基于小型开关电源的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于小型开关电源的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

出电压，即滤波电容两端的电压基本维持恒定，从而实现稳压的目的。 （ 2）特点：电路结构简单，成本低，低耗，输出功率为 20－ 100Ｗ，可以同时输出不同的电压，有较好的电压调整率，但是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 单端正激式开关电源变换器电路： 单端正激式变换器电路如图 22 所示： 图 22 单端正激式开关电源变换器电路 （ 1）工作原理： 当开关管 VT1 导通时，原边绕组接向电源 Ui，以同名的工作关系， VD2 也导通，这时复变绕组 能量传递到输出端，同时滤波电感Ｌ储存能量；当开关管 VT1 截止时，电感Ｌ通过续流二极管 VD3 继续向负载释放能量，继续对负载 RL 供电。 注：由于正激变换器的隔离元件 T1 纯粹是个变压器，因此输出端要加一个电感器 L作为能量的储藏及传递元件。 变压器的另一个绕组与 VD1 串联后接到 Ui，主要起去磁复位的作用。 （ 2）特点：输出功率范围大，可输出 50－ 200 Ｗ的功率，但变压器结构复杂，体积较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。 自激式开关电源变换器电路 自激式开关稳压电源变换器如图 24 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 图 24 自激式开关电源变换器电路 （ 1）工作原理： 当接入电源后在 R1 给开关管 VT1 提供启动电流，使 VT1 开始导通，其集电极电流Ic 在 L1 中线性增长，在 L2 中感应出使 VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1 很快饱和。 与此同时，感应电压给 C1 充电，随着 C1 充电电压的增高， VT1 基极电位逐渐变低，致使 VT1 退出饱和区， Ic 开始减小，在 L2 中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1 导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。 在 VT1 截止时， L2 中没有感 应电压，直流供电输人电压又经 R1 给C1 反向充电，逐渐提高 VT1 基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。 这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。 （ 2）特点：自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。 电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。 推挽式开关变换器 推挽式开关电源变换器电路如图 25 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 图 25 推挽式开关电源变换器 （ 1）工作原理： 两个开关管在外激 励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。 （ 2）特点： 两个开关管容易驱动，但是开关管的耐压达到两倍电压峰值，对器件的耐压要求较高。 半桥式开关电源变换器 半桥式开关电源变换器原理图如图六所示： 图 26 半桥式开关电源变换器 工作原理： 稳态条件下， C1=C2， Tr1 导通， C1 上的 1/2Vs 加在原边线圈上， Tr1 流过负载电流Io 折算至原边电流加上磁化电流，经过占空比所定的时间后， Tr1 关断。 此时，由于原河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 边绕组和漏电感的作用，电流续流 流入原边绕组黑点标示端。 但 B 点摆动到负电位（ A为 0 电位）。 如果原边绕组漏电感储存能量足够大，二极管 D4 将导通，钳位电压进一步变负。 D4 导通的过程，把反激能量再生，对 C2 进行充电。 如果 Tr2 加有导通脉冲， Tr2导通，原边绕组黑点处变为负。 Io 折算电流加上磁化电流，经原边绕组和 Tr2，然后重复以前的过程。 当 Tr1 导通时 ， 副边绕组电压使 D1 导通 ， 电流通过二极管 D电感 L、负载 R 构成回路，当 Tr1 关断 ， 两个绕组电压变为零。 Tr2 导通时， D2 导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过 D 和 C3 构成的滤波环节产生稳定的输出电压 Vo。 特点：晶闸管导通时，绕组电压为电源电压一半，关闭后开关管承受一半的电压，但会出现偏磁现象，控制较为复杂。 同时， 因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式电路相比，欲输出相同的功率，则开关晶体管必须流过 2 倍的电流。 方案的设计选择 电源设计指标 本设计电源设计参数如下： 输入电压： AC220V； 输入电压变化的范围： 120v~240v； 输入频率： 50HZ； 输出电压： 24v； 输出电流： 5A； 输出效率按 80%计算； 电源设 计方案选择 综合以上开关电源变换器的拓扑结构和特点可知： 单端正激开关电源由于变压器结构复杂，绕制方法困难，并且变压器体积较大， 每组输出都需要额外加一个大的电感组成 LC 滤波来消除纹波 ，在开关电源设计中很少运用，河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 所以本次设计不采用该拓扑结构。 自激式开光电源结构复杂，但是设计过程中涉及自激振荡电路，脉冲宽度调制的控制系统，取样系统等，电路参数难易确定。 推挽式开关电源 两个开关器件需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压的两倍。 因此，推挽式开关电源在 220V 交流供电设备中很少使用。 而半桥式变换器虽然初级绕组只用一个， 结构简单，但是两个开关管可能会出现同时导通的状态，并且电源利用率比较低，这里也不选用此变换器。 又根据电源设计指标可得： 输出功率： P=U*I=24V*5A=120W；（ 0~150w）属于小型开关电源类型，这里选择单端反激式拓扑结构，主电路结构简单，易控制，采用 UC3842 做主回路的主控芯片产生PWM 控制开关管。 由于开关电源的体积的大小很大一部分取决于开关频率，开关频率越大，所用的电容和变压器体积越小， UC3842 的开关频率选择 100k。 