直流開關電源的設計(共13頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上電力電子技術課程設計課程設計報告設計題目 直流開關電源的設計 學 院 班 級姓 名 學 號 指導教師 日 期 一 、設計任務： 直流開關電源的設計二 、設計的主要技術指標及特點電路指標參數(shù)1、交流輸入電壓AC95270V；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95270V之間變化時，輸出電壓誤差0.03V；三、設計的具體要求 設計要求：（1） 設計主電路，建議主電路為：整流部分是橋式二極管整流，大電容濾波，DC/DC部分采用半橋變換器，主功率管用MOSFET；（2） 選擇主電路所有圖列元件，并給出清單；（3） 設計MOSFE

2、T驅動電路及控制電路；（4） 繪制裝置總體電路原理圖及PCB設計圖（5） 編制設計說明書、設計小結。4、 設計內(nèi)容 （一）、總體設計思路及框圖1.1設計總體思路輸入EMC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DCAC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，以及負載部分，其中整流濾波和DC-DC變換器構成開關穩(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/直流轉換電路,是整個開關穩(wěn)壓電源的核心部分。 1.2開關

3、穩(wěn)壓電源的基本原理框圖如圖1-1所示：EMI濾 波 電 路GND+4-16輸 出整 流濾 波控 制 電 路整流 濾波 電路NL輔助 電路反饋 電路高 頻 變 換 器 圖1-1 開關穩(wěn)壓電源基本原理框圖（二）電路設計及原理分析2.1、基本原理 開關穩(wěn)壓電源包括輸入電路、有源調整、功率轉換、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，此電壓送到有源調整電路進行功率因數(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。功率轉換是由電子開關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

4、的符合設計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電壓進行比較放大。而頻率振蕩發(fā)生器產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調制，達到脈沖寬度可調。其中高頻電子開關是實現(xiàn)電能轉換的主要單元，在一個周期內(nèi)，電子開關的接通時間ton與一個周期所占時間的比值叫做接通占空比D,D=ton/T。斷開時間與周期T的比例稱為斷開占空比D,D=toff/T。接通占空比越大，負載上的電壓越高，表明電子開關的接通時間越長，此時負載感應電壓較高，工作頻率也較高，能量傳遞速度也快，便于實現(xiàn)高頻變壓器的小型化。但是開關電源

5、中的開關功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發(fā)熱量高，損耗大。對于不同的變換器形式，所選用的占空比是不一樣的。2.2單元電路設計2.2.1整流濾波電路 電子設備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設備的一個重要途徑，在設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網(wǎng)的干擾進入電源機箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關轉換時產(chǎn)生的高頻噪聲。 交流輸入220V時，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量

6、大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會產(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組成的輸入軟啟動電路。電路如圖2-1所示： 圖2-1 輸入整流濾波電路2.2.2反激式變換器 根據(jù)電路的結構形式的不同，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。當開關管VT截止時，變壓器初級所積蓄的電能向次級傳送，這時變壓器的次級繞組下端為負，上端為

7、正，二極管VD正向導通，導通電壓經(jīng)過電容C濾波后向負載RL供給電能。當變壓器的初級儲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。圖2-2 變換器電路 2.2.3 MC33374MC33374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)部結構主要包括九個部分：振蕩器、并聯(lián)調整器誤差放大器、脈寬調制比較器與脈寬調制觸發(fā)器、電流極限比較器及功率開關管、啟動電路、欠

8、壓鎖定電路、過熱保護電路和狀態(tài)控制器。其各管腳功能說明如下，結構如圖2-3所示：管腳1（VCC）：工作電源電壓輸入端。在啟動芯片時，必須通過管腳5（D）給該管腳供給10V以下的工作電壓。當VCC8.5V（工作閥值電壓）時，啟動電路中的MOS場效應管立即關斷，而功率開關管開始工作，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VCC7.5V(欠壓閥值電壓)，功率開關管就關斷，而共啟動用的MOS場效應管則工作，芯片進入自啟動工作模式。 管腳2（FB）：反饋輸入端。該端經(jīng)內(nèi)部15電阻接誤差放大器的反向輸入端，能周期性的控制功率開關管的通斷。反饋的

9、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具有三個作用：（1）啟動電路定時電容；（2）兼做補償電容，與R3一起對反饋環(huán)路進行頻率補償；（3）作為工作電壓VCC的旁路電容，在啟動過程中對C5充電，建立VCC。管腳3（GND）：接地。該端是控制電路與功率開關管的公共地，給元件加裝散熱器時兼作為散熱器的地端。管腳4（state cont

10、rol input，SCI）：狀態(tài)控制輸入端。它也是一個多功能的引出端，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）配微控制器進行關斷操作；（3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護電路，使之在工作模式裝換過程種不會引起開關電源輸出電壓的波動；（4）利用數(shù)字信號進行控制；（5）配上電延時電路；（6）禁止對狀態(tài)控制器進行操作。管腳5(power switch drain,D)：功率開關管漏極引出端。該端能直接驅動高頻變壓器的初級。此外，它還與內(nèi)部啟動用mos場效應管的漏極相連。 圖2-3 MC33374 2.

