電源開關(guān)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　前言</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人的工作、生活的關(guān)系日益密切，電力電子設(shè)備都離不開可靠的電源。進(jìn)進(jìn)20世紀(jì)8O年代，計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代；進(jìn)進(jìn)20世紀(jì)9O年代，開關(guān)電源相繼進(jìn)進(jìn)各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域或程控交換機(jī)、通訊、電力檢測設(shè)備，控制設(shè)備電源都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電

2、源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子技術(shù)控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制IC和MOSFET構(gòu)成?！　￠_關(guān)電源和線性電源相比，二者都隨著輸出率關(guān)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為本錢反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，本錢反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低翰出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小犁

3、化，拜使開關(guān)電源進(jìn)進(jìn)更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用，在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)思路及框圖</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)總體思路</b></p><p>　　輸入——E

4、MC等濾波——整流（也就一般的AC/DC類似全橋整流模塊）——DC/DC模塊（全橋式DC—AC—高頻變壓器—高頻濾波器—DC,）——輸出。系統(tǒng)可以劃分為變壓器部分、整流濾波部分和DC-DC變換部分，以及負(fù)載部分，其中整流濾波和DC-DC變換器構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成部分。整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。直流/直流轉(zhuǎn)換電路,是整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分

5、。</p><p>　　1.2開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理框圖</p><p>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理如圖1-1所示。</p><p>　　交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?#160; 控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要

6、由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。</p><p>　　圖1-1 開關(guān)穩(wěn)壓電源基本原理框圖</p><p><b>　　電路設(shè)計(jì)及原理分析</b></p><p><b>　　2.1單元電路

7、設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1整流濾波電路</p><p>　　圖2-1 輸入整流濾波電路</p><p>　　電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑，在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電

8、網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。 交流輸入220V時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的

9、輸入軟啟動(dòng)電路。電路如圖2-1所示：</p><p>　　2.1.2反激式變換器</p><p>　　根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)形式的不同，脈寬式變換器可分為：正激式、反激式、半橋式、全橋式、推挽式和阻塞式。 所謂反激式是指變壓器的初級極性與次級極性相反。反激式變換效率較高，線路簡單，能多路輸出。</p><p>　　當(dāng)開關(guān)管VT截止時(shí)，變壓器初級所積蓄的電能向次級傳送，這時(shí)變

10、壓器的次級繞組下端為負(fù)，上端為正，二極管VD正向?qū)?，?dǎo)通電壓經(jīng)過電容C濾波后向負(fù)載RL供給電能。當(dāng)變壓器的初級儲(chǔ)存的電能釋放到一定程度后，電源電壓Vin通過變壓器的初級繞組N1向三極管VT的集電極充電，N1又開始儲(chǔ)能。V1上升到一定程度后，三極管VT截止，又開始新一輪放電。在充電周期，變換器的輸出電壓為Vo=Vin *D*（N1/N2）。變換器電路如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 變換器電路<

11、;/p><p>　　2.1.3 TL431</p><p>　　圖2-3 TL431基本原理圖 </p><p>　　TL431相當(dāng)于一只可調(diào)節(jié)的齊納穩(wěn)壓二極管，輸出電壓由外部的R1,R2來設(shè)定，Vo=VKA=(1+R1/R2)*VREF 。R3是限流電阻，VREF是常態(tài)下的基準(zhǔn)穩(wěn)壓端。 圖 所示是TL431的等效電路，它主要由誤差放大器A 、外接電阻分壓器

12、上所得到的取樣電壓、2.5V基準(zhǔn)穩(wěn)壓源Vref 、NPN型晶體管VT（用以調(diào)節(jié)負(fù)載電流）和保護(hù)二極管VD（防止A、K極性相反）組成。 當(dāng)輸出電壓Vo上升時(shí)，取樣電壓VREF也隨之上升，使取樣電壓大于基準(zhǔn)電壓Vref 致使晶體管VT導(dǎo)通，其集電極電位下降，即輸出電壓Vo下降。TL431的基本原理圖分別如圖2-3所示：</p><p>　　2.1.4 MC33374</p><p>　　MC3

