直流开关电源的设计.docx

1、直流开关电源的设计直流开关电源的设计.LT电力电子技术课程设计课程设计报告设计题目 直流开关电源的设计 学 院 班 级 姓 名 学 号 指导教师 日 期 一 、设计任务： 直流开关电源的设计二 、设计的主要技术指标及特点电路指标参数1、交流输入电压AC95270V；2、直流输出电压15V；3、输出电流6A；4、输出纹波电压0.2V；5、输入电压在95270V之间变化时，输出电压误差0.03V；三、设计的具体要求 设计要求：（1）设计主电路，建议主电路为：整流部分是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC部分采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；（2）选择主电路所有图列元件，并给出清单；（3）设

2、计MOSFET驱动电路及控制电路；（4）绘制装置总体电路原理图及PCB设计图（5）编制设计说明书、设计小结。四、设计内容 （一）、总体设计思路及框图1.1设计总体思路输入EMC等滤波整流（也就一般的AC/DC类似全桥整流模块）DC/DC模块（全桥式DCAC高频变压器高频滤波器DC,）输出。系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。 图2

3、-1 输入整流滤波电路2.2.2反激式变换器 根据电路的结构形式的不同，脉宽式变换器可分为：正激式、反激式、半桥式、全桥式、推挽式和阻塞式。 所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。反激式变换效率较高，线路简单，能多路输出。当开关管VT截止时，变压器初级所积蓄的电能向次级传送，这时变压器的次级绕组下端为负，上端为正，二极管VD正向导通，导通电压经过电容C滤波后向负载RL供给电能。当变压器的初级储存的电能释放到一定程度后，电源电压Vin通过变压器的初级绕组N1向三极管VT的集电极充电，N1又开始储能。V1上升到一定程度后，三极管VT截止，又开始新一轮放电。在充电周期，变换器的输出电压为Vo

4、=Vin *D*（N1/N2）。变换器电路如图2-2所示。图2-2 变换器电路 2.2.3 MC33374MC33374采用8引脚双列直插式封装（DIP-8）或五脚TO-220式封装管脚排列。内部结构主要包括九个部分：振荡器、并联调整器误差放大器、脉宽调制比较器与脉宽调制触发器、电流极限比较器及功率开关管、启动电路、欠压锁定电路、过热保护电路和状态控制器。其各管脚功能说明如下，结构如图2-3所示：管脚1（VCC）：工作电源电压输入端。在启动芯片时，必须通过管脚5（D）给该管脚供给10V以下的工作电压。当VCC8.5V（工作阀值电压）时，启动电路中的MOS场效应管立即关断，而功率开关管开始工作，

5、从高频变压器次级线圈上即可获得正常输出电压，此时改由反馈给芯片供电。一旦电源发生过载或短路故障，致使VCC7.5V(欠压阀值电压)，功率开关管就关断，而共启动用的MOS场效应管则工作，芯片进入自启动工作模式。 管脚2（FB）：反馈输入端。该端经内部15电阻接误差放大器的反向输入端，能周期性的控制功率开关管的通断。反馈的上下阀值电压分别为8.5V 7.5V，有1V的滞后电压。此端通常与VCC端连通，并且接反馈线圈的输出电压。显然，反馈电压值就就反映了开关电源输出电压的高低。反馈线圈的输出电压，经高频整流滤波后形成反馈输出电压，再通过光耦合器中的光敏三极管接反馈端。光耦合器的发射管接在取样电路中。

6、反馈端经过R3，C5接地。C5具有三个作用：（1）启动电路定时电容；（2）兼做补偿电容，与R3 一起对反馈环路进行频率补偿；（3）作为工作电压VCC的旁路电容，在启动过程中对C5充电，建立VCC。管脚3（GND）：接地。该端是控制电路与功率开关管的公共地，给元件加装散热器时兼作为散热器的地端。管脚4（state control input，SCI）：状态控制输入端。它也是一个多功能的引出端，只需配少量的外围元器件，就能用多种方式来控制变换器的开关状态。它所具有的六种状态控制如下：（1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；（2）配微控制器进行关断操作；（3）给状态控制器配以低压保护电路，使

7、之在工作模式装换过程种不会引起开关电源输出电压的波动；（4）利用数字信号进行控制；（5）配上电延时电路；（6）禁止对状态控制器进行操作。管脚5(power switch drain,D)：功率开关管漏极引出端。该端能直接驱动高频变压器的初级。此外，它还与内部启动用mos场效应管的漏极相连。 图2-3 MC33374 2.2.4反馈电路反馈的基本类型又四种，即基本的反馈电路、改进型基本反馈电路、 配稳压管的光电耦合反馈电路以及配TL431的精密光电耦合反馈电路。配TL431的精密光电耦合反馈电路在开关电源中应用最多，效果最好，稳压性能最佳。如图所示，用TL431代替稳压管构成外部误差放大器，对输

