基于单管正激式的高效率开关电源的设计.doc

南京信息职业技术学院毕业设计(论文)作者 学号 系部 专业 计算机控制技术（电力控制技术） 题目 基于单管正激式的高效率开关电源的设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 2015 年 4 月 20 日 毕业设计(论文)中文摘要(题目)：基于单管正激式的高效率开关电源的设计摘要：单管正激式开关电源设计的主要问题是如何保持变压器的复位电压值，如何保证磁通复位和变压器磁路不能进入饱和状态，同时也要注意耐压800V的开关管的性能如何，最后就是挑选便宜合适的控制芯片。这篇文章争对相应的问题做出的解决方案：零气系变压器的单管正激式开关电源的电路拓扑可以有效降低变压器一次侧励磁电感储能，降低变压器复位对复位电容器的要求。使得开关电源的最大占空比不大于0.5可以使得变压器的磁通复位不进入饱和状态。对于主回路结构可选择带有去磁绕组的电路结构，选择COOLMOS作为开关管，选择UC3844作为开关电源的控制芯片。 关键词：稳压电源 单管正激式 变压器设计 整流滤波电路毕业设计(论文)外文摘要Title： Based on the single pipe is shock type high efficiency switching power supply design Abstract： This article expounds the prospects of the development of switch power supply from multiple angles and influence on peoples lives can not be ignored. In turn from its history, classification of previous application, design and other aspects. Single tube converter is the most simple switch power supply circuit structure, the switching loss. And, as a result of the switch tube pressure increases, increase the conduction loss, single tube converter can work normally one of the most important problem is the transformer magnetic flux reset, changes in bridge type, push-pull converter in the magnetic flux is reset circuit itself can meet, and in the design of the single tube converter must consider how to reset the transformer magnetic flux, otherwise the transformer magnetic circuit saturation of serious problem may come up. Keywords: Regulated power supply Single pipe is shock rectifier filter circuit transformer design 目录1 引言42 开关电源的概述52.1 开关电源的定义52.2 开关电源的分类52.3 常规开关电源的损耗分析72.4 开关电源技术的发展动向82.5 开关电源的工作原理和特点93 本设计方案思路103.1 稳压源的技术指标与要求103.2 各电路内部细节103.3 基于方案思路的细节讲述114 系统设计134.1 主变换器设计134.2 变压器设计144.3 输出整流滤波电路154.4 PCB及工艺设计16结论17致谢17参考文献18附录A总原理图191 引言电子线路包含模拟电路，数字电路，信息电子电路等.多是需要直流电供电。同样电子线路对电源有着多种要求，因此我们必须应对不同的场合设计出不一样的电源。时代进步的同时，我们的产品也必须适应它的变化。电子线路发展至今约有100多年的历史。最初的电源既不需要稳压也不需要严格的滤波，最初的真空管时代，电子线路并不需要稳定的供电电源，仅需要整流，滤波。