20070837丁得斗开关电源

阿坝师范高等专科学校毕业设计开关电源学生姓名丁 得 斗专业名称电子信息工程班 级电信2007级学 号20070837指导教师晏 勇阿坝师范高等专科学校教务处二九年十一月目 录第1章 绪论31.1背景31.1.1开关电源的发展历史31.1.2我国开关电源历程31.1.3开关电源技术发展动向3第2章 PWM开关电源的基本原理42.1PWM开关电源的基本原理42.2PWM开关电源的组成模块4第3章 设计思想与方案选择53.1设计思想53.2方案论证53.2.1方案选择5第4章 系统设计54.1技术指标54.2输入整流器/滤波器部分的设计54.3EMI滤波器64.4浪涌抑制部分64.5变压器74.6开关电源开关控制器84.7输出整流和滤波电路94.7.1半波整流电路94.7.2电容滤波104.8光偶隔离网络104.9过压电路设计MC342311第5章 电路的安装与调试125.1总体电路125.1.1电路的工作过程125.1.2测试12第1章 绪论1.1 背景随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统新一代产品。显然，体积大而笨重工频变压器的线性稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式高频开关电源。1.1.1 开关电源的发展历史开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源（线性电源）已有多年历史，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，但功率晶体管了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，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6570，而线性电源的效率只有30一40。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关注。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。 随着芯片尺寸不断减小，电源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。1.1.2 我国开关电源历程目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源的发展，起源于二十世纪七十年代末和八十年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研机构停留在实验研发和教学阶段。二十世纪八十年代中期开关电源产品开始推广和应用。而此时，开关电源的特点是采用20kHZ脉宽调制（PWM）技术，效率可达百分之六十五到七十。目前已形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。 七十年代起，我国在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20kHZ ACDC开关电源。八十年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0.55MHz准谐振型软开关电源。八十年代中，我国通信（如程注交换机）电源在ACDC及DCDC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）ACDC开关电源所持代；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。 90年代，中小型（500W以下）ACDC和DC-DC开关电源的特点：高频化（开关频率达300400kHZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电压；AC输入端高功率同数等。1.1.3 开关电源技术发展动向进入21世纪，开关电源技术将有更大的发展，主要表现在以下几个方面。1. 高性能碳化硅（sic）功率半导体器件2. 高频磁技术3. 新型电容器4. 功率因数校正ac-dc开关变换技术5. 高频开关电源的电磁兼容研究6. 开关电源的设计、测试技术7. 低电压、大电流的开关电源开发第2章 PWM开关电源的基本原理2.1 PWM开关电源的基本原理脉冲宽度调制技术(PWM)变换技术就是通过重复通断开关工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），在经过整流平滑后变为另一种电流电压输出。PWM变换器由功率开关管、整流二极管及滤波电路等元件组成。输入输出间还要进行电气隔离，可采用变压器进行隔离和升降压。随着高频功率器件的出现，开关工作频率可以得到相应的提高，滤波电感L、变压器T等磁性器件以及滤波电容C都可以小型化。对于这种变换器，改变占空比有两种工作方式：一是保持开关管工作周期Ts不变，控制开关导通时间Ton的脉冲宽度调制（PWM）方式；二是保持导通时间Ton不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制（PFM）方式。这里采用第一种方式。2.2 PWM开关电源的组成模块PWM开关电源组成框图如图2.2：图2.2 开关电源组成框图各部分的功能：（1） RFI滤波（输入滤波器）功能：防止高次谐波反馈到输入交流线，对其它电子设备产生干扰。（2） 整流滤波：将电压变成含有一定脉动电压成分的直流电压。（3） 高频交换开关元件：如开关晶体管、场效应管等元件，产生出20KHZ以上的高压方波。高频隔离变压器: 所得电压送给高频隔离变压器的初级。在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低或高压直流电压。