开关电源设计-电子专业综合实习

一 方案设计1.1设计内容根据选题技术指标要求进行电路设计，在Multisim软件中进行原理图绘制，并仿真，满足设计要求后，再进行硬件制作和调试，如果实验结果不满足要求，则修改，直到满足要求为止。主要技术指标：（1）输入交流电压220V（可省略此环节）。（2）输入直流电压在818V之间。（3）输出直流电压516V，输出电压纹波小于2%。（4）输出电流1A（5）采用脉宽调制PWM电路控制。1.2设计方案在考虑诸多方案后，最终选择用开关电源来设计满足要求的电路。开关电源利用MOSFET、三极管等控制功率器件的导通和关断去稳定输出电压，有转换效率高、体积小、重量轻、输入电阻高、动态性能好，控制精度高等优点。因为TL474C脉冲调制芯片能够极大的简化电路，并且有着完善的PWM驱动功能，性能稳定，可靠性高，所以采用该芯片来完成降压电路的设计。因为交流电压经过整流和滤波电路进行整流滤波之后，得到含有脉冲的直流电压，此电压通过高频变换器变成所要电压值的方波，再将方波电压通过整流滤波即得到所求直流电压，如图1-1所示。要调整高频开关元件的开关时间比例，达到稳定输出电压目的，就考虑到用一控制电路，如图1-2所示，控制电路是一个脉冲宽度调制器，由脉宽调制、振荡器、比较器、基准电压，取样器等电路构成。图1-1开关电源组成图1-2控制电路部分在开关电源中的调整管是工作在开关方式的，仅有导通和截止两个状态，当输出的电压有变化的时候，通过采样电路输出电压变化量的一部分被送到比较放大电路，和基准电压进行比较，然后将基准电压与送至的电压进行比较，把两个比较的差值放大之后送到脉冲调制电路，使得脉冲波形的占空比变化。该脉冲信号作为开关的输入信号，使得调整管导通和截止的时间比例变化，因而滤波之后输出电压的平均值基本上不会变化。二 电路图设计2.1 主电路设计根据降压开关电源原理（图2-1），当开关管导通的时候，二极管截止，输入的整流电压经过开关管和电感向电容充电，使得电感中的储能增加，当开关管截止的时候，电感感应出左正右负电压，经过负载和续流二极管释放出电感中的能量，使得输出电压基本保持不变。电路输出的直流电压的大小由加在开关管基极上的脉冲宽度所确定。图2-1 降压式开关电源2.2 主电路参数选择降压变换器的基本电路如图2-1所示。其功能是对输入输出电压进行降压变换直流滤波，达到输出电压小于输出电压降压的目的。如果开关晶体管、二极管、电感、电容都是理想元件。当主开关导通，流过电感线圈，电流线性增加，负载上流过电流，两端输出电压，极性上正下负。当电容工作在充电状态时，二极管受反向电压截止。经过时间T后，主开关截止，因为电感中磁场会改变电感两端的电压极性，保持电流不变。负载两端电压依然是上正下负。当电容出于放电状态时，要维持电流电压不变，二极管受正向偏压为电流构成通路。因为输出电压小于电源电压，所以达到了降压目的。 图2-2TR导通 图2-3TR关断根据变换器电路中给定输入电压Vs的范围，输出电压Vo、功率P、输出电流Io、文波电压范围Vo、开关频率fs，可以推出电路中电感和电容的参数以及需要的开关管和二极管的耐压，耐流值。在开关管导通期间to-t1，电感电流上升量是在开关管关断期间，电感电流的下降量为因为稳态的时候这两个电流的变化量相等，所以得到由此得到占空比：解得1）储能电感的确定根据,以及选择的芯片相应的R=4.7K，C=1f，得到f=23.4HZ,电感充放电的一个周期里有，导通时有，同时有，因此得到，这里取电感为1mh。2）滤波电容的确定经过电容的电流是，对电容充放电产生的纹波电压所以选取10nf的电容，因为输出电容不是理想的，根据ESR-容值关系RC近似为一常数50-80106f，所以选择另一个电容值为2200f。续流二极管的确定因为降压开关稳压电源在开关截止时，续流二极管导通，电感储能转化为电能，二极管起续流作用，二极管正向的额定电压需要大于负载的电流，耐压值大于输出电压，因为需要缩短截止和导通的时间，这里选择超快速恢复二极管。