简易开关型稳压电源的设计 毕业论文.doc

职业学院08级毕业论文 论文题目：简易开关型稳压电源的设计专 业：电子信息工程层 次：大专姓 名：指导老师：目录摘 要2关键词21 绪 论21.1开关稳压电源的基本概念21.2开关稳压电源的发展22开关稳压电源的分类及工作原理22.1开关稳压电源的工作原理22.2稳压电源的分类33开关稳压电源的设计53.1方案选择53.2技术规格53.3电源设计53.3.1变压器和输出电感的设计53.3.2开关管、整流二极管、续流二极管的选择63.3.3 反馈电路的设计73.3.4 保护电路的设计93.3.5 输入滤波电路的设计94开关电压设计的总结114.1 实验结果分析114.2开关电源实际的总结12参考文献12致谢12附录13简易开关型稳压电源的设计摘 要：本文介绍了开关稳压电源的基本概念及基本工作原理，发展状况，发张历程，电路的分类。并设计使用电流型 PWM 控制芯片 UC3843 构成的单端正激型开关稳压电源，并设计了电流反馈电路，电压反馈电路，变压器过热保护电路，输出电压保护电路，空载保护电路，输入滤波电路。并对电路进行了仿真，得出更具体的实际电路参数。关键词：稳压电源；单端正击；PWM 控制芯片；滚率波形1 绪 论随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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。开关稳压电源与传统线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高等优点，已成为稳压电源的主流产品。1.1开关稳压电源的基本概念根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开电阻很小；关电阻很大。开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。1.2开关稳压电源的发展 40多年来，开关电源经历了 三个重要发展阶段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GT0）发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。2开关稳压电源的分类及工作原理2.1开关稳压电源的工作原理通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。  在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。  在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因2.2稳压电源的分类 现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。下面的组图给出了各种类型开关稳压电源的原理图。(1)按激励方式划分      他激式    电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图6所示。  自激式    开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图7所示。  (2)按调制方式划分      脉宽调制型     振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合 电 路 等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。频率调制型    占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。  混合调制型    通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。 (3)按开关管电流的工作方式划分      开关型    用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。谐振型    开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。 (4)按开关晶体管的类型划分       晶体管型    采用晶体管作为开关管，电路形式如图6所示。  可控硅型    采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图 5。 (5)按储能电感与负载的连接方式划分      串联型    储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图3所示。 并联型    储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图4所示。(6)按晶体管的连接的连接方式划分单端式     仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率 不能提高，其电路形式如图3、图4和图6所示。 推挽式    使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽 头，电路形式如图12。   