小功率ACDC变换器设计与实现.docx
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小功率ACDC变换器设计与实现
编号
学士学位论文
小功率AC-DC变换器设计与实现
学生姓名：
XXX
学号：
2011020XXXX
系部：
物理系
专业：
电子信息科学与技术
年级：
2011级
指导教师：
XXXXX
完成日期：
2015年5月6日
中文摘要
随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。
本论文是通过使用高频变压器、LM431、光耦合器等为关键部件，设计并制作5V1A开关电源。
论文主要完成的内容有：
（1）根据设计需要选择开关电源电路。
（2）设计主电路，控制电路，并确定相关器件参数。
（3）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。
本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了简单开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了阐述。
关键词：
开关电源；反激式；反馈;5V1A
Abstract
Withthedevelopmentoftheelectronictechnologyandtheemergingofnewpowercomponents,switchingpowersupplyhasbeenwidelyusedincomputer,communications,electricity,homeappliancesandaerospacefields,achievingremarkableresults.
ThepresentpaperisthroughusepowercontrolchipdesignandproductionCR6850C12V5Aswitchpowersupply.
Themaincontentofthepapersare:
（1）Accordingtothedesignneedstochooseswitchingpowersupplycircuit;
（2）Designmaincircuit,controlcircuit,thepowerfactorcorrectioncircuit,andidentifythedeviceparameters;
（3）Throughexperimentandcomputingtoverifythedatadesign;
Inthethesis,theswitchingpowersupplyfiltering,rectifierandthefeedbackcircuitarestudiedindetails.Themaintechnologyofdesigningswitchingpowersupplyisobtainedbyexperimentsandcalculations.Thedesignprocessisspecifiedalso.
Keywords:
SwitchPowerSpply;Flyback;feedback;5V1A;
目 录
1.1.1开关电源的概念3
1.1.2开关电源的分类4
2.1.1主电路设计9
1.绪论
1.1开关电源的概念和分类
1.1.1开关电源的概念
开关电源通常是指人们利用现代的电力电子技术，来人工控制开关管连通和断开的时间的比率，保持输出电压稳定的一种电源，开关电源通常是由输入电磁干扰滤波器、输入整流滤波电路、功率因数校正变换电路、采样控制比较电路、输出整流滤波电路。
开关电源和线性电源相比，它们两个的制造成本都是跟着输出开关电源功率的增大而不断增长，但它们两个功率的增长速率都不一样[1]。
通常按照电力电子理论，人们所说的AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流电转换为交流电；DC/AC称为直流转换为交流；DC/DC称为直流变交流后再变直流。
为达到交直流电转换的目的，电源变换的方法是多种多样的。
自20世纪60年以后，人们研发出了各种邢台的二极管、三极管、半导体器件以后后，就逐步的开始用半导体器件进行交直流的转换。
因此，凡是用半导体功率器件制作的开关电源，都是把一种电源形态转换成另一种形态过程的的电路，通常我们把它叫做开关电源变换电路。
在开关进行电力转换的时候，以自动控制输出稳定电压并且含有各种保护环节的电路，我们称它为开关电源。
开关电源通常由六大部分组成，如图1.1所示。
图1.1开关电源工作原理框图
第一部分是电压输入电路，它通常包含有低通滤波环节和第一次整流环节，我们把220V的交流电压直接输入到开关电源中，这时电流经过第一次滤波和整流后可以得到未稳定的直流电压V1。
这以后将得到的为稳定的电压输送到第二个电路部分中中进行功率因数校正（有源调整），这一步的目的是为了提高功率因数的大小，这样就可以基本保持输入电压与输入电流的大小是同相的。
