开关稳压电源的方案设计书与制作.docx
《开关稳压电源的方案设计书与制作.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关稳压电源的方案设计书与制作.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
开关稳压电源的方案设计书与制作
陕西航空职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：
开关稳压电源的设计与制作
所属系部：
电子工程系
指导老师：
王传清职称：
高级讲师
学生姓名：
田琳班级、学号:
0931120
专业：
应用电子技术
2012年5月15日
陕西航空职业技术学院
毕业设计（论文）任务书
电子工程系系应用电子技术专业
学生姓名田琳学号0931120
一、毕业设计（论文）题目开关稳压电源的设计与制作
二、毕业设计（论文）时间2011年10月18日至2012年5月15日
三、毕业设计（论文）地点：
陕西航空职业技术学院电子工程系实验室实训室
四、毕业设计（论文）的内容要求：
1、输出电压5V、输出电流2A。
2、输出纹波100mVp-p。
3、绘制电路的PCB图。
4、制作出产品并调试成功。
指导老师王传请年月日
批准_________年月日
摘要
摘要：
本设计采用一种LNSR12C芯片作为AC/DC开关稳压电源的控制核心,实现了其输入电压为交流AC100-260V，输出电压为直流5V，电流2A，电压调整率、负载调整率达到要求等功能。
其中DC-DC电源变换控制器提供的直流输出不仅与供电电源共地,而且有两组与供电电源隔离.
关键词：
电源开关稳压电源的结构、设计、开关管滤波电容储能电感
引言
开关稳压电源（以下简称开关电源）问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30％~40％。
因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。
因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。
电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛地应用。
开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个直流稳压电源设计图单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度开关稳压电源原理图；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。
第一章概述
1.1开关稳压电源的基本概念
开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源.它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压保持时间长、有利于计算机信息保护等优点,因而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,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源.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,自身消耗的能量很低,一般电源效率可达80%左右,比普通线性稳压电源提高一倍.目前生产的无工频变压器式中,开关电源仍然采用脉冲宽调制器PWM或脉冲频率调制器PFM的原理.
1.2开关稳压电源的电路组成
开关电源有许多种，像正激式、反激式、半桥式、等等。
不管什么式，它都是把直流电变成脉冲式的交流电，或控制脉冲的频率达到稳压的目的，或控制脉冲的脉宽来达到稳压的目的，各种程式各有优点。
不同的开关电源有不同的用途。
开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是效率高、功率密度高、可靠性高。
PWM电路常选用电流控制型。
该脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器的电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
假如电源电压变化或负载发生变化使输出电压升高时，则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，即减小输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，斩波后的电压平均值下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
第二章系统方案与设计
2.1设计要求
1.输入电压范围AC100-260V.
2.输入电压频率:
47-63Hz.
3.输出电压5V.
4.额定输出电流2A
5.输出纹波100mVp-p.
6.工作效率80%.
7.输出短路保护.
8.过热保护.
9.工作温度0℃~+50℃.
2.2 设计思路
①电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
②降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
③脉动大的直流电压须经过滤波、稳压电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。
④滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
2.3工作原理
开关稳压电源的工作原理如图1所示,输入电压为AC220v,50Hz的交流电,
经过滤波,再由整流桥整流后变为直流,通过控制电路中开关管的导通和截止使
高频变压器的一次测产生低压高频电压,经由小功率高频变压器藕合到二次测,再经整流滤波,得到直流电压输出.通过PWM来控制开关管的导通与截止时间（即占空比）,使得输出电压保持稳定。
2.4整流滤波电路
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图所示。
在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；U2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
电路的输出波形如图所示。
在桥式整流电路中，每个二极管都只在周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。
电路中的每只二极管承受的最大反向电压约为反向击穿电压的一半或三分之二（U2是变压器副边电压有效值）。
2.5滤波电路
根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波
电路的基本形式如图1所示。
因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。
并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。
而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。
经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。
若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。
利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。
因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。
电感滤波缺点是体积大,成本高.
