3938.輸出9V、3W單片開關(guān)電源模塊的高頻變壓器的設(shè)計(jì)電力電子課程設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書課程設(shè)計(jì)名稱： 電力電子 題目：輸出9v、3w單片開關(guān)電源模塊的高頻變壓器的設(shè)計(jì)二級學(xué)院(直屬學(xué)部)： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級： 0 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師姓名： 職稱： 2011年1月18日目錄一、 單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)概述-2-二、 高頻變壓器的設(shè)計(jì)-3-1、 開關(guān)電源的基本參數(shù)的確定 -3-2、 初級電流波形參數(shù)的確定 -3-3、 變壓器初級繞組參數(shù)設(shè)計(jì) -5-4、 變壓器次級繞組參數(shù)設(shè)計(jì) -7-5、 電壓極限參數(shù)的設(shè)計(jì) -8-三、 數(shù)據(jù)表、電路圖-10-四、 總結(jié)-13-五、 參考文獻(xiàn)-13-一、 單片開關(guān)電源設(shè)計(jì)概述單片開

2、關(guān)電源不僅在整機(jī)電路設(shè)計(jì)、高頻變壓器設(shè)計(jì)、反饋電路、保護(hù)電路和關(guān)鍵元器件的選擇方面有許多獨(dú)到之處，而且特別適合用計(jì)算機(jī)來完成整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作，這已成為國際電源領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。單片開關(guān)電源有兩種基本工作模式,如圖1.1所示：一種是連續(xù)模式cum（continuousmode）如圖（a），另一種是不連續(xù)模式，如圖（b） 。圖1.1 兩種模式的開關(guān)電流波形由圖可見，在連續(xù)模式下，初級電流是從一定幅度開始的，然后上升到峰值，再迅速回零。其開關(guān)電流波形呈梯形。這表明在連續(xù)模式下，由于儲存在高頻變壓器的能量在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未全部釋放掉，因此下一個(gè)開關(guān)周期具有一個(gè)初始能量。采用連續(xù)模式可減小初級峰

3、值電流ip和有效值電流irms，降低芯片的初級開關(guān)功耗。但連續(xù)模式要求增大初級電感量lp，這會導(dǎo)致高頻變壓器的體積增大。綜上所述，連續(xù)模式適用于功率較小的topswitch和尺寸較大的高頻變壓器。不連續(xù)模式的開關(guān)電流是從零開始上升到峰值，再降至零的。這就意味著儲存在高頻變壓器中的能量必須在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)完全釋放掉，其開關(guān)電流波形呈三角形。不連續(xù)模式下的ip、irms值較大，但所需要的lp較小。因此，它適合于采用輸出功率較大的topswitch，配尺寸較小的高頻變壓器。單片開關(guān)電源反饋電路的四種基本類型 ：（1）基本反饋電路； （2）改進(jìn)型基本反饋電路； （3）配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路； （4）配

4、tl431的光耦反饋電路。 二、高頻變壓器的設(shè)計(jì)1、 開關(guān)電源的基本參數(shù)確定（1）根據(jù)表2.1，交流輸入電壓最小值：umin=85v。 （2）根據(jù)表2.1，交流輸入電壓最大值：umax=265v。 表2.1根據(jù)交流輸入電壓范圍確定umin、umax值交流輸入電壓u（v） umin(v) umax(v) 固定輸入：100/115 85 132 通用輸入：85265 85 265 固定輸入：23015 195 265 （3）電網(wǎng)頻率fl：50hz （4）開關(guān)頻率f：100khz。 （5）輸出電壓uo（v）：9v。 （6）輸出功率po（w）：3w。 （7）電源效率： 80 （8）損耗因數(shù)z： 0.5

