智能型開關(guān)電源.doc

遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（）題目：智能型開關(guān)電源院（系）：信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)： 電氣051 學(xué) 號(hào)： 050303015 學(xué)生姓名： 徐 起 邦 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時(shí)間： 課程設(shè)計(jì)（）任務(wù)及評(píng)語院（系）：信息科學(xué)與工程學(xué)院 教研室：電子信息工程學(xué) 號(hào)050303015學(xué)生姓名徐 起 邦專業(yè)班級(jí)電氣051課程設(shè)計(jì)（）題目智能型開關(guān)電源課程設(shè)計(jì)（）任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)：1 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)智能型開關(guān)電源。2 輸出直流電壓。3 最大輸出電流。4 具有斷電保護(hù)功能。5 具有故障顯示功能設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。指導(dǎo)教師評(píng)語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 智能型開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案論證11.1智能型開關(guān)電源的應(yīng)用意義11.2智能型開關(guān)電源設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)11.3 設(shè)計(jì)方案論證21.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析2第2章 智能型開關(guān)電源各單元電路設(shè)計(jì)32.1交流EMI濾波及整流濾波電路32.2功率變壓器的設(shè)計(jì)42.3輔助電源的設(shè)計(jì)52.4、驅(qū)動(dòng)電路5第3章 智能型開關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)73.1 整體電路圖及工作原理73.2 電路參數(shù)計(jì)算83.3 整體電路性能分析9第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn) 10第1章 智能型開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案論證1.1智能型開關(guān)電源的應(yīng)用意義當(dāng)今，開關(guān)電源是各種電子設(shè)備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠地工作，經(jīng)過多年的發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)取得了很大成功，其應(yīng)用也十分普遍和廣泛。但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的元器件較多，以及要降低成本、提高可靠性，仍存在一些問題需要解決。例如:電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要較高的技術(shù)支持;電路的調(diào)試要有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，也有一定的難度。新器件以盡可能滿足環(huán)保性能評(píng)估的要求。1.2智能型開關(guān)電源設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。設(shè)計(jì)參數(shù)：1. 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)智能型開關(guān)電源。2. 輸出直流電壓。3. 最大輸出電流。4. 具有斷電保護(hù)功能。5. 具有故障顯示功能1.3設(shè)計(jì)方案論證在科研、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場合，經(jīng)常用到電壓在515V，電流在540A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5A、10A。為此專門開發(fā)了電壓4V16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關(guān)電源。它采用了半橋電路，所選用開關(guān)器件為功率MOS管，開關(guān)工作頻率為50kHz，具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)。1.4總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析該電源的原理框圖如圖1所示。 220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖1第2章 智能型開關(guān)電源各單元電路設(shè)計(jì)2.1、交流EMI濾波及整流濾波電路交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示。圖2交流EMI濾波及輸入整流濾波電電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑，在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。交流輸入220V時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。2.2、功率變壓器的設(shè)計(jì)1）工作頻率的設(shè)定工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz。T=1/fs=1/50kHz=20s2）磁芯選用選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu) 選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度BmR2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=0.15T。計(jì)算并確定磁芯型號(hào)磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為SQ=（1）式中：效率；j電流密度，一般取300500A/cm2；Kc磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體Kc=1；Ku銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.10.5左右。各參數(shù)的單位是：PoW，Scm2，Qcm2，BmT，fsHz，jA/cm2。取Po=640W，Ku=0.3,j=300A/cm2,=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ=4.558cm4由廠家手冊(cè)知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計(jì)算值，選定該磁芯。2.3、輔助電源的設(shè)計(jì) 輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動(dòng)電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。 圖3輔助電源原理圖2.4、驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào)，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通，在此期間Q7 截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則Q7導(dǎo)通，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰， R68、D15、R67可以加速驅(qū)動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路。圖4驅(qū)動(dòng)電路原理圖4 風(fēng)扇風(fēng)速見圖5。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢的特性，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件。方法是將D9、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當(dāng)散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時(shí)，運(yùn)放N2A正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管Q3開始導(dǎo)通，風(fēng)機(jī)上電壓升高，轉(zhuǎn)速升高，最終到達(dá)最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較輕，使散熱器溫度低于50時(shí)，N2A輸出高電平，Q3不導(dǎo)通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風(fēng)機(jī)供電，風(fēng)機(jī)處于低速、低噪聲運(yùn)行狀態(tài)。此電路可以提高風(fēng)機(jī)工作壽命，增加電路可靠性，亦可在小負(fù)載情況下，減少風(fēng)機(jī)帶來的噪聲。 圖5風(fēng)扇風(fēng)速控制電路第3章.智能型開關(guān)電源整體電路設(shè)計(jì)3.1整體電路圖及工作原理控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6。輸出電壓經(jīng)R40、RV2、RV1、R41進(jìn)行分壓采樣，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除L1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響。圖63.2電路參數(shù)計(jì)算計(jì)算原副邊繞組匝數(shù) 按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2176=211.2V。2. 對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，設(shè)最大占定比Dmax=0.9，則tonmax=TDmax=200.9=9.0sUpmintonmax104=105.69.0106104代入公式N1=8.9匝 次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級(jí)電路采用全波整流，Us為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取0.3V，則Us=19.22VN2=N1=8.9=1.8匝為了便于變壓器繞制，次級(jí)繞組取為2匝，則初級(jí)繞組校正為：N1=N2=10匝選定導(dǎo)線線徑 在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度由式（2）決定=（2）式中：為角頻率，=2fs；為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率r=1，則=0r=4107H/m；為銅的電導(dǎo)率，=58106m；穿透深度的單位為m。 變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為=0.2956mm，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線。另外考慮到銅線電流密度一般取36A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。3.3 整體電路性能分析為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過流保護(hù)。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測初級(jí)變壓器電流，檢測出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng)D2D4，C9整流濾波后，經(jīng)過電位器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當(dāng)初級(jí)電流超過正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導(dǎo)通，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），TL494關(guān)斷。輸出直流總線上過流保護(hù)，采用R45R56電阻做為采樣電阻，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低，當(dāng)輸出電流大于40A的105時(shí)，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài)。第4章 設(shè)計(jì)總結(jié)通過這次課程設(shè)計(jì)，使我深深的感受到了，理論聯(lián)系實(shí)際的必要性及其重要性，在我們以往的學(xué)習(xí)過程中，我們刻意地去加強(qiáng)理論的基礎(chǔ)，對(duì)于一個(gè)程序我們只求它在運(yùn)行時(shí)沒有出錯(cuò)，我們便以為我們的計(jì)劃成功了豈不知它能否在硬件結(jié)構(gòu)中得以實(shí)現(xiàn)則是另外一回事，這就要求我們的動(dòng)手能力了，如果無法使軟件與硬件實(shí)現(xiàn)有機(jī)的結(jié)合，那么再好的程序也只是一堆廢字符。這次課程設(shè)計(jì)既考察了我們對(duì)理論知識(shí)的掌握情況，還反映出我們實(shí)際動(dòng)手能力，更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維，為今后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)創(chuàng)下良好條件，為以后的就業(yè)也打下一個(gè)根基，真可謂一舉多得。剛開始，我理不清頭緒，無從下手，但通過認(rèn)真研究設(shè)計(jì)課題，跑圖書館查