彩电开关电源板毕业设计.docx
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彩电开关电源板毕业设计.docx
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彩电开关电源板毕业设计
苏州市职业大学
毕业设计说明书
毕业设计题目开关电源板设计
系机电工程系
专业班级05机电
(1)班
姓名金文翔
学号053302123
指导教师金芬
2008-5-12
摘要:
开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点,近年来获得了飞速发展。
本文设计并制作了用于彩电内部的开关电源。
着重阐述了其工作原理,并用Protel99SE软件设计了电路原理图、元件封装图等,同时自制PCB板,经调试能满足所需的技术要求。
关键词:
开关电源;protel;PCB板
Abstract:
Switchpowersourcebecauseofhaveefficiencyishigh,volumethelittlecharacteristicwithlightweight,inrecentyearshavegottendevelopfast.Thedesignofthispaperismadeusedinthebuilt-inswitchpowersourceofcolortelevision.Haveelaborateditsworkingprincipleemphatically,andhavedesignedcircuitprinciplepictureandelementcasepictureetc.withProtel99SEsoftware,atthesametime,thetechnologythatselfsmakePCBboardandcansatisfyrequirementbydebugisasked.
Keywords:
Switchpowersource;Protel;PCBboard
目录
第一章概述
1.1开关电源简介------------------------------------------------------------------------4
1.2开关电源的分类---------------------------------------------------------------------4
1.2.1根据开关管在电路中的连接方式分类----------------------------------------------5
1.2.2根据开关管的激励方式不同分类---------------------------------------------------5
1.2.3根据使用的器件种类不同分类------------------------------------------------------6
1.2.4根据稳压的控制方式不同分类------------------------------------------------------6
1.2.5其他开关稳压电源-------------------------------------------------------------------6
1.3开关稳压电源的基本组成---------------------------------------------------------6
1.3.1输入电压Ui--------------------------------------------------------------------------7
1.3.2理想开关电路------------------------------------------------------------------------7
1.3.3整流及LC滤波器-------------------------------------------------------------------7
1.3.4反馈控制电路------------------------------------------------------------------------7
1.3.5工作过程-----------------------------------------------------------------------------7
第二章开关电源工作原理-----------------------------------------------------------8
