超薄型中功率LED显示屏电源系统设计毕业设计论文.docx
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超薄型中功率LED显示屏电源系统设计毕业设计论文
本科毕业设计(论文)
超薄型中功率LED显示屏电源系统设计
超薄型中功率LED显示屏电源系统设计
摘要:
针对LED显示屏电源系统的厚重等缺点,本文设计了一款超薄型中功率直流稳压开关电源系统。
这款电源采用单端正激方式的主电路,主要由输入整流滤波,开关占空比控制,高频变换器,输出整流滤波,稳压电路等模块构成。
本文详细地阐述了该款电源的设计思路,并完成硬件系统的组装调试,实现了超薄型中功率LED电源显示系统的设计。
关键词:
开关电源;单端正激;高频变换器
Designsystemofultra-thinmedium-powerLED
displaypowersupply
Abstract:
Thepaperdesignsanultra-thinmedium-powerDCswitchingpowersupplysystemsinordertoovercometheheavypowersystemandothershortcomingsoftheLEDdisplay.Thispowersupplyusesasingle-endedforwardwayofthemaincircuit,whichmainlyconstitutedbytheinputrectifier,switchdutycyclecontrol,highfrequencyconverter,theoutputrectifier,regulatorcircuitmodules,etc.Thispaperexpoundedindetailthedesignideasofthepowersupply,andcompletetheassemblydebuggingofthehardwaresystemtoachievethedesignofultra-thinmedium-powerLEDpowerdisplaysystem.
Keywords:
Switchingpowersupply;Singlecorrectshock;Thehighfrequencyconverter
第1章绪论
1.1课题的意义
LED显示屏主要有着商品宣传,店面装饰,烘托氛围等作用。
LED显示屏能主动发光,且工作电压低,可以通过电流调节LED显示屏的亮度。
LED显示屏本身具有耐冲击、寿命长等有点,在大型显示设备中LED显示屏有着无可替代的优势[1]。
电源系统作为LED显示屏的核心,为LED显示屏提供能量,起着至关重要的作用。
同时,在电子电气设备日益发展的今天,电源系统不断的改善、创新,以满足不同设备的需求。
1.2课题研究的内容
本文主要研究LED显示屏电源系统的热分析和设计,重点分析了电源方案的选取、主电路拓扑方式的确定,及各模块电路器件的计算等。
本文设计的是一款超薄型AC-DC直流稳压开关电源,详细介绍了高频变压器的设计,变压器磁芯的确定。
全面的描述了开关电源的设计流程,并组装调试成功达到预期目标。
1.3性能指标
一、AC输入电压:
200~240VAC
二、AC输入频率范围:
47~63HZ
三、DC输出电压要求:
输出电压下限(通过调节电位器):
11.55±0.5(V)
输出电压上限(通过调节电位器):
12.45±0.5(V)
四、DC输出功率要求:
额定功率:
180(W)
五、DC输出测试要求:
当输入220VAC时:
(1)空载:
输出电压:
12±0.5V空载功耗:
<1.5W
(2)满载:
输入电压220VAC时,输出12V,15A时,输出电压下跌不超过0.5V;
输入功率不大于250(W);输出纹波电压VP-P值≤500mV。
第2章系统方案设计与论证
在电源的设计之初,了解到常见的直流电源分为线性电源和开关电源。
选取电源的类型至关重要,直接影响产品设计的成功与否。
经过对线性电源和开关电源的全面了解,以及多方面的综合考虑,我们在本章选取合适的电源设计系统方案。
2.1系统方案设计
方案一:
线性电源
线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后得到脉冲直流电,然后经过滤波得到带有微小纹波电压的直流电压[2]。
要达到高精度的直流电压则需要经过文雅电路进行稳压。
线性电源的工作原理框图,如图2-1所示:
