智能型开关电源课设综述.docx
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智能型开关电源课设综述
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电气工程学院教研室:
电气工程学院
号学
一课计空
课程设计(论文)任务
T/0L^i思r翅八站即舲的像调跖ufto_一匕LO匕匕祥,y作方的电価匕乙拥拥删禰勲删齢jg妬参1.2.3-1.5.更怖用眈舐敲Misi鳩进讣23,。
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指导教师评语及成绩
成
日
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月年
摘要
本次试验从电源出发,利用学过的相关知识和有关经验,提出一项简单实用的智能开关电源设计方案,也是本次课程设计的U的。
这次课程设计是在教师的指导下查阅资料、设计、焊接、和调试岀来的电子电路。
智能开关电源是个经济实用并且可靠的一件实物制作。
这次实物制作中用到了变压器、二极管、三极管,整流桥、电容、电阻、稳压器等原件,而且达到了预定的要求。
最后通过仿真电路达到了电压转换、断电保护、故障显示和可调输出的性能要求。
关键词:
滤波;变压器;二极管;稳压输出;整流桥
第1章绪论3
1.1智能型开关电源的概况与应用意义3
1.2本文研究内容3
第2章智能型开关电源设计方案论证4
2.1智能型开关电源设计的要求、技术指标及性能指标4
2.2设计方案论4
2.3总体设计方案框图及分析5
第3章智能型开关电源各单元电路设计6
3.1交流EMI滤波及整流滤波电路6
3.2功率变压器的设计6
3.3驱动电路设计7
第4章智能型开关电源整体电路设计9
4.1整体电路图及工作原理9
4.2电路参数计算10
4.3整机电路性能分析11
第5章设计•总结12
参考文献13
附录14
第一章绪论
1.1智能型开关电源的概况与应用意义
随着国民经济发展,人们对供电可幕性的要求越来越高,智能型开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化.经过多年的发展,智能型开关电源技术已经取得了很大成功,其应用也十分普遍和广泛。
作为对连续供电的一种保障,因其结构复杂,涉及的元器件较多,以及要降低成本、提高可靠性,仍存在一些问题需要解决。
智能型开关电源是各种电子设备必不可缺少的组成部分,其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作,例如:
电源的设计和生产需要较高的技术支持;电路的调试要有实际经验,也有一定的难度。
开关电源以其体积小、效率高、重量轻等优点受到人们的重视,近儿年在我国取得了广泛的应用,将单片机用来控制开关电源,完全改变了一般开关电源只完成功率转换功能的方式,它使开关电源具备了更完善的功能:
1对远行中的开关电源进行监测,自动显示电源状态;
2可以通过按键进行编程控制,实现对蓄电他的优化充电;
3可以进行故障自诊断,对电源功率部分实现自动保护;
4可以进行多机通信,便于更灵活地组成分布式电源系统,对大功率负载进行供电。
2本文研究内容
设计并制作一台输出直流电压v=OV~20V;最大输出电流仏“=3A;
具有断电保护功能和故障显示功能的智能型开关电源。
第2章智能型开关电源设计方案论证
2.1智能型开关电源设计的要求、技术指标及性能指标
设计参数:
1.设计并制作一台智能型开关电源。
2.输出直流电压匕=OU~20V-
3.最大输出电流/⑷=3Ao
4.具有断电保护功能。
5.具有故障显示功能
设计要求:
1.分析设计要求,明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等,广开思路,构思出各种总体方案,绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较,并考虑器件的来源,敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,釆用左进右出的规律摆放各电路,并标出必要的说明。
2.2设计方案论
在科研生产、实验等在科研生产、实验等应用场合,经常用到电压在5"15V,电流在5>0A的电源。
而在一般实验用电源最大电流只有5A、10A。
专门开发了电压4V~16V连续可调,输出电流最大40A的开关电源。
它采用了半桥电路,所选用开关器件功率HOS管,开关工作频率为50KHZ,具有重量轻、体积小、成本低等特点。
2.3总体设计方案框图及分析
该电源的原理图如图1所示。
220V交流电压经过EHI滤波及整流滤波后,得到约300V的直流电压加到半桥交换器上。
用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管,通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压,
经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电丿总
辅助
电路
反馈
4
电路
