電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文單片開(kāi)關(guān)電源及PCB設(shè)計(jì)

1、電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文-單片開(kāi)關(guān)電源及pcb設(shè)計(jì) 目 錄摘 要 iabstract ii第1 章 緒 論 111 概述 112 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)況 113 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì) 2第2章 方案論證 321 概述 322 系統(tǒng)總體框圖 323 工作原理 3231 topswitch-ii的結(jié)構(gòu)及工作原理3232 單片開(kāi)關(guān)電源電路基本原理 5第3章 單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 731 概述 732 單片開(kāi)關(guān)電源參數(shù)的設(shè)計(jì) 733 單片開(kāi)關(guān)電源中電子元器件的選擇 15331 選擇鉗位二極管和阻塞二極管 15332 輸出整流管的選取 18333 輸出濾波電容的選取 19334 反饋電路中整流管的選取 20335

2、 反饋濾波電容的選取 20336 控制端電容及串聯(lián)電阻的選擇 20337 tl431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器的選擇 20338 光耦合器的選擇 21339 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的選擇 23 34 單片開(kāi)關(guān)電源保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 24341 輸出過(guò)電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 24342 輸入欠電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 25343 軟啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 26344 電壓及電流控制環(huán)電路的設(shè)計(jì) 26345 無(wú)損緩沖電路 28346 采用繼電器保護(hù)的限流保護(hù)電路 28347 igbt驅(qū)動(dòng)電路 2935 電磁干擾濾波器的設(shè)計(jì) 29 351 開(kāi)關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理 30 352 開(kāi)關(guān)電源emi的特點(diǎn)emi測(cè)試技術(shù) 355 電磁干擾濾

3、波器的構(gòu)造原理 356 電磁干擾濾波器基本電路及典型應(yīng)用 357 emi濾波器在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用第4章 pcb電磁兼容性設(shè)計(jì) 3641 概述 3642 pcb上元器件布局43 pcb布線44 pcb板的地線設(shè)計(jì)45 模擬數(shù)字混合線路板的設(shè)計(jì)46 pcb設(shè)計(jì)時(shí)的電路措施第5章 單片開(kāi)關(guān)電源印制線路板的設(shè)計(jì) 5151 概述 5152 protel99簡(jiǎn)介 52 53 印制線路板的設(shè)計(jì) 52531 設(shè)計(jì)印制線路板的條件 52532 設(shè)計(jì)印制板的步驟 53533 元件布局 53534 布線 5354 單片開(kāi)關(guān)電源印制線路板的設(shè)計(jì) 55541 單片開(kāi)關(guān)電源原理總圖 55542 單片開(kāi)關(guān)電源pcb設(shè)計(jì)圖

4、55結(jié)束語(yǔ) 56參考文獻(xiàn) 57致 謝 59附 錄 60摘 要電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門(mén)完整的自成體系的高科技技術(shù)電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展而電源技術(shù)的發(fā)展有效地促進(jìn)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的信息技術(shù)的發(fā)展又對(duì)電源技術(shù)提出了更高的要求從而促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平即提高一個(gè)國(guó)家單位能耗的產(chǎn)出水平具有舉足輕重的作用在這方面我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家的差距很大作為一個(gè)電源工作者不僅要設(shè)計(jì)出國(guó)際或國(guó)內(nèi)先進(jìn)的電源還要考慮到電源的適應(yīng)性以及電

5、源的成本只有具有先進(jìn)性能的電源加上合理的制作成本才能使我國(guó)的電源產(chǎn)業(yè)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家這里著重介紹了基于top252y的單片開(kāi)關(guān)電源通過(guò)運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將普通市電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定地電壓電流輸出首先介紹開(kāi)關(guān)電源的含義開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)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(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制pwm控制ic和mosfet構(gòu)成隨著各種各樣電器的出現(xiàn)以及升級(jí)它們都需要一個(gè)穩(wěn)定的電源本文系統(tǒng)介紹了一種較為實(shí)惠又很先進(jìn)的穩(wěn)壓穩(wěn)流輸出單片開(kāi)關(guān)電源關(guān)鍵詞單片開(kāi)關(guān)電源 反激式脈寬調(diào)制abstractelectric and electronic technology

6、 has already developed into an intact high science the development of electric and electronic technology has driven the development of the technology of the power supply and the development of power technology has promoted the development of industry of the power supply effectively the technology of

7、 the power mainly serves information industry the development of the information technology has put forward higher request to the power supply thus promoted the development of technology of the power supply and it just had the vigorous information industry and power industry now cant do without the

8、participation and support of the technology of the power from daily life to most advanced science and the power technology and the power industry have very important function in raising the level of a countrys labor productivity namely improve an output level of national units energy consumption in

9、this respect our country and developed country have very great disparity as a power worker not only design the international or domestic advanced power supply but also consider the adaptability and cost of the power supply only the advanced and low-priced power supply could make the power industry o

10、f our country catch up with the developed country here i will introduce the single-chip switching power supply which based on the top252y by using the technology such as advanced electric and electronic technology it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output at firs

11、t i will introduce the meaning of the switch mode power supply the switch mode power supply is a power supply which utilizing modern electric and electronic technology controlling the time rate of the on off of the switch transistor and keeping the voltage output steadily the switch power is general

