单一电压输出ACDC开关电源设计方案

1、 /25中文摘要开关电源广泛应用，其效率可达80以%上，具有稳压范围宽、频率高、体积小等特点。特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。开关电源的发展与应用在节约能源及环保方面有重要意义。本论文主要介绍型开关电源及其设计应用，电路与其他如半桥逆变）开关电源电路相比的优越性。它的体积小、不需专用控制芯片、电路简单等优点使其应用更加广泛，特别是在各种新兴电子设备的电源、充电器方面的应用尤为突出，因此在各种开关电源中占有重要地位。电路包括输入整流滤波，吸收电路开关管保护电路反馈振荡输出整流滤波输出过压、过流保护电路，另外最主要的是高频变压器部分。最后通过仿真、调试达到一市电交流

2、输入、电压电流输出的要求，并且纹波较小效率较高。开关电源自激反激变换器外文摘要lDeesignofsingleoutputAC/DCSwitchingPowerSupplySwitchingPowerSupplyiswidelyuesd,anditsefficiencyismorethan80%.Meantimeawiderange,highfrequencyandminiaturizationispresented.Itisparticularlyappliedinthefieldofhighandnewtechnologyandthenbringsminiaturizationandcon

3、venice.ThedevelopmentanduseofSwitchingPowerSupplyareofimportanceintheenergysavingandenvironmentalprotection.ThispapermainlyintroduceRCCcicuitanditsspecificdesignment。RCCcicuit,whoissmallshape,simplestructureandnotusingparticularchips,hasmanymoreadvantagesthanothercircuitsassamewithit,suchashalf-brid

4、geciucuit.Therefore,RCCcircuitismuchmorewidelyused,especiallyinthesourceandchargerofallkindsofnewelectronicaldevices.SoitissuchasignificanceforSwitchingPowerSupply.IntheRCCcircuit,thecircuitforrectificationandfiltering,absorption,protection,RCCfee-dback,outputovervoltageandovercurrentareincluded.Ina

5、ddition,thetransformeristhemostimportantcomponent.Finaly,thisdesigngetthoughtestswith100-240VACinput,5Vvoltageand1Acurrent.Moerover,ripplewaveisquitesmall.oSwitchingpowersupplyFlybackconverterSelf-excitatiionRCC引言1.课1题背景和意义11.开2关电源分类、特点及原理电路拓扑分析电路整体设计2.3电路元件参数计算及选择软件仿真4电路调试与数据分析15电路调试15数据分析18结论19改进建

6、议19参考文献20致谢21 /25引言1.课1题背景和意义随着电子技术的迅速发展，各种电子设备和人们生活、工作的关系日益紧密，而电子设备却离不开可靠的电源。特别是开关电源产品广泛应用于照明、通讯设备、工业自动化控制、科研设备、仪器仪表、医疗设备等领域。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在效率低仅有40%50)%、体积大、耗能量大等缺陷。而开关稳压电源效率可达80以%上，稳压范围宽，还有稳压精度高等特点，是一种较理想的稳压电源。其中变换器)是一种自激型的单端反激变换器，它主要工作在临界状态,采用自激振荡工作方式来实现峰值电流控制；且具有体积小、抗干扰能力强、可靠性高,易于实现多

7、路独立输出电压等优点，通过良好设计便可得到高效、可靠的电路。基于以上优点，电路广泛用于成本低于功率以下的开关电源，特别随着电子技术迅速崛起，其更多应用于各类电子产品及设备的便携电源及充电器。本文旨在分析变换器的工作原理、开关管的驱动及电路中元件关键参数的计算与选择，后经软件仿真和实际硬件调试得到实验分析结果。由于要维持边界连续模式，并且原边电流上升斜率受输入电压影响，因此开关工作频率及占空比均受输入电压和输出电流的影响，其输入电压最大和空载时频率会升高。同时因其工作频率变化大，电路设计具有一定难度。1.开2关电源分类、特点及原理1.2开.关1电源分类自激式：无须外加信号源能自行振荡，而且它完全

