小型开关电源设计报告

PAGEPAGE23目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章、分析开关电源的结构及功能 21什么是开关原电源 22开关电源的结构 23开关电源的功能 3第二章、介绍小型开关电源设计要求和方案选择 41设计要求 42设计条件 43方案选择 4第三章、小型开关电源主电路设计 41主电路及主开关的选用和原则 42主电路的设计及分析 53元器件定额及选型 7第四章、小型开关电源控制电路设计及元器件选型 91反馈电路 92过压保护电路 103功率管驱动电路 11第五章、小型开关电源变压器设计 11第六章、设计总电路图 15第七章总结与体会 16第八章参考文献及网页 17第一章、分析开关电源的结构及功能1什么是开关原电源凡是用半导体功率管做开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源。要求开关电源具有高稳定性和可以实现小型化。2开关电源的结构开关电源的结构形式很多，按PWM方式来分有以下几种。A、反激式变换器所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。如果变压器的初级上端为正，则次级上端为负。反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。但是在次级输出的电压中，有较大的纹波电压。为了解决这一问题，只有加大输出虑波电容和电感，但这样做的结果是增大了电源的体积。B、反激式双晶体管变换器开关电源的功率在200W以上，不宜采用单管反激式电路，这时可以利用反激式双晶体管结构，两管可用双极型晶体管或长效应管。其中场效应管特别适用，无论是固定频率，可变频率，完全和不完全能量传递方式，用场效应管代替双极型晶体管是首选方案。C、正激式变换器正激式变换器纯粹是个隔离元件，它是利用电感L储能及传递电能的。变压器的初级和次级线圈是相同的同名端，由于电感L的存在，它的电感折算到初级，使初级电感增大，而电流却减小。正激式变换器的优点是铜耗低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率较低。它适用于低电压，大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。它还具有多台电源并联使用而互不影响的特点，而且可以自动均很，而反激式却做不到这点。D、正激式双晶体管变换器正激式双晶体管是在单管正激式的电路上再串接一只三极管而组成的，这对于高压大功率的开关电源来说更加安全可靠。安全可靠是最大的效益，所以，双管正激式变换器得到了广泛应用。E、半桥式变换器为了减小开关三极管的电压应力，可以采用半桥式变换器，它是离线式开关电源较好的拓扑结构。F、桥式变换器G、推挽式变换器推挽式变换器的电路比较复杂，尤其是变压器的初级和次级都需要两个绕组，但是它的利用率高，效率高，输出纹波电压小，适合用于百瓦级至千瓦级的开关电源中。H、RCC变换器RCC变换器是节流式阻尼变换器，是一种自激式振荡电路，它的工作频率随着输入电压的高低和输出电流的大小而变化。因此，在高功率、大电流场合，它的工作不很稳定，只适用于50W以下的小功率场合。但是其电路简单，成本低，制作、调试容易，因此，有一定的应用价值。3开关电源的功能给用电设备提供特定电压、电流，功率的电源。开关电源具有三个条件开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频直流：开关电源输出的是直流而不是交流第二章、介绍小型开关电源设计要求和方案选择1设计要求思路清晰，给出整体设计和电路图；给出具体设计思路和电路；写出设计报告；2设计条件电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：输入电源是三相交流220VAC,50HZ,输出电压是直流电压±15.0V,0.1A;±12.0V,0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。3方案选择由设计条件可知要设计的开关电源是一个小功率（输出功率为10W），多输出小型开关电源，结合上面介绍的开关电源的结构形式，显然选用单端反激式结构。