集成开关电源设计任务书指导书.docx

1、集成开关电源设计任务书指导书 1 集成开关电源设计任务书要完成好电气控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场，将不断积累的经验应用到设计中来。课程设计正是为这一目的而安排的实践性教学环节，它是一项初步的工程训练。通过课程设计，了解一般电气控制系统的设计要求、设计内容和设计方法。电气设计包含原理设计和工艺设计两个方面，不能忽视任何一面，对于应用型人才更应重视工艺设计。课程设计属于练习性质，不强调设计结果直接用于生产。1.1原始参数1.1.1交流输入电压及范围 AC 9 0 v 130 v;180v260 v两种。1.1.2直流输出DC,+5 v,2A

2、;+12 v,2A,功率：30w,45 w.。1.1.3 波纹系数1% 100mv1.1.4电压调整率0.5%1.1.5 保护功能，过热、过流、短路、欠压。1.2设计要求1.2.1利用GTO或GTR开关管作为开关电源的核心器件，设计输入、输出端具有电隔离功能的开关电源。1.2.2应用PWM控制技术作为开关电源的控制调节器。1.2.3可方便转换两种交流输入的转换。1.2.4尽量采用各种被实践证明已获成功的理论和技术。1.2.5符合有关电源的电气安全标准。1.2.6编写设计说明书、画出电路原理图。 2集成开关电源设计大纲2.1开关电源概述2.1.1开关电源的产生与发展稳压电源通常分为线性稳压电源和

3、开关稳压电源。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压源，在性能上虽具有良好的纹波及动态响应特性，但体积庞大，损耗大，效率低，过载能力差等不足而不能被广泛应用。开关电源是指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，线性电源已被淘汰，取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路，它使交流电源高效地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。广泛使用在电子计算机、彩电、卫星通信设施、精密仪表等现代电子设备。输入、输出隔离的开关电源原理框图

4、介绍。市电50Hz单相交流电压或三相交流220 v/380v电压经EMI防电磁干挠电源滤波器滤除电网高次谐波，经整流、滤波后形成的脉动直流电压经变换电路变换为数十或数百千Hz的高频方波或准方波电压,通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流滤波电路，输出直流电压，通过取样，比较，放大及控制驱动电路，控制变换器中功率开关的占空比,便能得到稳定的直流输出电压。其内部原理如框图1-1所示图1-1 2.1.2 开关电源的优缺点1优点：1）功能小，效率高n = 90% 95% 2）体积小，重量轻3）稳压范围宽4）电路形式多样。2缺点：存在开关噪声干挠如不能采取措施抑制在干挠，其它电子设备的同时，

5、还影响本机的正常工作。 2.2 输入电路设计 2.2.1压倍压整流技术隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器，同时为满足国际市场需求，通常的交流电压输入范围为90v130 v和180v260 v两种，为实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术。电路如图2-1所示图2-1图中：S1电源切换开关，根据电源容量合理选择 Vs双向可控硅，电路起动完毕工作 R1限流电阻，浪涌电流保护 Rv压敏电阻，输入瞬间电压保护 VD1VD4整流二极管 C1,C2输入滤波电容 R4,R5为C1,C2提高放电回路。电路的工作过程：通过S1的切换使115v或230v交流输入电压经VD1

6、VD4整流后作用C1或C2，并可在C1和C2上充电至交流电压峰值(约为161v+161v=322v 左右)2.2.2元件选择和电路设计1输入整流器1）最大正向整流电流：IF(AV)由开关电源设计的输出功率确定PO=V0I0 I0= PO/V0 整流平均值IFD = I0按二倍安全裕量考虑，选择IF(AV) = 2IFD 2）峰值反向截止电压URRM(PIV)一般应在600v以上。3）要有能承受较大浪涌电流的能力，浪涌电流是由开关电源中开关管导通时的峰值电流所产生的。2输入滤波电容 输入滤波电容将影响直流电源输出端的低频交流纹波电压和输出电压保持时间等性能指标，一般情况下，高质量的电解电容的ES

7、R（等效串联电阻）越低，其滤除交流波纹电压的能力越强。电容器工作电压的额定值至少在200v以上。计算滤波电容的公式如下 C = Iot /U ( F)式中：Io/负载电流(A) ；t电容提供电流的时间（S）（以交流电半周期算）；U所允许的峰-峰纹波电压（V）选择标称值因为在倍压整流结构中=取C1= C2，故C1= C2=2C3输入保护器件1）浪涌电流的限制，隔离式开关电源在加电时，会产生极高的流浪涌电流，主要是由滤波电容所引起，如不采取保护措施，其值可达几百安培。为此可采取以下措施。措施一：电阻，双向可控硅并联网络。起动时，电阻串入，起动结束，由双向可控硅VS旁路。措施二：输入端接负温系数（N

