小型开关电源设计与制作毕业设计论文

1、小型开关电源设计17ABSTRACTThispapermostlydescribesthewholedesignanddebuggingoftheminitypeswitchedvoltageregulatorpower,whichiscomposedofsixparts.Thesecondpartwroteabouttheelementandthethirdpartwroteaboutthedesignstepofminitipeswitchedpower.Themodelincludesimportloop,outputloop,feedbackloop,controlloopandthe

2、designoftransformer.Thelatterincludeshardwaredebuggingandexperimentresultsanalyzing.Afterexperimentation,Ithinkouttherelationsamongoutputvoltage,importvoltage,dutyratioandswitchedfrequencyandalsotherelationsofimportcurrent,transformercoilratioandtheoutputcurrent.Inaddition,Iputforwardrelevantmethods

3、bymyselfformanyproblemswhicharemetwithduringthecourseoftheexperimentation.Keywords:switchedpower?regulatedpowe?transformer摘要本设计主要描述小型开关电源的整个设计和调试过程，本文包括六个主要部分，第一部分介绍开关电源的发展状况？第二部分主要介绍其工作原理，第三部分介绍设计步骤？主电路包括输入？输出和反馈控制部分？最后一部分主要是硬件部分的调试？调试部分包括电路的焊接和调试，在调试过程中发现的问题的解决？关键词:开关电源？变压器？开关管第一章绪论21-1概述21-2开关电源的

4、新技术41-3开关电源的基本构成91-4开关电源的稳定度91-5开关电源的分类11第二章小型开关电源原理142-1RCC变换器的电路结构142-2简单的RCC方式开关电源18第三章开关电源电路设计24第四章性能改善404-1保护电路404-2效率的提高414-3浪涌及其吸收电路434-4噪声及其抑制544-5功率FET在开关电源中的几个问题57第五章小型开关电源主控元件595-1二极管595-2开关电源中使用的磁性元件615-3开关电源中选用的电容器64第六章硬件调试68第七章结论70致谢71参考文献72附录74第一章概论1-1概述目前空间技术？计算机？通信？雷达？电视及家用电器中的电源逐渐被

5、开关电源取代？现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源？这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的？这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差？效率低，一般只有35s60%?由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器？开关电源的调整管工作在开关状态,功率损耗小,效率可高达70s95%,稳压器体积小？重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小？此外，开关频率工作在几十KHZ,滤波电感？电容可用较小数值的元件，允许的环境温度也可以大大提高？但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬间响应较差？所以开关电源的应用

6、也受到一定限制？电子装置地小型轻量化关键是供电电源的小型轻量化，因此，需要尽可能地降低电源电路中的损耗？开关电源基本上是半导体器件的开关工作，从原理上讲是低损耗的，但是半导体开关工作也必然存在着开关损耗，而且损耗随着开关频率成比例地增加？另一方面，开关电源中必须采用变压器？电抗器等磁性元件以及平滑滤波用地电容元件，开关频率高，可使这些元件小型化，然而，开关频率提高时，这些元件地损耗也随之增加？目前市售的开关电源中采用双极型晶体管时，开关频率高达100KHz采用MOSFE时，开关频率达500KHz为提高开关频率必须减小开关损耗,随之需要采用高速开关元件？然而，电源高速开关时，电路存在的分布电感于

7、电容，会由于二极管蓄积电荷的影响产生浪涌电压于噪声，不但影响周围电子设备的工作，而且也使电源本身的可靠性显著地降低？为防止开关工作产生地噪声，需要用RC或LC吸收电路，对于二极管蓄积电荷产生地浪涌电压要采用非晶体磁性？矩形磁芯地磁吸收电路？然而，对于MHZZ上地开关工作频率可利用谐振电路,加在开关两端地电压或通过开关地电流为正弦波，这样，减少开关损耗地同时可抑制浪涌电压？这种工作方式称为谐振开关方式，目前正在研制中？谐振开关方式可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率地一种最有效方式？采用谐振开关方式地几MH厘换器已实用化，美国已研制成功20MHZZ上工

8、作频率地变换器？利用谐振现象使开关损耗接近于零，消除电压或电流浪涌,零电压或零电流开关谐振变换器也研制成功？有效利用磁性元件对于提高开关电源技术是极其重要的？作为高可靠性控制元件是采用磁放大器，而非晶磁芯在次起着关键作用？然而，开关频率达到MHZ以上，期待着开发几m厚膜非晶磁材料？开关电源的高频化也需要采用非晶磁芯的吸收电路？另外，采用高频铁氧体磁芯与准品质超急冷磁芯作为主变压器的磁芯也需要研制？开关电源的集成化与小型化正在变为现实，目前正在研制开发主开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块？然而，把功率开关与控制电路包括反馈电路都集成于同一芯片上，必须解决电气隔离与热绝缘的问题，这是今后一大课

