反激式开关电源制作毕业设计.docx
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反激式开关电源制作毕业设计
编号:
电源技术
实训(论文)说明书
题目:
反激式开关电源制作
院(系):
信息与通信学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
学号:
指导教师:
2014年1月6日
摘要
本实验设计的开关稳压电源电路,主要采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换技术。
即将220V、50HZ的交流电(市电)转换成12V的直流电输出,中间经过滤波整流电路转换成直流电,再经过25W、12V反激式变换器整合成交流电,以提高变换效率,再经滤波整流电路转换成12V直流输出,最终得到直流电。
其中用SD4870芯片控制输出电压的占空比D,采用降压式斩波方式电路,即非隔离的交换方式,调节输入输出之间一定电流通道,电感平均电流:
IL=I0/1-D,调占空比可调节12V直流电压输出。
总的原理是:
在交流-直流电压变换器功能的中间接入直流-交流电路的结构,以增大转换效率。
其主要优越性是变换效率高,可高达70%~95%,除此之外,开关稳压电源的优越性还表现有:
功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等而被人们广泛使用。
关键字:
AC-DC-AC-DC;反激式变换器;整流滤波;负反馈回路;占空比;SD4870
Abstract
Theexperimentaldesignofswitchingpowersupplycircuit,themainAC-DC-AC-DC(AC-DC-AC-DC)conversiontechnology.Isabout220V,50HZAC(mains)into12VDCoutput,intermediatefilteredrectifiercircuittoconvertdirectcurrent,through25W,12VflybackconverterintegratedintotheAC,inordertoimproveconversionefficiency,andthenfilteredrectifiercircuitconvertedto12VDCoutput,andultimatelygetDC.
WhichcontroltheoutputvoltagewiththeSD4780chipdutycycleD,theuseofstep-downchoppercircuit,thatis,non-isolatedexchange,regulatingcertaincurrentbetweeninputandoutputchannels,theaverageinductorcurrent:
IL=I0/1-D,adjustthedutycycleadjustable12VDCvoltageoutput.Generalprincipleis:
theAC-DCconverterfunctioninthemiddleofaccessDC-ACcircuitstructuretoincreasetheconversionefficiency.Itsmainadvantagesarehighconversionefficiencycanbeashighas70%to95%,inadditiontotheadvantagesofswitchingpowersupplyisalsoreflectedare:
powerconsumption,widevoltagerange,smallsize,lightweight,safeandreliableetc.arewidelyused.
keywords:
AC-DC-AC-DC;flybackconverter;rectifierfilter;feedbackloop;duty;SD4870;
目录
引言1
1设计思想与总体方案1
1.1设计基本要求1
1.2总体设计方案1
1.3总原理框图2
2反击式开关电源工作原理及分析3
2.1滤波电路4
2.2整流电路4
2.3变压器6
2.4取样比较电路6
2.5脉宽调制电路6
3电路的安装及焊接8
3.1变压器的绕制8
3.2变压器的测验8
3.3元器件的焊接8
4产品调试及问题分析9
4.1产品调试9
4.2问题与分析改进10
5工作总结10
6实训总结11
谢辞12
参考文献13
附录14
引言
