开关电源课程设计Word下载.docx

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6课程设计总结·

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7参考资料·

1.课程设计目的

熟练掌握选用芯片各引脚的功能及控制原理

理解设计的开关电源整体工作原理

开关电源的设计及制作

2.课程设计的主要内容

完成任何一种电压等级的开关电源的设计，具体为：

完成系统方案设计；

完成主电路设计；

完成控制电路设计；

绘制完整的电路图；

具体制作开关电源；

撰写设计说明书

3.课程设计题目描述及主要要求

根据电压等级要求，设计主电路及控制电路，实现电路及设备的保护，选定所需的电气元件，并对系统进行制作；

提交设计说明书和一份完整的开关电源原理图。

设计说明书要求总体电路设计绘制规范，设计说明书撰写时注意对每一自成单元的内容，都应有醒目的标题，注意层次清晰，逻辑关系正确。

设计说明书字数不得少于2000字，且说明书应加上学校统一规定的封面、封底，并装订成册。

4.开关电源的概述

开关电源（SwitchModePowerSupply，SMPS）是以功率半导体器件为开关元件，利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

　开关电源具有节能（效率一般可达85%以上）；

体积小，重量轻；

具有各种保护功能；

改变输出电流、电压容易，稳定，可控等特点。

开关电源的结构形式很多，按PWM方式来分有以下几种。

（1）反激式变换器

所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。

如果变压器的初级上端为正，则次级上端为负。

反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。

但是在次级输出的电压中，有较大的纹波电压。

为了解决这一问题，只有加大输出虑波电容和电感，但这样做的结果是增大了电源的体积。

（2）反激式双晶体管变换器

开关电源的功率在200W以上，不宜采用单管反激式电路，这时可以利用反激式双晶体管结构，两管可用双极型晶体管或长效应管。

其中场效应管特别适用，无论是固定频率，可变频率，完全和不完全能量传递方式，用场效应管代替双极型晶体管是首选方案。

（3）正激式变换器

正激式变换器纯粹是个隔离元件，它是利用电感L储能及传递电能的。

变压器的初级和次级线圈是相同的同名端，由于电感L的存在，它的电感折算到初级，使初级电感增大，而电流却减小。

正激式变换器的优点是铜耗低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；

缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率较低。

它适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。

它还具有多台电源并联使用而互不影响的特点，而且可以自动均很，而反激式却做不到这点。

（4）正激式双晶体管变换器

正激式双晶体管是在单管正激式的电路上再串接一只三极管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。

安全可靠是最大的效益，所以，双管正激式变换器得到了广泛应用。

（5）半桥式变换器

为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓扑结构。

（6）桥式变换器

（7）推挽式变换器

推挽式变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率高，效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电源中。

（8）RCC变换器

RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化。

因此，在高功率、大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W以下的小功率场合。

但是其电路简单，成本低，制作、调试容易，因此，有一定的应用价值。

构成开关电源的三个条件

开关：

电力电子器件工作在开关状态而不是线性状；

高频：

电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频；

直流：

开关电源输出的是直流而不是交流。

5.具体设计

5.1设计方案

本次课程设计设计制作输入市电实现输出稳压36v的开关电源。

先通过隔离变压器将220v交流电降压到18v整流后经过boost变换升压到36v直流输出，若输出电压由于某种原因上升时，反馈电路会对输出电压进行采样，并把所采的信号送到控制电路中进行比较放大处理，使输出的PWM脉冲占空比减小，最终使二次侧的电压回到稳定值；