9、题？目前，世界各国正在大力研制新型开关电源，因这是节约能源的重大举措？为了赶上和超过世界先进技术水平，国内很多单位正在研制和应用，不断地向高频化？线路简单化和控制电路集成化方向发展？开关稳压电源的优越性还表现在：功耗小由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器？功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长时间工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性？稳压范围宽当开关稳压电源输入的交流电压在150250V范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2%以下？而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地

10、区？体积小？重量轻开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小？重量减轻？安全可靠开关稳压电路一般都具有自动保护电路？当稳压电路？高压电路？负载等出现故障或短路使，能自动切断电源，具保护功能灵敏？可靠？开关稳压电源的主要问题是电路比较复杂，输纹波电压较高，瞬态响应差等？因此，开关稳压电源的应用受到一定的限制？目前,世界各国正在大力研制开发新型开关电源，包括新的理论？新型电路方案于新型功率器件等，以适应各种电子设备的小型化？高效率等的需要？1-2开关电源的新技术L微型化技术(1)开关

11、频率与损耗决定开关电源体积的主要因素是电抗器？变压器等磁性器件和平滑电容器?若提高开关电源的开关频率，这些器件就会小型化？然而，开关频率提高时，不但有磁损耗，而且电路的损耗也会增大？一般来说，损耗随着开关频率成正比例地增加？(2)软开关的应用与同步整流谐振或者软开关等方式可有效降低伴随着高频化带来地损耗？这时，开关损耗只不过时全部损耗中地一部分，若在高频领域，磁性器件地损耗所占比例较大？开发低电压地集成电路是一种趋势，因此，低压大电流地电源显得非常重要？对于这样地电源，二极管正向压降引起的损耗几乎占总损耗的一半为此，希望采用FET构成同步整流方式？然而，采用FET时，由于管内二极管的恢复特性与

12、变压器漏感等的影响，提高频率是有限的，对于目前的技术，开关频率为300KHz左右？除了损耗与开关频率以外决定开关电源体积的还有构成电源的元器件？为了减少电源的元器件数目，需要开发电源模块，有效利用漏磁通的寄生参量？另外，从节省能量来看，也需要在低电压领域降低损耗，这样一来，控制电路的低电压化便成为重要课题？谐振？软开关等方式的开关电源已实用化了，其中，可变频率的电流谐振开关电源已率先实用化？在美国,300KHZ到几MHZ频率范围的开关电源已普遍达到2W/cc,在日本，特别是低噪声？高效率的电视机电源已批量生产？与此相适用的是已经开发的众多的磁性元器件？另外，作为电压谐振的基本方式的部分谐振开关

13、电源，在日本市场特别引人注目？其中，也有采用同步整流？开关频率为300KHZ?变换效率为90%?输出电压为5V?输出功率为100W的开关电源？(3)超薄型电源的研制成功最近，通信与便携式电子设备都要薄型化，其电源当然需要采用薄型变压器，正在研究采用薄膜技术，但现在已经实用化的薄型变压器是在铁氧体磁芯上绕制铜片式状绕组的变压器？然而，将来的技术期望是用喷镀等方法，在铁氧体基片喷镀金属而制作薄型变压器？这时，降低损耗的方法就是使通过基片磁芯的磁通和通过绕组的电流均匀？另外，磁性薄膜的采用提高了占空因数，如何解决薄膜化带来的矫顽力增加是实用化的关键，为此，期望利用矫顽力增加较小的非晶型铁氧体薄片？2

14、.谐波电流印制技术(1)扼流圈输入方式这种方式是在电源的输入级增设扼流圈珊噪滤波器或电抗器等，所用元器件数量最少？电路简单？成本低，但体积大而且笨重，仅适用于一些对体积和重量没有严格要求的产品？不过,可用于抑制谐波电流和电磁干扰两者的混合小型扼流圈和小型电抗器以及专用谐波电流抑制的小型静噪滤波器，目前正在开发之中？(2)部分平滑方式这种方式是利用无源元件的组合来扩展电流导通角，它本是为防止换流器照明闪烁而开发的，当用于处理功率的开关电源时，需要增设所用元器件数量以提高性能？(3)单变换器方式这是最近各个生产厂家都积极进行研究开发的方式，其电路设计简单，输入级无需接入电抗器，交流输入可以直接接至

15、负载使用，PWM变换器不需要修改，只有增设若干元器件，就可以实现以往的双变换器方式所具有的功能；稳定直流输出电压，实现初次级的隔离，减少谐波电流，改善功率因数？(4)双变换器方式这是一种传统的电路方式？采用两个变换器分别用于稳定直流输出电压和改善功率因数，其变换器的设计自由度大，从减少谐波电流和改善功率因数的角度来说，是一种较理想的电路方式，而且这种电路技术已经成熟？3元器件性能的改善(1)功率MOSFET随着电子设备的小型化，大规模机场电路的性能不断提高，相应地直流/直流变换器地输出电压也将降到1V以下？这时，用于直流/直流变换器输出端二极管需要采用低导通电阻的功率MOSFET,有可能降低损

