開關(guān)電源設(shè)計

課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：開關(guān)電源設(shè)計初始條件：輸入交流電源：單相220V，頻率50Hz。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）?1、 輸出兩路直流電壓：12V，5V。2、 直流最大輸出電流1A。3、 完成總電路設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。時間安排：課程設(shè)計時間為兩周，將其分為三個階段。第一階段：復(fù)習(xí)有關(guān)知識，閱讀課程設(shè)計指導(dǎo)書，搞懂原理，并準(zhǔn)備收集設(shè)計資料，此階段約占總時間的20%。第二階段：根據(jù)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求選擇方案，設(shè)計計算。）第三階段：完成設(shè)計和文檔整理，約占總時間的40%。指導(dǎo)教師簽名： 年月日系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄)弓〕言 錯誤!未定義書簽。1設(shè)計意義及要求 錯誤!未定義書簽。設(shè)計意義 錯誤!未定義書簽。開關(guān)電源的組成部分 錯誤!未定義書簽。開關(guān)電源的工作過程 錯誤!未定義書簽。開關(guān)電源的工作方式 錯誤!未定義書簽。脈寬調(diào)制器的基本原理 錯誤!未定義書簽。2方案設(shè)計 錯誤!未定義書簽。T設(shè)計要求 錯誤!未定義書簽。方案選擇 錯誤!未定義書簽。整流濾波部分 錯誤!未定義書簽。降壓斬波電路 錯誤!未定義書簽。脈寬調(diào)制電路 錯誤!未定義書簽。MOSFET管的驅(qū)動電路 錯誤!未定義書簽?？傠娐穲D 錯誤!未定義書簽。3主電路參數(shù)設(shè)定 錯誤!未定義書簽。{變壓暴、二極管、MOSFET管選擇 錯誤!未定義書簽。反饋回路的設(shè)計 錯誤!未定義書簽。MOSFET的驅(qū)動設(shè)計 錯誤!未定義書簽。結(jié)束語 錯誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn) 錯誤!未定義書簽。附錄一 錯誤!未定義書簽。引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，遠(yuǎn)程控制交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IGBT和MOSFET構(gòu)成。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。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(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。開關(guān)電源根據(jù)輸入輸出的性質(zhì)不同可分為AC/DC和DC/DC兩大類。AC/DC稱為一次電源，也常稱為開關(guān)整流器。值得指出的是，AC-DC變換不單是整流的意義，而是整流后又做DC-DC變換。所以說，DC-DC變換器是開關(guān)電源的核心。DC/DC稱為二次電源，其設(shè)計技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，所以學(xué)習(xí)設(shè)計開關(guān)電源有重要的意義。1設(shè)計意義及要求設(shè)計意義《電力電子技術(shù)》主要培養(yǎng)我們統(tǒng)籌運(yùn)用課本所學(xué)的理論知識，掌握電路設(shè)計模塊化基本理論和基本方法。所謂開關(guān)電源，廣義上凡用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換電路；轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)則稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源根據(jù)輸入輸出的性質(zhì)不同可分為AC/DC和DC/DC兩大類。AC/DC稱為一次電源，也常稱為開關(guān)整流器。本次課程設(shè)計是針對我們平時學(xué)習(xí)的理論知識的檢驗(yàn)，也是讓我們更加熟練的運(yùn)用仿真軟件，更好的解決開關(guān)電源的一些問題。開關(guān)電源的組成部分開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。其電路比較復(fù)雜，基本構(gòu)成如圖1所示。圖1開關(guān)電源基本構(gòu)成主要由以下5部分構(gòu)成：①輸入整流濾波器：包括從交流電到輸入整流濾波器的電路；②功率功率管（VT）及高頻變壓器（T）；③控制電路（PWM調(diào)制器），含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器和PWM比較器，控制電路能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，其占空比受反饋電路的控制；④輸出整流濾波器；⑤反饋電路。除此之外，還需增加偏置電路、保護(hù)電路等。其中，PWM調(diào)制器為開關(guān)電源的核心。開關(guān)電源的工作過程交流電網(wǎng)電壓進(jìn)入輸入電路后，經(jīng)輸入電路中的線路濾波器、浪涌電流控制電路以及整流電路，變換成直流電壓。