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课程设计正文
引言
NCP1200开关电源专用芯片采用内部固定频率的脉宽调制电流模式,具有动态自供电系统,无需反馈绕组供电,内集成"跳过周期"模式和过流、过热保护功能。
文中介绍了基于该芯片的小功率多路输出单端反激式开关电源的设计方案,并给出了注意事项及解决方案。
试验结果表明,该电源电路结构简单,运行可靠,各路电源输出精度高。
NCP1200是美国OnSemi半导体公司研制开发的PWM电流型控制的开关电源专用芯片。
基于该芯片设计的开关电源,外围电路结构简单,工作可靠;尤其是该芯片具有动态自供电(DSS)功能,无需设计高频变压器反馈绕组为IC提供工作电压,可以由高压直流干线直接供电,使得外围器件更少,体积更小,从而大大降低电源功耗。
NCP1200芯片的引进是向超压缩开关电源的一次重大跃进。
对于多路输出电源,输出端的交叉调整性能是很重要的一个方面。
通常电压放大器只能检测一个或几个输出端,而没有被检测的输出端只能通过变压器本身固有的交叉调整功能调节,这样的调整性能比较差,也就是说,被检测的输出端上的负载发生变化时,会导致没有被检测的输出端的输出明显改变。
本文中采用多输出检测技术,通过对所有的输出电压进行检测,很好改善了输出端的交叉调整性能。
SO-8或DIP8封装的NCP1200代表了向超小型开关电源方向重大飞跃。
由于其采用新型µSell™方案,用它可以构成一个完全离线的电池充电器或只有少数外部元件的备用开关电源。
此外,由于输出短路保护集成在内可使设计人员用它来构成一个,只带简单反馈电路的、成本极低的壁式交流/直流适配器。
由于其内部结构工作于固定的40kHz或60kHz,以及控制器用来驱动像IGBT或MOSFET之类的低栅极电荷量的器件,因而只需很小的运行功率。
由于采用电流模式控制,NCP1200极大地简化了具有优异的音频敏感性和固有的逐脉冲控制的,可靠的廉价离线变换器的设计。
当电流设置点降到低于给定值时,例如当输出功率需要量减小时,该集成电路自动地进入所谓跳周期模式,以便在轻负载条件下达到极好的效率。
因为这种情况发生在低峰值电流条件下,所以不会产生听得到的噪声。
最后,该集成电路由直流干线自行供电,因而不需要辅助绕组。
这一特点可以保证,在出现低输出电压或短路时,仍正常运行。
课程设计的任务及要求
1.正确识别开关电源常用器件,对照装配图,完成电源的装配。
2.在装调的基础上,查阅相关资料,试设计1种简易开关稳压电源,画出设计电路图,并对工作原理做理论分析。
3.技术参数:
输入220v单相交流电;A路输出电压+24V,输出电流为1.5A,输出精度小于5%。
4.画出自己设计的开关稳压电源的设计电路图,并做简要设计说明。
5.画出单端反激式开关电源的原理(只画示意框图),对照装配图,完成电源
的装配。
该电源的技术参数:
输入220v单相交流电;输出电压+24V,输出电流为1.5A,输出精度小于5%。
6.列举涉及的主要芯片、器件的资料及典型应用。
(必须包括NCP1200,PC817、TL431的资料)
7.回答问题
1).装调的开关电源中,各元器件的作用;
2).开关电源与线性电源相比的优点;
3).衡量开关电源的技术指标;
8.本次课设心得体会。
第一章开关电源的基本概念与发展
1.1开关电源的基本概念
电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。
直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,用于交流—直流或直流—直流电能变换,通常称其为开关电源(SwitchedModePowerSupply-SMPS)其功率从零点几瓦到数十千瓦,广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。
彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机,各种计算机设备,工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置,以及飞机、卫星、导弹、舰船中,都大量采用了开关电源。
开关电源的核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。
开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。
1.2开关电源的发展
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。
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。
20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。
并且自开关稳压电源问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期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。
随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%~40%。
因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而航天、潜艇、军用开关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也要小。
1.3开关稳压电源的性能特点
1.3.1开关稳压电源的优点
1.3.1.1内部功率损耗小,转换效率高
在开关稳压电源原理框图中,开关功率管V在PWM驱动信号的驱动下,交替地工作在导通-截止与截止-导通开关状态,转换速度非常快,频率一般可高达100kHz左右。
在一些电子工业发达国家,可以做到MHz以上。
这便使得开关功率管V上的功率损耗大为减小,储能电感的电感量大为减小,储能效率大为提高,从而使整个开关稳压电源的转换效率得到大幅度的提高,其转换效率可高达90%左右。