16、耗？(2)平滑电容对于铝电解电容，采用聚叱咯或有机半导体的固体电解质技术，已经有所进步？而对于这类电容器而言，缩小体积？提高纹波电流和延长寿命，则是永包的课题？在目前的市场上，用户十分需求可耐1050c高温而寿命长达700010000小时的品种和高度较低的品种？对于旦电容器，继续在增加其单位体积的容量并降低阻抗，阴极材料采用聚叱咯的高分子型产品也已经开发成功且被市场所接受？对于薄膜电容器，用户需要的是阻抗低？承受纹波电流大而且体积小的品种，并且要求符合安全标准？目前这种技术已取得相当进展？4.引人注目的新技术(1)软开关方式软开关方式包括零电流开关方式？零电压开关方式及两者兼用的方式？这种方式

17、的优点是产品体积小？效率高？噪声小？成本低？作为实现这种软开关方式的手段，有谐振开关电源技术和部分谐振型开关电源技术，而后者很可能会成为今后开关电源采用的主流技术？(2)组件化技术所谓组件化技术，就是预先将电源中所需使用的直流/直流变换器？用于谐波电流抑制的功率因数改善电路？整流平滑电路以及静噪滤波电路等部分分别制成微型或薄型组件，再根据用户需要制作半制定电源，或者根据用户需求,和交流/直流前端电路配合，构成适应大功率输出或多路输出等用途的系统电源？利用预先制作的组件，可以缩短设计和制造周期，减少产品中所用元器件数量，降低维护费用？而随着表面贴装元件（SMD）和表面贴装技术（SMT）的进一步发

18、展，组件的装连密度会更加提高，体积会进一步缩小，电源也会随之更加小型化？（3）控制技术在有些开关电源产品中，以模拟方式控制输出电压，并以数字方式进行开关，同时稳定输出电压，而在于继续扩展应用范围，以实现节约电力？放宽输入电压范围（适应各国不同的市+电交流电压）?进行系统对应控制等？利用数字控制技术，可以根据发送/接受模式时负载变化量的大小，对开压斩波器的通/断控制进行连续模式和不连续模式的转换，从而提高开关电源的效率并延长电池的寿命？在其控制电路的记忆电路中，可将开关的导通时间等作为数据存储起来？（4）交流适配器便携式电子设备的兴起，使得交流适配器的市场越来越大？以往的交流适配器采用降压电路，

19、体积大而且笨重，目前已有采用开关方式的小型交流适配器上市？3W或5W的小功率开关方式交流适配器，外形小巧扁薄，重量轻,使用时像插头一样,面向个人机的3545W量级的开关方式交流适配器，采用的是谐振换流器电路也已经开始进入市场？有些厂家供应的开关方式交流适配器系列产品，其最大功率已高达60W左右？1-3开关电源的基本构成图1-1开关电源的基本构成开关电源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来调整输出电压？开关电源的基本构成如图1-1所示，其中DC/DC变换器进行功率变换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动电路？过流与过压保护电路？噪声滤波器等组成部分？反馈回

20、路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差电压通过放大器放大及控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关地通断时间比从而调整输出电压的大小？DC/DC变换器有多种电路方式，常用的有工作波形为方波的脉宽调制(PWM)变换器以及工作波形为正弦波的谐振型变换器？1-4开关稳压电源的稳定度开关稳压电源的稳定度比用联线性稳压电源低，对于输入电压的变化，用联线性稳压电源的输出电压几乎不变，而开关稳压电源输出电压的变化比串联线性稳压电源达103倍左右？图1-2开关稳压电源稳定度的说明在图1-2所示的开关才I压电源中，由于由于反馈放大器的作用，输出电压与输入电压变化之比为：V 。1VI 1A式中,A为放大

21、器增益洪中包含电阻分压器（R与R2）引起的衰减量？若A设为1000,V0V110 3，这就意味着输入电压变化10V,输出电压就要变化10mV?若在相同情况下，对于用联线性稳压器，输出电压只变化10V?开关稳压电源的输出阻抗为R0式中，6为整流器的等效用联电阻，人为电抗器L的直流电阻？输出阻抗虽因整流器中二极管的额定电流不同而异，但二极管等效用联电阻6为几十m电抗器L的串联电阻r,也可能与此相等，若不20m,l30m,A=1000，输出阻抗R0为50,在相同反馈放大器增益时，输出阻抗也比串联稳压电源低？对于用联线性稳压电源，输出对输入的瞬间响应特性由调整管的卜巾为晶体管基极接地工作方式的输入反馈

