第一讲 ACDC开关电源设计

交流开关电源(AC/DC)设计杭州电子科技大学高明煜AC/DC开关电源常用的主电路结构：单端反激式开关电源单端正激式开关电源半桥式开关电源全桥式开关电源推拉式开关电源开关电源的控制方式：电压型PWM控制电流型PWM控制MCU、ＡＳＩＣ或DSP控制B、AC/DC开关电源设计一、AC/DC开关电源常用电路结构1、单端反激式开关电源当负载为零时（即开路），输出电压U0∞,这种情况不允许出现，故反激式开关电源输出端必须接一个假电阻负载，如接1个100KΩ电阻。21oonioffNUtUNt输出电压：2、单端正激式开关电源000212:12,1onioniiUNtUNTNtUUNTNUUN故如负载开路则3、半桥开关电源设计输出电压：，如负载开路，则：21ooniNUtUNT212iONUUN4、全桥开关电源当滤波电感L的电流连续时，输出电压为：当负载开路，则输出电压极限值为：5、推换式开关电源当滤波电感L的电流连续时，输出电压为：当负载开路，则输出电压极限值为：二、PWM控制芯片介绍目前AC/DC常用的控制芯片有电压式和电流式两种。1、电压式典型芯片有：TL4942、电流型PWM控制器例一、AC/DC单路输出15W开关电源设计1.1设计要求已知条件：输入电压AC：85—265V输出功率PO=15W输出电压：7.5V额定输出电流：2A输出纹波电压:≤１００mV1.2电路结构选择考虑到输出功率较小，主电路可选择单端反激式，为此选择API（AdvancedPowerIntegration）公司的集成控制芯片TOP202。TOP202主要参数：VDS=700V,DMAX=0.6，P=15W—30W,FS=100KHZ单端反激式输出切勿开路！！！1.3高频变压器设计A、计算最大和最小直流输入电压（加到变压器初级）:Vmin=1.1×Vacmin=1.1×85=93VVmax=1.4142×Vacmax=1.4142×265=375VAVPIAVG2.0938.015min0B、输入电流平均值C、输入电流峰值取1，DMAX取0.6D、输入电流有效值PRRPRPAVGPIIKADKII667.06.0)12(22.0)2(2maxAKKDIIRPRPMAXPRMS30.036.067.0)13(2E、计算变压器初级电感量5.0,,)21())1((10206取为变压器总损耗为副边损耗式中ZPPPPZKKIfsZPLLLSLLSRPRPPPmHH775.010775.078.2110125.115105.0667.010100)8.08.02.05.0(15103362363.156.016.05.15.719310MAXMAXDDSMINSPDDVVVVNNF、计算变压器原副边匝比20062.6128.015.015.0mmPPPAte计算ＮＰ需知道ＡL值，而ＡL由磁芯型号和尺寸决定．磁芯尺寸Ae可用平均功率估算:选PC40锰锌功率铁氧体磁芯RM8。其饱和磁通密度BS在100℃下为390mT，有效截面积Ae=64mm2，电感系数2/1600NnHAL由初级电感量LP估算原边匝数：考虑实际使用时变压器须加气隙，故单位匝数的电感量将下降,故可取：NP=2×22=44匝匝2210160010775.093LPPALN匝87.23.15443.15PSNN副边实取3匝，则对应原边调整为15.3×3=46匝G、计算变压器气隙mmcmTAeBILLgMAXPP67.0067.025.6424.064.0)339.0(66.010775.04.04.022322如果气隙1mm,则说明磁芯截面过大；如果气隙＜０.20mm,说明磁芯截面过小。H.变压器磁饱和校验交流磁通产生磁感应强度变化幅值：mTLINHBdcmTTAeNtVBacgdcPPoni8.131067.016.046104:27027.01064461010015.09337063min直流磁通产生的变化量ΔＢac+ΔBdc=270+13.8=283.8390mT,故磁芯工作时不会产生饱和．Ｉ、变压器线径计算原边线径：mmmmAISDRMSP30.030.0)/(4442副边线径：mmISDRMSS798.02240１.４输入整流桥计算由于输入整流桥流过的最大峰值电流为０．６６７Ａ，故选择２Ａ／６００Ｖ以上整流桥。１.５输入滤波电容计算输入滤波电容一般取输出功率的１－２倍，故取３３uF/400VuFFUFDICNNVVDpOUTPSIMAXO7001001.071.010100)3.01(10)1(3.03753.155.7min630min01.6、输出滤波电容计算Dmin=Vinmax/实取６８０uF和１２０uF二只电容并联，或用多只小电容并联，以减少ＥＳＲ．选择２0A／３０V以上快恢或肖特基二极管如选IR公司的肖特基:20TQ04545V/20A，VFM=0.51V,TO-220AC如果要进一步降低输出整流管上损耗,可选用MOS管作同步整流,或者选用碳化硅肖特基二极管。1.7、输出整流二极管选择变压器次级峰值电流：ANNIISPPSP103.1566.0１.