闭路监控系统中开关电源电路设计.docx
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闭路监控系统中开关电源电路设计
揭阳职业技术学院
毕业论文(设计)
题目:
闭路监控系统中开关电源电路设计
学生姓名指导教师
系(部) 机电工程系专业
班 级 学号
提交日期201年月日答辩日期201年月日
201年月日
摘要
本设计应用开关稳压电源技术,设计输入为市电(220VAC,50Hz),输出为12V,2A的单端反击式开关稳压电源。
市电输入经过EMI滤波器,输入整流滤波,驱动MOSFET工作,将整流滤波得到的电压加到变压器初级上。
使变压器副边感应到电压,此电压经过输出整流管和π型滤波输出给负载。
而输出电压通过光耦PC817反馈到脉冲宽度调制器,使输出电压稳定在额定值。
其周边电路的构建,使该电路系统具有欠压、过压和过流保护功能,结合电路中其他部分的稳压二极管等保护元件,能够保护整个电路系统的工作安全。
该设计从开关电源的发展和背景,开关电源设计的意义,理论电路的构建和部分电路的实物搭建效果来综合演示论文成果。
详细介绍了每个部分及整个电路的工作过程,原理及工作条件,参数计算。
包括电路拓扑结构的比较和选择、电路的设计、元器件的参数计算以及型号选择、实物器件引脚识别、实物电路的搭建及结果。
中间对用到的重要元件PC817,8050和大功率场效应管MOSFET02N60P进行了详细的介绍,包括内部构造、具有的功能特点、电路连接方式、工作指标及工作原理。
关键词:
开关稳压电源;单端反击式;脉冲宽度调制;PC817
Abstract
ThedesignApplythetechniquesofswitchingpowersupply,todesignaSingle-endedflybackcounter-regulatedswitchingpowersupplyofinputforelectricityof220VAC,50Hz,output12V,2A.EnterafterEMIfilterinputrectifier,transformeranddrivenMOSFETturn-offtomakesensetothetransformersecondarysidevoltage,thevoltageoutputthroughtheoutputrectifiertotheload.TheoutputvoltagefeedbackthroughoptocouplerPC817topulsewidthmodulator,inordertokeeptheoutputvoltagestabilityintheratings.Peripheralcircuitsconstructedsothatthecircuitsystemhasundervoltage,overvoltageandovercurrentprotection.Thedesignofswitchingpowersupplyfromthedevelopmentandbackground,thesignificanceofswitchingpowersupplydesign,circuittheorybuildingandpartofthecircuit'sphysicalstructureseffecttheoutcomeoftheintegratedpresentationpapers.Includingthecomparisonandselectionofthecircuittopology,circuitdesign,componentsoftheparametercalculationandthemodelselection,thephysicaldevicepinidentification,physicalcircuitstructureandresults.ImportantcomponentsusedinthemiddleofthePC817,8050and02N60Pforadetaileddescription,includinginternalstructure,withthefunctionofthecharacteristicsofthecircuitconnection,performanceindicatorsandworkingprinciple.