22、系数，实用时此值可忽略不计？然而，对于开关稳压电源，输入的瞬间变化全部表现在输出端？要减小这种变化，却极大地影响着反馈放大器地增益与频率特性，一般为ms数量级？提高开关频率地同时，反馈放大器地频率特性得到改善，此问题也由可能得到解决？负载变化地串联线性稳压电源地瞬态响应，由反馈放大器地频率地频率特性以及输出电容地容量与特性决定，而对于开关稳压电源，瞬态响应主要是输出LC滤波器特性决定，因此，可以提高开关工作频率，降低输出滤波器LC乘积地方法来改善其瞬态响应特性？1-5开关稳压电源的分类开关稳压电源地电路结构有多种，分类方法也很多，作如下说明：1 .按驱动方式分有自激式与它激式？2 .按DC/D

23、C变换器地工作方式分1）隔离型有通/通方式？通/断方式？中心抽头方式？平桥方式和全桥方式?谐振方式？2）非隔离型有降压型？升压型？极性反转型？开关电容型以及谐振型？3. 按控制方式分1）脉宽控制方式有它激式与自激式？2）磁放大器地混合控制方式有电压控制？电流控制及并联控制？3）脉宽控制与磁放大器地混合控制方式？4. 按控制信号的隔离方式分1）采用光电耦合的隔离方式？2）采用变压器的隔离方式？3）电压/频率变换？频率/电压变换？用变压器隔离控制信号的方式？4）采用磁放大器的隔离方式？5. 按过流保护方式分有输出电流检测方式与开关电流检测方式？以上这些方式的组合可构成多种方式的开关稳压电源，因此，

24、设计时务必弄清各种方式的特性，进行有效的组合，设计出高质量的开关稳压电源？第二章小型开关电源原理一？RC曜换器的电路结构RCCE换器是RingingChokeConverter的简称，广泛应用50W以下的开关电源中，它不需要自励式振荡电路，结构简单，由输入电压与输出电流改变频率？RCC勺基本电路如图2-1所示，电压和电流波形如图2-2所示？在VT1导通ton期间变压器Ti蓄积能量，在下一此截止期间toff变压器Ti蓄积的能量释放供给输出负载？图2-1RCC基本电路toff结束时，变压器电压Vti波形自由振荡返回到0V,见图2-2(c)?这电压通过基极绕组加到开关晶体管VT1的基极，因此，晶体管

25、VT1触发导通，VT1一导通就进入开始下一个工作周期？输入电压M是输入交流电压经整流的直流电压？ton时的等效电路如图2-3(a)所示？晶体管VT1导通，因此变压器T1的初级线圈L两端加上输入电压M?图2-3 RCC的等效电路图2-2电源和电流波形另一方面，在变压器次级侧C2放电，供给输出电流I。？这期间，输出二极管VDi中无电流,因此,变压器初级侧不产生相互作用？Li中蓄积的能量为2L1I1/2?toff时等效电路如图2-3(b)所示，因初级侧无电流,所以，图中未画出？ton时Li中蓄积的能量通过变压器Ti的次级侧线圈L2释放给次级侧？从匕转换到toff瞬间，初级侧线圈的安匝相等原理仍成立，

26、因此，若变压器初级侧能量全部传递给次级侧，则：NiIipN212p(2-1)匝比N为：N2N浮(2-2)Ni电感L2与L1之比是与绕组匝数平方成正比例,即:22N2L2N2* 2Ni Li(2-3)i19传递给次级侧能量就变为输出功率？图2-4示出次级侧电压与电流之间关系？图2-4次级侧电压与电流之间关系设变压器输出功率为P2,则：P2V。I。1 2P2-L212Pf(24)2 pV2V。VfVi(2-5)“为变压器的效率部分能量变为变压器的热耗?但是，若变压器的初级侧能量不全部传递给次式中，级侧，其一根据式，有：1 ipN2 P2TVitonV2Tton(2-6)(2-7)(2-8)这些等式

27、可改写为(29)2P2N111ppV2VitonlipJ(2-10)ViLiIip2T-(2-ii)2P2占空比D殳，它是RCC设计时决定电路特性的重要参数？开关晶体管TVTi的集电极电流Ic等于Ii,因止匕，根据式，Ic(2-i2)D由图2-6所示波形可知，toff时，VTi的集电极与发射极间所加电压Vce为一rr(2一i3)图2-5晶体管电流和电压与D之间关系图2-6开关晶体管的发射极 与集电极间电压Vce图2-5示改变D时，Ic与Vce相对值的变化？D较大时，Ic较小，但Vce较高，因此，务必选用高耐压晶体管？D较小时，Vce也较低，但Ic增大？另外,这与变压器设计以及输出二极管和输出电

28、容的选用也有关系？输入最低时D选为0.3S0.5进行参数设计是适宜的？二？简单的RCCT式开关稳压电源15V/3A的RCC方式开关才I压电源,它由主开关电路？浪涌电压吸收电路？电压检测电路？次级侧整流平滑电路组成？工作原理简要说明如下：主开关电路是保证输出电压稳定而通断的直流电路，他是开关稳压器的重要组成部分？对于RCCT式，开关晶体管的集电极电流峰值是决定电源的输出p功率之值,它由开关晶体管基极电流iB与晶体管的蓄积时间ttsg决定？基极驱动电路与电流波形如图2-6所示？1J图2-6开关晶体管的基极电流与集电极电流(a)基极驱动电路(b)工作波形反馈线图Np产生的正向电压，使晶体管VTi的基