控制电路
图1原理框图
第3章智能型开关电源各单元电路设计
3.1交流EMI滤波及整流滤波电路
交流EMI滤波及整流滤波电路如图2所示。
电子设备的电源线是电磁干扰
(EMI)进入电子设备的一个重要途径,在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径,本电源滤波器山带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。
ICE插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。
PCB电源滤波器主要是抑制功率功率开关转换时产生的高频噪音。
交流输入220V时,整流采用桥式整流电路。
如果将JTI跳线短链时,则适用于110V交流输入电压。
由于输入电压高,电容器容量大,因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流,一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。
这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏,也可能造成高频变压器磁芯饱和和损坏功率器件,造成高压电解电容使用寿命降低等。
所以在整流桥前加入由电阻R1和续电器K1组成的输入软启动电路。
3.2功率变压器的设计
工作频率的设定
工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。
工作频率高,输出滤波电感和电容体积减小,但开关损耗增高,热量增大,散热器体积加大。
因此根据元器件及性价比等因素,将电源工作频率进行优化设计,本例为fS二50KHZ,T二1/fs二1/50KHZ二20us
磁芯选用
1选取磁芯材料和磁芯结构
选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。
其具体有品种多,引线空间大,接线操作方便,价格便宜等特点。
2确定工作磁感应强度Bin
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs二0.47T,考虑到高温时Bs会下降,同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和,选定Bm二1/3Bs二0.15T。
3计算并确定磁芯型号
磁芯的儿何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输入功率Po存在一定的函数关系。
对于半桥变换器,当脉冲波形近似为方波时为SQ二
(1)
式中:
N效率
j——电流密度,一般取300~500A/cm2
Kc—磁芯的填充系数,对于铁氧体Kc=l
Ku—--铜的填充系数,Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量的有关,一般为0.「0.5左右。
各参数的单位是:
Po—W,S—cm2,Q—cm2,Bm—T,fs—HZ,J—A/CM2
取Po二640W,Ku二0.3,j二300A/cm2n二0.8,Bm二0.15T带入式
(1)中得SQ二4.558cm4
由厂家手册知,EE55磁芯的S二3.54cm2,Q=3.1042cm2,SQ二10.9cm4,EE55
磁芯的SQ值大于计算值,选定该磁芯。
3.3驱动电路
驱动电路如图3所示,TL494输出50KHZ的脉冲信号,通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率M0S管。
经过脉冲电压为正时,M0S管导通,在此期间截止,山其构成的泄放电路不工作。
当初级脉冲电压为零时,则Q7导通,快速泄放H0S管栅极电荷,加速M0S管截止。
R70是用于抑制驱动脉冲的尖峰,R68、D15.R67可以加速驱动并防止驱动产生振荡。
D17和它相连的脉冲
变压器绕组共同构成去磁电路
R68
图3驱动电路
第4章智能型开关电源整体电路设计
4.1整体电路图及工作原理
控制电路具有通用性和成本低等优点,见图4.开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线
性电源相比,开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比山开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被站成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
输出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压釆样,经R5阻抗匹配后送到TL494脚1.RV1装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。
R103和C14将输出电感L1前信号釆样,经R3送到TL494脚1,用于提高电源稳定度,消除L1对环路稳定性影响。
图4整体电路图
4.2电路参数计算
计算原副边绕组匝数