13、3374采用8引腳雙列直插式封裝（DIP-8）或五腳TO-220式封裝管腳排列。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括九個(gè)部分：振蕩器、并聯(lián)調(diào)整器\誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器、電流極限比較器及功率開關(guān)管、啟動(dòng)電路、欠壓鎖定電路、過熱保護(hù)電路和狀態(tài)控制器。MC33374內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，其各管腳功能說明如下：</p><p>　　管腳1（VCC）：工作電源電壓輸入端。在啟動(dòng)芯片時(shí)，必須通過管腳5（D）給該管腳供給1

14、0V以下的工作電壓。當(dāng)VCC>8.5V（工作閥值電壓）時(shí)，啟動(dòng)電路中的MOS場效應(yīng)管立即關(guān)斷，而功率開關(guān)管開始工作，從高頻變壓器次級線圈上即可獲得正常輸出電壓，此時(shí)改由反饋給芯片供電。一旦電源發(fā)生過載或短路故障，致使VCC<7.5V(欠壓閥值電壓)，功率開關(guān)管就關(guān)斷，而共啟動(dòng)用的MOS場效應(yīng)管則工作，芯片進(jìn)入自啟動(dòng)工作模式。</p><p>　　管腳2（FB）：反饋輸入端。該端經(jīng)內(nèi)部15Ω電阻接誤差放

15、大器的反向輸入端，能周期性的控制功率開關(guān)管的通斷。反饋的上下閥值電壓分別為8.5V 7.5V，有1V的滯后電壓。此端通常與VCC端連通，并且接反饋線圈的輸出電壓。顯然，反饋電壓值就就反映了開關(guān)電源輸出電壓的高低。反饋線圈的輸出電壓，經(jīng)高頻整流濾波后形成反饋輸出電壓，再通過光耦合器中的光敏三極管接反饋端。光耦合器的發(fā)射管接在取樣電路中。反饋端經(jīng)過R3，C5接地。C5具有三個(gè)作用：（1）啟動(dòng)電路定時(shí)電容；（2）兼做補(bǔ)償電容，與R3一起對

16、反饋環(huán)路進(jìn)行頻率補(bǔ)償；（3）作為工作電壓VCC的旁路電容，在啟動(dòng)過程中對C5充電，建立VCC。</p><p>　　管腳3（GND）：接地。該端是控制電路與功率開關(guān)管的公共地，給元件加裝散熱器時(shí)兼作為散熱器的地端。</p><p>　　管腳4（state control input，SCI）：狀態(tài)控制輸入端。它也是一個(gè)多功能的引出端，只需配少量的外圍元器件，就能用多種方式來控制變換器的開關(guān)

17、狀態(tài)。它所具有的六種狀態(tài)控制如下：（1）利用按鍵觸發(fā)方式來選擇工作模式或備用模式；（2）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；（3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護(hù)電路，使之在工作模式裝換過程種不會(huì)引起開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；（4）利用數(shù)字信號進(jìn)行控制；（5）配上電延時(shí)電路；（6）禁止對狀態(tài)控制器進(jìn)行操作。</p><p>　　管腳5(power switch drain,D)：功率開關(guān)管漏極引出端。該端能直接驅(qū)動(dòng)高頻變壓器的初級。此

18、外，它還與內(nèi)部啟動(dòng)用mos場效應(yīng)管的漏極相連。</p><p>　　整流橋VD1~VD4采用4只1N5406型3A/600V的硅整流管。初級保護(hù)電路由RC吸收電路(R2、C2 ) 鉗位電路（ VDZ、VD5 ）構(gòu)成，能有效的抑制因高頻變壓器存在漏感而產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù)內(nèi)部功率開關(guān)管不受損壞。VDz采用P6KE200A型瞬變電壓抑制二極管（TVS）,其反相擊穿電壓UB=200V， VD5選用的是MUR160型

