开关电源课程设计.docx

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开关电源课程设计

得分

评卷教师

哈尔滨远东理工学院

开关电源课程设计

题目：

惠普笔记本电脑电源适配器

姓名：

谢树升

分　　院：

机电工程学院

专　　业：

电气工程及其自化

学号：

8

二〇一七年九月八日

摘要

本文介绍了惠普笔记本电脑电源适配器的一系列工作原理、程序流程、元器件的选择等。

随着开关电源在计算机、仪器通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求日益增长，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。

开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐渐取代了效率低、又笨重的线性电源。

电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。

开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。

信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。

开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统的设计

关键词：

开关电源半桥全桥推挽高频变压器

Abstract

ThispaperdescribesaseriesofworkingprinciplesofHPnotebookpoweradapter,Programflow,componentselection,etc.Withtheswitchingpowersupplyincomputers,instruments,communications,aerospace,Widerangeofequipment,suchasinstrumentationandhouseholdappliances.Demandforpeopleisgrowing.Andthepowerefficiency,volume,weightandreliabilityofthehigherrequirements.Switchingpowersupplyhastheadvantagesofhighefficiency,smallsize,lightweight,Inmanyways,theinefficientandcumbersomelinearpowersourceisbeingreplacedgradually.Developmentofpowerelectronictechnology.Especiallytherapiddevelopmentofhigh-powerdevicesIGBTandMOSFET,Increasetheoperatingfrequencyoftheswitchingpowersupplytoafairlyhighlevel,Ithasthecharacteristicsofhighstabilityandhighperformancepriceratio.Oneofthemainusesofswitchingpowersupplytechnologyistoservetheinformationindustry.Thedevelopmentofinformationtechnologyhasputforwardhigherrequirementsforpowersupplytec.Thuspromotingthedevelopmentofswitchingpowersupplytechnology.Therearemanyhighfrequencyconversioncircuitsinswitchingpowersupply,Thecommonconversioncircuitsincludepush-pull,fullbridge,halfbridge,singleendedforwardandsingleendedflyback.ThisthesisisbasedonchipUC3842designofsmallpowerhigh-frequencyswitchingpowersupplysystem.

Keywords:

witchingpowersupplyhalfbridgefullbridgepush-pull

highfrequencytransformer

前言

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。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。

对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

第一部分设计要求

一、设计目的

 适配器是将220V交流电压转变为19V的直流电压，输出电流为3A。

  220V交流电压经D2整流，C1滤波得到300V直流电压。

该电压一路经开关变压器T1的1、2脚绕组加到场效应开关管Q1（K2543）的D极，另一路经R4降压后得到约17V启动电压给ICI（KA3842）⑦脚供电，并从ICl内部基准电压发生器产生5V基准电压从第⑧脚输出。

此时其内部振荡器起振，从第⑥脚输出调宽脉冲（PWM），驱动开关管Q1，使其工作在开关状态。

Q1的D极输出电流在开关变压器Tl初级绕组上产生感应电压，经磁芯耦合到T1次级，在次级⑤、⑥脚绕组上产生的感应电压经肖特基二极管Q2、电容C4整流滤波后得到19V直流电压输出。

为保证输出电压稳定，输出端由R13、R14对19V输出电压进行误差取样，取样电压由三端可调分流基准IC3（TL431）进行比较和误差放大，再驱动光电耦合器IC2（PC817），将误差电压耦合放大后送到IC1（KA3842）第①脚内部，通过内部PWM电路改变第⑥脚输出脉冲的宽度，使Q1的开关时间发生改变，从而达到调整输出电压的目的。

经过这样一个反馈控制过程后，最终使输出电压稳定在19V上。

  该电路中还设有几路过压过流保护：

  开关变压器初级绕组第③、④脚的感应电压经D4、C2整流滤波后得到约17V电压送至IC1第⑦脚，用以维持ICI正常工作（300V电压经R4降压供给⑦脚的电压因电流较小只作为启动电压）。