反之，当输出电压下降时，反馈电路同样会把信号送到控制电路，而后又使PWM脉动占空比增大，同样可稳定输出电压。

5.2基本框架

系统由AC-DC变换电路、整流电路、DC-DC变换电路组成，框架图如图5.2开关电源框架图。

图5.2开关电源框架图

5.3主电路设计

5.3.1AC变DC电路

220V交流电通过隔离变压器降压，整流部分采用四只二极管，并接入滤波电容。

如图5.3.1

图5.3.1

5.3.2Boost变换电路

DC-DC采用boost变换电路，其电路结构如图5.3.2所示。

重要参数选择具体如下。

图5.3.2boost变换电路

（1）二极管参数

在功率MOSFET截止期间，VD正向偏置而导通，最大流通电流达2A左右；

在MOSFET导通期间，VD反向偏置而截止，此时二极管反向电压为Vin。

为了确保电路的可靠性，故选取整流二极管MUR3060。

（2）功率开关管

功率开关MOSFET所要承受基本电压为截止时所承受的电压Vin，导通时所要承受的流通电流为2A。

为确保电路的可靠性，应考虑适当的安全裕量，故选取功率开关管IRFP150N，其耐压，耐流完全满足要求。

（3）储能电感

变换器中的电感线圈在任何正常条件下不能饱和，并且为了有好的效率，线圈和磁心的损耗必须要小。

理论上电感可具有任何值，大电感具有低波纹电流，且轻载时可连续导通，但负载瞬态响应差。

小的电感波纹电流大，增加了开关损耗和输出波纹。

在轻载时出现不连续导通，且导致系统不稳定。

可是其瞬态响应性能好、效率高、尺寸小。

所以电感的选择只能折中，通常选择使临界电流低于最小规定负载电流的电感，或按可接受的波纹电流尽可能地小的标准来选择。

电感量通过公式LRSF（min）≥VOUTD（1-D）/（fSW（typ）IRIPPLE）计算出：

L≥0.07mH。

另外输出电流达到2A，功率较大，由于参数类型特殊，普通电感远达不到要求，故选用粗铜线与环型磁铁自制电感。

（4）输出滤波电容

输出滤波电容C两端电压为输出电压Vout。

C的滤波使输出Vout的波形连续。

对DC-DC转换器而言，工作频率越高，所要求的电容值就越低。

5.4控制电路设计

UCC28019属于开关模式控制器，主要应用于Boost变换器的功率因数校正，以固定的开关频率工作于连续导通模式，它只需要很少的外围元器件就可以设计出有源功率因数预调节器。

内部的振荡器能够提供65Khz固定的开关频率，从而保证了传导EMI噪声频谱的基波和二次谐波低于EN55022标准要求的传导带宽。

对于典型的85—265V的电网输入电压以及从零负载到满载运行，UCC28019内部都能提供精准的5V参考电压，以供精确调整输出电压使用，而且从100W到2000W的系统负载也可以扩展到其他一些特定场合使用。

该芯片通过双闭环完成调制，而且提供多种系统级的保护功能。

内环为电流环，在连续电感电流条件下，它使平均输入电流跟踪正弦输入电压呈现正弦波，在轻载情况下，依据Boost电感值，电感电流可能会进入不连续导通模式，尽管此时谐波较高，但系统依然满足IEC1000-3-2标准的D类要求，外环为电压环，依据电网和负载条件，通过电压环路补偿引脚对输出电压进行控制，该引脚决定了维持低畸变率，状态稳定的输入电流波形而需要的内部增益。

