开关电源毕业设计设计

郑州航空工业管理学院（论文） I 郑州航空工业管理学院 毕 业 论 文（设 计） 业 级 题 目 开关电源设计 姓 名 学号 指导教师 职称 副教授 二 年 月 日 郑州航空工业管理学院（论文） 要 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，有电器的地方就有电源 ,现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体 需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。 开关电源的高频变换电路形式很多 , 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。 本论文 为了完成电路的设计要求， 电路设计分为三部分：变压、整流、滤波、保护和运放部分， C 升压扩流部分， 基本能够实现电源从输入到输出的变换 ， 以较为简单的高频开关电源为设计方向而展开，对开关电源的定义，结构，工作原理等问题的阐述，也包括了电路每一个部分如何正确地选择电路 ,硬件的选择， 最后对开关电源中的损耗问题进行了研究 。 关键词 开关电源 ,电路组成， 小功率高频 郑州航空工业管理学院（论文） is to In of a as a of to to of of is a of to to In in to is C/DC C to of of on to in is 州航空工业管理学院（论文） 录 前 言 . 1 第一章 开关电源概述 . 2 开关电源的定义与分类 . 2 开关电源的组成 . 2 开关电源的基本工作原理与应用 . 3 开关电源的基本工作原理 . 3 开关电源的应用 . 5 第二章 方案确定 . 6 设计指标 . 7 设计思路 . 7 系统结构框图 . 8 第三章 电源设计 . 8 变压、整流、滤波、保护和运放部 分 . 9 C 升压扩流部分 . 10 C 控制部分和电压显示部分 . 12 整体主电路 . 12 第四章 开关电源中的损耗问题 . 14 损耗问题 . 14 芯损耗 . 14 组损耗 . 14 升 . 14 解决方法 . 15 结 论 . 17 谢 辞 . 17 参考文献 . 19 附 录 1：开关电源常用英文标志与缩写 . 20 外文资料译文 . 错误 !未定义书签。 郑州航空工业管理学院（论文） 1 前 言 随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。 本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法 ，开阔视野，从而提高自身的能力。 开关电源的高频化电源技术发展的创新技术， 高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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资源及保护环境方面都具有深远的意义。 课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高 生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。 郑州航空工业管理学院（论文） 2 开关电源设计 X 指导老师： 教授 第一章 开关电源概述 开关电源的定义与分类 电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需经过转换才能合适使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换小功率等。 按照电子理论，所谓 C 就是交流转换为直流； C 称为交流变交流，即为改变频率； C 称为逆变； C 为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电流变换的方法是多样的。自 20 世纪 60 年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源 。 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 C 和 C 两大类，但 C 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下 是针对 C 较为简单的类型。 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图 1示。其中 C 变换器用以郑州航空工业管理学院（论文） 3 进行功率变换，它是开关电源的核心部分；开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的要求；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、 频率 、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。 C 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端 波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器 方法来改善瞬态响应特性。 。 