当某种原因引起输出电压升高时，该路电压也将升高，当该电压升高至22V以上时，稳压二极管Dl将反向击穿，导致IC1第③脚过流保护端的电压升高至lV以上，此时IC内部将关断第⑥脚的脉冲输出，使电路停止工作，达到过压保护的目的。

  当某种原因使开关管Q1电流过大时，Q1的S极所接过流取样电阻R8两端电压将升高，当该电压升高至使ICl第（3）脚电压高于1V时，也将切断ICl第⑥脚输出．起到过流保护作用。

  开关管Q1的D极所接的R10、C8、D6组成尖峰吸收回路，对Ql截止期间T1的①、②脚绕组上产生的尖峰感应脉冲进行吸收，防止Q1被击穿。

二、系统要求

设计内容：

（1）开关电源主电路的设计及参数计算。

（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）

（2）开关电源控制电路的设计。

（控制电路组成、控制模式的选择、PWM集成控制器的选择、控制电路的整体设计）

（3）画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

设计要求：

（1）在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力，要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。

主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。

课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。

课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。

设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇）。

（2）在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力，要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。

严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

（3）课程设计封面为学校统一要求。

要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。

三、功能描述

1：

压敏电阻，其功能是当外界电压过高时，压敏电阻阻值迅速变得很小，及压敏电阻串联的保险丝被熔断，从而保护其它电路不被烧坏。

2：

保险丝，规格为2.5A/250V，当电路中的电流过大时，保险丝会熔断以保护其它元件。

 3：

电感线圈（又称扼流圈），主要功能是降低电磁干扰。

  4：

整流桥，规格为D3SB，作用是把220V交流电变为直流电。

5：

滤波电容，规格为180uF/400V，作用是滤除直流电中的交流纹波，使电路工作更可靠。

 6：

运放IC（集成电路），保护电路、电压调节的重要组成部分。

7：

温度探头，用于探测电源适配器的内部温度，当温度高于某一设定值时（不同品牌的电源适配器，其设定的温度阀值略有不同），保护电路会切断适配器的电压输出，从而保护适配器不受损坏。

8：

大功率开关管，是开关电源中的核心元件之一，开关电源能“一开一关”地工作，开关管功不可没。

9：

开关变压器，开关电源中的核心元件之一。

10：

次级整流管，功能是把低压交流电变为低压直流电。

在IBM的电源适配器中，整流管往往是由两个大功率并联工作的，以获得较大的电流输出。

11：

次级滤波电容，规格为820uF/25V，共有两个，起滤除低压直流电中的纹波的作用。

 除上述元件外，电路板上还有可调电位器及其它阻容元件。

他激式开关电源由集成控制器以少量外围元器件及MOSFET构成，不仅电路结构精简，而且大幅提高了开关电源的可靠性和稳压性，使得他激式开关电源有了极大的发展。

现在所有由市电供应的AC-DC设备几乎全部采用变压器耦合性开关电源，也称为隔离性开关电源。

通电后，CPU经由接插件J201的19、21脚送入高电平，因J201的7脚为+5V（来自于主控板），VT102及VT103均导通。

其中，VT102导通，经光耦SSR101（3SF21）给双向可控硅VT101（BCR5KM）提供触发信号使其导通；市电一线经高压管VD2半波整流开关控制器、R1限流，为IC1提供部分电压，二次绕组的输出电压经共阴极肖特基二极管滤波整流之后产生平滑的+19.5V的电压。

