小型开关电源的设计.docx
《小型开关电源的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《小型开关电源的设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
小型开关电源的设计
设计内容与设计要求
'.设计内容：
1.分析开关电源的结构及功能
2.介绍小型辅助开关电源设计要求和方案选择
3.小型开关电源主电路设计（主电路的选用依据和原则，主电路的设计及分析，主开关的选用依据和原则，元器件定额及选型）
4.小型开关电源控制电路设计及元器件选型
5.小型开关电源变压器设计
、设计要求：
1、思路清晰，给出整体设计和电路图;
2、给出具体设计思路和电路；
3、写出设计报告；
主要设计条件
1.电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电
设备将会损失严重。
本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：
输
入电源是三相交流220VAC,50HZ,输出电压是直流电压
士15.0V,0.1A;士12.0V,0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。
2.提供设计要求，提供实验室.
说明书格式
1.课程设计封面；
2.任务书；
3.说明书目录；
4.正文
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5.
第2章课程设计目的与要求.6.
2.1设计目的6.
2.2设计要求6.
第3章总体设计思路及框图7.
3.1设计总体思路7.
3.2基本原理框图7.
第4章开关电源设计8.
4.1开关电源的结构及原理.8.
4.2主电路设计及原理分析.9.
4.2.1整流滤波电路9.
4.2.2钳位保护电路9.
4.2.3单端反激电路10
4.2.4输出滤波电路11
4.3控制电路设计11
4.3.1TOP223P芯片介绍1.2
4.3.2反馈环节设计12
第5章元器件选型及变压器参数计算1.3
5.1元器件的选型1.3
5.1.1整流滤波元件选择1.3
5.1.2变压器参数设计13
第6章总结与体会1.7
附录：
19
总电路图19
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间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小、重
量轻、功耗小、效率咼、纹波小、噪音低、智能化程度咼、易扩容等优良特性，广泛应用在诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、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。
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。
如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察可以发现，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当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。
经过20多年的不断发展，我国的开关电源技术有了重大进步和突破。
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，但是21世纪开关电源技术最终发展趋势是小型化、薄型化、轻量化、高频化；高可靠性；低噪声、节能型等方向发展。
第2章课程设计目的与要求
2.1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得到锻炼：
（1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用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》的基本理论知识，理论联系实际，进一步培养学生综合分析问题，解决问题的能力。
（3）利用所学知识，开发小型电子产品，掌握设计过程中电子器件选型、训练独立开发应用产品，培养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。
2.2设计要求
电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。
本设计要求运用所学的电力电子知识设计出性能可靠、稳定输出的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：
输入电源：
三相交流220VAC,50HZ
输出电压：
直流电压土15.0V,0.1A;
±12.0V,0.05A;
+15.0V,0.2A;
+5.0V,0.8A。
第3章总体设计思路及框图
3.1设计总体思路
小型开关电源的设计，主要就是首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。
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；整流部分利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波部分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。
3.2基本原理框图
220V
图3-2开关稳压电源基本原理框图
第4章开关电源设计
4.1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，其典型的能量变换过程如图4-1所示：
工频
交流
图4-1开关电源能量变换过程
整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流采用大电容滤波，电路结构简单、成本低、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分。
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。
在线性开关电源的工作过程中，功率晶体管工作在线性模式，在PWMff关电源工作过程中，功率晶体管工作在开关状态。
与线性电源相比，PWMff关电源更为有效的工作过程是通过“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增加输出的电压值。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
4.2主电路设计及原理分析
421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、稳定性好、使用方便、性能优越、整流效率高等优点。
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
4.2.2钳位保护电路
功率MOSFET关断的瞬间，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VR1、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截止瞬间，原边电压变为下端为正，上端为负，电压被限制在200V左右。
如下图4-2-2所示：
D1
P6KE200
D2
D一
图4-2-2钳位保护电路
4.2.3单端反激电路
单端反激电路原理图及工作波形分别如图4-2-3
（1）、4-2-3
（2）
所示：
图4-2-3
（1）反激电路原理图
0
0
0
图4-2-3
（2）工作波形