由于此次设计电路元件不完全是按照计算出的数据，电路保护模块添加单片机 AD 模块，检测保护电路电压，反馈主控芯片或直接将掉电、报警等保护方式。 第三章 开关电源系统设计 开关电源主电路设计 输入滤波电路的设计 随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现，电磁干扰成为一种公害，这种干扰可能导致电子设备无法正常工作，特别是瞬间电磁干扰，其电压幅度高、上升速率快、持续时间短、随机性强容易对数字电路产生严重干扰，这引起国内外电子界的高度重视。 （ 1）电磁干扰滤波器的设计，如图 31 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 图 31 电磁干扰滤波器 以上电路是简易 EMI 滤波电路，电路中包含共模扼流圈（或 共模电感） L，滤波电容器 C1~C4， L 对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后，电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，食指不易通过。 他的两个线圈分别绕在低损耗、高磁导率的氧化体磁环上。 当有共模电流通过时，两个线圈产生的磁感就会相互增强。 其中， L 的电感量与 EMI 滤波器的额定电流有关，参考下表 31： 额定电流 I（ A） 1 3 6 10 12 15 电感量范围L(mH) 8~23 2~4 ~ ~ ~ ~ 图 31 电感量范围与额定电流关系 C1~C2 采用薄膜电容器，容量的大致范围是 ~，主要用来滤除串模干扰。 C3~C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效的抑制共模干扰，范围2200PF~，耐压值 600v 以上。 输入整流滤波电路的设计 此次设计采用成品整流桥 KBPC610，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装成半导体器件，它具有体积小使用方便，各整流管的参数一致性好等优点，可广泛用于开关电源整流电路。 整流桥共有四个输出端，交流输出端和直流输出端各两个。 其最大 耐压可达 1000v，允许通过电流 10A。 如图 32 所示： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 图 32 KBPC610 整流桥 工作状态时，交流电经过共模电感的滤波后，输入整流桥的 1 端和 3 端， 2 端和 4 端输出直流，经过滤波电容后，变为直流电。 高频变压器的设计 （ 1）单端反激式开关电源变换器如下图所示： 单端反激式变压器又称电感储能式变压器，当高压开关管 VT1 被脉宽调制（ Pulse Width Modulation， PWM）脉冲信号激励而导通时，直流输入电压施加到高频变压器 T 的原边绕组上，在变压器次级绕组上感应出的电压使整流 管 VD1 反向偏置而阻断，此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中；当开关管 VT1 截止时，原边绕组两端电压极性反向，副边绕组上的电压极性颠倒，使 D1 导通，储存在变压器中的能量释放给负载。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 （ 1）变压器磁芯的选择： 开关电源输出功率： 24 * 5 120Pn v A W„„（ 31） 磁芯材料选用锰 锌铁氧体，其饱和磁感应强度为： 5000Gs，相对磁导率： 5000~300ru ，取最大磁通密度： TBm 。 当磁芯中磁感应强度小于 TBm  时，磁芯的相对磁导率可取： 2020ru ，磁芯磁导率为：  7 4 22 0 0 0 4 1 0 8 1 0 /rou u u N A     „„（ 32） 其中开关管最大占空比： m a x 1 0 0 %min VorD V d c V o r V d s（ 33） 其中， Vor 是副边折射到原边的反射电压大小为 135v； Vdcmin 为最小输入直流电压，大小为 120v； Vds 是开关管漏源极电压，大小为 10v； 将以上数据代入后，得到输入占空比为 50%； 开关电源效率  =80%；则所需要变压器面积乘积： *(1+ )*Po (1+)*120A P p = * 1 0 ^ 4 = 1 . 3*Kw*D*J*Bm*Krp*f ***400** *100k （ 34） 这里取窗口面积利用系数 Kw=； 电流密度 J=400A/cm^2； 磁感应强度 Bm=； 脉动电流和峰值电流比例系数为 Krp=； 由于骨架需要，这里选择 EI40 磁芯， EI40 参数： A=40mm ， B= ， C=， D=， E=， F=； 其磁芯截面积为： Ac=*=^2； 窗口面积为： Am=*=^2； 磁路长度为： L=*10^2m 磁芯面积乘积： App=Ac*Am=*=^2； 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 综合以上计算， EI40 型铁芯满足设计要求。 （ 2）原边绕组匝数 Np 的计算 根据公式 4U 1 * D m a x * 1 0Np=**Bm Krp f， （ 35） 代入计算可得 Np= 匝，实际取值为 50 匝； （ 3）输出绕组匝数的计算 有公式    102* * 1 m a xm i n * m a xN U U f DN U i n D （ 36） 其中， Uf 是整流管的电压，大小取 ； 代入公式可得： N2= 匝 ，这里取 10 匝。 （ 4）反馈绕组匝数的计算 根据公式（ 36）可得，反馈绕组匝数 N2’= 匝，这里取 N2’=9 匝。 （ 5）磁芯气隙宽度的计算： 在单端反激式开关电源中，高频 变压器磁芯的气隙对电源性能影响较大。 为防止变压器磁芯发生磁饱和现象，要在磁芯中留有气隙。 原边电感计算公式为： 22min * max2 * *EDLp Pin F ， （ 37） 其中 Emin 这里取 300v， Pin=150w， Dmax=；代入公式可得， Lp=750uH； 其中，原边电流最大值为： min*E TonIpLp （ 38） 将 Lp，代入公式可得， Ip=2A； 根据公式： 2 * * * 10Np AeLp  （ 39） 其中， Ae 是有效磁芯面积，大小为 ^2， 将 Lp 代入得，δ =。 （ 6）绕组线径的计算： A．初级电流有效值 Irms： 2* m a x * 13KrpI r m s I p D K r p   （ 310） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 将数据代入公式等于： Irms=；。