始從事本質(zhì)安全電路理論研究，雖然我國起步比較晚，但是從目前國內(nèi)的發(fā)展狀況來看，無論在理論研究方面，還是本質(zhì)安全產(chǎn)品設計方面發(fā)展的速度都很快。特別是最近幾年國內(nèi)在本質(zhì)安全理論研究方面進步很快，已經(jīng)接近國際水平。對電阻性電路的放電特性從理論上分析研究；在此基礎上，通過大量的具體試驗對電感電路先后進行了全面的研究和分析；此后，一些專家和學者又對電容性電路

31、以及復雜電路的放電特性與引燃特性做了深入的研究和理論分析，并且分別建立了相應的數(shù)學模型[3]。</p><p>　　1.4本質(zhì)安全開關電源發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　自20世紀60年代得到發(fā)展和應用的DC/DC功率變換技術是一種硬開關技術。功率開關管的開通和關斷是在電壓和電流不為零的狀態(tài)下進行的，開關損耗較大，頻率不易太高。為提高電源效率和開關頻率，減小開關損耗，在硬開關技術發(fā)展和應用

32、的同時，國內(nèi)外電力電子界和電源設計界不斷研究開發(fā)高頻軟開關技術。它應用諧振原理，使開關器件中電流或電壓按正弦或準正弦規(guī)律變化，當電流或電壓自然過零時，使開關管關斷或開通，降低功率開關器件的損耗，提高開關頻率到MHz數(shù)量級。其損耗很小[4]。</p><p>　　我國從七十年代起開始研制本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源，提出基于非隔離Buck變換器的開關型本質(zhì)安全電源。它由變壓器、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護電路組成，采用工頻變

33、壓器與電網(wǎng)隔離，穩(wěn)壓電路應用了開關變換器，使電源效率得到提高。國外雖然在普通環(huán)境下直流開關穩(wěn)壓電源的研究上進展迅速，新技術不斷出現(xiàn)，但在煤礦本安防爆直流開關穩(wěn)壓電源的研究上基本與我國處在同一水平，然而開關穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源相比，雖然存在控制電路較為復雜，瞬態(tài)響應差，射頻、電磁干擾大，可靠性略差等缺點，但是它體積小，重量輕，輸出電壓穩(wěn)定，效率高達85％以上，特別是隨著VMOS管、肖特基勢壘二極管等新一代高頻大功率元件的出現(xiàn)及一些新穎的

34、電路拓撲和控制技術的采用，使開關穩(wěn)壓電源的工作頻率向高頻化發(fā)展，電源的體積和重量越來越小，而電氣性能指標卻大幅度提高。所以開關穩(wěn)壓電源十分適合煤礦井下要求。可見，開關電源應用于煤礦井下、石化行業(yè)或一些危險的環(huán)境中有著廣闊的前景，因此，對本質(zhì)安全開關電源的研究具有重要意義[4]。</p><p>　　目前對本質(zhì)安全型電源的研究主要局限于對非隔離的本安型開關電源的研究，而在實際中應用最多的還是隔離型開關電源。所以，目

35、前的非隔離型本安型開關電源遠不能滿足實際的需要，這就要求我們必須對隔離型本質(zhì)安全開關電源進行研究。而隔爆兼本安開關電源，主要用于給危險環(huán)境的電氣設備提供合適的工作電壓，其功率通常不是很大。</p><p>　　所以對本質(zhì)安全型變換器的研究不僅具有重要的意義，更是進行本質(zhì)安全開關電源研究的進一步拓展。此外，研究本課題有助于本質(zhì)安全技術的推廣應用；有助于開關電源的應用范圍的擴大。在國內(nèi)、外對本領域的研究人員較少，而它

36、的市場潛力是很大的，因此具有相當?shù)膶W術意義和經(jīng)濟效益。</p><p>　　1.5本質(zhì)安全電路基本原理及電氣放電形式</p><p>　　本質(zhì)安全”就是通過限制電火花和熱教應兩個可能的點燃源的能量來實現(xiàn)的。試驗表明， 對應于各種危險氣體都有其最小點燃能量，當點燃能量小于這個能量時，將不能引起點燃而產(chǎn)生爆炸[5]。</p><p>　　1.5.1本質(zhì)安全電路基本原理&

37、lt;/p><p>　　本質(zhì)安全電路是指在標準規(guī)定的條件（包括正常工作和標準規(guī)定的故障條件）下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路。其特點是：電源電路內(nèi)部和引出線不論是在正常工作還是在故障狀態(tài)下都是安全的，所產(chǎn)生的電火花不會點燃周圍環(huán)境中的爆炸性混合物。</p><p>　　本質(zhì)安全電氣設備防爆基本原理是：通過限制電氣設備電路的各種參數(shù)或采取保護措施來限制電路的火花

