开关电源技术 大作业

北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院BeijingJiaotongUniversity开关电源设计—push-pullconverter结题报告姓名：TYP班级：电气0906学号：09291183组别：第九组指导老师：游小杰完成日期：2012.11.28北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院一、设计题目设计push-pullconverter变换器。其中，输出电压48V，功率为100W，输入电压为直流70V30V。二、设计步骤三、具体设计流程1.基本push—pullconverter主电路结构：其工作原理如下：Q2导通时，变压器原边施加正电压，副边D1导通，电感电流上升；Q2截止时，变压器原边施加零电压，副边D1、D2导通，电感电流下降；根据基本输入输出关系确定主电路相关参数根据相关参数选择驱动芯片、控制芯片、EMC措施等添加过压、欠压、过流、短路保护北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院Q1导通时，变压器原边施加负电压，副边D2导通，电感电流上升；Q1截止时，变压器原边施加零电压，副边D1、D2导通，电感电流下降。2.主电路参数①基本关系：首先根据电感电压半个周期内积分为0，得到：DNNVVpsdo2，其中)5.0,0(D又oV=48V，oP=100W，dV=7030VoooVPI=100/48=2.083AoooIVR=48/2.083=23.04Ω又VVd]100,40[,则]8048,20048[DNNps即]6.0,24.0[DNNps，则]2.1,48.0[minpsNN又dpsoVNNV考虑一般psNN为整数，取psNN为2，满足输入输出要求。②选取原边参数：原边开关管、二极管工作环境相同，条件也相同，由工作原理可知：开关管最大反向电压TPV=2*maxdV=200V，北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院二极管最大反向电压DPV=2*maxdV=200V，取开关管频率为10KHZ，考虑裕量问题，裕量50%裕量，开关管：V=1.5*200=300V，I=1.5*4.166=6.25A，二极管：V=1.5*200=300V，I=1.5*4.166=6.25A。③选取副边参数：副边二极管工作环境相同，条件也相同，由工作原理可知：二极管最大反向电压DPV=2*maxdV*psNN=400V，流过最大电流为oI=2.083A，考虑裕量问题，裕量50%裕量，二极管：V=1.5*400=600V，I=1.5*2.083=3.12A，副边电感oodPSSLPLBILVVNNTDiI*2)*(**2又oI=2.083A，psNN=2，oV=48V，ST=100μs，VVd]100,40[，则MINL=oodSIVVTD*2)2(**,当VVd40时，D=48/80/2=0.3，MINL=oodSIVVTD*2)2(**=0.23μH当VVd100时，D=48/200/2=0.12，MINL=oodSIVVTD*2)2(**=0.44μH所以MINL=0.44μH，考虑裕量问题，取1.25MINL=0.55μH，北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院考虑电感标称值，取L=0.56μH，又CQVo16**CITLSCLTVVNNTDSodPSS16*)*(**CLE1681*)48100*2(*12.0所以16*48*02.0*81*152*12.0*1681*)48100*2(*12.0LEVLECo0.021F考虑裕量问题，取C=1.25MINC=0.026F,考虑标称值，取C=0.03F3.主电路仿真由于matlab中无含有抽头的变压器，所以可以用以下电路实现推挽变换器的功能，参数按照设计参数赋值：用开关管和开关的组合得到和含有抽头的变压器相同的电压波形，如下（由上至下为正管驱动信号、负管驱动信号、变压器原边电压波形）：北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院副边波形如下（由上至下为变压器原边电压—作为参考、电感左侧电压、电感电流、输出电压）：可以得到输出电压示数和波形：纹波符合要求小于2%。北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院4.驱动芯片、控制芯片、EMC措施4.1驱动芯片驱动芯片采用SG3525.SG3525的结构和工作原理:SG3525的特点如下：（1）工作电压范围宽：8—35V。（2）5.1（11.0%）V微调基准电源。北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院（3）振荡器工作频率范围宽：100Hz¬—400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有PWM琐存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。各部分功能：a基准电压源:基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC可在（8～35）V内变化，通常采用+15V，其输出电压VST＝5.1V，精度±1%，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，没有过流保护电路。