直流开关电源的设计..

《电力电子技术课程设计》课程设计报告设计题目直流开关电源的设计学院班级姓名学号指导教师日期-1-一、设计任务：直流开关电源的设计二、设计的主要技术指标及特点电路指标参数1、交流输入电压AC95~270V；2、直流输出电压15V；3、输出电流6A；4、输出纹波电压≤0.2V；5、输入电压在95~270V之间变化时，输出电压误差≤0.03V；三、设计的具体要求设计要求：（1）设计主电路，建议主电路为：整流部分是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC部分采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单；（3）设计MOSFET驱动电路及控制电路；（4）绘制装置总体电路原理图及PCB设计图（5）编制设计说明书、设计小结。四、设计内容（一）、总体设计思路及框图1.1设计总体思路输入——EMC等滤波——整流（也就一般的AC/DC类似全桥整流模块）——DC/DC模块（全桥式DC—AC—高频变压器—高频滤波器—DC,）——输出。系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。-2-1.2开关稳压电源的基本原理框图如图1-1所示：图1-1开关稳压电源基本原理框图（二）电路设计及原理分析2.1、基本原理开关稳压电源包括输入电路、有源调整、功率转换、输出电路、控制电路、频率振荡发生器六部分电路。其中输入电路包含有低通滤波和整流环节。交流电压经桥式整流和低通滤波后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到有源调整电路进行功率因数校正，以提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率转换是由电子开关和高频变压器来完成，它把高功率因数的直流电压变换成受到控制的符合设计要求的高频方波脉冲电压。输出电路用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。控制电路使输出电压经过分压采样后与电路的基准电压进行比较放大。而频率振荡发生器产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。其中高频电子开关是实现电能转换的主要单元，在一个周期内，电子开关的接通时间ton与一个周期所占时间的比值叫做接通占空比D,D=ton/T。断开时间与周期T的比例称为断开占空比D’,D’=toff/T。接通占空比越大，负载上的电压越高，表明电子开关的接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高，能量传递速度也快，便于实现高频变压器的小型化。但是开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整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+4-16GND-3-流二极管的发热量高，损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比是不一样的。2.2单元电路设计2.2.1整流滤波电路电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。电路如图2-1所示：图2-1输入整流滤波电路2.2.2反激式变换器根据电路的结构形式的不同，脉宽式变换器可分为：正激式、反激式、半桥式、全桥式、推挽式和阻塞式。所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。反激式变换效率较高，线路简单，能多路输出。-4-当开关管VT截止时，变压器初级所积蓄的电能向次级传送，这时变压器的次级绕组下端为负，上端为正，二极管VD正向导通，导通电压经过电容C滤波后向负载RL供给电能。当变压器的初级储存的电能释放到一定程度后，电源电压Vin通过变压器的初级绕组N1向三极管VT的集电极充电，N1又开始储能。V1上升到一定程度后，三极管VT截止，又开始新一轮放电。在充电周期，变换器的输出电压为Vo=Vin*D*（N1/N2）。变换器电路如图2-2所示。图2-2变换器电路2.2.3MC33374MC33374采用8引脚双列直插式封装（DIP-8）或五脚TO-220式封装管脚排列。内部结构主要包括九个部分：振荡器、并联调整器\误差放大器、脉宽调制比较器与脉宽调制触发器、电流极限比较器及功率开关管、启动电路、欠压锁定电路、过热保护电路和状态控制器。其各管脚功能说明如下，结构如图2-3所示：管脚1（VCC）：工作电源电压输入端。在启动芯片时，必须通过管脚5（D）给该管脚供给10V以下的工作电压。当VCC8.5V（工作阀值电压）时，启动电路中的MOS场效应管立即关断，而功率开关管开始工作，从高频变压器次级线圈上即可获得正常输出电压，此时改由反馈给芯片供电。一旦电源发生过载或短路故障，致使VCC7.5V(欠压阀值电压)，功率开关管就关断，而共启动用的MOS场效应管则工作，芯片进入自启动工作模式。-5-管脚2（FB）：反馈输入端。该端经内部15Ω电阻接误差放大器的反向输入端，能周期性的控制功率开关管的通断。反馈的上下阀值电压分别为8.5V7.5V，有1V的滞后电压。此端通常与VCC端连通，并且接反馈线圈的输出电压。显然，反馈电压值就就反映了开关电源输出电压的高低。反馈线圈的输出电压，经高频整流滤波后形成反馈输出电压，再通过光耦合器中的光敏三极管接反馈端。光耦合器的发射管接在取样电路中。反馈端经过R3，C5接地。C5具有三个作用：（1）启动电路定时电容；（2）兼做补偿电容，与R3一起对反馈环路进行频率补偿；（3）作为工作电压VCC的旁路电容，在启动过程中对C5充电，建立VCC。