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,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。
另外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。
反激式开关电源变换器:
也称Flyback变换器,是将Buck/Boost变换器的电感变为变压器得到的,因为电路简洁,所用元器件少,成本低,是隔离式变换器中最常用的一种,在100W以下AC-DC变换中普遍使用,特别适合在多输出场合。
其中隔离变压器实际上是耦合电感,注意同名端的接法,原边绕组和副
边绕组要紧密耦合,而且用普通导磁材料铁芯时必须有气隙,以保证在最大负载电流时铁芯不饱和。
通过本次电源技术的实训,我们能把理论和实践有机的结合在一起,同时能够切切实实增强自己的动手能力。
这对我们今后的学习有着巨大的帮助,为以后能够更好的就业埋下铺垫。
1设计思想与总体方案
1.1设计基本要求
1、输入电压:
单相交流额定电压有效值220V±20%
2、频率:
频率范围45-65Hz
3、电流:
在满载运行时,输入220V,小于5A~8A。
在220V以上时,冲击电流不大于18A
4、直流输出电压U,可调范围:
11.5V~12V。
5、最大输出电流IOMAX:
5A~6A。
6、输出噪声纹波电压峰—峰值Uopp≤1V
7、进一步提高效率,AC—DC变换器的效率q≥70%
8、工作温度:
0~40ºC
1.2总体设计方案
本实验设计的开关稳压电源电路,主要采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换技术。
即将220V、50HZ的交流电(市电)转换成12V的直流电输出,中间经过滤波整流电路转换成直流电,再经过25W、12V反激式变换器整合成交流电,以提高变换效率,再经滤波整流电路转换成12V直流输出,最终得到直流电。
其中用SD4780芯片控制输出电压的占空比D,采用降压式斩波方式电路,即非隔离的交换方式,调节输入输出之间一定电流通道,电感平均电流:
IL=I0/1-D,调占空比可调节12V直流电压输出。
总的原理是:
在交流-直流电压变换器功能的中间接入直流-交流电路的结构,以增大转换效率。
其主要优越性是变换效率高,可高达70%~95%。
DC-AC转换步骤如下:
图1-1方案框图
说明:
选择了Buck降压变换器实现DC-AC变换,控制电路采用场效应管和PWM脉宽调制控制器SD4780芯片通过双闭环回路、反激式变换器共同控制DC-AC变换电路,实现输出电压稳定、可调;SD4780芯片产生高频脉冲控制DC-AC变换,经滤波整流电路后实现直流输出,其间经过过流保护、电压负反馈电路等电路处理。
该方案的优点:
1.电路结构简单,转换效率高、稳压性能优,并且转换效率高;
2.滑动变阻器VR1调节12V直流输出工作量较小,难度不大;
3.用脉宽调制型控制器实现PWM控制,产生频率为100KHZ的脉冲较容易,并且完全由硬件产生高频脉冲,实时性好;
该方案的缺点:
1.元件电器设计难度较大;
⒉电路板布线工作量较大;
3.脉宽调制型控制器实现PWM控制工作量大、难度大;
4.对反激式变换器匝数要求很高,绕制线圈难度较大;
1.3总原理框图
反激式开关电源电路基本设计原理图如下:
图1-2开关稳压电源基本原理框
2反击式开关电源工作原理及分析
图2-1反激式开关电源原理图
电路板电源接上220V交流电,电流流过热敏电阻(限流)和保险丝(保护),L线和N线之间加入安规电容(CX1)和安全电阻(ZNR1)保护接入电路,再经过共模电感(消除内外的电磁干扰),经过整流桥之后,电压升至约300V,大电容EC1用来滤波,电流经过R1、R2,并对电容EC2进行充电,SD4870A得到一个启动电压后启动,并通过1脚(GATE)控制场效应管SVD04N60F导通,电流经过变压器的异名端4脚对初级线圈进行储能,因为流过R1、R2的电流较小,不能维持SD4870A工作,SD4870A通过1脚给SVD04N60F的栅极一个低电平,场效应管不导通,初级线圈通过电磁的互感作用开始放电,变压器2、3同名端为高电平,电流从2脚出流过二极管FR107,最后进入SD4870A的Vcc端,维持芯片持续工作,芯片的PWM占空比由SD4870A的5脚(RI端)设定,频率为6500/100=65KHz,从而芯片就产生相应占空比的PWM让场效应管SVD04N60F周期性工作;次级线圈的电流由9、10同名端经过双向二极管(增大通过电流)进行半波整流,然后经过π型滤波器(电容EC4、电容EC5和电感L1组成,)滤波,最后输出电压为12V(R9用来消耗电能);当输出电压大于12V时,