12、ly made up with pwm ic and mosfet 20 with the appearance and upgrading of various electric apparatuses all of them need one steady power supply this text systematically introduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of switch mode power supply which has steadily voltage and

13、 current output key words single-chip switching power supply flyback pwm第1章 緒論11 概述電源歷來(lái)是各種電子設(shè)備中不可缺少的組成部分其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作開(kāi)關(guān)電源switching power supply自問(wèn)世以來(lái)就以其穩(wěn)定高效節(jié)能等優(yōu)良性能而成為穩(wěn)壓電源的主要產(chǎn)品而高度集成化的單片開(kāi)關(guān)電源更是因其高性價(jià)比簡(jiǎn)單的外圍電路小體積與重量和無(wú)工頻變壓器隔離方式等優(yōu)勢(shì)而成為穩(wěn)壓電源中的佼佼者是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各種高效率中小功率開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)器件隨著生產(chǎn)生活中自動(dòng)化程度的不斷提高開(kāi)關(guān)電源也朝著智能化

14、方向發(fā)展由微控制器控制的開(kāi)關(guān)電源將單片開(kāi)關(guān)電源與單片機(jī)控制相結(jié)合更加體現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源的可靠性和靈活性各種不同的單片開(kāi)關(guān)電源芯片及其電路拓?fù)涞膽?yīng)用和推廣單片開(kāi)關(guān)電源越來(lái)越體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值和美好前景171994年美國(guó)pi公司在世界上首先研制成功三端隔離式脈寬調(diào)制型單片開(kāi)關(guān)電源被人們譽(yù)為頂級(jí)開(kāi)關(guān)電源其第一代產(chǎn)品為topswitch系列第二代產(chǎn)品則是1997年問(wèn)世的topswitch-ii系列該公司于1998年又推出了高效小功率低價(jià)格的四端單片開(kāi)關(guān)電源tinyswitch系列在這之后motorola公司于1999年又推出mc33370系列五端單片開(kāi)關(guān)電源亦稱高壓功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器high voltage

15、 power switching regulator目前單片開(kāi)關(guān)電源已形成四大系列近70種型號(hào)的產(chǎn)品13 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)1955年美國(guó)羅耶ghroger 發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器是實(shí)現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開(kāi)端1957年美國(guó)查賽jen sen 發(fā)明了自激式推挽雙變壓器1964年美國(guó)科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)想這對(duì)電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高二極管反向恢復(fù)時(shí)間的縮短等元器件改善終于做成了25千赫的開(kāi)關(guān)電源目前開(kāi)關(guān)電源以小型輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備通信設(shè)備等幾乎所有的電

16、子設(shè)備是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式目前市場(chǎng)上出售的開(kāi)關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100khz用制成的500khz電源雖已實(shí)用化但其頻率有待進(jìn)一步提高要提高開(kāi)關(guān)頻率就要減少開(kāi)關(guān)損耗而要減少開(kāi)關(guān)損耗就需要有高速開(kāi)關(guān)元器件然而開(kāi)關(guān)速度提高后會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲這樣不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備還會(huì)大大降低電源本身的可靠性其中為防止隨開(kāi)關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌可采用r-c或l-c緩沖器而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器不過(guò)對(duì)1mhz以上的高頻要采用諧振電路以使開(kāi)關(guān)上的電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流呈正弦波這樣既可減少開(kāi)關(guān)損

17、耗同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生這種開(kāi)關(guān)方式稱為諧振式開(kāi)關(guān) 目前對(duì)這種開(kāi)關(guān)電源的研究很活躍因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開(kāi)關(guān)速度就可以在理論上把開(kāi)關(guān)損耗降到零而且噪聲也小可望成為開(kāi)關(guān)電源高頻化的一種主要方式當(dāng)前世界上許多國(guó)家都在致力于數(shù)兆hz的變換器的實(shí)用化研究圖21 系統(tǒng)總體框圖圖21是本開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)框圖圖中顯示了主要電路模塊其中開(kāi)關(guān)占空比控制電路是基于topswitch-ii型芯片的控制電路123 工作原理com topswitch-ii的結(jié)構(gòu)及工作原理topswitch-ii器件為三端隔離反激式脈寬調(diào)制單片開(kāi)關(guān)電源集成電路但與其第一代產(chǎn)品相比它不僅在性能上有進(jìn)一步改進(jìn)而且輸出功率有顯著提高現(xiàn)已

18、成為國(guó)際上開(kāi)發(fā)中小功率開(kāi)關(guān)電源及電源模塊的優(yōu)選集成電路topswitch-ii的管教排列圖如圖22所示它有三種封裝形式其中to-220封裝自帶小散熱片屬典型的三端器件本文主要采用此種封裝形式的芯片此外還有dip-8封裝和smd-8封裝它們都有8個(gè)管腳但均可簡(jiǎn)化成3個(gè)兩者區(qū)別是dip-8可配8腳ic插座smd-8則為表面貼片后者不許打孔焊接圖22 topswitch-ii的管教排列圖topswitch-ii的三個(gè)管腳分別為控制信號(hào)輸入端ccontrol主電源輸入端ddrain電源公共端ssource其中s端也是控制電路的基準(zhǔn)點(diǎn)它將脈寬調(diào)制pwm控制系統(tǒng)的全部功能集成到了三端芯片中topswitc