19、超快恢復(fù)二極管（SRD）。</p><p>　　C5為VCC的旁路電容。S為控制開關(guān)穩(wěn)壓電源通斷狀態(tài)的按鍵。S上串接R7后，能提高模式轉(zhuǎn)換的可靠性。VD6與C6組成反饋線圈輸出端的高頻整流濾波器。</p><p>　　次級高頻整流管采用大電流，低壓降的肖特基二極管，型號為MBR20100CT (20A/100V),此管屬于陰極對管，兩個(gè)負(fù)極在內(nèi)部短接，使用時(shí)需將兩個(gè)正極在外部連接，進(jìn)行

20、并聯(lián)。 由C8、C11、L 、C12 、C13組成輸出濾波電路。鑒于濾波電感L的電感量很小，僅為3.3uF而大容量濾波電容C8 、 C11上存在的等效電感L0,會(huì)直接影響到實(shí)際電感量從L 變成L+L0. 因此需要將C8 、 C11 并聯(lián)使用，使L0減小1/2，對L的影響隨之減小。結(jié)構(gòu)如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 MC33374</p><p><b>　　

21、2.1.5反饋電路</b></p><p>　　反饋的基本類型又四種，即基本的反饋電路 改進(jìn)型基本反饋電路 配穩(wěn)壓管的光電耦合反饋電路以及配TL431的精密光電耦合反饋電路。配TL431的精密光電耦合反饋電路在開關(guān)電源中應(yīng)用最多，效果最好，穩(wěn)壓性能最佳。如圖所示，用TL431代替穩(wěn)壓管構(gòu)成外部誤差放大器，對輸出電壓Vo做精細(xì)調(diào)整，組成精密開關(guān)電源，使電壓調(diào)整率和負(fù)調(diào)整率均能達(dá)到0.2%以下。</

22、p><p>　　可調(diào)式精密電源穩(wěn)壓器TL431B構(gòu)成了外部誤差放大器，再與光耦合器MOC8103一起組成光耦反饋電路，反饋電壓UFB加至MC33374的反饋端。其穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出電壓U0發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)R5 R6 分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生外部誤差電壓Ur，再通過光耦合器使第二腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。考慮到高頻變壓器的初次級間耦

23、合電容會(huì)造成供墨干擾，現(xiàn)利用C14加以濾除。C7為控制環(huán)路的補(bǔ)償電容。R4為LED的限流電阻。反饋電路如圖2-6所示。</p><p><b>　　圖2-6 反饋電路</b></p><p>　　2.1.6脈寬調(diào)制器</p><p>　　開關(guān)電源的控制方式主要包括脈寬調(diào)制，脈沖頻率調(diào)制。脈沖頻率調(diào)制是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電

24、壓。交流輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，供給功率開關(guān)管作為動(dòng)力電源。開關(guān)管的基極或場效應(yīng)管的柵極由脈寬調(diào)制器的脈沖驅(qū)動(dòng)。脈寬調(diào)制器由基準(zhǔn)電壓源，誤差放大器，PWM比較器和鋸齒波發(fā)生器組成，如圖所示。開關(guān)電源的輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，放大，然后將其差值送到脈沖調(diào)制器。脈沖調(diào)制的頻率是不變的，當(dāng)輸出電壓Vo下降時(shí)，與基準(zhǔn)電壓比較的差值增加，經(jīng)放大后輸入到PWM比較器，加寬了脈沖寬度。寬脈沖經(jīng)開關(guān)晶體管功率放大后，驅(qū)動(dòng)高頻變壓器