2.1整流滤波电路--------------------------------------------------------------------------8
2.2振荡电路-------------------------------------------------------------------------------8
2.3稳压控制电路--------------------------------------------------------------------------10
2.4输出整流电路--------------------------------------------------------------------------11
2.5开关变压器-----------------------------------------------------------------------------12
2.6选用元器件清单------------------------------------------------------------------------14
第三章开关电源PCB设计------------------------------------------------------------15
3.1PROTEL99SE软件简介-----------------------------------------------------------------15
3.2印刷电路板的制作过程------------------------------------------------------------------16
3.3自制PCB板过程-------------------------------------------------------------------------17
3.4PCB板调试-------------------------------------------------------------------------------18
3.5制作PCB过程中问题分析---------------------------------------------------------------18
附图:
电路原理图(A3)
电路原理图、PCB设计图(电子稿)
实物
第一章开关电源概述
1.1开关电源简介
开关稳压电源是20世纪70年代以来发展非常迅速的新技术,被广泛应用于各种领域中。
开关稳压电源的效率高,开关管的线性调整式稳压电源的效率仅达50%左右。
开关稳压电源的稳压范围宽,它是将交流市电整流后的直流电压通过开关管的开关作用将直流电变换成交流脉冲,再经过整流滤波将交流脉冲变成直流电压,所以,只要开关电路能够正常工作,就能够输出稳定的直流电压。
由于开关电源允许输入的电压大范围地变化,故特别使用于电网电压波动较大的地区使用。
开关电源的原理图如图1-1所示,开关S以一定的时间重复通/断,在开关S接通时,输入电源V1供给负载RL功率;开关S断开时输入电源停止向负载供电。
因此,输入电源间断向负载供电,为使负载能连续得到能量,开关电源中接有储能元件,电感L就是储能元件。
在开关S接通时,电感L中存储一部分能量,而在开关S断开时,电感L中存储能量通过二极管VD释放给负载,则负载就得到连续的能量供给。
图1-1开关电源原理图
在滤波电路输入端AB间得到如图1-所示的波形,其平均电压Vab为
Vab=Ton*Vi/T
图1-2电压波形
由上式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,Vab就随之变化,因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整Ton和T的比例,就能使输出电压Vo保持不变。
改变接通时间Ton和工作周期T比例(占空比D)的方法称为TRC(TRC,TimeRatioControl)。
按TRC控制原理有脉冲宽度调制PWM(PWM,PulseWidthModulation)方式、脉冲频率调制PFM(PFM,PusleFrequencyModulation)方式和混合调制方式等。
其中,PWM方式指开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
因为周期恒定,滤波电路设计容易。
但在实际情况下,受开关期间和控制电路的限制,在晶体管的开通时间内,有很短的Ton时间可调,将使输出电压不稳定,故在输出端必须要有一定数量的假负载。