19、h-ii的內(nèi)部框圖如圖23所示主要包括10部分控制電壓源帶隙基準(zhǔn)電壓源振蕩器并聯(lián)調(diào)整器誤差放大器脈寬調(diào)制器門(mén)驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)過(guò)電流保護(hù)電路過(guò)熱保護(hù)及上電復(fù)位電路高壓電流源圖中zc為控制端的動(dòng)態(tài)阻抗re是誤差電壓檢測(cè)電阻ra與ca構(gòu)成截止頻率為7khz的低通濾波器 topswitch-ii的基本工作原理是利用反饋電流ic來(lái)調(diào)節(jié)占空比d達(dá)到穩(wěn)壓目的舉例說(shuō)明當(dāng)輸出電壓uo上升時(shí)經(jīng)過(guò)光耦反饋電路使得ic上升從而使得d下降uo也隨之下降最終使uo不變topswitch-ii器件開(kāi)關(guān)頻率高典型值為100khz允許范圍為90-110khz開(kāi)關(guān)管占空比由c腳電流以線性比例控制電路啟動(dòng)時(shí)由漏極經(jīng)內(nèi)部高壓電流源為c

20、腳提供工作電壓vc實(shí)際電路中c腳外部應(yīng)接入電容以電容的充電過(guò)程控制vc逐步升高以完成電路的軟啟動(dòng)過(guò)程其pwm反饋控制回路由rc比較器a1和f1等元件組成控制極電壓vc為控制電路提供電源同時(shí)也是pwm反饋控制回路的偏置電壓比較器a2的基準(zhǔn)電壓設(shè)置為57v當(dāng)vc高于57v時(shí)a2輸出高電平與此同時(shí)pwm控制電流經(jīng)電阻r與振蕩器輸出的鋸齒波電流分別輸入pwm比較器a4的-輸入端這時(shí)因反饋電流較小從a3反向端輸入的鋸齒波信號(hào)經(jīng)門(mén)電路g3和g4送至rs觸發(fā)器b2的復(fù)位端在鋸齒波信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的共同作用下rs觸發(fā)器的輸出端q被置為高電平門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)pwm信號(hào)經(jīng)g6g7兩次反相送到開(kāi)關(guān)管f2的柵極開(kāi)關(guān)管處于開(kāi)

21、關(guān)狀態(tài)當(dāng)電路啟動(dòng)結(jié)束時(shí)vc升至門(mén)限電壓47va2輸出高電平驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作控制電路的供電切換至內(nèi)部電源正常工作時(shí)topswitch器件通過(guò)外圍電路形成電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定圖23 topswitch-ii的內(nèi)部框圖topswitch器件具有關(guān)斷自動(dòng)重啟動(dòng)電路功能即當(dāng)調(diào)節(jié)失控時(shí)立即使芯片在低占空比下工作倘若故障已排除就自動(dòng)重啟動(dòng)恢復(fù)正常工作在自啟動(dòng)階段控制極電壓vc低于門(mén)限電壓57v時(shí)控制電路處于低功耗的待命狀態(tài)此時(shí)由于比較器a2的滯回特性電子開(kāi)關(guān)頻繁地在高壓電流源和內(nèi)部電源之間進(jìn)行切換使得vc值保持在47-57v之間自啟動(dòng)電路由一個(gè)8分頻計(jì)數(shù)器完成延時(shí)功能阻止輸

22、出級(jí)mosfet管f2連續(xù)導(dǎo)通直到8個(gè)充放電周期完全結(jié)束后才能再次導(dǎo)通topswitch器件通過(guò)預(yù)置v1m值來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)topswitch器件內(nèi)部還設(shè)有過(guò)熱保護(hù)電路當(dāng)芯片結(jié)溫大于135度時(shí)關(guān)斷輸出級(jí)mosfet從而實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)目的com 單片開(kāi)關(guān)電源電路基本原理topswitch-ii單片開(kāi)關(guān)電源典型電路如圖24所示高頻變壓器在電路中具備能量存儲(chǔ)隔離輸出和電壓變換著三種功能由圖可見(jiàn)高頻變壓器觸及繞組np的極性同名端用黑圓點(diǎn)表示恰好與次級(jí)繞組ns反饋繞組nf的極性相反這表明在topswitch-ii導(dǎo)通時(shí)電能就以磁場(chǎng)能量形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組中此時(shí)vd2截止當(dāng)topswitch-ii截止時(shí)vd2導(dǎo)

23、通能量傳輸給次級(jí)刺激反擊是開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)圖中br為整流橋cin為輸入端濾波電容交流電壓u經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流高壓ui經(jīng)初級(jí)繞組加至topswitch-ii的漏極上鑒于在topswitch-ii關(guān)斷時(shí)刻由高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓會(huì)疊加在直流高壓ui和感應(yīng)電壓uor上可是功率開(kāi)關(guān)管漏籍電壓超過(guò)700v而損壞芯片為此在初級(jí)繞組兩端增加漏極鉗位保護(hù)電路鉗位電路由瞬態(tài)電壓抑制器或穩(wěn)壓管vdz1阻塞二極管vd1組成vd1應(yīng)采用超快二極管srdvd2為次級(jí)整流管cout是輸出端濾波電容目前國(guó)際上流行采用配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路反饋繞組電壓經(jīng)過(guò)vd3cf整流濾波后獲得反饋電壓ufb經(jīng)光耦合器重的光敏三極管

