开关式直流稳压电源的设计Word下载.docx
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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:
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<
Ioc时,iL将进入电流不连续状况。
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
(3)5V的输出端
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
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