基于單管正激式高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)作者 學(xué)號(hào) 系部 專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)（電力控制技術(shù)） 題目 基于單管正激式的高效率開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 完成時(shí)間： 2015 年 4 月 20 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要(題目)：基于單管正激式的高效率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)摘要：單管正激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主要問題是如何保持變壓器的復(fù)位電壓值，如何保證磁通復(fù)位和變壓器磁路不能進(jìn)入飽和狀態(tài)，同時(shí)也要注意耐壓800V的開關(guān)管的性能如何，最后就是挑選便宜合適的控制芯片。這篇文章爭(zhēng)對(duì)相應(yīng)的問題做出的解決方案：零氣系變壓器的單管正激式開關(guān)電源的電路拓?fù)淇梢杂行Ы档妥儔浩饕淮蝹?cè)勵(lì)磁電感儲(chǔ)能，降低變壓器復(fù)位對(duì)復(fù)位電

2、容器的要求。使得開關(guān)電源的最大占空比不大于0.5可以使得變壓器的磁通復(fù)位不進(jìn)入飽和狀態(tài)。對(duì)于主回路結(jié)構(gòu)可選擇帶有去磁繞組的電路結(jié)構(gòu)，選擇COOLMOS作為開關(guān)管，選擇UC3844作為開關(guān)電源的控制芯片。 關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源 單管正激式 變壓器設(shè)計(jì) 整流濾波電路畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)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

3、 switch power supply from multiple angles and influence on people's 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

4、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

5、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 目錄1 引言42 開關(guān)電源的概述52.1 開

6、關(guān)電源的定義52.2 開關(guān)電源的分類52.3 常規(guī)開關(guān)電源的損耗分析72.4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向82.5 開關(guān)電源的工作原理和特點(diǎn)93 本設(shè)計(jì)方案思路103.1 穩(wěn)壓源的技術(shù)指標(biāo)與要求103.2 各電路內(nèi)部細(xì)節(jié)103.3 基于方案思路的細(xì)節(jié)講述114 系統(tǒng)設(shè)計(jì)134.1 主變換器設(shè)計(jì)134.2 變壓器設(shè)計(jì)144.3 輸出整流濾波電路154.4 PCB及工藝設(shè)計(jì)16結(jié)論17致謝17參考文獻(xiàn)18附錄A總原理圖191 引言電子線路包含模擬電路，數(shù)字電路，信息電子電路等.多是需要直流電供電。同樣電子線路對(duì)電源有著多種要求，因此我們必須應(yīng)對(duì)不同的場(chǎng)合設(shè)計(jì)出不一樣的電源。時(shí)代進(jìn)步的同時(shí)，我們的產(chǎn)品也必

7、須適應(yīng)它的變化。電子線路發(fā)展至今約有100多年的歷史。最初的電源既不需要穩(wěn)壓也不需要嚴(yán)格的濾波，最初的真空管時(shí)代，電子線路并不需要穩(wěn)定的供電電源，僅需要整流，濾波。電子的線路要求多種電源供電，最初的真空管電子線路往往有電源變壓器當(dāng)時(shí)用不同的繞組得到不同電壓，晶體管的發(fā)明，使得脈沖電路，數(shù)字電路運(yùn)用于微型計(jì)算機(jī)，功效遠(yuǎn)優(yōu)于真空管計(jì)算機(jī)，電子線路得體積變化縮后對(duì)電源的要求，由于體積的減小導(dǎo)致線性穩(wěn)壓電源的不適應(yīng)，此時(shí)出現(xiàn)了開關(guān)型穩(wěn)壓電源，開關(guān)型的穩(wěn)壓電源，使計(jì)算機(jī)微型化不在只是想像。電源自身損耗的影響非常大，爭(zhēng)對(duì)微型計(jì)算機(jī)和電視機(jī)工作以及待機(jī)狀態(tài)、同時(shí)較于電子設(shè)備體積減小電源體積也要減小同時(shí)面臨著

8、散熱功能的改善。所以提高電源效率刻不容緩。如何降低開關(guān)電源的損耗同時(shí)也是人們關(guān)注的問題之一。開關(guān)和線性，成本與輸出功率有關(guān)，二者增長速率不同。線性的成本在某一輸出功率點(diǎn)上，instead higher than開關(guān)電源.With the power electronic technology to change，使得開關(guān)電源的技術(shù)在不斷地變化，這種cost反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出的電力端轉(zhuǎn)向，此舉為Switching power supply提供了廣泛得發(fā)展空間。Switching power supply得高頻化是它以后發(fā)展的trend，高頻化使Switching power supply變得小型