８降低开关电源功耗的一些措施选用低导通电阻ＲＯＮ的ＭＯＳ功率管，ＲＯＮ越小，导通损耗越小．选用合适的驱动电路，降低主开关管的开通和关断损耗选用合适的开关频率，开关频率越低，开关管和高频变压器的开关损耗就越小，当然开关频率应在２０ＫＨＺ以上．输出整流尽量选用肖特基二极管，并且耐压不宜过高．输出滤波电容尽量多只电容并联，以降低电容器的ＥＳＲ．高频变压器的电感量适当加大，以降低流过主回路的峰值电流．从而提高效率．原副边线圈采用多股线．例二、AC/DC开关电源F12AC10.1uF/275VL115mHC20.01uF/275VB12A/1000VBYG20JD5Z1TVS250VC310uF/400VT1120T/6TD63A/50V470uF/16VC8470uF/16VR347IC2AR41KC100.22uFIC3TL431R61.8K*R52.0KL25uHC11470uF/10VC120.1uFC510uF/35VC4470PFNEC2501IC2BC6200PF/2KVNCP1053BEE131.3-1.5mH**C7AC220VLN+4.3VGND用NCP1053设计的4.3V/2A开关电源:例三、DC／ＤＣ数控开关电源设计1、设计任务设计一个输出电压步进可调的数控电压源，并由数码管显示其输出值。具体要求如下：输入电压:３０Ｖ输出电压:2~20V，调节单位0.1V输出纹波电压：５０mV输出电流：1A输出电压由数码管显示“+”、“-”键分别控制输出电压的步进增减具有输出过流保护功能２、方案一采用线性稳压器本方案主要由线性可调三端稳压器ＬＭ３１７、单片机、数控电位器等组成，其结构如下图所示：Vin1GND2Vout3U1LM317R1R2RwR3R4C1E1E2R5A1SW1SW2P1.0P1.1P1.2P1.3P2.0P2.1P2.2AN0AN1P3.3DCPCLKABD0D0D76位74LS164单片机30VUout2-20V数控电位器选择：这里IR=50µA为使负载开路时，也能使输出电压稳定，输出静态电流ＩＱ必须大于5mA。为此可得：1.25()12505()VRmA)2)(125.1(25.10WRBBRRRVIVVVV1.251.251.25(50)(2)1BUoUARwRR1.251.25(2)250RwR＝故：当输出=2V时，令ＲＷ＝０，代入上式可得R2值：15025025.15025.120VAVR当输出=20V时，可得：375025025.15025.120VAVRRW所以ＲＷ=3.75Ｋ-0.15Ｋ=3.6Ｋ由于输出电压要求调节单位为0.1V，故2~20V需180个调节单位。为此可选４只１００级的数控可调电位器（型号为X9C102，其电阻值为１ＫΩ）串联．数控电位器X9Ｃ1０2主要技术参数:Vcc=5V,Ic=３mA，R=１kΩ，阻值位置掉电后保存端电压－５Ｖ~＋５Ｖ，抽头数１００，接口方式：按键式按键式3线控制：/CS/INCU/D阻值LPulseH升LPulseL降H不变数控电位器控制接口和单片机Ｉ／Ｏ口连接，共需９-12根信号线。３、方案二采用ＢＵＣＫ电路前述方案由一个致命的弱点，就是效率太低，尤其当输出电压为２Ｖ时，其系统效率最低。为了提高系统效率，可采用开关电路，如用ＢＵＣＫ电路实现，其电路结构如下图所示。3.1单片机选择考虑到BUCK电路开关频率需20Khz以上，选用总线频率高、并自身带ＰＷＭ发生器的单片机较合适。具体选ＦＲＥＥＳＣＡＬＥ公司的ＭＣ９Ｓ０８ＳＨ８。选其内置振荡器工作方式，ＢＵＳ频率调至最高２０ＭＨＺ，ＰＷＭ选９位，此时ＰＷＭ频率可达５０ＫＨＺR3R4C1E1E2R5A1SW1SW2PTC0PTB0PTB7PTA3PTA1PTA2PWM单片机30VUout2-20VM1L1D1R1INHOVSGNDC2D2VBVCC3PTA0IC1IC2R7R6LED1Q1VCC2+5VVCC1PTA4PTC2VddVss单片机Ｉ／Ｏ分配：Ａ／Ｄ通道２路ＰＷＭ输出１路“＋”、“－”按键２路ＬＥＤ或ＬＣＤ显示１１根共用１６根Ｉ／Ｏ3.2驱动电路在本系统中驱动电路起两个作用，一是电平转移，二是功率驱动以降低开关管功率损耗。常用的驱动芯片有ＩＲ、ＯＮＳＥＭＩ、ＳＴ、ＮＸＰ等公司生产，在本电路中可选用ＩＲ公司的ＩＲ２１１１。3.3ＬＥＤ显示LED动态扫描电路中三极管Ｑ１处于开关状态，故：KmAVVRKmAVVVURbeHLFCECC5.21100207.0520616.0203.02.13.05207023.4主电路电感设计为使电流连续，临界电感量为：uHDIofsVoLc80)6.01(10501220max)1(23３.５输出滤波电容FTsVoLVoDC80)1050(11050101008)6.01(208233622实取电感ＬＣ为１００uＨ．实取滤波电解电容E2为220UF/35V．3.6ＭＯＳ管选择由于输入电压为３０Ｖ，而最大额定输出电流为１Ａ，故取ＭＯＳ管ＩＲＦ５２０：ＢＶＤＳＳ＝１００Ｖ，ＩＤ＝９.２Ａ，ＲＯＮ＝０.２７Ω3.7续流二极管选择选ＳＲ３８０肖特基二极管：ＩＡV＝３Ａ，ＶＲＲＭ＝８０Ｖ，ＩＦＳＭ＝８０Ａ，ＶＦＭ＝０.８５Ｖ（ＩＡV＝３Ａ）谢谢！