38、放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能點燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實現(xiàn)電氣防爆。電火花和熱效應是引起爆炸性危險氣體爆炸的點燃源[6]。 </p><p>　　1.5.2電氣放電形式</p><p>　　本質(zhì)安全電路理論及檢測是與電氣放電密切相關的。正是被認為可能發(fā)生短路、開路或接地等危險點在火花試驗裝置電極上開斷、閉合時，放電產(chǎn)生的能量若超過氣體引爆

39、能量就會造成氣體混合物的爆炸。所以應首先研究電氣放電，分析放電形式及其規(guī)律。[6]</p><p>　　根據(jù)氣體放電理論，電路在切換時的基本放電形式有三種：火花放電，電弧放電，輝光放電，以及由三種放電形式組成的混合放電[7]。</p><p>　　1．火花放電：火花放電是在接通和斷開電容電路時，擊穿放電間隙中的氣體而產(chǎn)生的，其特點是低電壓大電流放電。</p><p>

40、;　　火花放電的過程可分為三個主要階段：第一階段火花形成階段，以施加外電壓瞬間起至間隙被擊穿止，此時火花帶的電流小而加在放電間隙上的電壓較穩(wěn)定，持續(xù)時間短約為10-9秒，火花形成階段的最后形成一個導通帶，第二階段開始，此時電容上的全部電荷將沿著所形成的火花帶流通，并使之加熱到10000-20000℃。間隙上的電壓迅速降到一個極小的數(shù)值，而電流卻可達到極大值102～104安。直到此階段終了時，電容一直在放電，而放電間隙的電阻從最大初始值降

41、到一個很小的終了值。第三階段（衰減階段）火花帶被破壞，這是由于高溫火花帶的熱輻射被周圍氣體層所吸收，使火花帶展寬而造成的。這三個過程約在10-6～10-8秒的極短時間內(nèi)完成。</p><p>　　火花放電所釋放的能量主要由兩部分組成，在放電電子束中散失的能量和電極表面?zhèn)鲗У哪芰俊Ｕ呛笳叩拇笮Q定著放電能否引燃爆炸性氣體混合物，十分明顯，電極表面?zhèn)鲗У哪芰啃《诜烹婋娮邮猩⑹У哪芰看蟮幕鸹ㄈ菀c燃。</p

42、><p>　　2．電弧放電：電弧放電是由某種形式的不穩(wěn)定放電不斷轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的，如高壓擊穿時產(chǎn)生的放電形式，特點是：可以產(chǎn)生持續(xù)的電弧、電流密度大、放電能量集中、點燃周圍爆炸性混合物的能力強，電感性電路放電形式屬弧光放電。</p><p>　　在切換小電流、低電壓的本質(zhì)安全電路時，由于液態(tài)金屬橋的斷開形成電弧放電。液態(tài)金屬橋的形成情況是這樣的：在觸點斷開瞬間，接觸壓力急劇地降低，電極接觸面減少，

43、過渡電阻值增大。當電極上電流、電壓達到與接觸點熔化相應的數(shù)值時，在電極間便形成液態(tài)金屬滴。在電極繼續(xù)拉開的過程中，液態(tài)金屬滴被拉長為連接兩電極的電橋。隨著橋上電壓的增加，金屬沸2電容性電路放電特性研究8騰，并使橋爆炸般地斷開。熔點低的金屬容易形成液橋，熔點低的金屬沸騰溫度也低，使橋斷開的電流也比難熔金屬要小?；鸹ㄔ囼炑b置中采用了熔點相當?shù)偷逆k，很容易成弧。</p><p>　　3．輝光放電：在高電壓小電流的條件下

44、產(chǎn)生的放電形式，其特點是：放電能量不集中、能量散失大、點燃周圍爆炸性混合物的能力差。由于弧光放電是最危險的放電形式，在電壓很高而電流較小時，可以產(chǎn)生輝光放電。它的陰極電壓降比電弧放電要高，可達100~400伏。所以放電能量基本上散失在電極上，而不是作為引燃爆炸危險混合物的能量出現(xiàn)。另外，輝光放電在實際的安全電路非常少見，所以一般不考慮這種情況。</p><p>　　通過對三種放電的分析可以看出，在本質(zhì)安全電路中，

45、火花放電、電弧放電引爆可燃性混合物所需能量比輝光放電所需能量小得多。因此，在本質(zhì)安全電路中火花放電、電弧放電是主要的放電形式，也是引燃可燃性混合物爆炸的主要因素.因此電感性電路是研究本質(zhì)安全電路的重要內(nèi)容[8]。</p><p>　　1.6本質(zhì)安全防爆開關電源的特點</p><p>　　在爆炸性危險環(huán)境中，本質(zhì)安全防爆開關電源與普通應用型開關電源相比，具有許多特殊性[7]。</p&g

46、t;<p>　　1．輸出功率受限制本質(zhì)安全防爆直流開關電源與普通直流開關電源相比，必須限制電路的火花放電能量。具體地說，就是限制電路放電的電流、電壓和放電時間。在實際電路實現(xiàn)上，就是要同時具有穩(wěn)壓（或限壓）、限流（或恒流）功能，對于輸出功率較大的本質(zhì)安全型直流開關電源，還應具有過流（或短路）和過壓快速切斷保護措施。</p><p>　　2．輸入、輸出端必須電氣隔離由于本質(zhì)安全直流開關電源的輸入側(cè)為非