图2-1线性电源工作原理框图
方案二:
开关电源
开关电源是通过整流滤波,得到直流电,再经过PWM控制芯片调节占空比,直流斩波后通过高频变压器向输出端传递能量,再次经过整流滤波得到直流输出。
开关电源的高频变压器需要经过详细的计算确认,高频变压器有着隔离,传输能量的作用,它的绕制工艺也较为复杂[3]。
电源的控制芯片多种多样,也需要经过仔细的筛选。
输出端需要有稳压电路和反馈电路。
开关电源的工作原理框图,如图2-2所示:
交流输入Vo
图2-2开关电源工作原理框图
2.2系统方案论证
一、线性电源的优缺点
线性电源输出为线性直流电,输出电压纹波较小,质量高,大多用在要求较高的场合。
另外线性电源的结构简单,设计思路清晰。
线性电源的优点显而易见,这也是线性电源一度成为电源市场主力军的原因。
当然,线性电源的缺点同样存在,从而制约着线性电源的持续发展。
线性电源首先通过工频变压器改变电压幅值,工频变压器体积大、质量重,在很多场合不方便安装使用,这是制约线性电源在更大领域发展的原因之一。
线性电源的调整管一直工作在放大状态,这就造成了开关管的发热量变大,在热设计部分会给电源设计者带来不小的麻烦,一般的解决方法是安装大体积的散热器,这就再次增大了线性电源的重量和占用空间[4]。
解决了散热问题,我们不得不考虑线性电源的效率了,这么大的发热量导致线性电源的效率一般在40%左右。
如果一味的追求输出直流电的质量,那么线性电源无疑会是首选,但在很多需要节约占用空间,有着重量要求,效率要求的场合就需要多加考虑,结合具体方案的利弊决定电源的类型了。
二、开关电源的优缺点
开关电源在电源市场可谓是后起之秀了,在近年的不断创新、改善中在更多的场合得到了充分的利用。
开关电源在结构上与线性电源是有着很大区别的,顾名思义开关电源有着开关的动作。
首先,开关电源的调整管工作在饱和和截止状态,这就在很大程度上改善了调整管的热量问题,也提高了电源的效率,开关电源的效率一般大于80%。
其次,开关电源摆脱了工频变压器体积大、质量高的困扰,采用体积小,质量轻的高频变压器,这使得开关电源在空间和重量上得到了明显的改善[6]。
开关电源解决了线性电源许多问题,同时又出现了不少新的缺陷。
结构上,开关电源比线性电源更加复杂,高频变压器的绕制工艺也给开关电源的生产带来了难度。
输出直流电的纹波相对偏大,适合用在要求不高的场合。
结合我的课题:
超薄型中功率LED显示屏电源系统设计,考虑到体积、散热性、价格等多方面因素,开关电源是我毕业设计的最佳选择。
第3章系统硬件电路设计
电源系统方案的确定决定了我们后续研究设计的方向—开关电源。
本章节详细介绍了开关电源的硬件系统设计,包括主电路方案的选取、输入模块的电路设计、控制模块的芯片选取、高频变换器的设计与绕制等。
3.1主电路方案设计与论证
3.1.1主电路方案设计
方案一:
单端正激电路
正激电路是输入端在开关管导通时向负载传递能量,与反激电路相反。
正激开关电源的核心是正激式DC-DC变换器,单端正激变换器原理图,如图3-1所示。
正激电路变压器的利用率比较高,工作时占空比小于50%,一般使用的控制芯片为UC3842和NCP1252。
正激变换器不需要气隙,但需要复位绕组,开关管关断时将能量反射到交流输入上[7]。
图3-1单端正激变换器原理图
方案二:
单端反激电路
反激式DC-DC变换器是反激电路的核心,单端反激电路工作原理图,如图3-2所示。
反激电路一般用于小功率电路以及开关电源的辅助电源。
常用的控制芯片有UC3843和UC3842。
图3-2单端反激电路工作原理图
方案三:
推挽电路
推挽电路一般用在中功率电路上,比单端正激电路功率稍高。
推挽电路要求输入电压较低,两个开关管的耐压都是输入电压的2倍,一般用在DC-DC中[8]。
它的变压器是双向激励的,变压器使用效率高,但是存在磁通不平衡的现象,且开关管存在“直通”的危险。
推挽电路原理图,如图3-3所示:
图3-3推挽电路原理图
方案四:
半桥电路
半桥电路有两个开关管,通过两个串联的电容器来构成回路,这两个开关管交替导通驱动高频变压器进行能量的传递,变压器是双向激励的。
半桥电路同样存在磁通不平衡,会出现“直通”现象[9]。
变压器的情况相同,但半桥电路的输出功率大于推挽电路。
半桥电路原理图,如图3-4所示:
图3-4半桥电路原理图
方案五:
全桥电路
全桥电路在大功率场合比较常见,它由四个开关管组成两个桥臂,两个桥臂分别导通激励变压器,进行功率转换,存在开关管“直通”的危险。
