开关电源课程设计1

1青岛科技大学本科课程设计题目_______________________________指导教师__________________________辅导教师__________________________学生姓名__________________________学生学号________________________________________________________学院____________________________专业________________班______年___月___日开关电源电路设计张伟张伟瞿润平1407050229自动化与电子工程智能电网信息工程14220177102目录任务书···············································2一、开关电源主电路的设计及参数计算···················41.主电路的选型·····································42.变压器设计计算···································83.开关器件的选择··································104.整流二极管的选择································11二、开关电源控制电路的设计··························121.控制电路的组成··································122.控制模式的选择··································133.PWM集成控制器的选择··························134.控制电路的整体设计·····························15三、附录············································四、参考文献········································3开关电源技术课程设计摘要目前开关电源的使用对象涵盖了包括空间技术、计算机、通信、仪器仪表、汽车电子、照明电器及家用电器等领域，几乎可以说是只要有电子产品的地方就有开关电源的用武之地。本文以主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。等介绍开关电源电路。关键字：主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算一、课程设计的目的通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。二、课程设计的要求1.题目开关电源电路设计主要技术数据1、单相交流输入电压AC95~270V；42、直流输出电压5V；3、输出电流3A；4、输出纹波电压≤0.2V；5、工作温度：0~40ºC注意事项：①学生也可以选择规定题目方向外的其它开关电源电路设计。②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。设计装置（或电路）的主要技术数据。开关稳压电源基本原理框图EMI滤波电路整流滤波电路辅助电路反馈电路高频变换器输出整流滤波控制电路LN+4-16GND5设计内容：1）、开关电源主电路的设计及参数计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）注意：开关频率的选择2）、开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、PWM集成控制器的选择、控制电路的整体设计）3）、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）4.课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。5.课程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。三、课程设计报告基本格式目录内容：1.设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）62.总体方案的确定3.开关电源主电路的设计及计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）4.开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、PWM集成控制器的选择、控制电路的整体设计）5.附录（主电路、控制电路、驱动电路整体图）6.参考文献一、开关电源主电路的设计及参数计算1、主电路的选型开关电源的电路结构众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型和全桥型。一般来说，小功率电源（1～100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用板桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。由于设计要求直流输出电压为5V，输出电流为3A，输出功率小于100W，所以使用反激型电路。7反激（Flyback）型电路的结构如图（1-19a）所示。反激型电路存在电流连续和电流断续两种工作模式。电流连续工作模式在一个开关周期经历2个开关状态，电路中波形如图（1-22）所示。t0～t1时段：电路处于开关状态1，S开通以后，VD处于断态，绕组W1中的电流线性增长，其电感储能增加；t1～t2时段：电路处于开关状态2，S关断后，绕组W1中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和二极管VD向输出端释放。电流断续工作模式在一个开关周期内相继经历3个开关状态。电路中的波形如图（1-21）所示。