47、本質(zhì)安全的交流高壓端，而輸出側(cè)為本質(zhì)安全型輸出，電路內(nèi)部是一個由非本質(zhì)安全向本質(zhì)安全過渡的過程，為防止非本質(zhì)安全輸入傳入本質(zhì)安全輸出，要求輸入、輸出必須采取電氣隔離，可以采用變壓器隔離或光電耦合隔離，并且必須具備規(guī)定的耐壓等級。</p><p>　　3．保護、隔離環(huán)節(jié)必須多重化本質(zhì)安全型電氣設備根據(jù)安全程度的不同分為ia和ib兩個等級。ia等級：電路在正常工作，一個故障或兩個故障時均不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣

48、設備，為ia等級的電氣設備。正常工作，安全系數(shù)為2；一個故障，安全系數(shù)為1.5；兩個故障，安全系數(shù)為1.0。ib等級：ib等級的設備指在正常工作或一個故障時，不能點燃爆炸性氣體混合物的電氣設備。正常工作，安全系數(shù)為2；一個故障，安全系數(shù)為1.5。若設備中正常工作有火花的觸點，如加隔爆外殼或氣密外殼保護，一個故障時，安全系數(shù)可取為1[2]。</p><p>　　因此，本質(zhì)安全直流開關電源的保護、隔離元件或組件，要根

49、據(jù)設計電源要求滿足本質(zhì)安全等級雙重化或多重化，以保證在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應均不引起周圍可燃性氣體混合物燃燒或爆炸。</p><p>　　4．適應較大范圍的電網(wǎng)波動在如煤礦井下等危險性環(huán)境中，電網(wǎng)供電質(zhì)量差，電網(wǎng)電壓波動范圍大，可75%~115%，遠高于地面電網(wǎng)的波動約±10%，且在井下動力設備功率大，供電距離遠，大,本質(zhì)安全防爆直流開關電源的研究多直接啟動，而且往往處于反復開停

50、的運行狀態(tài)。因此要求應用在煤礦井下的本質(zhì)安全型直流開關電源必須在75%~115%的輸入電壓范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作。同時煤礦井下交流供電有多種電壓等級，如36、60、127、220、380V等，一種開關電源應能盡可能多的適用于多種電壓等級，增強電源的通用性，因此需要開關電源具有寬的輸入電壓范圍。</p><p>　　5．在滿足本質(zhì)安全防爆要求的前提下提高輸出功率在控制電源輸出功率滿足本質(zhì)安全要求的前提下，還要努力改善電源

51、的輸出特性，提高輸出功率，降低電源的使用數(shù)量。通常使用的本質(zhì)安全電源具有線性負載特性，用提高電源內(nèi)阻OR的方法，將短路電流maxI限制在本質(zhì)安全允許范圍內(nèi)。</p><p>　　1.7本質(zhì)安全開關變換器的組成及原理</p><p>　　本質(zhì)安全型開關電源是本質(zhì)安全防爆電源發(fā)展的必然趨勢，其應用前景十分的廣泛。對于功率變換環(huán)節(jié)的開關變換器，通過合理的設計和元件的選擇，可以滿足本質(zhì)安全的要求。

52、本質(zhì)安全開關變換器是本質(zhì)安全開關電源的核心，因此本質(zhì)安全變換器是本質(zhì)安全電源的基礎。要使開關變換器達到本質(zhì)安全要求，就必須使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性氣體或其混合物。即必須將其故障火花能量限制在一定的范圍內(nèi)[9]。</p><p>　　本質(zhì)安全開關變換器的組成如1-1圖所，示其中含有儲能元件電感和電容，電感的分斷和電容的短路均會產(chǎn)生放電火花，從而又可能點燃爆炸性氣體。

53、對于輸出短路引起的放電火花能量，可來自三個部分：輸入電源、電感及輸出濾波電容，因此為了抑制輸出短路引起的電火花能量，除了對有關參數(shù)進行合理的設計外，還必須在輸出發(fā)生短路時徹底關斷輸入電源[10]。</p><p>　　圖1-1 本質(zhì)安全變換器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　開關變換器的輸出屬于電容性電路，因此對于變換器輸出本質(zhì)安全主要考慮輸出發(fā)生短路的情況。</p><p&

54、gt;　　開關變換器的輸出端接有濾波電容，當發(fā)生輸出短路時，輸出端會產(chǎn)生火花放電。同樣，由于開關變換器不能當成簡單的電容性電路，其中含有電感，而且變換器還存在多種工作模式，因此，在分析和判斷開關變換器的輸出本質(zhì)安全性能時，必須考慮短路時的最大電路輸出能量。</p><p>　　但是，開關變換器的輸出發(fā)生短路時的火花放電能量不僅來源于電容的儲能，還有電感的儲能，電感的儲能取決于電感的大小和流過電感的最大電流，而在輸