1.3.1.2体积小,重量轻
从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出,这里没有采用笨重的工频变压器。
由于开关功率管V工作在开关状态,因此其本身的功率损耗大幅度地降低,这就省去了较大的散热器。
另外由于电路的工作频率比线性稳压电源中的50Hz工频高了好几个数量级,因此滤波效率大大提高,滤波电容的容量也大为减小。
这三方面的原因,就使得开关稳压电源具有体积小,重量轻的显著优点。
1.3.1.3稳压范围宽,线性调整率高
开关稳压电源的输出电压是由PWM/PFM(脉频调制)驱动信号的占空比来调节的,输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定,可以通过调节脉冲宽度或脉冲频率来进行补偿。
这样,在输入工频电网电压变化较大时,它仍能够保证有非常稳定的输出电压。
因此,开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外,还具有稳压效果好和线性调整率高的优点。
此外,由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两种,因此开关稳压电源不仅具有以上所说的优点,而且实现稳压的方法和技术也较多,设计人员可以根据实际应用的要求和需要,灵活地选用各种类型的开关稳压电源电路。
1.3.2开关稳压电源的缺点
1.3.2.1关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰
在开关稳压电源电路中,由于开关功率管工作在开关状态,因此它所产生的高频交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声,这些干扰和噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整机的正常工作。
此外,由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离,因此这些干扰和噪声就会窜入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
而且这种高频干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件(如电感和开关变压器等)辐射到空间,使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。
1.3.2.2电路结构复杂,不便于维修
对于无工频变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容,高反压、大电流功率开关管,高频开关变压器的磁性材料,高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器件,在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。
在一些技术发达的国家,开关稳压电源虽然有了一定的发展,但在实际应用中也还存在着一些问题,不能令人十分满意。
这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点,那就是电路结构复杂,故障率高,维修麻烦。
对此,如果设计者和生产者不予以充分重视,它将直接影响开关稳压电源的推广应用。
第二章方案论证与比较
2.1开关电路形式
方案一:
串联开关电路形式。
开关管V1受占空比为D的PWM波的控制,交替导通或截止,再经L和C滤波器在负载R上得到稳定直流输出Uo。
方案二:
并联开关电路形式。
并联开关电路原理与串联开关电路类似,但此电路为升压型电路,开关导通时电感储能,截止时电感能量输出。
方案三:
串并联开关电路形式。
实际上此电路是在串联开关电路后接入一个并联开关电路。
用电感的储能特性来实现升降压,电路控制复杂。
2.2控制方法的方案选择
方案一:
采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D后的反馈电压程控改变占空比,使输出电压稳定在设定值。
负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机,当该电压达到一定值时关闭开关管,形成过流保护。
该方案主要由软件实现,控制算法比较复杂,速度慢,输出电压稳定性不好,若想实现自动恢复,实现起来比较复杂。
方案二:
采用TL431芯片。
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
他的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf(2.5V)到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路,可调压电源,开关电源等。
2.3电流工作模式的方案选择
方案一:
电流连续模式。
电流连续工作状态,在下一周期到来时,电感中的电流还未减小到零,电容的电流能够得倒及时的补充,输出电流的峰值较小,输出纹波电压小。
方案二:
电流断续模式。
断续模式下,电感能量释放完时,下一周期尚未到来,电容能量得不到及时补充,二极管的峰值电流非常大,对开关管和二极管的要求就非常高,二极管的损耗非常大,而且由于电流是断续的,输出电流交流成分比较大,会增加输出电容上的损耗。
由于对于相同功率的输出,断续工作模式的峰值电流要高很多,而且输出直流电压的纹波也会增加,损耗大。
2.4开关稳压电源的电路原理框图及单端反激式开关电源的介绍
开关稳压电源的电路原理框图如图1所示。
图1开关电源电路框图
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。
单端反激式开关电源的典型电路如图2所示。
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。