29、极电流按RiCi时间常数衰减？若Ci两端电压达到二极管VD3的正向压降Vf时，电流经Ri和VD3流通？VTi的基极电流是这些电流的合成电流？VTi的集电极电流Ic增加到基极电流iB的hFE倍iB?hFE之后，在VTi蓄积电荷ttsg期间，Ic还继续增加，若增加接近峰值icp时，VTi的基极有反偏置电流，因此，VTi截止？路大小与电阻Ri有关，Ri越小，路就越大？若这样确定Ri时，即输入电压升高时或输出电流下降时，有必要使基极电流不需要的分量流经其它电路？这种电路如图2-7所示，不需要的基极电流分量流经VT2,对于输入电压与输出电流变动时，保持输出电压恒定？此电路中VT2采用PNF®晶

30、体管，也有采用NPN®晶体管，但采用PNF®晶体管电路的过流保护电路简单？电路中VD4与C2是供给控制VT2基极电流的光电耦合器的电源?图2-7开关晶体管的基极的集电极电流增大，导致VT2的集电流与集电极电流当输出电压稍升高时，光电耦合器中LED光量增加，光电晶体管电极电流增大，形成使VTi的基极iB电流减小的负反馈闭环路？VTi的基极电流iB一旦减小，集电极峰值电流路也减小，但同时匕变短？另外，ton随着输入电压的升高与输出功率的减小而变短，因此，输入电压最高，输出功率最小时ton应最短？若输入电压升高，输出电流又下降，它作为ton最小值的输入电压与输出电流的界限时，就不

31、能维持正常的振荡，产生如图2-8所示的间歇振荡？这样，变压器就会发出振动声响？因此，必须有最小负载电流，若负载不能保证不开路时，可在输出端接入假负载电阻R?如图2-9所示，最小负载电流消耗在此电阻R中？泉喜痒上羯间图2-8间歇振荡实例碰中 °图2-9防止间歇振荡的电路主开关电路中还有保护开关晶体管VTi的保护电路？电源接通瞬间或输出短路时，光电耦合器停止工作，VT2为截止状态？为此，基极电流全部流经VTi的基极？当输入电压较高时，基极电流与输入电压成比例增大，晶体管集电极电流峰值也成比例增大？因整流平滑后的直流电压变动范围为105-195V,195V时的集电极电流峰值时105时的2倍

32、？这样，变压器变成饱和状态，或破坏VTi的安全工作区，于是就需要加过流保护电路，防止集电极电流增大？图2-10是几种过流保护实例？最常用的是图（a）所示电路，采用专用的过流保护晶体管？图8）电路是用两个二极管替代晶体管电路？图是基极VT2电流控制品体管兼有保护电路功能？图2-10 过电流保护电路实例此例中的过流保护电路如图2-11所示，当开关晶体管VTi的 集电极电流增加时，若过流检测 电阻R两端电压与VT1的Vbe之和接近VT2的Vbe与VD2的正向压降Vf之和，则基极电流通过VT2分 流，从而减少VT1基极电流，因此, 限制了 VT1的集电极电流，到达保 护目的？图2-11过电流保护电路及

33、其工作波形图2-12吸收电路及其工作波形吸收电路的等效电路与工作波形如图3-13所示,二极管VDi导通期间,晶体管VT1的集电极与发射极的电压是输入电压Vin和吸收电路中电容Cs充电电压Vs之和？流经二极管VDi的电流is其峰值较大,如图中所示，但平均电流小，选用0.2A电流二极管即可，其耐压等于或大于Vcbo?另外，由波形可知，电路中d/较大，因此选用噪声性良好的二dt极管，图3-6中的VDi选FR,与其并联的电输出整流波形及其工作波形容改善了二极管噪声特性？图2-13输出整流滤波电路是由整流二极管？电解电容和扼流圈组成？流经二极管的电流如图2-13所示，它与开关晶体管集电极电流相反，线性下

34、降？有效电流为平均电流(输出电流)的1.4s1.6倍?二极管上加的反向电压为输出电压的2s3倍?此例中采用FD二极管？电压检测电路是LED光量随输出电压的微小变化，从而控制输出电压，使其稳定的电路？当输出电压为8V以下时，检测电路采用可变串联稳压器，如图Vref2-15(a)所小，输出电压V。？当输出电压为8V以上时，米用1国R26.2V稳压管和晶体管组合的电路，如图2-14(b)所示，输出电压R1V06.911?R2图2-14电压检测电路第三章开关电源电路设计一？开关电源设计步骤图3-1所示是RCC勺设计程序,现按程序说明如下？碉定电源规格1一阿定占空比,燕率汁群输人也乐计算一次电温、匝数比

