開關電源課程設計--開關電源電路設計

1、<p>　　題 目 _______________________________</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　任務書·················&#

2、183;·····························2</p><p>　　一、開關電源主電路的設計及參數(shù)計算&

3、#183;··················4</p><p>　　1.主電路的選型············

4、83;························4</p><p>　　2.變壓器設計計算······

5、3;····························8</p><p>　　3.開關器件的選擇···

6、;·······························10</p><p>　　4.整流二極管的

7、選擇································11</p><p>　　二

8、、開關電源控制電路的設計··························12</p><p>　　1.控制電路的組成···

9、·······························12</p><p>　　2.控制模式的選擇

10、··································13</p>&l

11、t;p>　　3. PWM集成控制器的選擇··························13</p><p>　　4. 控制電路的整體設計

12、3;····························15</p><p>　　三、附錄···

13、83;····································&

14、#183;···</p><p>　　四、參考文獻····························

15、············</p><p>　　開關電源技術課程設計</p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　目前開關電源的使用對象涵蓋了包括空間技術、計算機、通信、儀器儀表、汽車電子、照明電器及家用

16、電器等領域，幾乎可以說是只要有電子產品的地方就有開關電源的用武之地。本文以主電路元器件、變壓器的計算和選型，以及控制電路設計。</p><p>　　等介紹開關電源電路。</p><p>　　關鍵字：主電路的選型、變壓器設計計算、開關器件及整流二極管、濾波電容的計算</p><p><b>　　一、課程設計的目的</b></p>&

17、lt;p>　　通過開關電源技術的課程設計達到以下幾個目的：</p><p>　　1、培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。</p><p>　　2、培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。</p><p>　　4、培養(yǎng)學生運用仿

18、真工具的能力和方法。</p><p><b>　　二、課程設計的要求</b></p><p><b>　　1. 題目</b></p><p><b>　　開關電源電路設計</b></p><p><b>　　主要技術數(shù)據(jù)</b></p>&l

19、t;p>　　1、單相交流輸入電壓AC95~270V；</p><p>　　2、直流輸出電壓5V；</p><p><b>　　3、輸出電流3A；</b></p><p>　　4、輸出紋波電壓≤0.2V；</p><p>　　5、工作溫度：0~40ºC</p><p><b&g

20、t;　　注意事項：</b></p><p>　?、賹W生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它開關電源電路設計。</p><p>　　② 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容。設計裝置（或電路）的主要技術數(shù)據(jù)。</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源基本原理框圖</p

21、><p><b>　　設計內容：</b></p><p>　　1）、開關電源主電路的設計及參數(shù)計算。（主電路的選型、變壓器設計計算、開關器件及整流二極管、濾波電容的計算等）注意：開關頻率的選擇</p><p>　　2）、開關電源控制電路的設計。（控制電路組成、控制模式的選擇、PWM集成控制器的選擇、控制電路的整體設計）</p><

22、;p>　　3）、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖</p><p>　　在整個設計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。</p><p>　　在整個設計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力</p><p>　　要求學生在

23、教師的指導下，獨力完成所設計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型）</p><p>　　課題設計的主要內容是</p><p>　　主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件、變壓器的計算和選型，以及控制電路設計。</p><p>　　課程設計用紙和格式統(tǒng)一</p><p>　　課程設計用紙在學校印刷廠統(tǒng)一購買和裝訂，封面為

24、學校統(tǒng)一要求。要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。</p><p>　　三、課程設計報告基本格式</p><p><b>　　目錄內容：</b></p><p>　　1. 設計的基本要求（給出所要設計的裝置的主要技術數(shù)據(jù)和設計裝置要達到的要求（包括性能指標），最好簡述所設計裝置的主要用途）</p><p>　　2. 總體方

25、案的確定</p><p>　　3. 開關電源主電路的設計及計算。（主電路的選型、變壓器設計計算、開關器件及整流二極管、濾波電容的計算等）</p><p>　　4. 開關電源控制電路的設計。（控制電路組成、控制模式的選擇、PWM集成控制器的選擇、控制電路的整體設計）</p><p>　　5. 附錄（主電路、控制電路、驅動電路整體圖）</p><p&

26、gt;<b>　　6. 參考文獻</b></p><p>　　一、開關電源主電路的設計及參數(shù)計算</p><p><b>　　1、主電路的選型</b></p><p>　　開關電源的電路結構眾多，其中適合小功率電源使用的有正激型、反激型和半橋型，適合大功率電源的有正激型、半橋型和全橋型。一般來說，小功率電源（1～100W）