R13和R14间的电压大于6.5V,IC3导通,相当于导线,反馈电压在光电耦合器的发射端形成回路,光电耦合器工作,从而SD4870A的7脚(FB端)接收到一个电平信号,让SD4870A改变输出PWM的占空比,场效应管SVD04N60F的截止时间变短,导通时间变长,即变压器的储能时间变长,互感释放能量的时间变短,次级得到的能量就相应的减少,所以电压逐渐减小,降低到稳定的12V;当输出电压小于12V时,电源工作在欠压状态,R13和R14间的电压小于2.5V,即LT431的基准电压小于2.5V,IC3导通,相当于导线,反馈电压在光电耦合器的发射端形成回路,光电耦合器工作,从而SD4870A的7脚(FB端)接收到一个电平信号,让SD4870A改变输出PWM的占空比,场效应管SVD04N60F的截止时间变长,导通时间变短,即变压器的储能时间变短,互感释放能量的时间变长,次级得到的能量就相应的增加,所以电压逐渐升高,升高到稳定的12V电压。
该12V反激式稳压开关电源由滤波电路、整流电路、脉宽调制电路、变压器、取样比较电路、基准电压六部分组成。
下面详细介绍各个电路设计原理。
2.1滤波电路
滤波电路在电源中起着重要意义,它可以减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。
本次实训的反激式稳压开关电源的输入和输出处都采用了滤波电路。
在电源进线处用CX1、UU9.8、CY2构成的滤波隔离电路接在交流电源进线端,用于滤除外电网对电源的干扰、同时也隔离了电源对外电网的干扰。
UU9.8为功率电感,起限流作用线圈中的自感电动势总是与线圈中的电流变化相对抗。
在火线L进线处加入一个SCK-103的NTC形式的热敏电阻,它阻值25℃时候电阻值10K,阻值随着温度的升高而减小。
在电路中起限流用,采用负的温度系数(NTC)的电阻是为了让线路发热时覆铜线的电阻值变大,而SCK103的电阻降低,使限流阻值不易随温度而改变。
采用2A/250V的熔断器,保证电路的使用安全。
输入端的电路如下图2-2输入端滤波电路图所示。
在输出端同样采用了电容EC3、EC4、EC5和电感L1构成的滤波电路如下图2-3,让输出的电压更平滑、同时L1为扼流圈阻止交流分量输出,确保电路输出高质的12V电压。
图2-2输入端滤波电路图图2-3输出端滤波电路图
2.2整流电路
桥式整流电路的工作原理可分析如下。
二极管用理想模型来处理,即正向导通电阻为零、反向电阻为无穷大。
在e2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管D1流向RL,再由二极管D3流回变压器,所以D1、D3正向导通,D2、D4反偏截止。
在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。
其电流通路可用图2-4桥式整理电流流向图1中虚线箭头表示。
图2-4桥式整理电流流向图1图2-5桥式整理电流流向图2
在e2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过二极管D2流向RL,二极管D4流回变压器,所以D1、D3反偏截止,D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同。
其电流通路如图2-5桥式整理电流流向图2中虚线箭头所示。
综上所述,桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压的极性分别导通,将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连,负极性端与负载电阻的下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。
根据上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图2-6桥式整流波形图。
图2-6桥式整流波形图
由图2-6桥式整流波形图可见,通过负载RL的电流I以及电压U的波形都是单方向的全波脉动波形。
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。
因此,这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。
所以电路整流电路为图2-7桥式整流图所示AC220V经过全桥整流后输出AC300V的电压。
图2-7桥式整流波形图图图2-8反激电源的变压器原理图
2.3变压器
变压器是反激电源中最重要的组成部分。