8、TC）的热敏电阻RT1,RT24输入瞬间电压保护电网因受雷击或感性负载等因素的影响，尖峰电压可达5000V左右，时间虽短，但其能量足以将滤波器、开关晶体管等器件损坏。在这种环境下，最通用的抑制干挠器是并联在输入端的金属氧化物压敏电阻RV所组成的瞬态电压抑制器，其中的压敏电阻RV起到可变阻抗的作用，瞬间高压作用时，阴抗急剧减小，瞬间能量消耗在电阻上。选择步骤：1压敏电阻的额定电压应比最大的电路电压稳定值大10%20% 2计算或估计电路所要承受的最大能量焦耳数3查明器件所需承受的最大尖峰电流。 2.3 高频电源变换器的类型及结构设计高频电源变换器直流变换器的一种，其作用原理：经可控的开关（开关管）

9、，将较为稳定的直流电变换成脉宽可调的脉动直流。2.3.1 基本类型：1单端反激式变换器，输出、输入极性相反，S闭合时，L吸收电能S断开时，L经VD向负载RL释放电能。图2-22单端正激式变换器；输出、输入极性相同，S闭合时Uin经SL向RL提供电能。S断开时,L经VD向RL续能，输入反激、正激式变换器中，输出电流连续，输入电流为脉动。3推挽式变换器：由两个单端正激式变换器工作在“推挽”方式下图2-3优缺点比较：1）驱动电路简单，不需要隔离。2）晶体开关管承受两倍的峰值电压。3）极易发生变压器铁芯的“磁饱和”现象，故该电路使用较少。4半桥式变换电路。图2-4在半桥式变换器中，S1、S2轮流导通C

10、1、C2上的电压Uin/2正反向加在变压器的T1初级上，使其在整个周期都有电流流过。铁芯得到充分利用，同时功率开关管S1、S2的耐压降低，滤波电容的电压也降低，克服了推挽电路的缺点。但由于高频变压器上施加的电压，只有输入电压的一半，与推挽电路相比较，在输出功率相同下，开关管必须流过两倍的电流，使S1、S2的电流定额增加。5全桥式变换电路对于半桥式这换电路，开关管的电流定额增大二倍，是其主要缺点，为解决这一问题，可采用全桥式变换器，即将半桥中的电容C1、C2以开关管代替，S1S3、 S2S4轮流导通和截止，使得加在高频变压器初级上的电压在+Uin和-Uin之间变化，而开关管上流过的电流是同等半桥

11、式变换器电路的一半。不足之处是需要用四只开关管，并需要四组相互隔离的基极驱动电路，成本增加。6新型的零波纹输出变换器上述讨论的各种变换器的输出都不同程度地含有一定量的波纹电压，尤其是电流不能连续的情况下，电路出入端的电流是脉动的，谐波会使电路的变换效率降低，产生的高次谐波形成的辐射，干挠周围的电子设备。库克(CuR)电路 图2-5，实现了零波纹输出。图2-5电路中L1、L2为储能电感，VD是快速恢复二极管，C1是传送能量的耦合电容，C2为滤波电容。该电路的特点是，输出和输入电压相反，输入和输出端的电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。在忽略所有元器件损耗前提下，电路及工作波形

12、如图2-6所示。在ton期间，开关S导通，电容C1上的电压Uc1使二极管VD反偏而截止，输入直流电压Uin向电感L输送能量，L1中的电流iL1线性增加。同时原储存在C1中的能量向负载和C2、L2释放，负载获得反极性电压，其等效电路如图2-6所示。图2-6( a、b)在toff期间S关断，L1中的感应电动势UL1改变方向，使二极管D正偏而导通 L1经C1D对电容C1充电储能。在此期间L2向负载释放电能。为使输入和输出具有电隔离，将上述cuk电路进行改型，可以使cuk变换器实现隔离功能。1） 将C1分成两个串联的电容CA、CB。2） C1、 C2间接一大电感L。3） 利用大电感L形成初次级的耦合变

13、压器T1 电路如图2-7。 图2-7在整个周期T = ton+toff中，电容CA从输入端向的初级传送电能，只要选择合适的L1、L2、CA和CB则可保证输入、输出电流是平稳的，在忽略所有元件上的损耗时，CA、CB上的电压基本不变。经推导分析得知，电路的输出电压U0和输出电流分别为U0 = IO=式中D = ，为开关管UT1工作占空比 2.3.2 功率开关管的选择1变压器初级电流的峰值Ip =式中P0ut -电源输出功率(w)Uinmin最小直流输入电压Uinmin = Uatmin(90V)1.41UU|直流波纹电压和整流压降约20V 电源变换器的最大占空比，取0452采用VDMOS管（MOS