9、化，并使之進(jìn)入更大的領(lǐng)域，Especially in the field of high new technology推動(dòng)了高新技術(shù)發(fā)展的小型，輕便的改變。In addition 開關(guān)電源的development與應(yīng)用在 安防監(jiān)控，Save energy and resources和保護(hù)環(huán)境方面都具有非常重要的意義2 開關(guān)電源的概述2.1 開關(guān)電源的定義又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。它的功能是要將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓,通過不同的形式得形狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩舳怂枨蟮哪欠N特定的電流或電壓。開關(guān)電源中應(yīng)用的電子電力的器件主要為IGBT，二極管，以及MOSFET。開關(guān)電源的三個(gè)條件：（1）

10、switch：電力電子的器件工作在開關(guān)的狀態(tài)并非在A linear state （2）高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻（3）dc：開關(guān)電源輸出的是DC而不是交流主要特點(diǎn)：（1）Light weight, small volume：由于沒有工頻變壓器，所以體積和重量只有線性電源的2030%。（2）Low consumption, high efficiency：功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以晶體管上的Low consumption and high efficiency，一般為6070%，而線性電電源只有3040%。2.2 開關(guān)電源的分類(1)微型低功率開關(guān)電源開關(guān)電源逐步變得普

11、遍，和小型便利。顯而易見，它會(huì)代替變壓器在生活中的位置更加便利人們的生活，Low power miniature switch power supply的應(yīng)用在數(shù)顯表、Smart meters以及手機(jī)充電器上應(yīng)用普遍。如今country在大力宣傳智能電網(wǎng)的建設(shè)，同時(shí)這樣的話電能表的質(zhì)量和要求也不盡相同，開關(guān)電源取代變壓器的作用指日可待。(2)反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源反轉(zhuǎn)式串聯(lián)和串聯(lián)式開關(guān)電源相比較而言，區(qū)別體現(xiàn)在反轉(zhuǎn)式的the power supply輸出的電壓為負(fù)的，想較于串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的正向電壓不同；and由于Energy storage inductors L只在開關(guān)K關(guān)斷時(shí)才會(huì)向負(fù)載輸出

12、電流，So under the condition of the same，反轉(zhuǎn)式的輸出的current比串聯(lián)式的輸出的current小了近一倍。2.2.1 DC/DC變換 Refers to a fixed dc voltage transform into a variable dc voltage亦叫直流斬波器。這樣的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于類似無軌電車、電動(dòng)車，地鐵列車、的無級(jí)控制和變速，此外使上述控制獲得快速響應(yīng)，加速平穩(wěn)的性能，并且能同時(shí)收到列如節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(2030)%。直流斬波器能起調(diào)壓的作用， 此外可以有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。對(duì)于DC

13、/DC變換，這是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。其具體的電路由以下幾類： （1）Boost電路升壓chopper，其Average output voltage Uo大于輸入電壓Ui，Polarity is the same。 （2）Buck-Boost電路Ascending or descending壓斬波器，其Average output voltage Uo小于或大于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸（3）Cuk電路升或降壓chopper，其Average output voltage Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性是相反的，電容傳輸。 （4） Buck電路降壓c

14、hopper，其Average output voltage Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。 先進(jìn)和突越在半導(dǎo)體技術(shù)上顯現(xiàn)為是DC/DC技術(shù)的變化。(1)MOSFET的The progress of technology給DC/DC模塊帶來了The big progress of technology，同步整流技術(shù)的巨大進(jìn)步。(2)SchottkyThe progress of technology。(3)控制了并帶動(dòng)了IC的改變和改進(jìn)。High-pressure direct starting 高壓電平位移驅(qū)動(dòng)取代變壓器驅(qū)動(dòng)ZVS，ZCS驅(qū)動(dòng)器貢獻(xiàn)給同步整流最佳效果The light co