（4） 辅助电路：过压保护、短路保护等保护电路，使电路安全可靠的工作。（5） PWM控制逻辑：通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路。当今的开关电源大部分采用脉冲宽度调制技术(PWM)，这一技术主要是在主变换器工作周期不变的情况下，通过改变开关晶体管的导通时间和截止时间，以控制输出电压稳定在预先确定的电压值上。第3章 设计思想与方案选择3.1 设计思想给系统用电器提供持续、稳定的能量，使系统免受外部的侵扰，并防止系统对外部电源造成污染。如果电源内部发生故障，不应造成用电系统二次故障。3.2 方案论证 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组的脉冲电压整流滤波而来。开关电源电源是比线性电源有更多的优势，要有持续稳定的电源就该有相关的安全措施。3.2.1 方案选择 选择UC3842开关电源控制器，PC817光电耦合，MC3423过压保护器组成一个OPV过压控制开关电源。第4章 系统设计4.1 技术指标 基于UC3842为核心，设计一个输出为+5V/2A，+12V/2A；输出功率为34W变换器频率为68KHZ的开关电源，其输入电压为180260V频率为50Hz。线性调整率为：V或V负载调整率为：V或V输出纹波：5V，或12V，效率为：70%。4.2 输入整流器/滤波器部分的设计 如图4.2.1采用二极管全波整流。在整流二极管并联容量小耐压较高的电容也滤除高频纹波。典型的输入输入整流/滤波器电路由热敏电阻RT、保险管、滤波线圈、和有VD1VD4组成的桥式整流及滤波电容组成。输入整流二极管的反相耐压一个大于400V，因此我们选择1000V/1A的1N4007。RT选择6欧的NTC电阻。压敏电阻RV用于交流输入过压保护，选其标称值为600V。 Lin选用1A，C1取值为0.1uF/250A。输入值为AC180260V，整流滤波后的空载峰值电压为DC253368V。 交流电流频率为50HZ，每个线路同期的能量Ein为：若考虑纹波电压限制，应使最小输入交流电压Vinmin保持200V以上。从基本的能量关系式可知，在每个周期内，电网为电源提供能量应为：2公式中，Vpk为输入最低交流电压经整流后的直流峰值电压，Vinmin为最低工作直流电压值取Cin的标称值应为82uF，其耐压值为400V以上。图4.2.1 整流电路4.3 EMI滤波器 如图4.2.1 在回路中添加一个高频纹波滤波器，滤除高频纹波。在数字信号处理领域普遍认同的低通滤波器概念同样适用于电力电子装置中。简言之，EMI滤波器设计可以理解为要满足以下要求：1）规定要求的阻带频率和阻带衰减；2）对电网频率低衰减；3）低成本。EMI滤波器通常置于开关电源与电网相连的前端,是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器。噪声源等效阻抗为Zsource、电网等效阻抗为Zsink。滤波器指标（fstop和Hstop）可以由一阶、二阶或三阶低通滤波器实现，滤波器传递函数的计算通常在高频下近似，也就是说对于n阶滤波器，忽略所有k相关项（当kn），只取含n相关项。表1列出了几种常见的滤波器拓扑及其传递函数。特别要注意的是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特性带来的影响。EMI滤波器的效果不但依赖于其自身，还与噪声源阻抗及电网阻抗有关。电网阻抗Zsink通常利用静态阻抗补偿网络(LISN)来校正，接在滤波器与电网之间，包括电感、电容和一个50电阻，从而保证电网阻抗可由已知标准求出。而EMI源阻抗则取决于不同的变换器拓扑形式。EMI滤波器设计往往要求在实现抑制噪声的同时，自身体积要尽可能小，成本要尽可能低廉。同时，滤波效果也取决于实际的噪声水平的高低，分析共模和差模噪声的干扰权重。4.4 浪涌抑制部分 如图4.2.1，在输入端并联一个NTC电阻，在电路出现意外高压时可以分流。对于家居信息系统的保护除了做好常规的防雷设施和处理好接地外，还应在信息家电的电源端加装相应的过电压保护装置，以消除电网浪涌、雷电感应电压、设备切换等意外事件对信息家电设备的冲击和毁坏。浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。第一种类为橇棒器件，其主要特点是器件击穿后的残压很低，因此不仅有利于浪涌电压的迅速泄放，而且使功耗大大降低。该类型器件的漏电流小，器件极间电容量小，对线路影响小。常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌保护器、硅双向对称开关等。 另一类为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻，瞬态电压抑制器等。 保护器分过电压保护元件和过电流保护元件。我们通常所称的“避雷器”和随着国外防雷器件引入的“浪涌抑制器”、“过电压限制器”、放电管、齐纳二极管等都属于电压限制元件。而正温度系数、电感、电阻、保险丝则属于过电流保护元件。4.5 变压器 变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能量。传输能量的大小，与变压器所用材料、结构、尺寸、和工作频率有关。如果传输的能量为定值，工作频率高，在一定时间内传输能量的次数多，每一次传输的能量可以少，则变压器用的材料少，结构尺寸小。用PWM方式改变变压器传输能量和电压大小，是一种外加控制方法。 第一步：计算初级电感峰值电流 假设，由于最低电压为AC180V，所以V 其中22V为输出电压纹波和整流器压降。 计算峰值电流为： 这个初级电感的峰值电流也为我们确定功率开关晶体管的最大集电极电流提供了依据。第二步：确定最小占空比min最大输入交流电压经整流后的直流电压为：所以，当输入直流电压在230VVin364V范围内，变换器将工作在占空比的范围是：0.1740.948(cm2)，可以满足设计要求。