5、。 2、初級電流波形參數(shù)的確定（1）根據(jù)表2.2，選擇配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路,反饋電壓ufb=12v。表2.2 反饋電路的類型及ufb參數(shù)值反饋電路類型 ufb（v） uo的準(zhǔn)確度（） sv（） si（） 基本反饋電路 5.7 10 1.5 5 改進(jìn)型基本反饋電路 27.7 5 1.5 2.5 配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路 12 5 0.5 1 配tl431的光耦反饋電路 12 1 0.2 0.2 （2）根據(jù)u=12v、po=8w來確定輸入濾波電容cin、 直流輸入電壓最小值uimin a、令整流橋的響應(yīng)時(shí)間tc=3ms。 b、根據(jù)表2.3中，cin=(23）po=(23）8=1624。 （取20）

6、c、根據(jù)表2.3中,得到uimin=90。 表2.3 確定cin、uimin的值交流輸入電壓u（v） po（w） 比例系數(shù)（f/w） cin(f) uimin(v) 固定輸入：100/115 已知 23 (23）po 90 通用輸入：85265 已知 23 (23）po 90 固定輸入：23015 已知 1 1po 240 （3） 根據(jù)表2.4中查出uor=135v、ub=200v。 表2.4 確定uor、ub值u（v） uor(v) ub(v) 固定輸入：100/115 60 90 通用輸入：85265 135 200 固定輸入：23015 135 200 （4）根據(jù)uimin=90v、ud

7、s（on）=10v和uor=135v來確定最大占空比dmax （5） 根據(jù)表2.5，取krp=0.4 表2.5 確定krpu（v） krp 最小值（連續(xù)模式） 最大值（不連續(xù)模式） 固定輸入：100/115 0.4 1.0 通用輸入：85265 0.4 1.0 固定輸入：23015 0.6 1.0 （6）初級波形參數(shù)a、輸入電流的平均值: iavg=p0/(uimin)=3/(0.890)=0.04ab、初級峰電: c、初級脈動電流：ir=krpip= 0.40.04=0.016ad、初級有效值電流 =0.07a （7）根據(jù)電子數(shù)據(jù)表格和所需ip=0.08a值，選擇topswitch芯片 a、

8、所選極限電流最小值ilimit(min)應(yīng)滿足 0.9ilimit(min)ip=0.04a （8）計(jì)算芯片的結(jié)溫tj a、計(jì)算結(jié)溫+25b、計(jì)算過程中若發(fā)現(xiàn)tj100，應(yīng)選功率較大的topswitch芯片。（9）驗(yàn)算ip：輸入新的krp值且從最小值開始迭代，直到 krp=1.0。 3、變壓器初級繞組參數(shù)設(shè)計(jì)（1）計(jì)算初級電感量 =16479.49（h）。 （2）選擇磁芯與骨架并確定相關(guān)參數(shù) 當(dāng) 時(shí)可供選擇的鐵氧體磁心型號，用常規(guī)漆包線繞制型號：ee20型磁心有效截面積（sj）：98有效磁路長度（l）：47.1mm等效電感（al）：骨架寬度（b）:8.43mm （3）設(shè)定初級層數(shù)d和次級匝數(shù)n

9、s的初始值 設(shè)定d=2層。當(dāng)u=85v265v時(shí)取ns=0.6匝，u0=9v，uf1=0.4v次級匝數(shù)為ns=(uouf1)0.6=(9+0.4)0.6=5.64匝 （取6匝）（4）計(jì)算初級匝數(shù) （取87匝）（5）計(jì)算反饋繞組匝數(shù) （取8匝)（6）根據(jù)初級層數(shù)d=2、骨架寬度b=8.43和安全邊距m=3有效骨架寬度：be=d(b2m)mm=2(8.42-23)=4.86mm初級導(dǎo)線的外徑（帶絕緣層）：mm扣除漆皮后裸導(dǎo)線的內(nèi)徑：dpm=0.046mm。 （7）驗(yàn)證初級導(dǎo)線的電流密度j是否滿足初級有效值電流irms=0.07a條件 因?yàn)閖10a/mm2，所以選較粗的導(dǎo)線和較大的磁芯骨架，使j0.

