开关电源设计报告.docx
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开关电源设计报告
开关电源设计报告
前言
随着电子技术的高速开展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
近年来,随着功率电子器件（如IGBT、MOSFET）、PWM技术以及电源理论开展,新一代的电源开场逐步取代传统的电源电路。
开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。
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。
随着电力电子技术的开展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一本钱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开展空间。
开关稳压电源，其系统硬件由三个环节组成，即整流滤波环节、直流-直流升压变换〔DC-DC〕环节、以及测控与键盘显示环节。
1.开关电源根本组成
图中DC/DC变换器是开关电源电路的核心局部，其作用是将固定输入的直流电压U1变换成可变的直流电压，也称为直斩波器。
开关电源采用功率半导体作为开关器件，通过周期性控制开关通断，调节环路控制信号的占空比来调整输出电压。
常用控制方式有脉宽常用控制方式有脉宽调制（PWM）、脉频调制（PFM）PWM与PFM混合式,其中最常用的是PWM。
单片开关式DC/DC电源变换器L4978含误差放大比拟器、脉宽调制器、驱动器等电路,适宜构成高效、小体积的仪器仪表的开关电源。
2.L4978芯片的特性及工作原理
2.1L4978芯片介绍
L4978是意－法半导体生产的单片开关式稳压器，它采用8脚双列直插式DIP-8封装，外形与常见的运放4558一样，它的最大输出电流可达2A，最大输出功率400W，输入电压围8-55V，输出电压调节围3.3-50V，部集成了3.3V基准电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉宽调制器、功率输出级和各种保护电路，在芯片部集成了一只N沟道DMOS功率开关管，其开关速度极快，可在高频下工作。
L4978的引脚排列图如下图
2.2L4978芯片特性
单片开关式集成DC/DC电源变压器L4978是一种新型高效节能稳压电源，它部集成了3.3V准基电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉冲调制器、功率输出级和各种保护电路。
L4978芯片输入电压的允许围宽，消耗低。
此芯片还集成了高速DMOS
功率开关管、专门驱动开关管以及软启动、禁用等功能，提高了电源的效率和系统平安性。
2.3L4978工作原理
芯片4脚输出电压UO,经外接取样电阻R3、R4分压后（见图3）,反应至8脚的误差放大器反相端,与加在同相端的3.3V基准电压相比拟,得到误差电压Ur,由Ur的幅度控制PWM比拟器输出的脉冲宽度UPWM,最后由功率放大器和降压电路,输出稳定直流电压。
3.L4978开关电源电路
图3L4978开关电源原理图
电路原理如下：
C1为输入滤波电容，C2为高频滤波电容，R1、C3是振荡电阻与振荡电容，C4为软启动电容，R2和C5构成误差放大器的频率补偿网络，C6是自举电容，VD为续流二极管，采用SB560的肖特基二极管。
电感L为储能元件，可选用直径为22mm的高频磁环，用外径为10mm的高强度漆包线沿磁环的圆周方向均匀绕40T左右。
电路工作时，功率脉冲调制信号从IC的14脚输出，在信号的正半周时，向负载供电，同时将电能储存在L和C7中，此时VD截止。
在功率脉冲调制信号的负半周，VD导通，储存在L中的电能就经过VD所构成的电路继续向负载供电，维持输出电压不变。
芯片4脚输出电压U0，经外接取样电阻R3、R4分压后，反应至8脚的误差放大器反相端，与加在同端的3.3V基准电压相比拟，得到误差电压Ut，由Ut的幅度控制PWM比拟器输出的脉冲宽度UPWM,最后由功率放大器和降压电路输出稳定直流电压。