55、出發(fā)生短路時，從電源傳輸?shù)捷敵龆搪诽幍媚芰?，主要取決于保護電路的動作時間。為了便于分析，將僅滿足輸出本質(zhì)安全的變換器，稱為輸出本質(zhì)安全型開關變換器。</p><p>　　2 降壓型（BUCK）電路</p><p>　　2.1 BUCK型開關電源原理</p><p>　　開關電源一般有BUCK型（也叫降壓型），BOOST型（也叫升壓），還有很少用到的BUCK-BOOS

56、T型（也叫升降壓型），BUCK型開關電源就是降壓到自己需要的電壓，其基本構(gòu)造一般是大功率開關管（比如大功率MOS管，一般都用MOS管，還有專門的POWERMOS）與負載串聯(lián)構(gòu)成，BOOST型一般是與負載并聯(lián)而成，早期的開關電源是利用開關管的線性區(qū)，通過改變MOS管的導通電阻的大小來改變其上的壓差，根據(jù)電阻分壓原理，從而改變負載上的電壓，從輸出電壓端采樣電壓后反饋到前級來有效控制MOS管的導通電阻，從而來獲得穩(wěn)定的輸出電壓[11]。<

57、;/p><p>　　于是隨后出現(xiàn)了MOS管工作在非線性區(qū)即開關狀態(tài)下的開關電源，正是MOS管的開和斷，開關電源才因此而得名，對于AC/DC的BUCK型開關電源，前級還是要經(jīng)變壓器降壓，以及全波整流和濾波后得到Udc，此時Udc的紋波還是較大，波動范圍大概與電網(wǎng)電壓的波動成線性比，大概在正負10%左右，假設MOS管導通的時間為T1，截止的時間為T2，那么T1比（T1+T2）的值就是占空比q，假設輸出電壓為Uo,那么理論

58、上Uo=qUdc，在Udc與Uo之間需要加續(xù)流肖特基和LC濾波電路，以便得到尖峰和紋波更小的輸出電壓Uo,電感和電容的值不能太小，否則開關電源會設計失敗，在Uo輸出端需要加電阻來采樣電壓，然后反饋到誤差放大器，誤差放大器輸出的電壓與鋸齒波構(gòu)成電壓比較器，輸出方波，然后加驅(qū)動電路，也叫PWM驅(qū)動電路，然后控制開關管，來及時調(diào)節(jié)導通和關斷的時間比，輸出穩(wěn)定的電壓[12]。</p><p>　　這就是BUCK型開關電源

59、的基本工作原理，這種電源的效率基本可以達到70%~80%，如果能有效控制電網(wǎng)電壓的波動范圍，效率還可以提高，現(xiàn)在基本上比較好的電源的電網(wǎng)電壓波動可以做到正負5%（這就涉及到變壓器技術）。對于DC/DC的BUCK型開關電源，效率可以更高。</p><p>　　2.2降壓式變換電路（Buck電路）</p><p>　　將一種直流電壓變換成另一種直流電壓稱為DC/DC 變換。在DC/DC 轉(zhuǎn)換技

60、術中，采用直流斬波技術，廣泛應用于電動汽車、地鐵等交通工具中，其優(yōu)點是可以獲得平穩(wěn)的加速、減速、快速響應和節(jié)能效果，并且可以抑制電網(wǎng)諧波電流。</p><p>　　所謂降壓（BUCK）變換器也就是將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定輸出電壓。</p><p>　　輸出電壓（Vout）和輸入電壓（Vin）的關系為：Vout/Vin=δ（占空因數(shù)）Vin>Vout。</p>&l

61、t;p>　　直流變換器變換過程中都會存在諧波，使輸出紋波較大。因此在輸出端加入電感和電容進行濾波。電感在電路中不僅起到濾波作用，還可以起到儲存能量，為變換器關斷時刻給負載提供能量。二極管在其中起到嵌位和形成回路的作用[13]。</p><p>　　負載越大，則輸出的電壓就越大，當晶體管導通時，二極管截止(t=0~DTs)，輸入電壓Vs向能量傳遞電感L充磁，同時提供能量給負載和電容；當晶體管截止時，二極管導通

62、(t=DTs~Ts)，電感把前一階段貯存的能量全部釋放給負載和電容。</p><p>　　顯然，晶體管導通的時間越長，即D越大，負截獲得的能量越多，輸出電壓越高BUC變換器的穩(wěn)態(tài)電壓變比永遠小于1，所以BUCK變換器也稱為降壓變換器</p><p>　　2.2.1開關器件導通和關斷時，電路的動態(tài)工作過程分析[10]</p><p>　　圖2-1 開關導通、關斷的等效

63、電路圖</p><p>　　當驅(qū)動信號使開關管導通時如2-1（b圖），電容C開始充電，輸出電壓加在負載上。電容C在充電過程中電感L的電流逐漸增加，儲存的能量也逐漸增加，此時續(xù)流二極管反向截止。</p><p>　　當驅(qū)動信號使開關管截止時如2-1（c圖），L開始釋放能量，L中的電流開始減小，L產(chǎn)生的感應電動勢使續(xù)流二極管導通，電流通過電感、續(xù)流二極管構(gòu)成回路給負載傳遞能量。當負載電壓低于電