第三部分是功率转换，它的主要是由电子开关和高频方波脉冲电压2部分组成的电路。
第四部分是电压输出电路，目的是将前面经过滤波蒸流得到的高频方波脉冲电压经第二次整流滤波后变成我们所需的直流电压让后再输出。
第五部分是控制比较电路，把前一步得到的稳定的输出电压经过分压、采样两个步骤以后，再与电路的基准电压的大小进行比较、放大的过程。
第六部分是频率振荡发生器，频率振荡发生器的作用是第一使得电源的功率因数能达到0.95以上；第二方面使得电路的高频发生器始终以高频率恒定电流输出。
所以，当我们所输入的电源电压发生波动的时后，电源电路的发光亮度一直保持着不变。
有
高频电子开关是开关电源中的电能转换的主要实现手段和运用方法之一。
在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间
与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），
D=
断开时间
所占T的比例称为断开占空比（D'），
开关周期是开关频率的倒数，
例如：
一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期T为：
（微秒）。
很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。
这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。
但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。
对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。
开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点[3]：
（1）在现代比较节能的绿色的开关电源技术是这一行业讨论的比较多的话题。
长久以来，会有很少的电子设计领域的专家去解决关于功率的消耗问题。
实际上，大多数的电源制作人员会尽量的将功率消耗降到最低，让他们的产品品质更优。
但是，随着“绿色电源”的概念和“智能电网”的概念一起出现，这个概念涵盖的范为已经不仅仅是功耗的问题了。
我们就从最基本的方面说起，“绿色”表示的是效率高，在人们把负载加到20%之后，电源的转换效率将会达到82%以上，同时在50%的负载条件下，开关电源的转换效率将会达到所说的最高85%这个数据超出80Plus铜牌的标准。
因此（10%-100%）的开关电源负载效率都会超过了90%，剩下的在20%以后将会到达了95%以上的数据。
此外在开关电源的功率因数是100%将会达到了98.4%，他的表现非常的优秀是比较好的开关电源。
他的空载待机功率消耗大约为0.21W。
（2）体积比较小，重量比较轻。
跟据人们的统计，通常所说的100W的铁芯变压器的重量大约为1200g左右，它们的体积将达350cm3，而我们所用的100W的开关电源的重量在现在来说只有250g，并且现在的开关电源质量更加轻变，它的体积还不到铁芯变压器体积的1/4。
（3）开关电源具有各种保护功能，安全系数高，相对于其它电源不易损坏。
适应现代高速发展的电子技术。
（4）能够比较容易的改变输出电流、电压，而且使用稳定、可控。
（5）能根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。
1.1.2开关电源的分类
1.按电路的输出稳压控制方式。
开关电源可分为脉冲宽度调制（PWM）式、脉冲频率调制（PFM）式和脉冲调频调宽式三种。
2.按开关电源的触发方式分类
自激式开关电源，自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。
在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。
它激式开关电源其电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。
3.按其他方式分类
按电路的输出取样方式分类，可分为直接输出取样开关电源，间接输出取样开关电源；开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；
按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源[4]。
2.开关电源设计中存在的问题与未来发展
1.2.1开关电源中存在的问题
客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。
材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。
但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美[5]。