24、給topswitch-ii的控制端提供偏壓ct是控制端c的旁路電容設(shè)穩(wěn)壓管vdz2的穩(wěn)定電壓為uz2限流電阻r1兩端的壓降為ur光耦合器中l(wèi)ed發(fā)光二極管的正向壓降為uf輸出電壓uo由下式設(shè)定uo uz2ufur 21則其穩(wěn)壓原理簡(jiǎn)述如下當(dāng)由于某種原因致使uo升高時(shí)因uz2不變故uf隨之升高使led的工作電流if增大再通過(guò)光耦合器使topswitch-ii控制端電流ic增大但因topswitch-ii的輸出占空比d與ic成反比故d減小這就迫使uo降低達(dá)到穩(wěn)壓目的反之亦然3 圖24 單片開(kāi)關(guān)電源典型電路第3章 單片開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)31 概述開(kāi)關(guān)電源因具有重量輕體積小效率高穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)在電視電聲

25、計(jì)算機(jī)等許多電子設(shè)備中得到了廣泛的使用為了進(jìn)一步追求開(kāi)關(guān)電源的小型化和低成本人們不斷研制成功一些復(fù)合型單片開(kāi)關(guān)電源集成電路芯片如美國(guó)電源集成公司power integrations inc 簡(jiǎn)稱pi公司或power公司推出的topswitch-ii器件就是其中的代表topswitch-ii器件集pwm信號(hào)控制電路及功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管mosfet于一體只要配以少量的外圍元器件就可構(gòu)成一個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔成本低性能穩(wěn)定制作及調(diào)試方便的單端反激式單片開(kāi)關(guān)電源32 單片開(kāi)關(guān)電源電路參數(shù)的設(shè)定下面將比較詳細(xì)的敘述這些參數(shù)求得過(guò)程并完成電子表格 確定開(kāi)關(guān)電源的基本參數(shù)交流輸入電壓最小值umin 85v交流輸入電

26、壓最大值u 265v電網(wǎng)頻率fl 50hz開(kāi)關(guān)頻率f 100khz輸出電壓uo 24v輸出功率po 50w電源效率 85損耗分配系數(shù)zz代表次級(jí)損耗和總損耗的比值在極端情況下z 0表示全部損耗發(fā)生在初級(jí)z 1則表示全部損耗發(fā)生在次級(jí)在此我們選取z 05反饋電路類型及反饋電壓ufb的確定我們可參照表1中的數(shù)據(jù)確定參數(shù)因?yàn)槲覀儾捎门鋞l431的光耦反饋電路所以u(píng)fb的值便一目了然 3 輸入濾波電容cin直流輸電壓最小值uimin的確定由表2可知在通用85265v輸入時(shí)cinuimin的值都可大概確定其中我們確定uimin的值為90v而輸入濾波電容的準(zhǔn)確值不能從此表中得出輸入濾波電容的容量是開(kāi)關(guān)電源

27、的一個(gè)重要參數(shù)cin值選的過(guò)低會(huì)使uimin的值大大降低而輸入脈動(dòng)電壓ur卻升高但cin值取得過(guò)高會(huì)增加電容器成本而且對(duì)于提高uimin值和降低脈動(dòng)電壓的效果并不明顯下面介紹cin準(zhǔn)確值的方法表1 反饋電路的類型及ufb的參數(shù)值反饋電路類型ufbvuo的準(zhǔn)確度svsi基本反饋電路5710155改進(jìn)型基本反饋電路27751525配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路125051配tl431的光耦反饋電路1210202表2 確定cinuimin值uvpow比例系數(shù)fwcinfuiminv固定輸入100115已知2323po值90通用輸入85265已知2323po值90固定輸入23035已知1po值240我們用以下

28、式子獲得準(zhǔn)確的cin值 31在寬范圍電壓輸入時(shí)umin 85v取uimin 90vfl 50hztc 3mspo 50w 85一并帶入式31求出cin 12969f比例系數(shù)cinpo 12969f50w 26fw這恰好在23fw允許的范圍之內(nèi)確定uorub的值表3 確定uorub值uv初級(jí)感應(yīng)電壓uorv鉗位二極管反向擊穿電壓ubv固定輸入1001156090通用輸入85265135200固定輸入23035135200當(dāng)topswitch-ii關(guān)斷且次級(jí)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)次級(jí)電壓會(huì)感應(yīng)到初級(jí)上感應(yīng)電壓uor就與ui相疊加后加至內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管mosfet的漏極上與此同時(shí)初級(jí)漏感也釋放能量并在漏極

29、上產(chǎn)生尖峰電壓ul由于上述不利情況同時(shí)出現(xiàn)極易損壞芯片因此需給初級(jí)增加鉗位保護(hù)電路利用tvs器件來(lái)吸收尖峰電壓的瞬間能量使上述三種電壓之和uiuor ul低于mosfet的漏-源擊穿電壓u br ds值根據(jù)uimin和uor來(lái)確定最大占空比dd的計(jì)算公式為 32已知uor 135vuimin 90v將uds on 設(shè)為10v一并代入式32求得d 6279這與典型值67已經(jīng)很接近了d隨u的升高而減小 6 確定初級(jí)紋波電流ir與初級(jí)峰值電流ip的比值krp定義比例系數(shù) 33表4 根據(jù)u來(lái)確定krpuvkrp最小值連續(xù)模式最大值不連續(xù)模式固定輸入1001150410通用輸入852650410固定輸入