电子的线路要求多种电源供电，最初的真空管电子线路往往有电源变压器当时用不同的绕组得到不同电压，晶体管的发明，使得脉冲电路，数字电路运用于微型计算机，功效远优于真空管计算机，电子线路得体积变化缩后对电源的要求，由于体积的减小导致线性稳压电源的不适应，此时出现了开关型稳压电源，开关型的稳压电源，使计算机微型化不在只是想像。电源自身损耗的影响非常大，争对微型计算机和电视机工作以及待机状态、同时较于电子设备体积减小电源体积也要减小同时面临着散热功能的改善。所以提高电源效率刻不容缓。如何降低开关电源的损耗同时也是人们关注的问题之一。开关和线性，成本与输出功率有关，二者增长速率不同。线性的成本在某一输出功率点上，instead higher than开关电源.With the power electronic technology to change，使得开关电源的技术在不断地变化，这种cost反转点日益向低输出的电力端转向，此举为Switching power supply提供了广泛得发展空间。Switching power supply得高频化是它以后发展的trend，高频化使Switching power supply变得小型化，并使之进入更大的领域，Especially in the field of high new technology推动了高新技术发展的小型，轻便的改变。In addition 开关电源的development与应用在 安防监控，Save energy and resources和保护环境方面都具有非常重要的意义2 开关电源的概述2.1 开关电源的定义又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。它的功能是要将一个位准的电压,通过不同的形式得形状转变为用户端所需求的那种特定的电流或电压。开关电源中应用的电子电力的器件主要为IGBT，二极管，以及MOSFET。开关电源的三个条件：（1）switch：电力电子的器件工作在开关的状态并非在A linear state （2）高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频（3）dc：开关电源输出的是DC而不是交流主要特点：（1）Light weight, small volume：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的2030%。（2）Low consumption, high efficiency：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的Low consumption and high efficiency，一般为6070%，而线性电电源只有3040%。2.2 开关电源的分类(1)微型低功率开关电源开关电源逐步变得普遍，和小型便利。显而易见，它会代替变压器在生活中的位置更加便利人们的生活，Low power miniature switch power supply的应用在数显表、Smart meters以及手机充电器上应用普遍。如今country在大力宣传智能电网的建设，同时这样的话电能表的质量和要求也不尽相同，开关电源取代变压器的作用指日可待。(2)反转式串联开关电源反转式串联和串联式开关电源相比较而言，区别体现在反转式的the power supply输出的电压为负的，想较于串联式开关电源输出的正向电压不同；and由于Energy storage inductors L只在开关K关断时才会向负载输出电流，So under the condition of the same，反转式的输出的current比串联式的输出的current小了近一倍。2.2.1 DC/DC变换 Refers to a fixed dc voltage transform into a variable dc voltage亦叫直流斩波器。这样的技术被广泛的应用于类似无轨电车、电动车，地铁列车、的无级控制和变速，此外使上述控制获得快速响应，加速平稳的性能，并且能同时收到列如节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(2030)%。直流斩波器能起调压的作用， 此外可以有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。对于DC/DC变换，这是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。其具体的电路由以下几类： （1）Boost电路升压chopper，其Average output voltage Uo大于输入电压Ui，Polarity is the same。 （2）Buck-Boost电路Ascending or descending压斩波器，其Average output voltage Uo小于或大于输入电压Ui，极性相反，电感传输（3）Cuk电路升或降压chopper，其Average output voltage Uo 大于或小于输入电压UI,极性是相反的，电容传输。 （4） Buck电路降压chopper，其Average output voltage Uo小于输入电压Ui，极性相同。 先进和突越在半导体技术上显现为是DC/DC技术的变化。(1)MOSFET的The progress of technology给DC/DC模块带来了The big progress of technology，同步整流技术的巨大进步。(2)SchottkyThe progress of technology。(3)控制了并带动了IC的改变和改进。High-pressure direct starting 高压电平位移驱动取代变压器驱动ZVS，ZCS驱动器贡献给同步整流最佳效果The light coupling feedback直接接口PWM IC经历了多重变化从电压型到电流型再到电压型，同时也有硬开关一直到软开关然后到硬开关的否定之否定变化。前提来创造出优秀的DC/DC的至关重要的点在于First to master good control (4)技术的突破重在Micro controller及DSP进入DC/DC。(5)对于以后的DC/DC技术进步的要害在于Core technology breakthrough ，可想而知很大的困难。2.2.2 AC/DC变换 AC/DC开关电源是开关电源的其中一类。此类电源也称一次电源DC是直流。AC是交流，它从电网那获得能量，然后通过高压整流滤波从而得到一个直流高压，以此供DC/DC在输出端得到多个稳定的直流电压，功率从几瓦至几千瓦都有产品，根据特性应用于不一样的地方。要归这类产品的规格和型号众多，然后跟据用户的需要来制定通信电源中的一次电源电源设计线路归于电源效率有密切的关系，高效率电源可以用来提高电能的实际的使用效率，在某种程度上可以用来降低电源的发热量和自身功耗。2.3 常规开关电源的损耗分析要想设计出高效率的开关电源就一定要Clear the wastage of the switching power supply each link ，从而可以找到一切降低损耗的可靠机会，从而寻求出各种解决损耗的方法。The conventional ac voltage input switching power supply ，输入和整流滤波这二个部分是他主要的部分架构，包含了输出整流与滤波部分以及控制与保护电路部分，高频逆变部分。2.3.1 输入与整流滤波部分 对于交流电如果用为电源输入里的switch电源，至关重要的环节当属输入滤波与整流环节，要完成将Alternating current (ac)转换成直流电的功能，同时还要抑制开关电源所产生的电磁干扰进入交流电网，去干扰其他电子设备，抑制上电时浪涌电流，抑制瞬态过电压。 2.3.2 输入浪涌电流抑制电路的损耗Most of the switch power supply 为了抑制在上电时由于整流滤波电容器的电压跃变从而导致的The electric surge current.这种温度系数类型的热敏电阻通常需要消耗0.52W的功率2.3.3 电源滤波器的损耗对于电源滤波器既然是不可缺少的，则电源滤波器必然会产生相应的损耗，所产生的损耗主要由共模电感绕组的电阻产生的，如若有差模电感，损耗也会因差模电感绕组的电阻产生。2.4 开关电源技术的发展动向因为开关电源轻、薄，小的关键技术多为高频化的，可想而知国外多个电源的厂家都花了大把金钱和精力在开发新型高智能化的产品上，希望生产处相应的产品，着重在于如何减少损耗类似于二次整流器件，同时需要改进功率铁氧体材料，同时也要加入多种有力的创新元素，以此来提高获得高的效率也就是磁性能在较大磁通密度（Bs）和高频率下，同时也致力于获得小型化便利的电容器，这也是一项重大的拓展项目和创新技术。在应用SMT技术上，获得进步良多的开关电源，想要获得更加轻便的开关电源在电路板两面布置元器件。想要使得开关电源变得高频化，创新改进传统的PWM开关技术是明智和必须的，实现ZVS、ZCS的软开关技术如今成了开关电源的重点技术，同时改进并提高了开关电源的The work efficiency。