11、2.4反饋電路反饋的基本類型又四種，即基本的反饋電路、改進型基本反饋電路、 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電源中應用最多，效果最好，穩(wěn)壓性能最佳。如圖所示，用TL431代替穩(wěn)壓管構成外部誤差放大器，對輸出電壓Vo做精細調整，組成精密開關電源，使電壓調整率和負調整率均能達到0.2%以下?？烧{式精密電源穩(wěn)壓器TL431B構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)壓原理是當輸出電壓U0發(fā)生波動時，經(jīng)R5 R6 分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2

12、.5V基準電壓進行比較，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)生相應的變化，并以此調節(jié)輸出占空比，達到穩(wěn)壓的目的?？紤]到高頻變壓器的初次級間耦合電容會造成供墨干擾，現(xiàn)利用C14加以濾除。C7為控制環(huán)路的補償電容。R4為LED的限流電阻。反饋電路如圖2-4所示。圖2-4 反饋電路2.2.5脈寬調制器開關電源的控制方式主要包括脈寬調制，脈沖頻率調制。脈沖頻率調制是將脈沖寬度固定，通過調節(jié)工作頻率來調節(jié)輸出電壓。交流輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變?yōu)槊}動的直流電壓，供給功率開關管作為動力電源。開關管的基極或場效應管的柵極由脈寬調制器的脈沖驅動。脈寬調制器由基準電壓源，誤差放大器，PW

13、M比較器和鋸齒波發(fā)生器組成，如圖所示。開關電源的輸出電壓和基準電壓進行比較，放大，然后將其差值送到脈沖調制器。脈沖調制的頻率是不變的，當輸出電壓Vo下降時，與基準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)開關晶體管功率放大后，驅動高頻變壓器，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。脈寬調制器電路如圖2-5所示。圖2-5 脈寬調制器電路（三）、電路相關計算3.1變壓器參數(shù)的計算輸入電壓為95270V/50Hz；輸出電壓為為15V、輸出電流為6A。N2是次級繞組，N3是反饋繞組。（1） 磁心大小的選擇輸出功率：Po=V

14、S2*IS2+VS3*IS3 設VS3=8V，IS3=0.1A，占空比D=0.5，效率為85%，則Po=15*6+8*0.5=94W輸入功率 Pi=Po/=94/0.85=110W 根據(jù)輸入功率選擇EE30磁芯。設工作頻率為f=50KHz，則周期為T=1/f=20(s)（2）電子開關的接通時間ton初級繞組開關晶體管VT1的最大導通時間對應于最低輸入電壓和最大負載。 ton=D*T =0.5*20=10（s）（3）最低直流輸入電壓當變換器在最低輸入電壓下滿載工作時，計算它輸入端的直流電壓Vp。對于單相交流電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入有效值的1.3倍，倍壓整流系數(shù)1.9倍，則Vp=95*1

15、.3*1.9=247.65V 選擇工作時的磁通密度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攝氏度時為360mT, 對于一般形狀、材質的鐵氧體磁芯，當工作在頻率為50kHz時，磁通密度為飽和值的65%。Bac=360*0.65=234(mT)（4）原邊匝數(shù) 作用電壓為一個方波，一個導通期間伏秒值與原邊匝數(shù)的關系為 式中Np為原邊匝數(shù)；Vp為原邊所加直流電壓；ton 為導通時間；Ae為鐵芯有效面積（）。 （匝）（5）次級匝數(shù)設肖特基二極管的管壓降為0.8V, 電感L的壓降為0.4V，則初級繞組每伏匝數(shù) n=Vp/Np=247.65/

16、92=2.69(伏/匝)次級繞組匝數(shù)N2=(15+0.8+0.4)/2.69=6(匝)（6）反饋繞組匝數(shù) N3=8/2.693（匝）3.2取樣電路的計算R2的阻值：其中IF是光電耦合器中發(fā)光二極管的電流在傳輸比CTR為120%時的標稱值。發(fā)光二極管的發(fā)光強度受輸出電壓的控制。R3、R4的阻值的計算：先固定R4為15K，再計算R3的阻值， , （四）、總結和體會 經(jīng)過這一周的課程設計，我收獲頗豐。這次做的課題是開關穩(wěn)壓電源，涉及到很多模擬電路方面的知識。經(jīng)過這次設計，讓我對模擬電路的知識又重新系統(tǒng)的溫習了一遍，讓我對模擬技術知識有了更深的理解。 在網(wǎng)上查了很多資料之后，對這個課題有了一些初步的認識。在確定了思路，設計出電路原理圖以后，就要經(jīng)過計算以確定各元件的參數(shù)。在這次設計中，另一個學習到的是使自己對protel有進一步的學習，又學會了protel中的一些使用方法，也使自己能夠更加熟練的使用protel。 還有本次設計過程中得到了老師和同學的支持和幫助，在此表示感謝。成 績教師簽名批閱