电阻R1和电容C3决定了系统的工作频率，L4978最高允许频率为500Hz。
电阻R3和R4构成电压反应回路，分压比决定输出电压的上下。
R4的阻值为4.7K,调整R3的阻值，可改变输出电压。
输出电压与R3阻值关系见下表
V0/V
R3/K
R4/K
3.3
0
4.7
5.1
2.7
4.7
12
12
4.7
15
16
4.7
18
20
4.7
24
30
4.7
4.L4978开关电源电路设计
4.1整体分析
步骤①分析任务，准备资料。
包括原理图分析，元器件资料准备，明确设计要求，例如散热要求、机械防护要求、电磁兼容性要求、电路板尺寸要求、特殊加工要求等；
②建立工程文件夹，明确保存路径；
③准备元器件。
④制作原理图。
根据工程规模划分单元，确认是否需要制作层次原理图及其层次划分；
4.2元器件清单
元器件序号
参数值
元器件封装
R1
20K
AXIAL-0.4
R2、R3
9.1K
AXIAL-0.4
R4
4.7K
AXIAL-0.4
C1、C7
220uF/63V
AXIAL-0.4
C2
0.22uF
RB5-10.5
C3
2.7nF
RAD-0.2
C4、C6
100nF
RAD-0.2
C5
22nF
RAD-0.2
JP1
Vin
RAD-0.2
JP2
Vout
RAD-0.2
D1
SB560
DIODE-0.7
L1
126mH
RB5-10.5
U1
L4978
DIP-8
4.3各元器件功能
R3和R4：
取样电阻，电路输出电压U0由R3和R4的分压比决定。
C6：
滤波电容，用来滤除交流成分。
使输出的直流更平滑。
R1和C3：
决定开关频率，其计算公式为:
L1：
电感，用来存储能量,储能电感L与所设计的UI、UO、f及纹波电流值IL,有关其计算公式为:
5.电路图分析
5.1电路图布局
元器件布局时，电流主回路〔C1、U1、D1、L1、C7〕及控制回路（R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5、U1）主次应清楚，且满足；布线，电流流向简洁流畅；控制回路要求从输出端单点接地；R2、C3振荡回路及R2、C5补偿回路尽量靠近U1〔L4978〕相应引脚。
5.2布线导线要求
由于这是一个开关电源电路，最高频率可达500kHz，为防止电磁干扰，L4978集成电路及其周围辅助元器件，要求单点接地；根据原理图将相应的元件摆放在L4978相应的位置，这样可以减少导线的长度，从而减少电路的损耗；地线的宽度为30mil适宜，输入输出线宽为23mil适宜，其他的线宽为20mil；同时采用实心铜敷铜，这样不仅美观，而且增加的电路的抗干扰的能力。
5.3信号流向
5.4输入信号和输出信号数据分析
电路输出电压U0ut由取样电阻R3和R4的分压比决定，设输出电压为U0ut，取样反应电压为UFB，那么有关系式：
，那么有v。
由式子可知，调节R4或R3就可以改变输出电压。
5.5输出电压围
经过屡次的调整和测试的数据得出〔如表1〕，我们选择输入电压为30V时，该电源的输出电压大小主要取决于8脚的电压和R3、R4的阻值有关，并且现选定R4为47K，R3为100K，通过〔1〕的计算可以得出输出电压为10.3V，实际测量电压为10.4V，由于电路和测量仪器存在一定的误差；并且通过多组数据的测量和计算，符合误差的围。
表1，测量数据记录表〔R4=47K〕
R3〔K〕
2.2
4.7
10
20
22
47
100
Uout〔V〕
3.45
3.63
4
4.7
4.84
6.6
10.33
6.总结
根据基于L4978的开关电源电路的设计和元器件的选用,电路实现了小体积、多功能、高效率、低功耗、调节方便、应用灵活等特点。
实验测试说明:
该电路输入电压可在8~55V变化,输出电流可达3A,最大输出功率80W,输出纹波34mV,电源效率可达92%。
这种电路不仅用于仪器仪表及测试系统的电源,还可作为3.3V供电的笔记本电脑的开关电源使用。
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