35、.电感一微心的选定计其统圈iSi-品体臂的选定构出二”营的选定输出也麻利达是I拽制电战的设不":I设计值的隔认图3-1RCC设计程序1 .确定电源规格输入电压：DC36V输入电压变化范围：±20%输出电压：DC15V输出电压变化范围：±1%输出功率为；45W2 .确定占空比D和频率f设DtonT0.5设最低振荡频率fmin25KHZ?低于25KHz的频率即为音频域，回发出刺耳的拨号音？而提供fmin就会增大开关损耗？RCCft输出电流减小时频率会增高，以致达200KHZW上？这样就会因不能配合开关晶体管的工作而致损耗增加？3 .输入直流电压Vi的计算M=28.8V

36、43.2V4 .一次电流的峰值Iip?圈数比N和一次电感L的计算？现以输出电压最低？输出电流I01为过流保护设定点（I01的120%）的情况进行计算？RC3该点时11P最大,f最小？设Vf=0.55V,VL=0.35V,4=0.94,由Vo=15V得V2=Vo+ VL+Vf=15 + 0.55 + 0.35 = 15.9 (V)变压器的输出功率P2因15V输出电流是过流检测点,为3Ax 1.2,所以P2=15.9 X 3 X 1.2 = 57.24 (W)11P2 P2 TVi Ton2 57.24 2 8.46 (A)28.8 0.94ON寸Ton为:20 (仙 S)一次和二次（5V线圈）圈

37、数比N为:V215.9N = 0.552V1 28.8一次线圈电感L1为:LiVi Ton28.8 20 10 68.460.068 (mH)5.磁芯的选用磁芯选用EEC28L(TDK)图3-2和图3-3是磁芯和绕线管的示意图？6.匝数N1?N2的确定二次线圈的匝数N2为:zN12IL(mH)7N210SBmS:磁芯有效截面积mm2Bm:最大磁通密度3000高斯N%Li八70.5528.460.068内N2IP_L10710713.0114（匝）SBm81.43000一次线圈的匝数N1为：N1N2425.326（匝）N10.552图3-2磁芯示意图图3-3绕线管示意图ABCFl28.5516.

38、99.911.421.8表3-1磁芯尺寸（mm）有效截面积为81.4mm2表3-2饶线管尺寸（mm）ABC20.912.322.47.变压器的设计一定要检验线圈能否容入所选的磁芯？因此要先计算出通过线圈的电流？电流在输入电压Vi最低和输出电流I。最大时最大，此时变压器的输出功率P2为：P2=15.9X3=47.7(W). 2 P2 T TipVi Ton2 47.7 2 7.050.94 28.8(A)电流波形变化如图3-4所示；Il有效值11rms2.88 (A)53流入变压器15V线圈的电流I2的峰值12Pppp可按下式从输出电流I0求出图3-4通过线圈的电流计算1 2pj。12 (A)0

39、.5有效值为:I 2PI 2 rms -64.9 (A)变压器需要有供给晶体管VTI的基极电流IB的基极线圈，因此要算出该线圈的匝数Nb如图3-5,即使输入电压V1最低时,基极电路电压Vb也需5.5V,因此Nb为：图3-5基极线圈的设计VBNb fN15.5 26-4.965 (匝)28.8设hfe 15,则晶体管VT1基极电流Ib为:IiP 7.05I Bhfe150.47 (A) IB有效值I brms比10.33 (A)下面谈谈确定线圈用导线（漆包线）的线径问题？缩小导线线经无疑可嵌入绕组节距，但因线圈电阻部分发热过大，可能不合适？因此，作为确定导线线经的指标，就要考虑导线的电流密度l?

40、Id二导线的单位截面流过的电流（A/mm2）=I/SI:电流S:截面积然而，确定Id不是容易的？变压器的温度容许度数取决于磁芯的温度特性和所用绝缘材料（绕线管和磁带等）的最高使用温度？变压器的环境温度是气温加内部上升温度，度内部上升温度难以确切估计（尤其是安装密度过大时）,电流密度（或线圈的损耗）和变压器的温升的关系就更又t成立？其中采用自然冷却还是风扇冷却就有很大差异？因困难很大，所以要使用以往的经验值?自然冷却时Id以1.54A/mm2为宜，风扇冷却以36A/mm2为宜？变压器小时，最好选较大值,变压器大时则要选较小值?确定最佳磁芯和线圈时，只能通过实际工作测定变压器的温度？这里按1d=4

41、A进行设计以下谈谈确定线圈的导线尺寸（导线线经）问题计算一次线圈所需截面积S211ms2.880.72mm2Id4导线便览里截面积比S大的最细导线为0.7mm,截面积为0.3848mm2,一级漆包线的外径为0.776mm?其它线圈同样，其导线确定结果如表3-1所示？同理，二次线圈采用三根并联？表3-1线圈设计结果线圈次数Irms/A导线IdA/mm层数一2.880.70.7760.38483.72二7.90.70.7760.38484.21B0.330.40.4560.12572.6初级线圈剩余注:1.使用一级漆包线？2 .一?二次线圈使用1根要加粗，故分别用2根?三根并联？3 .基极线圈的尺