第三章、小型开关电源主电路设计1主电路及主开关的选用和原则为使电源结构简单，紧凑，工作可靠，减少成本，小功率开关稳压电源常采用单端反激型电路或单端正激型电路。由设计要求，设计的开关电源是一个小功率，多输出电源，而反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出。故主电路选用单端反激式变换电路。由于电源输出的是小功率，所以在这里可以采用MOSFET。MOSFET从驱动模式上来分，属于电压控制器件，驱动电路比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小的多。2主电路的设计及分析A、主电路设计图如下图2.1开关电源的主电路B、设计思路由下开关电源的总体工作原理框图，结合主电路的相关选择，并查阅相关资料。主电路包括低压虑波，一次整流，有源调整电路，电子开关，高频变压器，二次整流，平滑滤波七个环节。根据夏老师的指导，这次的主电路设计中，低压滤波部分可以不要。电子开关平滑虑波采样输出误差放大脉宽调制基准电压电子开关平滑虑波采样输出误差放大脉宽调制基准电压比较器脉冲驱动低压滤波一次整流二次整流高频变压器有源调整图2.2开关电源工作原理框图a一次整流电路采用单相桥式不可控整流，将输入的220v交流整成电压范围为242V~264V的直流电。b有源调整电路包括一次滤波电路和吸收电路两个部分。其中开关电源一般采用电容输入型整流滤波电路。吸收回路如下图所示，它是利用电阻、电容、和阻塞二极管组成的嵌位电路，可有效地保护开关电源功率管不受损坏。c电子开关就是开关电源的主开关，即是开关功率管，它是开关电源的重要部分，是关系带电源损耗、功率效率的关键器件。它的主要参数既不是选用的开关管反向耐压越大越好，也不是放大倍数越高越好，而是综合电路参数及其承受的应力平衡。电子开关器件相关电路图见下边变换器图形右边d高频变压器是相对于音频和工频变压器而言的。但是，由于高频的范围太广，要明确的划分是困难的。因此，我们可将工作频率在音频以上的变压器统称为高频变压器。应该说，这种叫法是不严格的。单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它承担着要储能、变压，传递能量等工作。本次设计的开关电源要实现单输入，多输出，所以变换器的绕组有六个，分别为一个一次绕组，四个二次绕组分别对应四个输出，还有一个反馈绕组，用来控制输出。个人认为在这次的设计中高频变压器的设计是罪为关键和复杂的一部分。因为涉及到很多直接与输出相关的参数计算。变换器如下图（左）所示。图2.3左图高频变压器结构图右图开关功率管e从高频变压器出来的是交流电，必须在经过二次整流才可以得到直流输出，我采用的是每个输出端接一个二极管实现整流。f经过变压器调压及二次整流后的电源信号中海含有很多的纹波电压，必须经过处理才能得到理想的输出。其中部分电路图如下图2.4输出滤波电路主要用作滤波的器件是两个点解电容和一个扼流电感。3元器件定额及选型a整流二极管的定额及选择开关电源的整流桥是由4只二极管组成的，没两只二极管串联起来完成交流电压半周期整流。因此，每只二极管中流过的电流只有整流平均值的一半；每个二极管所承受的电压是最大反向电压的一半。输入回路的峰值电流计算如下：输入有效电流Ids=Po/Vmax=10/311=0.032A,输入回路平均电流Idc=Ids*Dmax=0.016A,交流输入电流峰值Iacp=3.5*Idc=0.056A。输入回路的最大输入电流直流电压Vmax2=2*1.414*220≈622（V），参考《开关电源设计技术与应用实例》书中的表2—6，选用BYV26D型号的快恢复二极管,它的最大反向电压为Vrm为800V额定整定电流为2.3Ab滤波电容的定额及选择平均输入电流I≈0.016A纹波电流为ΔI=0.0032AC=K*Pi=2*12.5=25μc吸收回路器件定额与选择初级绕组Np的电压Vp=1.414*220≈311（V）加在功率管的电压峰值Vdsp≈497（V），Dmi=0.2，T=20μs，则To=4μs，则吸收回路的电阻R1=4*（Vdsp/Vp-1）2*（Lp*T）/(To2)=1.43*0.039*20*10-6/(0.4*10-3)2≈7kΩ,时间常数常比周期大的多，一般取5倍左右，则：C1=5*T/R1=100*10-6/(7*103)≈14.3*10-9F≈0.01μF。