图2单端反激式开关电源
第三章开关稳压电源的构成
3.1开关稳压电源等效原理图
图3开关稳压电源等效原理图
3.2开关电源电路中关键元器件的选择与设计
3.2.1NCP1200的介绍
NCP1200的内部结构NCP1200采用标准电流模式体系,关断时间由峰值电流设置点确定。
其内部结构如图3所示,器件内部集成有跳周期比40/60/100kHz时钟、Q触发器最大占空比80%、欠压锁定高低稳压器等。
由于NCP1200内置有时钟发生器,所以无需外接R-S元件。
NCP1200的控制功能NCP1200拥有专利的甚高压集成电路(VHVIC)技术,此技术使集成电路可由高压直流干线直接供电,即NCP1200具有动态自(DSS)功能。
因此,使用NCP1200时无须设计专门的反馈绕组为IC提供工电压,可直接连接光耦反馈电路,从而简化电路设计。
NCP1200的过电流保护功能NCP1200控制器具有过电流保护功能,可以通过引脚3来实现。
在电路中与功率开关管串联一小电阻(限流电阻),当引脚3的输入电压超过1V时,NCP1200控制器停止输出脉冲,从而截断电路,起到保护电路的作用。
NCP1200属于低功耗、PWM电流模式的单片开关电源,可直接驱动IGBT和MOSFET;具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试方便、性能优良等特点。
优于传统电流型专用开关电源控制器件UC384X的NCP1200,具有动态自供电系统,无须设计变压器的反馈绕组,可以做到电源体积更小、效率更高,适用于中小功率输出的开关电源应用场合。
实验结果表明,该芯片设计的新型单端反激式开关电源,其输出纹波小,精度高,有着很好的应用前景。
NCP1200的管脚说明引脚号引脚名称功能说明:
1.Adj调整起跳峰值电流该引脚用来调整开始跳周期工作的电平。
2.FB设置峰值电流设置点通过将一个光耦合器连到该引脚,可随输出功率的需求来调整峰值电流设置点。
3.CS电流检测输入用于检测初级电流并通过一个L.E.B将其送入内部比较器。
4.Gnd集成电路接地端。
5.Drv驱动脉冲驱动器至外部MOSFET的输出。
6.Vcc集成电路电源该引脚连接一个典型值为10μF的外部电容。
7.NC空脚。
8.HV从交流线路上产生Vcc该引脚连到高压干线上,可向Vcc大容易注入一恒定电流1.2A。
NCP1200内部结构
3.2.2线性光耦合器PC817
光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。
通常是把发光器(发光二极管LED)和受光器(光敏晶体管)封装在同一管壳内如图2。
当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”的转换。
图4PC817内部框图
普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号),不适合传输模拟信号。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件,能够传输连续变化的模拟电压或电流信号,这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号,从而使光敏晶体管的导通程度也不同,输出的电压或电流也随之不同。
PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。
图3PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系。
图5PC817集电极电压Vce与发光二极管正向电流If关系
3.2.3可调式精密并联稳压器TL431
本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成,其特性功能如图4所示。
在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压,再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP249Y的控制端C端。
由于TL431具有体积小、基准电压精密可调,输出电流大等优点,所以用TL431可以制作多种稳压器。
其性能是输出电压连续可调达36V,工作电流范围宽达0.1~100mA,动态电阻典型值为0.22Ω,输出杂波低。
其最大输入电压为37V,最大工作电流为150mA,内基准电压为2.5V,输出电压范围为2.5~30V。
图6三端稳压器TL431的特性功能
TL431是由美国德州仪器(TI)和摩托罗拉公司生产的2.5~36V可调式精密并联稳压器。
其性能优良,价格低廉,可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。
此外,TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。
TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式,引脚排列分别如图5所示。
图中,A为阳极,使用时需接地;K为阴极,需经限流电阻接正电源;UREF是输出电压Uo的设定端,外接电阻分压器;NC为空脚。
图7TL431的电气符号图和等效电路图
TL431的等效电路如图6所示,主要包括:
①误差放大器A,其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压,反相端则接内部2.5V基准电压Uref,并且设计的UREF=Uref,UREF通常状态下为2.5V,因此也称为基准端;②内部2.5V基准电压源Uref;③NPN型晶体管VT,它在电路中起到调节负载电流的作用;④保护二极管VD,可防止因K-A间电源极性接反而损坏芯片。
TL431的电路图形符号和基本接线如图3.7所示。
图8TL431的电路符号
R3是IKA的限流电阻。
其稳压原理为:
当Uo上升时,取样电压UREF也随之升高,使UREF>Uref,比较器输出高电平,使VT导通,Uo开始下降。