b振荡电路：由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压VH=3.9V，低门限电压VL=0.9,内部横流源向CT充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当VC=VH时比较器动作，充电过程结束，上升时间t1为：t1=0.67RTCT北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院比较器动作时使放电电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当VC=VL时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2为：t2=1.3RDCT注意：此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为:T=t1+t2=(0.67RT+1.3RD)CT振荡频率：f=1/T1(0.671.3)TTDfCRR将频率除以2即为输出波的频率输出电压波形：1KHz方波RT=70KΩ,RD=2.38KΩ,CT=0.01uF，Css=0.1uF，Rv+=10KΩ.CT和RT是连接脚5和脚6的振荡器的电阻和电容，RD是于脚7相连的放电电阻的阻值。2.2驱动电路驱动可采用光耦电路，如下所示：北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院在实际采用时，可以改为只用一个NPN实现。光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光耦4N28资料如下：仿真如下：北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院输出波形如下，从上至下为输出、输入方波：4.2控制芯片控制芯片采用KA3511,KA3511采用22脚DIP封装，引脚排列如图1所示。北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院KA3511主要由振荡器、误差放大器、PWM比较器、过电压保护（OVP）与欠电压保护（UVP）电路、遥控开/关控制电路、电源好（pwoergood）信号产生器和精密参考电压等单元电路所组成，引脚功能如表1所示。表1引脚功能脚号名称功能1VCC电源电压2COMP误差放大器（E/A）输出3E/A(－)E/A反向输入4E/A(＋)E/A同相输入5TREM遥控开/关延迟6REM遥控开/关输入7RT振荡器频率设定电阻8CT振荡器频率设定电容9DET欠电压检测输入10TPG电源好（PG）信号延迟11PG电源好信号输出12Vref5.03V±2％的参考电压13V3.33.3V输出的OVP、UVP输入北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院14V55V输出的OVP、UVP输入15V1212V输出的OVP、UVP输入16PT另外的保护输入17TUVPUVP延迟18GND信号地19DTC死区时间控制输入20C2输出驱动21E功率地22C1输出驱动图1KA3511引脚排列图2PWM控制电路北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院图3工作波形图4软启动电路KA3511的主要特点如下：（1）只需很少量的外部元件，就可以组成性能优良的SPMS辅助电路；（2）固定频率、可变占空比电压型PWM控制；（3）利用死区时间控制实现较启动；（4）为推挽操作对偶输出，每个输出晶体管的电流容量为200mA；北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院（5）对于SMPS的＋3.3V、＋5V和＋12V输出，具有OVP和UVP功能；（6）遥控开/关控制功能；（7）为监视电源电压电平，使微处理器安全操作，内置电源好信号产生器；（8）精密电压参考，容差为±2％（4.9V≤Vref≤5.1V）；（9）电源电压VCC=14～30V，待机（standby）电流（ICC）典型值是10mA。4.3EMC措施4.3.1滤波由于电池存在一定的内阻抗，再加上入端引线上的寄生电感和内阻，将在输入端引起一系列的高频纹波。为了使输入端成为满足要求的恒压源，需在电路进线端加上EMI滤波器，既抑制了外界对电路的干扰，也阻止了电路对电池的干扰。通常，在入端并联电解电容和滤高频纹波的电容。电解电容主要滤低频纹波，滤高频纹波的电容采用CBB电容。北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院由于输出端对电流波形的要求，必须减小输出纹波的大小，因此，也需要在输出端并联大容量的电解电容和较大容量的滤高频纹波的CBB电容。另外，需要对集成芯片的去耦滤波电容进行科学的配置。每块集成芯片都接有去耦滤波电容器，在每次开关过程中都重新充电，以便为芯片供电，去耦电容器的取值一般在470pF～1000pF，采用瓷片或者是CBB电容，用于滤除高次纹波。去耦滤波电容器必须紧靠集成电路安装，力求最短的电容器引线和最小的瞬态电流回路面积。同时要在整个集成芯片的PCB板上放置总体去耦电容器，由电源来对它充电，并应安装在电源母线进入PCB板的地方。系统中最易受干扰的是电流采样电阻，而采样电流的精度将直接影响电路的输出指标，由于采样电阻受到开关管导通和关断的干扰，所以，需要对采样电阻上的信号进行滤波，此电路中利用的RC二阶无源滤波，电路如下图所示：4.3.2接地本系统中采用混合接地和浮空接地方式。主功率采用浮地方式，以便减小公共阻抗和大电流的通过。控制系统内部先串联接地，然后再单点与主功率地连接。驱动电路则采用光耦隔离技术来驱动开关管北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院的导通和关断。4.3.3缓冲电路缓冲电路的目的是对开关管产生的瞬态噪声进行抑制。采用的是在开关管两端并上R—C—D网络进行抑制，它可以减缓开关管的漏极和源极之间的电压上升率，如下图所示。5.过压、欠压、过流、短路保