30、230350610由表4可確定krp 04 7 確定初級(jí)波形參數(shù)輸入電流的平均值iavg 34已知po 50w 85uimin 90v求得iavg 065a初級(jí)峰值電流ip 35把iavg 065akrp 04d 6279代入式35得ip 129a初級(jí)脈動(dòng)電流ir由式33可得 ir krpip 04129a 052a初級(jí)有效值電流irms 36將ip 129ad 6279krp 04代入式36的得irms 083a 8 芯片及結(jié)溫的確定所選芯片的極限電流最小值ilimtmin應(yīng)滿足下式ilimtminip09 37即ilimtmin143a于是我們就選取了top225ytj由下式確定 38to

31、p225的設(shè)計(jì)功耗為17w 20wta 40代入式38得tj 74一般來(lái)說(shuō)tj應(yīng)在25到100之間才能使開(kāi)關(guān)電源長(zhǎng)期正常運(yùn)行 9 初級(jí)電感量lp的計(jì)算在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)由初級(jí)傳輸給次級(jí)的磁場(chǎng)能量變化范圍是lpip2lpip-ir2初級(jí)電感量由下式?jīng)Q定 39式中l(wèi)p的單位是h已知開(kāi)關(guān)電源的輸出功率為50w初級(jí)脈動(dòng)電流與峰值電流的比例系數(shù)krp 04開(kāi)關(guān)頻率f 100khz損耗分配系數(shù)z 05電源效率 85ip 129a將這些數(shù)值代入式39得lp 102179 h 10 選擇高頻變壓器并查找其參數(shù)可從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查出當(dāng)po 50w時(shí)可供選擇的鐵氧體磁芯型號(hào)若用常規(guī)漆包線繞制可選ee30或ee35型型號(hào)

32、中的數(shù)字表示磁芯長(zhǎng)度a 30mm或35mmee型磁芯的價(jià)格低廉磁損耗低且適應(yīng)性強(qiáng)若采用三重絕緣線則選ef30型磁芯在此我們采用常規(guī)漆包線故選用ee30型磁心由手冊(cè)中查出sj 109cm2l 577cm al 469h匝2b 137mm 11 計(jì)算次級(jí)匝數(shù)ns對(duì)于100v115v交流輸入次級(jí)繞組可取1匝v對(duì)于230v交流或?qū)挿秶斎霊?yīng)取06匝v現(xiàn)已知u 85265vuo 24v考慮到在次級(jí)肖特基二極管上還有04v的正向?qū)▔航祏f1因此次級(jí)匝數(shù)為uo uf106匝v 24v04v06匝v 1464匝由于次級(jí)繞組上還存在導(dǎo)線電阻也會(huì)形成壓降實(shí)取ns 15匝 12 計(jì)算初級(jí)匝數(shù)np 310已知ns

33、15匝uor 135vuo 24vuf1 04v將這些值一同帶入式310可求得np 8299實(shí)取83匝 13 計(jì)算反饋繞組匝數(shù) 311配有tl431的光耦反饋電路ufb 一般取12vuf2取07vuf1 04vns 15將這些值連同uo 24v一起帶入式311求得nf 78匝實(shí)取8匝 14 根據(jù)初級(jí)層數(shù)d骨架寬度b和安全邊距m用下式計(jì)算有效骨架寬度be db-2m 312 暫且將d設(shè)為2m取為3mmb 137mm將其帶入式312求得be 154mm再利用下式計(jì)算初級(jí)導(dǎo)線的外徑帶絕緣層dpm dpm benp 313將be 154mmnp 83帶入式313求得dpm 019mm扣除漆皮后裸體導(dǎo)線

34、的內(nèi)徑dpm 015mm 15 驗(yàn)證初級(jí)導(dǎo)線的電流密度j是否滿足初級(jí)有效值電流irms 083a之條件計(jì)算電流密度的公式為 314將dpm 015mmirms 083a代入式314中得到j(luò) 722amm2若j10 amm2應(yīng)選用較粗的導(dǎo)線并配以較大尺寸的磁芯和骨架使j10 amm2若j4 amm2宜選較細(xì)的導(dǎo)線和較小的磁芯骨架使j4 amm2亦可適當(dāng)增加ns的匝數(shù)查表可知與直徑015mm接近的公制線規(guī)016mm比015mm略粗一點(diǎn)完全可滿足要求因014mm的公制線規(guī)稍細(xì)故不選用 16 計(jì)算磁芯中的最大磁通密度bm 315將ip 129alp 102179 hnp 83匝磁芯有效橫截面積sj 1

35、09cm2一并代入式315中得到bm 025t 17 磁芯的氣隙寬度式316中的單位是mm將sj 109cm2np 83匝lp 102179 h磁芯不留間隙時(shí)的等效電感al 469h匝2一并代入式316得到 089mm氣隙應(yīng)加在磁芯的磁路中心處要求0051mm 316 18 計(jì)算留有氣隙時(shí)磁芯的等效電感 317將lp 102179 hnp 83匝代入式317得到alg 015h匝2 19 計(jì)算次級(jí)峰值電流isp次級(jí)峰值電流取決于初級(jí)峰值電流ip和初次級(jí)的匝數(shù)比n有公式 318已知ip 129anp 83ns 15不難算出n 55代入式318得到isp 714a 20 計(jì)算次級(jí)有效值電流isrm