64、容C兩端的電壓時，C開始向負載釋放能量。驅(qū)動控制信號使開關管周而復始的重復上述過程，從而使輸出電壓趨向一個定值。</p><p>　　BUCK變換器有三種工作模式：第一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式。第二種時電感電流處于斷續(xù)的工作模式。第三種是電感電流處于臨界的工作模式。所謂的臨界模式是，在開關管截止到導通這個時間電感L中的能量剛好釋放完，也就是開關管截止終止時電感電流剛好為零[14]。</p>&

65、lt;p>　　等效的電路模型及基本規(guī)律[12]</p><p>　　圖2-2等效電路模型圖</p><p>　?。?）從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設計的原則是使 us(t) 的直流分量可以通過，而抑制 us(t) 的諧波分量通過；電容上輸出電壓 uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小紋波uripple(t) 。 </p><

66、p>　　（2）電路工作頻率很高，一個開關周期內(nèi)電容充放電引起的紋波uripple(t) 很小，相對于電容上 輸出的直流電壓Uo有：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。&

67、lt;/p><p>　?。?）一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達到充放電平衡，最終維持電壓不變[14]。</p><p>　　這種

68、過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。</p><p>　?。?）開關S置于1位時，電感電流增加，電感儲能；而當開關S置于2位時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量為：    </p><p><b>　

69、?。?-2）</b></p><p>　　此增量將產(chǎn)生一個平均感應電勢： </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。</p><p>

70、;　　這種在穩(wěn)態(tài)狀況下一個周期內(nèi)電感電流平均增量（磁鏈平均增量）為零的現(xiàn)象稱為：電感伏秒平衡。這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。</p><p>　　2.2.2電感電流連續(xù)模式下的工作過程分析[12]</p><p>　　圖2-3電感電流連續(xù)工作模式電路圖</p><p>　　電感電流連續(xù)時開關導通的等效電路如2-3圖（a圖）所示。開關導通時間為，關斷時

71、間為，，在t=t0時刻，開關加正脈沖導通，電感L上的電壓是（Ui-UO）且Ui>UO ，此時電感L上電流線性增加，其變化量為：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　當t=時，電感電流達到最大值，其變換量為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><

72、p>　　當t=時刻，開關管因基極驅(qū)動脈沖變負而關斷，電感電流不能突變經(jīng)續(xù)流二極管、濾波電容、及負載形成回路。其等效電路如2-3圖（b圖）</p><p>　　此時電感電流線性下降，其變化量為：</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　當t=TS時，電感電流達到最小值，此時電感中電流變化量為：</p>

73、<p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　電感電流連續(xù)的情況下，回路的電壓、電流波形圖如圖2-4。</p><p>　　圖2-4電感電流連續(xù)波形圖</p><p>　　電感電流的波形是一個三角波，一個周期內(nèi)從最大電感電流到最小電感電流之間的變化，穩(wěn)態(tài)時開關導通與截止期間的電流變化量相等。</p>&

74、lt;p>　　假定變換器損耗為零，那么輸入功率等于輸出功率，則輸入電流平均值Ii與輸出電流平均值IO可表達為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　在電感電流連續(xù)下，其電感電流最大值為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　電感電

75、流連續(xù)下，其電感電流最小值為：</p><p><b>　　（2-10）</b></p><p>　　2.2.3電感電流斷續(xù)模式下的工作過程分析。</p><p>　　電感電流斷續(xù)是指開關在截止時間終止前電感電流下降為零，直到下周期開始一直為零，此時負載電流因電感所提供的電流為零而依靠電容所儲存的能量維持。其波形如2-5圖所示。</p&g

76、t;<p>　　圖2-5電感電流斷續(xù)波形圖</p><p>　　在電感電流斷續(xù)的情況下，開關管導通時，輸入電壓為，電感電流線性增加可表示為:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　電感電流的最大值和最小值有波形圖可知</p><p><b>　?。?-12）<

77、/b></p><p><b>　　（2-13）</b></p><p>　　輸入平均功率與輸出功率相等</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p><b>　　輸出電壓可表示為</b></p><p><b>　　

78、（2-15） </b></p><p>　　從上式可知，在電感電流斷續(xù)的情況下，輸出電壓與輸入電壓和占空比有關，還與輸出負載電流IO、電感L有關。</p><p>　　2.2.4電感電流臨界模式</p><p>　　電感電流連續(xù)與斷續(xù)的邊界，就是臨界點，波形圖如2-6圖，開關關斷期間的終點，下一個周期的開始時刻，電感電流剛好下降到零[12]。</p

79、><p>　　圖2-6電感電流臨界狀態(tài)時波形圖</p><p>　　臨界點輸出電感電流表達式為：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　此時的負載電流為電感電流臨界的負載電流，用表示,欲使必須要求IO滿足</p><p><b>　?。?-17）</b&

