湖南工业大学电力电子实训开关恒流电源设计

1、hunan university of technology实训设计说明书课程名称：电力电子实训设计设计题目：开关恒流电源设计专业：电气工程及其自动化 班级:学生姓名：学号：指导教师：2016年05月20日1.引言电力电子技术课程设计是电气、电子、机电及其相关专业教学中的一个重要组成部 分。通过电力电子技术课程设计的训练，可以全而调动学生的主观能动性，融会贯通其 所学的电路、电子技术、自动控制和电力电子技术等课程基本原理和基本分析方法，进 一步把书木知识与工程实际需要和结合，实现知识向技能的转化。在电路设计过程中，为了检验所设计的电路性能，必须搭建实际电路，以实验方式 检验和联调电路，整体设计

2、过程不仅研制时间长、而且人为因素较大，其设计质量取决 于设计者准备工作是否充分，也取决于设计者的经验、技能、信心和耐心。了解、掌握 和考核相关应用技术重点和难点就是学习和应用一些工程设计方法和技能，包括了以下 儿个方面：(1) 技术文献的应用，利用图书、论文和网络资源查找相关和相近的信息，整理 和索取所需的资料和参数。(2) 至少掌握一种电路设计辅助软件，本课程设计只要求掌握multisim,以及相 类似电路设计辅助软件。(3) 掌握和使用pcb制板、电路制作工艺，木课程设计对pcb制板和电路制作工 艺要求较高，也是课程设计是否成功和达标的关键。(4) 掌握基本测试仪器使用技能，本课程设计要求

3、掌握的仪器有万用表、示波器 等。(5) 掌握构建实验和测试条件的方法，课程设计当屮往住是分步骤和分测试模块 进行的，因此分布构建各步骤和测试模块，成为实验和测试的关键。(6) 掌握和使用multisim saber、proteous和matlab等工程设计软件，辅助设计 电路的基本方法。2. 设计任务(1) buck chopper 关电源设计，要求正确选择控制方案，查阅参考资料。(2) 绘制电气控制原理图，包括主屯路图，正确选择或设计元器件，订列元器件 目录清单；(3) 设计部分工艺图纸(电气控制图，电器元件布置图，安装接线图)；(4) 编制完整的设计说明书。3. 仿真设计3. 1 ac-d

4、c 仿真ac-dc电路图1如图所示，由交流电源二极管组成的整流桥，电极电容和无极性 电容组成。各仿真参数如表（1）所示。表（1） ac-dc电路器件仿真参数表序号名称数据库组系类参数设置1ac-power主数据库sourcespower sources220v 50hz21x4007主数据库diodesdiode31x4007主数据库diodesdiode41x4007主数据库diodesdiode51n4007主数据库diodesdiode6c1主数据库basiccap electrolit22uf7c2主数据库basiccapacitorloonf8r1主数据库basicresistor1

5、mqad-dc仿真结果如图2所示。其小图2红线为交流输入的波形，绿线为整流滤波输 岀波形。从图中可以看出交流输入的峰值是311v,有效值为220v,满足峰值和有效值的公 式：交流有效值为峰值的0.707倍。整流滤波输出直流电压为310v,满足整流后的波形 为输入的1.4倍。完全满足理论设计要求。3. 2 dc-dc 仿真 1dc-dc如电路图3所示，由v2产生脉冲信号控制开关管q1來控制电路的通断, 再通过电感和二极管还有电容输出-直流电压，实现电压的降落。表（2） ac-dc电路器件仿真参数表序号名称数据库组系类参数设置1ac-p0wer主数据库sourcesp0wer s0urces220

6、v 50hz21x4007主数据库diodesdtode31x4007主数据库diodesdiode41x4007主数据库diodesdiode51x4007主数据库diodesdiode6c1主数据库basiccap electroltt22uf7c2主数据库basiccapacitorloonf8r1主数据库basicresistor1mq9q1主数据库transistorsm0s 3tenirf84010v2主数据库sourcesbipolar voltage11l1主数据库basicinductor3mh12d5主数据库diodesdiode virtual13c3主数据库basicc