8、可以看作是一个变压器反馈式振荡电路。它激式：完全依赖于外部维持振荡。根据激励信号结构分类，可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种：脉冲调宽是控制信号的宽度，脉冲调幅则是控制信号的幅度，两者的作用都是为了达到稳定电压的效果而使振荡频率维持在某一范围内。微型低功率开关电源：开关电源正在走向大众化，小型化。低功率微型开关电源的应用要首先体现在数显表、照明、手机充电器、智能电表等方面。本论文只介绍型开关电源的突出特点。与常规使用专门集成芯片控制的单端反激变换器相比，变换器结构简单的多其中只有自激振荡部分与普通并联式开关电源相同，电路中既无取样分压器也无误差放大器，并且只需用很少的几个分立元件,只在开关管基极接稳

9、压管稳压，就可以完成同样的输出功能。另外，许多与开关管驱动相关的问题驱动波形、隔离保护、变压器饱和等）在自激振荡电路中都可以得到很好的解决。它的稳压控制过程不是或方式，而是由稳压管构成的电平开关来控制开关管的通断。普通稳压过程，无论是自激式还是它激式电路，开关管通断总是按其工作频率周期性的进行，系统只是控制每个周期脉冲的正程宽度即脉宽调制）。为了使稳压过程有平滑的特性，工作在线性区，脉宽调制管既不饱和也不能截止，因此不会因其截止而使某一周期脉冲宽度达到间歇振荡器时间常数电路设定的最大脉宽一般仅为其50）%，也不会因其饱和而使某一周期脉冲宽度为零。开关电源因此被称为周期性开关电源。而型开关电源则

10、不同，其控制为无过度过程、非连续的的控制。严格的说，只有两种极端状态：输出电压低于额定值时，开关管开始振荡而导通；输出电压高于额定值时，开关管停止振荡。因此，稳压过程只有“0”和“1”两种状态。开关管/25“0”和“1”两种状态的时间比即占空比），除与市电输入电压有关外，还取决于负载电流大小。如图的拓扑，负载电流减小时，滤波电容放电时间延长，直到输出电压低于额定值，开关管才可以导通；负载电流增大时，次级整流电路的滤波电容放电速度加快，此时高频变压器储能可很快释放，输出电压降低，开关管由“0”进入“1”，以维持输出电压稳定。因此，开关管的截止时间取决于输入市电电压和负载电流的变化，此控制方式是非

11、周期的，故开关电源属于非周期性开关电源。由于电路简单、体积小，特别适用于小功率开关电源供电。由型开关电源组成彩电待机副电源、主机待命电源以及小功率家用电器，解决了由于工频变压器式副电源稳压范围小引起的问题，避免了市电输入下限时不能开机的现象。其对负载的适应性也优于开关电源，方式的脉宽变化具有一定范围，否则会停振或失控；而本身工作于极限状态，当其空载时，关断时间可以无限延长，直到输出电压开始降低四。型电源属非周期性自激式开关电源，必然具有自激式开关电源的缺点，如反馈量随市电电压上升而增大，以致开关管截止损耗增大；还有它只适用于以下的电源，大功率时效率很低，能量损失很大。开关电源的工作过程很简单。

12、在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式；与线性电源较为不同的是，开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态。与线性电源相比，开关电源是通过“斩波”这个更为效的工作过程，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。当输入电压被斩成交流矩形波时，其幅值就可以通过高频变压器来降低或升高。通过增加或降低）变压器的二次绕组数就可以增加或降低）/25 /25 /25输出的电压值。最后变压器输出的交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。电路拓扑分析拓扑如图1工作原理如下：输入直流电压经启动电阻为三极管提供启动电流，启动瞬间由于正反馈饱和导通的时间极短而此时还来不及充电；当导通后集电极

13、电流上升在变压器初级绕组上产生上正下负的电压,经变压器耦合至辅助绕组上产生上正下负的感应电压,此电压经后加到的基极使的基极电位上升集电极电流进一步增大两端的电压升高辅助绕组两端的电压也升高基极电压再进一步升高由于正反馈的作用饱和导通；电容通过半波整流充电向负载供电；电源接通一定时间后由于电容上渐渐充上电压启动电路对不再起作用。1饱和导通期间辅助绕组上的感应电压经继续向提供基极电流此电流向充电使其极性为右正左负负端的电压经加到基极使的基极电流下降同时集电极电流下降从而从饱和导通状态转入放大状态；之后基极电流和集电极电流进一步减少最后由于正反馈的作用使截止。导通时初级绕组上的电压是上正下负次级整流