管脚3（GND）：接地。该端是控制电路与功率开关管的公共地，给元件加装散热器时兼作为散热器的地端。管脚4（statecontrolinput，SCI）：状态控制输入端。它也是一个多功能的引出端，只需配少量的外围元器件，就能用多种方式来控制变换器的开关状态。它所具有的六种状态控制如下：（1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；（2）配微控制器进行关断操作；（3）给状态控制器配以低压保护电路，使之在工作模式装换过程种不会引起开关电源输出电压的波动；（4）利用数字信号进行控制；（5）配上电延时电路；（6）禁止对状态控制器进行操作。管脚5(powerswitchdrain,D)：功率开关管漏极引出端。该端能直接驱动高频变压器的初级。此外，它还与内部启动用mos场效应管的漏极相连。-6-图2-3MC333742.2.4反馈电路反馈的基本类型又四种，即基本的反馈电路、改进型基本反馈电路、配稳压管的光电耦合反馈电路以及配TL431的精密光电耦合反馈电路。配TL431的精密光电耦合反馈电路在开关电源中应用最多，效果最好，稳压性能最佳。如图所示，用TL431代替稳压管构成外部误差放大器，对输出电压Vo做精细调整，组成精密开关电源，使电压调整率和负调整率均能达到0.2%以下。可调式精密电源稳压器TL431B构成了外部误差放大器，再与光耦合器MOC8103一起组成光耦反馈电路，反馈电压UFB加至MC33374的反馈端。其稳压原理是当输出电压U0发生波动时，经R5R6分压后得到的取样电压就与TL431B中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压Ur，再通过光耦合器使第二脚的反馈电流IFB产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压的目的。考虑到高频变压器的初次级间耦合电容会造成供墨干扰，现利用C14加以滤除。C7为控制环路的补偿电容。R4为LED的限流电阻。反馈电路如图2-4所示。-7-图2-4反馈电路2.2.5脉宽调制器开关电源的控制方式主要包括脉宽调制，脉冲频率调制。脉冲频率调制是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。交流输入电压经过整流滤波后变为脉动的直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极由脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源，误差放大器，PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较，放大，然后将其差值送到脉冲调制器。脉冲调制的频率是不变的，当输出电压Vo下降时，与基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管整流和电容滤波后，输出电压上升，反之亦然。脉宽调制器电路如图2-5所示。-8-图2-5脉宽调制器电路（三）、电路相关计算3.1变压器参数的计算输入电压为95~270V/50Hz；输出电压为为15V、输出电流为6A。N2是次级绕组，N3是反馈绕组。（1）磁心大小的选择输出功率：Po=VS2*IS2+VS3*IS3设VS3=8V，IS3=0.1A，占空比D=0.5，效率为85%，则Po=15*6+8*0.5=94W输入功率Pi=Po/μ=94/0.85=110W根据输入功率选择EE30磁芯。设工作频率为f=50KHz，则周期为T=1/f=20(μs)（2）电子开关的接通时间ton初级绕组开关晶体管VT1的最大导通时间对应于最低输入电压和最大负载。ton=D*T=0.5*20=10（μs）-9-（3）最低直流输入电压当变换器在最低输入电压下满载工作时，计算它输入端的直流电压Vp。对于单相交流电容滤波，直流电压不会超过交流输入有效值的1.3倍，倍压整流系数1.9倍，则Vp=95*1.3*1.9=247.65V选择工作时的磁通密度△Bac：输出功率与EE磁芯尺寸的对照表可选用EE30，中心柱的有效面积为115mm2，饱和磁通密度在100摄氏度时为360mT,对于一般形状、材质的铁氧体磁芯，当工作在频率为50kHz时，磁通密度为饱和值的65%。△Bac=360*0.65=234(mT)（4）原边匝数作用电压为一个方波，一个导通期间伏秒值与原边匝数的关系为1NABtVNeaconPP式中Np为原边匝数；Vp为原边所加直流电压；ton为导通时间；Ae为铁芯有效面积（2mm）。92115234.01065.247pN（匝）（5）次级匝数设肖特基二极管的管压降为0.8V,电感L的压降为0.4V，则初级绕组每伏匝数n=Vp/Np=247.65/92=2.69(伏/匝)次级绕组匝数N2=(15+0.8+0.4)/2.69=6(匝)（6）反馈绕组匝数N3=8/2.69≈3（匝）-10-3.2取样电路的计算R2的阻值：27010465.2155.232FOIVR其中IF是光电耦合器中发光二极管的电流在传输比CTR为120%时的标称值。发光二极管的发光强度受输出电压的控制。R3、R4的阻值的计算：先固定R4为15KΩ，再计算R3的阻值，ARVIFETb4341067.110155.2，,KIVVRbFETO751067.15.21543（四）、总结和体会经过这一周的课程设计，我收获颇丰。这次做的课题是开关稳压电源，涉及到很多模拟电路方面的知识。经过这次设计，让我对模拟电路的知识又重新系统的温习了一遍，让我对模拟技术知识有了更深的理解。在网上查了很多资料之后，对这个课题有了一些初步的认识。在确定了思路，设计出电路原理图以后，就要经过计算以确定各元件的参数。在这次设计中，另一个学习到的是使自己对protel有进一步的学习，又学会了protel中的一些使用方法，也使自己能够更加熟