42、寸于一次同，减少了导线种类？按所使用的磁性和饶线管计算线圈的绕组节距，由图3-6可知高度为22.4mn?厚度为4.59mn?线圈的饶法会影响漏感（漏磁通）的变化，因此要使一次？二次线圈的磁性耦合好？在安全上，确保一次？二次线圈的绝缘很重要，各国安全标准对绝缘材料和绝缘距离也都有详细规定？这里采用将一次线圈和线圈交替重叠卷绕法以达到良好的磁性耦合？为符合UL（美国）CSA（加拿大）标准，要在绕线管两端装上2mm的绝缘带，以取沿面放电的最短距离？因此，实际绕组节距的高度是22.4-2=20mn?在一次？二次问装入3层绝缘胶带，并规定一次和二次间的耐压为1250V?现计算绕组节距高20mm寸，各线圈

43、层数？设线圈外形为r,则一次线圈绕一层的匝数为：21-0-124.7（匝）r0.776所以层数是：图3-6绕组节距-N1.052（层）24.7因此，一次线圈为2层？因线圈第二层线圈减少，所以将基极线圈加入该层空余部分？同理，二次线圈层数为一层？最后，要检验线圈的厚度是否达到绕组节具的厚度？线圈的厚度d为：d=rldt1.2r:电线径l:层数dt:绝缘胶带的厚度考虑到空余，将其按1.2倍处理？如果不考虑该空余率，线圈即使绕好也会产生跟磁芯不符的问题，设绝缘胶带的厚度为0.05mm启15张从表2-1可得：d=（0.776X2+0.776+0.05义15）X1.2=3.52<4.45结果跟磁芯

44、相符？此时如果跟磁芯不符，就要把磁芯改大再计算？如显得过紧时，也可考虑稍增大电流密度的方法？反之，在空余过大时，会造成磁芯过大，因而要减磁芯尺寸后再进行计算？图3-7所示为上述变压器的设计程序？受压般的设计设计靖果的潮恰般心选定WESHT的牖定蝶圈尺寸的定晚阍同喇浦n线图即构的新定图3-7变压器的设计程序8.开关晶体管VTi的选用设计晶体管之前的变压器时，要检查一下已计算的参数的情况，并按4项设定的输入电压Vi最低？15出电流为过流设定点输出电流最大的调节进行计算？因圈数比为：N0.552所以可分别得：,2F2N1257.240.552111P28.46(A)V2V10.9415.928.8T

45、onIL11P V130.068108.4619.9(s)因此:L1 I1p2 P20.068 10 3 8.462 0.94 ,、39.9 ( n s)2 57.2439.9 10 625.1 (KHZ)TonT19.9-0.4939.9BmL1 mh2-.S mmN11078i46rf8 107 2718 (高斯)28.8就输入电压V最高，输出电流Io最大的情况加以计算.这时可由3项得V1=43.2V?P2为:P2V2I015.9347.7(W)2 47.70.5521V10.9415.943.25.87(A)TonI 1P L15.87 0.068 10 3V143.29.24(2)L1

46、 I ip2耳0.068 10 3 5.872 0.942 47.723 ( n s)因此:1T_924f-43.3KHZ-on9240.4T-23晶体管V-1的电压Vce实际波形如图3-8所示？从-on转换到-off时，由于变压器的漏磁通，致使一部分电量没有从一次线圈传输到二次线圈，V1r就是由这种电量导致的一种波形？感漏电感得计算有困难，故这里按下式进行设计？V2V22Vir1.52NN因VL28.8V,所以确定NVV1r0.5214.4VN图3-9复位电路和浪涌电压保护电路k-d图3-8晶体管的Vce图3-9所示是一次线圈的复位电路和减振电路？在该设计例中设复位电路中得R2为33K,不过

47、要边观察工作时的Vce波形而定，使丫什保持14.4V左右？V1s表示由一次电路的电感成分产生的浪涌电压？晶体管的两端装有C?R,以控制峰值伍C?R值可参考设计例采用尝试法确定？VT1的集电极电压的最高值是：VVcep-2VirVisVimax28.814.41043.296.4(V)N集电极电流的峰值Icp11P8.46(A)决定选用2SC519A©晶体管表2-3晶体管的特性2SC519啰数项目符号额定值单位极限参数结温Tj1500c集电极？发射极电压VCEO110V集电极电流DCIC7A峰值ICPA电热特性直流电流放大系数hFE15集电极？发射极饱和电压VCEsat2V基极饱和电压

