20w单端反激式开关电源课件.docx
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20w单端反激式开关电源课件
电子综合设计与制作
课程设计(论文)
20w单端反激式开关电源设计
院(系)名称
电子与信息工程学院
专业班级
电子122
学号
120404063
学生姓名
卡拉卡提
指导教师
孙福明
起止时间:
2014.12.15—2014.12.26
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电子与信息工程学院教研室:
电子信息工程
学号
120404063
学生姓名
卡拉卡提
专业班级
电子122
课程设计(论文)题目
20w单端反激式开关电源设计
课程设计(论文)任务
任务要求:
1、方案的经济技术论证。
2、整流电路设计。
3、逆变电路设计。
4、通过计算选择器件的具体型号。
5、驱动电路设计或选择。
6、绘制相关电路图。
7、完成4000字左右说明书。
技术要求:
1、输入电压单相:
170~260V。
2、输入交流电频率:
45~65HZ。
3、输出直流电压:
12V恒定。
4、输出直流电流:
2A。
5、最大功率:
25W。
6、稳压精度:
<直流输出电压整定值的1%。
指导教师评语及成绩
平时成绩:
答辩成绩:
论文成绩:
总成绩:
指导教师签字:
年月日
注:
平时成绩占20%,答辩成绩占30%,论文成绩占50%。
摘要
近年来,随着电力电子技术的发展,开关稳压电源正朝着小型化、高频化﹑继承化的方向发展,高效率的开关电源已经得到了越来越广泛的应用,单端反激式电路以其简单,可以高效提供直流输出等诸多优点,特别适合设计小功率的开关电源。
开关电源是利用现代电子技术,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,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
开关电源比普通的线性电源效率高,开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
本文介绍了一种单端反激式单片开关电源的设计方法。
该开关电源输入电压单相170~260V,输入交流电频率45~65HZ,输出直流电压12V恒定,输出直流电流2A,最大功率:
25W,可获得高质量的稳压输出。
参照给定的该电源的技术参数,设计了该开关电源的滤波、整流、逆变等电路。
详细的给出了开关电源高频变压器的设计方法,文中给出了主电路图,通过基本计算,选择控制电路和保护电路的结构以及变压器的变比及容量。
本文重点介绍该电源的设计思想,工作原理及特点。
关键词:
开关电源;反激电路;脉宽调制
目录
第1章绪论1
1.1开关电源技术概况1
1.2本文设计内容1
第2章需求分析1
2.1调研情况1
2.2开关电源种类1
2.3单端反激式开关电源2
2.4开关稳压电源的电路原理框图3
2.5调宽式开关稳压电源的基本原理3
2.6开关电源的两种工作模式4
第3章系统设计5
3.1系统总体结构设计5
3.2具体电路设计5
3.2.1整流部分5
3.2.2控制设计6
3.2.3保护电路设计7
3.3元器件型号选择7
3.3.1EMI滤波电路7
3.3.2整流电路8
3.3.3控制电路8
3.4驱动电路9
第4章课程设计总结10
参考文献11
第1章绪论
1.1开关电源技术概况
随着电子技术的高速发展,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、电力检测设备电源、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,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
开关电源比普通的线性电源效率高,开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右。
另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。
20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。
开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,开关电源比普通线性电源体积小,轻便化,更便于携带。
1.2本文设计内容
开关电源体积小、效率高,被誉为高效节能电源,现已成为稳压电源的主导产品。
当今开关电源正朝着集成化、智能化的方向发展。
高度集成,功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的的主流方向。
单端反激开关电源具有输出纹波小,输出稳定、体积小、重量轻、效率高以及具有良好的动态响应性能等许多优点,被广泛应用在小功率开关电源的设计中。
本论文主要围绕当前流行的反激变换器进行了小功率开关电源的设计和特性研究。
论文主要内容如下;
为小功率电子设备如影碟机,CD机,移动硬盘等提供12V稳定的直流电压,以取代低效率的线性稳压电源,减少电源的体积和重量。
本文主要研究内容包括;方案的经济技术论证,整流电路设计,逆变电路设计,通过计算选择器件的具体型号,驱动电路设计或选择,绘制相关电路图。
电源主要技术参数:
1、输入电压单相:
170~260V。
2、输入交流电频率:
45~65HZ。
3、输出直流电压:
12V恒定。
4、输出直流电流:
2A。
5、最大功率:
25W。
6、稳压精度:
<直流输出电压整定值的1%。
第2章需求分析
2.1调研情况
20世纪60年代末,由于微电子技术的快速发展,高反压、大电流的功率开关晶体管出现,从此,直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电,终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压器甩掉了,从而迅速地扩大了它的应用范围,在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。
开关电源优点:
内部功率损耗小,转换效率高,体积小,重量轻,稳压范围宽,线性调整率高,滤波效率大为提高,滤波电容的容量和体积大为减小,电路形式灵活多样。
与线性稳压电源相比,其工作频率比线性电源工频高了几个数量级,开关电源比普通的线性电源效率高。
由于线性电源功率管工作在线性区,由P=UI得,随着I越来越大功率就越大。
而开关电源工作在开、关两种状态,当电阻很小时为开,当电阻很大时为关。
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开关电源种类
开关型稳压电源的种类很多,分类方法也有很多种。
从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式,在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡;它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器,振荡器产生的开关脉冲加在开关管上,控制开关管的导通和截至。
