小型开关电源的设计电力电子课程设计Word下载.docx
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5．总结与体会；
6.参考文献
7、课程设计成绩评分表
进度安排
1:
课题内容介绍和查找资料；
2:
总体电路设计和分电路设计；
3:
写设计报告，打印相关图纸；
4.答辩
参考文献
1、《电力电子技术》
2.《现代逆变技术及其应用》
3.《交流电机变频调速技术》
4.《电机控制》
第1章概论
开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply），因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。
它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时刻比率来维持输出电压稳固的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性，普遍应用在诸如运算机、彩色电视机、程控互换机、摄像机、VCD、电子游戏机等电子设备上。
随着电力电子技术的进展，专门是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速进展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳固性和高性价比等特性。
自20世纪90年代以来，许多领域和新的要求对开关电源提出了更新更高的挑战。
若是从一个开关电源的输入和输出窗口观察能够发觉，输入的要求变得更严，输出则派生出了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。
正是由于外界的这些要求推动力两个开关电源的分支技术一直成为现今电力电子的研究课题，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。
通过20连年的不断进展，我国的开关电源技术有了重大进步和冲破。
随着开关电源性能的不断提高，虽然对开关电源的要求也愈来愈高，可是21世纪开关电源技术最终进展趋势是小型化、薄型化、轻量化、高频化；
高靠得住性；
低噪声、节能型等方向进展。
第2章课程设计目的与要求
设计目的
将理论教学中涉及到的知识点贯穿起来，结合设计题目进行综合性应用，对所学知识达到融会贯通的程度。
通过课程设计，学生在下述各方面的能力应该取得锻炼：
（1）培育学生文献检索的能力，专门是如何利用Internet检索需要的文献资料。
（2）进一步巩固、加深学生所学专业课程《电力电子技术》的大体理论知识，理论联系实际，进一步培育学生综合分析问题，解决问题的能力。
（3）利用所学知识，开发小型电子产品，掌握设计进程中电子器件选型、训练独立开发应用产品，培育学生运用知识的能力和工程设计的能力。
（4）提高学生课程设计报告撰写水平。
设计要求
电机控制器中需要性能靠得住的电源，不然弱电控制失效，强电设备将会损失严峻。
本设计要求运用所学的电力电子知识设计出性能靠得住、稳固输出的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部份提供辅助电源，辅助电源要求如下：
输入电源：
三相交流220VAC,50HZ
输出电压：
直流电压±
+,;
+,。
第3章整体设计思路及框图
设计整体思路
小型开关电源的设计，主要就是第一对输入的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，然后在通太高频变压器降压，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。
由设计要求可知要设计的开关电源是一个输出小功率，多路输出小型开关电源，结合所设计开关电源的要求，选用反激式结构，因此高频逆变-高频变压-高频整流电路采用反激电路；
整流部份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滤波实现的；
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。
大体原理框图
图3-2开关稳压电源大体原理框图
第4章开关电源设计
开关电源的结构及原理
开关电源主要由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。
交流输入、直流输出的开关电源将交流转化成直流电，其典型的能量变换进程如图4-1所示：
图4-1开关电源能量变换进程
整流电路普遍采用二极管组成的桥式电路，直流采用大电容滤波，电路结构简单、本钱低、效率也比较高，但存在输入电流谐波分量大、功率因素低，因此较先进的开关电源采用有源的功率因数校正电路。
高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电源的核心部份。
开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时刻比率，维持稳固输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET组成。
在线性开关电源的工作进程中，功率晶体管工作在线性模式，在PWM开关电源工作进程中，功率晶体管工作在开关状态。
