单片开关电源及PCB设计毕业论文

I 单片开关电源及 计 摘 要 ： 电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。在这方面我国与世界先进国家的 差距很大，作为一个电源工作者，不仅要设计出国际或国内先进的电源，还要考虑到电源的适应性以及电源的成本。只有具有先进性能的电源，加上合理的制作成本，才能使我国的电源产业赶超发达国家。这里着重介绍了基于 单片开关电源，通过运用先进的电力电子技术等技术，实现了将普通市电转化为稳定地 电压电流输出 。首先介绍开关电源的含义，开关电源是利用现代电力电子技术，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（ 制 着各种各样电器的出现以 及升级，它们都需要一个稳定的电源，本文系统介绍了一种较为实惠 又 很先进的稳压稳流输出单片开关电源。 关键词 ： 单片 开关电源 ; 反激式；脉宽调制。 he its an of of of of of of of of to of of it t do of of to in of a s an of s In As a or of of up I on by as it At I of is a of N /of is up C 20. of of a of 1 第 1章 绪论 述 电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分，其性能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。开关电源（ 问世以来，就以其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品。而高度集成化的单片开关电源，更是因其高性价比、简单的外围电路、小体 积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者 ， 是设计开发各种高效率中、小功率开关电源的优势器件。随着生产、生活中自动化程度的不断提高，开关电源也朝着智能化方向发展，由微控制器控制的开关电源将单片开关电源与单片机控制相结合，更加体现了开关电源的可靠性和灵活性。 在 21世纪，随着 各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广，单片开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景。 关电源的发展简况 开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近 20 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元 控制电路实现集成化。 1997年国外首先研制成脉宽调制（ 制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（ 尤尼特德公司（ 相继推出一批 型产品有 0年代以来，国外又研制出开关频率达 1冲频率调制）芯片，典型产品如 二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大 致分两个阶段： 80年代初意法半导体有限公司（ 先推出 公司于 90年代又推出了 特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（ 40V）、大中功率（ 400大电流（ 10A）、高效率（可超过 90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属 17。 1994 年，美国 司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“ 顶级开关电源”。其第一代产品为 二代产品则是1997年问世的 公司于 1998 年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源 列。在这之后， 司于 1999 年又推出列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（ 2 目前，单片开关电源已形成四大系列、近 70种型号的产品。 