基于NC1200单端反激式开关电源Word格式文档下载.docx

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2010～2011学年第1学期

学生姓名：

胡康专业班级：

08电气专1、2班

岳秀梅工作部门：

电气与电子信息工程学院

一、课程设计题目：

小型控制系统设计

二、课程设计内容（含技术指标）

1.正确识别开关电源常用器件，对照装配图，完成电源的装配。

2.在装调的基础上，查阅相关资料，试设计1种简易开关稳压电源，画出设计电路图，并对工作原理做理论分析。

3.技术参数：

题目：

输入220v单相交流电；

输出为：

输出电压+12V，输出电流为0.85A，输出精度小于5%，功率10W；

三、进度安排

1．布置任务，查阅资料及调研，2天。

2．硬件设计，绘制电路图，2天。

3．对照装配图，完成电源的装配并调试成功，4天。

4．答辩、撰写设计报告书，2天。

四、基本要求

1.画出自己设计的开关稳压电源的设计电路图，并做简要设计说明。

2.画出单端反激式开关电源的原理（只画示意框图），对照装配图，完成电源的装配。

该电源的技术参数：

3.列举涉及的主要芯片、器件的资料及典型应用。

（必须包括NCP1200,PC817、TL431的资料）

4.回答问题

1）.装调的开关电源中，各元器件的作用；

2）.开关电源与线性电源相比的优点；

3）.衡量开关电源的技术指标；

5.本次课设心得体会。

主要技术指标

1.220V单相输入交流电。

2.A路输出电压+24V，输出电流为1.5A，输出精度小于5%；

3.B路输出电压+12V，输出电流为0.85A，输出精度小于5%；

4．C路输出电压+5V，输出电流为1.0A，输出精度小于2%；

5.功率50W。

开关电源及其基本原理

传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。

为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。

正因为如此，开关式直流稳压稳流电源已广泛应用于各种电子设备中。

单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。

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，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。

　　单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。

唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

　　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。

开关稳压电源的性能特点

开关稳压电源的优点

内部功率损耗小，转换效率高

在开关稳压电源原理框图中，开关功率管V在PWM驱动信号的驱动下，交替地工作在导通-截止与截止-导通开关状态，转换速度非常快，频率一般可高达100kHz左右。

在一些电子工业发达国家，可以做到MHz以上。

这便使得开关功率管V上的功率损耗大为减小，储能电感的电感量大为减小，储能效率大为提高，从而使整个开关稳压电源的转换效率得到大幅度的提高，其转换效率可高达90％左右。

体积小，重量轻

从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出，这里没有采用笨重的工频变压器。

由于开关功率管V工作在开关状态，因此其本身的功率损耗大幅度地降低，这就省去了较大的散热器。

另外由于电路的工作频率比线性稳压电源中的50Hz工频高了好几个数量级，因此滤波效率大大提高，滤波电容的容量也大为减小。

这三方面的原因，就使得开关稳压电源具有体积小，重量轻的显著优点。

稳压范围宽，线性调整率高

开关稳压电源的输出电压是由PWM/PFM（脉频调制）驱动信号的占空比来调节的，输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定，可以通过调节脉冲宽度或脉冲频率来进行补偿。

这样，在输入工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有非常稳定的输出电压。

因此，开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外，还具有稳压效果好和线性调整率高的优点。

此外，由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两种，因此开关稳压电源不仅具有以上所说的优点，而且实现稳压的方法和技术也较多，设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活地选用各种类型的开关稳压电源电路。

开关稳压电源的缺点

关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰

在开关稳压电源电路中，由于开关功率管工作在开关状态，因此它所产生的高频交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外，由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离，因此这些干扰和噪声就会窜入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

而且这种高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件（如电感和开关变压器等）辐射到空间，使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。

电路结构复杂，不便于维修

对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容，高反压、大电流功率开关管，高频开关变压器的磁性材料，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器件，在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。

在一些技术发达的国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在着一些问题，不能令人十分满意。

这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。

对此，如果设计者和生产者不予以充分重视，它将直接影响开关稳压电源的推广应用。

控制方法的方案选择

方案一：

采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。

根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。

负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。

该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

方案二：

采用TL431芯片。

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。

电流工作模式的方案选择

电流连续模式。

电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。

电流断续模式。

断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。

由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。

开关稳压电源的硬件组成

开关稳压电源等效原理图如下图

开关稳压电源的主要芯片及元器件

L431中文资料简介

介绍:

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

特点：

•可编程输出电压为36V

•电压参考误差：

±

0.4％，典型值@25℃（TL431B）

•低动态输出阻抗，典型0.22Ω 

•负载电流能力1.0mAto100mA

•等效全范围温度系数50ppm/℃典型

•温度补偿操作全额定工作温度范围

•低输出噪声电压

脚封装引脚功能

TL431符号及内部方框图

TL431内部电路图

NCP1200的介绍

NCP1200是美国OnSemi半导体公司研制开的PWM电流型控制的开关电源专用芯片。

基于该芯片设计的开关电源，外围电路结构简单，工作可靠；

尤其是该芯片具有动态自供电（DSS）功能，无需设计高频变压器反馈绕组为IC提供工作电压，可以由高压直流干线接供电，使得外围器件更少，体积更小，从而大大降低电源功耗。