用开关MOSFET上的峰值电压减去R1两端的电压，就是阻塞二极管所承受的电压。VR1=1.5*Vs/n,其中Vs是变换器的次级电压，Vs=15.8V，n是变压器的变比，n=34/665。VR1=1.5*15.8*665/34≈464(V),所以，VD1所承受的电压为497-464=33V，选用耐压值为50V以上的，电流值为3A的肖特基二极管UF5822。d功率管的定额及选择最大输入直流电压为1.414*220≈311（V），Lp是变压器圆边绕组的电感为0.039H。Vdsp≈900（V），所以开关功率管的额定电压要取1000V以上的。才能正常安全工作。e输出滤波回路器件的定额及选择扼流圈电感L1-L4起着平滑滤波的作用，流过扼流线圈的电流一般是输出电流的20%。ΔIL1=Io1*20%=0.8*20%=0.16（A）ΔIL2=Io2*20%=0.2*20%=0.04（A）ΔIL3=ΔIL4=0.1*20%=0.02（A）L=（Vs-Vf-Vo）*To/ΔIL其中Vs=(Vo+VL+VvD)/D所以L1=(5.8/0.51-0.6-5)*10.1/0.16=364.39(μH)L2=(15.8/0.51-0.6-15)*10.1/0.04=3883.55(μH)L3=L4=2L2=7767.1(μH)要求各路输出纹波电压应小于此路输出电压的1%。第四章、小型开关电源控制电路设计及元器件选型控制电路这要由功率管驱动电路、过压保护电路和反馈电路三个部分组成，其整体电路图如下图4.1控制电路整体电路图多路输出是以开关电源总功率不变为前提，还要注意改善负载调整率，减小电磁干扰，消除峰值双倍磁通效应，增强软件启动功能，实现多路对称输出。1反馈电路如图，电阻R5、R6、R7、R8的一端接并接在R9上，另一端各接各组电压输出端。这样，各组输出电压都得到了极好的稳定，各组输出的负载电流从10%变化到100%输出的负载调整率可以得到计算。下面重点介绍各组反馈电阻的计算方法。图4.2反馈电路电路图Vo1（5V）输出的反馈量由电阻R5的阻值决定，Vo2（15V）输出的反馈量由R6的阻值决定，Vo3（-15V）输出的反馈量由R7的阻值决定，Vo4（+15V）输出的反馈量由R8的阻值决定。首先，计算各路反馈电流If1~~If4。总的反馈电流为：If=Vref/R9=2.5*106/(10*103)=250(μA)输出总电流：Io=Io1+Io2+Io3+Io4=0.1+0.1+0.2+0.8=1.2(mA)反馈比例系数K1、K2、K3、K4分别为：K1=Io1/Io=2/3K2=Io2/Io=1/6K3=Io3/Io=1/12K4=Io4/Io=1/12各组反馈电流为Ifn=Io*Kn所以可求得各反馈电阻阻值为：R5=（Vo1-2.5）/(If1*10-6)≈15kΩ同理可得R6=300kΩR7=840kΩR8=600kΩ2过压保护电路本次设计的过压保护电路采用的是光电耦合方式进行保护的，电路图见上面的反馈电路。当输出电压Vo1由于某种原因急剧升高时，使光电耦合器NEC2501中的发光二极管的电流增大，同时光敏三极管的电流也增大，使可控硅触发而导通。3功率管驱动电路功率管驱动电路主要用到的一个器件是UC3842，它是在国内应用广泛的一种电源集成控制器，即可制成正激式也可以制成反激式。图4.3驱动电路电路图如图4.3所示，其中6口输出的就是功率管的触发信号。R10、C14是决定该电路工作频率的重要原件。在本次设计中，开关频率为50kHz，C14=4700pF,由f=1.8*103/(R10*C14),所以R10=7.7kΩ。C15是消噪电容，C15=0.01μF。管脚1、2接反馈回路。实现根据输出的变化自动调节输入。第五章、小型开关电源变压器设计输入电压为220V（50Hz），输出参数为+15V0.1A;-15V0.1A;+15V0.2A;+5V0.8A.Np是主绕组，Nf是反馈绕组，N1~N4为二次绕组。1选择磁芯的大小输出功率Po=Vo1*Io1+Vo2*Io2+Vo3*Io3+Vo4*Io4=15*0.1+15*0.1+15*0.2+5*0.8=10（W）取电源效率为80%，则输入功率Pi=Po/η=10/0.8=12.5（W）根据输入功率选择EE19磁芯，EE19磁芯的有效截面面积Ae=20mm2设工作频率为f=50KHz，则工作周期T=1/f=20微秒2计算To初级绕组开关晶体管VT1的最大导通时间对应于最低输入电压和最大负载。