電源設計-電子設計

1、電源設計電源設計 2015年年5月月10日日 基礎題類 通訊類 儀器類 電力電子類 控制類電源類電子設計競賽題目類型1.電子基礎知識電子器件電子器件（1）按可控性分類）按可控性分類 1）不控型器件）不控型器件 大功率二極管 2）半控型器件）半控型器件 SCR 3）全控型器件）全控型器件 MOSFET、IGBT（2）按驅(qū)動信號類型分類）按驅(qū)動信號類型分類 1）電流驅(qū)動型）電流驅(qū)動型 SCR 2）電壓驅(qū)動型）電壓驅(qū)動型 MOSFET、IGBT1.電子基礎知識1. 電子基礎知識1. 電子基礎知識DC-DC1. 電子基礎知識計算機電源計算機電源1.電子基礎知識計算機電源計算機電源1. 電子基礎知識1.

2、 電子基礎知識1. 電子基礎知識2.電源基礎知識電源電源電壓源電壓源電流源電流源電壓源特性電壓源特性a.理想電壓源特性理想電壓源特性輸出電壓恒定，輸出電流由輸出電壓恒定，輸出電流由外電路負載決定，輸出功率外電路負載決定，輸出功率可以無窮大?？梢詿o窮大。但不允許短路，但不允許短路，違背了基爾霍夫電壓定律（違背了基爾霍夫電壓定律（KVL)。2.電源基礎知識b.實際電壓源特性實際電壓源特性輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負載輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許短路，不允許

3、短路，否則會燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護電路。否則會燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護電路。2.電源基礎知識2）.電流源電流源a.理想電流源特性理想電流源特性輸出電流恒定，輸出電壓由輸出電流恒定，輸出電壓由外電路負載決定，輸出功率外電路負載決定，輸出功率可以無窮大。可以無窮大。但不允許開路，但不允許開路，違背了基爾霍夫電流定律（違背了基爾霍夫電流定律（KCL)。2.電源基礎知識b.實際電流源特性實際電流源特性輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負載輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。決定，輸出功率由輸出電

4、壓和輸出電流乘積決定。不允許開路，不允許開路，否則會燒壞！但是一般電流源均有限壓和開路保護電路。否則會燒壞！但是一般電流源均有限壓和開路保護電路。2.電源基礎知識3）.線性電源線性電源優(yōu)點：無任何優(yōu)點：無任何EMI輻射，輸出電壓紋波小，成本低。輻射，輸出電壓紋波小，成本低。缺點：體積大，重量大，效率低。缺點：體積大，重量大，效率低。.線性電源基本原理線性電源基本原理2.電源基礎知識.電源性能指標參數(shù)電源性能指標參數(shù)a) 穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)/=/LLOOOIrIIOIRRUUUUSUUUU常數(shù)常數(shù) 定義為負載一定時，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入定義為負載一定時，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其

5、輸入電壓相對變化量之比電壓相對變化量之比 Sr表明電網(wǎng)電壓波動的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時表明電網(wǎng)電壓波動的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時輸出電壓的變化愈小。輸出電壓的變化愈小。2.電源基礎知識c) 電流調(diào)整率（負載調(diào)整率）電流調(diào)整率（負載調(diào)整率）b) 電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率 在額定負載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸在額定負載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電壓調(diào)整率。，稱為電壓調(diào)整率。 在輸入電壓一定且負載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，在輸入電壓一定且負載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量輸出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電流調(diào)整率，

6、也稱為，稱為電流調(diào)整率，也稱為負載調(diào)整率。負載調(diào)整率。d) 電源效率電源效率=100%OOIIUIUI2.電源基礎知識.穩(wěn)壓電路及其工作原理穩(wěn)壓電路及其工作原理T 為調(diào)整管為調(diào)整管DZ 為穩(wěn)壓管為穩(wěn)壓管A 為線性放大器為線性放大器串聯(lián)穩(wěn)壓電路串聯(lián)穩(wěn)壓電路OICEUUU2.電源基礎知識ONBCEOUUUUUONBCEOUUUUU2.電源基礎知識123min23OZR RRUURR+123max3OZR RRUUR+2.電源基礎知識 T 為大功率調(diào)整管，工作于線性為大功率調(diào)整管，工作于線性放大狀態(tài)放大狀態(tài)，輸入電，輸入電壓和輸出電壓相差越大功耗越大，效率很低。調(diào)整管極壓和輸出電壓相差越大功耗越大，

