基于IR2161电子变压器的设计

四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文设计论文题目基于IR2161电子变压器的设计专业通信技术班级通技081学号0820011姓名崔璨指导教师杨波、王居帮二一年十二月一日四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学生姓名崔璨学号0820011班级通技081专业通信技术设计（或论文）题目基于IR2161电子变压器的设计指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注杨波助教四川信息职业技术学院通信技居帮高工中国联通四川公司广元分公计（论文）内容1用模拟电路设计一个电子变压器；2变压器由芯片IR2161控制；3变压器可将市电电压降压到小家电产品工作电压范围；4用EWB或MULTISIM对电路进行仿真；5制作实物。进度安排5周6周完成资料的收集，消化资料；7周9周确定设计方案，形成初稿；10周11周完成硬件设计，即完成单元电路及总电路图的设计和工作原理的叙述，电路性能指标的验算；11周12周按照要求修改毕业设计格式；12周13周进行调试、仿真，编写报告准备答辩；14周15周答辩。主要参考文献、资料1郑应光编模拟电子线路技术南京东南大学出版社，20052陈有卿主编实用IR2161时基电路北京中国电力出版社，20053陈永甫主编常用半导体器件及模拟电路北京人民邮电出版社，20064方大千主编电子控制装置制作入门北京国防工业出版社，20065朱鸿彪主编实用电子制作电子节能开关20066严飞主编妙用电子模块222例北京中国电力出版社，20067王昊主编通用电子元器件的选用与检测北京电子工业出版社，2006审批意见教研室负责人年月日备注任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份I目录摘要1第1章绪论2第2章方案设计321方案要求322方案论证3221方案一电子变压器3222方案二基于IR2161芯片的电子变压器4223方案结论5第3章参数计算和元件选择631IR2161主要特点632IR2161芯片电路7321IR2161芯片工作原理7322RCS的计算8323变压器T1的选择程序9324芯片介绍10325应用电路10第4章制作与调试1241PCB版的制作12411电路版设计的先期工作12412调入网络表文件和修改零件封装12413零件布局12414自动布线和手工调整1342制作调试13421调试13422注意事项13423PCB版图14总结15致谢16参考文献17附录1电路原理图18附录2PCB版图19四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第1页摘要IR2161是国际整流器公司（IR）专为电子变压器而设计的智能控制集成电路。IR2161把所需功能全部集于单一的8引脚DIP或SOIC封装内，从而可有效减少元件数量、简化电路并增强可靠性。我们身边的小型电子产品大部分都是电子变压器，如照明光源、电视机、VCD机、DVD机、电磁炉里的电源以及电脑里的电源等等。电子变压器具有无噪音、自身耗能低、电压适应范围广等许多优点。根据产品的更新速度，借鉴前人的一些知识对电子变压器进行了改进，以IR2161芯片为背景设计出一款功能齐全，成本较低的电子变压器。关键词变压；节能；IR2161四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第2页第1章绪论变压器是通过变换交流电压、电流和阻抗组成的器件，当初级线圈中通有交流电时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器中的线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。现在，“轻、薄、短、小”成为电子变压器的发展方向，这几种发展方向都是向着降低成本。从总的要求出发，可以对电子变压器得出四项具体要求，即使用条件、完成功能、提高效率、降低成本。因此，设计一种具有新颖、安全、节电、简单、方便的电子变压器显得十分必要。为了达到以上要求，该设计采用了基于IR2161芯片电路的电子变压器，因为该芯片功能比较齐全。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第3页第2章方案设计21方案要求设计电子变压器之前，先考虑以下几方面的因素第一，不同的电器设备的工作电压不同，所以需要变压器作出适当的处理。第二，所设计的变压器要满足用户需求，能够使生产厂家与消费者达到双赢的目的。第三，设计的电路要简单，新颖，并要考虑用户安装与使用的方便。第四，电路要安全可靠，而且节约能源。有鉴于此，在前人的基础上进行改进，总结出以下两种方案1电子变压器；2基于IR2161芯片的电子变压器。22方案论证221方案一电子变压器电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种。变压器完成的功能有3个功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有2个功率传送和纹波抑制。电子变压器的系统框图如图21所示。图21系统方框图电子变压器的电路原理图如图22所示。