在开关管承受相同峰值电流和电压的情况下,全桥电路的输出功率是半桥电路的两倍,由于全桥变换器变压器承受相当于半桥变换器变压器初级两倍的输入电压,所以其匝数为半桥的两倍。
但输出功率和输入电流电压相同时,全桥变换器的初级电流峰值和有效值只有半桥的一半,所以相同功率下两个变换器的变压器是同样大小的[10]。
全桥电路原理图,如图3-5所示:
图3-5全桥电路原理图
3.1.2主电路方案论证
单端正激电路适合做功率为120W-200W的开关电源,本文设计的中功率180W电源在其正常设计的功率范围内。
单端正激电路输入输出端隔离,属于隔离型电源,电源通过高频变压器向次级传递能量。
单端正激电源原理简单,适合开关电源的初学者,选用单端正激方案是我独立完成开关电源的设计比较有保障的选择[11]。
单端正激方案是在开关电源的MOS管闭合时向次级传递能量的,MOS管断开时输出端的能量由输出端储能电感和电容提供。
反激电路与正激电路恰恰相反,在MOS管断开时向次级传递能量,正激电路的输出直流电质量相对反击电路要好。
正激电路的高频变化器是不需要气隙的,但正激电路的高频变换器需要加复位绕组,在MOS管闭合期间起到磁复位的作用。
如果没有复位绕组,高频变化器初级的电流会一直增大,超过MOS管的电流上限从而引起器件的炸裂,是比较危险的,正激电路的复位绕组的线圈数一般与主绕组的线圈数相同[12]。
单端正激电路的输出端要有储能电感,储能电感在MOS管导通期间储存能量,在MOS管断开期间向输出端释放能量。
反激电路常出现在输出功率为小于100W的开关电源设计中,这也是本次设计不选用反激电路的原因之一。
结合电路结构、成本、可行性、输出纹波质量等多方面因素,单端正激电路是该开关电源设计的最佳选择。
3.2输入端整流滤波电路的设计
输入整流滤波电路电路图,如图3-6所示:
图3-6输入整流滤波电路原理图
3.2.1滤波电路设计
1、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。
当电源开启瞬间,要对C01充电,由于瞬间电流大,加RT01(热敏电阻)就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT01电阻上,一定时间后温度升高后RT01阻值减小(RT01是负温系数元件),这时它消耗的能量非常小,后级电路可正常工作[13]。
2、抑制相线与相线、相线与中线之间的差模干扰及相线、中线与大地之间的共模干扰。
工程设计中重点考虑共模干扰的抑制[14]。
为了抑制差模和共模干扰,通常的在滤波电路中同时包含有差模和共模电感,但基于以下原因差模电感可去掉:
(1)共模干扰的影响更大,而差模干扰的影响要小得多。
一方面同样程度的共模和差模干扰,共模干扰所产生的电磁场辐射高出差模3—4个量级;另一方面,共模干扰信号通过机壳或地阻抗的传导和耦合对其它的电源和系统也会产生干扰。
(2)共模电感中含有差模的成分。
共模电感存在漏感且其两线圈不可能完全对称,所以其本身就可起到差模电感的作用,能抑制电路中的差模干扰。
3.2.2整流电路设计
交流电经过BD01整流桥整流后,由C01滤波得到较为纯净的直流电压,若C01容量较小,输出的交流纹波将增大。
3.3开关占空比控制电路的设计
3.3.1脉宽调制芯片的选取
脉宽调制芯片的种类繁多,选取合适的脉宽调制芯片对电源的设计至关重要。
单端正激电路常用的芯片有UC3842、NCP1252等,根据公司的先例以及产品开发的经验,本次设计选用的脉宽调制芯片为NCP1252A。
NCP1252A能够搭建高可靠性的正激AC—DC变换器,NCP1252A检测输出过载不依赖VCC,Brown-Out功能提供输入过低保护,保证变换器的安全。
对于成本敏感的项目,SOIC8的封装可以节省PCB空间[15]。
NCP1252A是一种电流型开关电源集成控制器,其优点有外接元件少,外电路装配简单等。
NCP1252A封装外形,如图3-7所示。
NCP1252A采用固定工作频率脉宽调制方式,输出电压或负载变化时仅调整导通宽度。
图3-7NCP1252A封装外形
NCP1252A内部功能图,如图3-8所示:
图3-8NCP1252A内部功能图
NCP1252A引脚功能,如表3-1所示:
表3-1NCP1252A引脚功能
引脚号
引脚名称
功能
1
FB
反馈端,接光耦
2
BO
检测输入电压,提高输入过低保护
3
CS
电流检测输入端
4
RT
定时端,接电阻后接地调节开关频率
5