目前要解决的问题有：
（1）器件问题。
电源控制集成度比较低，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。
（2）材料问题。
开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。
（3）能源变换的问题。
按照我们日常的习惯，开关电源的变化有这几种的形式：
.交流直流变换、直流交流变换以及直流直流变换等。
我们要实现这几种变化都是以频率作为基础的，目的都是为了改变电压，但是这样制作的工艺很复杂，我们对电压控制的难度比较大，最重要的是不能大规模生产实用性低。
（4）软件问题。
开关电源的软件开发目前我们只是走了很小的一部，比如说软开关，它的特点是损耗低，它的缺点是不容易使实现开关电源的高频率化和体积小型化。
我们要做到“软开关”同时实现程序化的设计与应用，对现在技术来说有很多的困难。
要真正的利用软件操作以达到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制的目的，还需要人们去努力。
（5）生产工艺问题。
在日常的试验室中能达到的技术标准，在生产制作的环节上会出现不同的各种各样的问题。
这样的问题大多产生在焊接时候的问题和元器件技术性能方面的问题，同时还有我们在生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。
1.2.2开关电源的发展趋势
开关电源以它的体积小巧方便、质量比较轻和转换的效率比较高等等的这几个特点，目前被人们非常广泛的应用于以电子行业为主力的所有电子设备周明华，是当今社会电子产业快速发展的必不可少的一种取得合适大小电源的方式。
当前社会市场上所出售的开关电源中比较多的是采用我们所知道的双极性晶体管制成的100kHz、用MOS管制成的500kHz电源电路，虽然已经实现了已实用化，商业化的目的，但开关电源的频率大小需要进一步增加。
我们要提高开关电源的频率大小，就要不但要减小开关电源的功率损耗，而且要减小开关的损耗，这个问题就需要我们有高速读的开关元器件。
但是，开关电源速度增加以后，开关电源会受到电路中分布的电感和电容以及二极管，三极管中存储的电荷多少的影响而积累产生噪声。
这种情况下，不仅仅会影响到开关电源所负载的电子设备的运行情况，同时还会大大降低电开关源的本身可靠性能，对负载运转不好。
这其中，人们为防止随开关启和闭合开关电源所发生的电压浪涌现象，我们通常采用的是R-C或L-C缓冲震荡器，来消除浪涌现象，而人们通常对由于是二极管存储电荷所致的电流浪涌现象比较多的是采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。
但是，我们对1MHz以上的高频率，这个时候就要运用谐振电路来实现，以使的开关电源上的电压或通过开关的电流出现的是正弦波波形，这样的话我们不但可减少开关电源的电压损耗，同时我们也可控制浪涌现象的产生。
这样的开关方式我们称之为谐振式开关。
现在我们对于这种开关电源的研究很普遍，因为人们采用这种方式不需要大大提高开关电源的速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且产生的噪声也非常小，这种方法可以成为未来开关电源高频化的一种主要方式和发展趋势。
现在，世界上很国家都在致力于数兆Hz的电压变换器的实用化研究和设计。
1.3开关电源设计中的开关电源术语
效率：
电源的输出功率与输入功率的百分比。
其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。
ESR：
等效串联电阻。
它表示电解电容呈现的电阻值的总合。
一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。
输出电压保持时间：
在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。
启动浪涌电流限制电路：
它属于保护电路。
它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。
为了防止不耗,在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。
隔离电压：
电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。
或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。
线性调整率：
输入电压最高最低时输出电压变化稳定指标。
负载调整率：
电源负载的变化会引起电源输出的变化，负载增加，输出降低，相反负载减少，输出升高。
好的电源负载变化引起的输出变化较小，通常指标为3%--5%。
噪音和波纹：