80、gt;</p><p>　　上式就是保證變換器工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)的必要條件，則臨界電感的電感量為</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　在電感電流連續(xù)模式工作狀態(tài)下，負載電流IO的下限受臨界電流所制約。輸出濾波電感考慮臨界電流和變換器輸出電流紋波的要求，輸出紋波電流峰峰值在最大負載電流時，其值小于（30--5

81、0）%時，輸出濾波電感為</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　整理得</b></p><p><b>　　（2-20）</b></p><p><b>　　3 電路設計</b></p><p&g

82、t;　　3.1控制IC的選擇</p><p>　　UC3573是一個能構(gòu)成降壓式DC\DC變換器的脈寬調(diào)（PWM）控制集成電路芯片，該芯片使用一個外部電感和一個外部PMOS功率開關就可以構(gòu)成一個完善的BUCK型DC\DC變換器。該芯片有一個高度的基準源、一個以電壓模式工作的誤差放大器、一個振蕩器、一個具有邏輯觸發(fā)功能的PWM比較器和一個具有0.2A峰值電流的柵極驅(qū)動器組成。</p><p>

83、;　　該芯片包含了一個欠壓封鎖電路和一個周期性脈沖限流電路。限流電路能夠有效的監(jiān)視處于工作狀態(tài)的輸入電源電壓，從而構(gòu)成欠壓保護功能[15]。</p><p>　　電壓型控制的最顯著的特點就是誤差電壓信號被輸入到PWM比較器，與振蕩器產(chǎn)生的三角波進行比較。電壓誤差信號升高或降低使輸出信號的脈寬增大或減小。要識別是不是電壓型控制IC，可以先找到RC振蕩器，然后看產(chǎn)生的三角波是不是輸入到比較器，并與誤差電壓信號進行比較

84、。</p><p>　　電壓型控制IC的過流保護有兩種形式，早期的方法是用平均電流反饋，在這種方法中，輸出電流時通過負載上串聯(lián)一個電阻來檢測。電流信號可以放大后輸入到補償電流誤差放大器中，當電流放大器檢測到當輸出電流接近到原先設計的限定值時，就阻礙電壓誤差放大器的作用，從而把電流加以限制，以免電流繼續(xù)增大。平均電流反饋作為電流保護有一個缺點，就是響應速度很慢。當輸出突然短路時，會來不及保護過功率開關，導致在很短的

85、時間內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開關。</p><p>　　第二種過流保護的方法是，逐周過流保護，這種方法可以保證功率開關工作在最大的安全電流范圍內(nèi)。在功率開關管上串聯(lián)一個電流檢測電阻，這樣就可以檢測流過功率開關管的瞬時電流，當這個電流超過原先設定的瞬時電流限制值時，就關斷功率開關管。</p><p>　　周期性脈沖限流電路能夠隨時監(jiān)測輸入電源電流，從而將輸入電源電流限定在用戶所規(guī)定的最大值

86、上，另外當輸入電壓低于欠壓封鎖電路門限電壓時，鑲嵌在欠壓封鎖電路中的一個睡眠比較器就會將整個芯片關閉，使其處于休眠狀態(tài)，從而使該芯片的輸入電源電流減小到50，使其采用電池供電變?yōu)榭赡躘16]。</p><p>　　3.1.1UC3573的性能及技術參數(shù)</p><p><b>　　一．主要性能：</b></p><p>　　1．可以構(gòu)成一個僅需

87、一個小電感的BUCK型降壓式DC\DC變換器</p><p>　　2．具有一個能夠驅(qū)動外部PMOS功率開關的驅(qū)動器</p><p>　　3．包含一個UVLO欠壓封鎖電路</p><p>　　4．包含一個周期性脈沖限流電路</p><p>　　5．具有50微安的睡眠工作狀態(tài)</p><p><b>　　二．技術

88、參數(shù)</b></p><p><b>　　1．電性能參數(shù)，</b></p><p>　　UC3573的點電性能參數(shù)見下表</p><p>　　對于Ta=---+70以及VCC=5V，Ct=680pF，Ta=Tj的條件下測得</p><p>　　2．UC3573重要參數(shù)的極限值見下表</p>&l

89、t;p>　　注：表中電流正值為輸入電流，負值為吸收電流。</p><p>　　3.1.2管腳引線功能介紹</p><p>　　1腳（EAINV），誤差放大器的反相輸入端，輸出電壓的采樣反饋信號應連接到該端，誤差放大器的正相輸入端電壓被內(nèi)置成3Vref/2，當該端的電壓被外置成高于2.6V的電壓時，該芯片進入休眠省電狀態(tài)。</p><p>　　2腳（EAOUT）