半桥式    使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图11。 全桥式    使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。其电路形式如图13。(7)按输入与输出的电压大小划分      升压式    输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。 降压式    输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。 (8)按工作方式划分       可控整流型     所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直 接供电，也可用变压器变压后供电。（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。其电路如图10所式。 斩波型     斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图9所示。  隔离型     这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。  (9)按电路结构划分       散件式     整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。 集成电路式     整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。 以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。3开关稳压电源的设计3.1方案选择选用电流型 PWM 控制芯片 UC3843 构成的单端正激型开 关稳压电源的主电路主电路如下图所示实用的单端正激型开关稳压电源必须加磁通复位电路,以泄放励磁电路的能量。如上图所示，开关管 Q 导通时 D1 导通， 副边线圈 N2 向负载供电，D4 截止，自馈电线圈 Nf 电流为零；Q 关断时 D1 截止，D4 导通，Nf 经电容 C1 滤波后向 UC3843 供电，同时原边线圈 N1 上产生的感应电动势使 D3 导通，并加在 RC 上。由于变压器中的磁场能量可通过 Nf 泄放，而 不像一般的 RCD 磁通复位电路消耗在电阻上，这可减少发热，提高效率。3.2技术规格输入电压：AC110/220V； 输入电压变动范围：90V240V；输入频率：50/60Hz；输出电压：12V； 输出电流：2.5A；工作频率的选择：UC3843 的典型工作频率为 20kHz500kHz。开关频率的选择决定了变换器的许多特性。开关频率越 高,变压器、电感器体积越小,电路的动态响应也越好。但随着频率的提高,诸如开关损耗,门极驱动损耗,输出整流管的 损耗会越来越突出,而且频率越高,对磁性材料的选择和参数设计要求会越苛刻,另外,高频下线路的寄生参数对线路的 影响程度难以预料,整个电路的稳定性,运行特性以及系统的调试会比较困难。本电路中,选 Rt=1.8k,Ct=10nF。由 UC3843A 定时电阻,电容与振荡器频率的关系曲线图,可得开关频率为 f=85kHz，周期 T=11.8s；占空比：设计无工频变压器的单端正激型开关电源时，一般占空比 D 最大不超过 0.5,这里选择 Dmax=0.5。则 Tonmax=T·Dmax=5.9s。3.3电源设计3.3.1变压器和输出电感的设计根据电源规格、输出功率、开关频率,选择 PQ26/25 磁芯，磁芯截面积 Se=1.13cm2，磁路有效长度 le=6.4cm,磁芯材料为 MXO 2000,饱和磁通密度 Bs=0.4T。取变压器最大工作磁感应强度 Bmax=Bs/3=0.133T，则电感系数 AL 值为：AL=(0.4rSe/le)106=4.44(H/N2) 变压器原边线圈匝数为：N1=UImin×Tonmax/Bmax×Se 式中 UImin 为最小直流输入电压。考虑到交流输入电压为 110V±20,则交流输入电压最 小值约为 90V，即 UImin=90×=127V。代入得 N1=49.9，取 50 匝。原边线圈电感为：L1=N12AL=11.1mH。副边线圈匝数为：N2= 式中 UDF、UL 分别为整流二极管 D1 和输出电感 L 上的压降,取 UDFUL=0.7V,代入得 N2=10 匝。副边线圈电感为：L2=N22AL=444H。开关管断开时 N1 两端会产生感应电动势,为了保证开关管正常工作,将感应电势限制到 eL300V。自馈电线圈要向 UC3843 提供 VCC=12V 工作电压，按电容 C1 上电压 UC1=16V 考虑,可保证足够供电给 UC3843，由 Nf=(Uc1/eL)N1 可得 Nf=2.67 取 3 匝。变压器副边电流为矩形波，其有效值 I2=Io·=1.77A，导线电流密度取 4A/mm2，所需导线截面为 1.77/4=0.44mm2，选用截面积为 0.1521mm2 的导线(0.49)三根并绕。同样可选择原边导线，原边电流有效值I1=Io·=0.354A,所需导线截面为 0.354/4=0.0885mm2,选用截面积为 0.09621mm2 的导线(0 41)。