关电源的发展趋势 1955年美国罗耶（ 明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端， 1957年美国查赛（ 明了自激式推挽双变压器， 1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了 1969 年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了 25千赫的开关电源。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可 缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100 00已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。 其中，为防止随开关启 采用 对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的 磁缓冲器。不过，对 1采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。 目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆 我们这次毕业设计主要是研究 关电源以及相关的 计制作，力图使电路简单且易于调试，尽最大 可能的方便用户的使用。在本次设计中，我们要掌握电路设计的基本方法和步骤，学会用计算机专用软件（ 制电路原理图和设计制作印制线路板图，掌握标准化制图的基本规则，将理论和实践相结合，提高独立分析能力和解决问题的能力，为我们毕业后走上工作岗位打下一个良好的基础。 3 第 2章 方案论证 述 整个系统以 序流程连接各个功能模块，完成了将普通市电转化成所需要的稳定电流和电压。 统总体框图 图 统总体框图 图 中显示了主要电路模块，其中开关占空比控制电路是基于 1。 作原理 结构及工作原理 与其第一代产品相比，它不仅在性能上有进一步改进，而且输出功率有显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路。 管教排列图如图 示，它有三种封装形式。其中 装自带小散热片，属典型的三端器件，本文主 要采用此种封装形式的芯片。此外还有 4 们都有 8个管脚，但均可简化成 3个，两者区别是 脚 者不许打孔焊接。 图 管教排列图 三个管脚分别为控制信号输入端 C（ 主电源输入端 D（ 电源公共端 S（ 其中 将脉宽调制（ 制系统的全部功能集成到了三端芯片中， 主要包括 10部分：控制电压源；带隙基准电压源；振荡器；并联调整器 /误差放大器；脉宽调制器；门驱动级和输出级；过电流保护电路；过热保护及上电复位电路；高压电流源。图中 控制端的动态阻抗， 误差电压检测电阻 成截止频率为 7 ，达到稳压目的。举例说明，当输出电压 升时，经过光耦反馈电路使得 而使得 终使 型值为 100许范围为 90关管占空比由 路启动时，由漏极经内部高压电流源为 c。（实际电路中 电容的充电过程控制 完成电路的软启动过程），其 馈控制回路由 较器 元件组成，控制极电压 时也是 较器 ， 此同时 与振荡器输出的锯齿波电流分别输入 4的 +/时因反馈电流较小从 向端输入的锯齿波信号经门电路 4送至 在锯齿波信号和时钟信号的共同作用下 被置为高电 5 平，门极驱动信号（ 号）经 次反相，送到开关管 栅极，开关管处于开关状态，当电路启动结束时 制电路的供电切换至内部电源；正常工作时 节开关管的占空比实现输出电压的稳定。 图 内部框图 自动重启动电路功能，即当调节失控时立即使芯片在低占空比下工作，倘若故障已排除就自动重启动恢复正常工作。在自启动阶段（控制极电压 于门限电压 ），控制电路处于低功耗的待命状态，此时由于比较器滞回特性，电子开关频繁地在高压电流源和内部电源之间进行切换，使得 保持在 间。自启动电路由一个 8 分频计数器完成延时功能，阻止输出级 续导通，直到 8 个充 /放电周期完全结束后才能再次导通。 1m 值来 实现过流保护。 件内部还设有过热保护电路，当芯片结温大于 135度时关断输出级（ 从而实现过热保护目的。 片开关电源电路基本原理 示。高频变压器在电路中具备能量存储、隔离输出和电压变换着三种功能。由图可见，高频变压器触及绕组 名端用黑圆点表示），恰好与次级绕组 馈绕组 极性相反。这表明在能就以磁场能量形式储存在初级绕组中，此时 止。