整流滤波高频振荡变压电路输出电路四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第4页D2IN4007D1IN4007D3IN4007D4IN4007R2200KQ1C3039Q2C3039C21000P/1KVC31000P/1KVC1001U/100VD532VL16TL26TDBAL31TC4047U/250VC5047U/250VCT1R11图22电子变压器电路原理图222方案二基于IR2161芯片的电子变压器功能描述本电路输入端接220V的市电电压。二极管1D4D构成整流把市电变成直流电，采用集成芯片IR2161，该集成芯片代替了上面的高频振荡电路。它将脉动直流变为高频直流，然后由输出变压器1T对高频脉冲降压，从而获得所需的电压和功率。IR2161芯片自身附带其它的功能，比如运用在卤素灯的变压器中，其优点有不需要预热和触发启动时间、无需大容量滤波电容、输出是经隔离的高频低压、安全性好。基于IR2161芯片的电子变压器的系统方框图如图23所示。图23系统方框图基于IR2161芯片的电子变压器的原理图如图24所示。整流滤波IR2161电路变压电路输出电源四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第5页CLF100NF/275VC415NF/400VCD330NF/400VC2100NF/400VCSD1NF/50VCCS1NF/50VCVCC2100NF/25VCB100NFC315NF/400VCVCC1220UF/50VD2IN4007D1IN4007D3IN4007D4IN4007DSIN4007DCP1IN4148DCP2IN4148DBIN3947LF3MHR2470K/1WRB222RB122R1470K/1WRCS033/05WRS270/3WRD270/3WRL1KT1TRANS4VZ16V/1WQ1IRF740Q2IRF740CSNUB150PF/500VC1100NF/400VVB8HO7VS6LO5VCC1COM2CSD3CS4IR2161图24电路原理图223方案结论方案一的特点各种元器件比较普通，能够变压。但成本比较高，适合大型的家用电器中的电源变压。此种产品未达到节约成本的要求。方案二的特点基于智能半桥驱动器芯片IR2161的电子变压器，无需饱和磁环变压器，仅需用少量元器件，则可实现变压功能。方案确定为了节约成本、减小实物带来大体积，本次毕业设计选用方案二基于IR2161芯片的电子变压器。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第6页第3章参数计算和元件选择31IR2161主要特点IR2161是国际整流器公司（IR）专为电子变压器而设计的智能控制集成电路。该器件能驱动低压卤素灯。IR2161把所需功能全部集于单一的8引脚DIP或SOIC封装内，从而可有效减少元件数量、简化电路并增强可靠性。IR2161内含以双向晶闸管为基础的标准移相调光器，因而能支持外部调光。相比其它采用分立元件的同类电路，IR2161能节省两成组件。自适应死区时间控制是IR2161的关键性能，可通过持续软开关来增强变压器的可靠性。IR2161以IR的高压结间隔离HVJI集成电路技术为基础。这项专利技术把高压电路从低压电路中分隔出来，将高侧及低侧驱动功能融合于紧凑的单芯片内，从而控制多种开关转换器的拓扑。IR2161的其它特点包括250/400MA的输出驱动容量，156V齐纳二极管钳位CCV，低于300A的微功率起动和30KHZ125KHZ的内置振荡器等。在选择整流二极管时，为了保证工作点足够稳定,应满足下列条件MI152I即066020330IA二极管IN4007的最大整流MI1A0066A，故1D4D选择1N4007型二极管。单元电路图如31所示。CLF100NF/275VCD330NF/400VCVCC1220UF/50VD2IN4007D1IN4007D3IN4007D4IN4007LF3MHRS270/3WRD270/3WVZ16V/1W图31桥式整流电路四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第7页32IR2161芯片电路321IR2161芯片工作原理在接通市电电压后，桥式整流器通过RS的电流除流入IC脚CCV上的启动电流外，其余的大部分电流对电容1CVCC充电。当IC脚CCV上的电压达到启动阈值118V后，IC开始工作。当IC启动，由CSNUB、1CPD和2CPD组成的电荷泵电路为IC脚CCV馈送电流。自举二极管BD和电容BC为IC高侧驱动器电路供电。齐纳二极管ZD的作用为分流IC过剩电流，以防止IC损坏。IR2161提供软启动操作，可以避免浪涌电流产生。IR2161输出125KHZ的高频。由于系统中输出高频变压器1T初级漏感是固定的，在较高的频率下呈现较高的阻抗，初级绕组上的电压较低，致使变压器输出电压较低，电流较小，同时也避免了保护电路被触发。约经1S的时间，电路以较低频率运行。在此过程中，IC脚外部电容SDC上的电压从0V增加到5V。当空载时，CSDU0V，振荡器频率最大负载约60KHZ，当CSDU5V，振荡器频率约30KHZ，当输出短路时，电流将流过半桥，被RS感测。只要IC脚CS上电压超过1V的门限电平持续50MS以上的时间，系统将关闭。如果负载超过最大负载的50，IC脚上CS的电压将超过05V较低的门坎电压，在经05S之后，系统将关闭。所以不论是短路保护还是过载保护，都能自动复位。IR2161还能提供过热关闭功能。当芯片结温超过135的过温度限制值时，半桥开关将停止工作，以避免MOSFET烧坏。