而较高可靠性的指标，美国的开关电源生产商则通过Reduce running current，应用类似于降低结温的方法从而来减少器件的应力，使得很大的提高了产品的的可靠性。 2.5 开关电源的工作原理和特点Switch power means 应用通过电路控制开关管从而来进行High-speed cut-off and conduction将A direct current into high frequency alternating current (ac从而来进行变压器的变压。然后产生器件所要的多种类型的电压。由于high frequency alternating current在变压器变压电路中的效率要比50HZ高因此必定要转化为high frequency alternating current因此开关变压器可以做的相当小，此外工作时还不会很热。成本也低。while若不将50HZ变为高频那开关电源就失去了改变的作用了。同样开关变压器也就不会mysterious。so it is a common transformer。也就是开关电源。Switch power大体可以分为二种非别是Segregation and isolation ,前者肯定有开关变压器，后者可有但不必须。In all，The working principle of the switch power： (1)交流电源输入的时候通过整流滤波变成直流； (2)相较于高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，必定要把直流加到开关变压器的初级上； (3)开关变压器次级感应出High-frequency voltage，通过整流滤波以此来供给负载； (4)输出的部分通过一定的circuit反馈给Control circuit，控制PWM占空比，从而获得稳定输出。 3 本设计方案思路这里以输出12V/5A安装式开关电源设计为例。在没有PFC要求的场合下，为了降低成本，一般不采用PFC，相对而言，开关电源的设计主要是输入回路设计，主变换器设计，输出整流滤波电路设计，输出反馈设计，PCB及工艺设计等。外壳选择永明电源的安装式开关电源的外壳，外壳尺寸为107mm x60mm x35mm,底座为U形的铝外壳，电路板尺寸为107,55，扣除接线端子部分，电路板可以利用的尺寸为88.55元件的有效高度应小于25mm电路参数：输入220（120）V，输出12V，5V，恒压限流功能，限流值6A，纹波电压不高于50mV3.1 稳压源的技术指标与要求设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的直流稳压电源。基本要求如下：(1)输出12V, 5A(2)恒压限流功能，限流值6A(3)纹波电压不高于50mV3.2 各电路内部细节单管正激式开关电源设计的主要问题是如何保持变压器的复位电压值，如何保证磁通复位和变压器磁路不能进入饱和状态，同时也要注意耐压800V的开关管的性能如何，最后就是挑选便宜合适的控制芯片。这篇文章争对相应的问题做出的解决方案：零气系变压器的单管正激式开关电源的电路拓扑可以有效降低变压器一次侧励磁电感储能，降低变压器复位对复位电容器的要求。使得开关电源的最大占空比不大于0.5可以使得变压器的磁通复位不进入饱和状态。对于主回路结构可选择带有去磁绕组的电路结构，选择COOLMOS作为开关管，选择UC3844作为开关电源的控制芯片。3.3 基于方案思路的细节讲述光耦隔离输出整流滤波变压器输入整流滤波（单相电容输入式滤波整流）AC反馈控制电路DC图1 原理框图 图2 正激式电路 图3 滤波整流电路交流电压低通滤波器C1，C2，C3，C4 L1。C1和C2的抗干扰电路，抑制正常噪声目标；共模噪声干扰的抑制可以C3，C4，L1抗共模干扰电路。交流电压通过整流桥和电容C5滤波成310V直流电压脉动。4 系统设计4.1 主变换器设计4.1.1 控制电路选择：为防止变压器不能完全复位的现象出现，控制电路应选择占空比低于百分之五十的UC3844或UC3845，开关频率可以设置为5070khz,主要视变压器参数是否最佳。4.1.2 最大占空比的确定：最大占空比选择0.45，对应的最高复位电压可以达到直流母线电压值。4.1.3 开关管的选择：开关管选择耐压800V的CoolMOS,假设效率为百分之88，对应的最低输入电压时的开关管峰值电流约为0.75A，可以选用SPA02N80C3，100壳温时的额定电流1.2A,导通电阻2.7A.。如果觉得这个参数比较低，可以选用SPA04N80C3，100壳温时的额定电流2.5A，导通电阻1.3欧姆。4.1.4 复位与缓冲电路设计：缓冲电路选择无缘无损耗缓冲电路。