7、效率很低。調(diào)整管極限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動而產(chǎn)生的限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負載電流的變化所產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負載電流的變化所產(chǎn)生的影響。影響。.線性電壓調(diào)節(jié)器線性電壓調(diào)節(jié)器LM317調(diào)壓器調(diào)壓器2211.251+OADJRUIRR（）IADJ很小可以忽略不記。很小可以忽略不記。211.251+ORUR （）2.電源基礎知識 線性穩(wěn)壓輸出模塊線性穩(wěn)壓輸出模塊(LM78XX)和和負電壓負電壓輸出模塊輸出模塊(LM79XX)。 要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出電流需要的要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出

8、電流需要的電壓差越大，其典型值為電壓差越大，其典型值為1-3V，最大可達，最大可達35V。2.電源基礎知識4）.開關電源開關電源優(yōu)點：效率高、體積小、重量輕優(yōu)點：效率高、體積小、重量輕缺點：缺點：EMI、成本高、成本高ACDCACDC2.電源基礎知識（1）.開關電源電路分析方法開關電源電路分析方法 各功率開關管（三極管或二極管）換流時刻作為各功率開關管（三極管或二極管）換流時刻作為各開關模態(tài)的轉換時刻。各開關模態(tài)的轉換時刻。 假設條件充分合理。假設條件充分合理。 a. 開關管均為理想開關，導通壓降為零，關斷電開關管均為理想開關，導通壓降為零，關斷電阻為無窮大。阻為無窮大。 b. 大電容等效為恒

9、壓源，大電感等效為恒流源。大電容等效為恒壓源，大電感等效為恒流源。 。2.電源基礎知識（2）.開關電源基本電路拓撲開關電源基本電路拓撲a.降壓型降壓型BUCK變換器變換器Q、D為理想開關管為理想開關管C充分大，輸出電壓基本不變。充分大，輸出電壓基本不變。假設條件：假設條件：2.電源基礎知識開關模態(tài)開關模態(tài)1tOLEUiL2.電源基礎知識開關模態(tài)開關模態(tài)2on(t-T )OLUiL根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得()OOonononOEUUTTTTUEDELLTD=Ton/T 占空比占空比2.電源基礎知識電壓控制型電壓控制型BUCK變換器變換器電壓控制電壓控制PWM波形波形2

10、.電源基礎知識電流控制型電流控制型BUCK變換器變換器電流控制電流控制PWM波形波形2.電源基礎知識b.升壓型升壓型BOOST變換器變換器Q、D為理想開關管為理想開關管C充分大，輸出電壓基本不變。充分大，輸出電壓基本不變。假設條件：假設條件：2.電源基礎知識開關模態(tài)開關模態(tài)1tLEiL開關模態(tài)開關模態(tài)2on(t-TOLEUiL）根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得1()1OononOonEUETTTTUEELLTTD2.電源基礎知識c.推挽型推挽型DC/DC變換器變換器推挽型推挽型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎知識驅(qū)動脈

11、沖驅(qū)動脈沖2.電源基礎知識d.半橋型半橋型DC/DC變換器變換器半橋型半橋型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎知識驅(qū)動脈沖驅(qū)動脈沖2.電源基礎知識e.全橋型全橋型DC/DC變換器變換器全橋型全橋型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎知識驅(qū)動脈沖驅(qū)動脈沖2.電源基礎知識e.反激式反激式DC/DC變換器變換器反激式反激式DC/DC變換器變換器 2.電源基礎知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 驅(qū)動脈沖驅(qū)動脈沖 2.電源基礎知識（3）.開關電源控制芯片開關電源控制芯片 電壓控制芯片電壓控制芯片SG3525

12、2.電源基礎知識2.電源基礎知識 電流控制芯片電流控制芯片UC3842/32.電源基礎知識設計：設計： 在設計一個電源之前，應當預先知道你的電源工作在設計一個電源之前，應當預先知道你的電源工作的系統(tǒng)。詳細了解此系統(tǒng)對電源的要求和限制。對系統(tǒng)的系統(tǒng)。詳細了解此系統(tǒng)對電源的要求和限制。對系統(tǒng)透徹地了解，可大大降低成本和減少設計時間。透徹地了解，可大大降低成本和減少設計時間。 實際操作時，你可以從變換器要求的規(guī)范列一個表，實際操作時，你可以從變換器要求的規(guī)范列一個表，并逐條考慮。并逐條考慮。1升壓還是降壓：輸出電壓總是高于還是低于升壓還是降壓：輸出電壓總是高于還是低于輸入電壓？如果不是，你就不能采用

13、輸入電壓？如果不是，你就不能采用Buck或或Buck/Boost.2占空度：輸出電壓與輸入電壓比大于占空度：輸出電壓與輸入電壓比大于5嗎？如嗎？如果是，你可能需要一個變壓器，計算占空度保證果是，你可能需要一個變壓器，計算占空度保證它不要太大和太小。它不要太大和太小。3需要多少組輸出電壓？如果大于需要多少組輸出電壓？如果大于1，除非增加，除非增加后續(xù)調(diào)節(jié)器，一般需要一個變壓器。如果輸出組后續(xù)調(diào)節(jié)器，一般需要一個變壓器。如果輸出組別太多，建議最好采用幾個變換器。別太多，建議最好采用幾個變換器。4是否需要隔離？多少電壓？隔離需要變壓器。是否需要隔離？多少電壓？隔離需要變壓器。5EMI要求是什么？如果