15、upling feedback直接接口PWM IC經(jīng)歷了多重變化從電壓型到電流型再到電壓型，同時(shí)也有硬開關(guān)一直到軟開關(guān)然后到硬開關(guān)的否定之否定變化。前提來創(chuàng)造出優(yōu)秀的DC/DC的至關(guān)重要的點(diǎn)在于First to master good control (4)技術(shù)的突破重在Micro controller及DSP進(jìn)入DC/DC。(5)對(duì)于以后的DC/DC技術(shù)進(jìn)步的要害在于Core technology breakthrough ，可想而知很大的困難。2.2.2 AC/DC變換 AC/DC開關(guān)電源是開關(guān)電源的其中一類。此類電源也稱一次電源DC是直流。AC是交流，它從電網(wǎng)那獲得能量，然后通過高壓整流

16、濾波從而得到一個(gè)直流高壓，以此供DC/DC在輸出端得到多個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，功率從幾瓦至幾千瓦都有產(chǎn)品，根據(jù)特性應(yīng)用于不一樣的地方。要?dú)w這類產(chǎn)品的規(guī)格和型號(hào)眾多，然后跟據(jù)用戶的需要來制定通信電源中的一次電源電源設(shè)計(jì)線路歸于電源效率有密切的關(guān)系，高效率電源可以用來提高電能的實(shí)際的使用效率，在某種程度上可以用來降低電源的發(fā)熱量和自身功耗。2.3 常規(guī)開關(guān)電源的損耗分析要想設(shè)計(jì)出高效率的開關(guān)電源就一定要Clear the wastage of the switching power supply each link ，從而可以找到一切降低損耗的可靠機(jī)會(huì)，從而尋求出各種解決損耗的方法。The conve

17、ntional ac voltage input switching power supply ，輸入和整流濾波這二個(gè)部分是他主要的部分架構(gòu)，包含了輸出整流與濾波部分以及控制與保護(hù)電路部分，高頻逆變部分。2.3.1 輸入與整流濾波部分 對(duì)于交流電如果用為電源輸入里的switch電源，至關(guān)重要的環(huán)節(jié)當(dāng)屬輸入濾波與整流環(huán)節(jié)，要完成將Alternating current (ac)轉(zhuǎn)換成直流電的功能，同時(shí)還要抑制開關(guān)電源所產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入交流電網(wǎng)，去干擾其他電子設(shè)備，抑制上電時(shí)浪涌電流，抑制瞬態(tài)過電壓。 2.3.2 輸入浪涌電流抑制電路的損耗Most of the switch power sup

18、ply 為了抑制在上電時(shí)由于整流濾波電容器的電壓躍變從而導(dǎo)致的The electric surge current.這種溫度系數(shù)類型的熱敏電阻通常需要消耗0.52W的功率2.3.3 電源濾波器的損耗對(duì)于電源濾波器既然是不可缺少的，則電源濾波器必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損耗，所產(chǎn)生的損耗主要由共模電感繞組的電阻產(chǎn)生的，如若有差模電感，損耗也會(huì)因差模電感繞組的電阻產(chǎn)生。2.4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向因?yàn)殚_關(guān)電源輕、薄，小的關(guān)鍵技術(shù)多為高頻化的，可想而知國外多個(gè)電源的廠家都花了大把金錢和精力在開發(fā)新型高智能化的產(chǎn)品上，希望生產(chǎn)處相應(yīng)的產(chǎn)品，著重在于如何減少損耗類似于二次整流器件，同時(shí)需要改進(jìn)功率鐵氧體材料，同

19、時(shí)也要加入多種有力的創(chuàng)新元素，以此來提高獲得高的效率也就是磁性能在較大磁通密度（Bs）和高頻率下，同時(shí)也致力于獲得小型化便利的電容器，這也是一項(xiàng)重大的拓展項(xiàng)目和創(chuàng)新技術(shù)。在應(yīng)用SMT技術(shù)上，獲得進(jìn)步良多的開關(guān)電源，想要獲得更加輕便的開關(guān)電源在電路板兩面布置元器件。想要使得開關(guān)電源變得高頻化，創(chuàng)新改進(jìn)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)是明智和必須的，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)如今成了開關(guān)電源的重點(diǎn)技術(shù)，同時(shí)改進(jìn)并提高了開關(guān)電源的The work efficiency。而較高可靠性的指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商則通過Reduce running current，應(yīng)用類似于降低結(jié)溫的方法從而來減少器件的應(yīng)力，使

20、得很大的提高了產(chǎn)品的的可靠性。 2.5 開關(guān)電源的工作原理和特點(diǎn)Switch power means 應(yīng)用通過電路控制開關(guān)管從而來進(jìn)行High-speed cut-off and conduction將A direct current into high frequency alternating current (ac從而來進(jìn)行變壓器的變壓。然后產(chǎn)生器件所要的多種類型的電壓。由于high frequency alternating current在變壓器變壓電路中的效率要比50HZ高因此必定要轉(zhuǎn)化為high frequency alternating current因此開關(guān)變壓器可以做的相當(dāng)