25、，使變壓器初級電壓升高，然后耦合到次級，經(jīng)過二極管整流和電容濾波后，輸出電壓上升，反之亦然。脈寬調(diào)制器電路如圖2-7所示。</p><p>　　圖2-7 脈寬調(diào)制器電路</p><p><b>　　2.2基本原理</b></p><p>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源包括輸入電路、有源調(diào)整、功率轉(zhuǎn)換、輸出電路、控制電路、頻率振蕩發(fā)生器六部分電路。其中輸入電路

26、包含有低通濾波和整流環(huán)節(jié)。交流電壓經(jīng)橋式整流和低通濾波后得到未穩(wěn)壓的直流電壓Vi，此電壓送到有源調(diào)整電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，以提高功率因數(shù)，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率轉(zhuǎn)換是由電子開關(guān)和高頻變壓器來完成，它把高功率因數(shù)的直流電壓變換成受到控制的符合設(shè)計(jì)要求的高頻方波脈沖電壓。輸出電路用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出?？刂齐娐肥馆敵鲭妷航?jīng)過分壓采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大。而頻率振蕩發(fā)生器產(chǎn)生一種高頻波

27、段信號，該信號與控制信號疊加進(jìn)行脈寬調(diào)制，達(dá)到脈沖寬度可調(diào)。其中高頻電子開關(guān)是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的主要單元，在一個(gè)周期內(nèi)，電子開關(guān)的接通時(shí)間ton與一個(gè)周期所占時(shí)間的比值叫做接通占空比D, D=ton/T。 斷開時(shí)間與周期T的比例稱為斷開占空比D’ , D’=toff/T 。接通占空比越大，負(fù)載上的電壓越高，表明電子開關(guān)的接通時(shí)間越長，此時(shí)負(fù)載感應(yīng)電壓較高，工作頻率也較高，能量傳遞速度也快，便于實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的小型化。但是開關(guān)電源中的開關(guān)

28、功率管、高頻變壓</p><p>　　電路指標(biāo)參數(shù)及電路元件參數(shù)</p><p><b>　　3.1電路指標(biāo)參數(shù)</b></p><p>　　1、交流輸入電壓AC95~270V；2、直流輸出電壓15V；3、輸出電流6A；4、輸出紋波電壓≤0.2V；5、輸入電壓在95~270V之間變化時(shí)，輸出電壓誤差≤0.03V；</p>

29、<p><b>　　3.2電路元件參數(shù)</b></p><p>　　表1 元件參數(shù)及數(shù)量表</p><p><b>　　四、電路相關(guān)計(jì)算</b></p><p>　　4.1變壓器參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　輸入電壓為95~270V/50Hz；輸出電壓為為15V、輸出電流為6A。N2是次

30、級繞組，N3是反饋繞組。</p><p>　　（1） 磁心大小的選擇</p><p><b>　　輸出功率：</b></p><p>　　Po=VS2*IS2+VS3*IS3</p><p>　　設(shè)VS3=8V，IS3=0.1A，占空比D=0.5，效率為85%，則</p><p>　　Po=15*

31、6+8*0.5=94W</p><p><b>　　輸入功率 </b></p><p>　　Pi=Po/μ=94/0.85=110W </p><p>　　根據(jù)輸入功率選擇EE30磁芯。</p><p>　　設(shè)工作頻率為f=50KHz，則周期為T=1/f=20(μs)</p><p>　?。?

32、）電子開關(guān)的接通時(shí)間ton</p><p>　　初級繞組開關(guān)晶體管VT1的最大導(dǎo)通時(shí)間對應(yīng)于最低輸入電壓和最大負(fù)載。</p><p>　　ton=D*T =0.5*20=10（μs）</p><p>　?。?）最低直流輸入電壓</p><p>　　當(dāng)變換起在最低輸入電壓下滿載工作時(shí)，計(jì)算它輸入端的直流電壓Vp。對于單相交流電容濾波，直流電壓不