其中線路濾波器及浪涌電流控制電路的主要作用是削弱由電網(wǎng)電源線進(jìn)入的外來噪聲以及抑制浪涌電流，整流電路則完成交流到直流的變換，可分為電容輸入型和扼流圈輸入型兩大類，開關(guān)電源中通常采用電容輸入型。功率變換電路是整個開關(guān)電源的核心器件，它將直流電壓變換成高頻矩形脈沖電壓，其電路主要由開關(guān)電路和變壓器組成。開關(guān)電路的驅(qū)動方式分為自激式和他激式兩大類；開關(guān)變壓器因是高頻工作，其鐵芯通常采用鐵氧體磁芯或非晶合金磁芯；開關(guān)晶體管通常采用開關(guān)速度高，導(dǎo)通和關(guān)斷時間短的晶體管，最典型的有功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）等三種。輸出電路是將高頻變壓器次級方波電壓經(jīng)過高頻整流濾波電路整流成單向脈動直流，并將其平滑成設(shè)計要求的低紋波直流電壓，供給負(fù)載使用。開關(guān)電源的工作方式開關(guān)電源按控制原理來分類，有以下4種工作方式：（1） 脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation，簡稱PWM，即脈寬調(diào)制）式：其特點(diǎn)是開關(guān)周期為恒定值，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈寬調(diào)制器。（2） 脈沖頻率調(diào)制（PulseFrequencyModulation，簡稱PFM，即脈頻調(diào)制）式：其特點(diǎn)是脈沖寬度為恒定值，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來改變占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。其核心是脈頻調(diào)制器。（3） 脈沖密度調(diào)制（PulseDensityModulation，簡稱PDM，即脈密調(diào)制）式：其特點(diǎn)是脈沖寬度為恒定值，通過調(diào)節(jié)脈沖數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。它采用零電壓技術(shù)，能顯著降低功率電壓管的損耗。（4） 混合調(diào)制式：它是（1）、（2）兩種方式的組合。開關(guān)周期和脈沖寬度都不固定，均可調(diào)節(jié)。它包含了脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器。以上4種統(tǒng)“稱時間比率控制”方式，其中以脈寬調(diào)制器應(yīng)用最廣。脈寬調(diào)制器的基本原理脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理如圖2所示。220V交流電u首先經(jīng)過整流濾波電路變成直流電壓U.，再由功率開關(guān)管VT斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過整流濾波后后的所需要的直流輸出電壓U。。脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動信號，控制功率開關(guān)管的通、斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。鋸齒波發(fā)生器用于提供始終信號。利用取樣電阻。誤差放大器和PWM比較器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。輸出電壓Uo經(jīng)R1、R2取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相輸入端的基準(zhǔn)電壓U 進(jìn)行比較，得到誤差電壓U，再用U的幅度去控制PWM比較器輸出的REF r r脈沖寬度，最后經(jīng)過功率放大和降壓式輸出電路使Uo保持不變。UJ為鋸齒波發(fā)生器的輸出信號。圖2 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的工作原理2方案設(shè)計設(shè)計要求初始條件：輸入交流電源：單相220V，頻率50Hz。要求完成的主要任務(wù)：1、 輸出兩路直流電壓：12V，5V。2、 直流最大輸出電流1A。3、 完成總電路設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。方案選擇方案一：電源輸入，即單相交流電壓。輸出為：12V、5V直流電壓，最大電流1A。交流電220V經(jīng)過一個整流濾波電路后得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號控制MOSFET管的關(guān)斷，調(diào)節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路得到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。開關(guān)電源原理框圖如圖3所示。