附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。
通常是以mv度量。
隔离式开关电源：
一般指高频开关电源。
它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。
输出瞬态响应时间：
指系统在某一典型信号输入作用下，其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。
瞬态响应也称动态响应或过渡过程或暂态响应。
过载或过流保护：
防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。
远程检测：
电压检测的一种方法。
为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。
软启动：
在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。
工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。
电磁干扰—无线频率干扰：
即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。
快速短路保护电路；用于电源输出端的保护电路。
当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。
占空比；脉冲信号的通电时间与通电周期之比。
在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值[6]。
2.开关电源设计的设计基础
2.1开关电源的主电路设计
按照现在科技水平，功率开关电源有以下几个分类：
小功率开关电源（主要指1~100W）通常可以选用电路成本比较低的反激式电路来实现设计；开关电源需求的的功率在100W以上的，况且开关电源的工作环境一般干扰比较大、输入电压的质量或出现偏差、负载输出电压短路现象时有发生，对于这种情况我们应用正激式电路来实现；开关电源使用功率大于500W以上的时候，我们通常需要用配置非常好的电源，这种情况我们可以采用半桥式或全桥式的电路来实现目的；有些时候我们对开关电源要很高的的成本，这是我们可以采用半桥式电路来实现，如果开关电源对的功率需求很高的时候，我们就应该采用全桥式电路来设级。
本设计的输出电压电流为5V/1A，开关电源的功率在1~100W以内，选用反激式电路，如图2.1所示，当功率开关管VT导通的时后，输入端输入的电能会以磁能的形式存放在在变压器的初级线圈N1中，因为同名端存在的关系，次级线圈一侧的二极管V1不会因此导通，所以负载不会有电流通过。
当功率开关晶体管的VT导通断开的时后，变压器的次级绕组以输出电压U0可以为负载提供电压，并且会对变压器进行消磁[7]
图2.1反激开关电源电路
2.1.1主电路设计
（1）确定输入直流母线的电压变化范围。
①随输入的变化范围；
②每个工频周期内电压变化。
（2）设计开关频率fs，最大占空比Dmax=0.45。
①按照要求设定开关频率；
②根据输入功率，并假定最低电压最大占空比，刚好临界继续，然后确定电感峰值电流。
（3）设计反激变压器
①根据最大峰值电流，确定原边的电感量：
②根据经验选定磁芯尺寸，计算原边匝数：
是磁芯截面积，
是设计的最大磁通密度。
③根据电感量和匝数，设计气隙。
④根据原边开关管的额定电压选择合适的匝比。
为了获得较好的副边交叉调整率，有时候需要调整变压器原边的匝数。
（4）开关管选择：
功率MOSFET考虑
①开关管电压应力；
②开关管电流应力：
计算变压器原边的最大电流。
（5）副边二极管的选择
①快速恢复二极管；
②计算二极管的耐压：
③计算二极管的电流
（6）输出滤波电容的选择
根据电流/电压应力，纹波要求，选择电解电容。
（7）RCD吸收电路
图2.2RCD吸收电路
考虑问题点：
1吸收效果；
2损耗尽可能小。
吸收效果与损耗之间折衷。
损耗估算方法：
MOSEFT关断时，当
超过RCD缓冲电路中的电容两端的电压
时，缓冲二极管导通，尖峰电流被RCD电路吸收时，从而削减了尖峰电流。
缓冲电容一定要足够大，才能保证在一个开关周期内电容两端的电压没有显著变化。
但是吸收电容太大，也会增加缓冲电路的损耗，必须折中[8]。
吸收电路消耗的电能可由下式计算得：
2.2控制电路设计
在开关电源电路中的设计中，比较多的是采用负反馈控制的方式，目的是使输出的电压或电流保持稳定的数值，并且有一定的稳定电压或者稳定电流准确度的作用。
所以开关电源的主电路以及它的反馈控制电路则构成了自动控制系统，它的经典结构如下图2.3所示。
本电路中控制电路的设计和理论就是围绕这自动控制系统来实现的。
反馈在学术上我们又称它为回馈，它是现代科学技术基本概念中不可或缺的一种。
反馈主要是在无线技术中产生的，后来它成为研究各个领域的自动调节的重要原理依据之一。
反馈本质上说就是被控制过程对控机构反作用过程，这样一中反作用会影响系统的本来过程或者结果。