27、宜采用電路簡單、成本低的反激型電路；電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質量惡劣、輸出短路頻繁時，則應采用正激型電路；對于功率大于500W，工作條件較好的電源，則采用半橋型或全橋型電路較為合理；如果對成本要求比較嚴，可以采用板橋型電路；如果功率很大，則應采用全橋型電路；推挽型電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。</p><p>　　由于設計要求直流輸出電壓為5V，輸出電流為3A，輸出功率小于1

28、00W，所以使用反激型電路。</p><p>　　反激（Flyback）型電路的結構如圖（1-19a）所示。反激型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式。</p><p>　　電流連續(xù)工作模式在一個開關周期經(jīng)歷2個開關狀態(tài)，電路中波形如圖（1-22）所示。</p><p>　　t0～t1時段：電路處于開關狀態(tài)1，S開通以后，VD處于斷態(tài)，繞組W1中的電流線性增長，其

29、電感儲能增加；</p><p>　　t1～t2時段：電路處于開關狀態(tài)2，S關斷后，繞組W1中的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和二極管VD向輸出端釋放。</p><p>　　電流斷續(xù)工作模式在一個開關周期內相繼經(jīng)歷3個開關狀態(tài)。電路中的波形如圖（1-21）所示。</p><p>　　t0～t1時段：電路處于開關狀態(tài)1，S開通后，二極管VD處于斷態(tài)，繞組W1

30、的電流線性增長，電感儲能增加；</p><p>　　t1～t2時段：電路處于開關狀態(tài)2，S關斷后，繞組W1中的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和二極管VD向輸出端釋放，直到t2時刻，變壓器中的磁場能量釋放完畢，繞組W2中電流下降到零，VD關斷；</p><p>　　t2～t3時段：電路處于開關狀態(tài)3，繞組W1和W2中的電流均為零，電容C向負載提供能量。</p>&l

31、t;p>　　圖1-20是反激式變壓器開關電源，工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，整流輸入電壓uo、負載電流Io，變壓器鐵芯的磁通 ，以及變壓器初、次級電流等波形。圖1-20-a）中，變壓器次級線圈輸出電壓uo是一個帶正負極性的脈沖波形，一般負半周是一個很規(guī)整的矩形波；而正半周，由于輸出脈沖被整流二極管限幅，當開關電源工作于連續(xù)電流或臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，輸出波形基本也是矩形波。。因此，在Ton期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由剩磁S?Br向最大

32、磁通S?Bm方向變化；而在Toff期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由最大磁通S?Bm向剩磁S?Br方向變化。圖1-20-c），是反激式變壓器開關電源工作于臨界電流狀態(tài)時，變壓器初、次級線圈的電流波形。圖中，i1為流過變壓器初級線圈中的電流，i2為流過變壓器次級線圈中的電流（虛線所示），Io是流過負載的電流（虛線所示）。在控制開關接通期間，變壓器鐵芯被初級線圈電流磁化；在控制開關關斷期間，變壓器鐵芯被被次級線圈電流退磁，并向負載輸出電流。從圖

33、1-20-c）還可以看出，流過變壓器初、次級線圈中的電流是可以突跳的。變壓器初級線圈電流的最大值正好等于變壓器次級線圈電流最大值的n倍</p><p><b>　　2、變壓器設計計算</b></p><p>　　變壓器是開關電源中的核心元件，許多其他主電路元器件的參數(shù)設計都以來于變壓器的參數(shù)，因此應首先進行變壓器的設計。</p><p>　　變

34、壓器磁芯的選擇如果工作效率是88.2%，則變壓器的傳輸功率為=17w</p><p>　　由于許多因素，例如磁芯材料特性，變壓器形狀（主要是表面積對體積的比率）、表面的熱輻射、允許溫度、工作環(huán)境無法把傳輸功率與變壓器的大小簡單的聯(lián)系起來。</p><p><b>　　計算</b></p><p>　　原邊繞組開關晶體管的最大到同時間對應在最低輸

35、入電壓和最大負載時發(fā)生。假設D==0.5。工作頻率60KHz。===16.6us=D=0.516.6=8.3us</p><p>　　計算最低直流輸入電壓</p><p>　　設當變換器在最低線路輸入電壓時發(fā)生滿載工作。計算它的輸入端的直流電壓。對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓的有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。 </p><p>　　選擇

36、工作時的磁通密度值</p><p>　　已知，選用PC40EE13-Z的鐵芯磁路的有效面積=17對于一般形狀的鐵芯，當工作在60KHz的頻率，80%的飽和值：</p><p><b>　　計算原邊匝數(shù)</b></p><p>　　因為作用電壓是一個方波，一個導通器件的伏秒值與原邊匝數(shù)的關系</p><p><b&g