当通，能量传输给次级，刺激反击是开关电源的特点。图中，流电压 u 经过整流滤波后得到直流高压 6 经初级绕组加至 于在 高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压 是功率开关管漏籍电压超过 700此在初级绕组两端增加漏极钳位保护电路。钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管（ 阻塞二极管（ 成， 目前国际上流行采用配稳压管的光耦反馈电路。反馈绕组电压经过 光耦合器重的光敏三极管给 控制端提供偏压， 的旁路电容。设稳压管 流电阻 端的压降为 耦合器中 F，输出电压 F+ （ 则其稳压原理简述如下：当由于某种原因致使 通过光耦合器使 因 输出占空比 就迫使 到稳压目的。反之亦然 3。 图 片开关电源典型电路 7 第 3章 单片开关电源的设计 述 开关电源因具有重量轻、体积小、效率高、稳压范围宽等优点，在电视电声、计算机等许多电子设备中得到了广泛的使用。为了进一步追求开关电源的小型化和低成本，人们不断研制成功一些复合型单片开关电源集 成电路芯片。如美国电源集成公司（ 简称 司）推出的 件集 号控制电路及功率开关场效应管（ 一体，只要配以少量的外围元器件，就可构成一个电路结构简洁、成本低、性能稳定、制作及调试方便的单端反激式单片开关电源。 片开关电源电路参数的设定 下面将比较详细的叙述这些参数求得过程并完成电子表格 。 (1) 确定开关电源的基本参数 1 交 流输入电压最小值 5V 2 交流输入电压最大值 65V 3 电网频率 0 4 开关频率 f=100 5 输出电压 4V 6 输出功率 0W 7 电源效率 =85% 8 损耗分配系数 Z： 极端情况下， Z=0表示全部损耗发生在初级， Z=1则表示 全部损耗发生在次级。在此，我们选取 Z= (2) 反馈电路类型及反馈电压 我们可参照表 1中的数据确定参数，因为我们采用配 以 (3) 输入滤波电容 流输电压最小值 确定 由表 2可知在通用 85265V 输入时， 中，我们确定 0V，而输入滤波电容的准确值不能从此表中得出。 输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。 选的过低，会使 值大大降低，而输入脉动电压 。但 增加电容器成本，而 8 且对于提高 面介绍 表 1 反馈电路的类型及 参数值 反馈电路类型 （ %） %） %） 基本反馈电路 10 5 改进型基本反馈电路 5 稳压管的光耦反馈电路 12 5 1 配 12 1 2 确定 u/V 比例系数 /（ F/W） F 固定输入： 100/115 已知 23 （ 23） 90 通用输入： 85265 已知 23 （ 23） 90 固定输入： 230 35 已知 1 240 我们用以下式子获得准确的 2 （ 在宽范围电压输入时， 5V，取 0V， 00W， =85%，一并带入式（ 出 ，比例系数 o=，这恰好在（ 23） F/ (4) 确定 表 3 确定 u/V 初级感应电压 钳位二极管反向击穿电压 固定输入： 100/115 60 90 通用输入： 85265 135 200 固定输入： 230 35 135 200 当 级电压会感应到初级上。感应电压 至内部功率开关管（ 漏极上。与此同时，初级漏感也释放能量，并在漏极上产生尖峰电压 于上述不利情况同时出现，极易损坏芯片，因此需给初级增加钳位保护电路。利用 上述三种电压之和（ 于 漏 ( (5) 根据 9 %100a xD（ 已知 35V， 0V，将 N)设为 10V，一并代入式（ 求得 这与典型值 67%已经很接近了。 (6) 确定初级纹波电流 义比例系数 R （ 表 4 根据 u 来确定 u/V 小 值（连续模式） 最大值（不连续模式） 固定输入： 100/115 用输入： 85265 定输入： 230 35 表 4可确定 7) 确定初级波形参数 1 输入电流的平均值 （ 已知 0W， =85%， 0V，求得 2 初级峰值电 流 m a （ 把 入式（ ， 3 初级脉动电流 式（ 得 4 初级有效值电流 132m a x S （ 将 得， 8) 芯片及结温的确定 所选芯片的极限电流最小值 应满足下式 （ 10 即 是我们就选取了 （ 设计功耗为 R=20 /W， 0，代入式（ 4。一般来说， 5到 100之间，才能使开关电源长期正常运行。 (9) 初级电感量 在每个开关周期内，由初级传输给次级的磁场能量变化范围是 。