开关式直流稳压电源的设计.docx

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开关式直流稳压电源的设计

开关式直流稳压电源的设计

摘要：

本文是以开关直流稳压电源输入220V/50Hz的市电来进行设计，来实现输出24V/1A的直流电压，以此为目标来进行对开关稳压电路各个元器件的选择。

关键词：

DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。

1.开关电源的基本原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。

反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。

其结构图如图1-1所示。

开关电源的原理图如图1-3所示：

是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。

2.开关式直流稳压电源的总的原理图

3.必要的电路元件的选择

3.1整流电路的选择

单相整流电路有两种：

电容输入型电路和扼流圈输入型电路

电容输入型的基本电路如图2-1：

（a）为半波整流电路（b）为中间抽头的全波整流电路（c）桥式整流电路（d）倍压整流电路。

图2-1电容输入型的基本电路

图2-2为扼流圈输入型基本电路，用于负载电流I0较大的电路，扼流圈L的作用是抑制尖峰电流。

两种基本电路的比较如下：

（1）开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。

其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。

为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。

（2）开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。

（3）扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。

因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。

3.1.1单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的整流电路如图2-3，仅利用一个二极管来实现整流功能。

图2-3单相半波整流电路

单相半波整流电路的输出电压平均值为：

（

为变压器副边输出电压的有效值）

3.1.2单相桥式整流电路

单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。

全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。

可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。

单相桥式整流电压的平均值为：

（

为变压器副边输出电压的有效值）,比半波整流输出电压高。

因此，整流电路选用单相桥式整流电路。

3.2参数计算以及元器件的选型

由于开关电源系统三路输出分别为：

15V，4A；12V，3A；5V，2A，则输出功率

如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为：

则可以设定整流电路输入电压

，输出电压24V、电流1A。

3.3.1整流管参数计算

整流输出电压为Vs=24V，则变压器次级电压：

V

考虑到变压器二次侧及管子的压降，变压器二次侧电压大约需要提高10%，则：

二极管的最大反向电压：

二极管平均电流：

可选用1N4003/A整流二极管，最高反向工作电压为200V,额定工作电流为1A。

3.3.2变压器参数

则变压器变比为：

变压器二次侧电流有效值：

变压器的容量为：

如果考虑变压器的效率η=80%则

3.3.3电容参数计算

整流电路负载RL=U0/I0=100V/1.5A=66.7

在工程中，一般取

由于

则

选用

、耐压为150V的极性电解电容。

3.3.4变压器设计

设计方法有多种，可根据情况选择。

一般从计算原边圈数开始，按最大占空比和正常的直流电压VS来计算原边线圈。

按上述方法设计的理由是，副边绕组都有一个电感器，当有突变负载时，输出电流的变化率受到限制。

为了补偿这个缺陷，控制线路应能把占空比调到最大。

在这种瞬变条件下，高的原边电压和最大导通脉宽同时加上，尽管时间很短，如果变压器设计没有考虑这种情况，也会引起磁饱和。

控制电路设计为：

在最大输入电压时，限制控制电路的脉宽和变化的速率，这样可防止两个参数同时在最大值。

能量再生绕组的必要性，说明正激变换器的铁芯有残存能量是不好的。

为了确保磁通在反激期间恢复到低的剩磁水平，并考虑偶而出现的较大磁密不致出现磁芯饱和，加一很小气隙是很有必要的。

（1）根据输出功率选择铁心：

三路输出分别为：

15V，4A；12V，3A；5V，2A。

输出功率为：

若考虑6%的余量则：

选择一个传递功率为115W的铁心，SB—9C的EER—40，其有效横截面积为1.58cm2,磁感应强度B=220mT

（2）计算原边的绕组

周期：

最大导通占空比D=0.5时：

则最小原边匝数为：

取93匝。

（3）计算副边的绕组匝数

若考虑市电220V以下波动的情况，设向下波动-20%则：

15V的副边匝数为：

取35匝。

12V的副边匝数为：

取28匝。

3.3.5电感的参数计算

L的最小值一般由所需维持最小负载电流的要求来决定。

电感L中的电流分连续和不连续两种丁作情况。

不论何种情况．只要输入、输出电压保持不变，电流波形的斜率不会因负载电流的减小而改变。

如果负载电流ID逐步降低，在L中的波动电流最小值刚好为0时，临界负载电流Ioc等于平均波动电流，或电流峰一峰值的一半，即：

（3-5）

即定义为临界情况。

这当Io

否则，为连续状况。

在临界点上下，传递函数是突然改变的。

当高于临界电流时，输出电压与负载电流变动无关。

当低于临界电流时（不连续工作状况），研究表明为达到稳压效果，占空比调节量由负载变量和输入电压变量共同决定。

L值的另一限制因素将出现在应用于多输出电压的情况。

因为控制环只与一个相关的输出端闭环，当此输出端电流低于临界值时，占空比将减少以保持此输出端输出电压不变。

对于其它辅助输出端，假定其所带的是恒定负载，在上述占空比下降的情况下，其电压也下降。

很明显，这不是我们所希望的。

因此，在多输出电压时，为了保持辅助输出电压不变，L值应大于所需最小值。

也就是，如果辅助电压要保持在一定的波动范围内，则主输出的电感必须一直超过临界值，即一直在连续状态。

电感的最大值通常受效率、体积、造价的限制。

带直流电流运行的大电感造价是昂贵的从性能角度看，L过大则限制了负载出现较大瞬时变化时输出电流的最大变化率。

对于一般的要求，可以根据流经电感的纹波电流峰—峰值为输出电流的30%计算。

（1）15V的输出端

流经电感的电流：

电感两端的电压：

电感量为：

（2）12V的输出端

流经电感的电流：

电感两端的电压：

电感量为：

（3）5V的输出端

流经电感的电流：

电感两端的电压：

电感量为：

3.3.6二极管和电容器的选择

由于输出电压不高，使得次级二极管不会有很高的反电压，可选用耐压40V的肖特基二极管。

为了抑制纹波电压使其较小，要选用内阻抗低高频用电容器。

3.3.7开关管的选择

开关电源的开关管有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）集功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOSFET）的优点于一身，既有功率晶体管（GTR）的输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单等优点，又具有功率场效应晶体管（MOSFET）的通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。

因此，选用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为开关元件。

参考文献

[1]李国锋，王宁会．电源技术．大连理工大学出版社，2010:

5-3.

[2]华成英童诗白，模拟电子技术基础，北京，高等教育出版社，2006

[3]陈本竹.三端可调直流稳压器的扩流及估算.成都：

电子文摘社.2008