实验室开关电源设计本科毕业论文设计.docx
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实验室开关电源设计本科毕业论文设计
河南科技学院
本科毕业论文（设计）
论文题目：
实验室开关电源设计
所在院系：
机电学院
所学专业：
电气工程及其自动化
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的示意图，如图3-1所示，图中的开关“SW”不停的交替，工作在“ON”或“OFF”的两种状态，结果将输入的直流电压V1经开关电路作用，斩成“矩形波”（也可以叫“脉冲”或“方波”）输出，如图3-2（a）所示的波形。
当开关SW处在“ON”状态时，开关完全接通，输出肯定是高电位，其电压的幅度就是输入电压V1，为了和输入的直流电压分开，这里矩形波的高电位用V2来表示，V2在图3-2（a）所示“toff”时间段,“tON”时间加“toff”时间就是矩形波的一个周期T的时间，再将矩形波输入滤波电路（有的叫“储能电路”），由滤波电路输出的电压，就是转换后输出的直流电压Vo，如图3-2（b）所示。
图3-1DC-DC变换器的基本工作原理示意图
（a）输入波形（b）输出直流电压
图3-2滤波电路的波形
因为开关稳压电源的核心是“开关”二字，故因此而得名为“开关稳压电源”或“开关电源”。
但在实际应用中的开关稳压电源，不可能使用机械开关，因为机械开关的开关速度不可能很高，寿命又太短。
目前也只有使用晶体三极管，场效应管等电子元器件做成的电子开关才能胜任，这是目前较为理想的、高速的、长寿的、可靠的电子开关部件。
3.2开关电源的调制方式
3.2.1脉冲宽度调制方式（PWM-PulseWidthModulation）
脉冲宽度调制式的开关稳压电源的开关部件，一般都是由大功率三极管或大功率场效应管来担任的，由于电源输出电压的改变和稳定，都是靠开关管饱和导通的时间和截止时间长短的改变来实现的，所以称该管为“开关调整管”。
脉冲宽度调制方式，就是用输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生变化的一种方式，简称“脉宽式”。
脉宽式开关调整管工作的周期T是固定不变的，输出电压的改变和稳定就是控制开关调整管饱和导通“ON”的时间来实现的，用“tON”来表示；没有脉冲输出时，就是所谓的“截止”时间，也就是“OFF”的时间，用“toff”来表示。
由于开关调整管工作的周期T是固定不变的，所以“tON”时间改变时，“toff”时间就要相反的改变。
再简述一下：
脉冲宽度调制式的开关稳压电源，就是利用脉冲宽度的改变来稳压的，不论是负载电流发生变化，还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化，将这个输出电压的变化量，经过稳压系统，又去控制开关调整管导通时间的长短，从而使脉冲的宽度发生变化，最终使输出电压是稳定的。
如图3-3，这是由开关调整管输出的脉冲，在输出电压正常的情况下，假定脉冲的宽度如图3-3（a）所示，如果输出电压低于正常电压时，经稳压电路使脉冲的宽度如图3-3（b）所示，由于脉冲变宽，使它的直流分量增加，也就是使平均电压增加了，结果使输出电压回升，从而抑制了输出电压的下降，维持了输出电压的稳定。
如果输出电压升高了，经稳压电路使脉冲的宽度变窄，如图3-3（c）所示，由于脉冲变窄，使它的直流分量减少，也就是使平均电压降低了，结果使输出电压降低，从而抑制了输出电压的升高，维持了输出电压的稳定。
图3-3脉冲宽度变化示意图
3.2.2脉冲频率调制方式（PFM-PulseFrequencyModulation）
脉冲频率调制式的开关电源，它的开关调整导通的时间tON是固定的，由于导通时间是固定不变的，那么也只有改变截止时间tOFF才能改变频率，因为这种制式是通过改变工作频率来实现稳压的，故称为“脉冲频率调制式”或“脉频式”。
不论是负载发生变化还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化，这个变化的电压，经过稳压电路，使脉冲的频率发生变化，实质上就是调整管截止时间发生了变化，这同样能改变直流分量，从而达到改变输出电压和稳定电压的目的。