初级电感量由下式决定： 1211026 式中， H。已知开关电源的输出功率为 50W，初级脉动电流与 峰值电流的比例系数 关频率 f=100耗分配系数 Z=源效率 =85%， 这些数值代入式（ H (10) 选择高频变压器并查找其参数 可从设计手册中查出，当 0用常规漆包线绕制，可选 号中的数字表示磁芯长度 A=305损耗低且适应性强。若采用三重绝缘线，则选 此我们采用常规漆包线，故选用 手册中查出 l= ，b= (11) 计算次级匝数 于 100V/115级绕组可取 1匝 /V；对于 V。现已知 u=85265V， 4V，考虑到在次级肖特基二极管上还有 此次级匝数为（ V=（ 24V+ V=于次级绕组上还存在导线电阻，也会形成压降，实取 5匝。 (12) 计算 初级匝数 U （ 已知 5 匝， 35V， 4V， 这些值一同带入式（ 可求得 取 83 匝。 (13) 计算反馈绕组匝数 12U （ 11 配有 般取 12V， 5，将这些值连同 4求得 取 8匝。 (14) 根据初级层数 d、骨架宽度 ，用下式计算有效骨架宽度 bE=d（ (暂且将 ， b=其带入式（ 得， 利用下式计算初级导线的外径（带绝缘层） P （ 将 3 带入式（ 得， 除漆皮后，裸体导线的内径 (15) 验证初级导线的电流密度 J 是否满足初级有效值电流 条件。计算电流密度的公式为 （ 将 入式（ 得到 J= 若 J 10 A/选用较粗的导 线并配以较大尺寸的磁芯和骨架，使 J 10 A/ J 4 A/选较细的导线和较小的磁芯骨架，使 J 4 A/可适当增加 匝数。 查表可知，与直径 近的公制线规 粗一点，完全可满足要求。因 公制线规稍细，故不选用。 (16) 计算磁芯中的最大磁通密度 N 00（ 将 H， 3 匝， 磁芯有效横截面积 一并代入式（ ，得到 (17) 磁芯的气隙宽度 式（ ， 的单位是 3 匝， H，磁芯不留间隙时的等效电感 一并代入式（ 到， =隙应加在磁芯的磁路中心处，要求 00 011 00 0402 （ (18) 计算留有气隙时磁芯的等效电感 2 （ 12 将 H， 3 匝代入式（ 到， 。 (19) 计算次级峰值电流 级峰值电流取决于初级峰值电流 初、次级的匝数比 n，有公式 （ 已知 3， 5，不难算出 n=入式（ 到 20) 计算次级有效值电流 级纹波电流与峰值电流的比例系数 别仅是对次级而言，1的比例系数 5。因此，计算次级有效值电流 ，需将式（ 的 次换成 1由此得到公式 131 2m a x M S （ 将 入式（ 求得， (21) 计算出滤波电容上的纹波电流 求出 输出电流 o/0W/24V=代入式（ 22 （ 将 入式（ 计算出， 22) 计算次级裸导线直径 有公式 R M M 0 8 （ 将 J=入式（ 求出， 选 需要指出，当 应采用 两股导线双线并绕 。与单股粗导线绕制方法相比，双线并饶能增大次级绕组的等效横截面积，改善磁场耦合程度，减少磁场泄感及漏感。此外，用双线并绕方式还能减小次级导线的电阻值，降低功率损耗。 导线外径（单位是 计算公式为 （ 将 b=M=3， 5 匝一并代入式（ 得到， 用 13 导线直径 三重绝缘线。 (23) 确定次级整流管、反馈电路整流管的最高反向峰值电压： U（ S、 U（ 公式 将 4V， 2V， 75V， 5 匝， 3 匝， 匝，分别代入式（ 式（ 计算出， U（ S=U（ 表 5：设计 24V、 50W 开关电源的电子数据表格 A B C D E F 1 输入 中间过程 输出 单位 参数说明 2 参数 数据 保留数据 计算结果 24V、 50W 开关电源 3 5 V 交流输入电压最小值 4 65 V 交流输入电压最大值 5 0 网频率 6 f 100 关频率 7 4 V 直流输出电压 8 0 W 输出功率 9 85 % 电源效率 10 Z 损耗分配系数 11 2 V 反馈电压 12 流桥导通时间 13 F 输入滤波电容 14 15 输入 变量 16 35 V 初级绕组感应电压 17 10 V 漏 18 V 次级绕组肖特基整流管正向压降 19 V 反馈电路中高速开关整流管正向压降 20 % 初级绕组脉动电流 21 22 输入高频变压器的结构参数 23 铁氧体磁芯型号 14 24 芯有效横截面积 25 l 效磁路长度 26 H/匝 磁芯不留间隙时的等效电感 27 b 架宽度 28 M 3 全边距（安全边界宽度） 29 d 2 层 初级绕组匝数 30 5 匝 