由于3脚、2脚、9脚和10脚为变压器线圈的同名端,所以在SD4870输出的PWM信号中高位时让变压器的P3-5脚产生电压,p3脚的点位为低、由于同名端的的点位相同、此时1-2脚、7-9脚和8-10脚没有电压产生。
当SD4870输出的PWM信号中零电位时让变压器的P3-5脚电压消失、这时1-2脚、7-9脚和8-10脚的线圈的同名端极性反转产生电压,一部分给SD4870供电,另一部分降压输出。
如图2-8为反激电源的变压器原理图。
2.4取样比较电路
取样比较电路是稳压开关电源的反馈的重要组成部分、其中采样比较部分的芯片采用TL431(精密可调基准电源)。
TL431是一种并联稳压集成电路。
因其性能好、价格低,因此广泛应用在各种电源电路中。
其封装形式与塑封三极管9013等相同。
TL431的主要参数为:
1.最大输入电压为37V。
2.最大工作电流150mA。
3.内基准电压为2.5V。
4.输出电压范围为2.5~30V。
电路通过R13、R14和VR1的构成的分压电路,在输出端输出稳定的12V电压时,在LT431的比较级就可以产出稳定的2.5V电压,若输出的电压大于12V时,LT431就导通让光耦导通,使得脉宽调制器SD4870停止输出PWM信号,让变压器停止输出电压,使得输出的电压下降,当电压下降到12V时LT431有回复正常状态,光耦停止工作,SD4870继续工作,继续输出12V电压。
所以图2-9为该开关电源的取样比较电路原理图。
图2-9取样比较电路原理图
2.5脉宽调制电路
采用电流模式PWM控制器作为电源的脉宽调制器件。
SD4870是电流模式PWM控制芯片。
用于高性能、低待机功耗的离线反激变换器的控制。
在空载或轻载时,芯片工作在轻载模式,减小开关损耗,提高效率。
芯片的低启动电流,使得启动电路可以采用阻值大的启动电阻,来减小待机电流。
自带各种保护功能,包括每周期的过流保护、过载保护、输入电压的过压及欠压保护等。
抖频工作技术以及带软开关控制的图腾柱式驱动输出可以达到极佳的EMI性能。
启动控制:
SD4870的启动电流很低,因此可以快速启动。
外部启动电路可以采用较大的启动电阻,在保证启动正常的同时减小待机功耗。
在输入电压范围之内,可以采用2MΩ,1/8W的启动电阻。
抖频控制:
芯片采用抖频控制来改善EMI性能。
振荡频率随机调制后,基频的能量被扩展到一个窄频带中,从而减小基频处的电磁干扰。
整个应用系统的设计会变得更简单。
轻负载模式:
在轻负载或空载条件下,MOSFET的开关损耗、变压器的损耗以及外部snubber电路的损耗占总功耗的很大一部分。
而以上这些损耗正比与单位时间内的开关次数。
所以减小单位时间内的开关次数将直接降低以上损耗。
SD4870在轻负载或空载时刻进入轻负载工作模式。
只有当输出电压降低到设定设定值时,MOSFET才开始开关工作,同时,开关频率也降低。
否则,MOSFET一直截至。
振荡频率设置:
振荡由RI和GND之间的外接电阻值决定,两者之间的关系如下公式2-1所示。
(公式2-1)
其中,RRI为外接电阻值,单位是KΩ。
本电源电路R取100KΩ。
让PWM的脉冲的频率为65KHz。
保护功能:
芯片自带各种保护功能,包括每周期的过流保护、过载保护、输入电压的过压及欠压保护等。
通过输入电压补偿的过流保护阈值电压,实现输出的恒功率控制。
VDD由外部变压器的辅助绕组输出供电。
当VDD电压过高时,被钳位在阈值处;当VDD电压过低时,MOSFET开关截止,系统重新进入上电复位过程。
当FB电压超过过载保护电压阈值,且维持时间达到时,MOSFET开关截止,VDD电压开始下降,当VDD低于UVLO阈值后,重新复位启动。
图2-10脉宽调制电路
3电路的安装及焊接
3.1变压器的绕制
25W,1212V输出反激式变压器的绕制如下图方法:
磁芯骨架:
EE28/21
一次=60匝,二次=4匝,IC供电10匝
从最底层开始:
N1:
P5——3Φ0.5mm*1股21TS(圈)后加三层绝燃纸
N2:
P7——9Φ0.5mm*3股7TS后加二层绝燃纸
N3:
P8——10Φ0.5mm*3股7TS后加三层绝燃纸
N4:
P4——5Φ0.5mm*1股21TS后加二层绝燃纸
(最顶层)N5:
P1——2Φ0.5mm*1股7TS后加三层绝燃纸
图3-1变压器线圈示意图
注:
1、先从最底层绕起,即N1——N5,且层与层之前需加上绝缘纸;
2、P5——3表示从5脚进,3脚出(需加绝缘管套,其它脚不用加),一共绕21圈;
3、P7——9表示从7脚进,9脚出,3根线并绕,一共绕7圈;
4、绕线方向全部朝同一方向。
拿磁芯时必须轻拿轻放,否则容易弄坏。
3.2变压器的测验
(一)、合上磁芯测电感量和检验同名端顺序是否绕错
1电感表测3—4PIN,电感值约9mH。