90、，誤差放大器的輸出端。構(gòu)成應用電路是該端與EAINV端應通過外部連接一個補償網(wǎng)絡</p><p>　　3腳（CS）峰值電流限制采樣輸入端。峰值電流采樣信號是來自于跨越在Vcc與PMOS功率開關源極之間的電流采樣電阻上的電壓信號，當該電壓信號超過0.4V時，該芯片的驅(qū)動輸出端將輸出高電平，使PMOS功率開關保持關斷狀態(tài)。</p><p>　　4腳（Vcc），輸入電源電壓端。</p>

91、;<p>　　其輸入電源電壓范圍是4.75V~30V。構(gòu)成應用電路時，為了增加可靠性和穩(wěn)定性，該端到地應接一個等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，</p><p>　　5腳(OUT)，柵極驅(qū)動器輸出端。構(gòu)成電路時，與一個外部PMOS功率開關的柵極直接相連，外部PMOS功率開關有可能連接于Vcc與反極電感之間，也可能連接與Vcc與GND之間</p><p>　　6腳（GND）公

92、共接地端</p><p>　　7腳（RAMP）脈寬調(diào)制器的振蕩器和斜坡發(fā)生器的輸出端。構(gòu)成電路時，該端到GND端應外接一個定時電容，該電容與振蕩頻率之間的關系式為</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　振蕩器的頻率一般應在10—200kHZ之間選擇。</p><p>　　8腳（3Vref）芯

93、片內(nèi)部3V高精度基準電壓的輸出端。構(gòu)成應用電路時，該端到GND之間應外接一個等效串聯(lián)電阻和電感均較小的濾波電容，容量應在100nF以上，以消除內(nèi)部的高頻竄擾。</p><p>　　UC3573的外形圖。</p><p>　　圖3-1為UC3573外部管腳圖</p><p>　　UC3573各引出端輸出波形時序圖。</p><p>　　圖3-2

94、 UC3573各端輸出波形時序圖</p><p>　　UC3573的內(nèi)部原理方框圖。</p><p>　　圖3-3 UC3573內(nèi)部原理圖</p><p><b>　　3.2電路設計</b></p><p>　　3.2.1UC3573控制的BUCK主電路圖</p><p>　　圖3-4 IC U

95、C3573 控制的BUCK主電路</p><p><b>　　要求技術指標： </b></p><p>　　輸入電壓：24V, 輸出電壓：12V, 輸出電流：2A，輸出電壓紋波值取1%, f=100kHZ</p><p>　　3.2.2主要參數(shù)的計算</p><p><b>　　1．電感量的計算</b&g

96、t;</p><p>　　式中為t0時刻儲能電感L中的電流。在t1時刻，也就是驅(qū)動信號正半周要結(jié)束的時刻，儲能電感L中的電流上升到最大值，其最大值為：</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　儲能電感L中電流的變化量為：</p><p><b>　?。?-2）</b>&l

97、t;/p><p>　　在3-2式中當t=t0時，儲能電感L中的電流變化量為最大，其最大變化量為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　功率開關管V的截止期：</p><p>　　在tOFF=t2-t1期間，功率開關管V截止，但在t1時刻，由于功率開關管V剛剛截止，并且儲能電感L中的電流不能突變

98、，于是L兩端產(chǎn)生了與原來電壓極性相反的自感電動勢。此時續(xù)流二極管VD開始正向?qū)?，儲能電感L所儲存的磁能將以電能的形式通過續(xù)流二極管VD和負載電阻RL開始泄放。這里的二極管VD起著續(xù)流和補充電能的作用，這也正是它別成為續(xù)流二極管的原因。儲能電感L所泄放的電流IL2的波形就是鋸齒波中隨時間線性下降的那一段電流波形[17]。為了簡化計算，將續(xù)流二極管VD的導通壓降忽略不計，因而儲能電感L兩端的電壓近似為U0,所通過的電流由下式計算。<

99、/p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　在t=t2時，儲能電感L中的電流達到最小值IL max，其最小值有下式計算</p><p><b>　?。?- 5）</b></p><p>　　有式3-4和3-5可以求出在功率開關管V截止期間，儲能電感;L中的電流變化值為：</p

100、><p><b>　　（3- 6）</b></p><p>　　功率開關管V導通期與截止期能量轉(zhuǎn)換的條件：</p><p>　　只有當功率開關管V導通期間tON內(nèi)儲能電感L增加的電流等于功率開關管V截止期間tOFF內(nèi)減少的電流時功率開關管V才能達到動態(tài)平衡，才能保證儲能電感L中一直有能量，才能保證源源不斷的向負載電路提供能量和功率。這就是構(gòu)成一個穩(wěn)

101、壓電源的基本條件，因此下面關系式一定成立</p><p><b>　?。?- 7）</b></p><p>　　將3-7整理得到輸出電壓U0與輸入電壓Ui之間的關系為：</p><p><b>　?。?- 8）</b></p><p>　　D為占空比。由于占空比D永遠是一個小于1的常數(shù)，因此輸出電壓

102、U0永遠小于輸入電壓Ui。這就是降壓型開關電源輸入、輸出電壓之間的關系。</p><p>　　由于臨界電感量的定義可知功率開關截止的瞬間能使則臨界電感量為：</p><p><b>　?。?- 9）</b></p><p>　　要L工作在連續(xù)的狀態(tài)則有：</p><p><b>　?。?-10）</b&g