Keywords:
RegulatedSwitchingPowerSupply;Single-endedflyback;Pulsewidthmodulation(PWM);PC817
第一章绪论
1.1课题的目的和意义
电源是现代通信、航空航天、生物技术、计算机等高科技领域内电子设备的动力支撑,它被誉为电子设备的心脏,没有安全良好的动力,质量和可靠性就无从谈起。
电源产业正成为电子制造业的焦点,它应用新技术,立足高起点迅猛向前发展。
[1]
开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面,开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个世界。
为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求,在满足体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强[2]的同时,还应有更好的可靠性和经济性。
电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。
1.2国内外开关电源研究现状
开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源已有30多年历史,最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。
后来脉宽调制(PWM)控制技术有了发展,用以控制开关变换器,得到PWM开关电源,它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制一PWM开关电源效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%一40%。
线性电源工作于工频,因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代,可大幅度节约能源,在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。
随着ULSI芯片尺寸不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;航天,潜艇,军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机,移动电话等)更需要小型化,轻量化的电源。
因此对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量要小。
此外要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。
我国开关电源的技术发展水平与国际先进水平平均有5~10年差距。
70年代起,我国在黑白电视机,中小型计算机中开始应用5V,20-200A,20kHZAC-DC开关电源。
80年代进入大规模生产和广泛应用阶段,并开发研究0.5~5MHz准谐振型软开关电源。
80年代中,我国通信(如程注交换机)电源在AC-DC及DC-DC开关电源应用领域中所六比重还比较低。
80年代末我国通信电源大规模更新换代,传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管(Thyristor,原称可控硅元件)相控稳压电源为大功率(48V,6kw)AC-DC开关电源(通信系统中常称为开关型整流器SMR)所替代;并开始在办公室自动化设备中得到应用。
工业应用方面,在锅炉火焰控制,继电保护,激光,彩色TV,离子管灯丝发射电流调节,离子注射机,卤钨灯控制等系统中均有应用。
从技术上看,几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的本要标志是:
1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。
2.软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。
3.控制技术研究的进展。
4.有源功率因数校正技术(APFC)的开发,提高了AC-DC开关电源功率因数。
5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。
6.新型电容器和EMI滤波器技术的进步,使开关电源小型化并提高了EMC性能。
7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用,提高了电源系统的可靠性。
可以看出,电源适配器,或者说是开关电源发展所需要的硬件,软件都在高速发展,为电子产品的发展创新提供了一个良好的发展环境。
1.3主要研究内容
本设计要完成的任务为:
设计一个闭路监控开关稳压电源,要求交流输入电压160V~250V,电网频率50HZ;输出电压为12V恒定,输出电流为2A,输出功率24W。
设计中要考虑的问题有电路拓扑结构的选择,这将决定电源设计是否适合设计要求。
