电力电子课程设计方案sg脉宽调制高频开关稳压电源

1、第 1章概述 -3-第 2 章系统总体方案 - 5 -2.1高频开关稳压电源的基本原理- 5 -2.2高频开关稳压电源总方案 -5 -2.3高频开关稳压电源的组成电路及功能- 6 -主电路 - 6 -控制电路 - 7 -保护电路 - 8 -驱动电路 - 8 -第 3章主电路设计 -9-3.1 主电路形式选择- 9 -3.2 高频变压器的参数- 9 -原副边电压比 n- 9 -磁芯的选取及变压器的结构- 9 -变压器初、次级匝数 - 10 -确定绕组的导线线径和导线股数- 10 -3.3 开关管的选择- 11 -第 4章控制电路设计-12-4.1 主电路 - 12 -4.2 控制电路的设计- 1

2、2 -结构和功能介绍 - 12 -控制电路的设计 -13-4.3 驱动电路的设计- 14 -第 5 章系统性能测试与结果- 16 -5.1负载调整率测试 - 16 -5.2电压调整率测试 - 16 -5.3效率测试 - 17 -5.4输出纹波电压及噪音测试 - 17 -第 6章心得体会 -18-附录：总电路图-19-参考文献 - 20 -电气与信息工程系课程设计评分表-21-1-/20第1章概述电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域, 没有它的存在，现代的各种电力设备和给我们生活带来方便的各种电器将不可能实现。有相当一部分设备和电器是使用直流电的，而接入家庭的是都是交流电，这就需要电源转换成

3、所需的直流电。各种AC-DC电源中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到了广泛应用。高频稳压电源要求高功率密度，外型尺寸小，高效率，高可靠性，高功率因数，以及智能化，低成本，EMI小，可制造性，分布电源结构等。现在功率 MOSFET和 IGBT 己完全取代功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源的高频化有了可能: 器件的工作频率可达400KHz(AC-DC开关变换器 和 1MHz(DC-DC开关变换器 ，超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效，低电压输出(U的开关电源创造了条件。电源按硬开关模式工作时开关损耗大，高频化可以缩小电源的体积重

4、量，但开关的损耗更大了. 为此研究开发出开关电压/ 电流波形不交叠的技术，即零电压(ZVS / 零电 (ZCS软开关技术，有效的提高了开关电源的效率例如在九十年代中期30A/48V 开关整流器模块采用移相全桥 ZVS-PWM技术后，仅重 7kg。比用 PWM技术的同类产品，重量下降 40%.最近国外小功率AC-DC开关电源模块 (48/12V 总效率可达到%。48/5VAC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%，二十世纪末，国产的 50-100A 输出，全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%.电流型控制及多环控制已得到较普遍应用，电荷控制，一周期控制，数字信号处理器 (D

5、SP控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使电子电源动态性能有很大提高，电路也有大幅度简化。电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域,在现代的各种电力-2-/20设备中都得到里广泛的应用。特别是在小型及各种家用电器和电子设备中大量使用了各种 AC DC 转化电路，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到最为广泛的应用。本课题是设计一种基于 SG3525 PWM 控制芯片为核心构成的高频开关电源电路。SG3525 芯片能同时满足较好的电气性能和较低的成本 ,因而被广泛用于小功率开关电源。用其作为 PWM 控制芯片组成的电路具有结构简单、体积小、容易实现的特

6、点。实验表明由该PWM 控制芯片控制的开关电源的性能可同集成稳压器媲美,效率比线性稳压电源高,有很好的发展前景。电子电源微处理器监控，电源系统内部通信，电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术。总之，开发高功率密度，高效率，高性能，高可靠性以及智能化电源系统仍然是今后开关电源技术的发展方向 .-3-/20第 2 章 系统总体方案2.1 高频开关稳压电源的基本原理高频开关稳压电源是需要直流电设备中常用的AC-DC转换电源，它的作用是把公网上的220v 交流电转换成适用的直流电。公网上的工频交流电先整流滤波为固定直流，通过功率变换式中 : CT , RT分别是与脚 5、脚 6 相连的振

7、荡器的容和电阻。R d是与脚 7 相连的放电端电阻值。此处CT 、RT 、 R d 分别为图中的 C53、R47、 R48，取值分别为 2200p、10k、100，即频率 62khz。管脚 8 接一个电容的作用是用来软启动，减少功率开关管的开机冲击。 1 和 14 脚输出采用图腾柱输出 , 本电路采用外-6-/20加驱动隔离电路，增强驱动能力和电源的可靠性。保护电路保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过 整流桥将电流信号转为电压信号 式中 V 为电路中的压降，一般取2V ，