次级绕组匝数 31 32 直流输入电压参数 33 90 V 直流输入电压最小值 34 375 V 直流输入电压最大值 35 36 初级绕组电流波形参数 37 最大占空比（对应于 ） 38 输入电流平均值 39 初级绕组峰值电流 40 初级绕组脉动电流 41 初级绕组有效电流值 42 43 变压器初级绕组设计参数 44 H 初级绕组电感量 45 83 匝 初级绕组匝数 46 8 匝 反馈绕组匝数 47 H/匝 磁芯留间隙后的等效电感 48 最大磁通密度（ 49 T 磁芯损耗交流磁通密度（峰 50 r 1976 磁芯无气隙时的相对磁导率 51 芯的气隙宽度（ 52 效骨架宽度 53 级绕组导线的最大外径（带绝缘层） 54 e 计的绝缘层总厚度 (厚度 2) 55 级绕组导线的裸线直径 56 公制 级绕组导线规格 57 初级绕组导线的横截面积 58 J 电流密度 J=410A/59 15 60 变压器次级绕组设计参数 61 次级绕组峰值电流 62 次级绕组有效值电流 63 直流输出电流 64 输出滤波电容上的纹波电流 65 66 次级绕组线圈最小横截面积 67 公制 级绕组导线规格 68 级绕组导线最小直径（裸线） 69 级绕组导线最大直径（带绝缘层） 70 级绕组绝缘层最大厚度 71 72 电压极限参数 73 573 V 最高漏极电压估算值（包括漏感的作用） 74 U（ S 次级绕组整 流管最高反向峰值电压 75 U（ 反馈电路整流管的最高反向峰值电压 (24) 部分参数的补充 1 对于表 5 中交流磁通密度有两个计算公式： （ m a （ 式中最大磁通密度 入式（ 出 （ 作 为验证公式 7。 2 磁芯无气隙时的相对磁导率 r r 与磁芯不留间隙时的等效电感 效磁路长度 l、磁芯有效横截面积 间，存在下述关系式 4（ 将 ， l=代入式（ 到 r = 片开关电源中电子元器件的选择 择钳位二极管和阻塞二极管 (1) 瞬态电压抑制器的工作原理 16 瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制二极管，其英文缩写为 是一种新型过压保护器件。由于它的响应速度极快、钳位电压稳定、体积小、价格低，因此可作为各种仪器仪表、自控装置和家用电器中的过压保护器。还可用来保护单片开关电源集成电路、 率器件以及其他对电压敏感的半导体器件 10。 瞬态电压抑制器是一种硅 件，其外型与塑封硅整流二极管相似，见图 a）。常见的封装形式有 41、 们在 75 以下的额定脉冲功率分别为 2W、 5W、 15W，在 25 、 1/12050A、 80A、200A。外形尺寸有 规格。其钳位电压从 3符号与稳压管相同 ，见图 （ b），伏安特性如图 （ c）所示。图 c)中 ， 别为反向击穿电压（即钳位电压）、测试电流。 导通前加在 器件 上的最大额定电压。有关系式 最大 反向 漏电流。 在 1间内器件可承受的最大峰值电压。有关系式 B瞬时脉冲峰值电流。因别属于 A、 峰值脉冲功率 干扰脉冲的占空比（ D）以及环境温度（ 关。当 D时 反之亦然。而当 通常是在脉宽 1冲上升沿为 10s、 D=条件下测出的，使用时不得超过此值。 （ a）外形 （ b）符号 （ c）伏安特性 图 态电压抑制器 瞬态电压抑制器在承受瞬态高电压（例如浪涌电压、雷电干扰、尖峰电压）时 ，能迅速反向击穿，由高阻态变成低阻态，并把干扰脉冲钳位于规定值，从而保证电子 17 设备或元器件不受损坏。钳位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间。 1能承受的瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百 A。其性能要优于压敏电阻器（ 且参数的一致性好。 (2) 阻塞二极管 1 反向 恢复时间 向恢复时间 定义是电流通过零点由正向转向反向，再由反向转换到规定低值的时间间隔。它是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标。反向电流的波形如图 最大反向 恢复电流， 反向恢复电流，通常规 定 t， F。 当 t于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此正向电流迅速减小，在 t=刻， 。然后整流管上流过反向电流 且 t=刻达到最大反向电流 后反向电流逐渐减小，并且在 t= 图 向恢复电流的波形 2 快