与线性电源相较，PWM开关电源更为有效的工作进程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以够通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以够增加输出的电压值。
最后这些交流波形通过整流滤波后就取得直流输出电压。
主电路设计及原理分析
整流滤波电路
输入整流电路的作用是把来自电网的交流电变换成直流电，采用全波桥式整流电路。
桥式整流电路由多个整流二极管进行桥式连接而成，完成这一任务主要利用二极管的单向导电作用，具有体积小、稳固性好、利用方便、性能优越、整流效率高等长处。
滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波。
滤波电路形式很多，本次设计的开关电源属于小功率电源，故采用电容滤波电路。
输入整流滤波电路如图4-2-1所示：
图4-2-1整流滤波电路
钳位保护电路
功率MOSFET关断的刹时，高频变压器的漏感产生尖峰电压，因此需在漏极增加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP223P中的功率MOSFET。
本电源的钳位电路由VR一、VD1组成。
其中VR1为瞬态电压抑制器（TVS）P6KE200，VD1为超快恢复二极管BYV26C。
当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下端为负，使得VD1截止，钳位电路不起作用。
在MOSFET截止刹时，原边电压变成下端为正，上端为负，电压被限制在200V左右。
如下图4-2-2所示：
图4-2-2钳位保护电路
单端反激电路
单端反激电路原理图及工作波形别离如图4-2-3
（1）、4-2-3
（2）所示：
图4-2-3
（1）反激电路原理图
图4-2-3
（2）工作波形
S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增加，电感储能增加。
S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。
当工作于电流持续模式时：
UO=UiN2D/（N1（1-D））（D为占空比）
输出滤波电路
开关电源输出端的波纹电压是电源的一个重要电气性能指标，直接影响着后续负载工作的稳固性。
因此，在开关电源的输出高频整流电路后增加LC滤波电路，以除去高频开关电源纹波，降低输出纹波电压。
输出滤波电容的选取，不仅与最大输出工作电流和开关有关，还取决与变换器的类型，大多采用大电容电解电容，而且是等效串联电阻低的电解电容。
控制电路设计
常常利用的控制电路包括反馈、比较、基准源、振荡器、脉冲调制器（PWM）等电路。
本次设计采用TOP223P和反馈环节组成小型开关电源的控制部份。
控制电路图如图4-3所示：
图4-3控制电路图
TOP223P芯片介绍
TOP223P芯片集成了脉冲调制（PWM）控制系统的全数功能，包括脉冲调制器、功率开关场效应管（MOSFET）、高频振动器、自动偏置该电路、保护电路、高压启动电路、和环路补偿电路。
TOP223P芯片的漏极（D）与内部功率开关器件MOSFET相连，外部通过负载电感与主电源相连。
在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有电流检测。
控制极（C）用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和补偿功能的电容连接点。
源极（S）与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做低级电路的公共点与参考点。
内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而线性下降，控制电压的典型值为，极限电压为9V，控制端最大允许电流为100mA
采用TOP223P芯片设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路板布局和输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳固，性价比更高。
对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。
由设计要求可知，输入电压为宽范围输入，输出功率不大于15W，故选择TOP223P。
反馈环节设计
反馈电路主要由光耦合器和若干电容、电阻组成，如图4-3所示。
输出电压经光耦合器U2和齐纳二极管VR2直接取样组成TOP223P的外部误差放大器，能提高稳压性能。
R1为限流电阻。
反馈绕组上产生的电压经VD3、C4整流滤波后经光敏三极输出，送至TOP223P的控制端，用来调节占空比。
第5章元器件选型及变压器参数计算
元器件的选型
整流滤波元件选择
在桥式整流电路中，二极管两两轮流导通，所以流经每一个二极管的平均电流只有整流平均值的一半；
在每半个周期内，截止的两个二极管经受的最大反向电压均为输入电压的最大值，即
VRM=
Vi
故，VRM=
×
220V=311V。
而流过整流二极管最大整流电流IF=2P0/Vmax，按照要求得输出功率P0=。
所以IF=2×
311=。
考虑电网10%的波动范围，实际上选用二极管的最大电流和最高反向电压时应留大于10%的裕量，因此选用允许最大电流为100mA，最大反向电压400V的整流二极管。
同时在选择滤波电容时考虑电网10%的波动范围，电容器经受的最高电压为：
VCM=
Vi×
=。
故选标称值为100uF/400V的电解电容。