圖3整體設(shè)計方框圖整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來實(shí)現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來實(shí)現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實(shí)現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制(PWM)，即在控制時對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計的開關(guān)電源控制時首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+t*)，再由輸出信號與基準(zhǔn)信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間y，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。方案二：首先對輸入的220V,50Hz的交流電源進(jìn)行整流濾波，得到直流電壓，再經(jīng)過高頻逆變得到高頻交流電壓，然后在經(jīng)過高頻變壓器降壓，再經(jīng)過高頻整流得到脈動直流，最后經(jīng)過濾波器得到要求的直流電。整體設(shè)計方框圖如圖4所示：圖4整體設(shè)計方框圖整流部分是利用具有單向?qū)щ娦再|(zhì)的二極管構(gòu)成的橋式電路來實(shí)現(xiàn)；濾波部分則是利用電容電感器件的儲能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來實(shí)現(xiàn)的；高頻逆變電路則是通過開關(guān)電力電子器件的開通關(guān)斷性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的；高頻變壓器降壓則是通過互感變壓器實(shí)現(xiàn)降壓的；高頻整流則是通過整流器件實(shí)現(xiàn)交流變脈動直流的；而濾波器則是通過電容的濾波效應(yīng)實(shí)現(xiàn)脈動直流向直流的轉(zhuǎn)化的。因?yàn)榉桨敢坏脑O(shè)計思路簡單，步驟少，所以本次設(shè)計選擇方案一。整流濾波部分整流電路工作原理：在輸入交流電壓的正半周期，二極管D1、D4承受正向電壓導(dǎo)通，D2、D3承受反向電壓截至，整流輸出電壓等于輸入電壓；在輸入交流電壓的負(fù)半周期，二極管D2、D3承受正向電壓導(dǎo)通，二極管D1、D4承受反向電壓截至，輸出電流是輸入電流的相反數(shù)。整流電路工作時的波形如圖5所示。

由圖5可知，經(jīng)過二極管整流橋后，輸入的正弦電壓成了正的電壓，同時由于電容電感的儲能效應(yīng)，整流橋輸出的電壓和電流會進(jìn)一步變的平直。當(dāng)然電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對提高濾波效果已無明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電壓和輸出電流的大小選擇最佳電容。本電路選擇470uF電容即可。圖5整流部分電路圖降壓斬波電路圖6基本降壓斬波電路將整流后得到的直流電壓輸入降壓斬波電路通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，RCD保護(hù)電路在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。脈寬調(diào)制控制型號有IGBT驅(qū)動電路發(fā)出；RCD保護(hù)電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。本設(shè)計中電路圖如圖7所示。電路中采用兩級RL濾波電路使輸出電壓穩(wěn)定。圖7降壓斬波電路脈寬調(diào)制電路本設(shè)計選用TL494作為脈寬調(diào)制電路的主要芯片。其典型應(yīng)用電路圖如圖8所示。TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路，它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。這是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個電阻和一個電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電容的脈沖其實(shí)是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外2個控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時鐘信號為低電平時才會被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎耄宦匪椭?xí)r間死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間約等于鋸齒波的周期4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。