37、t;　　==192.1匝</b></p><p><b>　　計算副邊匝數(shù)</b></p><p>　　設整流二極管的壓降是0.7v，繞組壓降為0.6v，則原邊繞組壓降電壓值為15+0.7+0.6=16.3v原邊繞組每匝伏數(shù)==副邊繞組匝數(shù)為=匝</p><p>　　確定氣隙大小及氣隙計算</p><p>　

38、　帶氣隙的磁芯在一個更大的磁場強度H值下才會產生磁飽和，因此磁芯可經(jīng)受一個更大的直流成分；另外，當H=0時，更小，磁芯的磁感應強度B有一個更大的可用工作范圍。最后，有氣隙時，磁導能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小。但氣隙的存在減少了磁芯里直流成分的所產生的磁通==2.12mH==0.69mm</p><p>　　3. 開關器件的選擇</p><p>　　變壓器設計完畢以后就可

39、以設計開關電源了，首先計算開關器件的電流。他的平均值可以有輸出功率與傳輸效率來得出、還有原邊電壓共同得出變壓器公式為I===0.138A。設計算完峰值電流后，接下來計算MOSFET能承受的最大反向電壓。</p><p>　　4、整流二極管的選擇</p><p>　　在整流時整流二極管的所承受的最大電壓可由最大輸入電壓求出，題目中所給的為最大輸入電壓270v，這個為有效值，這里不能用有效值來

40、算需要乘以所以經(jīng)過網(wǎng)上資料的查詢有以下幾種型號的整流二極管的，其中每個整流二極管的基本參數(shù)如圖</p><p>　　經(jīng)過簡單分析就可以看到，應該選擇型號為IN4004的整流二極管，此型號的整流二極管的最高反向峰值電壓為400v，正向壓降為1.0v，在輸入95~270v的情況下是可以忽略的。所以型號為IN4004是符合設計要求的，這里用單相橋式整流的方法需要4個此型號的整流二極管。</p><p

41、>　　二、開關電源控制電路的設計</p><p>　　開關電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關器件的工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴重后果，使整個電源停止工作或損壞。電源的很多指標，如穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、紋波、輸出特性等也都同控制電路相關。</p><p><b>　　1、控制電路的組成</b></p>

42、<p><b>　　a.驅動電路</b></p><p>　　驅動電路是控制電路與主電路的接口，同開關電源的可靠性、效率等性能密切相關。驅動電路需要有很告的快速性，能提供一定的驅動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。</p><p><b>　　b.調節(jié)器電路</b></p><p>　　調節(jié)器的作用是將

43、給定量和反饋量進行比較和運算，得到控制量。調節(jié)器的核心是運算放大器。</p><p><b>　　c.并機均流電路</b></p><p><b>　　d.保護電路</b></p><p>　　保護電路具備自身保護和負載保護兩方面功能。</p><p>　　自我保護功能有：輸入過電壓，輸入欠電壓，系

44、統(tǒng)過熱，過電流等。</p><p>　　負載保護功能有：輸出過電壓，輸出欠電壓等。</p><p><b>　　e.PWM控制電路</b></p><p>　　通常集成PWM控制器將誤差電壓放大器、振蕩器、PWM比較器、驅動、基準源、保護電路等常用開關電源控制電路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成電路：</p><p>

45、;　　基準源：用于提高穩(wěn)定的基準電壓，作為電路中的給定的基準。</p><p>　　振蕩器：產生固定頻率的時鐘信號，以控制開關頻率。</p><p>　　誤差電壓放大器（EA）：實際上就是一個運算放大器，用來構成電壓或電流調節(jié)器。</p><p>　　PWM比較器：將調節(jié)器輸出信號轉換成PWM脈沖的占空比，不同的控制模式有著不同的轉換方式，電壓模式的集成控制中，常采

46、用有振蕩器的產生的鋸齒波同比較的方式，電流模式控制當中，采用同電感電流瞬時值相比較。分頻器用于將單一的PWM脈沖序列分成兩路戶不對稱的PWM脈沖序列，用于雙端電路的控制。</p><p>　　驅動電路：通常為推挽結構的跟隨電路，用來提供足夠的驅動電壓，以便有效的驅動主電路的開關。</p><p>　　欠電壓保護：對集成的PWM控制電路的電源實施監(jiān)控，一旦電源跌落至閥值以下時，就封鎖輸出驅動