33、會(huì)超過交流輸入有效值的1.3倍，倍壓整流系數(shù)1.9被，則Vp=95*1.3*1.9=247.65V</p><p>　　選擇工作時(shí)的磁通密度△Bac：輸出功率與EE磁芯尺寸的對照表可選用EE30，中心柱的有效面積為115mm2，飽和磁通密度在100攝氏度時(shí)為360mT, 對于一般形狀、材質(zhì)的鐵氧體磁芯，當(dāng)工作在頻率為50kHz時(shí)，磁通密度為飽和值的65%?！鰾ac=360*0.65=234(mT)</p&g

34、t;<p><b>　?。?）原邊匝數(shù)</b></p><p>　　作用電壓為一個(gè)方波，一個(gè)導(dǎo)通期間伏秒值與原邊匝數(shù)的關(guān)系為</p><p>　　式中Np為原邊匝數(shù)；Vp為原邊所加直流電壓；ton 為導(dǎo)通時(shí)間；Ae為鐵芯有效面積（）。</p><p><b>　?。ㄔ眩?lt;/b></p><

35、p><b>　?。?）次級匝數(shù)</b></p><p>　　設(shè)肖特基二極管的管壓降為0.8V, 電感L的壓價(jià)為0.4V，則初級繞組每伏匝數(shù)</p><p>　　n=Vp/Np=247.65/92=2.69(伏/匝)</p><p><b>　　次級繞組匝數(shù)</b></p><p>　　N2=

36、(15+0.8+0.4)/2.69=6(匝)</p><p>　?。?）反饋繞組匝數(shù) </p><p>　　N3=8/2.69≈3（匝）</p><p>　　4.2取樣電路的計(jì)算</p><p><b>　　R2的阻值：</b></p><p>　　其中IF是光電耦合器中發(fā)光二極管的電流在傳輸比C

37、TR為120%時(shí)的標(biāo)稱值。發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度受輸出電壓的控制。</p><p>　　R3、R4的阻值的計(jì)算：</p><p>　　先固定R4為15KΩ，再計(jì)算R3的阻值，</p><p><b>　　， , </b></p><p><b>　　五、總結(jié)和體會(huì)</b></p>

38、<p>　　經(jīng)過這兩周的課程設(shè)計(jì)，我收獲頗豐。這次做的課題是開關(guān)穩(wěn)壓電源，涉及到很多模擬電路方面的知識。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)，讓我對模擬電路的知識又重新系統(tǒng)的溫習(xí)了一遍，讓我對模擬技術(shù)知識有了更深的理解。</p><p>　　由于這次設(shè)計(jì)時(shí)間有點(diǎn)緊，在網(wǎng)上查了很多資料，對這個(gè)課題有了一些初步的認(rèn)識。電源一直都是一個(gè)比較麻煩的課題，所以在這次設(shè)計(jì)中必須更加努力、認(rèn)真。在確定了思路，設(shè)計(jì)出電路原理圖以后，就要經(jīng)過步

39、步計(jì)算以確定各元件的參數(shù)，保證電路能夠達(dá)到課題設(shè)計(jì)的要求。在這次設(shè)計(jì)中，另一個(gè)學(xué)習(xí)到的是使自己對protel有進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，又學(xué)會(huì)了protel中的一些使用方法，也使自己能夠更加熟練的使用protel。在電路設(shè)計(jì)方面還是有很多困難，尤其是在單元電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，計(jì)算參數(shù)必須要有扎實(shí)的模擬技術(shù)的基礎(chǔ)，在這里也讓我自己對模電知識更好更認(rèn)真的復(fù)習(xí)了一次。為自己參加工作奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　還有本次設(shè)計(jì)過程

40、中得到了老師和同學(xué)的支持和幫助，在此表示感謝。</p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用 科學(xué)出版社 何希才 主編</p><p>　　開關(guān)電源設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例 人民郵電出版社 趙同賀 主編</p><p>　　實(shí)用電子電路手冊