7、ap electrolit22uf14r2主数据库basicpotentiometerik脉冲要波形如图4所示图4脉冲波形dd-dc1仿真结果如图5所示。其中图5红线为输入的波形，蓝线为输出波形。图（5） dd-dc1仿真结果从图中可以看岀宜流输入的峰值是307.5v,整流滤波输出肯流电压为96.2v,完全 满足理论设计要求。3.3 dc-dc 仿真 2dc-dc如电路图3所示，由v2产生脉冲信号控制开关管q1来控制电路的通断, 再通过电感和二极管还有电容输出直流电压，实现电压的降落。xsc1各仿真参数如表（3）所示。表（3） ac-dc电路器件仿真参数表序号名称数据库组系类参数设置1ac-p

8、0wer主数据库sourcesp0wer s0urces220v 50hz21x4007主数据库diodesdtode31x4007主数据库diodesdiode41x4007主数据库diodesdiode51n4007主数据库diodesdiode6c1主数据库basiccap electrolit22uf7c2主数据库basiccapacitorloonf8r1主数据库basicresistor1mq9q1主数据库transistorsmos 3tenirf84010v2主数据库sourcesbipolar voltage11l1主数据库basicinductor3mh12d5主数据库di

9、odesdtode vtrtual13c3主数据库basiccap electrolit22uf14r2主数据库basicpotentiometerikdd-dc2仿真结果如图6所示。其屮图6红线为输出的波形，蓝线为输入波形。图(6) dd-dc2仿真结果从图小可以看岀直流输入的峰值是301.iv,整流滤波输出直流电压为207.0v,完 全满足理论设计要求。4开关恒流源设计4.1具体设计要求(1) 输入：交流90130vac。(2) 输出：电源恒流250ma,工作电压范围4060v。(3) 开关电源的工作频率为28khz左右。(4) 采用脉冲宽度调制控制集成电路hv9910。4.2 hv991

10、0 介绍hv9910是pwm高效率led驱动ic。它允许电压从8vdc 一直到450vdc而 对hb led有效控制。hv9910通过一个可升至300 khz的频率来控制外部的 mosfet,该频率可用一个电阻调整。led出是受到恒定电流的控制而不是电压，如 此可提供持续稳定的光输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从ma级到1 .oaohv9910使用了-种高压隔离连接工艺，可经受高达450v的浪涌输入电压的冲击。 对一个led串的输出电流能被编程设定在0和他的最大值z间的任何值，它由输入到 hv9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另夕卜，hv9910也提供一个低频的pwm 调光功能，能

11、接受一个外部达几khz的控制信号在0-100%的占空比下进行调光。器件极限参数vin to gnd-0.5v to +470vcs-0.3v to 0.8vld, pwm d to gnd-0.3v to (vdd -0.3v)gate to gnd-0.3v to (vdd + 0.3v)continuous power dissipation (ta = +25 ° c) (note 1)16-pin so (derate 7.5mw/° c above +25° c)750mw8-pin dip (derate 9mw/° c above +25&

12、#176; c)900mw8-pin so (derate 6.3mw/° c above +25° c)630mwoperating temperature range40° c to +85° cjunction temperature+125°cstorage temperature range65° c to +150° c封装信息xn匚3 %sccs匚jldgnd匚z1 vddgate 匚j pwm d8-lead dip/soicnc ncr°scld vqoncnc pwm d16-lead soic

13、典型应用及工作原理ac/dc交流输入应用hv9910是一个低成本的可降压，升压，升降压的控制芯片特别适合设计驱动多 串led或led阵列.该芯片既适用于全球通用的ac交流输入，也适用于8-450v的 一直流输入.交流输入吋，为提高功率因素，通过由en 61000-3-2 class c所规定的照 明设备的交流谐波的限制，在输入功率小丁 25w,可很容易的在线路中加入无源功率因 索校正电路得以实现.hv9910可驱动上百个高亮度的led串联或数串高亮度的led, 这些led能被设计成一串或串并联结合的方式，hv9910通过调节恒流值可确保led 亮度和光谱并延长寿命.hv9910的特色是使能脚p

14、wm_d可采用脉宽调制（pwm）的方 法调节led亮度，同吋兼作使能端，该端悬空吋芯片无输出控制。hv9910也可通过ld 端线性调压的方式连续调节led的输出电流从而控制亮度（也叫线性调光）.hv9910内部包含了一个高压线性电源，它向内部所有线路提供能量,也可以提供给 外部低压电路.led驱动控制hv9910可控制包括隔离/非隔离，连续/非连续等类所有的转换器.当gate端输 岀高电平驱动外部的功率mosfet吋,led驱动器将储存到电感或变压器原边电感的输 入能量，依赖不同的转换器类型，可能储能和将部分能量直接传led串，当功率mosfet 关断时，储存在磁性元件上的能量转换为led串的