在日常生产生活中人们可以通过反馈的概念了解各种复杂系统的原理和动态机制结构，从而揭示了不同物质之间运动的相互联系、相互作用。
反馈包括负了反馈和正反馈。
正反馈的作用是使输出与输入相反，根本目的是让系统的输出与系统目标间的的误差降低，从而使系统更加稳定；负反馈的作用是使输出与输入更加相似，根本目的是使系统的稳定性降低，从而加强系统控制作用。
人们对于负反馈的研究是主要的，它是控制论中的核心关键问题。
在开关电源的放大电路中，既要考虑直流分量，又要考虑交流分量，因此就会有直流反馈和交流反馈的区别。
直流反馈主要影响的是放大电路的直流特性，比如静态工作点等等。
交流反馈主要影响放大电路的交流特性，比如带宽、增益、输入输出电阻等。
人们通常把负反馈分为四种状态：
压串负反馈、压并负反馈、流串负反馈、流并负反馈这四种状态。
在电路设计中应根据具体情况具体分析的方法来选择。
反馈信号按照取样方式的分类：
从放大器的输出端看，按取样方式的不同，反馈可以分为2类，电压反馈和电流反馈。
（a）电流反馈：
电路中输出电流或者输出电流的一小部分会产生反馈现象，从而影响电路，
（b）电压反馈：
电路中输出电压或者输出电压的一小部分会产生反馈现象，从而影响电路，
从放大器的输入端看，，按照反馈信号与输入信号的混合方式分类，反馈可分为并联反馈和串联反馈[9]。
图2.3闭环控制系统的典型结构
3.开关电源仿真设计
3.1开关电源仿真分析
图3.1,5V1A开关电源仿真图
开关电源仿真如图3.1，该电路图是220V交流电输入，经过一次整流D3、滤波C1。
然后会经过逆变过程、变压器变压过程，之后在进行二次整流D6，滤波C4输出。
从而使输出电压5V，输出电流1A。
仿真结果如图3.2和3.3。
图3.2输出电压波形图
4开关电源的设计
4.1电路工作原理
该电路由开关电源和输出电路两部分组成。
当接通电源后，输入200v交流电后开始第一次整流（D3）滤波（C1）得到不稳定的电压，电压通过电阻R1给三极管Q1基极提供工作电流，这是三极管Q1开始导通三极管Q1开始工作，Q1的集电级电流线性增长。
而这时变压器L2中可以感应出三极管Q1为正反馈，其中基级为正级，发射级为负级。
正反馈电压通过电容C1电阻R3传递到Q1基级，这时三极管Q1基级达到饱和状态，与此同时，由于电容C3在感应电动势作用下充电，电容C3电压变大，三极管Q1基级电流逐渐将少。
在变压器L2中可以感应出三极管Q1基级为负电压，发射级为正电压，这时三极管Q1会立刻截止，由此完成了一个振荡周期。
在这期间里变压器L3绕组能够测出一个大小大约5V的交流电压。
在这以后电容C3慢慢开始放电，三极管Q1基级的电压开始变大，这时开始第二次震荡周期，以后不断循环这个步骤。
经过变压器处理的电压在L3绕组输出，开始第二次整流D6滤波C4，这时电压是稳定的电压，可以通过USB座给负载提供5V电流，而LED灯和R5共同组成了一个指示电路。
在本电路中稳压二极管Z1、PC817和三极管Q2等共同组成了一个取样比较电路，其作用是检查电路中输出的电压是否符合5V。
当因为负载或者电源电压变大等原因是电路中输出电压高于5V时，稳压二极管Z1会被击穿，PC817中电流增大，这时变压器L2绕组中电压会由PC817传递到三极管Q2，三极管Q2基级电流会变大，同时使得集电极电流业变大，最终影响到三极管Q1，使它的基级电流变小，集电极电流也变小，从而使他的负载能力减弱，这会使得输出电压变得很小。
与此同时，因为三极管Q2电压减小，它会进入截止状态。
这样三极管Q1的电压会变大，负载能力变小。
最终影响输出电压变小。
这样就完成了一个比较取样过程，起到了电路自动稳定电压的作用。
本人设计的电路具有过流过载保护功能。
具体地说就是当负载过大或者负载出现短路的时候，三极管Q1的集电极电流会变大，发射极电压会降低很快，这样会通过电阻R4让三极管Q2处于饱和状态，因此三极管Q1会出现截止状态，没有输出，防止由于负载太大引起的损坏。
4.2元器件清单
表1清单
序号
名称
型号
位号
数量
1
电阻
2KΩ
R1
1
2
电阻
15Ω
R2
1
3
电阻
560Ω
R3
1
4
电阻
1KΩ
R4，R5
1
5
电解电容
400V/2.2uF
C1
1
6
电解电容
25V/10uF
C2
1
7
电解电容
16V/220uF
C4
1
8
瓷片电容
472
C3
1
9
二极管
IN4007
D3
1
10
二极管
IN5819
D6
1
11
二极管
IN4148
D5
1
12
稳压二极管
4.7V
Z1
1
13
发光二极管
红
LED1
1
14
集成电路
817c
IC1
1
15
三极管
13001
Q1
1
16
三极管
C945
Q2
1
17
变压器
6脚
T1
1
18
USB插座
A型
JP
1
4.3PC817介绍
PC817光耦合电路比较多的用在电脑，手机，测
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