48、VBEsat2.5V热电阻Qic0cW存储时间ts4.5Ns上升时间tr0.4Ns下降时间tf0.4Ns卜面计算晶体管的损耗晶体管VT1的电流波形从OFFW移到ON时，如图3-10所示，就会有放电电流通过缓冲器的电容器？该电流的峰值会按电容值变化,这里设定为Icp2?扩大这时的Vce和Ic,即呈图3-11(a)的状态？而从ON到OFF转移时，即呈图(b)的状态？设tr=tf=0.3s,则ON时的损耗R和OFF时的损耗Pf可分别按下式计算？on时的损耗Pr 16、/ I cpt r1V1 max-2T643.28.4621 s23 s1.3 (W)1tf 1off 时的损耗PfVcepI cpf

49、6 P cpT696.48.461 s23 s5.9 (W)设VT1的饱和电压VcE(sat)=1.5V，则:1Ton 时损耗 Pon I cp Vce sat2 VTi 的损耗 PqPrPfP3n8.461.5 0.4 2.54 (W)1.3 5.9 2.54 9.74 (W)9.输出二极管VD1的选定通过二极的电流波形如同图3-4的I2?但实际上一定要考虑Toff时反向漏电流通过的问题？因丁。什时的反向电压Vdr为:Vdr=VoiV1N12所以其最大值VdrmaxV0V1N1543.20.55238.38(V)按该电压可使用肖特基势垒二极管，选才¥F107为确定散热片的大小，要计

50、算二极管的损耗，正向电流通过时的损耗Pf为：1 1八，八Pf1I2pVf1min1120.5810.42.088W2 p2根据管壳和散热器间的热电阻Rjc和PfRJC3.32.0086.890c设Tjmax为1000C,在环境温度为600C,所需散热器热电阻为：15.9TjmaxTjCTa1006.8960RfaPf2.00810.确定输出电容C6通过电容C6的纹波电流I c2 I 2 I0如图3-12,有效值I02rm在输入电压最低，图3-12输出电容的纹波电流CII输出电压最大时最大？1c2 rm3TTI2p2 I2P I0I02ToffTI02112212万0.512212332323

51、2=4.9(A)作为15V输出电容C6选纹波电流大于4.9A的电容，可以几个电容并联？仅此，输出纹波电压就很大，所以如电路图的输出上装有LC滤波器，使其衰减？L确定为数H到50H,C确定为上述所选容量的1/4左右？11.复位电路和吸收电路参数确定图3-12中电路是通过R3把磁能作为热能进行消耗的电路，ON时，储存在T1里的磁通E1为:E12 _ 2V1Ton2 L1图3-12复位电路设R3的电压为V3 ,则R3消耗热能E2为:E2V32 TR3E1=E2R32 L1TV1Ton加在VT1上的峰值电压Vdsp为:VdspV1maxV3V1maxR3 v1 max2 L1 T=V1 max 1R3

52、Ton min2L1 TVdspL1 TR3211-2V1 maxTon min式中 Ton min 是 M max 时的值，Ton min 9.24因为Vdsp为400V,那么按80%£用率为320VR32236320 .0.068 1040 10-143.29.24 102.6K时间常数R3 C3要绝对比周期T大，约为10倍左右C31040 102.6 100.15 (仙 F)VTi的漏极电流屋为:1dsI0 N 3 0.552 1.66 (A)Vdsp 96.4VmZ432输出变压器一次线圈的等效负载电阻为V1 maxI ds43.21.6626 (Q)设变压器漏电感1漏Li5

53、%3.4(pH)L漏3.410613R负t3260.1106.由知4.2RR负110(Q)4L漏r,c/Lci2740(pF)RiR负第四章性能改善措施4-1保护电路一？过电压保护电路过电压发生大多认为时检测线路断开或者控制电路损坏？过电压发生时首要任务是保护负载，因此，对于输出5V的开关电源大部分都设有较好的过电压保护电路，过电压发生时一般是使振荡电路停振？因此,若过电压保护电路动作后再启动电路工作时，必须使输入断开？一般方式是采用稳压二极管，需要注意其工作点是随流经稳压管电流与温度而变，因此，设计上必须选用稳定电压的温飘非常小的稳压管？过电压保护电路实例如图4-1所示，在图4-1(a)所示

54、电路中PC采用P613G当输出电压为5V时,VDZ选HZ5C3,R1选15Q;输出电压为12V时，VDZ选用HZ13B3,R1选56Q；输出电压为24V时，VDz选用HZ27-05,电选100Q,在图4-1(b)所示电路中，当输出电压为5V时VDz选用HZ6B-1L,R选15Q;输出电压为12V时，VDz选用HZ12C-2L,R选56Q;输出电压为24V时，VDz选用HZ27L/S,R选100Q图4-1过电压保护电路实例4-2效率的提高开关电源效率降低的主要原因如下：1）开关晶体管驱动方法不佳，如过激励，激励不足以及反偏置电流不足等?2）变压器设计不佳，如变压器饱和，变压器漏感大，绕组与铁芯的选用不适宜等？3）电压吸收电路参数不适当？4）整流器特性不佳，如整流器压降大，反