21、小，此外工作時(shí)還不會(huì)很熱。成本也低。while若不將50HZ變?yōu)楦哳l那開關(guān)電源就失去了改變的作用了。同樣開關(guān)變壓器也就不會(huì)mysterious。so it is a common transformer。也就是開關(guān)電源。Switch power大體可以分為二種非別是Segregation and isolation ,前者肯定有開關(guān)變壓器，后者可有但不必須。In all，The working principle of the switch power： (1)交流電源輸入的時(shí)候通過整流濾波變成直流； (2)相較于高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開關(guān)管，必定要把直流加到開關(guān)變壓器的初級(jí)上；

22、(3)開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出High-frequency voltage，通過整流濾波以此來供給負(fù)載； (4)輸出的部分通過一定的circuit反饋給Control circuit，控制PWM占空比，從而獲得穩(wěn)定輸出。 3 本設(shè)計(jì)方案思路這里以輸出12V/5A安裝式開關(guān)電源設(shè)計(jì)為例。在沒有PFC要求的場(chǎng)合下，為了降低成本，一般不采用PFC，相對(duì)而言，開關(guān)電源的設(shè)計(jì)主要是輸入回路設(shè)計(jì)，主變換器設(shè)計(jì)，輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)，輸出反饋設(shè)計(jì)，PCB及工藝設(shè)計(jì)等。外殼選擇永明電源的安裝式開關(guān)電源的外殼，外殼尺寸為107mm x60mm x35mm,底座為U形的鋁外殼，電路板尺寸為107,55，扣除接線端子部

23、分，電路板可以利用的尺寸為88.55元件的有效高度應(yīng)小于25mm電路參數(shù)：輸入220（1±20）V，輸出12V，5V，恒壓限流功能，限流值6A，紋波電壓不高于50mV3.1 穩(wěn)壓源的技術(shù)指標(biāo)與要求設(shè)計(jì)并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的直流穩(wěn)壓電源?；疽笕缦拢?1)輸出12V, 5A(2)恒壓限流功能，限流值6A(3)紋波電壓不高于50mV3.2 各電路內(nèi)部細(xì)節(jié)單管正激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主要問題是如何保持變壓器的復(fù)位電壓值，如何保證磁通復(fù)位和變壓器磁路不能進(jìn)入飽和狀態(tài)，同時(shí)也要注意耐壓800V的開關(guān)管的性能如何，最后就是挑選便宜合適的控制芯片。這篇文章爭(zhēng)對(duì)相應(yīng)的問題做出的解決方案：

24、零氣系變壓器的單管正激式開關(guān)電源的電路拓?fù)淇梢杂行Ы档妥儔浩饕淮蝹?cè)勵(lì)磁電感儲(chǔ)能，降低變壓器復(fù)位對(duì)復(fù)位電容器的要求。使得開關(guān)電源的最大占空比不大于0.5可以使得變壓器的磁通復(fù)位不進(jìn)入飽和狀態(tài)。對(duì)于主回路結(jié)構(gòu)可選擇帶有去磁繞組的電路結(jié)構(gòu)，選擇COOLMOS作為開關(guān)管，選擇UC3844作為開關(guān)電源的控制芯片。3.3 基于方案思路的細(xì)節(jié)講述光耦隔離輸出整流濾波變壓器輸入整流濾波（單相電容輸入式濾波整流）AC反饋控制電路DC圖1 原理框圖 圖2 正激式電路 圖3 濾波整流電路交流電壓低通濾波器C1，C2，C3，C4 L1。C1和C2的抗干擾電路，抑制正常噪聲目標(biāo)；共模噪聲干擾的抑制可以C3，C4，L1抗