NCP1200的内部结构NCP1200采用标准电流模式体系，关断时间由峰值电流设置点确定。

其内部结构如图3所示，器件内部集成有跳周期比40/60/100kHz时钟、Q触发器最大占空比80%、欠压锁定高低稳压器等。

由于NCP1200内置有时钟发生器，所以无需外接R-S元件。

NCP1200的控制功能NCP1200拥有专利的甚高压集成电路（VHVIC）技术，此技术使集成电路可由高压直流干线直接供电，即NCP1200具有动态自（DSS）功能。

因此，使用NCP1200时无须设计专门的反馈绕组为IC提供工电压，可直接连接光耦反馈电路，从而简化电路设计。

NCP1200的过电流保护功能NCP1200控制器具有过电流保护功能，可以通过引脚３来实现。

在电路中与功率开关管串联一小电阻（限流电阻），当引脚３的输入电压超过1V时，NCP1200控制器停止输出脉冲，从而截断电路，起到保护电路的作用。

NCP1200属于低功耗、PWM电流模式的单片开关电源，可直接驱动IGBT和MOSFET；

具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试方便、性能优良等特点。

优于传统电流型专用开关电源控制器件UC384X的NCP1200,具有动态自供电系统，无须设计变压器的反馈绕组，可以做到电源体积更小、效率更高，适用于中小功率输出的开关电源应用场合。

实验结果表明，该芯片设计的新型单端反激式开关电源，其输出纹波小，精度高，有着很好的应用前景。

NCP1200的管脚说明引脚号引脚名称功能说明

1Adj调整起跳峰值电流该引脚用来调整开始跳周期工作的电平

2FB设置峰值电流设置点通过将一个光耦合器连到该引脚，可随输出功率的需求来调整峰值电流设置点

3CS电流检测输入用于检测初级电流并通过一个L.E.B将其送入内部比较器

4Gnd集成电路接地端

5Drv驱动脉冲驱动器至外部MOSFET的输出

6Vcc集成电路电源该引脚连接一个典型值为10μF的外部电容

7NC空脚

8HV从交流线路上产生Vcc该引脚连到高压干线上，可向Vcc大容易注入一恒定电流

光电隔离耦合器PC817

光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。

通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如下图

当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。

普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。

线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。

PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。

下图为PC817集电极发射极电压V与发光二极管正向电流If关系。

开关稳压电源的硬件设计

主电路设计

半桥式开关电源主电路图所示。

图中开关管S1,S2选用MOSFET,因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。

半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S1,S2组成,另一个桥臂由电容C1,C2组成。

高频变压器初级一端接在C1,C2的中点,另一端接在S1,S2的公共连接端,C1,C2中点的电压等于整流后直流电压的一半,即Vi/2。

开关S1,S2交替导通就在变压器的次级形成幅值为Vi/2的交流方波电压。

通过调节开关的占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。

图中,R1,R2是并联均压电阻;

C3是耦合电容,其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和,从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力,C3要选择ESR小的无极性电容。

T101为初级电流检测用的电流互感器,作为电流控制时的电流取样用。

隔离驱动电路设计

从TL431的11,14脚出来的PWM信号驱动PC817光耦,经光耦隔离后,送到IR2110专用集成驱动电路,进而去驱动功率MOSFET管S1和S2,IR2110外围电路连接图所示[8]。

图　隔离驱动芯片外围电路设计

课程设计总结

此次开关稳压电源的设计，主要利用现阶段技术比较成熟的集成芯片设计PWM主控制电路，整个设计流程主要围绕PWM控制电路的设计和开关变压器的设计为主要方向，根据课题要求实现稳定输出电压。

在论文中描述了开关电源的使用方法及性能指标，并重点讲述了开关电源易发故障的检查与简易维修。

在最后一章中，本文讨论了有关开关电源的干扰问题，详细分析了干扰来源及常采用的抑制方法。

开关电源性能的好坏一方面依赖开关电源本身设计技术和工艺结构的优劣，另一方面与使用现场条件及使用者将其与其他电器设备连用的具体情况有密切关系，如接地技术，通道接线，电缆屏蔽与隔离及外壳的绝缘等方面。

所以开关电源噪声的产生是多方面的和不确定的，对其噪声的抑制方法与形式也是灵活多变的，不能套用一个固定模式，而要根据具体情况和要求采用相应的噪声抑制方法和形式。

输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子，可影响电源输出纹波指标，两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。

发热器件要和电解电容保持一定距离，以延长整机寿命，电解电容是开关电源寿命的瓶劲，如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离，电解之间也须留出散热空间，条件允许可将其放置在进风口。

控制部分要注意：

高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反馈环路，在处理时要尽量避免其受干扰、电流取样信号电路，特别是电流控制型电路，处理不好易出现一些想不到的意外。

参考文献

1.朱俊星,华伟.用NCP1200代换脉宽调制控制器UC3842的应用电路[J].国外电子元器件,2003（9）:

26～28.

2.（英）MartyBrown著,徐德鸿等译.开关电源设计指南[M].北京:

机械工业出版社,2004.

3.曲学基等。

新编高频开关稳压电源。

北京：

电子工业出版社，20054. 

钱振宇等。

开关电源的电磁兼容性。

电子工业出版社，2005

教师评语

成绩