8t0～t1时段：电路处于开关状态1，S开通后，二极管VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；t1～t2时段：电路处于开关状态2，S关断后，绕组W1中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和二极管VD向输出端释放，直到t2时刻，变压器中的磁场能量释放完毕，绕组W2中电流下降到零，VD关断；t2～t3时段：电路处于开关状态3，绕组W1和W2中的电流均为零，电容C向负载提供能量。图1-20是反激式变压器开关电源，工作于临界连续电流状态时，整流输入电压uo、负载电流Io，变压器铁芯的磁通，以及变压器初、次级电流等波形。图1-20-a）中，变压器次级线圈输出电压uo是一个带正负极性的脉冲波形，一般负半周是一个很规整的矩形波；而正半周，由于输出脉冲被整流二极管限幅，当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时，输出波9形基本也是矩形波。。因此，在Ton期间，变压器铁芯中的磁通量是由剩磁S•Br向最大磁通S•Bm方向变化；而在Toff期间，变压器铁芯中的磁通量是由最大磁通S•Bm向剩磁S•Br方向变化。图1-20-c），是反激式变压器开关电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。图中，i1为流过变压器初级线圈中的电流，i2为流过变压器次级线圈中的电流（虚线所示），Io是流过负载的电流（虚线所示）。在控制开关接通期间，变压器铁芯被初级线圈电流磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被被次级线圈电流退磁，并向负载输出电流。从图1-20-c）还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。变压器初级线圈电流的最大值正好等于变压器次级线圈电流最大值的n倍2、变压器设计计算变压器是开关电源中的核心元件，许多其他主电路元器件的参数设计都以来于变压器的参数，因此应首先进行变压器的设计。10变压器磁芯的选择如果工作效率是88.2%，则变压器的传输功率为=17w由于许多因素，例如磁芯材料特性，变压器形状（主要是表面积对体积的比率）、表面的热辐射、允许温度、工作环境无法把传输功率与变压器的大小简单的联系起来。(1)计算原边绕组开关晶体管的最大到同时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。假设D==0.5。工作频率60KHz。===16.6us=D=0.516.6=8.3us(2)计算最低直流输入电压设当变换器在最低线路输入电压时发生满载工作。计算它的输入端的直流电压。对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压的有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。(3)选择工作时的磁通密度值已知，选用PC40EE13-Z的铁芯磁路的有效面积=17对于一般形状的铁芯，当工作在60KHz的频率，80%的饱和值：(4)计算原边匝数因为作用电压是一个方波，一个导通器件的伏秒值与原边匝数的关系==192.1匝(5)计算副边匝数设整流二极管的压降是0.7v，绕组压降为0.6v，则原边绕组压降电压值为15+0.7+0.6=16.3v原边绕组每匝伏数==副边绕组匝数为=匝(6)确定气隙大小及气隙计算带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度H值下才会产生磁饱和，因此磁芯可经受一个更大的直流成分；另外，当H=0时，更小，磁芯的磁感应强度B有一个更大的可用工作范围。最后，有气隙时，磁导能力降低，导致每匝的11电感量减小，绕组总电感值减小。但气隙的存在减少了磁芯里直流成分的所产生的磁通==2.12mH==0.69mm3.开关器件的选择变压器设计完毕以后就可以设计开关电源了，首先计算开关器件的电流。他的平均值可以有输出功率与传输效率来得出、还有原边电压共同得出变压器公式为I===0.138A。设计算完峰值电流后，接下来计算MOSFET能承受的最大反向电压。4、整流二极管的选择在整流时整流二极管的所承受的最大电压可由最大输入电压求出，题目中所给的为最大输入电压270v，这个为有效值，这里不能用有效值来算需要乘以所以经过网上资料的查询有以下几种型号的整流二极管的，其中每个整流二极管的基本参数如图12经过简单分析就可以看到，应该选择型号为IN4004的整流二极管，此型号的整流二极管的最高反向峰值电压为400v，正向压降为1.0v，在输入95~270v的情况下是可以忽略的。所以型号为IN4004是符合设计要求的，这里用单相桥式整流的方法需要4个此型号的整流二极管。二、开关电源控制电路的设计开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成13严重后果，使整个电源停止工作或损坏。电源的很多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也都同控制电路相关。1、控制电路的组成a.驱动电路驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。驱动电路需要有很告的快速性，能提供一定的驱动功率，并具有较高的抗干扰和隔离噪声能力。b.调节器电路调节器的作用是将给定量和反馈量进行比较和运算，得到控制量。调节器的核心是运算放大器。c.并机均流电路d.保护电路保护电路具备自身保护和负载保护两方面功能。自我保护功能有：输入过电压，输入欠电压，系统过热，过电流等。负载保护功能有：输出过电压，输出欠电压等。e.PWM控制电路通常集成PWM控制器将误差电压放大器、振荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成电路：（1）基准源：用于提高稳定的基准电压，作为电路中的给定的基准。（2）振荡器：产生固定频率的时钟信号，以控制开关频率。（3）误差电压放大器（EA）：实际上就是一个运算放大器，用