10、3t，所以需增加磁芯的橫截面積或增加初級匝數(shù)，使bm在0.20.3t范圍之內(nèi)。 （9）計(jì)算磁芯的氣隙寬度 sj=98，np=87匝，lp=16479.49h,al=1700h匝 0.051mm（10）計(jì)算留有氣隙時(shí)磁芯的等效電感 (lp=16479.49h，np=87匝)4、變壓器次級繞組參數(shù)設(shè)計(jì)（1）計(jì)算次級峰值電流isp （ip=0.08a，np=87匝，ns=6）（2）計(jì)算次級有效值電流isrms (isp=2.39a，dmax=62%，krp=0.4) （3）計(jì)算輸出濾波電容上的紋波電流iri(isrms=2.39a) （4）最后計(jì)算次級裸導(dǎo)線直徑（isrms=0.58a，j=42.3

11、4） 5、電壓極限參數(shù)的設(shè)計(jì)（1）次級整流管、反饋電路整流管的最高反向峰值電壓：u（br）s、u（br）fb 可知=9v，uimax =265v，=6匝，=87匝，=12v，=8匝。（2）選擇鉗位二極管和阻塞二極管 見表2.6。對于低功率的top200、top201、top210型單片開關(guān)電源，可選ub=180v的瞬變電壓抑制器。 表2.6選擇鉗位二極管和阻塞二極管u（v） 鉗位電壓ub（v） 鉗位二極管 阻塞二極管 固定輸入：100/115 90 p6ke91(91v/5w) byv26b(400v/1a) 通用輸入：85265 200 p6ke200(200v/5w) byv26c(600

12、v/1a) 固定輸入：23015 200 p6ke200 byv26c （3）選擇輸出整流管 輸出整流管宜采用肖特基二極管，此類管子的壓降低、損耗小，能提高電源效率。要求管子的最高反向工作電壓urm2u（br）s=54.6v；其標(biāo)稱電流if13io=1a（4）利用步驟21得到的iri，選擇輸出濾波電容cout a、濾波電容在105、100khz時(shí)的紋波電流應(yīng)iri=0.86a。 b、要選擇等效串聯(lián)電阻很低的電解電容器。輸出的紋波電壓uri由下式?jīng)Q定： uri=ispr0 c、為減小大電流輸出時(shí)的紋波電流iri，可將幾只濾波電容并聯(lián)使用，以降低電容總的r0值和等效電感l(wèi)0。 d、cout的容量與

13、最大輸出電流iom有關(guān)。 （5）當(dāng)輸出端的紋波電壓超過規(guī)定值時(shí)，應(yīng)再增加一級lc濾波器 a、濾波電感l(wèi)=2.2h4.7h。當(dāng)iom小于 1a時(shí)可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠；大電流時(shí)須選用磁環(huán)繞制而成的扼流圈。 b、為減小l上的壓降，宜選較大些的濾波電感，通?？扇=3.3h。 c、濾波電容c取120f/35v，要求其r0很小。 （6）選擇反饋電路中的整流管，如表2.7整流管最高反向工作電壓要求：urm1.25u（br）fb=34.1v。表2.7 選擇反饋電路中的整流管整流管類型 整流管型號 最高反向工作電壓urm（v） 生產(chǎn)廠家 玻封高速開關(guān)硅二極管 in4148 75 國產(chǎn) 超快恢復(fù)二

14、極管 bav21 200 philips公司 uf4003 200 gi公司 （7）選擇反饋濾波電容 :應(yīng)取0.1f/50v的陶瓷電容器。 （8）選擇控制端電容及串聯(lián)電阻：控制端電容取47f/10v的普通電解電容。串聯(lián)的電阻選6.2/0.25w。 （9）選擇輸入整流橋 a、整流橋的反向擊穿電壓ubr要求：ubr1.25umax=234.26vb、設(shè)輸入有效值電流為irms，整流橋額定的有效值電流為ibr，應(yīng)當(dāng)使ibr2irms=0.14a， cos為開關(guān)電源的功率因數(shù)，一般為0.50.7。三、數(shù)據(jù)表、電路圖表3.1 數(shù)據(jù)表 a b c d e f 1 輸入 中間過程 輸出 單位 參數(shù)說明 2