36、s次級(jí)紋波電流與峰值電流的比例系數(shù)krp與初級(jí)完全相同區(qū)別僅是對(duì)次級(jí)而言krp反映的是次級(jí)電流在占空比為1-d時(shí)的比例系數(shù)5因此計(jì)算次級(jí)有效值電流isrms時(shí)需將式26中的irmsipd依次換成isrmsisp1-d由此得到公式 319將isp 714ad 6279krp 04代入式319中求得isrms 352a 21 計(jì)算出濾波電容上的紋波電流iri先求出輸出電流io pouo 50w24v 208a再代入式320 320將isrms 352aio 208a代入式320中計(jì)算出iri 284a 22 計(jì)算次級(jí)裸導(dǎo)線直徑有公式 321將isrms 352aj 722amm2代入式321中求出

37、dsm 031mm實(shí)選0315mm的公制線規(guī)需要指出當(dāng)dsmcom的兩股導(dǎo)線雙線并繞ns匝與單股粗導(dǎo)線繞制方法相比雙線并饒能增大次級(jí)繞組的等效橫截面積改善磁場(chǎng)耦合程度減少磁場(chǎng)泄感及漏感此外用雙線并繞方式還能減小次級(jí)導(dǎo)線的電阻值降低功率損耗導(dǎo)線外徑單位是mm的計(jì)算公式為 322將b 137mmm 3ns 15匝一并代入式322中得到dsm 051mm選用導(dǎo)線直徑dsm031mm而絕緣層外徑dsm051mm的三重絕緣線 23 確定次級(jí)整流管反饋電路整流管的最高反向峰值電壓ubrsubrfb有公式 323 324將uo 24vufb 12vui 375vns 15匝np 83匝nf 8匝分別代入式3

38、23和式324中計(jì)算出ubrs 9177vubrfb 4814v表5設(shè)計(jì)24v50w開(kāi)關(guān)電源的電子數(shù)據(jù)表格abcdef1輸入中間過(guò)程輸出單位參數(shù)說(shuō)明2參數(shù)數(shù)據(jù)保留數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果24v50w開(kāi)關(guān)電源3umin85v交流輸入電壓最小值4u265v交流輸入電壓最大值5fl50hz電網(wǎng)頻率6f100khz開(kāi)關(guān)頻率7uo24v直流輸出電壓8po50w輸出功率985電源效率10z05損耗分配系數(shù)11ufb12v反饋電壓12tc3ms整流橋?qū)〞r(shí)間13cin1297f輸入濾波電容1415輸入topswitch-ii的變量16uor135v初級(jí)繞組感應(yīng)電壓17udson10vtopswitch-ii的漏-源導(dǎo)通

39、電壓18uf104v次級(jí)繞組肖特基整流管正向壓降19uf207v反饋電路中高速開(kāi)關(guān)整流管正向壓降20krp04初級(jí)繞組脈動(dòng)電流ir與峰值電流ip比例系數(shù)2122輸入高頻變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù)23ee30鐵氧體磁芯型號(hào)24sj109cm2磁芯有效橫截面積25l577cm有效磁路長(zhǎng)度26al469h匝磁芯不留間隙時(shí)的等效電感27b137mm骨架寬度28m3mm安全邊距安全邊界寬度29d2層初級(jí)繞組匝數(shù)30ns15匝次級(jí)繞組匝數(shù)3132直流輸入電壓參數(shù)33uimin90v直流輸入電壓最小值34ui375v直流輸入電壓最大值3536初級(jí)繞組電流波形參數(shù)37d6279最大占空比對(duì)應(yīng)于umin時(shí)38iavg06

40、5a輸入電流平均值39ip129a初級(jí)繞組峰值電流40ir052a初級(jí)繞組脈動(dòng)電流41irms083a初級(jí)繞組有效電流值4243變壓器初級(jí)繞組設(shè)計(jì)參數(shù)44lp102179h初級(jí)繞組電感量45np83匝初級(jí)繞組匝數(shù)46nf8匝反饋繞組匝數(shù)47alg015h匝磁芯留間隙后的等效電感48bm025t最大磁通密度bm 0203t49bac02t磁芯損耗交流磁通密度峰-峰值0550r1976磁芯無(wú)氣隙時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率51089mm磁芯的氣隙寬度0051mm521685mm有效骨架寬度53dpm019mm初級(jí)繞組導(dǎo)線的最大外徑帶絕緣層54e005mm估計(jì)的絕緣層總厚度 厚度2 55dpm015mm初級(jí)繞組導(dǎo)

41、線的裸線直徑56公制016mm初級(jí)繞組導(dǎo)線規(guī)格57sp00516mm2初級(jí)繞組導(dǎo)線的橫截面積58j722amm2電流密度j 410amm25960變壓器次級(jí)繞組設(shè)計(jì)參數(shù)61isp714a次級(jí)繞組峰值電流62isrms352a次級(jí)繞組有效值電流63io208a直流輸出電流64iri284a輸出濾波電容上的紋波電流6566ssmin0546mm2次級(jí)繞組線圈最小橫截面積67公制0315mm次級(jí)繞組導(dǎo)線規(guī)格68dsm031mm次級(jí)繞組導(dǎo)線最小直徑裸線69dsm051mm次級(jí)繞組導(dǎo)線最大直徑帶絕緣層70nss039mm次級(jí)繞組絕緣層最大厚度7172電壓極限參數(shù)73ud573v最高漏極電壓估算值包括漏感

