20W单端反激开关电源设计要点

辽宁工业大学电力电子技术课程设计（论文）题目：20W单端反激开关电源设计院（系）：电气工程学院专业班级：电气101学号：100303026学生姓名：郭永江指导教师：（签字）起止时间：2012-12-31至2013-1-11本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：电气注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号100303026学生姓名郭永江专业班级电气101课程设计（论文）题目20W单端反激开关电源设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能为小功率电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。设计任务1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理论分析与计算要正确。3、文中的图表工整、规范。4、元器件的选择符合要求。技术参数1、输入电压单相170~260V。2、输入交流电频率45~65HZ。3、输出直流电压12V恒定。4、输出直流电流2A。5最大功率：25W。6、稳压精度：＜直流输出电压整定值的1％进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：输入整流滤波电路设计；第5天：逆变电路设计；第6天：确定高频变压器变比及容量；第7天：输出整流滤波电路设计；第8天：控制电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）III摘要近年来，随着电力电子技术的发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化﹑继承化的方向发展，高效率的开关电源已经得到了越来越广泛的应用，单端反激式电路以其简单，可以高效提供直流输出等诸多优点，特别适合设计小功率的开关电源。本文介绍了一种单端反激式单片开关电源的设计方法。该开关电源输入电压单相170~260V，输入交流电频率45~65HZ,输出直流电压12V恒定,输出直流电流2A，最大功率：25W，可获得高质量的稳压输出。参照给定的该电源的技术参数，设计了该开关电源的滤波、整流、逆变等电路。详细的给出了开关电源高频变压器的设计方法，并通过反复试验有了一定的心得，取得了高频变压器设计的宝贵经验。文中给出了主电路图，通过基本计算，选择控制电路和保护电路的结构以及变压器的变比及容量。本文重点介绍该电源的设计思想，工作原理及特点。关键词：开关电源；反激电路；脉宽调制本科生课程设计（论文）IV目录第1章绪论..........................................................11.1电力电子技术概况.............................................11.2本文研究内容.................................................2第2章20W单端反激开关电源的电路设计................................32.120W单端反激开关电源的总体设计方案............................32.2具体电路设计.................................................62.2.1主电路设计............................................................................................62.2.2控制设计................................................................................................92.2.3保护电路设计......................................................................................132.3元器件型号选择..............................................152.4系统调试或仿真、数据分析....................................16第3章课程设计总结.................................................18参考文献............................................................19本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1电力电子技术概况一、电力电子技术及特点电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。二、电力电子技术的发展历史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史，如图2所示。图2电力电子技术的发展史19471904年19301957197019801990电子管问世水银(汞弧)整流器时代2000晶闸管时代IGBT出现功率集成器件史前期（黎明期）晶体管诞生晶闸管问世（公元元年）全控型器件迅速发展本科生课程设计（论文）21.2本文设计内容开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现已成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正朝着集成化、智能化的方向发展。高度集成，功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的的主流方向。单端反激开关电源具有输出纹波小，输出稳定、体积小、重量轻、效率高以及具有良好的动态响应性能等许多优点，被广泛应用在小功率开关电源的设计中。本论文主要围绕当前流行的反激变换器进行了小功率开关电源的设计和特性研究。论文主要内容如下：为小功率电子设备如影碟机、CD机、移动硬盘等提供12V稳定的直流电压，以取代低效率的线性稳压电源，减小电源的体积和重量。本文主要研究内容包括：1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、驱动电路设计或选择。6、绘制相关电路图。电源主要技术参数：1、输入电压单相170~260V2、输入交流电频率45~65HZ3、输出直流电压12V恒定4、输出直流电流2A5、最大功率：25W6、稳压精度：＜直流输出电压整定值的1%本科生课程设计（论文）3第2章20W单端反激开关电源的电路设计2.120W单端反激开关电源的总体设计方案2.1.1开关电源的种类选择开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡;它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。2.1.2单端反激式开关电源单端反激式开关电源的典型电路如图2.1所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现单路或多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。其输出功率为20～100W。它也有其一定的缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流较大。但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20～200kHz之间。一般来说，功率很小的电源（1～100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较本科生课程设计（论文）4好；当电源功率在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，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。图2.1单端反激式开关电源基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为60W的通用的小功率开关电源，主要采用TOP246Y、PC817A、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。因此，本设计就选择了基于TOP246Y的单端反激式开关电源。2.1.3开关稳压电源的电路原理框图开关稳压电源的电路原理框图如图2.2所示：图2.2开关电源电路框图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制电路为脉冲宽整流滤波高频变压高频整流电路控制及保护电路逆变电压反馈电路滤波Uo本科生课程设计（论文）5度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。2.1.4调宽式开关稳压电源的基本原理开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。在目前开发和使用的开关电源电路中，绝大多数为脉宽调制型,即为PWM技术。PWM技术，全称脉冲宽度调制（PulsewidthModulation,PWM）技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。PWM控制技术主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换的诸多领域。PWM开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。调宽式开关稳压电源的控制原理如图2.3所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由公式(2-1