输入 输出图 1开关电源的基本组成 开关电源的基本工作原理与应用 开关电源的基本工作原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的变压、整流、滤波 C 变换器 控制、显示电路 郑州航空工业管理学院（论文） 4 工作原理可以用图 1行说明。图中输入的直流不稳定电压开关 S 加至输出端， S 为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关 S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压 成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压 U N U 0b )V( a )U 0(a) 电路图； (b) 波形图 图 1关电源的工作原理 为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下 ： N (1式中， T 表示开关 S 的开关重复周期； 示开关 S 在一个开关周期中的导通时间。 开关电源直流输出电压 输入电压 间有如下关系 ： (1由式 (1式 (1以看出，若开关周期 T 一定，改变开关 S 的导通时间可改变脉冲占空比 D，从而达到调节输出电压的目的。 T 不变，只改变由于 的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此 开关电源用得较多。若保持用改变开关频率 f=1/T 实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压 压的方法，称做脉冲频率调制 (由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的郑州航空工业管理学院（论文） 5 设计不易实现最优化。既改变改变 T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式 。 开关电源的应用 , 市电经整流变为直流 , 采用全桥零电流开关串联谐振逆变电(1) 通信电源 通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中 ,通常将整流器称为一次电源 ,而将直流 - 直流 (C)变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为 48V 的直流电源。通信设备计算速度的不断提高 , 使得时钟频率不断提高 , 所用集成电路的种类繁多 ,其电源电压要求也各不相同 ,通常超过 10 种 , 在通信供电系统中采用高功率密度的高频 C 隔离电源模块 ,从中间母线电压 (一般为 48V 直流 )变换成所需的各种直流电压 ,这样可大大减小损耗、方便维护 ,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上 ,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加 ,通信电源容量也将不断增加。 (2)高频逆变 式整流焊机电源 高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源 ,代表了当今焊机电源的发展方向。由于 这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流 - 直流 - 交流 - 直流 (换的方法。 50流电经全桥整流变成直流 ,0高频矩形波 ,经高频变压器耦合 ,整流滤波后成为稳定的直流 ,供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣 ,频繁地处于短路、燃弧、开郑州航空工业管理学院（论文） 6 路交替变化之中 , 因此高频逆变式整流 焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题 ,也是用户最关心的问题。采用微处理器作为脉冲宽度调制 ( 的相关控制器 ,通过对多参数、多信息的提取与分析 ,达到预知系统各种工作状态的目的 ,进而提前对系统做出调整和处理 , 解决了目前大功率 变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流 300A,负载持续率 60%,全载电压 60 75V,电流调节范围 5 300A,重量 29 (3)大功率开关型高压直流开关电源 大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用 X 光机和 等大型设备。电压高达 50 流达到 上 ,功率可达 100 自从上个世纪 70 年代开始 , 日本的一些公司开始采用逆变技术 ,将市电整流后逆变为 3右的中频 ,然后升压。进入 80 年代 ,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件 ,将电源的开关频率提高到 20上 , 并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源 ,取消了高压变压器油箱 ,使变压器系统的体积进一步减小。 国内对静电除尘高压直流电源进行了研制 路将直流电压逆变为高频电压 ,然后由高频变压器升压 ,最后整流为直流高压。在电阻 负载条件下 ,输出直流电压达到 55流达到 15作频率为 第二章 方案 确定 郑州航空工业管理学院（论文） 7 设计指标 (1) 输入电压：输入变压器二次侧标称电压 15入电压范围： 180240 (2)输出电压： 25 (3)最大输出电流： (4)电压调整率： 2%（在 件下测试）。 (5)负载调整率： 2%。 (6)纹波电压： 250输入电压 220载条件下，用示波器测试）。 (7)C 变换器（含控制显示电路）效率 60%（在输入电压220载条件下测试）。 (8)可显示输出电压、电流；电压示数分辨率 度 1%；电流示数分辨率 度 1%。 (9)有键控开关功能 设计思路 根据设计的基本要求和发挥部分要求，电路设计分为三部分：变压、整流、滤波、保护和运放部分， C 升压扩流部分， 虑到电路的简化及可行性、电路板制作的方便和准确性、芯片和主要元器件的选择购买问题、测试条件的限制等等，其中变压电路采用铁芯变压器 220 化为15流电路采用整流二极管组成的电桥；极性电容本身具有单向电流导通作用，因此我们用 1000压 25V 的极性电容构成滤波电路；为了达到合适的输出电压而又不烧坏电路，就必须考虑过流保护和电压可调，由此我们利用几个三极管组成运放电路，可以 利用 变阻器 改变电压；按照要求基本输出是电压25流 前一级稳压部分的输出还达不到要求，在郑州航空工业管理学院（论文） 8 设计 C 电路时还必须充分考虑升压和扩流的功能，选用集成芯片就能很好解决这个问题； C 控制部分和电压显示部分由于编写程序的限制，只能 采用集成芯片及其外围电路组成。 统结构框图 为了完成设计任务，设计开关电源电路， 其中主要包括了变压、整流、滤波， C 变换器，控制显示电路等结构，其结构框图如图 2示。 输入 输出 图 2关电源结构框图 第三 章 电源 设计 变压、整流、滤波 C 变换器 控制、显示电路 郑州航空工业管理学院（论文） 9 变压、整流、滤波、保护和运放部分 方案一： 制作一个 实用稳压电源 ，它 是一个可供实际应用的串联型稳压电源电路。其输出电压 25 伏，输出电流 00 毫安 左右 。 该电路的特点是各个部分分工 明确，保护电路与放大分开，既保护三极管的安全，又起到变压、整流和滤波的顺利实现。 方案二： 电路的 输出电压 可在 25 伏，输出 额定 电流 500 毫安。 当电网交流电压在 220V 10%变化时，输出电压稳定度700，保护电路动作，自动限制输出电流。 方案一和方案二的区别在于保护电路的工作方式和范围不同，再者电容与电阻的选取 不一样。方案二测试结果稳定，元器件容易购买，因此选择方案二 ， 方案二设计 如图 4示 。 变压器采用自制铜丝缠绕铁芯方法制作，经测试性能刚好是220换成 15流电 路使用桥式整流，综合本总体的电压和电流要求选用整流二极 11)。滤波部分对电压要求较大，所以选用 10005V 的极性电容。保护和运放采用简单的三极管串接而成，但考虑到电压和电流的限制，大功率管 3示 。 郑州航空工业管理学院（论文） 10 图 3压、整流、滤波、保护和运放部分电路图 C 升压扩 流部分 路是一种数字电路，它可以通过单片机的 I/O 口来实现，当然有一些高级的处理器，本来就有 出引脚。 一个周期信号，主要参数是频率和占空比，如果这两个参数确定，那这个 号就是确定的。 频率应该比较容易懂，占空比就是在一个周期信号中，高电平的时间 /周期的比值 ,具体到单片机控制上，只要让 I/O 不断输出高低电平就可以了啊，控制高电平的时间和低电平的时间就能输出不同的周期和占空比了。 方案一： 4063开关管允许的峰值电流为 过这个值可能会造成 34063 永久损坏 。要想达到更大的输出电流，必须借助外加开关管。外接开关管降压电路和升压电路。 方案二 :列芯片 是 一个既有 5V、 12V、 15V 固定电压输出，又有输出电压可调的多种开关集成稳压器。 可调输出电压范围 37V；输出电流（最大） 3A；宽电源输入 3V郑州航空工业管理学院（论文） 11 45V，输入电压最高可达 45V； 方案一： 由 34063 构成的开关电源虽然价格便宜、应用广泛，而且输出电压也可以自己控制， 但它的局限性也是显而易见的。主要有以下几点： (1)效率偏低。 (2)占空比范围偏小 ； (3)由于采用开环误差放大，所 以占空比不能锁定 ； 方案二：优点是它具有输入电压范围宽，输出电流较大，转换效率高及外围元件少等特点，还具有过流保护及关闭电源控制功能。 缺点：虽然外围元件少可以控制电压输出，但是无法精确电流的输出。 综上所述， 34063 芯片可控性较差，而且 身含有（ 宽调制功能。故，采用方案二。 由 于前一级电路输出未能达到输出的要求（电压 25流 为此在设计 C 电路时应加入升压和扩流的功能。列集成电路有输出电压可调的多种开关集成稳压器，可调输出电压范围 37V；输出电流（最大） 3A；宽电源输入 3V 45V，输入电压最高可达 45V。 特点是外围电路简单只需一些电容、电阻和二极管就行，而且升压效率较高。完全能符合升压和扩流的条件 ,根据以上设计电路图 如 图 3 郑州航空工业管理学院（论文） 12 图 3C/压扩流部分 C 控制部分和电压显示部分 方案一：将模拟信号经过 大再经过 换后单片机计算，通过按键可以对 C 电路控制，加减电压幅值，然后驱动数码管显示具体数值。 方案二： 一块应用非常广泛的集 成电路。它包含3 1/2 位数字 A/D 转换器，可直接驱动 码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。因此我们用它进行 数字电压表的制作。制作时，数字显示用的数码管为共阳型， 2K 可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻 。 方案一（单片机处理）虽然合理且目的明确，但要设计软件，容易出现差错，因此我们选用集成芯片 成的方案二 。 