15、驱动电流.（工作在flyback模式）. 当vdd电压大t uvlo时，gate端可以输出高电平.此时输出电流通过限制外部功 率mosfet的峰值屯流的方式工作外部电流采样电阻与功率mosfet的源 极串联， 此采样电阻的电压反馈到hv9910的cs pin脚，当cs pin脚的电压超过峰值电流的设 定的阈值电压吋，gate的驱动信号结束，功率管关断.此峰值电流比较仪的阈值电压 在内部设定值为250mv,亦可通过ld pin在外部设定.当需耍软启动时，在ld pin 连接一个电容，从而允许电压按期望的的速率上升，因此，确保led的输出电流是逐渐上 升的很明显，一个简单的无源功率因索校正屯路，由

16、3二极管和2电容组成，应用线路 显示如图1.供电电流hv9910需 要1ma的启动电流.如框图所示，此电流由hv9910的内部产生，无需 象其它的电路中需加一个大的启动电阻此外，在hv9910的应用中，它能用内部的线性 电源连续的向内部的所有线路提供7.5v的电压.设定输出电流如图1,选择降压拓扑时，led中的平均电流是cs的峰值电压的一个好的表现. 然而，运用这种电流采样方法，有一个相关连的误差需要被计算进去.此误差的提出是i大i 为电感中的平均电流和啓电流是不同的.例如电感纹波电流的峰峰值是150ma,要得到 500ma 的 led 电流，该采样电阻应为：250mv/(500ma+ 0.5

17、*150ma) = 0.43q.调光有两种方式可以实现调光，取决不同的应用，可以单独调节也可组合调节.led的 输出电流能被控制，也能被线性调节改变，或通过控制电流的开关来维持电流的不变. 第二种调光方式(叫pwm 调光)通过改变输岀电流的占空比來控制led的亮度.线性调光通过调节ld pin脚电压从0到250mv而实现，该控制电压优先于内部 cs pin设定值250mv,从而可输出电流实现编程.例如，在vdd和地之间接一个 分压器，设定cs pin的控制电压.当分压器设定的控制电压超过250mv将不会改变 输出电流.如希望更大的输出电流，可以选择一个更小的采样电阻.pwm 调光通过外部pwm

18、信号加在pwm_d pin端而实现.该pwm信号可由微 控制器或由脉冲发生器按希望的led的亮度以一定的占空比來实现.在此pwm 方式 下，以该信号的有效和失效转换來调节led的电流.在此模j：led的电流处在这两种 状态之一：零或由采样电阻设定的正常电流.它不可能用这个方法去达到比hv9910用 采样电阻设定的水平更高的平均亮度.hv9910用这种pwm控制方法，这灯的输出 只能在零到100%之间调整.此pwm调光方法的精度仅仅取决于gate的最小脉宽的限 制，即此频率的占空比的百分比.这里有一些由应用线路图1,给出的典型的波形阐明 pwm调光方法如下.ch1是指mosfet的漏极电压，ch

19、2是给pwm_d脚的pwm 信号和ch4是led灯串的电流.工作频率设定振荡器的工作频率能被用一个外部电阻rosc在25khz到300 khz之间设定： fosc =25000/(rosc kq + 22) khz功率因数校正led驱动器的输入功率不超过 25w时，为了通过标准en61000-3-2 class c 的ac谐波的限制，如hv9910 的应用 线路图1,可以加一个简单的被动功率因数校正电路.这个典型的应用电路线图表示怎 样加这个线路而不影响电路的其它部分.一个由3个二极管和2个电容器的简单电路被 加在ac整流输入的后面去改善输入电流的谐波失真和达到功率因数大于0.85.电感设计提

20、及典型的应用电路，可以从电感中计算得到希望的led波纹电流的峰峰值.但 在典 型的应用，这样的波纹电流被选取为正常的led电流的30%.在这个例子中正常电 流iled是350ma.下一步是得出led灯串上的总电压降.例如，当灯串由10高亮度 的led组成每个二极管在它的额定电流的正向压降为3.0v;则led串的总电压vleds 是30v.可以知道正常的整流后的输入电流vin=120v*1.41 = 169v,由此可以决定开关的 占空比：d=vled/vin=30/1 69=0.177撚后，给出开关频率，fbsc =50khz,这样需要计 算功率管mosfet的导通时间：ton=d/fosc =