Figure21.PulseWidthModulatedStep-DownConverter+Vr=10Vto4]VIq-WA：iCompTL494C|Rr□.Ij.C.GndEi5 6 4'3：9T3.001yIq-WA：iCompTL494C|Rr□.Ij.C.GndEi5 6 4'3：9T3.001y如 1 ? ].1―W"—U.lM圖8TL494典型電路圖何脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個手段：當(dāng)反饋電壓從變化到時，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時間中下降為零。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)智器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制電路。照典型電路圖修改后得到本次設(shè)計的電路圖，如圖9所示。MOSFET管的驅(qū)動電路本次課設(shè)選用美國IR公司的IR2110S芯片。用于IGBT或功率MOSFET驅(qū)動的集成芯片模塊中，應(yīng)用技術(shù)比較成熟的有東芝LP250、富士EXB8系列、三菱M579系列等，但是這些模塊都是單驅(qū)動，如果要驅(qū)動全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路則需要4個隔離的驅(qū)動模塊，不但費(fèi)用高、而且體積大。美國IR公司推出的高壓浮動驅(qū)動集成模塊IR2110S是一種新型的功率同OSFET或IGBT驅(qū)動模塊，它本身允許驅(qū)動信號的電壓上升率達(dá)±50V/us，極大地減小了功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗。此外，由于IR2110S采用自舉法實(shí)現(xiàn)高壓浮動?xùn)艠O雙通

道驅(qū)動，因此可以驅(qū)動500V以內(nèi)的同一相橋臂的上下兩個開關(guān)管，減小了裝置體積，節(jié)省了成本。圖9脈寬調(diào)制電路IR2110S采用HVIC和鎖抗干擾CMOS制造工藝，雙列直插14腳封裝。具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓）電壓范圍10?20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5?15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有土5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500khz;開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。本次設(shè)計采用的MOSFET管驅(qū)動電路如圖10所示。從TL494芯片出來的OUT信號，輸入到IR2110S來驅(qū)動MOSFET，最終使輸出電壓穩(wěn)定在5V或12V。

圖10MOSFET的驅(qū)動電路總電路圖整個電路的總電路圖用AltiumDesigner制作，圖如附錄一所示。3主電路參數(shù)設(shè)定變壓器、二極管、MOSFET管選擇由于是單相電，所以必須使用單相變壓器，原邊額定電壓U1=220V，副邊額定電壓約為U=30V，額定電流大于等于1A。對于整流濾波電路中的四個二極管D1、D2、D3、D4，它們承受的反向最大峰值電壓為變壓器相電壓的峰值，即為72U2；承受的正向最大峰值電壓為修2。？，流過的最大平均電流約為1A。所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于的電力二極管用來構(gòu)成單相整流電路。對于斬波電路中的電力二極管VD，承受的最大反向重復(fù)峰值電壓約為4V，最大正向平均電流I約為1A，所以我們可以選擇正向平均電流I大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V的電力二極管作為續(xù)流二極管。對于斬波電路中的MOSFET，漏極與源極之間承受的最大電壓Uds約為4V，流過的最大電流值約為1A，則最大耗散功率約為4W。所以我們可以選擇最大漏極與源極之間電壓大于4V，流過最大電流大于1A，功耗大于4W的MOSFET，如IRF540型號。斬波電路中的電感盡量取大，以避免電流過大，磁路飽和。綜上所述，主電路的主要參數(shù)如下：所用電力二極管和MOSFET的導(dǎo)通壓降約為，電感壓降約為。整流濾波電路部分：輸入電壓七：單相220V交流輸出電壓U:30V直流o電力二極管D1、D2、D3、D4參數(shù)：正向平均電流大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V。降壓斬波電路部分：輸入電壓七:4V直流輸出電壓U:5V和12V穩(wěn)壓直流o電力二極管：正向平均電流大于1A，反向重復(fù)峰值電壓大于4V

MOSFET管取IRF540型號。反饋回路的設(shè)計由于加入反饋回路，輸出電壓不再像教材中那樣有單一占空比的PWM來控制，而是由時刻變化著的PWM來控制，所以其電壓也就不能由公式來推出。在輸出端并聯(lián)一個分壓電路，50K。電阻和MOSFET管取IRF540型號。反饋回路的設(shè)計由于加入反饋回路，輸出電壓不再像教材中那樣有單一占空比的PWM來控制，而是由時刻變化著的PWM來控制，所以其電壓也就不能由公式來推出。在輸出端并聯(lián)一個分壓電路，50K。電阻和200K?；瑒幼冏杵鞔?，并從中間引出一個信號電壓作為反饋點(diǎn) Feedback。將Feedback輸入TL494控制電路，于是反饋點(diǎn)一直和TL494內(nèi)部基準(zhǔn)源比較，影響輸出的PWM的占空比，若大于5V，占空比將減小，若小于5V，占空比將增大，這樣控制MOSFET得導(dǎo)通與關(guān)斷，直到保持反饋點(diǎn)電壓保持5V，輸出電壓按比例可以算出為5~25V。PWM的頻率由外接阻容決定。電路圖如圖11所示。計算過程：U R1+R2^o=1R2其中*恒為5V，所以當(dāng)R1=0。是U=5；R1=200KO時，U=25。圖11反饋電路當(dāng)R1跳到0K。時，輸出電壓為5V，當(dāng)R1滑到70K。時，輸出電壓為12V，即為所求的值。MOSFET的驅(qū)動設(shè)計由于選用大功率MOSFET，如何驅(qū)