电阻和电容构成吸收网络，发光二极管LED用于电源显示

第二部分系统设计方案

笔记本电源适配器实际上就是一个直流开关稳压电源，就是将某一种数值的直流电压，变换成另一种数值或多种数值的直流电压输出的稳压电源，也就是所谓的DC-DC变换器。

简化图如2.1所示，由五个部分组成。

从图中可以知道，由左边输入的交流电压有效值为220V，首先经过整流滤波变成直流电压VI。

而后经过逆变器，又将直流电压变成方波电压Vi.给开关变压器初级绕组输入，经过开关变压器变压后，在次级绕组输出所需的电压，由开关变压器次级绕组输出的电压是正负交替的方波电压，所以必须得经过整流滤波（二次整流），最后才能输出直流电压VO，供负载用电，另外还要从输出电压VO端引出一小部分电压，通过稳压控制系统反馈给逆变电路，进行稳压控制，这就是所谓的深负反馈稳压电路，这样才能使输出电压VO稳定。

开关稳压电源基本原理框图

整流滤波

它的主要功能是将一次整流部分整流后的波动电压滤波成纹波电压符合要求的直流电压。

对于滤波电容中的电容容量，如果想从所要求的纹波电压值来确定是非常困难的事，其原因在于滤波电路中所用的电解电容，从等效电路看并不是单纯的电容，而是包含有串联电阻RC和串联电感LC的电路，因此从要求输出的纹波电压值来确定滤波电容的容量主要受其等效的串联阻抗的温度和频率特性的影响，这些参数的数值又是随温度变化的，不过根据电容的允许的波纹电流值来确定滤波电容量就比较简单了。

单向整流电路的输出电压一般都含有较大的脉动成分，后接的滤波电容的一种目的是尽量抑制脉动成分，另一种目的是尽量保留直流部分，使输出电压接近理想的直流。

逆变器

当c接通电源后，220V交流电压，经桥式全波整流电路BR整流后，又经由两个容量较大的，而且容量相同的电容器C1和C2串联后滤波，输出约300V直流电压，电容器C1、C2因为容量相同，所以C1和C2各分得的电压都是150V，其极性都是上正下负。

开关变压器T2的初级绕组一端接在VT3和VT4串联的中间点上，另一端经电容器C3后接在两个滤波电容C1和C2串联的中间点上。

先假设VT4是刚刚截止，稍后VT3就开始导通，VT3的集电流是由滤波电容器C1供给的，C1两端的150V电压的正端，加在VT3的集电极上，电流通过VT3集电极到发射极后，又从开关变压器T2初级绕组流入，又另一端输出后，又通过隔直电容器C3最后回到C1的负端，这时T2的初级绕组两端加的是150直流电压，极性是上正下负我们知道初级绕组的直流电阻很小，故初级绕组中的电流是线性增长的，这样会T2右边的次级绕组感应出一个正的矩形脉冲。

变压器、稳压控制

变压器是开关稳压电源电路最主要的元器件，按频率分有高频变压器和工频变压器，高频变压器用于开关电源电路，工频变压器是对市电交流（频率为50HZ）进行电压变换，用做一般支流电源中的电源变压器。

正确选择电源变压器是设计直流电源的关键，电源变压器有市售成品可供选用，但市售成品的各种参数不一定符合拥护的要求，这就需要拥护自己设计制作。

系统中存在的电气元件

1：

压敏电阻，其功能是当外界电压过高时，压敏电阻阻值迅速变得很小，及压敏电阻串联的保险丝被熔断，从而保护其它电路不被烧坏。

2：

保险丝，规格为2.5A/250V，当电路中的电流过大时，保险丝会熔断以保护其它元件。

 3：

电感线圈（又称扼流圈），主要功能是降低电磁干扰。

  4：

整流桥，规格为D3SB，作用是把220V交流电变为直流电。

5：

滤波电容，规格为180uF/400V，作用是滤除直流电中的交流纹波，使电路工作更可靠。

 6：

运放IC（集成电路），保护电路、电压调节的重要组成部分。

7：

温度探头，用于探测电源适配器的内部温度，当温度高于某一设定值时（不同品牌的电源适配器，其设定的温度阀值略有不同），保护电路会切断适配器的电压输出，从而保护适配器不受损坏。