PFM方式是指脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式,因为Ton/T可在很宽的范围内变化,输出电压的可调范围较PWM方式大,同时,只需极小的假负载。
但不足之处是滤波器体积较大。
混合方式是PWM和PFM两种方式的混合,Ton和T相对地发生变化,在频率变化不大的情况下,可得到非常大的可调范围的输出电压,因此,用来制作要求能宽范围调节输出锻压的实验室用电源非常合适。
目前,开关电源的主流是TRC控制变换型开关电源,最盛行的是PWM控制方式。
PWM型稳压电源的优点是:
体积小、重量轻;效率高,一般在80%以上;适应性强;可防止过电压的危害;输入交流突然停供电时,输出电压保持时间长;输出电压较低,输出电流较大。
因此,非常适宜做集成电路型电子设备的供电模块电源,是目前一种较为理想的大功率稳压电源。
PWM型稳压电源的不足之处是:
电路复杂、元器件数量多;输出纹波大;动态响应稍差等。
1.2开关电源的分类
1.2.1根据开关管在电路中的连接方式分类
根据开关管在电路中的连接方式分类,可分为串联型开关稳压电源,并联型开关稳压电源和脉动变压器耦合式开关电源,前两者应用最广泛。
(1)并联型开关稳压电源
所谓并联型开关稳压电源是指:
储能电感与负载采用并接方式连接的一种电源电路。
(2)串联型开关稳压电源
所谓串联型开关稳压电源是指:
储能电感与负载采用串接方式连接的一种电源电路。
并联型开关电路中开关管截止时,集电极和发射极两端承受的电压为输入电压与电感感应电压之和,为串联型开关电路的2倍,对开关管耐压要求较高;但并联型开关电源应用也较广泛。
1.2.2根据开关管的激励方式不同分类
根据开关管的激励方式不同分类,开关电源可分为自激式开关稳压电源和他励式开关稳压电源。
(1)自激式开关稳压电源
自激式开关稳压电源是由开关管和开关变压器(脉冲变压器)构成的正反馈环路,来完成自激振荡的,其工作特点与间隙振荡器相似。
(2)他激式开关稳压电源
他激式开关稳压电源是另加一个振荡器,振荡器产生的开关脉冲加在开关管上,用来控制开关管的导通和截止,使开关电路工作并输出直流电压。
1.2.3根据使用的器件种类不同分类
根据使用的期间种类不同分类,可分为由分立元器件组成的开关稳压电源和由集成电路组成的开关稳压电源。
1.2.4根据稳压的控制方式不同分类
根据稳压懂得控制方式不同分类。
开关稳压电源可分为脉冲调宽式和脉冲调频式两种。
(1)脉冲调宽式开关稳压电源
所谓脉冲调宽式开关稳压电源是指:
由相关电路对开关的脉冲宽度进行调制的一种稳压
电路。
(2)脉冲调频式开关稳压电源
所谓脉冲调频式开关稳压电源是指:
由相关电路对开关的脉冲频率进行调制的一种稳压
电路。
1.2.5其他开关稳压电源
(1)根据误差取样方式分类
从误差取样方式来分类,还有间接取样和直接开关电源两种。
(2)根据输出电压高低分类
根据电压和频率是否变动分类,可以分为恒压恒频式开关稳压电源和变压变频式开关稳
压电源
(3)根据电压和频率是否变动分类,可以分为恒压恒频式开关稳压电源和变压变频式开
关稳压电源。
(4)根据效率高低的不同分类
根据效率高低的不同分类,可分为PWM(脉宽调制)和高效率的谐振式开关电源。
高效率的谐振式开关电源是由基本的PWM开关电源演变而来的。
通常主要用于需要电
源具有更轻的重量和更小的体积,并且对电磁噪声(干扰)有严格要求的场合,如航空航天电子设备、便携式设备及模块电源等。
PWM开关电源比线行电源具有更高的效率和灵活性,通常应用于要求高效率和多组电源
电压输出的场合。
开关电源的重量要比线性电源轻的多,因为对于相同的输出功率,开关电源的散热器要小的多。
但开关电源的成本较高。
另外还有单端式、推挽式、半桥式和全桥式开关电源等。
1.3开关稳压电源的基本组成
虽然开关稳压电源的类型较多,电路组成也较复杂,但它们的基本原理是不变的,一般都由图1-3所示的一些功能方框图为主构成。
图1-3开关稳压电源结构方框图及波形图
1.3.1输入电压Ui
输入电压一般为整流、滤波后的不稳定电压,该电压提供给开关电路。
1.3.2理想开关电路
理想开关对输入电压Ui进行开关振荡,产生出频率在15~50kHz范围的开关脉冲电压送到后级整流及LC滤波器。
1.3.3整流及LC滤波器
整流及LC滤波器对理想开关电路送来的开关脉冲进行整流和滤波,产生出稳定的直流输出电压。
1.3.4反馈控制电路
反馈控制电路对输出电压Uo(见图1-3)进行取样,得到的误差电压对理想开关进行负反馈控制,以保证输出电压的稳定。
1.3.5工作过程
假设理想开关的开关周期为T,接通时间为Tu,如果开关频率远大于电源频率,则在开关的一个周期内可以不考虑输入电压Ui中的纹波,把Ui视为常量。
因此,开关输出电压就是幅度为Ui、周期为T、脉冲宽度为Tu的周期性矩形脉冲Uo,如图1-3中所示。