14、二极管因负电压而截止；截止时中的电流不能跃变继续维持原方向流通所以在上产生上负下正的电压，该电压使导通储存在中的能量经给充电向负载供电在导通时截止在截止时导通使得辅助绕组上的感应电压为上负下正，此时导通以释放的充电电压并且由辅助绕组、为反向充电；上反向充电电压经加到基极使重新导通集电极电流上升产生同名端为正的感应电压辅助绕组也产生同名端为正的感应电压此电压经加到基极基极电流也进一步增加集电极电流进一步增大因正反馈而饱和导通。电路周而复始地处于自激振荡状态，其振荡频率取决于的充放电时间常数W。整体电路如图2本设计包括：输入全桥整流滤波及限流电阻、吸收电路、开关管保护电路、反馈振荡、输出整流滤波、

15、输出过压保护、过流保护，还有最主要的高频变压器部分。其中整流桥前加了限流电阻，防止加电源瞬间电流过大，烧毁器件；电路中增加吸收电路以及开关管集电极和发射极间增加吸收电容以减小开断过程中的过电压冲击；开关管基极通过两个二极管接地，达到限制基极电压的效果以保护开关管；采用耦合频率较大的光耦元件和稳压器4以达到稳压及过流过压保护的目的；变压器部分最为关键，采用铁氧体磁芯，初级线圈匝，用于输出的次级和和反馈的次级均匝，辅助绕组和正反馈共用一个绕组；振荡反馈正极性接到绕组上，而整流二极管反接；开关三极管通过一个电阻接地，此电阻电压随初级电流改变而改变，再通过接到基极，与光耦反馈的电压共同控制最下侧三极管

16、的开断，进而控制开关管的开断；此三极管基极加一个滤波电容消除基极的尖峰干扰，防止三极管误导通。图2|RCC整体电路IZZ同时，辅助绕组和相同匝数。如果按（6式计算高频变压器的频率，则：在这个高频变压器中，由于实际选择的磁芯相对较大，则根据电感大小与线圈直径大小成正比的关系判断，实际绕制的高频变压器初级电感可能较大，因此可以适当增加大小来计算开关频率。本设计中，大小在时大约为K满足实际要求，最终调试时也验证了频率选择的正确性，因此变压器绕制时，开关频率定为。计算导线线径：初级电流为，导线截面积回3，初级绕组线径*/2则选用的漆包线可以满足要求；输出电流最大为，则次级导线面积可区8,次级线径*/，

17、选取线径为的线；辅助绕组输出电流很小，为了方便缠绕线径选择与初级绕组相同，为2.3.三2极管、二极管的选择开关三极管选择，管。最大耗散功率为最大允许集电极电流为，集电极、射极间最大电压为，正常工作温度为，集电极截止电流为0直流电流最大增TOC o 1-5 h z益为，开关频率可达到；另外它的体积较小，小功率输出时不需FET加散热片，因此适合于这类小巧的、输出功率很小的开关电源，满足型开关电源的要求。三极管选择，也是管。集电极、射极间最大电压为,基极和集电极截止电流、均为，直流电流最大增益为BLcexFE,开关频率可达到。同样体积较小，各参数均满足要求。T二极管一构成全桥整流，采用。此二极管极为

18、普通，虽然体积较小，但耐压，可以流过的最大电流为A工作温度为，完全可也达到要求。、同样为，两个串联压降为可以保护开关管不被击穿。为2其耐压反向恢复时间为，通过最大电流为A满足吸收电路中开关频率及耐压的要求；半波整流二极管与同为2满足输出以及频率的要求。反馈整流二极管则选择1其通过最大电流，反向恢复时间为，因反馈绕组输出电流较小，就能满足要求。稳压 /25 /25是一个热稳定性良好的三端可调分流基准源，其输出电压用两个电阻就可以随意设置从到范围内的任何值。在很多应用中用光耦2脚图稳压图开关管保护它代替齐纳二极管，因其价格低、性能好，广泛用于可调压电源，开关电源等三。如图，输出.5）因这两个电阻阻

19、值均为ok所以输出保持在此处阴极和参考极连接、，整个稳压部分同时也构成交流放大器，以减小输出的纹波。交流一市电输入，限流热敏电阻选择负温度系数，流过最大稳态电流为A阻值为目），滤波电容容值耐压）；的启动电阻阻值为根据所需的启动电流而定分压电阻为0工作过程中为提供基极电压，容值为2电阻阻值为回，用于反馈振荡的、值分别为00、根据开关频率而定）；68分别为回、目、00根据导通所需的电流而定），、均为；吸收电路为百为高压瓷片电容目次级滤波电容为四，负载为0的功率电阻；为四，为目为光耦提供直流电压）；光耦采用最大耦合频率）；为20,为0根据光耦所需电流而定），、均为2Ki分别为日、n另外，三极管的保护