8：

大功率开关管，是开关电源中的核心元件之一，开关电源能“一开一关”地工作，开关管功不可没。

9：

开关变压器，开关电源中的核心元件之一。

10：

次级整流管，功能是把低压交流电变为低压直流电。

在IBM的电源适配器中，整流管往往是由两个大功率并联工作的，以获得较大的电流输出。

11：

次级滤波电容，规格为820uF/25V，共有两个，起滤除低压直流电中的纹波的作用。

 除上述元件外，电路板上还有可调电位器及其它阻容元件。

第三部分开关电源主电路的设计及参数计算

一、主电路的选型

主电路主要由“电磁干扰抑制电路及整流滤波电路”；“电源启动及转换”；“稳压控制电路”和“输出保护电路”组成的反激式开关电源基本电路，此电路用来抑制开关电源产生的电磁干扰、在轻载情况下自动降低工作频率、而且可以完善的保护输出，保证了可靠性下图为反激式开关电源的基本基本电路：

二、变压器设计计算

变压器是开关稳压电源电路最主要的元器件，按频率分有高频变压器和工频变压器，高频变压器用于开关电源电路，工频变压器是对市电交流（频率为50HZ）进行电压变换，用做一般支流电源中的电源变压器。

正确选择电源变压器是设计直流电源的关键，电源变压器有市售成品可供选用，但市售成品的各种参数不一定符合拥护的要求，这就需要拥护自己设计制作。

变压器的设计要求是：

1 漏磁要小，以便能获得小的绕组漏感； 

2 便于绕制，引出线及整个变压器安装方便，有利于生产和维护； 3  有利于散热； 

4 传输功率要留有一定的裕量； 

5 当输入电压和占空比为最大值时，磁芯不会饱和； 6  在顺向型电路中，原边线圈的电感量必须足够大；在回扫型电路中，原边线圈的电感量必须符合所需功率而规定的数值； 

7 必须满足初、次绕组上的铜耗及磁芯的铁耗相等的设计原则； 电源变压器的设计步骤是：

根据所需要的输出功率，确定变压器铁心截面积的大小；再根据铁心截面积和绕组的电压值确定其匝数；最后根据各绕组所通过的电流大小，确定所需要包线的直径。

变压器磁性材料和磁芯结构的选择：

开关电源变压器通常工作在20-50KHZ，甚至更高的频率上。

它要求磁性材料在工作频率上的功耗尽可能的小，此外，还要求磁性材料饱和磁感应强度高、温度稳定性好。

铁氧体磁芯由于价格便宜，磁芯形式多种多样，因此得到了广泛的应用。

但是，铁氧体存在着许多缺点，例如饱和磁感应强度值较低，温度稳定性差，易碎等。

在体积重量、环境条件及性能指标要求高的开关稳压电源变压器中可以采用坡莫合金和非晶体态合金等材料。

坡莫合金和非晶体态合金通常制成环形铁芯，有特殊要求时也可以制成矩形或其他形状。

适配器高压侧电路不变，低压侧改造电路如下图所示：

插头中间针改接集成电路DS2501，并在输出和接地之间并联稳压二极管及串联一个电阻。

这时，稳压电路仍然由光耦及其附属元件组成。

  主电路是半桥式变换器，所以开关变压器应按半桥式变换器中的变压器进行设计。

设计要求：

开关频率fs=100kHz.   

输入源电压VAC：

220V15%.  