5.4.1主控芯片UCC28019的说明

（1）UCC28019内部结构

如图5.4.1-1所示。

图5.4.1-1UCC28019内部结构图

（2）芯片引脚说明

UCC28019采用8-LeadPDIP和8-LeadSOIC两种封装形式，其引脚排列如图5.4.1-2所示，UCC28019的引脚功能介绍如下：

引脚1（GND）：

芯片接地端。

引脚2（ICOMP）：

电流环路补偿，跨导电流放大器输出端。

该端通过对地（GND）连接一个电容可以提供电流控制环路中的补偿和平均电流检测信号。

如果该引脚的工作电压低于0.6V，控制器将停止工作。

图5.4.1-2芯片引脚图

引脚3（ISENSE）：

电感电流检测。

通过外部电流检测电阻提供电压输人，反映BoostPFC变换器的瞬态电感电流，该平均电压可以消除噪声和纹波的影响。

软过流（SOC）保护有效地限制了平均电感电流。

一旦峰值电压超过规定值，单周峰值电流限制（PCL）立即关断栅极驱动输出。

该管脚通过对电流检测电阻外接一220Ω电阻，UCC28019的引脚排列阻可以有效抑制浪涌电流的涌人。

引脚4（VINS）：

交流输人电压检测。

当系统交流输人电压高于用户定义的正常工作电压或者低于掉电保护电压时，输人掉电保护（IBOP）动作。

该引脚通过带滤波功能的分压电阻网络连接于整流器的主电路中。

当VINS引脚的电压超过门限电平1.5V时，芯片UCC28019将开始进行软启动。

如果VINS引脚的电压低于门限电平0.8V，控制器将处于关断状态。

只有当VINS引脚和VSENSE引脚的电压均超过它们各自的使能电平时，控制器才会重新开始软启动并进人正常工作状态。

引脚5（VCOMP）：

电压环路补偿。

该引脚为内部跨导电压误差放大器输出端。

该引脚经过外部阻容电路接地，构成电压环路补偿器。

如果Vcc，VINS和VSENSE的电压没有达到门限电压值，V脚将被籍位于地（GND）电位。

一旦Vcc，VINS和VSENSE的电压都超过门限电压值，VCOMP脚将被充电直至VSENSE引脚的电压达到其正常调制电压的95%。

当动态响应增强时，额外的电流将会被注人该引脚以减小充电时间，该电流在软启动期间会受到抑制。

软启动时间可以通过该脚外接的电容进行设。

引脚6（VSENSE）：

输出电压检测。

BoostPFC变换器的直流输出电压经过电阻分压器采样后接人该引脚，为了滤除高频噪声干扰，该脚对地外接一个小电容。

当VSENSE引脚的电压低于使能门限电平0.8V时，待机功能使控制器关断，并且VCOMP引脚放电。

芯片内部VSENSE引脚与地之间串接了一个100nA的电流源，可以起开环保护（OLP）和管脚悬空保护功能。

当VSENSE引脚的电压超过参考电压的105%时，输出过压保护（OVP）动作并关闭GATB（引脚8）输出。

当电网或负载的波动导致VSENSE电压低于参考电压的95%时，增强动态响应（EDR）迅速将输出电压调整为正常调制电压。

引脚7（Vcc）:

芯片工作电源。

该引脚为芯片工作电源的输人端，并受内部的电源欠压锁定保护电路监控，如果Vcc低于开通门限电压10.5V，欠压锁定（UVLO）将会关断控制器，同样，如果Vcc的电压不低于欠压锁定（UVLO）的关断门限电平9.5V，芯片仍将继续工作。

为防止高频噪声对电源的干扰，通常该管脚对地外接一个0.1uF的陶瓷电容，并且尽量靠近UCC28019芯片。

引脚8（GATE）：

栅极驱动。

推挽式栅极驱动，可以驱动外部一个或者多个功率MOSFET，提供1.5~2.0A电流驱动，输出电压被钳位于12.5V。

5.4.2芯片功能描述

（1）系统保护

系统的保护使系统工作在安全工作范围内，系统保护主要包括软启动、Vcc欠压锁定（UVLO）、输人掉电保护（IBOP）、输出过压保护（OVP）、开环保护/待机模式（OLP/Standby）、输出欠压检测（UVD）/增强动态响应（EDR）、过流保护、软过流（SOC）、峰值电流限制（PCL）等。

（2）栅极驱动

栅极驱动输出具有电流最优化结构，可以以很高的开关速度直接驱动大容量MOSFET的栅极。

内部的钳位电压将MOS-FET栅极上的电压钳位于12.5V，外部所接的栅极驱动电阻RGATE限制了栅极驱动电路寄生电感和寄生电容的上升时间和阻尼振荡。

通常在MOSFET栅极附近用一个lOkΩ的电阻对地连接，消除栅极杂散电容，防止无意的dv/dt触发开通。

（3）电流环

系统电流环包括电流平均放大、脉宽调制（PWM）、外部升压电感和外部电流传感电阻等环节。

从电流传感电阻检测到的负极性信号送人ISENSE引脚进行缓冲、反相放大后，得到的正极性信号通过电流放大器（gmi）进行平均，其输出即为ICOMP引脚，ICOMP引脚上的电压与平均电感电流成比例，该引脚对地（GND）外接一电容提供电流环路补偿并可对纹波电流进行滤波。

平均放大器的增益由VCOMP引脚内部的电压决定，该增益设置为非线性，因此可以适应全球范围内的交流输人电压。

无论芯片处于故障模式还是待机模式，ICOMP引脚均在内部接至4V电平。

脉宽调（PWM）电路将ICOMP引脚电压信号与周期性的斜坡信号比较，产生上升沿调制的输出信号，如果斜坡电压信号大于ICOMP引脚电压，则PWM输出为高电平，斜坡的斜率是内部VCOMP引脚电压的非线性函数。