2电感表测3—1PIN,同时短路4—2PIN,增加约3.5mH,其值约为12.5mH。
3电感表测3—7PIN,短路4—9PIN,电感值增加,约10.5mH。
4电感表测3—8PIN,短路4—10PIN,电感值增加,约10.5mH。
(二)、磁芯加气隙
在磁芯的两个侧柱各垫一层绝缘纸,合上磁芯,测量脚3到脚4的电感量。
测3—4PIN,电感值为1mH~900μH为正常,若电感值较大,加厚绝缘纸。
3.3元器件的焊接
焊接规则一般先装低矮、耐热的元件,最后按集成电路。
其主要顺序为由小到大,由里到外,由矮到高,为提高抗干扰性,元件与印刷板之间的距离应尽量小,最后再安装集成电路。
应按如下步骤进行焊接:
1、清理元器件的质量,并及时更换不合格的器件;
2、确定元件的安装方式,由孔距决定,并对照电路图核对电路板;
3、将元器件弯曲成我们所需要的形状,在本电路中所有电阻除(R12外)所有电阻均采用立式插装,尽量将字符置于易观察的位置,字符应从左到右,从上到下,以便于以后检查,将元件脚上锡,以便于焊接;
4、插装:
照电路图要求找好元器件对号插装,有极性的元件要注意极性,如集成电路的脚位等;
5、焊接:
各焊接点加热时间及用锡量要适当,防止虚焊、错焊、短路。
其中耳机插座,三极管等焊接时要快,以免烫坏;
6、检查焊接无误后剪去多余的引脚,检查所有焊点,并对照电路图仔细检查,并确认无误后方可通电;
7.在焊接电路之前,应该先去理解电路原理,看懂电路原理图和相关的安装与焊接要求;
8.在装配电路时,细心、耐心,恒心很重要,只有自己认认真真的去按照电路原理图上的元器件摆放的位置去找准、找对放置元器件才能确保电路的正确性,比如放置有极性电容是要分清正负极,在放置电阻时,要利用色环法计算准确电阻值的大小,放对位置,元器件的放置要尽量直,尽量贴近电路板,以免高频衰减而造成对讲距离衰减,如元器件放置位置不正确将会给后面的环节带来不必要的麻烦。
将元器件按照装配图放置在铜板的合适位置上,便可以焊接了。
焊接时注意查看各管脚的对应方向,以及管脚与管脚之间避免触碰发生短路,否侧得重新绕制变压器。
4产品调试及问题分析
4.1产品调试
采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换技术。
即将220V、50HZ的交流电(市电)转换成12V的直流电输出,中间经过滤波整流电路转换成直流电,再经过25W、12V反激式变换器整合成交流电,以提高变换效率,再经滤波整流电路转换成12V直流输出,最终得到直流电。
测试电路出现问题主要是在线圈的带载能力上,带载能力低,没有电流输出。
如:
(1).保险丝已坏或没有起到保护作用;
(2).反激式变换器的电感量没有达到要求,电感值为1mH~900μH为正常,若电感值较大,加厚绝缘纸。
(3).场效应管没有起到导通和截止作用;
(4).滤波整流、半波整流电路输出电源(电流)过高或过低,没有达到整流效果;
(5).电位器VR1和采样电路没有调节分压作用,使得直流电输出没有达到12V。
(6).消除漏感电路没有起到消除作用,即消除尖峰脉冲,消除变压器在场效应管导通和截止时时内部产生的漏感,放流回电源。
4.2问题与分析改进
(1)焊接时出现各焊点锡量不够或电烙铁不够热即焊,导致虚焊、错焊、漏焊、短路等。
要使电路能正常工作,焊接这一环节时不容忽视的。
解决方法:
首先,要看好电路原理图要求,清查元器件的数目、质量是否齐全或保证,并及时更换不合格的元件;确定元件的安装方式,由孔距决定,并对照电路图核对电路板;左手拿电路板,焊接时平行放置的元件字符朝自己,垂直放置的元件字符朝左边;尽量将字符置于易观察的位置,字符应从左到右,从上到下,便于以后检查;将元件脚上锡,便于焊接;对照电路图对号插装元件,有极性的元件要注意极性,如集成电路的脚位、电解电容等;焊接时需注意各焊点加热时间及用锡量要适当,防止虚焊、错焊、短路,其中线圈、三极管等焊接时要快以免烫坏;焊后剪去多余引脚,检查所有焊点,并对照电路图仔细检查,并确认无误后通电。
(2)芯片放错,导致电路不能正常工作甚至烧坏芯片。
电路中芯片SD4870、EE25放反,导致焊完芯片时才发现使错误的,无奈把芯片撬出来,反而导致电路板铜片脱落,再也没有办法重新焊芯片上去。
解决方法:
首先二极管IN4007、三极管NPN/PNP、PC123、SD4870芯片方位脚很明、显,即焊芯片时校准芯片凹口糟对正凹口糟,各管脚对应各管脚,保证无误后再焊接。
(3)输出端电源不到12V输出或不到12V输出,电路有几种可能情况,具体分析如下
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