21、3.5微秒由此这些必需的值，可以计算岀 电感：l=(vin vleds)*tcn/(0.3*iled)= 4.6 mh输i入*才c电输入滤波电容应该设计在能保持整个ac线电压周期被整流后的电压高于led串 电压的两倍。假定15%的相关电压的纹波穿过电容器，一个简单的公式能给岀此输入大电容器的最小值：cmin=iled*vleds*0.06/vina2cmin=22uf,这里选用 22uf/250v.在被动的pfc电路中需要在输入端使用两个容值为计算出的cmin的电容串联。这 两个电容中的每一个应为输入电压的1/2和容量的两倍使能控制hv9910能被关断当pwm_d pin连接到地，此时，hv9

22、910所消耗的静态电流小 于1ma参数设计电容的参数：c1=22ufc2=0.01ufc3=0.1f电感的参数：ll=3.3mh电阻的参数：r11=1ook qr2=0.62 qr13=15k qr14=15k q4. 3原理图设计4. 4实物验证1、 ac-dc2、 dc-dc3、测试图4、测试结果(1) 外特性测试负载r二100q输入电压u (v)205080150180200210220230输入电流1 (a)100180220242242242249249249(2) 负载特性测试输入电压u二220v输入电压u (v)30405060708090100110输入电流i (a)24924

23、9249249249249249249249(3) 波形测试measure2.2占空率1： 16.435j2： chan offmhinh1chi 500mu ch2 5u平均值l：172mu 2： chan off峰-峰值1：1.04u1：1.04u频率1:28.37khz2： chan off上升时间1：338.8ns2： chan offtrigger level=840mu edge ch3 5u3.80546khzch4 5u门极驱动信号chi 200mu ch2 5ul ll lll* - r *0.ee»- * - .a. . i>0 sch3 5u频率 1：29

24、.46khz 2： chan off峰-峰值 l：192mu l：192mu平均值1：95.5mu 2： chan off占空率1： 38.8彩 2： chan offl：4.620us2： chan off39.8564khzch4 5u负载电流波形5.总结通过一个星期的学习，电力电子实训设计已经接近尾声。还记得刚开始使用软件的时候，我以 为multisim其实和protues protel没差很多，但是后来发现其实它们还是有区別的，至少在元件的 杏找、仿真这两点上是有很人的不同的。开始实训麻，我发现自己对开关电源这方而的知识并没有 掌握得很透彻，但是在组长的讲解下以及老师的提问和解答下，我

25、还是重新学习到了不少知识，特 别是对开关电源这方面有一个新的认识和理解，其实我发现很多知识并不是自己真的不懂，而是一 个人瞎琢磨，脑了根木就没有开窍，假如在遇到难题时找老师或者同学讨论一下，再自己思考和体 会一番，就能够豁然开朗。其实这次的实训并不是很难，因为不管是ad/dc述是dc/dc的理论知识，我们在电力电子中 都已经冇系统的学习过，并h.在之前的电力电了实验时，也在老师的讲解下学会了如何判断降压电 路和升压电路。我们看起来掌握了很多知识，但是当电脑摆在眼前时，我们每个人都才发现，如果 没有老师的讲解，组长的辅导，其实我们什么都不会。而我们每个人都其实只是死死地记住了组长 说的所冇知识点

26、，就像是做ad/dc时，我们是笫一组进行考核的，虽然电路我们已经练习了无数遍 t，但是听到老师说五分钟就要画好的时候，我的手真的是抖得都拿不住鼠标了，我太紧张了。还 好老师考核我们的内容都是组长跟我们讲过的，我们都很轻松就通过了，就在我们都在得意自己掌 握了知识的时候，听见老师对第二组的同学说，让他们做半波整流电路，当时不只是第二组的人一 脸迷茫，全班的人都很迷茫，这个电路在书上学过，但是在电脑上画出来的话，我们每个人其实都 是不懂的，我们组长是全班读书最好的人，我偷偷问她懂不懂，她也说一时想不起來该怎么做。我 那时候就觉得，知识和动手，其实中间是隔着很多的，我们要努力的空间还是很大的。到第二次实训考核的时候，我就感到了很人的压力，因为班上的同学说上次对我们的考核太简 单，所以这次要为难我们