8、取 Vimin 130V，代入上式得 n0.42磁芯的选取及变压器的结构目前变压器较为简洁常用的设计方法是 Ap 法。可根据下面公式选取合适的磁芯： AP=AeAW Pt/2f Bk cj） 式中， Ae 为磁芯截面积； Aw 为磁芯的窗口截面积； Pt 为变压器传输的总功率；f 为开关频率； B 为磁芯材料所允许的最大磁通摆幅；kc 为绕组的窗口填充系数j 为导线的电流密度。在这里有PT=800 1 1/0.85）, 0.85 为效率，里 B 取 0.2T， kc 取 0.4，j 一般取 4A/mm2 。查有关磁芯手册，查得EE55 磁芯，其Ae=353mm2，Aw=280mm2，则其 Ap

9、=98840mm4。考虑到留有一定的裕量使电源更可靠地工作，这里采用两个磁芯组合而成。由于变压器传输的功率较大，寄生参数对其影响很大。所以变压器的绕制方法很重要，否则会引起变压器的性能下降。为了减小漏感，这里采用三明治绕法。同时，为了减小高频噪音和变压器的分布电容，原副边之间加入屏蔽层。-8-/20变压器初、次级匝数为了保证在任何条件下磁芯不饱和，设计时应按照最大伏秒面积计算匝数。因为电路中电压的波形都是方波，所以最大伏秒面积的计算可以简化为电压和脉冲宽度的乘积。通常计算二次侧最大伏秒面积较为方便。对半桥电路有：N2=vo/2BAefs ） ，N1 =nN2代入数值计算得，变压器的次级匝数为3

10、0.6 匝，实际电路中取35 匝，由原副边电压比 n 可计算得到变压器的初次级匝数为15 匝。确定绕组的导线线径和导线股数在选用绕组的导线线径，要考虑导线的集肤效应。为了更有效的利用导线，减小集肤效应的影响，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，即应选用线径r 小于2 0.42mm2 的铜导线1 。在此采用0.31mm 线径的导线多股并绕 。 原、副 边导 线的 截面 积分 别为 ：AC1=Iomax/jn=4/4=0.428mm2 ， AC2=Iomax/j=4/4=1mm2 单股线面积为： 3.14 0.31 0.31/4=0.0754mm2计算原边和副边的导线股数分别为：1/0.0754=1

11、3.26 股） ，0.428/0.0754=5.67股）3.3 开关管的选择交流输入电压的最大值为 260V，整流滤波后的直流电压的最大值为 368V。所以功率开关管关断时最大漏极电压为 368V，应选择耐压在 600V 以上的功率开关管。第 4 章控制电路设计4.1 主电路 半桥式开关电源主电路如图1 所示。图中开关管Q1 、-9-/20Q2 选用 MOSFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管 Q1 、 Q2 组成 , 另一个桥臂由电容 C6 、C7 组成。高频变压器初级一端接在 C6 、C7 的中点

12、 , 另一端接在 Q1 、Q2 的公共连接端 , Q1 、Q2 中点的电压等于整流后直流电压的一半 ,开关 Q1、 Q2 交替导通就在变压器的次级形成幅值为 V i/2 的交流方波电压。通过调节开关管的占空比 , 就能改变变压器二次侧整流输出平均电压V o。 Q1 、Q2断态时承受的峰电压均为V i，由于电容的隔直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容变压器原边并联的R2 、C5 组成 RC 吸收电路，用来吸收高频尖峰。得注意的是，在半桥电路中，占空比定义为2 ：D=2t

13、on/Ts图 1 开关电源主电路-10-/204.2 控制电路的设计控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望输出电压附近的目标。本课题选用SG3525芯片做集成控制器。结构和功能介绍PWM 控制芯片 SG3525 具体的内部引脚结构如图1 及图 2 所示。其中脚16为 SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到。脚 1 及脚 2 分别为芯片内部误差放大器 的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB 左右。 根据系统的动态、静态特性要求，

14、在误差放大器的输出脚9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。S1IN-VRET162IN+VI153SYNCOU TB144OSCVCC135CTGN D126RTOU TA117DISSD108SSCOMP9-11-/20控制电路的设计控制电路是开关电源的核心部分，控制环节的好坏直接影响电路的整体性能，在这个电路中采用的是以SG3525 芯片为核心的控制电路。如图2 所示 ,采用恒频脉宽调制控制方式。误差放大器的输入信号是电压反馈信号 ,是由输出电压经分压电路获取,与普通误差放大器的接法不同的是该电压反馈接成射极跟随器形式，反馈信号比较精确，因而可以精确地控制占空比调节输出电压，提高