14、要求嚴格，建議不要采要求是什么？如果要求嚴格，建議不要采用像用像Buck類輸入電流斷續(xù)的拓撲，而選擇電流連類輸入電流斷續(xù)的拓撲，而選擇電流連續(xù)工作模式。續(xù)工作模式。6成本是極其重要嗎？小功率高壓可以選擇成本是極其重要嗎？小功率高壓可以選擇BJT。如果輸入電壓高于如果輸入電壓高于500V，可考慮選擇，可考慮選擇IGBT。反。反之，采用之，采用MOSFET。7是否要求電源空載？如果要求，選擇斷續(xù)模是否要求電源空載？如果要求，選擇斷續(xù)模式，除非采用問題式，除非采用問題8。也可加假負載。也可加假負載。8能采用同步整流？這可使得變換器電流連續(xù)，能采用同步整流？這可使得變換器電流連續(xù)，而與負載無關。而與負

15、載無關。9輸出電流是否很大？如果是，應采用電壓型，輸出電流是否很大？如果是，應采用電壓型，而不是電流型。而不是電流型。軟件設計軟件設計高頻變壓器設計程序：高頻變壓器設計程序：1.磁芯材料磁芯材料 2.磁芯結構磁芯結構3.磁芯參數(shù)磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù)線圈參數(shù)5.組裝結構組裝結構 6.溫升校核溫升校核 變壓器的設計原則及方法變壓器的設計原則及方法設計變壓器主要有很兩種方法：面積積設計變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法法 AP：磁芯截面積：磁芯截面積Ae與線與線圈有效窗口面積圈有效窗口面積Aw的乘積。的乘積。 PT-變壓器的計算功率變壓器的計算功率 Ae-磁芯有效截面積磁芯有效截面積Aw-磁芯窗

16、口面積磁芯窗口面積 Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為波形系數(shù)，方波為4，正弦波為，正弦波為4.44Bw-磁芯的工作磁感強度磁芯的工作磁感強度 Fs-開關工作頻率開關工作頻率Kj-電流密度系數(shù)，取電流密度系數(shù)，取395A/cm2 X-磁芯結構系數(shù)，查表。磁芯結構系數(shù)，查表。程控線性穩(wěn)壓電源程控線性穩(wěn)壓電源1224V交流整流濾波LM317負載電壓取樣電流取樣帶ADC的MCUPWM調(diào)節(jié)ADJ問題問題1、電壓取樣怎么做？、電壓取樣怎么做？2、電流取樣怎么做？、電流取樣怎么做？3、如何實現(xiàn)過流保護？、如何實現(xiàn)過流保護？程控開關穩(wěn)壓電源程控開關穩(wěn)壓電源

17、開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)數(shù)控恒流源數(shù)控恒流源設計總結報告寫作設計總結報告寫作一、任務 設計并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓10V。其原理示意圖如下所示。鍵盤控制器電流源負載顯示器電源2005年數(shù)控直流電流源年數(shù)控直流電流源二、要求1、基本、基本要求要求（1）輸出電流范圍：200mA2000mA；（2）可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10 mA；3.歷年競賽題目分析2、發(fā)揮部分、發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20mA2000mA，步進1mA；（2）設計、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時或交替顯

18、示電流的給定值和實測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個字；（3）改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA；（4）紋波電流0.2mA；（5）其他。（3）具有“+”、“-”步進調(diào)整功能，步進10mA；（4）改變負載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+10 mA；（5）紋波電流2mA；（6）自制電源。3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析運放工作于線性放大狀態(tài)3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析一、任務一、任務設計并制作如圖1所示的開關穩(wěn)壓電源。圖1電源框圖2007開關穩(wěn)壓電

19、源3.歷年競賽題目分析二、要求在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求：1基本要求輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時，電壓調(diào)整率SU2%（IO=2A）；IO從0變到2A時，負載調(diào)整率SI5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率 70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護功能，動作電流IO（th）=2.50.2A；3.歷年競賽題目分析2發(fā)揮部分進一步提高電壓調(diào)整率，使SU0.2%（IO=2A）；進一步提高負載調(diào)整率，使SI0.5%（U2=18V）；進一步提高效率，使 85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動恢復為正常狀態(tài)；能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調(diào)整，步進值1V，同時具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。其他。3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析2011開關電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)開關電源模塊并聯(lián)供