开关式直流稳压电源的设计

开关式直流稳压电源的设计摘要：本文是以开关直流稳压电源输入220V/50Hz的市电来进行设计，来实现输出24V/1A的直流电压，以此为目标来进行对开关稳压电路各个元器件的选择。关键词：DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。1.开关电源的基本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图1-1所示。开关电源的原理图如图1-3所示：是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。2.开关式直流稳压电源的总的原理图3.必要的电路元件的选择3.1整流电路的选择单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路电容输入型的基本电路如图2-1：（a）为半波整流电路（b）为中间抽头的全波整流电路（c）桥式整流电路（d）倍压整流电路。图2-1电容输入型的基本电路图2-2为扼流圈输入型基本电路，用于负载电流I0较大的电路，扼流圈L的作用是抑制尖峰电流。两种基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3)扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。3.1.1单相半波整流电路单相半波整流电路是最简单的整流电路如图2-3，仅利用一个二极管来实现整流功能。图2-3单相半波整流电路单相半波整流电路的输出电压平均值为：（2U为变压器副边输出电压的有效值）20045.02)(sin221UUttUU3.1.2单相桥式整流电路单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。单相桥式整流电压的平均值为：209.0UU（2U为变压器副边输出电压的有效值）,比半波整流输出电压高。因此，整流电路选用单相桥式整流电路。3.2参数计算以及元器件的选型由于开关电源系统三路输出分别为：15V，4A；12V，3A；5V，2A，则输出功率WP106253124150如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为：WPP5.132%80/'0则可以设定整流电路输入电压VU2201，输出电压24V、电流1A。3.3.1整流管参数计算整流输出电压为Vs=24V，则变压器次级电压：67.269.0249.02sVUV考虑到变压器二次侧及管子的压降，变压器二次侧电压大约需要提高10%，则：VU337.291.167.262二极管的最大反向电压：VVURM8.1722.1222二极管平均电流：mAIID750210可选用1N4003/A整流二极管，最高反向工作电压为200V,额定工作电流为1A。3.3.2变压器参数则变压器变比为：5:92.122220N变压器二次侧电流有效值：AII67.19.05.19.002变压器的容量为：VAAVIU67.20367.12.12222如果考虑变压器的效率η=80%则VAVAIU6.2548.0/67.203113.3.3电容参数计算整流电路负载RL=U0/I0=100V/1.5A=66.7在工程中，一般取STCRL05.02501525由于7.66LR则FC63107501075.07.66/05.0选用FC1000、耐压为150V的极性电解电容。3.3.4变压器设计设计方法有多种，可根据情况选择。一般从计算原边圈数开始，按最大占空比和正常的直流电压VS来计算原边线圈。按上述方法设计的理由是，副边绕组都有一个电感器，当有突变负载时，输出电流的变化率受到限制。为了补偿这个缺陷，控制线路应能把占空比调到最大。在这种瞬变条件下，高的原边电压和最大导通脉宽同时加上，尽管时间很短，如果变压器设计没有考虑这种情况，也会引起磁饱和。控制电路设计为：在最大输入电压时，限制控制电路的脉宽和变化的速率，这样可防止两个参数同时在最大值。能量再生绕组的必要性，说明正激变换器的铁芯有残存能量是不好的。为了确保磁通在反激期间恢复到低的剩磁水平，并考虑偶而出现的较大磁密不致出现磁芯饱和，加一很小气隙是很有必要的。（1）根据输出功率选择铁心：三路输出分别为：15V，4A；12V，3A；5V，2A。输出功率为：WP106253124150若考虑6%的余量则：WP36.11206.11060选择一个传递功率为115W的铁心，SB—9C的EER—40，其有效横截面积为1.58cm2,磁感应强度B=220mT（2）计算原边的绕组周期：SfTS3.331030113最大导通占空比D=0.5时：STtSON7.162则最小原边匝数为：匝7.92158114.07.16100(min)CONSPABtVN取93匝。（3）计算副边的绕组匝数若考虑市电220V以下波动的情况，设向下波动-20%则：VVVSS80%80100%)201(min15V的副边匝数为：匝8.347.16803.339315min15)15(ONSPOstVTnVn取35匝。12V的副边匝数为：匝8.277.16803.339312min12)12(ONSPOstVTnVn取28匝。3.3.5电感的参数计算L的最小值一般由所需维持最小负载电流的要求来决定。电感L中的电流分连续和不连续两种丁作情况。不论何种情况．只要输入、输出电压保持不变，电流波形的斜率不会因负载电流的减小而改变。如果负载电流ID逐步降低，在L中的波动电流最小值刚好为0时，临界负载电流Ioc等于平均波动电流，或电流峰一峰值的一半，即：2)(PPLOCII（3-5）即定义为临界情况。这当IoIoc时，iL将进入电流不连续状况。否则，为连续状况。在临界点上下，传递函数是突然改变的。当高于临界电流时，输出电压与负载电流变动无关。当低于临界电流时(不连续工作状况)，研究表明为达到稳压效果，占空比调节量由负载变量和输入电压变量共同决定。L值的另一限制因素将出现在应用于多输出电压的情况。因为控制环只与一个相关的输出端闭环，当此输出端电流低于临界值时，占空比将减少以保持此输出端输出电压不变。对于其它辅助输出端，假定其所带的是恒定负载，在上述占空比下降的情况下，其电压也下降。很明显，这不是我们所希望的。因此，在多输出电压时，为了保持辅助输出电压不变，L值应大于所需最小值。也就是，如果辅助电压要保持在一定的波动范围内，则主输出的电感必须一直超过临界值，即一直在连续状态。电感的最大值通常受效率、体积、造价的限制。带直流电流运行的大电感造价是昂贵的从性能角度看，L过大则限制了负载出现较大瞬时变化时输出电流的最大变化率。对于一般的要求，可以根据流经电感的纹波电流峰—峰值为输出电流的30%计算。（1）15V的输出端流经电感的电流：AAiL2.1%304电感两端的电压：VVVVNNeINPSL3.221510093350电感量为：HtieLONLL3107.162.13.22)15(（2）12V的输出端流经电感的电流：AAiL9.0%303电感两端的电压：VVVVNNeINPSL1.181510093280电感量为：HtieLONLL3357.169.01.18)15(（3）5V的输出端流经电感的电流：AAiL6.0%302电感两端的电压：VVVVNNeINPSL9.71510093120电感量为：HtieLONLL9.2197.166.09.7)15(3.3.6二极管和电容器的选择由于输出电压不高，使得次级二极管不会有很高的反电压，可选用耐压40V的肖特基二极管。为了抑制纹波电压使其较小，要选用内阻抗低高频用电容器。3.3.7开关管的选择开关电源的开关管有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。绝缘栅双极晶体管（IGBT）集功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOSFET）的优点于一身，既有功率晶体管（GTR）的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单等优点，又具有功率场效应晶体管（MOSFET）的通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。因此，选用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关元件。参考文献[1]李国锋，王宁会．电源技术．大连理工大学出版社，2010:5-3.[2]华成英童诗白，模拟电子技术基础，北京，高等教育出版社，2006[3]陈本竹.三端可调直流稳压器的扩流及估算.成都：电子文摘社.2008