S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，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。
当工作于电流连续模式时：
UO=UN2D/（Ni（1-D））（D为占空比）
424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定性。
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，并且是等效串联电阻低的电解电容。
4.3控制电路设计
常用的控制电路包括反馈、比较、基准源、振荡器、脉冲调制器
图4-3控制电路图
431TOP223P芯片介绍
TOP223P芯片集成了脉冲调制（PWM）控制系统的全部功能，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，兼做初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5.7V，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以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，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。
4.3.2反馈环节设计
反馈电路主要由光耦合器和若干电容、电阻构成，如图4-3所示。
输出电压经光耦合器U2和齐纳二极管VR2直接取样构成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
5.1元器件的选型
5.1.1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，截止的两个二极管承受的最大反向电压均为输入电压的最大值，即
Vrm=、2Vi
故，Vrm=,2X220V=311V。
而流过整流二极管最大整流电流lF=2P0/Vmax，根据要求得输出功率Po=11.2W。
所以If=2X11.2/311=0.072A。
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，电容器承受的最高电压为：
Vcm=-..2ViX1.1=342.1V。
故选标称值为
100uF/400V的电解电容。
5.1.2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，我们引进一个半波平均值的概念，我们把Upa、Upa-分别定义为变压器初、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
Upa-XTon=UpXToff或
UiXTon=UpXToff
把占空比：
D_Ton_Ton
待入上式就可以求得：
TTon十Toff
Upa=
=（Ui+Upa）X
如果把漏感产生的反电动势也一起进行考虑，当输入电压为
最大值时，式应该改写为：
Upm=（Uim+Upm）Dmax
Upm的值为初级线圈产生的总电动势的半波平均值之和（包含漏感电动势）。
而功率开关管最大耐压值UBR=Uim+Upm,则上式又可以改写
为：
Upm=UbrXDmax
实际工作中的最小占空比Dmin=0.7Dmax较为合适。
有上述可得：
Upm=UBR-Uim=700-2x220V=389V
Dmax=Upm/Ubr=389/700=0.556
Dmin=0.7区.556=0.389
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，如果忽略整流二极管的压降以及电压纹波，开关电源的整流输出电压Uo基本就等于输出脉冲的半波平均值Upa。
因此前面式可以改写为：
Uo=Upa=（nUi+Upa）B
而式则可以改写为：
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两者在数值上稍有区别，两者进行转换时要考虑变压器的工作效率。
这个结果还应该把变压器的转换效率以及输出纹波考虑进去，设两者的工作效率为90%,则实际应用中的匝数比N应为：
N=n/0.9
由题目要求可知开关电源分别输出电压为：
±15.0V,
±I2.OV,+15.OV,+5.OV。
设二极管压降为1V。
贝U
Upa仁UO1=15+1V=16V;Upa2=U02=12+仁13V;Upa3=Uo3=5+1=6V。
Uim=2X22OV=311V;
Dmax
由上面求得为O.556。
故
16=（n2X311+16）
X0.556
得
n2=O.O41
Na=O.O46
13=（n3X311+13）
X0.556
得
n3=O.O33
Nb=O.O37
6=（n4X311+6）X0.556
得
n4=O.O15
Nc=O.O17
根据输入功率选择EE19磁芯，EE19磁芯的有效截面面积
Ae=2Omm2。
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，△Bac=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0.5。
Ton=DXT=0.5X20=10us
变压器的输入电压Vp=、2X220V=311V
原边匝数的关系为：
N1=（VpXTon）/（△BacXA®=（311X10）/（0.234>20）=665匝
其中，N1为原边匝数，Ton为导通时间，Ae为铁芯有效面积
N2=NXNa=665X0.046=31匝
N3=N1XNa=665X0.037=25匝
N4=N1XNc=665X0.017=11匝
第6章总结与体会
经过两周的电力电子技术课程设计，我真的学到了不少知识，同时也获得了不少的感悟。
不仅对电力电子技术的知识进行了复习与应用，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，对课本的知识也有了一个比较全的学习，并且对课本知识掌握较好。
但是在课程设计过程中电路设计方面还是有很多不明白的的地方，发现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，必须要有扎实的基础和在元器件应用方面广泛的了解。
我觉得在这样的设计当中查阅资料是非常重要的。
查阅资料其实就是一个自我学习，自我完善的过程，可以弥补我们在知识上存在的不足，很好的帮助我们完成设计任务。
例如就在本次设计小型开关电源的课题中，对电路的控制部分我是花了极大精力的。
起初对控制电路根本就没有一个清晰地认识，不知道是用单片机、芯片还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可靠，最后我是选用了TOP223P芯片。
还有就是变压器参数计算也让我觉得很困难。
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之后才完成的。
课程设计也是对一个人心态的挑战，无论是在画图、计算参数还是在器件选型上，都要求我们沉下心来，细心地、踏踏实实一步一个脚印的去实施，绝对容不下半分浮躁和不耐烦。
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》
附录：
总电路图
ccccccrccc
VD2
TOP223P
J-C2
C3
VD斗
IVRJR120
忖2’心
MUR420
J__YYY\
_fYYV-L
工^L3
亠饷
丄衍二」VYY\
4
o
1:
1
ccc
1I4414S
C\2~T
0.1UF
U2PC817A
R2
卒VR2
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：
①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②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）。
升级会员 