8、出电压Vo做精细调整，组成精密开关电源，使电压调整率和负调整率均能达到0.2%以下。可调式精密电源稳压器TL431B构成了外部误差放大器，再与光耦合器MOC8103一起组成光耦反馈电路，反馈电压UFB加至MC33374的反馈端。其稳压原理是当输出电压U0发生波动时，经R5 R6 分压后得到的取样电压就与TL431B中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压Ur，再通过光耦合器使第二脚的反馈电流IFB产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压的目的。考虑到高频变压器的初次级间耦合电容会造成供墨干扰，现利用C14加以滤除。C7为控制环路的补偿电容。R4为LED的限流电阻。反馈电路如图2-4

9、所示。图2-4 反馈电路2.2.5脉宽调制器开关电源的控制方式主要包括脉宽调制，脉冲频率调制。脉冲频率调制是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。交流输入电压经过整流滤波后变为脉动的直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极由脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源，误差放大器，PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较，放大，然后将其差值送到脉冲调制器。脉冲调制的频率是不变的，当输出电压Vo下降时，与基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压

10、器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管整流和电容滤波后，输出电压上升，反之亦然。脉宽调制器电路如图2-5所示。图2-5 脉宽调制器电路（三）、电路相关计算3.1变压器参数的计算输入电压为95270V/50Hz；输出电压为为15V、输出电流为6A。N2是次级绕组，N3是反馈绕组。（1） 磁心大小的选择输出功率：Po=VS2*IS2+VS3*IS3 设VS3=8V，IS3=0.1A，占空比D=0.5，效率为85%，则Po=15*6+8*0.5=94W输入功率 Pi=Po/=94/0.85=110W 根据输入功率选择EE30磁芯。设工作频率为f=50KHz，则周期为T=1/f=20(s)（2）电

11、子开关的接通时间ton初级绕组开关晶体管VT1的最大导通时间对应于最低输入电压和最大负载。 ton=D*T =0.5*20=10（s）（3）最低直流输入电压当变换器在最低输入电压下满载工作时，计算它输入端的直流电压Vp。对于单相交流电容滤波，直流电压不会超过交流输入有效值的1.3倍，倍压整流系数1.9倍，则Vp=95*1.3*1.9=247.65V 选择工作时的磁通密度Bac：输出功率与EE磁芯尺寸的对照表可选用EE30，中心柱的有效面积为115mm2，饱和磁通密度在100摄氏度时为360mT, 对于一般形状、材质的铁氧体磁芯，当工作在频率为50kHz时，磁通密度为饱和值的65%。Bac=36

12、0*0.65=234(mT)（4）原边匝数 作用电压为一个方波，一个导通期间伏秒值与原边匝数的关系为 式中Np为原边匝数；Vp为原边所加直流电压；ton 为导通时间；Ae为铁芯有效面积（）。 （匝）（5）次级匝数设肖特基二极管的管压降为0.8V, 电感L的压降为0.4V，则初级绕组每伏匝数 n=Vp/Np=247.65/92=2.69(伏/匝)次级绕组匝数N2=(15+0.8+0.4)/2.69=6(匝)（6）反馈绕组匝数 N3=8/2.693（匝）3.2取样电路的计算R2的阻值：其中IF是光电耦合器中发光二极管的电流在传输比CTR为120%时的标称值。发光二极管的发光强度受输出电压的控制。R

13、3、R4的阻值的计算：先固定R4为15K，再计算R3的阻值， , （四）、总结和体会 经过这一周的课程设计，我收获颇丰。这次做的课题是开关稳压电源，涉及到很多模拟电路方面的知识。经过这次设计，让我对模拟电路的知识又重新系统的温习了一遍，让我对模拟技术知识有了更深的理解。 在网上查了很多资料之后，对这个课题有了一些初步的认识。在确定了思路，设计出电路原理图以后，就要经过计算以确定各元件的参数。在这次设计中，另一个学习到的是使自己对protel有进一步的学习，又学会了protel中的一些使用方法，也使自己能够更加熟练的使用protel。 还有本次设计过程中得到了老师和同学的支持和帮助，在此表示感谢。成 绩 教师签名 批阅日期 附录一、电路原理图二、元件清单元件名称元件参数及数量电阻3.9k，75k，1.5k，270，3.6，100各一只电容50pF,1uF,0.1uF,0.01uF,1000pF各一只；极性电容1000uF2只，330uF，150uF，10uF，4.7uF各一只整流管MBR20100CT 1只变压器一个，原边匝数92匝，次级绕组匝数6匝，反馈绕组匝数3匝稳压管P6KE200A 1只二极管MUR160 2只按钮开关1个MC333741个电感3.3uH 1只熔断器FU5.0A 1个全桥1个三、PCB设计图