25、共模干擾電路。交流電壓通過整流橋和電容C5濾波成310V直流電壓脈動(dòng)。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 主變換器設(shè)計(jì)4.1.1 控制電路選擇：為防止變壓器不能完全復(fù)位的現(xiàn)象出現(xiàn)，控制電路應(yīng)選擇占空比低于百分之五十的UC3844或UC3845，開關(guān)頻率可以設(shè)置為5070khz,主要視變壓器參數(shù)是否最佳。4.1.2 最大占空比的確定：最大占空比選擇0.45，對(duì)應(yīng)的最高復(fù)位電壓可以達(dá)到直流母線電壓值。4.1.3 開關(guān)管的選擇：開關(guān)管選擇耐壓800V的CoolMOS,假設(shè)效率為百分之88，對(duì)應(yīng)的最低輸入電壓時(shí)的開關(guān)管峰值電流約為0.75A，可以選用SPA02N80C3，100殼溫時(shí)的額定電流1.2A,導(dǎo)通電阻2.7

26、A.。如果覺得這個(gè)參數(shù)比較低，可以選用SPA04N80C3，100殼溫時(shí)的額定電流2.5A，導(dǎo)通電阻1.3歐姆。4.1.4 復(fù)位與緩沖電路設(shè)計(jì)：緩沖電路選擇無緣無損耗緩沖電路。在最高輸入電壓時(shí)，直流母線最高電壓約為370V,對(duì)應(yīng)的占空比約為0.24.若開關(guān)頻率為67kHz,對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間為3.6µs，即緩沖電路的半個(gè)諧振周期。4.1.4.1 緩沖電容器的選擇。設(shè)定開關(guān)管電流為0.75A，開關(guān)管電壓上升到700V的時(shí)間為150ns,忽略開關(guān)管的輸出電容，需要緩沖電器的電容量為525Pf,選電容量為560pF?？紤]緩沖過程的電壓上升率達(dá)到2711V/µs，面對(duì)如此高的電壓變化率

27、，電容器耐壓的選擇將不再是額定電壓，而是電壓變化率應(yīng)滿足要求。可以選擇EPCOS的xxx型號(hào)的1000Pf/1250V聚丙烯電容器，可以承受7000V/µs的電壓變化率，外形尺寸為6.5×11.5×19mm.4.1.4.2 諧振電感的選擇。選擇緩沖電路的半個(gè)諧振周期為3µs,對(duì)應(yīng)的諧振電感量為225µH.對(duì)應(yīng)的復(fù)位電流峰值為78mA,有效值電流為27Ma.復(fù)位電感的儲(chǔ)能系數(shù)為1.3µJ.4.1.4.3 緩沖電路二極管的選擇。為了降低開關(guān)管的關(guān)斷損耗，可以選擇無源無損耗緩沖電路。除此之外還要考慮復(fù)位電壓限制的問題。如果允許的話可以選擇去

28、磁繞組的方式箍位復(fù)位電壓。4.2 變壓器設(shè)計(jì)磁感應(yīng)強(qiáng)度選0.08到0.1T，由于外殼的限制，首先考慮變壓器各繞組是否能夠繞下。 磁感應(yīng)強(qiáng)度一次側(cè)電流有效值根據(jù)公式計(jì)算得0.5A選擇導(dǎo)線電流密度為3A/m,導(dǎo)線截面積為0.17m,對(duì)應(yīng)導(dǎo)線線徑為0.47mm.在EER28框架下每層可以繞4243。如果一次側(cè)繞兩層，對(duì)應(yīng)的匝數(shù)應(yīng)該為8086匝。對(duì)應(yīng)的最低直流母線電壓，最大占空比的導(dǎo)通時(shí)間為3.36對(duì)應(yīng)的0.45占空比時(shí)的開關(guān)周期為7.47µs,開關(guān)頻率為134kHz,顯然這個(gè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于預(yù)想的50kHz,如果這次側(cè)繞四層，共計(jì)172匝，則開關(guān)頻率為67kHz,對(duì)應(yīng)的最大導(dǎo)通時(shí)間為6.7µs.二次繞組匝數(shù)計(jì)算得26匝。二次繞組電流有效值為3.35A選擇導(dǎo)線電流密度3A/m導(dǎo)線截面積為1.12m,選用線徑0,51mm漆包線雙股并繞。輔助繞組13匝，線徑0.17mm.變壓器繞組順序：1/2一次繞組86匝，去磁繞組172匝，二次繞組26匝，輔助繞組26匝，一次側(cè)另一半繞組86匝。由于磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值選得比較低，因此磁芯的鐵耗將比較低。變壓器繞組的電流密度適中，因此，變壓器的溫升將在允許范圍之內(nèi)。4.3 輸出整流濾波電路4.3.1 輸出整流器的選擇考慮變壓器復(fù)位電壓等于直流母線電壓。輸出整流器峰值電壓為51.6V