按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等,单端式开关电源仅用一个开关管,推挽式和半桥式采用两个开关管,全桥式则采用四个开关管。
按开关管的连接方式,开关电源分为串联型与并联型开关电源,串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的,属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的,属于升压式电路。
2.3单端反激式开关电源
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,副边上没有电流通过,能量储存在高频变压器的初级绕组中。
当开关管VT1截止时,变压器T副边上的电压极性颠倒,使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源电路简单、所用元件少,输出与输入间有电气隔离,能方便的实现单路或多路输出,开关管驱动简单,可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内,且有较好的电压调整率。
其输出功率为20~100W。
它也有其一定的缺点,如开关管截止期间所受反向电压较高,导通期间流过开关管的峰值电流较大。
但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件,在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。
一般来说,功率很小的电源(1~100W)采用电路简单、成本低的反激型电路较好;当电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时,则应采用正激型电路;对于功率大于500W、工作条件较好的电源,则采用半桥或全桥电路较为合理;如果对成本要求比较严,可以采用半桥电路;如果功率很大,则应采用全桥电路;推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。
单端反激式开关电源的典型电路如图2.1所示。
图2.1单端反激式开关电源
2.4开关稳压电源的电路原理框图
交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
反馈控制电路为脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。
这部分电路目前己集成化,制成了各种开关电源专用集成电路。
控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。
开关稳压电源的电路原理框图如图2.2所示。
图2.2开关电源电路框图
2.5调宽式开关稳压电源的基本原理
开关稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种。
在目前开发和使用的开关电源电路中,绝大多数为脉宽调制型,即为PWM技术。
PWM技术,全称脉冲宽度调制(PulsewidthModulation,PWM)技术,是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形(含形状和幅值)的。
PWM控制技术主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换的诸多领域。
PWM开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件的导通脉冲宽度,使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。
对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。
直流平均电压Uo可由公式(2-1)计算;
Uo=UM* T1/T (2-1)
式中Um—矩形脉冲最大电压值;T—矩形脉冲周期;T1—矩形脉冲宽度。
当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。
这样,只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可达到稳定电压的目的。
调宽式开关稳压电源的控制原理如图2.3所示。
图2.3脉宽调制式开关电源控制原理图
2.6开关电源的两种工作模式
开关电源有两种工作模式,一种是连续模式CUM(ContinuousMode),另一种是非连续模式DUM(DiscontinuousMode)。
在连续模式下,初级开关电流是从一定幅度开始增大的,上升到峰值再迅速回零。
其开关电流波形成梯形。
这表明,因为在连续模式下,储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内并未全部释放掉,所以下一开管周期具有一个初始能量。
采用连续模式可减小初级峰值电流IP和有效值电流IRMS,降低芯片的功耗。
但连续模式要求增大初级电感量LF,这会导致高频变压器的体积增大。
综上所述,连续模式适用于选输出功率较小的和尺寸较大的高频变压器。
非连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值,再降至零的。
这意味着储存在高频变压器中的能量必须在每形个开关周期内完全释放掉,其开关电流波形呈三角形。
非连续模式下的IP,IRMS值较大,但所需要的IP较小。
因此,它适合采用输出功率较大的,配尺寸较小的高频变压器
第3章系统设计
3.1系统总体结构设计
由输入整流滤波电路,单相逆变桥,高频变压器,输出整流滤波电路等四部分组成。
电源的主电路结构如图2.4所示。
图2.4反激开关电源主电路图
3.2具体电路设计
3.2.1整流部分
电容滤波的单相不可控整流电路如所图3.1所示。
图3.1电容滤波的单相不可控整流电路图
3.2.2控制设计
本设计采用UC3842芯片控制开关器件的开通与关断。
UC3842是美国Unitrode公司生产的采用峰值电流模式控制的集成PWM控制器,专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。
UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路,其内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、5VC基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等,如图3.2所示。
图3.2UC3842的管脚图
1.5V基准电源:
内部电源,经衰减得到2.5V作为误差比较器的比较基准。
该电源还可以提供外部5V/50mA
2.振荡器:
产生方波振荡。
T接在④、REF⑧脚之间,RVCT接④、GND⑤之间,频率f=1.8/(CTRT),最大为500kHz。