电路拓扑结构确定之后需要选择控制IC,根据控制IC搭建周边电路,选择合适的反馈元件,以保证输出电压的恒定。
不但要考虑电源本身参数设计,还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计,其中包括必要的保护电路,防浪涌冲击、稳压、过压、欠压、过载、短路、过热等对电路的损害。
电路设计完成之后需要计算具体的元件参数,以及变压器的设计计算,才能完成设计的理论部分。
之后需要对电路进行实物连接来验证检验设计的成果。
通过实际调试得到的结果纠正和完善本设计。
这是进行整个方案设计的基本思路。
1.4本文结构
第一章是绪论,主要介绍了课题来源,应用到的相关技术的发展背景和设计要求。
概括的介绍了设计中涉及的主要研究内容。
第二章详细介绍了电路的组成,每部分的电路设计及工作原理,对于其中应用的相关元件做了全面的介绍。
第三章是在第二章设计的电路基础上对电路中各器件进行参数计算,某些元件进行了型号的确定。
第二、三章已经完成了课题的理论设计,之后第四章则说明了实际电路实验中需要用到的相关知识及调试,以及得到的实验结果。
本文最后总结了整个设计的全过程,表达了对设计过程中指导老师给予的帮助表示感谢。
最后是设计中用到的参考文献和总电路图。
第二章系统图的设计
首先根据开关电源的基本工作原理:
1.交流电源输入经整流滤波成直流;
2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
3.开关变压器次级感应出高频电压后,经整流滤波供给负载;
4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM调节占空比,以达到稳定输出的目的。
结合设计要求确定本系统的整体设计原理框图如图2-1。
图2-1整体的系统框图
然后选择电路的拓扑结构。
PWM开关电源控制方式主要有正激式和反激式两种,表2-1是常用的电路拓扑。
表2-1常见电路拓扑
常见的电路拓扑
说明
正激式单晶体管变换电路
变压器的一次和二次绕组是相同的同名端。
利用电感L储能及传送电能,电感器L积蓄的电能经二极管整流、LC滤波后向负载供电。
正激式单晶体管因为使用无气隙磁心,电感量较高,变压器的峰值电流比较小,输出电压纹波低,所以铜损耗小;电路比较复杂,元器件多,一般适合低电压、大电流的开关电源,多用于150W以下的小功率场合。
正激式双晶体管变换电路
输入电压范围宽,为交流85~265V(50Hz),适用范围比较广,可靠性高,稳定性好,两只单管串联起来可解决因高压反击而使开关管损坏的问题,双管正激式铜损耗小,纹波电压低,适用于低电压、大电流、大功率场合。
反激式单晶体管变换电路
反激式单晶体管变换电路效率高,电路简单,能提供多路输出,但在二次侧输出的电压中,有较大的纹波电压,通过加大输出滤波电容和电感可以解决纹波电压较大问题,但也增大了电源的体积。
反激式双晶体管变换电路
反激式双晶体管变换电路与反激式单晶体管变换电路相比,高频变压器不需要反馈绕组,有利于降低成本,缩小体积。
半桥式变换电路
半桥式变换电路是离线开关电源比较好的结构形式,初级开关晶体管的电压应力由于两只晶体管承受而减小,两只开关晶体管具有不同的开关特性。
桥式变换电路
桥式变换电路只需要一个原边绕组,通过正向、反向的电压得到正、反磁通,变压器铁芯和各个绕组完全利用,工作效率、开关电源的功率密度得到很大的提高。
四只功率晶体管消除电路里部分漏感所产生的瞬时电压,但是功率损耗比双晶体管推挽式变换器大一倍。
推挽式变换电路
推挽式变换用里两只晶体管进行推挽,利用率较高,效率高,输出纹波电压小,适合低输入电压的大功率变换器(几百瓦至几千瓦的开关电源),但是这类变换电路比较复杂,使用两只晶体管有时会出现偏磁现象。
RCC变换电路
RCC变换电路是一种自激式振荡电路,它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而改变,其结构简单,生产成本较低,制作、调试容易,但开关电流的峰值高,纹波电流大,只适合小功率的场合。
在正激电路拓扑中,输出电压的纹波峰峰值比升压式变压器低,同时可以输出比较高的功率,正激式电路可以提供数千瓦的功率,另外Buck变换器的输出电压必须低于输入电压。
反激式电路拓扑中,由于具有使用元件少,本身固有频率比较高的特点,在功率低于100——150W的场合非常受欢迎。
但是反激式电路的电流峰值比正激式电路高很多,因此在相当低的输出电压下也可能超出开关管的SOA。
总结上面对电路拓扑的比较,结合本设计要求,决定选用反激式电路拓扑。
所以本设计要求可以具体为:
反激式开关稳压电源的设计。
在工程实践中,除认真考虑设备内部的信号接地外,通常还将设备的信号地,机壳与大地连接在一起,以大地作为设备的接地参考点,设备接大地的目的是:
1.保护地,保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接,为了保护人员安全而设置的一种接线方式,保护“地”线一端接用电器外壳,另一端与大地作可靠连接。
2.防静电接地,泄放机箱上所积累的电荷,避免电荷积累使机箱电位升高,造成电路工作的不稳定。