取输出电感的电流变化 IL=0.2Io=0.5A,则输出电感为： L=Tonmax式中 U2min 为副边线圈最小电压,U2min=(UoUDFUL)/Dmax=25.4V，取 UDF=0.5V，Uomax=13V,代入可得 L=140H。 根据输出电感上电流 IL=Io，所需导线截面应为：2.5/4=0.625mm2，选择截面积为 0.6362mm2 的导线(0 96)。3.3.2开关管、整流二极管、续流二极管的选择 由于开关管断开时原边线圈 N1 两端的感应电动势限制到 eL300V，输 入交流电压经全波整流电容滤波后，直流输入电压的最大值 UImax=240×=339V，所以整流二极管所承受的最高反 向电压 UD1P=eL（N2/N1）=60V，续流二极管所承受的最高反向电压 UD2P=UImax(N2/N1)=68V。流过整流二极管和续流 二极管的最大电流 ID1P=ID2P=Io0.5IL=2.75A。根据以上计算选择肖特基半桥 MBR20100CT,平均整流电流 20A,反向 峰值电压 100V。开关管承受的最大电压 Udsp=339300=639V。变压器励磁电流的最大值 ITrP=(UImax/L1)Tonmax=180mA,开关管最大电流 IdsP=(ID1PN2/N1)ITrP=0.73A。根据以上计算,选用功率 MOSFET2SK792，漏源击穿电压 BVDS=900V，最大漏极电流 IDmax=3A。3.3.3 反馈电路的设计电流反馈电路采用电流互感器检测开关管上的电流,原理如图 2 所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平 均值反馈两路,R2 上电压反映电流瞬时值,开关管上的电流增大会使 UR2 增大,当 UR2 大于 1V 时，UC3843 芯片输出脉冲 关断。调节 R1、R2 分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，这属于限流式保护。输出脉冲关断， 实现对电流平均值的保护，这属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样 使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。电压反馈电路如图 3 所示，输出电压通过集成稳压器 TL431 和光耦反馈到 UC3843（1）脚，调节 R1、R2 分压比可设定 和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压 Uo 升高，集成稳压器 TL431 阴极到阳极的电流增大，使光耦输 出三极管电流增大即 UC3843（1）脚对地的分流变大，UC3843 输出脉宽相应变窄，输出电压 Uo 减小。同样地，如果输 出电压 Uo 减小，可通过反馈调节使之升高。  图 2 电流反馈电路 图3电压反馈电路 图4变压器过热保护电路图5输出电压保护电路图6空载保护电路图7输入滤波电路3.3.4 保护电路的设计图 4 为变压器过热保护电路，R3=R4,NTC 为粘贴在变压器上的负温度系数的热敏电阻，常温下 RNTC R2，运放 U1 构成 滞环比较器。正常工作时，NTC 阻值较大，运放 U<U，输出为零；当温度上升到设定值时，运放 U1 输出为高电平，送到 PWM 控制芯片使输出脉冲关断。图 5 为输出过电压保护电路。稳压管 DZ 的击穿电压稍大于输出电压额定值，输出正常时，DZ 不导通，晶闸管 V 门极电 压为零,不导通。当输出过压时 DZ 击穿，V 受触发导通，使光耦输出三极管电流增大，通过 UC3843 控制开关管关断。图 6 为空载保护电路。为了防止变压器绕组上电压过高，同时也为了使电源从空载到满载的负载效应较小，开关稳压 电源输出端一般不允许开路。图 6 中 R2 R3,给运放同相输入端提供固定的小电压 U。R8 为取样负载电流的分流器, 当外电路未接负载 RL 时，R8 上无电流,运放反相输入端电压 U=0，因而 U>U，运放输出电压较高，使三极管 V1 饱和导通，将电源内部的假负载 R7 自动接入。当电源接入负载 RL 时,R8 上的压降使 U>U,运放输出电压为零,V1 截止,将 R7 断开。3.3.5 输入滤波电路的设计 输入滤波电路具有双向隔离作用,它可抑制从交流电网输入的干扰信号,同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。电路如图 7 所示，是一种复合式 EMI 滤波器，L1、L2 和 C1 构成第一级滤波，共模电感 TR 和电容 C2、C3 进行第二级滤波。C1 主要用来滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻 R 给电容提供放电回路， 避免因电容上的电荷积累影响滤波器的工作特性。C2、C3 跨接 图 8 空载时输入功率波形 图 9 半载时输入功率波形 图 10 满载时输入功率波形 图 11 漏极电压 Uds 波形在输出端，能有效抑制共模干扰。为了减小漏电流 C2、C3 宜选用陶瓷电容器。4开关电压设计的总结4.1 实验结果分析图 8图 10 为输入电压 220V 的条件下,输出端的负载状况分别为空载、半载和全载时，输入端的功率波形图。