输出电压V0：

16V。

输出电流I0：

4A。

整流电路：

全波整流，整流管压降VDF=0.5V。

工作效率：

80%。

滤波电感：

10H。

预先估计； 

额定输出功率:

P0ut=4A（16+0.5）V=66W               

 估计输入功率：

Pin=66w/o.8=82.5W                    

直流输入电压：

Vin（min）=2187V=264.4V        

Vin（max）= 2253=357.7V 

平均输入电流：

Lin（max）=66W/264.4V=0.249A           

Lin（min）=66W/357.7V=0.185A 

估计最大峰值电流：

Ipk= kPout/ Vin（low）=2.8

66W/264.4V= 0.70A  

三、开关器件的选择

 导线线径的选取 

根据输入输出的估算,初线线圈的平均电流值应该允许达到2A 

1、初级绕组 

初级绕组的线径可选d=0.80mm,其截面积为0.50272m的圆铜线。

2、次级绕组 

次级绕组的线径可根据各组输出电流的大小,利用原级相同线径采用多股并绕的办法解决。

为了方便线圈绕制,也可选用线径较粗的导线。

由于工作频率较高,应考虑集肤效应的影响。

线圈绕制及绝缘 

绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起,这样可以减小变压器漏感。

因为漏感过大,将会造成较大的尖峰脉冲,从而击穿开关管。

因此,在绕制高频变压器线圈时,应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。

具体可采用以下方法:

1、双线并绕法 

将初、次级线圈的漆包线合起来并绕,即所谓双线并绕。

这样初、次级线间距离最小,可使漏感减小到最小值。

但这种绕法不好绕制,同时两线间的耐压值较低。

逐层间绕法 

为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点,用初、次级分层间绕法,即1、3、5行奇数层绕初级绕组,2、4、等偶数层绕次级绕组。

这种绕法仍可保持初、次级间的耦合,又可在初、次级间垫绝缘纸,以提高绝缘程度。

2、夹层式绕法 

把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕这种绕法只在初级绕组中多一个接头,工艺简单,便于批量生产。

本例中,为减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式即所谓堆叠绕法。

降低绕组间的电压差,提高变压器的可靠性。

在变压器的绝缘方面,线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸,提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力,本例中,因为不涉及高压,绝缘问题不必特殊考虑。

3、功率开关管的选择 

功率开关部分的主要作用就是把直流输入电压转换成脉宽调制的交流电压。

紧接在功率开关后的这一级可以用变压器把交流波形升高或降低，最后由变换器的输出级把交流电压换成直流。

为了完成这个DC-DC变换，功率开关只工作在饱和关断两种状态，这就可使开关损耗尽可能小。

目前主要用到两种功率开关：

双极型功率晶体管和功率MOSFET，IGBT一般用在功率更大的工业应用场合，比如功率远大于1KW的电源和电动机电路。

和MOSFET相比，IGBT的开关速度比较慢，所以通常用在开关频率小于20KHZ的情况。

电源电路拓扑结构为逆变半桥电路，需要用到2个开关管，相比较IGBT，MOS管具有开关速度快，驱动电路简单等特点，所以选择大功率三极管作为开关管，这样可以大大提高开关频率，减小电源的体积，并且驱动电路简单易于设计。

功率开关管由脉宽调制芯片TL494的输出脉冲管脚8脚和11脚输出的两个相位相差180度的方波电压控制导通及关断。

每一时刻，只能有一个开关管处于导通状态，这样，由一次整流、滤波电路输出的直流电压就被变成为一个高频的交流电压，这样变压器才能发生作用将电压降压为所需要的低压工作电压，这样的逆变过程可以大大减小电源的体积，降低成本，满足客户对电源的要求。

4、输出二极管VD2的选用 

二极管VD2中的电流及变压器5V绕组中的电流相同。

但实际上TOFF时必须考虑反向漏电流。

TOFF时反向电压Vdr为 

其最大值为 

VD2采用肖特基二极管D5SM3M，它的峰值反向电压额定值为30V，有

足够的裕量。

从产品目录上查到Vr＝17V，TC=100度时，二极管反向漏电流为2mA。

所以Ir＝2mA，Vr由上述计算出Vr＝16.0V。

功耗非常小可以忽略。

又PN结散热器间热阻Rjf及Pf计算出:

若Tjmax=100C,环境温度为60C，需要的散热器的热阻为 

再计算输出电路中所用的二极管的参数。

反向电压最大值为：

因此选用的高耐压肖特基二极