15、了稳压精度。SG3525 芯片振荡频率的设定范围为100 500 kHz, 芯片的脚 5 和脚 7 间串联一个电阻 Rd 就可以在较大范围内调节死区时间。SG3525 的振荡频率可表示为 2 ： f s =1/(CT (0.7RT + 3R d式中 : CT , RT 分别是与脚 5、脚 6相连的振荡器的电容和电阻。R d是与脚 7相连的放电端电阻值。此-12-/20处 CT 、RT 、 R d 分别为图中的C53、 R47、 R48 ，取值分别为2200p、10k、100，即频率为 62khz。 管脚 8接一个电容的作用是用来软启动， 减少功率开关管的开机冲击。11 和 14 脚输出采用图腾

16、柱输出 ,本电路采用外加驱动隔离电路，增强了驱动能力和电源的可靠性。保护电路是开关电源中必不可少的补充，在这个电路中采用了输入过流保护、输出过流保护、过热保护等。输入过流保护是通过在原边主电路中串入小磁环，小磁环感应电压输出经过整流桥将电流信号转为电压信号 交流输入电压220V，输出电流为50%Io 时，测出稳定的直流输出电压值 Uo。(2 调整负载电流为100%Io 与(10%-15%Io，测出稳定的直流输出电压值 Uo1，Uo2(3 计算 100%Io与 (10%-15%Io条件下电压调整率1=(Uo1-Uo/Uo100%2=(Uo2-Uo/Uo100%5.2 电压调整率测试1定义：反映交

17、流输入电压变化对输出电压的影响。又称电压调整率。2测试方法：(1 交流输入电压220V，输出电流为满载时，测出稳定的直流输出电压值 Uo。(2 调整交流输入电压为180V， 260V，测出稳定的直流输出电压值Uo1， Uo2(3 计算 180V，260V条件下电压调整率1=(Uo1-Uo/Uo100%2=(Uo2-Uo/Uo100%5.3 效率测试1内容：测试不同交流输入电压，不同负载条件下电源效率2测试方法：(1 交流输入电压90V， 160V， 220V， 260V，输出电流为100%Io，30%Io，空载时，测出对应的稳定的直流输出电压值Uo 与对应的交流输入功率 Pin 。(2 计算效

18、率 =Po/Pin 100%=(Uo Io/Pin 100%-15-/205.4 输出纹波电压及噪音测试1、测试条件：交流输入电压220V，输出满载。2 、测试方法：测试时，示波器TIME/DIV 档置10uS/div ，带宽置20MHz，读取示波器显示的输出电压峰 - 峰值即为输出纹波电压 ( 包含毛刺在内的峰 - 峰值为纹波 +噪音 。根据以上设计，采用 SG3525输出电压为 24V，电流为 10A的高频开关稳压电源的性能进行了测试。实测结果表明，该开关电源的纹波电压控制、电压调节精度及电源工作效率都符合设计要求。第6章心得体会在电子设备中电源是其中重要组成部分之一，它负责给主电路提供稳

19、定可靠的电力，没有一部高质量的电源，电子设备就不能更好的工作。在现实生活中单相电的使用非常广泛，大量的电子设备中都有单相 AC-DC 转换电路。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求，其高效节能简单可靠的特点使其得到了广泛的应用。其中高频开关电源在重量、体积和效率等方面具有较强的优势，被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备。这次课程设计我设计完成了基于 SG3525 的脉宽调制高频开关稳压电源的设计。这是一个以前学习中没有接触过的芯片，而且电路的设计中还要有各种保护和检测电路，可以说是比较复杂的。对我来说是个难得的机会。首先通过查找 SG3525 和电路范例的过程扩展了自己的视野，在网络时代里，我们应该有效的利用好这一资源。它不仅可以给我们提供丰富的资料，还给我们提供了一个高效方便的平台。这次的课程设计的完成，网络提供了很大的助力。其次 , 这次课程设计 ,我独立运用所学电力电子知识完成了系统设计。为了完成好这个课程设计，我查阅了大量关于开关电源方面的书籍及相关论文。通过做这些工作锻炼了我知识总结的能力，增强了我应用电力电子知识解决实际问题的能力，更提高了自己分析问题和解决问题-16-/20的能力。第三 , 通过这