小型开关电源设计报告.doc

1、目 录第一章、分析开关电源的结构及功能21 开关电源的功能22 开关电源的结构23 开关电源的工作原理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 开关电源的功能开关电源输入端直接将交流电整流变成直流电，

2、再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。开关电源有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电源可以在80V240都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多

3、。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。 它的输出可分多组抽头，一般输出有5V、12V、14V、18V、26V、52V、115V、190V等。电视机、显示器、打印机等都用的是开关电源。2开关电源的结构交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电，其典型的能量变换过程如图1-1所示：工频交流 整流 直流 高频 高频交流 变压 高频交流 高频 脉冲直流 滤波 直流 电路 逆变 器 整流 器图1-1 开关电源能量变换过程高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电源的核心部分，电路采用的是隔离型直流-直流变流电路。针对不同的功率与输入电压，我们可以选取不同的电路。整流电路普遍采用二级管构

4、成桥式电路，直流侧采用大电容滤波，电路结构简单、工作可靠、成本低，效率比较高。3 开关电源的工作原理 开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有

5、效的工作过程是通过“斩波”，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。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各

6、部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。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10

7、W），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

8、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242V264V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

9、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

10、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

11、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*220622（V），参考开关电源设计技

12、术与应用实例书中的表26，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I0.016A 纹波电流为I=0.0032A C=K*Pi=2*12.5=25F，最大反向电压为整流输出最大电压264V。所以应该选用额定电压大于264V的，选额定电压为400V、额定容量为25F的电解电容器。c 吸收回路器件定额与选择初级绕组Np的电压Vp=1.414*220311（V）加在功率管的电压峰值Vdsp497（V），Dmi=0.2，T=20s，则To=4s，则吸收回路的电阻R1=4*（Vdsp/Vp-1）2*（Lp*T）/(T

13、o 2)=1.43*0.039*20*10-6/(0.4*10-3) 27 k,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*10 3) 14.3*10-9F0.01F。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*665/34464(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

14、流电压为1.414*220311（V），Lp是变压器圆边绕组的电感为0.039H。Vdsp900（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%。IL1=Io1*20%=0.8*20%=0.16（A） IL2=Io2*20%=0.2*20%=0.04（A）IL3=IL4=0.1*20%=0.02（A）L=（Vs-Vf-Vo）*To/IL 其中Vs=(Vo+VL+ VvD)/D所以 L1=(5.8/0.51-0.6-5)*10.1/0.16=364.39(H)

15、 L2 = (15.8/0.51-0.6-15)*10.1/0.04=3883.55(H) L3=L4=2L2=7767.1(H)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

16、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If1If4。总的反馈电流为： If=Vref/R9 =2.5*106/(10*103)=250 (A)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/

17、Io=2/3 K2=Io2/Io=1/6 K3=Io3/Io=1/12 K4=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) 15k 同理可得 R6= 300 k R7=840 k R8=600 k2 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

18、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=7.7 k。C15是消噪电容，C15=0.01F。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+15V 0.1A;-15V 0.1A;+15V 0.2A;+5V 0.8A.Np是主绕组，Nf是反馈绕组，N1N4为二次绕组。1

19、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/=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0.5 To=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*1.414311 (V)选择工作时的磁通密度，对

20、一般形状、材料的铁氧体磁芯，当工作频率为50KHz时，Bac=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）/（Bac*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5 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

21、总电压值都为15.8 V N2 = 15.8/0.47 34（匝）N3 = N4 = N2Nf=5.4/0.4711(匝)6 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 0.51 N1= 5.8/0.48 12 (匝) N2=N3=N4= 15.8/0.48 33（匝）7 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

22、=0时，Br更小，磁芯的磁场强度有一个更大的可用工作范围B。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

23、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。8 计算气隙平均输入电流Ip为 Ip= Pi/Vp = 12.5/3110.04（A）相应的最大值Im为 Im=Ip*T/To =0.04*20/10.10.08 (A) Ip1=Im/2=0.08/2 0.04(A) Ip2=3Ip1=3*0.040.12(A)在To期间，电流变

24、化量I为 I=Ip2-Ip1=0.08（A）原边电感 Lp=Vp*To/I*10-6 =311*10.1/0.08*10-6 H39.26mH 气隙 =（4*3.1415*10-7 *Np2、*Ae）/Lp=12.56*10-7*665*665*20/39.26 0.28 (mm)9 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

25、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。10 计算磁饱和边界 交流磁通所产生的感应强度变化强度为： Bac=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/(*10-3)式中：Uo=4*10-7 （H/m）;

26、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）；为气隙长度长度（mm）;Bdc为直流作用的磁感应强度（T）。Bdc=4*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=Bac+ 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

27、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 总结与体会经过这两周的课程设计，我收获颇丰。这次做的课题是开关稳压电源，涉及到很多电力电子方面的知识。经过这次设计，让我电力电子的知识又重新系统的温习了一

28、遍，让我对电力电子技术知识有了更深的理解。我本次设计的课题是小型开关电源，刚开始拿着任务书，没有一点头绪，开关电源虽然平常也经常听到，可真的要自己设计的时候却找不到一点思绪了，课本上介绍开关电源的知识相对来说也比较少，我从图书馆借来了老师给我们介绍的参考资料，一边上网搜索一边查阅资料，慢慢的开始设计。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下” ，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。 这次电力电子课程设计

29、，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，我真的受益匪浅，一方面加深了对课本已学知识的理解，也很好的拓展了电力电子这门学科的课外知识，学会了自己动手制作一些简单器件。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，从而培养和提高学生独立工作能力，在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。 这次课程设计中，在网上查了很多资料，对这个课题有了一些初步的认识。电源一直都是一个比较麻烦的课题，所以在这次设计中必须更加努力、认真。在确定了思路，设计出电路原理图以后，就要经过步步计算以

30、确定各元件的参数，保证电路能够达到课题设计的要求。在这次设计中，另一个学习到的是使自己对protel99有进一步的学习，又学会了protel99中的一些使用方法，也使自己能够更加熟练的使用protel99。在电路设计方面还是有很多困难，尤其是在单元电路设计当中，计算参数必须要有扎实的电力电子技术的基础。在这里也让我自己对电力电子知识更好更认真的复习了一次，为自己参加工作奠定了良好的基础。 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路

31、中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些电路的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的。 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 还有本次设计过程中得到了老师和同学的支持和帮助，在此表示感谢。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.Pressman Keith Billings Taylor Morey 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、 忽略此处:/忽略5、 忽略此处:/19