14、FET）时，其最大峰值开关电流IcmIsc = 1.3Ip 峰值漏极电压 UdssUacmmin1.4(2 3)900V。选UDMOS的型号为MTPXNXX可满足要求 2.3.3高频变换器类型的确定及电路结构框图分析1确定类型由上述对变换器电路结构的类型功能比较得知，在开关功率不大，输出直流以纹要求不高的情况下，单端反激式变换器结构简单，控制方便，可作为首选结构之一。2电路结构功能框图分析 输入的交流电压经EMI噪声滤波器后直接作用整流滤波电路，获得Uin= 1.4UAC的直流高压，当该电压通过高频开关作用高频变压器时，次级可得到较低的输出电压。高频开关由集成脉宽控制器控制的高反压VMOS管V

15、TS来充任。集成电路的工作电源电压，先由电阻和电容Cin提供，待进入工作状态后，由变压器附加绕组LC提供。当VTS导通时，输出线圈的整流二极管VD反偏截止，VTS关闭时，LP的电压极性反向，VD导通，整流滤波后的电压，供给集成电路。在变压器次级，由误差放大器对输出误差进行取样，并由光电耦合器放大后，送给控制器进行脉冲宽度调整，并使输出电压稳定。由于采用了光电耦合器件隔离，输出部分和输入部分线路完全实现了隔离。当负载加重或开关管过流时，电阻RS上的压降会相应增大，如果采用电流型控制器件UC3842，则它能自动根据电感线圈的电流峰值调节振荡脉冲宽度或进行逐个脉冲间的控制保护，这种PWM控制器提高了

16、整个电源的可靠性。由此可见，设计电路的主要内容是设计和计算起动电阻RIN，电容C2，晶体管VT3的缓冲保护元件及低压整流部分的输出整流滤波电路。2.3.4启动电阻和电容的计算1启动电阻RIN当直流输入电压达到250v以上时（220v20 v）1.4集成脉宽调制器UC3840应启动开始工作。启动电阻RIN应由线路直流电压和启动所需电流来确定。RIN =式中 Uln = 250v UccUC3840的工作压降16 V。I0起动电流总和约为1.8mA2启动电容C2起动完成后，UC3840的消耗电流将近随着对VDMO的驱动而增至100mA左右（主要随着负载的变化）该电流由电容器C2在启动时储存的电荷量

17、来提供。这时C2上的电压会发生跌落，VC2=10 v，VC3840为保持工作的下限值。以开关管的工作频率20KHz为准(T= 5ms)则 C2 = (F)式中IoUC3840的工作电流100Ma Ton5ms Ucc= 16v 10vC2容量的增加，会使启动过程减慢，可达到软启动电路的目的。2.3.5缓冲保护电路的设计为了限制开关管VT1由饱和转向关断过程中，在高频变压器漏感上所引起的尖峰电压，由R2 、C4 、VD5组成缓冲网络。C4 =式中Le漏感。一般Le= 40100H, Uerst 反电势，其值约为120 VUPP漏感电动势的峰值，其值约为100 v R2 C4= 0.63T ()

18、R2C4的放电电阻。二极管VD5的作用是在开关管关闭期间为电感线圈向C4充电提供通路，开关管导通时，可以阻止电容C4经UD5放电。2.4电力晶体管的基极驱动电路及保护（参见教材电力电子技术2.2.3节）2.5开关电源的控制电路目前的开关电源大多采用脉冲宽度调制技术(PWM)，这一技术主要是在主这换器工作周期不这的情况下，通过改变开关管的导通和载止时间，以控制输出电压稳定在确定的电压值上。方式提供了优越的性能，有良好的线性，负载调整率高以及在温度变化过和中具有较高的稳定性。隔离式开关电源的任务有两个方面，首先，它必须提供高稳定度的若干组低压输出，为负载提供充足的供电能量，另一方面，它必须在输入和

19、输出之间提供很好的隔离特性，以保持用电器免受高压及击电流引起的电气短路危害。2.5.1 PWM控制下的开关电源电路图2-8输入输出由功率传输变压器T1及光电耦合器隔离图2-9输入输出由功率传输变压器T1及光电耦合器隔离2.5.2 PWM控制器的选择1由分主元件构成的单端PWM控制电路，如图2-10。图2-10用分立元件构成的单端反激式PWM控制电路电路的工作原理如下：IC1产生的方波脉冲经R1和C1微分电路后形成锯齿波，控制晶体管UY1,经UY1反向后的负脉冲经反相形成正向脉冲，组成低阻抗驱动器控制，主开关UY5的导通和截止。使变压器将电能变换送到变换器的输出端。由R9和Rw构成的分压器，取部