3.误差放大器:
由VFB端输入的反馈电压和2.5V做比较,误差电压COMP用于调节脉冲宽度。
COMP端引出接外部RC网络,以改变增益和频率特性。
4.输出电路:
图腾柱输出结构,电路1A,驱动MOS管及双极型晶体管。
5.电流取样比较器:
③脚ISENSE用于检测开关管电流,可以用电阻或电流互感器采样,VISENSE>1V时,当关闭输出脉冲,使开关管关断。
这实际上是一个过流保护电路。
开通阈值16V,关闭阈值10V,
6.欠压锁定电路VVLO:
具有滞回特性。
7.PWM锁存电路:
保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期,即所谓逐脉冲控制。
另外,VCC与GND之间的稳压管用于保护,防止器件损坏。
8.图腾柱输出电路(TotemPole):
上晶体管导通下晶体管截止,输出高电平;下晶体管导通上晶体管截止,输出低电平;上下两晶体管均截止,则输出为高阻态。
3.2.3保护电路设计
1.过电流保护
当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路;驱动、触发电路或控制电路发生故障;外部出现负载过载;直流侧短路;可逆传动系统产生逆变失败;以及交流电源电压过高或过低;均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流,即出现过电流。
因此,必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。
2.过电压保护
设备在运行过程中,会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时,设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现,因此,必须对电力电子装置进行适当的过电压保护。
3.3元器件型号选择
3.3.1EMI滤波电路
需要L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。
需要指出,当额定电流较大时,共模扼流圈的线径也要相应增大,以便能承受较大的电流。
此外,适当增加电感量,可改善低频衰减特性。
Ca采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01μF~0.47μF,主要用来滤除差模干扰。
Cb跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效地抑制共模干扰。
Cb亦可并联在输入端,仍选用陶瓷电容,容量范围是2200pF~0.1μF。
为减小漏电流,电容量不得超过0.1μF,并且电容器中点应与大地接通。
C1~C4的耐压值均为630VDC或250VAC。
因此,最后选取个元件参数如下:
差模干扰抑制电容Ca选取
共模干扰抑制电感T=20mH
共模干扰抑制电容
3.3.2整流电路
由设计要求可知AC输入值是380V通过整流滤波输出537.4V的直流电压。
试中
-----整流电路输入侧电压
-----整流输出直流电压
考虑10%余量取
选取整流二极管由上式知二极管承受的管压降为
所以选取二极管型号为IN4005,其最高反响峰值电压为600V
3.3.3控制电路
振荡器的振荡频率由外接的电阻和电容决定,而外接电容同时还决定死区时间长短。
死区时间、开关频率同选取开关频率和电容的关系如下所示:
死区时间
,开关频率
,
求得
,
3.4驱动电路
在选择开关管的驱动电路时,本电源主功率管选用的是电压型驱动方式的MOSFET,每个桥臂的两个开关管180互补导通,每个桥臂的两个开关管的驱动电路相互隔离。
如果要驱动功率较大的MOSFET,控制芯片的驱动能力就显得不够了,那么可以将控制芯片的驱动信号加以功率放大。
场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电。
它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
场效应管与晶体管的比较
1.场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。
在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。
2.场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电。
被称之为双极型器件
3.有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。
4.场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。
5.场效应管开关速度快,没有双极型三极管的电流拖尾现象,但导通电阻比双极型三极管大,电流也没双双极型大(同级别相对而言)。
不过现在现在的场效应管在导通电阻和通过电流方面已经有相当大的改进了,用于开关电源性能优于双极型三极管。
只不过实际使用时考虑到价格和性能要求,不用场效应管也可以。
在大功率应用中,MOSFET比双极型晶体管广泛,这是因为他是电压驱动型开关,漏电流小,且管耗低。
第4章课程设计总结
通过本次的开关电源设计,遇到了许多问题,比如;线圈是纯手工绕制,多次绕制都不能满足要求,未能达到理想效果。
通过查阅相关资料后明白是由于绕制时匝与匝之间空隙太大。
由于是手工绕制仍然无法达到匝与匝之间完全无空隙。
为了解决这问题将空隙补齐,基本能达到要求。
还在设计过程中,MOSFET开关功率管经常烧坏,是由于两组功率管同时导通时,功率开关变压器初级绕组一个给磁心正向激磁,另一个给磁心反向激磁,相互抵消。
这样一来,功率开关变压器的次级无感应电压产生,输出端无直流电压流出;而且,功率开关变压器初级的两个对称绕组将输入直流电源电压直接短路到两只功率开关的集电极—发射极之间,使集电极峰值电流急剧增加,严重时两只功率开关同时电流击穿而被损坏。
产生这个问题的原因除了功率开关所在的存储时间以外,还有一个就是死区时间不够。
为解决死区时间的问题,我们使用KA3525芯片,其7脚DISCHAGE是控制死区时间。
在它和5脚上分别接上不同的电阻R2和电容C1就可以设置不同的死区时间
也查询各种资料,我加深了书本上对单端反激式开关电源的理解,锻炼了动手的能力,明白了一般电子产品设计的步骤。
在这次开关电源的设计过程中加强我自己查找资料,收集信息的能力。
同时在制作开关电源过程中,考虑各种因素,各种元件参数的选择以及计算,电路设计以及原理分析,都加深了我对以前学过的“电路”,“电子技术基础”,“电力电子技术”等相关知识的理解。
本课程设计的完成过程才两个星期,时间很短,加上本人知识水平有限,对各种开关的理解还不够深入,所以论文只能在一个较浅的层面上进行讨论,不足之处我感到遗憾,并争取在今后的学习,工作中进一步提高认识,弥补欠缺。
通过这个课程设计,让我对这个课程有了更加深入的理解,也增强了自己的信心,对以后的学习和工作都有帮助。
本人签字:
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