12V5V电源转换器开关电源.docx
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12V5V电源转换器开关电源
一、设计任务与需求…………………………………………3
二、总体方案选择……………………………………………4
三、各模块电路设计分解……………………………………7
四、电路总图…………………………………………………11
五、所用元器件及购买清单…………………………………12
六、组装与调试………………………………………………12
七、收获体会和建议…………………………………………16
参考文献……………………………………………………17
附录A………………………………………………………17
附录B………………………………………………………18
一、设计需求与任务
1.1、设计背景：
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，广泛应用于各种电子设备、仪器及家电。
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。
开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状态，自身消耗的能量极低，一般电源效率可达80%左右。
1.2、设计任务：
12V-5V电源转换器（开关电源）
（1）输入直流电压12V，输出直流电压5V
（2）在额定负载下，输出电压跌落≤30mv
（3）在额定负载下，输出纹波
≤50mv
（4）在额定负载下，输出尖峰电压
≤200mv
（5）功率转换效率η大于70%
（6）带有过流保护（
≤1A）
二、总体方案选择
2.1、PFM与PWM调制方法：
2.1.1、PWM
当输出直流电压偏离额定值时，反馈控制电路在保证开关管频率不变的情况下，自动改变调整管的导通时间，即改变脉冲电压的宽度，从而改变脉冲电压的占空比，使直流输出电压的偏移量在允许的范围内。
这种方案称为脉冲宽度调制，简称PWM型开关电源。
其反馈电路是脉宽调制电路。
2.1.2、PFM：
当输出直流电压超过额定值时，反馈控制电路在保证调整管的导通时间不变的情况下，自动改变调整管的开关频率（也就是改变脉冲电压的频率），从而改变电压的占空比，使输出直流电压稳定在允许范围内，这种方案称为脉冲频率调整，简称PFM型开关电源，其反馈电路为脉冲频率调整电路。
2.2、针对PFM主要有自激式与驱动式两种方案。
2.2.1自激式
正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。
下图所示正激式变压器开关电源的简单工作原理图，其中Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。
图1-1
原理：
改变控制开关K的占空比D，只能改变输出电压的平均值Ua，而输出电压的幅值Up不变。
因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方式。
图1-1中，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是电压平均值输出滤波电压。
2.2.2、驱动式
驱动式开关电源，是指运用振荡电路高低电平实现开关导通与否,如下所示图中，开关A用振荡电路的产生的脉冲高低电平控制。
原理：
以12V直流电压作为输入，通过振荡电路控制功率驱动开关电路的通断时间，实现电感的充放电时间，改变输出电压的平均值，然后进行LC滤波，对输出电压进行电压采样和过流保护作为反馈控制信号，最后输出5V的电压。
设周期为1，开关导通时间D（D<1），根据通过电杆上的平均电压为0，则可以得到如下式子
，从而实现降压的电源转换。
振荡电路的控制方法有如下俩种常用接法，复位法和斩波法。
复位法：
斩波法：
2.3、方案的可行性分析
自激式变压器一个最大的缺点，就是在开关关断瞬间，由于电磁感应，在初、次级线圈中都会产生一个很大反电动势，容易击穿开关元件，因此在设计中常常需要增加一个绕组以吸收反电动势的能量。
如N3。
而驱动式的串联开关电源，相比之下，结构简单，效率也较高，所以选择振荡式进行开关电源设计，与此同时，由于复位法反应更为灵敏，而且效果较好，振荡调制电路常采用复位法。
三、各模块电路设计分解
3.1、功率驱动开关电路
图中电源电压
为12V。
在电源和接地点之间分别接上一个10-100uf的旁路电容，能够将电源中的噪音过滤掉，减少信号源对这个电路波形的干扰（在该电路设计中可以忽略该影响）。
图中R3=100Ω,R4=100-300Ω,R14=1-5.1kΩ，Q1为大功率管，选用TIP32型号，Q2为中功率管，型号为3DG12，Q1、Q2实现两级放大，大功率管的驱动通常需要较大的电流，通过中功率管Q2放大电流驱动大功率管。
3.2、LC滤波电路：
二极管:
选用普通二极管，在开关电路关断时，电感放电，二极管与电阻R0构成蓄流回路。
电感:
由于电感是储能元件，且电流不会突变，通过电感的充放电实现降压型压稳压电源，同时具有滤波以及平波作用。
电容：
和电感实现LC滤波，具有抑制纹波的作用。
电阻：
RL为负载电阻。
3.3、电压采样与过流保护
实现原理：
电压调整，通过设定一定的基准电压
，将从输出端的采样值分压后的值
与
比较，当
>
时，比较器的输出高电平，三极管基极输入高电平，三极管导通，集电极输出低电平实现反馈控制，使电压下降至5V;同理，当
<
，比较器输出及时的调整，并反馈控制充放电时间，使电压上升至5V。
过流检测，其实现原理与电压调整实质上一致，将采样电流转化为采样电压而实现过流保护，这里不做叙述。
相关参数计算及说明：
稳压管稳压值：
由于输出电压要稳定在5V，所以基准电压肯定不能超过5V，取基准电压为3V，因此稳压二极管的稳压值为3V。