用LC滤波器滤去交流成分后,输出端便得到直流电压Uo’,当Uo增加或减小时由反馈电路产生控制信号去控制脉冲的占空系数d,使之减小或增加,从而实现了稳定输出电压的目的。
第二章开关电源工作原理
B
此次设计用于彩电内部电源,输出电压为80V,24V,16V,12V,5V。
电路原理图如图2-1所示。
该开关电源由整流滤波电路、振荡电路、稳压控制电路和脉冲输出整流滤波电路组成。
A
图2-1开关电源电路原理图
2.1整流滤波电路
从JP1端输入220V交流电后,经过保险丝、限流电阻,加到桥式整流管D1、D2、D3、D4的输入端,经过D1~D4整流和C1滤波后获得约300V的脉动直流电压,图2-2所示为电压整流滤波变化过程。
图2-2电压整流滤波变化过程
此电路中保险丝选用最大限流为2A的一只,限流电阻采用6.8欧姆电阻1只,整流二极管采用IN4007四只。
2.2振荡电路
接通电源后,整流滤波电路即产生未稳定的直流电压,电源电压经启动电阻R2供给Q3基极很小偏流,从而使Q3产生集电极电流,开始进入放大工作状态。
Q3的集电极电流流经变压器的1、2绕组,在1、2绕组上产生感应电动势,电压极性是1端为正、2端为负。
脉冲变压器的3~4绕组为自激振荡的正反馈绕组,根据脉冲变压器的同名端可知,1、2两端的感应电压经脉冲变压器耦合至3、4绕组的感应电压,极性是4端为正,3端为负。
3、4绕组输出的正反馈电压经D8、R4、C4反馈回到Q3的基极,促使Q3集电极电流进一步增加,使开关晶体管进入自激振荡工作状态。
脉冲变压器的1、2绕组的电流此时呈线性上升,此电流即为开关晶体管Q3的集电极电流。
该电源电路属于自激式开关稳压电源。
自激式开关稳压电源的典型电路如图2-3所示。
这是一种利用间隙振荡电路组成的开关电于,也是目前广泛使用的基本电源之一。
当接入电源后R1给开关关VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。
与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出的使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。
在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输入电压又经过R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。
这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。
图2-3自激式开关电源
自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用,也省去了控制电路。
电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反馈状态,具有输入和输出相互隔离的优点。
这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。
此次设计的开关稳压电源的自激振荡过程为:
先假定Q1、Q2、Q4三晶体管处于断开状态,电路接通后,Q3的集电极电流就增大,通过变压器的正反馈作用,使开关晶体管Q3很快导通。
开关晶体管Q3的导通时间和截止时间决定于C4的充放电常数。
Q3截止期间,被整流出的电压经R2、R4、C4、变压器4~3绕组、R5构成充电回路,电容C4上建立的电压极性使Q3基极电位不断上升,最后使Q3进入导通,Q3一旦导通,则通过由Q3、变压器构成的间隙振荡器的正反馈使Q3基极电位不断升高,而集电极电流不断增加,很快导致Q3饱和导通。
然后电容C4开始放电。
C4经R4、Q3发射极和变压器3~4绕组放电。
该放电过程试图维持Q3继续饱和,但随着C4的放电,使Q3基极电位逐渐下降,即放电电流逐渐减小,最后使Q3的基极电流减小至不足以维持Q3饱和所需要的基极偏流,导致开关晶体管退出饱和状态而进入放大工作区。
这时,电容C4的放电流的进一步减小,被Q3放大,即使得集电极电流减小,在脉冲变压器的1~2绕组形成反电动势,即1端为负、2端为正的感应电压。
通过变压器之间的耦合,使3~4之间的耦合电压为3端为正,4端为负,该反馈电压经C4、R4耦合至Q3基极,使得Q3的基极电位下降,基极电流减小,集电极电流进一步减小。
这一正反馈过程最后使Q3进入截止状态。
Q3维持导通的时间,决定于C4的放电回路的时间常数,截止后,C4又开始充电,最后使Q3进入导通,截止之间的长短决定于充电的时间常数。
上述过程周而复始地进行,使电路工作在自激振荡状态之中。
充电时间常数T1=(R2+R4+R5)*C4=(3.9*10^5+33+2.2)*10^-3=390s