D取0.5To=D*T=0.5*20=10（us）3计算直流输入电压变压器的输入电压Vp=220*1.414≈311(V)选择工作时的磁通密度，对一般形状、材料的铁氧体磁芯，当工作频率为50KHz时，ΔBac=234mT是一个良好的工作区。4计算原边匝数作用电压是一个方波，一个导通时间的伏秒值与原边匝数的关系为：Np=（Vp*To）/（ΔBac*Ae）=(311*10)/(0.234*20)≈665（匝）其中，Np为原边匝数，Vp为原边所加直流电压，To为导通时间，Ae为铁芯有效面积计算次级匝数设肖特基二极管的管压降为0.4V，电感滤波线圈的电压降为0.4V，N1的总电压值为5.8V初级绕组每伏匝数n=Vp/Np=311/665≈0.47(伏/匝)各次级绕组匝数分别为N1=5.8/0.47≈12(匝)N3和N4的总电压值都为15.8VN2=15.8/0.47≈34（匝）N3=N4=N2Nf=5.4/0.47≈11(匝)计算选定匝数下占空比的辅助输出匝数由于N1取12匝，新的每匝反激电压是5.8/12=0.48(伏/匝)，占空比必须以同样比率变化来维持伏秒值相等。To=(T*0.48)/(0.48+0.47)≈10.1(us)，所以占空比D为：D=To/T=10.1/20≈0.51N1=5.8/0.48≈12(匝)N2=N3=N4=15.8/0.48≈33（匝）确定气隙大小带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度H下才会产生饱和，因此磁芯可经受一个更大的直流成分。另外，当H=0时，Br更小，磁芯的磁场强度有一个更大的可用工作范围ΔB。最后有气隙时，导通能力降低，导致每匝的电感量减小，绕组的总电感值减小。但是，气隙的存在减小了磁芯里直流成分磁场产生的磁通，对磁饱和是有利的。实际上开发人员是通过气隙来调整初级电感量，选定能量传递方式的。在完全能量传递方式中个，传递能量的峰值电流是很高的，开关晶体管、整流二极管和电解电容器产生的损耗也是最大的，变压器产生的损耗也是很大。对于不完全能量传递方式只要初级电感适中，它的峰值电流大小合理，峰值与直流有效值的比值恰当，气隙大小合理，就能得到比较好的传递方式，工作噪声小，效率会很高。将磁芯错开0.5mm气息，用脉冲宽度调试仪并接在开关电源脉冲发生器的输出端，在变压器的初级上串接一只电流表。开关电源通电后，缓慢调整脉冲调试仪。在额定输入电压下接好额定负载，观察电流特性波形的形状，一至调到所要求的输入电压和电流，这时再调节气隙，最后带到要求。这时快速调整气隙的方法。如果变压器不能按原设计工作在高温状态下以及元器件的误差改变了电路电感，需要重新调整。计算气隙平均输入电流Ip为Ip=Pi/Vp=12.5/311≈0.04（A）相应的最大值Im为Im=Ip*T/To=0.04*20/10.1≈0.08(A)Ip1=Im/2=0.08/2≈0.04(A)Ip2=3Ip1=3*0.04≈0.12(A)在To期间，电流变化量ΔI为ΔI=Ip2-Ip1=0.08（A）原边电感Lp=Vp*To/ΔI*10-6=311*10.1/0.08*10-6H≈39.26mH气隙δ=（4*3.1415*10-7*Np2、*Ae）/Lp=12.56*10-7*665*665*20/39.26≈0.28(mm)检查、测量磁芯的磁通密度和饱和区间检查、测量磁芯的最大磁感应强度是必要的，以便提供一个最大工作值和饱和值之间的合适空间。在任何条件下（包括瞬时负载和高温环境）下，应避免出现磁芯饱和。把输入电压设置到能控制的最低值，负载调整到功率值为10W，在示波器上观察变压器初级绕组的电流波形。这时慢慢减小工作频率，直到调制脉冲结束，电流忽然上升，这时就是磁饱和出现的时间，几下该时间并与正常值比较，由所增加的百分比可得出磁感应强度的边界范围。此时，还应考虑在高温下磁感应强度还会降低。要求瞬时变压变化有10%的余地。如果保留的边界不足10%，应增加气隙，进行调整。计算磁饱和边界交流磁通所产生的感应强度变化强度为：ΔBac=Vp*To/(Np*Ae)=311*10.1/(665*20)≈0.236(T)利用磁感应强度与直流磁通密度的关系，计算直流成分Bdc。