开关电源设计报告Word下载.docx
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单片开关式DC/DC电源变换器L4978内含误差放大比较器、脉宽调制器、驱动器等电路,适宜构成高效、小体积的仪器仪表的开关电源。
2.L4978芯片的特性及工作原理
2.1L4978芯片介绍
L4978是意-法半导体有限公司生产的单片开关式稳压器,它采用8脚双列直插式DIP-8封装,外形与常见的运放4558相同,它的最大输出电流可达2A,最大输出功率400W,输入电压范围8-55V,输出电压调节范围3.3-50V,内部集成了3.3V基准电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉宽调制器、功率输出级和各种保护电路,在芯片内部集成了一只N沟道DMOS功率开关管,其开关速度极快,可在高频下工作。
L4978的引脚排列图如图所示
2.2L4978芯片特性
单片开关式集成DC/DC电源变压器L4978是一种新型高效节能稳压电源,它内部集成了3.3V准基电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉冲调制器、功率输出级和各种保护电路。
L4978芯片输入电压的允许范围宽,消耗低。
此芯片内还集成了高速DMOS
功率开关管、专门驱动开关管以及软启动、禁用等功能,提高了电源的效率和系统安全性。
2.3L4978工作原理
芯片4脚输出电压UO,经外接取样电阻R3、R4分压后(见图3),反馈至8脚的误差放大器反相端,与加在同相端的3.3V基准电压相比较,得到误差电压Ur,由Ur的幅度控制PWM比较器输出的脉冲宽度UPWM,最后由功率放大器和降压电路,输出稳定直流电压。
3.L4978开关电源电路
图3L4978开关电源原理图
电路原理如下:
C1为输入滤波电容,C2为高频滤波电容,R1、C3是振荡电阻与振荡电容,C4为软启动电容,R2和C5构成误差放大器的频率补偿网络,C6是自举电容,VD为续流二极管,采用SB560的肖特基二极管。
电感L为储能元件,可选用直径为22mm的高频磁环,用外径为10mm的高强度漆包线沿磁环的圆周方向均匀绕40T左右。
电路工作时,功率脉冲调制信号从IC的14脚输出,在信号的正半周时,向负载供电,同时将电能储存在L和C7中,此时VD截止。
在功率脉冲调制信号的负半周,VD导通,储存在L中的电能就经过VD所构成的电路继续向负载供电,维持输出电压不变。
芯片4脚输出电压U0,经外接取样电阻R3、R4分压后,反馈至8脚的误差放大器反相端,与加在同端的3.3V基准电压相比较,得到误差电压Ut,由Ut的幅度控制PWM比较器输出的脉冲宽度UPWM,最后由功率放大器和降压电路输出稳定直流电压。
电阻R1和电容C3决定了系统的工作频率,L4978最高允许频率为500Hz。
电阻R3和R4构成电压反馈回路,分压比决定输出电压的高低。
R4的阻值为4.7K,调整R3的阻值,可改变输出电压。
输出电压与R3阻值关系见下表
V0/V
R3/K
R4/K
3.3
4.7
5.1
2.7
12
15
16
18
20
24
30
4.L4978开关电源电路设计
4.1整体分析
步骤①分析任务,准备资料。
包括原理图分析,元器件资料准备,明确设计要求,例如散热要求、机械防护要求、电磁兼容性要求、电路板尺寸要求、特殊加工要求等;
②建立项目文件夹,明确保存路径;
③准备元器件。
④制作原理图。
根据项目规模划分单元,确认是否需要制作层次原理图及其层次划分;
4.2元器件清单
元器件序号
参数值
元器件封装
R1
20K
AXIAL-0.4
R2、R3
9.1K
R4
4.7K
C1、C7
220uF/63V
C2
0.22uF
RB5-10.5
C3
2.7nF
RAD-0.2
C4、C6
100nF
C5
22nF
JP1
Vin
JP2
Vout
D1
SB560
DIODE-0.7
L1
126mH
U1
L4978
DIP-8
4.3各元器件功能
R3和R4:
取样电阻,电路输出电压U0由R3和R4的分压比决定。
C6:
滤波电容,用来滤除交流成分。
使输出的直流更平滑。
R1和C3:
决定开关频率,其计算公式为:
L1:
电感,用来存储能量,储能电感L与所设计的UI、UO、f及纹波电流值IL,有关其计算公式为:
5.电路图分析
5.1电路图布局
元器件布局时,电流主回路(C1、U1、D1、L1、C7)及控制回路(R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5、U1)主次应分明,且满足;
布线,电流流向简洁流畅;
控制回路要求从输出端单点接地;
R2、C3振荡回路及R2、C5补偿回路尽量靠近U1(L4978)相应引脚。
5.2布线导线要求
由于这是一个开关电源电路,最高频率可达500kHz,为避免电磁干扰,L4978集成电路及其周围辅助元器件,要求单点接地;
根据原理图将相应的元件摆放在L4978相应的位置,这样可以减少导线的长度,从而减少电路的损耗;
地线的宽度为30mil适宜,输入输出线宽为23mil适宜,其他的线宽为20mil;
同时采用实心铜敷铜,这样不仅美观,而且增加的电路的抗干扰的能力。
5.3信号流向
5.4输入信号和输出信号数据分析
电路输出电压U0ut由取样电阻R3和R4的分压比决定,设输出电压为U0ut,取样反馈电压为UFB,则有关系式:
,则有v。
由式子可知,调节R4或R3就可以改变输出电压。
5.5输出电压范围
经过多次的调整和测试的数据得出(如表1),我们选择输入电压为30V时,该电源的输出电压大小主要取决于8脚的电压和R3、R4的阻值有关,并且现选定R4为47K,R3为100K,通过
(1)的计算可以得出输出电压为10.3V,实际测量电压为10.4V,由于电路和测量仪器存在一定的误差;
并且通过多组数据的测量和计算,符合误差的范围。
表1,测量数据记录表(R4=47K)
R3(K)
2.2
10
22
47
100
Uout(V)
3.45
3.63
4
4.84
6.6
10.33
6.总结
根据基于L4978的开关电源电路的设计和元器件的选用,电路实现了小体积、多功能、高效率、低功耗、调节方便、应用灵活等特点。
实验测试表明:
该电路输入电压可在8~55V变化,输出电流可达3A,最大输出功率80W,输出纹波34mV,电源效率可达92%。
这种电路不仅用于仪器仪表及测试系统的电源,还可作为3.3V供电的笔记本电脑的开关电源使用。
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