变压器参数设计
输入电压为220V（50Hz），N1是主绕组，Nf是反馈绕组，N2~N4为次绕组。
TOP223P中功率开关最大耐压值UBR=700V。
1.占空比的计算D
为了便于分析，咱们引进一个半波平均值的概念，咱们把Upa、Upa-别离概念为变压器初、次级线圈感应电动势正、负半周的半波平均值。
半波平均值就是把反电动势等效成一个幅度等于Upa或Upa-的方波,如图5-1-2中的Upa-所示。
Uim为输入电压最大值。
图5-1-2
即：
Upa-×
Ton=Upa×
Toff或Ui×
Toff
把占空比：
待入上式就可以够求得：
Upa=（Ui＋Upa）×
D①
若是把漏感产生的反电动势也一路进行考虑，当输入电压为最大值时，①式应该改写为：
Upm=（Uim＋Upm）Dmax②
Upm的值为低级线圈产生的总电动势的半波平均值之和（包括漏感电动势）。
而功率开关管最大耐压值UBR=Uim＋Upm,则上式又能够改写为：
Upm=UBR×
Dmax
实际工作中的最小占空比Dmin=Dmax较为适合。
有上述可得：
Upm=UBR-Uim=700-
220V=389V
Dmax=Upm/UBR=389/700=
Dmin=×
=
2.变压器匝数比的选择与计算
在反激式开关电源中，输出电压不但与占空比有关，而且还与开关变压器初、次级线圈的匝数比有关。
由于变压器次级线圈输出脉冲经整流滤波后，电解电容会对输出脉冲电压起到平均的作用，若是忽略整流二极管的压降和电压纹波，开关电源的整流输出电压Uo大体就等于输出脉冲的半波平均值Upa。
因此前面①式能够改写为：
Uo=Upa=（nUi＋Upa）×
D
而②式则能够改写为：
Uo=Upm=Upa=（nUim＋Upa）Dmax
上两式中的n为开关变压器初、次级线圈的变压比。
开关变压器的变压比n与匝数比N二者在数值上稍有区别，二者进行转换时要考虑变压器的工作效率。
那个结果还应该把变压器的转换效率和输出纹波考虑进去，设二者的工作效率为90%，则实际应用中的匝数比N应为：
N=n/
由题目要求可知开关电源别离输出电压为：
±
+,+。
设二极管压降为1V。
则
Upa1=UO1=15+1V=16V;
Upa2=UO2=12+1=13V;
Upa3=UO3=5+1=6V。
Uim=
220V=311V;
Dmax由上面求得为。
故
16=（n2×
311＋16）×
得n2=Na=
13=（n3×
311＋13）×
得n3=Nb=
6=（n4×
311＋6）×
得n4=Nc=
按照输入功率选择EE19磁芯，EE19磁芯的有效截面面积Ae=20mm2。
选择工作时的磁通密度，对一般形状、材料的铁氧体磁芯，当工作频率为50KHz时，ΔBac=234mT是一个良好的工作区。
设工作频率为f=50KHz，则工作周期T=1/f=20us,D取。
Ton=D×
T=×
20=10us
变压器的输入电压Vp=
220V=311V
原边匝数的关系为：
N1=（Vp×
Ton）/（ΔBac×
Ae）=（311×
10）/×
20）=665匝
其中，N1为原边匝数，Ton为导通时刻，Ae为铁芯有效面积。
N2=N1×
Na=665×
=31匝
N3=N1×
=25匝
N4=N1×
Nc=665×
=11匝
第6章总结与体会
通过两周的电力电子技术课程设计，我真的学到了很多知识，同时也取得了很多的感悟。
不仅对电力电子技术的知识进行了温习与应用，还提查阅科技资料和解决问题的能力。
本次课程设计给我最大的感受就是自己的知识面很窄。
在平时的学习中自我感觉良好，对讲义的知识也有了一个比较全的学习，而且对讲义知识掌握较好。
可是在课程设计进程中电路设计方面仍是有很多不明白的的地方，发觉自己就电力电子方面的知识掌握的还远远不够。
尤其是在单元电路设计当中，计算参数和电力电子元器件的选型存在的问题比较大，必需要有扎实的基础和在元器件应用方面普遍的了解。
我感觉在如此的设计当中查阅资料是超级重要的。
查阅资料其实就是一个自我学习，自我完善的进程，能够弥补咱们在知识上存在的不足，专门好的帮忙咱们完成设计任务。
例如就在本次设计小型开关电源的课题中，对电路的控制部份我是花了极大精力的。
起初对控制电路根本就没有一个清楚地熟悉，不明白是用单片机、芯片仍是其他的器件来控制功率开关管的状态。
后来通过查阅书籍，看了很多的资料才选定用芯片来完成这项任务，因为芯片控制电路简单靠得住，最后我是选用了TOP223P芯片。
还有就是变压器参数计算也让我感觉很困难。
之前根本就没有做过这方面练习，一些相关的知识也从来没有学习过，这些都是我通过在图书管查阅书籍，在网上搜集一些相关的PDF文档，做了一个较全面的学习对比以后才完成的。
课程设计也是对一个人心态的挑战，无论是在画图、计算参数仍是在器件选型上，都要求咱们沉下心来，细心地、踏踏实实一步一个脚印的去实施，绝对容不下半分急躁和不耐烦。
参考文献
一、《电力电子技术》
附录：
总电路图
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性（10%）
硬件设计或软件编程完成情况（10%）
硬件测试或软件调试结果*（10%）
设计说明书质量（10%）
设计图纸质量（10%）
答辩汇报的条理性和独特见解（10%）
答辩中对所提问题的回答情况（10%）
完成任务情况（10%）
独立工作能力（10%）
出勤情况（10%）
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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