由这 3 个图可以看出，输入功率是个脉冲序列，周期为 10ms，即每半个工频周期电源输入端通过整流桥为输入平滑滤波电容 充一次电。测量输入功率时串联于输入端的采样电阻为 2.0，因此功率为图示值除以 2。半载时输出功率 为:12.3662/10=15.29W，全载时输出功率为：12.2552/5=30.04W。电路正常工作时，漏极电压波形如图 11 所示。(1)输出电压在各种不同的负载状况下，当输入电压从 90V 变化到 250V 时，相应输出电压测试结果如表 1 所表 1 各种负载状况下的输出电压。输入电压输出电压空载半载(10)满载(5)9912.44512.36012.24211012.45912.36812.24722012.46712.37512.25525012.47112.38112.262 (2)效率 实测各种负载状况下的效率如表 2 所示 表 2 各种负载状况下的效率负载空载半载（10）满载（5）输入功率（W）30020033602输出功率（W）015293004效率（）076348340（3）输出纹波电压实测输出纹波电压峰峰值半载时为 40mV；满载时为 50mV。4.2开关电源实际的总结介绍了一种实用的 30W 开关稳压电源电路的设计过程，该电源采用单端正激型电路结构，输出纹波较小，依靠自馈电 线圈泄放变压器中的磁场能量，实现磁通复位，可减少发热，提高效率，而且去磁绕组匝数少，减小了变压器体积。 应用电流型 PWM 控制器 UC3843，提高了电源的动态响应速度，引入了过压、过流、过热、空载等保护，使电路 能可靠 工作。总之，该电源体积小、重量轻、纹波较小，效率较高，输出电压稳定度高，源效应和负载效应较小， 保护电路 较为完善,适用于功率小、要求体积小、效率高的场合。参考文献 开关稳压电源的原理与设计 张占松，蔡宣三编著。电子工业出版社开关稳压电源 叶治政，叶靖国编著。高等教育出版社开关式稳压电器的设计技术长谷川，施仁译。科学出版社 致谢   四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。      回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。      在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。      最后，我要特别感谢王瑞老师、李海霞老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励,使我能够顺利完成毕业设计，在此表示衷心的感激.附录电源标准简介 国际电工委员会（IEC）已经制定了一些有关电源的标准，如直流稳定电源标准：IEC478.11974直流输出稳定电源术语；IEC478.21986直流输出稳定电源额定值和性能；IEC478.31989直流输出稳定电源传导电磁干扰的基 准电平和测量；IEC478.41976直流输出稳定电源除射频干扰外的试验方法；IEC478.51993直流输出稳定电源 电抗性近场磁场分量的测量。这一套标准颁布实施的时间较早，我国相应的国家标准尚未颁布。而有关直流稳定电源 的电子行业标准 SJ2811.187通用直流稳定电源术语及定义、性能与额定值、SJ2811.287通用直流稳定电源测 试方法已发布实施 13 年了。长期以来，这两份标准对我国直流稳定电源的科研生产起到了很大的作用。国际电工委员会（IEC）于 1980 年颁布了 IEC68680交流输出稳定电源，参照该标准制定的我国国家标准 GB/T交 流输出稳定电源通用规范已经报批完成，该标准中的术语、技术要求及试验方法参照了 IEC686，除此之外，又增加 了环境试验要求及试验方法、质量评定程序、标志、包装、运输、贮存等要求，使其成为一个能指导交流电源研制全 过程的一个完整的技术规范。1994 年，原电子工业部颁布了电子行业标准 SJ/T1054194抗干扰型交流稳压电源通用技术条件和 SJ/T1054294抗干扰型交流稳压电源测试方法，该标准由中国电源学会交流稳定电源专业委员会及国内相关的电源生产厂、所及 检测机构等负责编制，对普通型和抗干扰型交流稳压电源的技术要求、环境要求及相应的试验方法、质量检验规则等 都做了详细的规定。该标准发布实施以来，在交流稳压技术领域得到了广泛的应用。其它一些标准，如与 IEC4431974测量用稳定电源装置对应的我国电子工业部标准 SJ/Z903587测量用稳定电 源装置等也在一定范围内得到了应用。近些年兴起的开关电源及不间断电源，我国也制定了相应的国家标准，如 GB/T1471493微小型计算机系统设备用 开关电源通用技术条件、GB/T1471593信息技术设备用不间断电源通用技术条件等，在相关的领域中应用也十 分广泛。原四机部标准 SJ167080电子设备电源名词术语距今已 20 年了，许多名词术语的解释都已与现行的标准产生了矛 盾，因此，今年信息产业部标准化所组织对该标准进行了修订，保留了一些原标准中仍适用的术语，对该标准的分类 方法进行了较大的调整，这次修订标准的宗旨就是增强标准的适用性，因此，我们根据现代电源领域中最常用的几类 电源进行分类，给出各自的术语及定义，通用的部分单列一章，每一章中的术语及定义都参照相应的国际标准及国家 标准，今年底该项标准上报完成。