图3-4脉冲频率变化示意图
请看图3-4，当它的输出电压正常时，波形如图3-4（a）所示；如果输出电压下降，则通过稳压电路，使截止时间缩短，脉冲的频率增高，波形如图3-4（b）所示,由于直流分量增加了，从而抑制了输出电压的下降，维持了输出电压的稳定；如果输出电压上升，经过稳压电路，使其截止时间加长，频率降低，波形如图3-4（c）所示，由于直流分量降低了，从而抑制了输出电压的上升，维持了输出电压的稳定。
3.2.3脉宽脉频调制方式
脉宽脉频调制方式，是通过改变脉冲的宽度和频率使直流分量发生变化，可以控制输出电压的高低和进行稳压。
3.2.4脉冲幅度调制方式（PAM-PulseAmplitudeModulation）
脉冲幅度调制方式,是通过控制输出脉冲电压幅度的变化，来改变输出电压和稳定输出电压的，简称“脉幅式”。
当输出电压发生变化时，经过稳压电路，控制开关调整管，使输出脉冲电压幅度发生与其相反的变化，从而抑制了输出电压的变化，使输出电压稳定。
脉冲幅度调制式的开关稳压电源，输出电压的高低，不受频率高低变化的影响，也不受脉冲宽度变化的影响，只与脉冲幅度的高低变化有关。
脉冲幅度增加，输出电压就升高，脉冲幅度降低，输出电压就降低。
脉幅式开关稳压电源有很多优点，所以在显示器、电视机中以及其它各种电子设备中，都得到了广泛的应用。
3.3占空比（DutyCycle）
不论使用什么方式调制，它们都是一种“时间比例”关系的控制方式。
如果只是改变频率，而在一个周期内，它的导通时间（tON）与周期（T）时间的比值并不改变，矩形波电压V2的幅值也不改变，那么它的直流分量也不会有改变，这样输出的直流电压也不会有改变，也不会起到稳压作用。
3.3.1占空比及其定义
从上面的讨论中可以得出这样一个规律：
在第1、2、3种调制方式中，输出电压的改变和电压的稳定，都是靠改变“时间比例”关系来实现的。
在实际应用中，我们将时间比例关系叫做“占空比”，占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。
一般用“d”（或“D”）来表示，即：
d=tON/T
由占空比的定义可以看出，占空比的实质就是：
导通时间tON在一个周期T内所占有的比例，可以称为“几比几”或“几分之几”都可以。
占空比是一个无量纲的数字，因为分子和分母的单位都是时间而约掉。
脉冲宽度的变化，就是导通时间tON的变化，导通最窄时间为0，导通最宽时间为T，所以占空比的变化范围是（0—T）/T，也就是只有从0—1的变化范围，这是一个很重要的概念。
由该式的比值可以看出，由于脉宽式开关稳压电源都是降压式的变换器，所以反映出降压系数k的概念，降压系数k通俗地讲就是：
输出电压Vo是输入电压V1的几分之几，也就是Vo与V1的比值。
输出直流电压的幅度可以从0变化到输入直流电压的幅度，即：
（0—V1）/V1，变化范围是从0—1，这样占空比d和降压系数k是相等的，所以占空比的数值，也就是电压比的数值，于是有：
d=k=V0/V1=tON/T所以有：
Vo=tON/T×V1=d×V1其中：
V1为输入直流电压
由式中可以清楚的看出，输出电压Vo等于占空比d乘以输入电压V1。
在计算输出直流电压Vo的式子中，输入电压应该是矩形波的峰值电压V2，经过开关管变成矩形波后，是有一定压降的（约有0.3V到1V），所以矩形波的峰值电压V2小于输入直流电压V1。
如果矩形波峰值电压V2较高，管压降就可以忽略不计，用上式就可以。
但用下式计算较为精确：
Vo=tON/T×V2=d×V2
再强调一下，这是一个很重要的结论：
输出电压Vo等于占空比乘以矩形波的峰值电压V2。
我们在计算输出电压Vo的公式中可以看出，输出电压Vo是矩形波在一个周期内的平均电压，或者说是矩形波的直流分量。
我们从用占空比来计算脉宽式稳压电源输出直流电压Vo的公式可以看出，如果矩形波的峰值电压V2不变，周期T也不变，那么要想改变输出电压，也只有改变导通时间tON了，也就是只有改变了占空比，才能改变输出直流电压Vo。
如果输出电压降低了，只要想办法使占空比增加（就是增加导通时间），就可以使输出电压不降低；如果输出电压升高了，只要想办法使占空比减小（就是减少导通时间），就可以使输出电压不升高。