3.屏蔽地,避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作的不稳定。
此外,还有防雷接地和音响中的音频专用地等等。
2.1供电方式的选择
应根据用户用电申请的容量、用电性质和用电地点,供电部门以保证安全、经济、合理的要求出发,以国家有关电力建设,合理用电等方面的政策,电网发展规划及当地可能的供电条件为依据。
供电方式涉及到电网发展、供电可靠性、供配电工程费的收取,用电分类和计量装置的配置等
供电方式的分类
按电压分有高压供电和低压供电;
按电源分有单相和三相供电;
按电源数量分有单电源和多电源供电;
按供电回路分有单回路和多回路供电;
按用电期限分有临时用电和长期用电;
按计量方式有高供高计与高供低计、非装表供电和装表供电;
按管理关系分有直接供电户、转供户。
按线路产权分为专线与公用线供电等。
2.2控制策略的选择
生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右,远优于电压控制型。
硬开关技术因开关损耗的限制,开关频率一般在350kHz以下。
2.3EMI滤波器
由于设计为闭路监控系统开关电源的设计,输入电压为市电直接输入,而电网上存在电网噪声干扰,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快,持续时间短,电压振幅高(几百至几千伏),随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。
EMI,即电磁干扰滤波器,能有效抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。
可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。
输入滤波的前级是EMI滤波器,这个电感流过的是相对较大的直流电流,并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。
在交流离线应用场合,经常用共模扼流圈。
在本设计中,EMI滤波器选用二阶共模滤波器。
EMI滤波器的主要作用是滤除开关噪声和由输入线引起的谐波。
EMI滤波器电路如图2-2。
图2-2EMI滤波器电路
电路中包括共模扼流圈L1,L2,滤波电容C1~C4。
L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈。
它的两个线圈分别绕在低损耗,高导磁率的铁氧体磁环上,当有电流通过时,两个线圈上的磁场就会互相加强。
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,适当的增加电感量可以改善低频衰减特性。
C1和C2主要用来滤除串模干扰,C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效抑制共模干扰,为减小漏电流,电容量不得超过0.1
。
EMI滤波器要尽可能靠近电源里的供电线输入端。
如果滤波器前的线太长,从外面引入的传导EMI会干扰开关电源的工作;相反,开关电源里面的长导线也会产生射频干扰,并向外发射。
2.4输入整流与滤波
输入整流采用单相桥式整流电路,这种整流电路适用于1KW以下的电路中,完成这一整流作用主要是靠二极管的单相导电特性。
如图2-3,正半周时,二极管D1,D3导通,在负载电阻上得到正弦波的正半周。
电流由TR次级上端经D1,RL,D3回到TR次级下端,在负载RL上得到一个半波整流电压;当负半周时,二极管D2,D4导通,在负载电阻上得到正弦波的负半周,电流由TR次级的下端经D2,RL,D4。
在负载上正、负半周经过合成,得到的是同一个方向的单向脉动电压。
单相桥式整流电路的波形见图2-4
图2-3整流桥工作过程图2-4整流桥整流波形
滤波电路选用两个有极性电容并联在负载(假设)上。
滤波原理为:
正半周时,整流桥的D1,D3导通,电压给电容充电,此时滤波电容相当于并联在电压上,所以输出波形同输入电压,是正弦波。
负半周时,开始下降。
先假设二极管关断,滤波电容就要以指数规律向负载放电。
指数放电起始点的放电速率很大。
在刚到负半周时,正弦曲线下降的速率很慢。
所以刚到负半周时二极管仍然导通。
随着时间变化,正弦曲线下降的速率越来越快,当超过指数曲线起始放电速率时,二极管关断。
所以如图2-5,在t2到t3时刻,二极管导电,电容充电,Vi=VO按正弦规律变化;t1到t2时刻二极管关断,Vi=VO放电时间常数为RIC。
图2-5滤波器滤波原理图
2.5钳位电路
对于反激式开关电源而言,每当功率开关管由导通变成截止时,在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。
其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感(即漏磁产生的自感)而形成的,它与直流高压UI和感应电压UOR叠加在MOSFET的漏极上,很容易损坏MOSFET。