单元电路如图32所示。CSD1NF/50VCCS1NF/50VCVCC2100NF/25VCB100NFCVCC1220UF/50VDSIN4007DCP1IN4148DCP2IN4148DBIN3947RB222RB122RCS033/05WRS270/3WRL1KQ1IRF740Q2IRF740VB8HO7VS6LO5VCC1COM2CSD3CS4IR21614HEADER图32IR2161芯片电路四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第8页322RCS的计算在半桥中间点上的电压为DC总线电压的1/2。DC总线的MSR电压与AC线路的MSR电压相同，负载上的MSR电压为AC线路的MSR电压的50，通过CSR的电流为负载电流的一半。由于负载呈电阻性，电流波形为正弦包迹，半桥输出占空比为50，在最大负载上CSR上的峰值电压PKU04V，通过CSR的电流为21212121RMSACLOADRMSACLOADRMSLOADLOADRMSLOADRMSCSUPUPUPII31CSR中的峰值电流为22RMSCSPKCSII32CSR两端的峰值电压为40CSPKCSPKCSRIUV33从式（31）、式（32）和式（33）得到14102240RMSLOADLOADLOADRMSACCSUPPUR34对于工作在ACUMSR220V交流线路电压下的PLOAD100W的电子变压器，电流感测电阻CSR值为3101002201410WVRCS35单位电路如图33所示。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第9页C415NF/400VC2100NF/400VC315NF/400VR2470K/1WR1470K/1WRCS033/05WT1TRANS4Q1IRF740Q2IRF740C1100NF/400V图33计算CSR的输出级电路323变压器T1的选择程序在30KHZ和最大负载下，选择正确的磁芯尺寸，根据制造者提供的磁芯数据，确定最大容许功率。1计算初级绕组匝数初级绕组最少匝数MINPN可根据式（36）计算MINPNEPKABTONUMAX2MAX36式中PKU为最高峰值总线电压，可取其为400V；MAXTON为最大导通时间，其值可选取18US；MAXB为最大磁通密度，单位为T，其值可从制造者提供的铁氧体材料工作在100时的曲线获得；EA为磁芯有效载面积，单位为。2计算次级需要的匝数次级绕组匝数SN可按式（37）计算。2RMSACRMSOPSUUNN37式中RMSOU12V，RMSACU220V。IR公司在参考设计中采用VOGT或KASCHKE公司环形磁芯，初级绕组78匝，次四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第10页级绕组8匝，初级与次级绕组之间利用压塑分离器隔离。324芯片介绍IR2161芯片如图34所示，各引脚功能如表31所示。表31IR2161的引脚功能序号符号功能描述1VCC低侧逻辑和驱动电路的电源电压2COM集成电路的功率地端和信号地端3CSD关断时间控制和补偿电容4CS电流感应输入端5LO低侧栅驱动输出6VS高侧浮动电源的返回端7HO高侧栅驱动输出8VB高侧栅驱动浮空电源VCC1COM2CS4CSD3VS6HO7VB8LO5IR2161图34IR2161芯片325应用电路IR2161具有监测负载电流的功能，这是通过感测电流的电阻器CSR进行的。当处于电压补偿方式时，峰值最大电流被检测出来并放大，送往CSD引脚。SDC电容器两端的电压在0V（负载电流为零）到5V（最大负载电流）之间变化。在正常运行状态下，振荡器的频率从大约33KHZ（这时，UCSD为5V，负载电流最大）变化到62KHZ（这时，UCSD为0V，负载电流为零）。于是在负载电流较小时，频率将上移，故输出电压将下降到低于所希望的最大电压，这样对负载电流进行了充分补偿，使电压总是处在可以接受的范围之内。IR2161中的关断电路监测CS引脚上的负载电流，把短路或者过载情况检测出来。如果出现短路，则系统必须在市电的几个周期内把系统关断，防止MOSFET因温度过高而损坏。为了做到这点，CS引脚有一个内部的12V阂值电压。如果电压的电平时间超过50MS，则系统就会自动关断。接通系统时出现的浪涌电流会造成误触发，四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第11页而且使用外部的三端双向可控硅调相电路调节亮度时也会带来瞬态电流，也会造成误触发。为了防止这两种误触发，延迟时间最好大于50MS。IR2161还有一个更低的05V阑值电压，在关断系统之前，它的延迟时间要长得多，可以用于实现过载保护。如果在输出的另外一头出现短路，而电缆的电阻又相当大，则IR2161也会触发短路保护电路防止电流过大。过载关断的阑值电压大约比最大负载高50，延迟时间大约是05S。这是基于一个电流波形来实现的。该电流波形的包络是正弦的，包含一个高频的方波分量，占空比为50。这两种关断模式都可以自动复位，在关断系统大约05S之后，振荡器又开始产生振荡。所以，在把故障排除后，系统又可以开始正常工作，不必把电网电压切断，然后再接通。IR2161还可以为最终用户提供过载指示信号，即如果接到系统上的卤素灯过多，则所有卤素灯都会连续不停地闪烁。自适应死区时间控制是IR2161的关键性能，可通过持续软开关来增强变压器的可靠性。