以上就是脉宽式开关稳压电源的最基本工作原理，“脉频式”和“脉宽脉频式”的工作原理，也是根据这个基本原理来设计和制造的。
3.3.2占空比变化的几种情况
影响占空比的原因有以下三种情况，那就是人工调节输出电压的变化、负载电流的变化、输入电压的变化。
现对这三种情况做一下简单的说明：
1.当人工调节输出电压变化时：
当调节使输出电压升高时，占空比就加大；当调节使输出电压降低时，占空比就减小。
2.当负载电流变化时：
当负载电流加大时，输出电压就要降低，但通过稳压系统使占空比加大，使输出电压上升，从而抑制了输出电压的降低；当负载电流减小时，输出电压就要升高，但通过稳压系统使占空比减小，使输出电压下降，从而抑制了输出电压的升高。
3.当输入直流电压变化时：
当输入直流电压升高时，输出的直流电源必然也要升高，但通过稳压系统使占空比减小，从而抑制了输出电压的升高；当输入直流电压降低时，输出的直流电源必然也要降低，但通过稳压系统使占空比增大，从而抑制了输出电压的降低。
以上使占空比发生变化的三种原因，简单的说就是：
如果人工调节输出电压升高时、负载电流加大时、输入电压降低时，占空比就加大；如果人工调节输出电压降低时、负载电流减小时、输入电压升高时，占空比就减小。
3.4开关电源的滤波电路
在开关稳压电源中，输出直流电压的滤波电路，和其他形式的电源中的滤波电路没有什么大的区别，也是由电容器、电感器和二极管等电子元件所组成的，由电子元件组成的滤波电路，叫做“滤波器”。
因为电容器和电感器全都有储存能量的功能，所以又有将滤波电路叫做“储能电路”的。
电容器能将能量以电场的形式储存起来，而电感器能将能量以磁场的形式存起来，所以人们将电容器和电感器的功能之一，各用一句话来表示，那就是：
电容器两端的电压不能突变（或者说：
电容器能恒反抗两端电压的变化）、电感器中的电流不能突变（或者说：
电感器能恒反抗电路中电流的变化）。
各种滤波器，都是把供应过来的一部分能量供给负载使用外，同时把一部分能量储存起来，当短时间供电不足或供电中断时，电容器和电感器就把储存的能量转换为电能，供给负载继续用电，从而保证电源能不间断地向负载提供电流。
简单的L-C电感滤波电路如图3-4所示：
图3-4L-C滤波电路
在开关稳压电源中，给滤波电路输入的电压，一般都是频率比较高的矩形波，而且还必须得是“单极性”的，所谓的单极性，就是矩形波在变动的过程中出现的电压极性，必须都是同一极性的，它只是正极性的，或者只能是负极性的。
如果是正极性的，在变动过程中，不准许负的电压出现，否则需要加二极管整流去掉负的极性，才能给滤波电路输入。
如果输出的直流电压是正的，就需要加二极管整流去掉负的电压；如果输出的直流电压是负的，就需要加二极管整流去掉正的电压。
3.5开关电源的保护电路
开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便，因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。
为了保护开关电源自身和负载的安全，故根据开关电源的电路特点，介绍了浪涌电流保护、过压保护、过流保护、欠压保护、反峰电压保护以及过热保护电路。
在实际的开关电源设计中，通常选用几种保护方式加以组合，构成完善的开关电源保护系统。
3.5.1开关电源保护电路的设计原则
1.把开关稳压器中应用的开关三极管限制在直流安全工作区域内工作对于选定的开关三极管，由三极管手册可查得其直流安全工作区，根据集电极电流的最大值来确定输入过电流的保护值。
但是，这个瞬时最大值应转换为电流的平均值。
在额定输出电流与输出电压的条件下，开关管的动态负载线不超过直流安全工作区的最大输入电压，即输入过电压保护的电压值。
2.把开关稳压器的输出限制在给定的技术指标内
在所要求的工作温度范围内，开关稳压器的输出电压的上、下限就是输出过、欠电压保护的电压值。
过电流保护可根据最大输出电流来确定。
为了不产生误报警，保护值应适当留一定的余量。
3.5.2整机保护措施
由上述
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