47、脈沖，以避免電源掉電過程中，輸出混亂的脈沖信號而造成開關器件的損壞。封鎖電路：由外部信號控制，一旦有外部信號觸發(fā)，立即封鎖輸出脈沖信號，給外部電路提供了一個可控的封鎖信號。</p><p><b>　　2、控制模式的選擇</b></p><p>　　開關電源中的控制方式，總的來說可以分成電壓模式和電流模式兩大類。</p><p>　　電流控制模

48、式控制的優(yōu)點</p><p>　　系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，穩(wěn)定域擴大。</p><p>　　系統(tǒng)的動態(tài)特性改善。</p><p>　　具有快速限制電流的能力。</p><p>　　3、PWM集成控制器的選擇</p><p>　　由于采用峰值電流模式控制，所以選擇UC3842作為PWM集成控制器。UC3842是美國Unitro

49、de公司生產的一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片，是專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。其主要優(yōu)點是電壓調整率可以達到0.01%，工作頻率高達500 kHz，啟動電流小于1 mA，外圍元件少。它適合做20 W～80 W的小型開關電源。其工作溫度為0 ℃～70℃，最高輸入電壓30 V，最大輸出電流1 A，能驅動雙極型功率管和MOSFET。UC3842采用DIP-8形式封裝。其內部結構框圖和各引腳的功能見有關手冊。<

50、;/p><p>　　UC3842的典型應用電路如圖3所示。</p><p>　　該電路的工作原理是：直流電壓加在Rin上，降壓后加在UC3842的引腳7上，為芯片提供大于16 V的啟動電壓，當芯片啟動后由反饋繞組提供維持芯片正常工作需要的電壓。當輸出電壓升高時，單端反激變壓器Tl的反饋繞組上產生的反饋電壓也升高，該電壓經(jīng)R1和R3組成大分壓網(wǎng)絡，分壓后送入UC3842的引腳2，與基準電壓比較后

51、，經(jīng)誤差放大器放大，使UC3842引腳6的驅動脈沖占空比減小，從而使輸出電壓降低，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。</p><p>　　4、控制電路的整體設計</p><p>　　電壓采樣及反饋電路由光耦PS2701、TL431和阻容網(wǎng)絡組成，圖中R5和C5用于TL431的頻率補償，不能缺少。通過調節(jié)由R6，R7組成的分壓網(wǎng)絡后得到采樣電壓，該采樣電壓與三端可調穩(wěn)壓塊TL431提供的2.5 V基準

52、電壓進行比較，當輸出電壓正常時，采樣電壓與TT431提供的2.5 V電壓基準相等，則TL431的K極電位保持不變，從而流過光耦U3二極管的電流不變，進而流過光耦CE的電流也不變，UC3842引腳2的反饋電位Uf保持不變，則引腳6輸出驅動的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設定值不變。當輸出5 V電壓因為某種原因升高時，分壓網(wǎng)絡上得到的輸出電壓采樣值會隨之升高，從而TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，進而流過CE的電流增大，從而U

53、C3842的引腳2的電位升高。　</p><p>　　在正常的工作條件下，峰值電感電流由引腳1上的電壓控制，其中：</p><p>　　當電源輸出過載或者輸出取樣丟失時，異常的工作條件將出現(xiàn)，在這些條件下，電流比較器的門限被內部鉗位至1.0 V，則</p><p>　　而開關電源初級線圈最大峰值電流為短路保護時變壓器初級線圈流過的最大電流：</p>

54、<p>　　式中：IP為初級線圈電感電流;Pout為開關電源設計輸出功率;Vin為開關電源輸入電壓;D為PWM的輸出信號占空比;N為電源效率。</p><p>　　根據(jù)式（2）、式（3）可以推算：</p><p>　　根據(jù)計算得出的Rs阻值可以進一步計算出電流取樣電阻的功率：</p><p>　　選定電流取樣電阻后，需要通過一個L型的RC低通濾波網(wǎng)絡，將

55、這個采樣信號送給UC3842的電流比較器。L型RC低通濾波網(wǎng)絡的上限截止頻率為：</p><p>　　從低通濾波器的對數(shù)幅頻特性可知，當輸入信號頻率低于fh時，輸出信號與輸人信號幾乎完全相同;當輸入信號頻率高于fh時，輸出信號會大幅度衰減。</p><p><b>　　三、附錄</b></p><p><b>　　四、參考文獻<

56、/b></p><p>　　[1] 周志敏．開關電源的分類及應用[M]．電子工業(yè)大學出版社，2001，11：36-39．</p><p>　　[2] 王英劍，常敏慧，何希才．新型開關電源實用技術[M]．電子工業(yè)出版社，1999，4．</p><p>　　[3] 李希茜．高頻變壓器的設計[ J ]．現(xiàn)代電子技術，2001，9 ：7-8．</p>&