IR2161配备有一个动态死区时间电路，当半桥结构中的直流母线电压降到0V转换点时，IR2161的监测功能电路会调高低侧驱动器（LO输出）。当LO变低时，其内置取样和保持具有大致相同的延迟，因而可在LO转低后把高侧驱动器（HO输出）调高。自适应死区时间控制可按振荡器周期做出反应，并可在需要时调节死区时间。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第12页第4章制作与调试41PCB版的制作411电路版设计的先期工作利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路版比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。手工更改网络表，将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没有任何物理连接的可定义到接地。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件改成和PCB封装库中的一致，特别是二极管、三极管等。412调入网络表文件和修改零件封装网络表是PCB自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路版设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路版的布线。在原理图设计的过程中，ERC检查不会涉及到零件的封装问题。因此，原理图设计时，零件的封装可能被遗忘，在引进网络表时可以根据设计情况来修改或补充零件的封装。413零件布局PROTEL99可以进行自动布局，也可以进行手动布局。如果进行自动布局，运行“TOOLS”下面的“AUTOPLACE”这个命令。布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。PROTEL99在布局方面新增加了一些技巧。新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后通过旋转、展开等方式，就可以移动到所需位置。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第13页414自动布线和手工调整点击菜单命令AUTOROUTE/SETUP对自动布线功能进行设置，选中除了ADDTESTPOINTS以外的所有项，特别是选中其中的LOCKALLPREROUTE选项，ROUTINGGRID可选1MIL。自动布线开始前PROTEL会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小越容易布通，但布线难度和所花时间越大。点击菜单命令AUTOROUTE/ALL开始自动布线，假如不能完全布通则可手工继续完成。完成后做一次DRC，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，再手工更改网络表，并重装网络表后再布。对布线进行手工初步调整，需要加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线需重布，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D功能察看实际效果。在手工调整中可选TOOLSDENSITYMAP查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的END键刷新屏幕。红色部分一般需调整走线，直到变成黄色或绿色。42制作调试421调试1根据电路板功能，列出所有可能的输入、输出信号，区分开关量、模拟量。2用小开关模拟输入开关信号，用电源电位器电阻等元件提供模拟量输入信号，用小指示灯、假负载接至输出端。3按照所有可能的输入状态，进行试验，观察输出。4根据电路理论值对比实验结果，如有差别，需要调整电路参数（再次试验），直至结果满足要求。422注意事项1首先检查印刷电路是否设计正确，元器件位置是否安装正确，二极管、电解电容等极性不要装错。2焊接质量尤其重要，焊接时间较长易损坏元器件，焊点处理是否合理，有没有四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第14页焊接点短路、虚焊以及多余管脚是否剪去。3制作过程中注意用电安全，按照正常规程进行操作。4在不明确情况下，可以不通交流电，检查各个元件工作特性，安装正确后，再通入市电220V检测。423PCB版图基于IR2161芯片的电子变压器的PCB版图如图31所示。41PCB版图四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第15页总结在我的毕业设计中，主要对IR2161电子变压器进行了简单的设计与阐述。电子变压器在以后的领域中有很好的发展，我们身边的小型电子产品里面用的大部分都是电子变压器。电子变压器具有无噪音，自身耗能低，电压适应范围广等许多优点。也使得电子变压器在各种领域的运用广泛。通过本次毕业设计，我对电子变压器的原理、功能和应用领域有了更深刻的认识，对已学过的专业知识进行了巩固和提高，达到理论联系实际的效果。电子领域正以惊人的速度发展，只有不断地学习才能适应社会的发展需要。我也明白了活到老学到老才是硬道理。四川信息职业技术学院毕业设计说明书论文第16页致谢在本次毕业设计中，我真诚地感谢杨老师和同学们的帮助，