20、分输出电压和固定参数改电压Uref比较。当线路或负载引起输出电压发生变化时，运放将变化量放大，并驱动光耦器中的发光二极管，调制其发光强度，通过改变光敏三极管的集电极电流调整，微分电路的时间常数锯齿波底宽改变，进面使UY1 UY2 UY3 UY4的导通时得到改变。UY5的占空比发生变化，输出电压得到调整。2集成电路构成的PWM控制器现代集成技术的发展和完善，在一块芯片上制成并包含了PWM开关电源所需要的所为功能，使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。如图2-11 图2-11电路的工作过程：误差放大器将从电源输出端引入的取样信号与固定参改电压比较放大后。再与一固定频振荡器发出的锯齿波比较

21、，其输出信号U0。荡器的锯齿波信号同时送到翻转触发器(F/F)，并产生方波输出Q和，U0和Q作为与门A、B的输入，输出端产生PWM调制信号。图 2-12|Ua|U0变窄U0的方波输出波形变窄，UTr的关断时间变长，U0增大。由波形图可知，当误差信号变化时，A或B输出的脉宽发生变化，从而达到脉宽调制的目的。常见的PWM集成控制器TL494,UC3840、UC1842、2842、3842、SG3525A等，其中UC3842 PWM控制器，为可编程控制器，主要为单端反激式及单端正激式变换器电路设计的高频率控制器。其典型功能：1）调节外接参数RC可对工作频率的范围调整。2）具有可变斜率的斜波发生器。3

22、）设有低电流启动开关，并具有直接隔离偏置。4）设有精确的参考电源产生器，并具有内部过压保护措施。5）具有完善的输入过压保护欠压保护，输出过流保护及程序控制的电路关闭和重新起动的功能。6）具有大电流快速驱动和快速关断外操开关管的轼能，千分适合构成单端PWM控制。7）实现对直流电源序列的逻辑控制功能。3UC3842.PWM控制器及管脚功能.UC3842系列是单端输出电路。它是一种高性能的固定频率电流型控制器电路，能很好地应用在隔离式单端开关电源的设计中，其最大优点是外接元件少，外电路装配简单，成本低等，工作原理如图2-13所示。图2-13它有两个闭环控制回路，一个是输出电压反馈回误差放大器，用于同

23、基准电压比较后产生误差电压，另一个是变压器初级电感中的电流在上产生的电压与误差电压进行比较后产生调制脉冲宽度的脉冲信号，由于误差信号实际控制着峰值电感电流，故称之为电流型.脉冲宽度调制器，该电路具有以下特点：1）良好的线性调整率，能达到2）可明显改善负载调整率。3）误差放大器外电路补偿网络得到简化。4）电流限制电路得到简化5）控制器设有欠压锁定电路，开启阈值16v，关闭阈值设在10 v6）振荡器的频率由外接RTCT按下式确定f = UC3842 PWM集成芯片的管脚功能UC3842为双列直插式八管脚集成芯片其管脚排列及功能图2-14COMS：误差放大器输出端UFS：误差放大器反相输入端Isf

24、:电流感应比输器同相输入RT/CT:：振荡器外接电阻，电容GND:接地OUT:脉宽调制输出Ucc电源正极Uerf基准电压5v输出图2-152.6 开关电源的输出电路2.6.1 开关电源输出电路的作用1提供一路或多路具有一定功率输出的直流电压如5v.12 v.15 v.24 v等，输出功率一般为几瓦几千瓦。2对高频变压器次级的高频方波电压进行整流和滤波3为PWM提供输出反馈电压。2.6.2 输出整流和滤波电路结构及元件1输出整流和滤波电路如图2-16图2-162整流二极管在任何开关电源的输出电路设计中，都应严格选择整流二极管和续流二极管的反向载止电压，对于反激式UD1的反向截止电压值Ur m,N

25、S/NP高频变压器次/初级匝数比，取0.10.2同时必须具有正向压降低，快速恢复的特点和足够的输出功率，在开关电源中，选择下列三种类型较好。1）高效快速恢复二极管 (ns) 级2）高效超快恢复二极管3）有特基势垒整流二极管 整流二极管电流的计算IFM3.6I0ut3输出电感的设计输出电感L作为输出滤波的一部分，其作用一，可以储存能量，在“开关”截止或“死区”时，给负载提供连续不断的电流。 二、使输出的直流电压更平滑，纹波系数能够达到标准。常用的铁芯材料为铁氧体。电感量的计算L = toff为开关管的死区时约为12us4滤波电容C = 式中Iout = 0.25Io； Io设计输出电流Uout允许输出电压波纹的峰一峰值100mvf ：工作频率(20KH)2.7绘制开关电源电路原理图将各环节所选电路进行组合得到电路原理图。