由内部时钟触发的PWM输出信号在周期开始时为低电平，该电平会持续一小段时间，称之为最小关断时间（toff（min）），而后，斜坡电压信号线性上升，与ICOMP电压交叉，斜坡电压与ICOMP电压的交叉点决定了关断时间（toff），也即Doff，由于Doff满足Boost拓扑结构的Dote=VIN/VOUT，而且输人VIN是正弦电压,ICOMP与电感电流成比例，控制环路会迫使电感电流跟随输人电压呈现正弦波形以进行Boost调制，因此平均输人电流也呈现正弦波形。

PWM比较器的输出送入栅极（GATE）驱动电路，芯片的驱动电路具有多种保护功能，栅极输出的占空比最高可达99%，不过始终要存在一最小关断时间。

正常占空比工作时输出过压保护（OVP）、峰值电流限制（PCL）等，在每一周期均可直接关断芯片的栅极输出，欠压锁定（UVLO），输入掉电保护（IBOP）和开环保护/待机（OLP/Standby）等，同样也可以关断栅极输出脉冲，直至软启动开始工作才恢复其输出脉冲。

（4）电压环

PFC预调节器双环控制的外环为电压环，该电压环主要包括PFC输出电压检测、电压误差放大和非线性增益等环节。

PFC预调节器的输出电压对地（GND）接一分压电阻网络构成电压环路的检测模块。

分压电阻的比率由所设计的输出电压和内部的5V标准参考电压来确定。

和VINS引脚的输人一样，VSENSE引脚上非常低的偏置电流容许选择很高的实用电阻值，以降低功率损耗和待机电流。

VSENSE引脚对地（GND）接一小电容，可以有效滤除信号的高频噪声。

需要注意的是，滤波时间常数应尽可能小于100us。

5.5总体电路设计

系统的整体电路图如图5.5所示，具体的参数需要进一步的确认，可以利用TI公司的计算软件计算。

图5.5系统电路图

6.课程设计总结

本次课程设计感触最深的是把理论应用于实际比想象中难很多，最然最后结果并不是很理想，但这十几天的过程还是挺享受的。

首先非常感谢我们可爱和蔼的雷老师细致耐心的指导，虽然当初选择这个题目事并没有的觉得很难，可是当真真开始做的时候困难却一个接一个的来，多亏了雷老师的帮助，还给了我们电话，在遇到困难时打电话总是不厌其烦的帮我们解决，不然的话可能都坚持不到最后。

最开始设计主体电路的时候我们就遇到依靠单一资料的理论参考完全不能做出实际的可用的电路，虽然最终借鉴了雷老师的给的方案，但在经历雷丹老师提醒的关键词查找资料、浏览网上论坛，了解通过自主收集资料来完成一件实物作品的过程，扩充了自己的知识面，在开张眼界的同时对开关电源有了更深刻的理解。

接下来的第二个困难便是购买电子元器件，为了购买元器件，也是第一次去逛大型的电子市场，玲琅满目的电子元器件看得让人既兴奋又好奇，即便如此，我们需要的元器件像大海捞针似的，一个一个的店铺询问寻觅，与老板讨价还价，看得眼花缭乱，可最终依然缺一个参数合适的电感。

坐了一下午的车，淅淅沥沥的雨让那次购买元器变得更加难忘吧，之后得出的结论是网上买电子元器件才是王道，知道下次如果还要做类似的东西得提前在网上买好元件。

最后的难就是焊电路板吧，第一次做这种电路板，一边摸索一边焊接，因为不懂和没经验吃了很多不小的亏，结果整整花了整整一下午的时间。

最后再次感谢雷丹老师，还有跟我同组的两位同学，让我再一次体会到坚持坚持再坚持的力量。

有点曲折，有点汗水，有点无奈，不过结果还是美好的感动的。

7.参考资料

《开关电源设计技术与应用实例》赵同贺人民邮电出版社

《单片开关电源集成电路应用设计实例》王水平人民邮电出版社

《直流开关电源技术及应用》候振义电子工业出版社

《新型单片开关的设计与应用》沙占友电子工业出版社