我们将依据这种磁芯，进行绕组设计。第五步：计算空气隙Lg 通过查TDKE128型磁材的饱和磁通密度Beat=400010-4T，100时，为了使变压器工作在低磁损状态，选工作最大磁通密度Bmax=110010-4T。=第六步：计算变压器初级线圈匝数L1取整数L164(匝)。第七步：计算各次级线圈绕组(1) 计算自馈电绕组L2(2) 计算5V直流输出绕组L3(3) 计算12V直流输出绕组L4高频电源变压器完成功能有3个:功率传送,电压变换和绝缘隔离.功率传送有两种方式.第一种是变压器功率的传送方式,加在原绕组上的电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,从而使电功率从原边传送到副边。第二种是电感器功率传送方式,原绕组输入的电能, 使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁使副绕组感应电压,变成电能释放给负载。4.6 开关电源开关控制器 采用常用的开关控制器UC3842，如图4.3.1，使用RC震荡出频率为20k的方波信号，PC817反馈一个占空比信号，动态控制开关时间。图4.3.1 UC3842PWM控制器UC3842PWM控制器是目前保护功能最完善的集成电路。它具有输入过压保护、输入欠压保护、输出过流保护等功能。过流保护是用逐个脉冲限流保护方式与过流关闭保护方式共用，采用不同阀值的比较器进行实现，当出现过载时，这些比较器将短路掉PWM输出脉冲，同时打开慢启动晶体管，为慢启动电容放电，保证故障消除之后，系统能够正确地重新启动。 UC3842的主要功能：1、可调整的充放电振荡电路，可精确地控制占空比；2、采用电流型操作，并可在500kHz高频下工作；3、具有自动补偿功能；4、带锁定的PWM，可以进行逐个脉冲的电流限制；5、 具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定；6、提供大电流输出，输出电流可达1A；7、工作电流低，且能进行低电流启动；8、可直接对双极晶体管和MOSFETS管进行驱动。UC3842特点：(1) 良好的线性调整率(2) 可明显地改善负载调整率。 (3) 误差放大器的外电路补偿网络得到简化，稳定度提高并改善了频响，具有更大的增益带宽乘积。(4) 电流限制电路得到简化。(5) UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路，其开启阀值设在16V，关闭阀值设在10V。UC3842的内部电源输入端设置一个34V的齐纳二极管，保证其内部电路绝对在34V以下工作，防止高压可能带来的损坏。6) UC3842的振荡器工作频率f由下式进行设定：(7) UC3842的误差放大器同相输入端接在内部+2.5V基准电压上,反相输入端接收外控制信号，其输出端引出线可外接补偿RC网络,尔后接到反相输入端，在使用过程中，可改变R、C的取值来改变放大器的闭环增益和频率响应 4.7 输出整流和滤波电路 4.7.1 半波整流电路 单相半波可控整流电路图 4.7.1 单相半波可控整流1、工作原理可控硅整流电路正半周： 0tt1,ug=0,T正向阻断，id=0,uT=u2,ud=0 t=t时,加入ug脉冲，T导通，忽略其正向压降 uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。负半周： t2当u2自然过零时，T自行关断而处于反向阻断状态，ut=0,ud=0,id=0。 从0到t1的电度角为，叫控制角。从t1到的电度角为，叫导通角，显然+=。 当=0，=180度时，可控硅全导通，与不控整流一样，当=180度，=0度时，可控硅全关断，输出电压为零。4.7.2 电容滤波正确地计算和选择输入整流滤波电容是十分重要的。因为它将影响下列的一些性能指标：电源输出端的低频交流波纹电压和输出电压保持时间。一般情况下，高质量的电解电容器所具有的滤除交流波纹电压的能力越强，它的ESR值越低。其工作电压的额定值至少应达到200V。电阻R4和R5与电容器C1和C2并联，以便在电源关闭时，给电容提供一个放电通路。计算滤波电容的公式如下：公式中，C：电容量，F； I：负载电流，A；t：提供电容电流的时间，s；V：所允许的峰-峰值纹波电压，V。输出电路采用型滤波4.8 光偶隔离网络通用光电耦合器PC817特点:1. 电流传输比 CTR:IF=5mA,VCE=5V时最小值为 50%2. 输入和输出之间的隔绝电压高Viso(rms):5.0 KV 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。其内部框图如图3所示。 图3 PC817PC817的参数：正向电流：IF =50mA；峰值正向电压IFM=1A反向电压：VR=6V； 功耗：P=70nW集电极发射极电压：VCEO=35V；发射极集电极电压：VECO=6V集电极电流：IC=50mA；集电极功耗：PC=150mW总功耗：Ptot=200mW； 隔离电压：Viso=5000VrmsPC817的典型应用：如图4图 4 PC817典型应用 输入端输入一个电流后由元件内部的光电耦合可以在输出端产生电流，而输出端和输入端视由光电耦合隔开的，起到一个隔离作用。4.9 过压电路设计MC3423MC3423是实现OVP过压检测的专用芯片。MC3423一般和晶闸管（以下简称SCR）配合使用，构成一个过压保护电路（以下简称OVP）。OVP用于保护被监视的电路,避免由于过压或稳压器故障而造成损坏。当系统发生过压时,过压检测器触发SCR导通，以短路系统的电源，这样迫使电源进入电流限定状态或通过烧断保险丝来断开系统的供电。保护电压的阈值可通过外接的分压电阻决定。为避免被监视的电由于噪声而导致OVP的误动作，引起保护动作的最小持续时间可通过外接电容调整。过压保护电路的作用是：当输出电压