为此,必须增加漏极钳位保护电路,对尖峰电压进行钳位或者吸收。
钳位电路的设计如图2-6。
图2-6钳位电路
图2-6中所示钳位电路采用阻容吸收原件R、C和阻塞二极管D组成的RCD型钳位电路,阻塞二极管一般可采用快恢复或超快恢复二极管。
引入RCD钳位电路,目的是消耗漏感能量,但不能消耗主励磁电感能量,否则会降低电路效率。
要做到这点必须对RC参数进行优化设计。
其吸收原理是:
当MOSFET关断时,漏感LK释能,D导通,C上电压瞬间升高,然后D截止,C通过R放电。
2.6输出整流与滤波
输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小,影响输出电压的性能。
开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面:
1.输入电源的噪声,是指输入电源中所包含的交流成分。
2.高频信号噪声,开关电源中对直流输入进行高频的斩波,然后通过高频的变压器进行传输,在这个过程中,必然会掺人高频的噪声干扰。
还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。
对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用π型滤波的方式。
滤波电感采用10μH的电感,可滤除高频噪声。
3.采用普通整流二极管D4整流。
基于低压、功耗低、大电流的特点,有利于提高电源的效率。
输出整流和滤波采取整流二极管配合π型滤波。
电路如图2-9。
图2-7输出整流及滤波电路
π型滤波是将对交流阻抗大的元件(电感)与负载串联,以降落较大的纹波电压,而把对交流阻抗小的元件(电容)与负载并联,用来消除较大的纹波电流。
2.7反馈电路
电压反馈的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定值,即通过控制器件控制端的电流来调节占空比,以达到稳压的目的。
但考虑负载瞬态响应输出精度,多路输出,隔离输出等方面,电压反馈的设计就变得很复杂。
电压反馈环的核心部分是一个被称为误差放大器的高增益运算放大器,这部分仅仅是个高增益的放大器而已,它把两个电压的误差放大,并产生误差信号。
在电压系统中,这两个电压一个是参考电压,而另一个则是输出电压,输出电压在输入到误差放大器之前先进行分压,分压的比例为电压参考值与额定输出电压的比值,这样,在额定输出电压时,误差放大器产生一个零误差点,如果输出偏离额定值,放大器的输出误差电压就会明显的改变。
电源系统用改该误差电压来校正脉宽,从而使输出电压回到额定值。
电压反馈环要与输入电压和控制IC隔离,可以用光隔离器进行隔离,光电耦合器在开关电源的主振回路使输入回路与输出回路进行电气隔离,并为电源的稳压控制电路提供信号通路。
它主要有电源(即发光二极管)和光敏器件构成,最通用的光电耦合器是把一个发光的二极管LED和一个光敏三极管VT封装在一个完全与外界隔离的外壳中。
工作过程简述如下,当有电流流过LED时,便产生一个光源,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的光敏三极管VT上后,控制VT产生一个与LED正向电流成比例的集电极电流,为了减少光隔离漂移的影响,二次侧要用到一个误差放大器。
2.7.1光电耦合器PC817介绍
PC817是可控制的光电耦合器件,光电耦合器广泛应用在电脑终端机、可控硅系统设备、测量仪器、影印机、自动售票、家用电器等电路之间的信号传输,使输入端与输出端完全分离,不受其他任何电气干扰和电磁干扰,具有很强的抗干扰能力,用低电平的电源供电,寿命长,输出效率高,体积小使用范围广。
表2-2PC817参数
参数
符号
额定值
单位
输入
IF
IF
50
mA
正向峰值电流
IFM
1
A
反向电压
VR
6
V
功耗
P
70
mW
输出
集电极发射极电压
VCED
35
V
发射极集电极电压
VECD
6
V
集电极电流
IC
50
mA
集电极功耗
PC
150
mW
总功率
PT
200
mW
隔离电压
BVS
5000
Vrms
工作温度
Topr
-30—+100
℃
存储温度
Tstg
-55—+125
℃
焊接温度
Tsol
260
℃
表2-3PC817光电特性
参数
符号
最小值
额定值
最大值
单位
输
入
正向电压
VF
-
1.2
1.4
V
正向峰值电压
VFM
-
-
3.0
V
反向电流
IR
-
-
10
A
终端电容
Ct
-
30
250
F
输
出
集电极暗电流
ICED
-
-
10-7
A
转
换
特
性
电流传输比
CTR
50
-
600
%
集电极发射极饱和电压
VCE
-
0.1
0.2
V
隔绝电阻
RISO
5*1010
1011
-
Ω
浮置电容
Cf
-
0.6
1.0
pF
截止频率
Fc
-
80
-
KHz
响应
时间
上升
Tr
-
4
18
uS
下降
Tf
-
3
18
uS
2.7.28050的介绍
8050是一种低频小功率三
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