GND
公共地端
6
DRV
驱动输出端,接MOS管G极
7
VCC
VCC,接输入电压8-28V
8
SSTART
软开关
3.3.2基于NCP1252A的控制电路设计
脉宽控制电路原理图,如图3-9所示:
图3-9脉宽控制电路原理图
如图3-7所示,NCP1252A的7脚VCC由变压器次级绕组提供,芯片启动工作,6脚输出驱动MOS管工作,输出信号为高电压脉冲。
高电压脉冲期间,MOS管导通,电流通过变压器原边向副边传递能量,整流滤波输出直流电压;低电压脉冲期间,MOS管关闭,电流截止,输出端由储能电感和电容提供能量,维持直流电压输出。
1脚接反馈,调节占空比得到额定直流输出电压。
3脚为电流检测脚,提供过流、短路保护。
4脚接电阻后接地,调节MOS管的开关频率。
8脚接电容接地,关闭软开关功能。
3.3.3控制电路的元器件选取
一、
的选取
电阻
用于选择开关频率,NCP1252A开关频率在50KHZ到500HKZ之间。
假定选择开关频率为100KHZ,则:
.............................................(3-1)
其中,
是
引脚上呈现的内部电压参考(2.2V)。
Rt阻值与开关频率关系图,如图3-10所示:
图3-10Rt阻值与开关频率关系图
二、感测电阻
NCP1252A的最大峰值电流感测电压达1V。
感测电阻(
)以初级峰值电流的20%余量来计算,其中10%为励磁电流,10%为总公差:
.....................(3-2)
三、斜坡补偿
斜坡补偿指在防止频率为开关频率一半时出现次斜坡振荡,这时转换器工作在CCM,占空比接近或高于50%。
由于是正激拓扑结构,重要的是考虑由励磁电感所致的自然补偿。
根据所要求的斜坡补偿(通常为50%至100%),仅能够外部增加斜坡补偿与自然补偿之间的差值。
目标斜坡补偿等级为100%。
相关计算等式如下:
内部斜坡:
.............................................(3-3)
初级自然斜坡:
........................................(3-4)
次级向下斜坡:
...............................(3-5)
自然斜坡补偿:
........................................(3-6)
由于自然斜坡补偿低于100%的目标斜坡补偿,我们需要计算约33%的补偿:
.........................(3-7)
......................................(3-8)
由于
网络滤波需要约220ns的时间常数,故:
.............................(3-9)
四、输入欠压电阻
输入欠压(BO)引脚电压低于
参考时连接
电流源,从而产生BO磁滞。
..............................(3-10)
.........................................(3-11)
3.4高频变压器的设计与绕制
3.4.1高频变压器的规格设计
一、相关规格参数
输入:
AC200--240V50Hz
输出:
DC12V15A
Pout:
180W
fs:
100Hz
二、选择core材质,决定
选择PC40材质core,取
=0.25T
三、确定coreAP值,决定core规格型号
.................(3-12)
..............................................(3-13)
J为电流密度,取400
,Ku取0.2。
......(3-14)
选用EQ41PC40。
其参数为:
AP=2.3262
Ae=260
AL=4690
25%
四、计算Np,Ns
(1)计算匝比n
......................(3-15)
Vf:
二极管正向压降,取1V。
......................(3-16)
.....................................(3-17)
将公式(3-16)和(3-17)计算结果代入(3-15)得:
......................................(3-18)
n取7.5。
检验Dmax:
..........................(3-19)