假设磁芯所有磁阻都集中在气隙里，可以求得直流磁感应强度Bdc为：Bdc=u*H=Uo*Np*Idc/(δ*10-3)式中：Uo=4π*10-7（H/m）;Np为初级线圈的匝数；Idc为有效直流电流开始导通是的电流值（A）；δ为气隙长度长度（mm）;Bdc为直流作用的磁感应强度（T）。Bdc=4π*10-7*665*0.04/(0.28*10-3)（T）≈119.4（mT）交流和直流磁感应强度的和为磁感应强度最大值。Bmax=ΔBac+Bdc=236+119.4=355.4（mT）检查在100摄氏度时的磁芯材料特性的边界。应检查磁芯磁通在输入电压最低和最大脉宽条件下是否临近饱和值。由于输入值电压较高时，脉冲宽度会变窄，所以磁芯是远离饱和的。如果变压器按输入高电压的宽脉冲进行设计，使铁芯工作在低密度磁通的条件下，可将变压器初级匝数增多，变压器的效率下降。这时开关电源控制电路应在高灵敏度状态下工作。输入电压出现时，能快速限定脉宽或高压保护电路。一般脉宽调制是按反馈电压量来调制的，也有按电流来调制脉宽的。在脉宽比较器的输入端用电感输出的电流信号与误差放大器输出信号进行比较来调节占空比，使输出峰值电流跟随误差电压变化而变化。有些电源在结构上有电压环、电流环双环控制系统，因此，凡具有电压调整、电流调整的开关电源的负载调整率、电压调整率和瞬态响应特性都有很大提高。第六章、设计总电路图第七章总结与体会本次课程设计，我感觉压力好大。首先，平时学习时，自我感觉良好，根本就没有仔细取思考我们所学的那些电路原理以及是否有改进的可能性，只是满足于知道了书上的结论。所以当老师的课题布置下来后，我去图书馆借来了相关书籍，把书看过两篇之后，把我认为与此次设计相关的内容作了相应的记录。把设计的大体方向（即：使用单端反激式变换电路）确定下来。完成这一步的时候，我还以为不怎么有困难。但是，当我设计到变压器时，它的相关参数搞的我头都大的，在问过谢老师后很多问题都得到了解决，到我心里还是由谢地方不太明白。我觉得我的本次的设计根本就无法成为事实，仅仅能在理论上说的过去。其次，在元器件定额时，输出回路滤波电容的定额与扼流电感的定额。我查看了好几篇书籍，才勉强得出了结论。再次，就是一些细节上的问题，在设计时，我是我们这组最先动手的，却是最后一个完成的。我想设计出有机子特点的东西，又发现实力有限。最后，就是看图的能力，在《开关电源设计技术与应用实例》书上找到类似的图形后，我看了好久才勉强弄懂其中的细节。在这次的设计中我的收获还是蛮大的。首先，在选择和设计主电路的过程中，我学会了设计要先把大方向确定，明确自己的设计思路和设计目标。在设计中有问题不用怕，更不要着急，慢慢来，充分利用网络和书上的资源。遇到问题时，勤动脑，勤动手，再大的难题也会得到解决。其次，在设计变压器时，我知道了，设计中有不少的数据是要我们查阅相关资料的，所以设计与其说是在考验你的学习，好不如说是在考验你运用所学知识的能力以及提升所学的境界。最后，也是我感触最深的，学习过程中一定要具有认真细致，重视细节。在元器件定额时，我倍感吃力，因为在平时的学习中我觉得那绝不会是考试的内容而不重视它，结果费了好大的劲才勉强知道其原理。在这次设计的过程中，因为我们所学的《电力电子技术》中有关开关电源介绍的很少，所以我主要参考的都是在图书馆借的书。我的设计思路是先设计主电路，然后是控制电路。然后把这两部分再细化。最后确定到各个元器件。本着多看、多想、多问、勤查资料这“三多一勤”的原则，我相信我将来能够设计出更好的课题。最后，感谢谢老师对我们的指导。第八章参考文献及网页1、《电力电子技术》（第5版）王兆安刘进军主编机械工业出版社2、《开关电源设计》（第三版）（美）AbrahamI.PressmanKeithBillingsTaylorMorey著电子工业出版社3、《开关电源设计技术与应用实例》赵同贺主编人民邮电出版社4、/soft/70/2021/202109168640.html5、/view/b3ba5231b90d6c85ec3ac6ae.html

小学教师培养工作总结一年来，我校在上级部门的指导下，积极开展教师教育教学能力的提高培训工作，有效提高了教师的各种教育教学实际能力，为我校取得良好的办学成效起了重要的作用。回顾我们