反之,Uo下降会导致UREF下降,从而UREF 这样的循环下去,从动态平衡的角度来看,就迫使Uo趋于稳定,从而达到了稳定的目的,并且UREF=Uref。 在本设计中就是利用TL431和光耦构成反馈电路,其工作原理就是当输出电发生波动时,经分压电阻得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较,在阴极上形成误差电压,使LED的工作电流发生变化,再通过光耦去改变TOP246Y控制C端电流的大小,调节TOP246Y的输出占空比,从而达到稳压的目的。 第四章开关稳压电源的硬件设计 4.1主电路设计 半桥式开关电源主电路图9所示。 图中开关管S1,S2选用MOSFET,因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。 半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S1,S2组成,另一个桥臂由电容C1,C2组成。 高频变压器初级一端接在C1,C2的中点,另一端接在S1,S2的公共连接端,C1,C2中点的电压等于整流后直流电压的一半,即Vi/2。 开关S1,S2交替导通就在变压器的次级形成幅值为Vi/2的交流方波电压。 通过调节开关的占空比,就能改变变压器二次侧整流输出平均电压Vo。 图9半桥式开关电源主电路设计 图中,R1,R2是并联均压电阻;C3是耦合电容,其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和,从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力,C3要选择ESR小的无极性电容。 T101为初级电流检测用的电流互感器,作为电流控制时的电流取样用。 4.2隔离驱动电路设计 从TL431的11,14脚出来的PWM信号驱动PC817光耦,经光耦隔离后,送到IR2110专用集成驱动电路,进而去驱动功率MOSFET管S1和S2,IR2110外围电路连接图如图10所示。 图10 隔离驱动芯片外围电路设计 五.课程设计小结 NCP1200属于低功耗、PWM电流模式的单片开关电源,可直接驱动IGBT和MOSFET;具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试方便、性能优良等特点。 优于传统电流型专用开关电源控制器件UC384X的NCP1200,具有动态自供电系统,无须设计变压器的反馈绕组,可以做到电源体积更小、效率更高,适用于中小功率输出的开关电源应用场合。 实验结果表明,该芯片设计的新型单端反激式开关电源,其输出纹波小,精度高,有着很好的应用前景。 利用多输出检测技术,即通过TL431可调式并联稳压器构成次级误差电流放大器,再经光耦对主输出进行精确的调整。 除主输出作为主要的反馈信号之外,其他各路辅助输出也按照一定的比例反馈控制,这对于全面提高多路输出式开关电源的稳压性能具有重要意义,也是单片开关电源的一项新技术。 此次开关稳压电源的设计,主要利用现阶段技术比较成熟的集成芯片设计PWM主控制电路,整个设计流程主要围绕PWM控制电路的设计和开关变压器的设计为主要方向,根据课题要求实现稳定输出电压。 在论文中描述了开关电源的使用方法及性能指标,并重点讲述了开关电源易发故障的检查与简易维修。 在最后一章中,本文讨论了有关开关电源的干扰问题,详细分析了干扰来源及常采用的抑制方法。 开关电源性能的好坏一方面依赖开关电源本身设计技术和工艺结构的优劣,另一方面与使用现场条件及使用者将其与其他电器设备连用的具体情况有密切关系,如接地技术,通道接线,电缆屏蔽与隔离及外壳的绝缘等方面。 所以开关电源噪声的产生是多方面的和不确定的,对其噪声的抑制方法与形式也是灵活多变的,不能套用一个固定模式,而要根据具体情况和要求采用相应的噪声抑制方法和形式。 附录 附录1电路原理图 附录2电路PCB图 附录3使用元器件 1、各种不同规格电阻器(10欧/1个,1K欧/2个,10K欧/1个,1.5K欧/1个,19K欧/1个,86K欧/1个) 2、各种不同规格的极性电容(1微法/1个,2.2微法/1个,10微法/1个,47微法/2个,480微法/1个,120微法/1个,60微法/1个) 3、光耦隔离器PC817 4、电流控制器NCP1200 5、电感(27mh) 6、电流互感器 7、三端可调分流基准源TL431 附录4参考文献 [1]张丽华.开关电源.[M].北京: 高等教育出版社,2006.100-115. [2]MartyBrown.《开关电源设计指南》[M].北京: 人民教育出版,2006年 [3]沙占友.新型单片开关电源实用技术[M].北京: 电子工业出版社,2001.1-2 [4]沙占友.单片开关电源的发展趋势[J].电气时代,2003,(8): 53-54 [5]丁道宏.国内外开关电源的发展展望[C].华东地区首届电源技术研讨会论文集.2000.1-5 [6]沙占友.单片开关电源新技术概述[J].电子设计应用,2003,(6): 86-87 [7]沙占友.开关电源的新技术及其应用[J].电力电子技术2003,37(3): 69-71 [8]王兆安,张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].2版.北京: 机械工业出版社,2002.6.574-613 [9]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京: 电子工业出版,1998.78-112 [10]周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用[M].北京: 人民邮电出版社,2005.447-509 [11]王创社,乐开端,谭玉山等.开关电源两种控制模式的分析与比较[J].电力电子技术,1998,(3): 52-71 [12]康光华,陈大钦.电子技术基础: 模拟部分[M]
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