桥式整流电感滤波电路如图所示。
电感滤波的波形图如图所示。
根据电感的特点，当输出电流发生变化时，L中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。
2.6半桥式变换器
在高压开关电源中，功率输出大的一般都使用半桥式变换器电路。
其电路如图所示。
它由两只电容和两只高压晶体管组成。
当两只晶体管都截止时，若两只电容的容量相等且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的一半。
当VTl导通时，电容C01将通过VTl、变压器初级绕组N1放电；同时，电容C02则通过输入电源、VTl和T1的原边绕组N1充电。
中点A的电位在充、放电过程中将按指数规律下降。
在VTl导通结束时，A点的电位为言（1/2）Ui-ΔUi，且两只晶体管全都截止。
两只电容和两只晶体管的集射极间的电压基本上相等，都接近于输入电源电压的一半。
相反，VT2导通时，C02放电、C0l充电，A点的电位将增至专（1/2）Ui+ΔUi，即A点电位在开关过程中将在（1/2）Ui的电位上以±△U的幅值进行指数变化。
由此可见，在半桥式电路中，变压器初级线圈在整个周期中都流过电流，磁心利用得更充分。
半桥式变换器电路的主要优点是其电路中所使用的功率开关晶体管的耐压较低，绝不会超过输入电压的峰值；晶体管的饱和电压也降至最低；输入滤波电容的耐压也可以减小。
但是因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式电路相比，欲输出相同的功率，则变压开关管必须流过2倍的电流。
三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。
严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。
图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。
由图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上。
输入电压Vin则控制三极管开关的开启（open）与闭合（closed）动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。
详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止（cutoff）区。
同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区（saturation）。
2.7过流保护电路
为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。
初级采用电流互感器CT1检测初级变压器电流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再经D2～D4，C9整流滤波后，经过电位器RV3分压，反相器N3反相后加在Q1管基极。
当初级电流超过正常时，反相器反转，Q1管导通，将VREF=5V的高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、高电平关断），TL494关断。
输出直流总线上过流保护，采用R45～R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输出电流大于40A的105％时，TL494的内部运放动作，脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。
2.8转换电路（LN5R12C芯片的介绍）
LN5R12C为高性能，电流模式PWM控制器。
内置高压功率开关，在85v-265v的宽电网电压范围内提供高达12w的连续输出功率。
高性质比的性制作工艺生涯的控制芯片，结合高压功率管的一体化封装最大程度上签约了签约了产品的整体成本。
该电源控制器可工作与典型的反击电路拓扑中，AC/DC电源转换器。
IC内部的高压启动电流源只需借助VIN电阻的微弱电流触发可完成系统启动，很大程度上降低了VIN电阻的功率消耗；而在输出功率较小时IC将自动降低工作频率，从而实现了很低的待机功耗；顺利的驱动电路使开关管始终工作于临界饱和状态，提高了系统的工作效率，是系统可以轻松满足“能源之星”关于待机功耗和效率的认证要求。
内部功能框图：
主要特点：
内置750V高压功率开关
内置高压启动电流源，快速启动
内置能效处理控制，待机低于0.15W
内置过压、欠压与短路保护功能
内置过载与过温度保护功能
精确温度补偿，精确逐期电流控制
低启动电流和低工作电流
自适应频率回转设计EMI干扰少
高转换效率满足能源之星2.0的要求
宽压输出功率12W,峰值输出15W
高压输出功率15W,峰值输出18W
引脚定义图
引脚功能描述
引脚号
符号
引脚定义描述
1
VIN
高压电流源触发输入，外接电阻到高压直流端
2
VCC
供电脚
3
GND
接地脚
4
NC
未使用
5
VFB
反馈脚
6
IS
开关电流限制设定脚，外接电流采样电阻
7，8
HV
高压开关输出脚，接变压器初级线圈
第三章系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程序，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
3.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表3.1.1所示
表3.1.1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号
数量
1
数控式稳压电源
1
2
数字万用表
1
3
滑线式变阻器
1
4
示波器
1
3.2整流部分的测试
经变压器降低的交流电通过整流滤波后，要得到稳定的直流电。
把示波器的输入端接到该部分的输出端，观察示波器，看是否是一条直线，若有波形，则要调整滤波的电路。
本设计用330uF的电容滤波，又加上整流部分设计的很好，使得滤波后的电压相当稳定，符合要求
电路原理总图
PCB板图
结束语
通过本次设计，让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标，也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题；而通过不断的努力去解决这些问题。
在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。
我们这次设计的这个直流稳压电源电路；采用了电压调整管和外加调整管来实现电压的调整部分；而稳流部分用可调式三端稳压电源管来实现。
这次毕业设计让我学习到很多。
虽然结束了，但这只能是一个开始。
今我们只有对自己有了更高的要求，才能作为动力不断取得新的成绩!
不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
在此要感谢我的指导老师王老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
1、杨旭，裴云庆，王兆安开关电源技术北京：
机械工业出版社
2、何希才.新型开关电源及其应用[M].北京：
人民邮电出版社
3、常敏慧开关电源应用、设计与维修
4、黄燕开关电源故障检修方法
5、张占松.开关电源的原理与设计.电子工业出版社.
6、周志敏，周纪海开关电源实用技术－设计与应用北京：
人民邮电出版社
7、李定宣，开关稳定电源的设计与制作中国电力出版社
8、张占松，蔡宣三开关电源的设计与应用北京：
电子工业出版社
谢辞
在本次论文设计过程中，王老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
升级会员 