实验室开关电源设计.docx

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实验室开关电源设计

河南科技学院

2008届本科毕业论文（设计）

论文题目：

实验室开关电源设计

学生姓名：

所在院系：

机电学院

所学专业：

电气工程及其自动化

导师姓名：

完成时间：

2012年5月8日

摘要

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

现在多数直流电子负载均由标准电源供电，但标准电源电压未必能够满足微处理器，电机、LED，以及其它的负载所需电压，尤其是这个电源电压是不稳定的。

由电池供电的设备就是反应这个问题最好的例子：

在日常使用中，标准LI离子或者NIMH电池的电压要么太高，要么太低，或者是在使用放电中，电压下降过多。

用开关电源来实现DC－DC能量转换，是目前流行的选择，有时候甚至是必要的选择。

考虑到种类繁多的电子设备对直流电压的需求也是多样的，因此，设计者需要把标准的电源电压转换成负载所需要的电压。

电压转换必须是一个通用高效并且可靠的过程。

本文设计了一款开关电源，对电源的结构和主要电路作了详细的讨论。

本电源设计采用全桥整流电路，全桥逆变电路，桥式可逆变斩波电路及全波可控整流电路。

其脉宽调制波产生芯片选用的是KA7500B。

关键词：

KA7500B，开关电源，全桥逆变电路

Abstract

Currently,switchingpowersupplytosmall,Lightvolumeandthecharacteristicsofhighefficiencyhasbeenwidelyusedinelectroniccomputer-drivenvarietyofterminalequipment,Communicationsequipmentalmostallelectronicequipment,theelectronicinformationindustryindispensabletotherapiddevelopmentofapowermode.

ThemajorityofelectronicDCloadsaresuppliedfromstandardpowersources.

Unfortunately,standardsourcevoltagesmaynotmatchthelevelsrequiredby

microprocessors,motors,LEDS,orotherloads,especiallywhenthesourcevoltageis

notregulated.Battery-powereddevicesareprimeexamplesoftheproblem:

the

typicalvoltageofastandardLi+cellorNIMHstackiseithertoohigh/lowordrops

toofarduringdischargetobeusedinconventionalapplications.

Switch-modepowersuppliesareapopularandsometimesnecessarychoicefor

DC-DCpowerconversion.ConsideringthemultipleDCvoltagelevelsrequiredby

manyelectronicdevices,designersneedawaytoconvertstandardpower-source

potentialsintothevoltagesdictatedbytheload.Voltageconversionmustbea

versatile,efficient,reliableprocess.

Thispaperintroducesakindofthedesignofswitchingpowersupply,the

structureofthemaincircuitandthecontrolcircuitarediscussedandanalyzedin

detail．ThepowersupplyuseFull-BridgeConverter,Single-PhaseFull-BridgeInverter，BridgeReversibleChopperandSingle-PhaseFull-BridgeControlled

Rectifier.ThePWMcontrollerisKA7500B．

Keywords：

KA7500B,SwitchingPowerSupply,Full-BridgeInverter

1绪论1.1课题背景及研究的意义

1.1.1课题背景

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日

益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了

开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种

电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利

用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电

压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构

成。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成

本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

1.1.2课题研究的意义

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。

1.2本文的研究内容

设计一款开关稳压电源，要求：

直流恒流源最大输出电压为30V，电流大于300mA，电流从0开始由多圈电位器顺时针旋到最大输出；整个直流恒流源为开关型电源，而非模拟型电源，以使效率达到最大；单相交流输入为220V，要有保护措施，短路保护及保险丝等也要有负载短路保护，并且可用现有直流电流表

显示当前电流值。

2开关电源简介

2.1概述

开关电源是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，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

其中尤以脉冲宽度调制型（PWM）最为盛行，现在就着重介绍一下此种形式的开关电源。

采用PWM技术的开关电源从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，余者称为控制回路。

工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经

功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将

其平滑成连续的低纹波直流电压。

控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳

压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。

它通常由检测比较放大电路、电压—脉冲宽度转换电路（V／W电路）、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压

过流保护电路，以及自用电压源等基本电路构成。

对于PWM方式而言，将频率固定的震荡源称为时钟振荡器，这种电源利用检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经V／W

电路调制脉冲宽度以调节输出电压。

例如，由于某种原因（负载电流减小或电网

电压上升）使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提

高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误

差电压，V／W电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值

减小。

接近原来的数值，从而实现稳压的作用。

开关电源的主要特点是使调节部件（调整管）工作在“开”或“关”两种状

态下，换一句话说就是工作在“全通”或“全断”的两种状态下。

所谓的“开”

就是使调整管工作在饱和导通状态（相当于机械开关“接通”一样），管子的电

压降很小，所以调整管自身损耗也很小；所谓的“关”就是使调整管工作在截止

状态下（相当于机械开关“断开”一样），电流为零，所以管耗也为零。

开关稳

压电源效率之所以高，其主要原因之一就是调整管工作在开关状态。

2.2开关电源的分类

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下开关电源的分类详细阐述。

（一）．按控制方式：

脉冲调制变换器：

驱动波形为方波。

PWM、PFM、混合式。

谐振式变换器：

驱动波形为正弦波。

又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。

（二）．按电压转换形式：

1．AC/DC：

一次电源。

即整流电源。

2．DC/DC：

二次电源。

1）Buck电路：

降压斩波器，入出极性相同。

2）Boost：

升压斩波器，入出极性相同。

3）Buck-Boost：

升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

4）Cuk：

升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

（三）．按拓补结构：

1．隔离型：

有变压器。

2．非隔离型：

无变压器。

2.3开关电源的技术追求和发展趋势

开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。

（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化。

开关电源的体积、重量主要是由

储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。

（2）高可靠性。

开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

（3）低噪声。

开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。

采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

（4）采用计算机辅助设计和控制。

采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。

在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。

3开关稳压电源的基本原理

3.1开关电源的基本工作原理

我们所说的开关稳压电源，在习惯上多半指“DC-DC”（直流-直流）的一种电压的变换，就是由一种直流电压值变换成另一种直流电压值的电源。

由电子元器件组成的DC-DC变换的电路，称为“DC-DC变换器”或简称“变换器”，也有叫“转换器”的。

DC-DC变换器的基本工作原理