比较器:
比较器LM339（见附录A）的正常使用时要接上拉电阻，常用的电阻值为5.1kΩ---15kΩ，可以选取5.1kΩ作为使用。
过流检测电阻R10:
由于最终额定负载电阻为5Ω，为了减少R10对负载的影响，应该使R10尽量比较小，取0.1----0.2Ω。
通过使一个10KΩ电阻与一段铜丝并联，可以大致做成0.2Ω的小电阻，经济并且制作方法简单。
3.4、振荡电路
3.4.1、555定时器接成多谐振荡器时
占空比:
振荡频率为：
3.4.2、由于开关电源为12V-5V电压转换，所以充电时间（驱动管导通时间）至少应该占每个周期的5/12.为了使设计留有一定的余量，我们设计占空比为80%，振荡频率设计为3-20KHZ，综合以上我们取R1=3KΩ，R2=1KΩ，C=14nf，此时占空比经计算得K1=80%，频率f1=20.4KΩ。
3.4.3、复位端上拉电阻，R4=4.7KΩ。
四、电路总图
4.1、电路框图描述
4.2、电路原理图
五、所用元器件及购买清单
本课程设计所涉及的清单如下
器材名称
数量
器材名称
数量
可调双通道直流稳压稳流电源
1台
1kΩ与10kΩ滑动变阻器
各一只
双踪示波器
1台
大功率管TIP32
1只
多功能万用表
1台
中功率管3DG12
1台
LM339比较器
1片
普通三极管
2只
555集成芯片
1片
电感
2只
二极管
1只
面包板
1块
3V稳压管
1只
1000uf电容
1只
导线
若干
470uf电容
1只
1uf电容
1只
0.01uf电容
两只
100Ω电阻
2只
铜导线（制作小电阻）
1段
固定电阻
10kΩ,5.1kΩ，4.7kΩ,3kΩ,1kΩ,200Ω若干
六、组装与调试
6.1、在实际设计中，最常见的问题是，在面包板上按照图纸连接好后，电源极性也没有问题，但在示波器中出现理论应出现的波形。
产生这种现象的原因有很多。
针对上述情况，在电路调试中，我对每个模块进行一一检测，先检测驱动开关电路，①发现引脚连接都没有问题，却始终无法驱动电路，②我首先猜想是自己的导线可能接触不良，或者导线插入面包板过长，对电路板的内部产生短路问题，仔细检查后也没有问题，③最后我猜想是面包板本身插孔可能有些故障，因此用万用表达到欧姆档，对插孔进行测量，发现本应不导通的三列插孔之间的电阻为100Ω左右（实际电阻应为MΩ级），改接其他插孔后，电路输出很快就出现了5V左右的电压。
在现实连接调试过程中，要不断对各部分功能电路模块分块进行排查，确保各个部分的正常工作。
6.2、在电路的输出结果出现5V后，我进一步对设计要求的其他参数进行测定，发现纹波很大，在老师的建议下，我将LC滤波电路中电容改为大电容1000uf，纹波得到很好地改善，而且波形更加趋于稳定。
6.3、纹波得到改善后，我继续调试尖峰电压的参数。
发现尖峰电压接近1.2V，远没有达到设计要求，杨老师的指导下，在LC滤波电路之前加上一个小电容（0.1uf）后，观察波形，尖峰已经变为之前的一半，随后对电路做了进一步的改进，在555定时器的电源输入端和LM339比较器的电源输入端加了一个470uf的大电感，整体效果得到进一步改善。
6.4.1、实验数据记录：
要求指标
实测指标
输出电压
5V
5V
电压跌落
mv
340mv
纹波
mv
0.3v
尖峰电压
mv
600mv
输入电流
0.47A
转换效率
88.6%
输出电流
A
1A
6.4.2、实验最终波形
七、收获体会和建议
模电综合课程设计，较之以前的模拟电子技术实验，对我们来说具有更大的挑战性。
它不仅需要我们把握理论数据与实际之间的差别，而且要考虑到各个模块的综合以后相互之间的影响，例如模块的级联后所带来的负载变化、干扰信号。
在实际动手操作之前，我花了不少时间在Multisim软件上分析元器件的参数，以得到正确的仿真电结果。
以往的试验中，我们只需要照着原理图连线，测数据等，但这次需要我们自己设计电路图，该选择多大的，电阻、电容，参数大了会产生什么影响，应该在什么端口做改变，怎样组合才是一个比较优化的结果，都是需要自己不断思考的问题。
在实际设计过程中，开始把整个电路图连好后测试结果，一直没有出现5V，在老师的建议下，我一个模块一个模块检测结果，先把单个的模块确保没有问题，再看综合效果，发现很多细小的问题，错误很快迎刃而解，这也让我神社体会到模块化设计，调试的重要性。
整个课程设计过程，让我对之前学的模拟电子技术有了一个更加深刻更加形象具体的了解，通过理论知识指导实践操作，又通过实践操作来理解理论知识，让我受益匪浅，进步很大；但同时也深刻认识到，自己无论是在理论知识还是实际操作仍然有待更大的提升。
最后感谢老师孜孜不倦的指导。
参考文献
【1】《电路（第五版）》邱关源主编高等教育出版社
【2】《模拟电子技术基础》华成英童诗白主编清华大学电子学教研组
【3】《数字电子技术基础》张申科崔葛瑾编著电子工业出版社
【4】《电子技术基础（模拟部分）》康华光主编高等教育出版社
附录A——LM339
1、LM339引脚图以及典型应用电路
2、LM339作为基本比较器的典型运用
附录B——555定时器
1、555定时器的引脚接线
555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个二极管，组成了比较器，RS触发器等多组单元电路。
特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器。
为上、下比较器提供基准电压，故称之为555。
属于CMOS工艺制造。
引脚具体说明
引脚号
引脚号
1
地GND
5
控制电压
2
触发
6
门限（阈值）
3
输出
7
放电
4
复位
8
电源电压Vcc
2.555定时器多谐振荡器接法。
占空比:
振荡频率为：
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