输出电路选择开关管饱和和导通的时候，电能储存在电感里，同时流向负载。因为开关管截止的时候，电感上的电流不能突然变化，储存在电感里的能量会继续给负载，这时二极管导通，构成一个闭合回路，电容在这里有着滤波平滑输出的作用。经过上述分析，在仿真中验证并修改后，得到的主电路如图2-4所示。图2-4主电路部分2.3控制电路的设计根据要求这里选择TL494（图2-5）来完成控制电路的设计，TL494是一种固定频率脉宽调制电路，包括了开关电源需要的全部功能。图2-5 TL494TL494内含线性锯齿波振荡器，振荡器的振荡频率可以由外部的电容和电阻调节，计算公式为，输出脉冲宽度通过电容上的正极性锯齿波电压和其他两个控制的信号进行比较来完成。两个功率输出管受控制于或非门，当双稳态的触发器时钟信号是低电平的时候才会被选通，因此只有在锯齿波的电压比控制信号大的时候才会选通。控制信号增大，输出的脉冲会减小。对于脉冲控制，控制信号由芯片外部输入，送到死区时间比较器，再送向误差放大器的输入端。脉冲宽度调制比较器给误差放大器的调节输出给了方法，反馈电路的电压从0.5v变化到3.5V的时候，输出没脉冲宽度从死区的最大导通百分比时间中降低零。两个误差放大器的输出端常处在高电平，和反向输入端进行或运算，使得放大器只需要最小的输出就可以调节控制回路。当比较器放电，正脉冲在死区比较器的输出端，因为双稳触发器受到约束开始计时，输出管停止工作。如果输出控制端接到电压端，调制脉冲交替输出到两个输出晶体管，输出频率是脉冲振荡器的一半。根据TL494的工作原理，这里设计控制电路如图2-6所示。图2-6 控制电路部分TL494的14脚作为基准电压通过电阻的分压进入15脚作为和16脚反馈信号进行比较的基值。由主电路的输出端出来的反馈信号通过16脚和15脚基准电压进行比较，调节8脚与11脚输出的脉冲信号占空比，达到调节MOS管开通与关断的频率以及时间，实现输出理想的稳定电压值。三 仿真由上述的原理，得到的完整仿真电路图如图3-1所示。图3-1在仿真开始时经过网上的查找资料与研究发现了仿真中的很多错误，最后在老师的指导和同学的帮助下反复调制才完成。满足了设计的要求。5号引脚的锯齿波形：8号引脚的方波：四 制作制作后的电路板如图4-1所示。五 实际测量波形在输入端加上18V的电压，电路板上的接地端接地，观察到8号脚有方波输出如图5-1所示。图5-1 方波5号引脚的锯齿波如图5-2所示。图5-1 锯齿波六 调试分析先不接水泥电阻负载，测量输出电压，当输入电压为18v时，转动滑动变阻器看输出电压是否可以在5V-16V之间变动，如果不行，用示波器测量3号引脚、5号引脚，8号引脚波形，看是否符合输出理论。查出对应的问题后，再解决局部问题。在检测反馈回路时，可调节滑动变阻器，先正向旋转，如果长时间波形没有变化，再反向旋转，如果能看到波形突然消失，说明反馈回路时有效的。在检测驱动电路时，用示波器观察芯片的5号和8号引脚，如果5号是锯齿波，8号是方波则没有问题，如果没有波形则继续检查。七 测量精度根据操作调试电路后，发现当输入电压为18V时，输出电压能达到16V左右，波形也都符合要求，在允许误差的范围内。八 结论和体会由本次课程设计，我懂得了开关直流降压电源设计的原理，熟悉了开关电源的概念以及组成，了解了PWM方式下电源的工作原理，进一步熟悉了在Multisim软件仿真以及调试。在仿真时遇到了很多问题，因为长时间没有操作过Multisim软件，已经变得很陌生了，同时，一开始对参数的选择不准确，导致结果一直没有出来。在焊接完成后，也进行了很长时间的调试，遇到的问题是没有输出，因此按照从整体到局部的方式，一步步排查，检测短路和虚焊问题，检测相应引脚和波形。最后发现是三极管被烧毁，在换完新的三极管后重新检测电路出来了正确结果。通过本次课设，虽然遇到了很多问题，但是也体会到