42、的作用74ubrs9177v次級(jí)繞組整流管最高反向峰值電壓75ubrfb4814v反饋電路整流管的最高反向峰值電壓 24 部分參數(shù)的補(bǔ)充對(duì)于表5中交流磁通密度有兩個(gè)計(jì)算公式 325 326式中最大磁通密度bm 025tkrp 04代入式325算出bac 02式326可作為驗(yàn)證公式7磁芯無(wú)氣隙時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率與磁芯不留間隙時(shí)的等效電感al有效磁路長(zhǎng)度l磁芯有效橫截面積sj之間存在下述關(guān)系式 327將al 469h匝l 577cmsj 109 cm2代入式327得到 198h匝cm33 單片開(kāi)關(guān)電源中電子元器件的選擇com 選擇鉗位二極管和阻塞二極管 1 瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理瞬態(tài)電壓抑制器亦稱瞬

43、變電壓抑制二極管其英文縮寫(xiě)為tvs transient voltage suppressor 是一種新型過(guò)壓保護(hù)器件由于它的響應(yīng)速度極快鉗位電壓穩(wěn)定體積小價(jià)格低因此可作為各種儀器儀表自控裝置和家用電器中的過(guò)壓保護(hù)器還可用來(lái)保護(hù)單片開(kāi)關(guān)電源集成電路mos 功率器件以及其他對(duì)電壓敏感的半導(dǎo)體器件10瞬態(tài)電壓抑制器是一種硅pn結(jié)器件其外型與塑封硅整流二極管相似見(jiàn)圖a常見(jiàn)的封裝形式有do41a27ka37k它們?cè)?5 以下的額定脈沖功率分別為2w5w15w在25 s條件下可承受的浪涌電流分別可達(dá) 50a80a200a外形尺寸有27525094mm等規(guī)格其鉗位電壓從07v到3kvtvs的符號(hào)與穩(wěn)壓管相同

44、 見(jiàn)圖b伏安特性如圖c所示圖 c 中 uit分別為反向擊穿電壓即鉗位電壓測(cè)試電流u為導(dǎo)通前加在 器件上的最大額定電壓有關(guān)系式u08ub i是最大漏電流u是在1ms時(shí)間內(nèi)器件可承受的最大峰值電壓有關(guān)系式u ub uri是瞬時(shí)脈沖峰值電流因iii分別屬于a maa這三個(gè)數(shù)量級(jí)故i it irtvs的峰值脈沖功率p與干擾脈沖的占空比d以及環(huán)境溫度t有關(guān)當(dāng)d時(shí)p反之亦然而當(dāng)t時(shí)pp值通常是在脈寬1ms脈沖上升沿為10sd 001的條件下測(cè)出的使用時(shí)不得超過(guò)此值 a外形 b符號(hào) c伏安特性圖31 瞬態(tài)電壓抑制器瞬態(tài)電壓抑制器在承受瞬態(tài)高電壓例如浪涌電壓雷電干擾尖峰電壓時(shí) 能迅速反向擊穿由高阻態(tài)變成低阻態(tài)

45、并把干擾脈沖鉗位于規(guī)定值從而保證電子設(shè)備或元器件不受損壞鉗位時(shí)間定義為從零伏達(dá)到反向擊穿電壓最小值所需要的時(shí)間tvs的鉗位時(shí)間極短僅1ns所能承受的瞬態(tài)脈沖峰值電流卻高達(dá)幾十至幾百a其性能要優(yōu)于壓敏電阻器vsr且參數(shù)的一致性好反向恢復(fù)時(shí)間tir反向恢復(fù)時(shí)間的定義是電流通過(guò)零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)向反向再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔它是衡量高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)反向電流的波形如圖所示圖中if為正向電流irm為最大反向 恢復(fù)電流為反向恢復(fù)電流通常規(guī) 定irr 01irm當(dāng)tt0時(shí)if if 當(dāng)t t0時(shí)由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓因此正向電流迅速減小在 t t1時(shí)刻if 0然后整流管

46、上流過(guò)反向電流ir并且ir逐漸增大在 t t2時(shí)刻達(dá)到最大反向電流irm此后反向電流逐漸減小并且在t t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值irr從t2到t3的反向恢復(fù)過(guò)程與電容器放電過(guò)程有相似之處由t1到 t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trr圖32 反向恢復(fù)電流的波形快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通二極管不同它是在p型n型硅材料中增加了基區(qū)i構(gòu)成pin硅片由于基區(qū)很薄反向恢復(fù)電荷很小不僅大大減小了trr值還降低了瞬態(tài)正向電壓使管子能承受很高的反向工作電壓快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般為幾百ns正向壓降為0607v正向電流是幾a至幾 ka反向峰值電壓可達(dá)幾百v至幾kv超快恢復(fù)二 極管則是在快恢復(fù)二