103、t;</p><p>　　2.輸出濾波電容的計算</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　3.功率開關管的選擇</p><p>　　(1)的導通飽和壓降Uces越小越好</p><p>　　(2)功率開關管截止時的反向漏電流Ico越小越好</p><

104、;p>　　(3)功率開關管的高頻特性要好</p><p>　　(4)開關時間短，也就是轉(zhuǎn)換時間快</p><p>　　(5)功率管的輸出端連接的是儲能電感L，因此在V的截止期間，其基極-射極之間的反向耐壓就等于儲能電感上的反向電動勢與輸出電壓值U0之和，近似等于2U0[18]。因此所選擇的功率開關管的反向擊穿電壓應該滿足下式：</p><p><b>

105、;　?。?-12）</b></p><p>　　功率開關選用P溝道的功率MOSFET。最大輸入電壓24V，因而額定值要大于30V。峰值電流為2.8A，同時為了使損耗小于1W，所以</p><p><b>　　（3-13）</b></p><p>　　4．流二極管的選擇[19]要符合下列條件：</p><p>

106、　?。?）正向額定電流必須大于或等于功率開關管的最大集電極電流即應該大于負載電阻上的電流。</p><p>　　（2）VD的反向耐壓值必須大于輸入電壓值。</p><p>　　（3）為了減小轉(zhuǎn)換紋波電壓，VD應該選擇反向恢復速度快和導通速度快的肖特基二極管。</p><p>　?。?）為了提高整機的轉(zhuǎn)換效率，減小內(nèi)部損耗，一定要選擇正向?qū)▔航档偷男ぬ鼗O管。&l

107、t;/p><p><b>　　5．作頻率CT</b></p><p>　　參考數(shù)據(jù)手冊，開關的頻率為：</p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　?。ㄈ∽罱咏闹?80pF）</p><p><b>　　6．流檢測電阻R1</b>&

108、lt;/p><p>　　這種IC的保護方式是逐周電流檢測，當電流信號超過0.47V的閥值時，就立刻關斷功率開關[20]。</p><p>　　在最大的電流峰值與保護的電流閥值之間留了25%的裕度（保護值1.252.8A=3.5A）</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　7．壓檢測電阻分壓網(wǎng)絡&

109、lt;/p><p><b>　　（3-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　　4 保護電路</b></p><p>　　4.1本質(zhì)安全BUCK變換器輸出保護電路</p><p>　　當BUCK變換器的輸出

110、端發(fā)生意外時，如果不能及時的徹底關斷電源輸出端得能量來源，則其產(chǎn)生的電火花的能量就會持續(xù)得到補充，很容易引爆易燃、易爆氣體，從而不能滿足本質(zhì)安全或防爆要求。因此必須在開關電源中采用輸出保護電路，迅速徹底截斷電源向短路處輸送能量。本質(zhì)安全BUCK變換器對輸出故障的保護提出了更為苛刻的要求：一方面，出現(xiàn)故障時能快速、徹底關斷變換器的輸入電源部分，截斷故障能量的“源”，有效抑制故障能量的增加；另一方面，還有要求保護電路必須是可恢復型，即一旦故

111、障消除能自動恢復正常工作[21]。</p><p>　　給出BUCK變換器輸出保護電路之前，先對經(jīng)典的本質(zhì)安全電源輸出保護電路做詳細分析，如4-1圖所示，當本質(zhì)安全電源負載短路時，輸出直流電壓Vi將全部加在調(diào)整管的兩端，而且此時通過調(diào)整管的電流也相當大[22]，所以消耗在調(diào)整管的功率還是很可觀的。如果按這種條件來選擇調(diào)整管，勢必要求其容量的額定值比正常情況大幾倍，所以在容量較大的電路中，希望一旦發(fā)生過載或短路，輸

112、出電壓和電流都能下降到腳底的數(shù)值，即要求其輸出特性如4-2圖所示。</p><p>　　圖4-1 截流式保護電路圖</p><p>　　具有如圖3-6圖所示的保護電路稱為截流式保護電路，工作原理為：電路中RS為電流取樣電阻，利用穩(wěn)壓二極管VZ1產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電壓，當RS兩端的電壓達到給定值時對進行分流，從而實現(xiàn)對輸出電流的控制。固定電壓經(jīng)</p><p>　　和分壓

113、后接到晶體管的基極，而輸出電壓經(jīng)和分壓后接到其發(fā)射極，電路取樣電阻接到和之間。</p><p>　　在正常工作時，電阻RS兩端的電壓較低，此時，晶體管處于截止狀態(tài)。當增加時，也增加，若其增加到使得導通后，將有如下的反饋過程。</p><p>　　顯然這是一個正反饋過程，于是和不斷增加使得迅速進入飽和狀態(tài)，此時輸出電壓為，其中一般選定為1V左右，等于臨界導電值，而值很小所以當保護電路動作以后