20、如图4次级以及辅助绕组半波整流输出如图、图6所示。图5输出整流滤波图6辅助绕组整流滤波ab软件是专门用于电源设计的仿真软件，其主要特点如下：一是集成度高,从调用绘制原理图到仿真分析,无需切换工作环境；二是比较齐全的各种分析功能既可以进行、等这些基本功能分析也能进行温度、蒙特卡诺、噪声等高级功能分析；三是仿真数据后强大的处理能力运动工具可以方便对仿真结果数据进行各种比较和分析乃至运算；同时软件的交叉探针功能可以很方便的在中随时观察仿真数据结果。图的电路应用软件进行仿真得到各点波形图，输入电压从到每增加进行一次仿真。下面为两组仿真结果，分别为输入、交流市电在内的各点波形。其中图为输入时波形，从上至

21、下依次为开关三极管集电极电压即变压器初级绕组电压，图中波形86基极电压)8三极管基极电压)8以3及9变压器次级最终整流滤波输出的电压)；图为输入时各点的电压波形。1III;11111f31J1/1 /25 /25分析这两组仿真波形图，图中输入电压较小，但峰峰值为，开关频率在左右，基极电压峰峰值为2三极管与的开关频率相同基极电压峰值8这两组波形均满足三极管对基极电压和开关频率的要求，且从中可以看出三极管对开关管的控制作用；最终输出电压为V图中输入电压较大，峰峰值为，频率升高到，、基极电压基本不变，最终输出仍然保持不变。另外，一输入、输出以及频率的数据如下表表交流输入、集电极电压峰峰值变压器初级电

22、压）、频率以及输出电压输入输入频率输出根据频率公式三三3知，通断频率与变压器初级输入电压的平方成正比，表中数据刚好印证这个规律。因此以上数据可证明该电路的可行性，只需更好的设计实际电路便可以可靠实现其功能。4电路调试与数据分析4.1电路调试图的设计由仿真软件进行多次仿真，输入一市电，输出满足电压电流的要求，开关频率在一范围内变化，且输入电压越大开关频率越大，此时则需要考虑三极管、光耦选择及变压器绕制时选取频率较大的以满足要求。实际硬件电路的调试在地质宫42以8及12电2机实验室实验室内有可变交流输入电源，可为电路调试供电）进行，下面的每组数据均用数字示波器、测得，测试时间为201年85月15日

23、到22日。调试过程中，输入电压为一市电，以递增的方式接入电路。最开始通以电压时，电路发出刺耳的声音，并且开关三极管发热，分析可能是变压器因频率较低或者开关三极管基极电压过大而长时间工作在临界状态。测试基极电压大于，因此基极的稳压管改用两个二极管，使其基极压降保持在以内，此时空载时不再发热。变压器输入电压频率仅为左右，刚好在人类听觉范围内，而且高频变压器框架与绕组粘黏比较松，这可能是引起电路刺耳声音的主要原因。重新用胶棒粘黏变压器框架，重新上电测试，不再有刺耳的声响。但是输出接测以下负载时，开关管有发热迹象，且升温较快，分析是因为三极管满足的最大功率不能满足输出的要求，因此最大输出电流为但可以换

24、功率更大的三极管或者以达到更大输出电流的要求。下面即为两组输入和输出的波形图。Tek1I仙队雌汕邸:觊1I伽队碱m空载输入Tek1口叫一集电极;I峰峰值iTTnnrTTT图空载输入时输出图12输出平均值输出平均值其中图、图分别为电极的波形，频率分别为用载时输出himiiiirhimiif空载时输入电压分别为关管集1.25，图为为空载时的最终输出波形，其大小一直保持不变纹波峰峰值保持在输入最小电压时的开关频率提高1OIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiIiIiiIiIiIIIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiM伽M伽OB时V-1112负载输入集电极电压频率峰值频率2另外，图分别电极的波形，频率分别为21.电流为IlliII上级波峰峰值在8TekAI和队雌fflll负载输入集电极电压,峰峰值0负载时输入、出