按输入电压最低及输出满载的情况下(此时占空比最大)来计算原副边绕组匝数,已知Umin二176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=l.2*176=211.2V
对于半桥电路,功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,既Upmin二Udmin/2二105.6V,设最大占定比Dmax=0.9,贝9tonmax=XTX:
Dmax=X20X0.9=9.Ous;Upmin*tonmax*104=105.6*9.0*10-6*104代入公式Nl=8.9匝
次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16Vo次级电路釆用全波整流,Us为次级绕组上的感应电压,U。
为输出电压,Uf为整流二极管压降,取IVUz为滤波电感等线路压降,取0.3V,则Us=19.22VN2=XN1=X8.9=1.8匝
为了便于变压器绕制,次级绕组取为2匝,则初级绕组校正为:
N1=XN2二10匝
选定导线线径
在选用绕组的导线线径时,要考虑导线的集肤效应,一般时,要考虑导线的集肤效应,一般要求导线线径小于两倍穿透深度,而穿透深度△山式
(2)决定△=
(2)式中:
w为角频率,w=2nfs;口为导线的磁导率,对于铜线相对磁导率Ur二1,则u=p0*ur=4Ji*10-7H/m:
y为铜的电导率,y二58*10-6Qm;穿透深度△的单位为mo
变圧器工作频率50KHz,在此频率下铜导线的穿透深度为△二0.2956mm,因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。
另外考虑到铜线电流密度一般取3〜6/mm2,故这里选用0.56mm的漆包线8股并联绕制初级共10匝,次级选用厚0.15mm扁铜线绕制2匝。
4.3整机电路性能分析
为增強电源可靠性,此电源采用初、次级两级过流保护。
初级采用电流互感CT1检测初级变压器电流,检测出的电流信号经R60转为电压信号后,再经D2〜D4,C9整流滤波后,经过电位器RV3分压,反相器N3反相后加在Q1管基级。
当初级电流超过正常时,反相器反转。
输出电流总线上过流保护,采用R45、R56电阻作为采样电阻,当输出电流增加是,脚15电平变低,当输出电流大于40A的105%时,内部运放动作,脚3电平升高,限制输出脉宽增加,电源处于限流状态。
第5章设计总结
通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关智能开关电源方面的知识,在设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次乂一次的思考,一遍乂一遍的检查终于找出了原因所在,也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知,通过亲自动手制作,使我深深的感受到了理论联系实际的必要性,在我们以往的学习过程中,我们刻意地去加强理论的基础,对于一个程序我们只求它在运行时没有出错,我们便以为我们的计划成功了岂不知它能否在硬件结构中得以实现则是另一回事,这就是我们的动手能力了。
在课程设计过程中,我们不断发现错误,不断改正,不断领悟,不断获取。
最终的检测调试环节,本身就是在践行“过而能改,善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了,而且达到了预定的要求。
课程设计诚然是一门专业课,给我很多专业知识以及专业技能上的提升,同时乂是一门讲道课,一门辩思课,给了我许多道,给了我很多思,给了我莫大的空间。
同时,设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
回顾起此课程设计,至今我仍感慨颇多,从理论到实践,在这段日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所学过的知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,但可喜的是最终都得到了解决。
此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询,只要认真钻研,动脑思考,动手实践,就没有弄不懂的知识,收获颇丰。
而且达到了预定的要求。
最后通过仿真电路达到了电压转换、断电保护、故障显示和可调输出的性能要求。
参考文献
[1]刘贤兴,李众,李捷辉《新型智能开关电源技术》北京:
机械工业岀版社.2004.
⑵叶治政,叶靖国《开关稳压电源》北京:
高等教冇出版社.1998.
[3]何希才,《新型开关电源及其应用》北京:
人民邮电出版社.1996.
[4]康华光,《电子技术基础》北京:
高等教育出版社.2006.
附录
器件清单
元件名称
元件参数
电阻
100K
47K
100
1K
5K
4.7K
0.1K
1M
电
容
10Uf
0.OluF
luF
lOOOuF
lOOOpF
二极管
DlD2
三极管
18A950
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