放电时间常数T2=R4*C4=0.033s
受控振荡过程如下:
刚接通电路时,在开始工作的一个短暂的时间内,电路处于自激振荡状态,直到电容C3和C9充电到一定值后,使的其他晶体管进入正常工作,振荡进入受控振荡状态。
这时振荡频率决定于电容C3。
在Q3截止时,C3经R5、变压器4~3绕组和D7很快充电,极性3端为正、4端为负。
此后C3经R5、变压器3~4端、D8、R4、Q2的e-c结、R3放电。
C3的放电电流在R4上的所产生的压降,对Q3的b-e结产生反向偏压,维持Q3的截止状态。
在Q3的截止期间,脉冲变压器在Q3导通时所储存的能量向输出端释放,即变压器各输出绕组的整流二极管导通,向负载供电。
此时,由于Q3截止,相当于断开的开关。
但变压器储存的能量不会全部向负载释放完,所以初级绕组1~2的电感与分布电容会产生能量交换,即LC振荡回路产生简谐振荡,这一振荡脉冲结合C3的放电过程,可能触发Q3重新导通。
对这一过程进一步的说明如下,随着C3的放电,Q3的的基极电位逐渐上升,恢复至临界截止状态。
与此同时,由于脉冲变压器所储存的能量未全部释放完,而1~2绕组的电感与分布电容的LC振荡贿赂所产生的正弦波阻尼振荡经耦合,总能使4~3绕组耦合得到一正的触发脉冲使Q3重新进入导通。
此后,由于脉冲变压器的正反馈作用,很快使开关晶体管Q3饱和导通。
然后,Q3的集电极电流Ic线性地上升,并将能量储存在脉冲变压器中。
这段时间内,D7和D12截止。
Q1、Q2也截止,由于电解电容C9在D12导通时(即Q3截止期间)充有电压,使Q4为放大工作,在其集电极相对于3端一个负电位。
随着Q3的集电极电流的线性上升,Q3发射极电阻R3上的压降亦增加,接地线的电位下降到一定的负电位后,经C3耦合到Q1的发射极,使得Q1导通,Q2也导通,给Q4的基极一个负的触发脉冲。
与此同时,Q1、Q2导通后,便将电容C3两端的电压负端加至Q3基极,正端加到Q3发射极,迫使Q3迅速截止。
受控振荡完成一个振荡周期。
2.3稳压控制电路
该电路除一开关晶体管外,还有三只晶体管,Q4为比较放大器,R10,R11,R13为取样分压电路:
D11为稳压二极管,其上电压为基准电压。
脉冲变压器的3~6为取样绕组,,取样绕组耦合产生方波脉冲电压,在Q3截止期间,6~4绕组的方波电压经D12整流在电容上得到与方波脉冲幅度成正比的直流电压,显然该电压与输出直流电压成正比,通过R11、R10、R13分压后的取样电压与D11上的基准电压比较,经Q4放大,在Q4集电极取得相应的误差控制电压。
在前面的受控振荡过程中,开关晶体管的导通时间,即Q4何时进入截止,取决于Q1、Q2何时导通,所以Q1、Q2是受控振荡的触发电路。
Q1的导通条件是Ube>=0.65V。
即A点电位高于B点电位0.65v。
A点电位就是Q4集电极输出电位。
所以,控制Q4的集电极输出电位,就能控制Q3的导通时间,改变脉冲变压器所储的能量。
稳压过程如下:
A点电位是相对于B点电位增加的,当A点电位高于B点0。
65V时,即控制Q3导通,A点电位越高,意味着Q3进入导通所需时间越短。
因Q3导通时的集电极电流Io是线性上升的,因此在发射极电阻R5上的压降也是线性上升的,即R5的接地端的电压相对另一端呈线性下降,这一电位下降经C3耦合加至B点,使B点电位线性下降,由于上述稳压控制过程使A点电位上升。
因此B点的电位下降至比A点低0.65V的时间减小,也就是说Q1提前导通,进而使Q2导通。
最后将C3上负电压经Q1、Q2加至Q3基极,使开关晶体管更快截止,导致开关晶体管Q3的导通时间减小,即脉冲变压器储存的能量减小,最后使输出电压下降,达到输出电压稳定的目的。
如果由于某一原因使输出直流电压下降,则整个控制过程相反。
输出电压的高低可以通过调整R11来调节。
2.4输出整流电路
根据整流滤波使用的整流管数量的不同可分为:
半波整流滤波电路如图2-4(a)所示、全波整流滤波电路如图2-4(b)所示、桥式整流滤波电路如图2-4(c)所示。
该设计电路中采用半波整流式滤波电路,这种电路中的整流二极管的最小反向电压Ur可由以下公式确定:
Ur=(N2/N1)Uin(max)+Uout
式中Uin(max)——输入电压的最大值
Uout——输出电压
在输出的五组电压中,最低电压欲输出5V,而开关变压器中只有4路输出,于是在12V电压的输出电路中另接入一只7805稳压块,使输出电压多一路5V输出。
(a)半波整流
(b)全波整流
(c)桥式整流
图2-4常见的三种整流滤波电路
2.5开关变压器
开关变压器由磁心加绕线圈而成。
开关变
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