开关电源设计电力电子课设.docx

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开关电源设计电力电子课设

开关电源设计

1概述

所谓开关电源，广义上凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换电路；转变时用自动操纵闭环稳固输出并有爱惜环节则称为开关电源。

开关电源依照输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。

AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。

值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。

因此说，DC-DC变换器是开关电源的核心。

DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，因此此刻DC/DC变换器已实现模块化。

开关电源的优势:

功耗小，效率高。

开关电路中，功率晶体管在信号源的鼓励下，交替工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度专门快，频率一样在几十到几KHz。

体积小，重量轻。

由于去除线性电源笨重的工频变压器，而且在功晶体管上的耗散功率大幅度降低以后，就省去了较大的散热片，因此开关稳电源的体积和重量都能够得到大大减少。

稳压范围宽。

开关电源的输出电压是由信号源的占空比或信号源的率来调剂的，输入电压的转变也能够通过变频或调宽进行补偿。

在工频电网压有较大的转变或负载有较大的转变时，它仍能保证有较稳固的输出电压，以稳压范围宽、稳压成效好。

滤波的效率大为提高，使滤波电容的容积和体积大为减小。

开关电源的缺点:

开关干扰严峻。

功率晶体管工作在开关状态，它产生的交流电压和电会对电路的其它器件产生尖峰干扰和谐波干扰，这些干扰如不能抑制、排除屏蔽，就会严峻地阻碍整个系统的工作。

另外由于没有工频变压器的隔离，些干扰就会倒入电网，对周围的电磁环境产生谐波干扰。

电路结构较复杂，故障率高，维修困难。

开关电源的分类：

开关电源因体积小、重量轻、效率高等优势，在中、小功率乃至大功率领域都取得了普遍的应用。

从输入输出之间是不是有变压器隔离分，能够分成有隔离和无隔离另类每一类中又有多种拓扑结构：

Buck、Boost、Buck-Boost等。

若按鼓励形式不通，可分为自鼓励式和他鼓励式两种。

其中自鼓励式包括单管式变换器和推挽式变压器两种；他励式变压器按不同的调剂模式分为：

脉宽调制、脉频调制，脉冲跨周期调制等。

脉冲宽度调制（PWM）的开关频率恒定，通过调剂导通脉宽来改变占空比，脉冲频率调制（PFM）的脉冲宽度恒定，通过调剂开关频率来实现对电能的操纵；脉冲跨周期调制（PSM）检测反馈反馈信号电平，决定是不是在该时钟周期内工作。

目前应用比较普遍的是脉冲宽度调制模式，包括正激式、反激式、半桥式和全桥式等。

2方案论述

本次设计任务的初始条件为：

输入220V,50Hz的单向交流电压，要求输出双路直流电压：

+10V，-10V，要求直流最大输出电流2A。

AC/DC双路输出开关电源的设计，要紧确实是第一对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，取得直流电压，再通太高频逆变取得高频交流电压，然后在通过高频变压器降压，再通太高频整流取得脉动直流，最后通过滤波器取得要求的直流电。

整体设计方框图如图1所示：

整流部份是利用具有单向导电性质的二极管组成的桥式电路来实现；滤波部份则是利用电容电感器件的储能效应，组成LC电路来实现的；高频逆变电路则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的；高频变压器降压则是通过互感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实现交流变脉动直流的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流向直流的转化的。

整流平波

所谓整流，确实是把交流电变成直流电。

整流滤波电路设计如图2所示：

图2整流平波电路设计图

整流电路工作原理：

在输入交流电压的正半周期，二极管D一、D4经受正向电压导通，D二、D3经受反向电压截至，整流输出电压等于输入电压；在输入交流电压的负半周期，二极管D二、D3经受正向电压导通，二极管D一、D4经受反向电压截至，输出电流是输入电流的相反数。

整流电路工作时的波形如图3所示：

由图3可知，通过二极管整流桥后，输入的正弦电压成了正的电压，同时由于电容电感的储能效应，整流桥输出的电压和电流会进一步变的平直。

固然电容量越大，滤波成效越好，输出波形越趋于滑腻，输出电压也越高。

可是，电容量达到必然值以后，再加大电容量对提高滤波成效已无明显作用。

通常应依照负载电压和输出电流的大小选择最佳电容。

高频逆变

与整流相对应，逆变确实是把直流电变称交流电。

逆变电路是利用电力电子开关元件的开关特性对直流电进行开关，变成交流电。

一样功率较大的变频器用可控硅。

逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确信的时刻使电力电子开关器件导通和关断。

图4全桥逆变电路设计图

图4为设计电路中的逆变器—全桥逆变器。

全桥逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧桥上两开关交替导通，将直流电压逆变成交流电压，加在变压器的一侧。

改变开关的占空比，就能够够改变整流电压的平均值，也就改变了输出电压。

为了幸免在同一侧半桥中上下两个开关在换流的进程中发生短暂的同时导通现象而损坏开关，每一个开关各自的占空比不能超过50%，而且留有裕量。

高频变压

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，要紧构件是低级线圈、次级线圈和铁芯。

在电器设备和无线电路中，经常使用作起落电压、匹配阻抗等。

变压器的大体原理：

当一个正弦交流电压U1加在低级线圈两头时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过低级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。