47、極管基礎(chǔ)上發(fā)展而成的其反向恢復(fù)電荷進(jìn)一步減小trr值可低至幾十ns20a以下的快恢復(fù)二極管及超快恢復(fù)二極管大多采用to220封裝從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看可分成單管對(duì)管兩種對(duì)管內(nèi)部包含兩只快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管根據(jù)兩只二極管接法的不同又有共陰對(duì)管共陽(yáng)對(duì)管之分幾十a(chǎn)的快恢復(fù) 超快恢復(fù)二極管一般采用to3p金屬殼封裝更大容量幾百a至幾ka的管子則采用螺栓型或平板型封裝開(kāi)關(guān)電源的輸出整流管宜采用肖特基二極管這有利于提高電源效率典型產(chǎn) 品有motorola公司生產(chǎn)的mbr系列肖特基二極管所 選肖特基管必須滿足條件 330單片開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓u 24v最大連續(xù)輸出電流i 208a最大輸出功率pom 0w已知高頻變壓

48、器的初級(jí)匝數(shù)np 匝次級(jí)匝數(shù)n 15匝直流輸入電壓最大值u 375v對(duì)應(yīng)于交流輸入電壓最大值u 265 v由式可計(jì)算出u 9178v再根據(jù)式求得urmv將i 208a代入式中得到ida需要指出肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過(guò)100v僅適合作低壓大電流整流用當(dāng)uo30v時(shí)須用耐壓100v以上的超快恢復(fù)二極管來(lái)代替肖特基二極管此時(shí)電源效率略有下降u br s 9178vurm1835v已不再適合采用肖特基二極管如上所述采用耐壓100v以上的超快恢復(fù)二極管urmvidatirns廠家輸出整流管mur4101004motorolamur4202004mur8101008mur8202008mu

49、r16101001635由表9我們選出mur820型超快恢復(fù)二極管其urm 200v1835vid 8a624atir 30ns10ns電源效率會(huì)稍微下降com 輸出濾波電容的選取輸出濾波電容c2上的紋波電流很大在前面已求出iri 284a進(jìn)而求出c2上的功率損耗 331式331中r0為濾波電容的等效串聯(lián)電阻esr它表示在電容器的等效電路中與之相串聯(lián)的代表電容器損耗的等效電阻簡(jiǎn)稱串聯(lián)損耗電阻在此我們將其值取為24則可計(jì)算出功率損耗p 1936w輸出紋波電壓由式332決定uri ispr0 332計(jì)算出uri 1714v在固定負(fù)載的情況下通過(guò)c2的交流電流標(biāo)稱值必須滿足下列條件 333即 152

50、iri 152284a426528通過(guò)查手冊(cè)我們確定選取cout 1000f35vcom 反饋電路中整流管的選取表10中的urm已知1835v為整流管最高反向工作電壓前面已知其值為4814v要求如表10由表可知選philips公司的bav21比較合適表10選擇反饋電路中的整流管整流管類型整流管型號(hào)urmv生產(chǎn)廠家玻封高速開(kāi)關(guān)硅二極管1n414875國(guó)產(chǎn)超快恢復(fù)二極管bav21200philips公司uf4003200gi公司com 反饋濾波電容的選擇反饋濾波電容應(yīng)取01f50v陶瓷電容器com 控制端電容及串聯(lián)電阻的選擇控制端電容一般取47f10v普通電解電容器即可與之相串聯(lián)的電阻可選6214

51、w本設(shè)計(jì)采用連續(xù)模式此電阻不可省略com tl431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器的選擇tl431是由美國(guó)德州儀器公司ti和摩托羅拉公司生產(chǎn)的25036v可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器其性能優(yōu)良價(jià)格低廉可廣泛用于單片精密開(kāi)關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中此外tl431還能構(gòu)成電壓比較器電源電壓監(jiān)視器延時(shí)電路精密恒流源等目前在單片精密開(kāi)關(guān)電源中普遍用它來(lái)構(gòu)成外部誤差放大器再與線性光耦合器組成隔離式光耦反饋電路tl431系列產(chǎn)品包括tl431ctl431actl431itl431aitl431mtl431y共6種型號(hào)它屬于三端可調(diào)式器件利用兩只外部電阻可設(shè)定25036v范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值tl431的電壓溫度系數(shù)t 3

52、0106即30ppm其動(dòng)態(tài)阻抗低典型值為02陰極工作電壓uka的允許范圍是25036v陰極工作電流ika 1100matl431大多采用dip8或to92封裝形式管腳排列分別如圖所示圖中a為陽(yáng)極使用時(shí)需接地k為陰極需經(jīng)限流電阻接正電源uref是輸出電壓uo的設(shè)定端外接電阻分壓器11nc為空tl431的等效電路見(jiàn)圖主要包括4部分 圖33 tl431的電路符號(hào)與基本接線圖 34 tl431等效電路圖 1 誤差放大器a其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓反相輸入端則接內(nèi)部250v基準(zhǔn)電壓uref并且設(shè)計(jì)的uref urefuref端常態(tài)下應(yīng)為250v因此亦稱基準(zhǔn)端內(nèi)部250v準(zhǔn)確值應(yīng)為2495v基準(zhǔn)電壓源urefnpn型晶體管vt它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用保護(hù)二極管vd可防止因k間電源極性接反而損壞芯片t