在最高输入电压时，直流母线最高电压约为370V,对应的占空比约为0.24.若开关频率为67kHz,对应的导通时间为3.6s，即缓冲电路的半个谐振周期。4.1.4.1 缓冲电容器的选择。设定开关管电流为0.75A，开关管电压上升到700V的时间为150ns,忽略开关管的输出电容，需要缓冲电器的电容量为525Pf,选电容量为560pF。考虑缓冲过程的电压上升率达到2711V/s，面对如此高的电压变化率，电容器耐压的选择将不再是额定电压，而是电压变化率应满足要求。可以选择EPCOS的xxx型号的1000Pf/1250V聚丙烯电容器，可以承受7000V/s的电压变化率，外形尺寸为6.511.519mm.4.1.4.2 谐振电感的选择。选择缓冲电路的半个谐振周期为3s,对应的谐振电感量为225H.对应的复位电流峰值为78mA,有效值电流为27Ma.复位电感的储能系数为1.3J.4.1.4.3 缓冲电路二极管的选择。为了降低开关管的关断损耗，可以选择无源无损耗缓冲电路。除此之外还要考虑复位电压限制的问题。如果允许的话可以选择去磁绕组的方式箍位复位电压。4.2 变压器设计磁感应强度选0.08到0.1T，由于外壳的限制，首先考虑变压器各绕组是否能够绕下。 磁感应强度一次侧电流有效值根据公式计算得0.5A选择导线电流密度为3A/m,导线截面积为0.17m,对应导线线径为0.47mm.在EER28框架下每层可以绕4243。如果一次侧绕两层，对应的匝数应该为8086匝。对应的最低直流母线电压，最大占空比的导通时间为3.36对应的0.45占空比时的开关周期为7.47s,开关频率为134kHz,显然这个开关频率远高于预想的50kHz,如果这次侧绕四层，共计172匝，则开关频率为67kHz,对应的最大导通时间为6.7s.二次绕组匝数计算得26匝。二次绕组电流有效值为3.35A选择导线电流密度3A/m导线截面积为1.12m,选用线径0,51mm漆包线双股并绕。辅助绕组13匝，线径0.17mm.变压器绕组顺序：1/2一次绕组86匝，去磁绕组172匝，二次绕组26匝，辅助绕组26匝，一次侧另一半绕组86匝。由于磁芯的磁感应强度变化值选得比较低，因此磁芯的铁耗将比较低。变压器绕组的电流密度适中，因此，变压器的温升将在允许范围之内。4.3 输出整流滤波电路4.3.1 输出整流器的选择考虑变压器复位电压等于直流母线电压。输出整流器峰值电压为51.6V续流二极管峰值电压为51.6V考虑2倍的电压裕量，可以选择耐压100V的肖特基二极管或超快回复二极管，额定电流可以选择810A4.3.2 输出滤波电感的设计通常选择在最小负载条件下电流临界。如最小负载电流为额定电流的百分之20 ，即1A，对应的电感量为180F最大电流67A。电感磁芯可以选用外径30mm,厚10mm的金属粉磁环。4.3.3 输出滤波电容器的选择与输出电压尖峰的抑制。影响输出的最主要因数是滤波电容器的ESR，应选择ESR,ESL低的电容器。输出噪声除了纹波电压外，还有输出电压尖峰，这通常是在开关管的开关过程中输出整流器的反向恢复与回路的寄生参数所产生的寄生震荡产生，如若用电解电容器的抑制效果不能达到，需在输出端并联ESR更低的其他类型电容器。4.4 PCB及工艺设计4.4.1 外壳的选取最好选用散热较好的金属外壳，铝。107. 60. 35mm底座是u型的铝外壳。电路板尺寸107.55mm4.4.2 结构设计热设计与主要元件的排布电路板左侧为输入端，右侧为输出端。元件从左到右依次为电源滤波器，整流滤波，控制与功率转换，输出整流滤波与输出电压检测。产生功耗大的用外壳散热。因此开关管和输出整流器的位置应靠近外壳二侧。结论经过这段时间的选题，发现实习了近半年后，专业知识不熟悉了。这次的选题加入了以前课程没有学过的内容。弄毕业设计的同时也要实习，时间很紧凑，但是当它完成的时候，心情异常的激动，内心很满足。通过整篇对单管正激式开关电源的分析与设计，可以看到单管正激式开关电源在实际设计中存在变压器工作在单象限磁化曲线的问题，使磁芯利用率偏低，开关管的耐压比较高可能会造成价格比600v的高，一般需要去磁绕组。由于单管正激式开关电源的这些不足，人们会利用更好的电路结构来解决这些问题。主要方法有有缘箍位，双管箍位等。参考文献1唐竞新.数字电子电路M.第1版.北京：清华大学出版社，20032康华光.电子技术基础M.数字部分.第4版.北京：高等教育出版社,19983电子工程手册编委会等.中外集成电路简明速查手册M-TTL,CMOS.北京电子工业出版社,19914杨长春.论数字技术J.电子报合订本.成都：四川科学技术出版社，2002.12附录A总原理图19