.............................(3-20)
(2)计算Np
为MOS管的导通时间:
................................................(3-21)
.........................(3-22)
取15Ts
(3)计算NS
.......................................................(3-23)
(4)验算
以Ns验算Np
.....................................................(3-24)
取Np=15Ts
(5)确定NR
NR=NP=15Ts
(6)检验
选择的合理性
...........................(3-25)
五、计算线径
(1)求初级线径dwp
.....................................(3-26)
...............................................(3-27)
.....................................................(3-28)
...........................................(3-29)
(2)求
绕组线径dwr
............................................(3-30)
....................................(3-31)
...................................................(3-32)
.....................................(3-33)
(3)求绕组
的线径dws
....................................................(3-34)
........................................................(3-35)
................................................(3-36)
3.4.2高频变压器的绕制工艺
一、绕线
1.确定BOBBIN的参数;
2.所有绕线要求平整不重叠为原则;
3.单组绕线以单色线即可,双组绕线必需以双色线来分脚位,以免绕错;
4.横跨线必需贴胶带隔离;
5.疏绕完全均匀疏开;
6.密绕排线均匀紧密;
7.线圈两边与绕线槽边缘保持足够的安全距离;
8.套管长度必须足够,一端伸入绕线管的安全胶带以内,另一端伸出BOBBIN上沿面,但不得靠近PIN;
9.最外层胶带切割在铁芯组合面,切割处必须被铁芯覆盖;
10.胶带边缘与绕线槽平齐,胶带不歪斜,不反摺不破损;
11.跨越线底下须贴胶带,保持跨越线与底下线圈绝缘。
二、缠线
1.立式BOBBIN:
粗线:
:
0.8φ以上缠线1圈;细线0.2-0.8φ缠线1.5圈;极细线0.2φ以下缠线圈。
立式BOBBIN缠法之原则:
缠线尽量压到底以不超过凸点为原则。
2.卧式BOBBIN:
约缠2-3圈,疏绕不要压到底,以免焊锡时烫伤BOBBIN,如果有宽度限制且规格严格时才用此方式,将缠线压到底后焊锡,再剪边PIN,以减少整个变压器的宽度。
3.横式(卧式,BOBBIN之缠法:
约缠2-3圈疏绕,不要压到底以免焊锡时烫伤BOBBIN。
注:
如果产品有宽度限制且规格紧必须将缠线部分剪短时为特例,此时即必须将缠线尽量压到底。
三、套管
一般套管之位置规则:
外部:
套管未端与PIN之距离愈短愈好,但切记绝对不可将套管缠在PIN上会造成空焊现象。
内部:
无边墙配合,平贴BOBBIN约1/2L的长度;b.有边墙配合,套管一定要在档墙内。
档墙胶带(margintape)其宽度及材料不可任意更换,因为在设计变压器时其宽度及材质都是涉及安规需特别注意[16]。
档墙胶带之宽度:
一般需与绕线绕组的高度等高,以防止在绕线时铜线叠在假墙上,但如果因装core困难时有时会包约1/2-3/4的高度,但以绕线不叠在假墙为原则.
技巧:
有时因出入线粗又有套管时如果会影响其厚度时可采用跳过引出线的做法,此时要特别注意套管的位置,一定要有足够安全距离(深入假墙
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