15、參數(shù) 數(shù)據(jù) 保留數(shù)據(jù) 計(jì)算結(jié)果 12v、15w開關(guān)電源 3 umin 85 v 交流輸入電壓最小值 4 umax 265 v 交流輸入電壓最大值 5 fl 50 hz 電網(wǎng)頻率 6 f 100 khz 開關(guān)頻率 7 uo 9 v 直流輸出電壓 8 po 3 w 輸出功率 9 80 電源效率 10 z 0.5 損耗分配系數(shù) 11 ufb 12 v 反饋電壓 12 tc 3 ms 整流橋響應(yīng)時(shí)間 13 cin 20 f 輸入濾波電容 14 輸入topswitch的變量 15 uor 135 v 初級繞組的感應(yīng)電壓 16 uds(on) 10 v topswitch的漏源導(dǎo)通電壓 17 uf1 0.

16、4 v 次級肖特基整流管正向壓降 18 uf2 0.7 v 反饋電路中高速開關(guān)整流管正向壓降 19 krp 0.4 初級脈動電流ir與峰值電流ip的比例系數(shù) 20 輸入高頻變壓器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 21 ee20 鐵氧體磁芯型號 22 sj 0.98 cm2 磁芯有效橫截面積 23 l 4.71 cm 有效磁路長度 24 al 1.7 h/匝 磁芯不留間隙時(shí)的等效電感 25 b 8.43 mm 骨架寬度 26 m 3 mm 安全邊距（安全邊界寬度） 27 d 2 層 初級繞組層數(shù) 28 ns 8 匝 次級匝數(shù) 29 直流輸入電壓參數(shù) 30 uimin 86 v 直流輸入電壓最小值 31 uimax 2

17、65 v 直流輸入電壓最大值 32 初級電流波形參數(shù) 33 dmax 62 最大占空比（對應(yīng)于umin時(shí)） 34 iavg 0.04 a 輸入電流的平均值 35 ip 0.08 a 初級峰值電流 36 ir 0.016 a 初級脈動電流 37 irms 0.07 a 初級有效值電流 38 變壓器初級設(shè)計(jì)參數(shù) 39 lp 16479.49 h 初級電感量 41 np 87 匝 初級繞組匝數(shù) 41 nf 8 匝 反饋繞組線數(shù) 42 alg 0.77 h/匝 磁芯留間隙后的等效電感 43 bm 025 t 最大磁通密度（bm=0.20.3t） 44 bac 0.0959 t 磁芯損耗交流磁通密度（峰

18、峰值0.5） 45 16 mm 磁芯的氣隙寬度（0.051mm） 46 dpm 0.056 mm 初級導(dǎo)線的最大外徑（帶絕緣層） 47 e 0.05 mm 估計(jì)的絕緣層總厚度（厚度2） 48 dpm 0.046 mm 初級導(dǎo)線的裸線直徑 49公制線徑 0.12 mm 初級導(dǎo)線規(guī)格 50sp 0.0516 mm2 初級導(dǎo)線的橫截面積 51j 42.34 a/mm2 電流密度j=(410a)/mm2 52變壓器次級設(shè)計(jì)參數(shù) 53isp 1.16a 次級峰值電流 54isrms 0.58 a 次級有效值電流 55io 0.33a 直流輸出電流 56iri 0.86 a 輸出濾波電容上的紋波電流 57公制線徑 0.900 mm 次級導(dǎo)線規(guī)格 58dsm 0.91 mm 次級導(dǎo)線最小直徑（裸線） 59dsm 1.69 mm 次級導(dǎo)線最大直徑（帶絕緣層） 60電壓極限參數(shù) 61udmax 573 v 最高漏極電壓估算值（包括漏感的作用） 62u(br)