在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在低级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。

为了维持磁通ф1的存在就需要有必然的电能消耗，而且变压器本身也有必然的损耗，尽管现在次级没接负载，低级线圈中仍有必然的电流，那个电流咱们称为“空载电流”。

若是次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了相互抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使低级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见低级电流与次级负载有紧密关系。

当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，而且ф1增加部份正好补充了被ф2所抵消的那部份磁通，以维持铁内心总磁通量不变。

若是不考虑变压器的损耗，能够以为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也确实是低级从电源取得的电功率。

变压器能依照需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，可是不能改变许诺负载消耗的功率。

本次设计中所用的变压器如图5所示：

图5变压器设计图

高频整流

高频整流与前面节所讲述的整流原理是大体一致的，在那个地址就再也不赘述。

滤波器

LC滤波器适用于高频信号的滤波，它由电感L和电容C所组成，由于感抗随频率增加而增加，而容抗随频率增加而减小，因此，LC低通滤波器的串臂接电感，并臂接电容，高通滤波器的L、C位置，则与它相反。

带通滤波器则是二者的组合。

在本次设计中，所用的滤波器如图6所示：

当流过电感的电流发生转变时，线圈中产生自感电势阻碍电流的转变，而电容两头的电压不能发生突变，因此通过如图6所示的滤波器后，输出的电流和电压的脉动减小。

图6滤波器电路设计

爱惜电路

通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟从器，从而在操纵电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，它能够在后续的周期内将△I扰动减小到零。

因此，即便系统工作在占空比大于50％或持续的电感电流条件下，系统也可不能显现不稳固的情形。

只是该补偿斜坡的斜率必需等于或略大于m2／2，系统才能具有真正的稳固性。

取样电阻改用无感电阻。

无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻，其精度高且容易做到大功率。

采纳无感电阻后，其阻抗可不能随着频率的增加而增加。

如此，即便在高频情形下取样电阻所消耗的功率也可不能超过它的标称功率，因此也就可不能显现炸机现象。

反馈电路改用TL43l加光耦来操纵。

咱们都明白放大器用作信号传输时都需要传输时刻，并非是输出与输入同时成立。

若是把反馈信号接到UC3842的电压反馈端，则反馈信号需持续通过两个高增益误差放大器，传输时刻增加。

由于TL431本身确实是一个高增益的误差放大器，因此，在爱惜电路中直接采纳脚1做反馈，从UC3842的脚8（基准电压脚）拉了一个电阻到脚l，脚2通过R18接地。

如此做的益处是，跳过了UC3842的内部放大器，从而把反馈信号的传输时刻缩短了一半，使电源的动态响应变快。

另外，直接操纵UC3842的脚l还可简化系统的频率补偿和输出功率小等问题。

脉宽调制

2.7.1脉宽调制原理

PWM操纵确实是对脉冲的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地取得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样操纵理论中有一条重要的结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其成效大体相同，冲量即窄脉冲的面积。

成效大体相同是指环节的输出响应波形大体相同。

上述原理称为面积等效原理以正弦PWM操纵为例。

把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律转变。

若是把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部份的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部份面积（冲量）相等，就取得PWM波形。

各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律转变的。

依照面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

关于正弦波的负半周，也能够用一样的方式取得PWM波形。

可见，所取得的PWM波形和期望取得的正弦波等效。

2.7.2UC3842简介

UC3842是一种高性能的固定频率电流型操纵器，单端输出，可直接驱动MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价钱低廉等优势。

通太高频变压器与供电电源隔离，超级适于20～50W的小功率的辅助电源，其内部结构如图7所示。

它具有两个操纵环路，一个是输出电压反馈误差放大器，用于同基准电压比较后产生误差电压；另一个是变压器原边中的电流在采样电阻上产生的电压与误差电压进行比较调剂调制脉冲的宽度，这些都是在时钟所限定的固定频率下工作。

图7UC3842内部结构图

UC3842采纳固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：

①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的基准电压进行比较，产生误差电压，从而操纵脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为按时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时刻常数决定，f=（RT×CT）；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时刻仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。

UC3842的引脚图如图8所示

图8UC3842引脚图

UC3842其要紧特点如下：

（1）良好的负载调整率因为误差放大器可专门用于操纵由于负载转变造成的输出电压转变。

（2）电压调整率好，可达到001％／V这是由于输入电压的转变可当即反映为变压器原边电流的转变，它不通过任何误差放大器就能够在比较器中改变输出脉冲宽度，再加上一级输出电压至误差放大器操纵，能够使电压调整率更好。

   （3）过流爱惜电路的简化由于采样电阻上的信号对应变压器原边电流的峰值，因此形成逐个脉冲限流电路，只要采样电阻上电压达到1V，脉宽调制器就当即关闭，而这种峰值电流检测技术能够灵敏地、精准地限制输出的最大电流。

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