整体主电路 主电路设计图如图 3示，电源的输出电压 为 25郑州航空工业管理学院（论文） 13 电路的变换器是一个降压型开关电路。由单管 驱动隔离变压器绕组 流， 以提供变压器原边泄放通路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源 整流后电压提供。 时也作为辅助反馈绕组 反馈电压。 图 3关电源电路图 反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程 是 ： 开关 开通后， V 处于断态， 初级绕组的电流线性增长，电感储能增加； 开关 关断后， 初级 绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过 次级 绕组和 V 向输出端释放。 郑州航空工业管理学院（论文） 14 第四 章 开关电 源 中的损耗问题 损耗问 题 芯损耗 磁芯损耗取决于磁感应增量、频率和温度。若不考虑温度影响 , 软磁铁氧体铁芯总损耗通常由三部分构成 : 磁滞损耗 流损耗 剩余损耗 种损耗产生的频率范围是不同的 , 铁芯总损耗为 : (3 式 (3中 不考虑 温度时为常数 , V 为铁心体积 , B 为磁感应强度 ,m 、 n 分别是工作频率和磁感应的指数 , 它们与铁芯的材料有关 。 绕组损耗 由于谐波的存在 , 绕组损耗也是变压器损耗的重要组成部分 , 对变压器来说谐波畸变率越大 , 损耗也将会越大。在谐波影响下 , 变压器的绕组损耗将随着谐波电流的增大而增大。由于非全相整流负荷的原因 , 变压器中会存在直流分量 , 它会使变压器产生偏磁。因此 , 如果考虑直流分量的影响 , 绕组损耗的计算公式为 : 2211 2020 (3 式 (3 : 绕组损耗 , h 为谐波次数 , 1 为第 2 为第 1为流过原边绕组的谐波电流的有效值 , 2为流过副边绕组的谐波电流的有 效值。 温升 郑州航空工业管理学院（论文） 15 高频变压器的温升对系统的工作状态和输出功率会有影响 , 而温升与能量损耗一般成正比关系 ,即 : (3其中 比例常数，即热阻 T 温升 P 损耗功率 由上式 (3知 , 为了降低温升 , 必须减少能量的损耗。而能量的损耗又直接与铁芯损耗和绕组损耗有关 , 因此在设计中必须考虑降低它们的损耗量。 解决方 法 一般而言，选择电感时，只需计算出最大负载电流，通过容许 20% 纹波电流来建立电感。由于磁芯损耗微不足道，因此会出现类似于产品说明书中所示的温升。然而，随着开关频率上升至 500 上，磁 芯损耗和绕组交流损耗可以极大地减少电感中的容许直流电流。使用 20% 纹波电流来计算电感，可带来相同的磁芯材料通量激增，其与频率无关。 磁芯损耗方程式的一般形式为： K 因此，如果频率 (F) 从 100 至 500 磁芯损耗便为原来 的 8 倍 ， 并且 随磁芯损耗上升而下降的容许铜线损耗。 100 ，大多数损耗存在于铜线中，同时利用全直流额定电流是可能的。更高频率时，磁芯损耗变大。由于总容许损耗由磁芯损耗与铜线损耗之和决定，因此铜线损耗必须在磁芯损耗上升时降低。这 种情况一直持续到各损耗均相等。最佳 情况是，在高频率下损耗稳定保持相等，并允许从磁结构获得最大输出 电流。 郑州航空工业管理学院（论文） 16 1 上，磁芯损耗大大降低了有效传导损耗。 感与开关频率成反比关系。电感在 近达到最小值。该频率以上，则必须升高电感来限制磁芯通量，从而将磁芯损耗控制在总损耗的 50%。该电感的额定电流也同时被计算出来。低频率时，磁芯损耗并不大，额定电流由绕组的功率损耗决定。下列方程式中，匝数与频率平方根的倒数成正比，因此频率升高 2 倍 (电感降低一半 )得到 数。 L = A N2/种情况会以两种方式影响绕组电阻。匝数减少 30%，而每一匝的可用面积却增加了 41%。由于绕组电阻与匝数 /匝面积相关，因此电阻随频率上升而线性下降，例如：在本例中电阻下降 2 倍。较高频率时，磁芯损耗开始限制容许铜线损耗，直到达到它们相等的点为止。在这一点上，通过增加更多匝数以及升高绕组电阻，使电感上升来降低通量。这样，电感额定电流减少。因此，从电感尺寸角度来说获得了最佳频率。 总之，增加开关频率会缩小磁芯尺寸的看法是正确的，但仅限于 磁芯损耗和交流 绕组损耗等于铜线损耗的点上。过了这个点，磁芯尺寸实际上会增加。另外，设计人员需要注意的是，在有许多高开关频率产品可供选择的今天，一些相应的应用手册中并没有清楚地注明过高磁芯损耗存在的一些潜在问题。 郑州航空工业管理学院（论文） 17 结 论 以上内容为毕业前几个月所设计的 开关电源设计 ， 本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，开阔视野，从而提高自身的能力。 本论文 经过 了 多次修改和整理，可以满足设计的基本要求。采用元件组成完成电路， 最终完成的电路经过 了变压，整流，滤波，保护将从电源初始端输入的电源变为可利用的电源，再经过逆变 C 变换这个核心环节将电源输出 ；开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的要求；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、 频率、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。输出的电源再经过反馈进行调整即可得到能满足条件的电源。 但是由于我的能力有限，本电路设计肯定还有很多不足之处，希望以后能够得到老师更多的指导完善电路。 郑州航空工业管理学院（论文） 18 谢