恒流開關電源設計(正激式)

1、恒流開關電源設計恒流開關電源設計1、電源技術要求2、設計步驟3、變壓器設計4、輸出濾波器設計5、復位電路計算6、功率開關管選擇7、輸出二極管選擇8、恒流輸出電路設計9、緩沖吸收電路設計10、控制電路設計11、PCB板布線12、電路仿真 電源技術要求電源技術要求選用單端正激式開關電源拓撲圖如下，因為它是一種小型、經(jīng)濟，也是開關電源應用較多一種，并且它功率輸出在50200W是最合適的2。設計技術要求如下：輸入電壓：交流220V10% 紋波電壓UP：0.5V輸出電壓UO：15V 輸出波動電流IP：0.1A輸出電流IO：10A 占空比：D max0.42目錄開關電源設計步驟開關電源設計步驟開始選用拓撲

2、變壓器設計輸出整流。濾波設計功率開關和驅動設計控制器設計輸出反饋設計啟動電路設計保護電路設計高層功能設計實驗設計和結構設計測試優(yōu)化設計EMI/RFI測試 目錄變壓器設計變壓器設計1、輸出變壓器次級電壓U2計算2OLfonUUUTUtUL是輸出扼流圈在內(nèi)次級線圈的電壓降，Uf是輸出二極管的正向電壓。最低的次級電壓U2min為：maxmax2minmaxOLfonUUUTUt目錄(設定肖特基二極管)，則2、初、次級線圈計算2min15.50.20.5538.62.1UVmax0.2 ,0.5LfUV UV設輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計算求得的U1min值。根據(jù)中國輸配電情況U1=200

3、253V,則變壓比N為2min1min38.60.193200UNU目錄根據(jù)輸出容量磁心尺寸關系表3-4 2 選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2磁心材質(zhì)相當于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可從圖3-4中查得.實際使用時的磁心溫度約100，且要選擇能保持線性范圍的Bm，即0.3T以下。當磁心溫度有100，工作頻率200KHz時，約減少0.1T而成為 。根據(jù)線圈計算公式則，因而次級N2 = 4，式中Bm為磁心的磁通密度（T）；S為磁心的有效截面積（mm2）。初級線圈的匝數(shù)則是2minmax238.6 2.13.70.2 111onmUtNBS214210.193NNN確定 。次

4、級線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進行ton max的修正計算。目錄maxmaxmax2min15.50.50.252.1038.6oLfonUUUTtUmaxmax2.100.425ontDT則有，Dmax修正結果為0.42,仍然在0.40.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計算。目錄設計步驟輸出濾波器設計輸出濾波器設計 在開關電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構成的“L”型濾波器如下圖。電感線圈對高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。目錄1、輸出扼流圈的電感值設計電感L值為：目錄計算流入輸出扼流圈

5、電流2minmaxfoUUUIL L為輸出扼流圈的電感（H）； 為輸出電流的10%30%。則有 0.210 0.22OIIA 2minmaxmax38.615.50.52.111.862fonUUUoLtHI由此可見，需要11.86H，10A的扼流圈。2、輸出濾波電容的確定又因目錄輸出電容器的選定取決于輸出脈動電壓控制在多少毫伏。輸出脈動電壓 雖要根據(jù) 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%0.5%范圍。就是在200HKz范圍內(nèi)，需要 值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V，8200 H，則 為31m ,容許脈動電流為2.9Ams.流向電容器的紋波電流為0.

6、3 0.50.3 0.51545 75100100OUUmVSEUIR 45 7522.5 37.52fSELURmI 20.582 32 3LCfmsIIA2.9A,說明電容合適3、濾波器電阻設計目錄要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時，可以假設電阻值為 則假設電阻dR22 15152OdLURIdR電耗為rdW22151515orddUWWR設計步驟復位電路計算復位電路計算 復位電路如圖所示。開關功率管VT1接通時，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲存到T1，當VT1截止時，即放出這種受激磁的磁能下圖復位線圈到T1上以在VT1截止時通過VD1把磁能反饋到輸入。目錄目錄則磁復位串接在N3的中

7、二極管VD1承受最大電壓為那么選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。328N 31max12811220 1.1279521VDinNUVVN功率開關管選擇功率開關管選擇 右圖為MOSFET型功率開關管，它主要具有驅動功率小，器件功率容量大；第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR等優(yōu)點，也是目前開關變換器廣泛應用的開關器件。 根據(jù)單端正激式變換器計開關管VT1承受最大電壓公式得:目錄 11max32111220 1.1259728VTinNVVVN流過MOSFET開關管最大電流為 214101.9021dsONIIAN目錄328N 型號最大承受電壓VDS

8、（V）最大電流ID（A）最大功率損耗PD（W）封裝型號導通最大電阻值RDS（ON） 典型值Typ最大值Max正向降VGS（V）正向電流ID（A）2SK345327001080TO-3P(N)IS0.721.01052SK26038003100TO-220AB3.03.6101.52SK2883800375TO-220FL/SM3.03.6101.52SK2605800545TO-220()1.92.2103.02SK28848005100TO-220FL/SM1.92.2103.02SK26048005125TO-3P(N)1.92.2103.02SK27468007150TO-3P(N)1.

9、31.7103.52SK2606800885TO-3P(N)IS1.01.2104.02SK26078009150TO-3P(N)1.01.2104.02SK3301900120PW-MOLD1.52.0100.52SK2845900140DP8.09.0100.52SK2733900160TO-220AB8.09.0100.52SK27189002.540TO-220()5.66.4101.52SK26089003100TO-220AB3.74.3101.5根據(jù)下面功率MOSFET表3.7，可以選擇東芝2SK2718型號。它的最高承受電壓為900V，允許最大電流為2.5A，而功率損耗是40W

10、，是上面功率最小損耗的。設計步驟輸出二極管選擇輸出二極管選擇 輸出二極管有肖特基二極管（SBD）,低損耗二極管（LLD）、高速二極管(FRD)。輸出為低壓大電流時應采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。 選擇二極管時要注意選擇反向恢復時間trr快的二極管。這是因為主開關元件閉合時反向流入二極管的電流會影響初級線圈開關特性并致使損耗增大。同時，輸出噪聲也會受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點。 1、選用正向壓降VDF小的整流二極管； 2、選用反向恢復時間trr整流二極管； 3、選用正向恢復電壓VFRm整流二極管； 4、選用反向漏電流IR小整流二極管。目錄2、續(xù)流二極管VD

11、2選擇目錄續(xù)流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式得:流過它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的，即 Ir=Io=10A.可選擇低損耗二極管MBR1545 作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，Uds=45V, IO=15A,trr1.0ns. 可以選擇肖特基二極管IN5825,最大承受電壓UDS 40V,額定電流為15A.,trr1.0ns 22max142204221VDinNUUVN恒流輸出電路設計恒流輸出電路設計 任何電源要實現(xiàn)恒流功能，均需對電源的輸出電流進行檢測取樣，與電流設置值即參考值進行比較，經(jīng)負反饋放大調(diào)節(jié)（P、PI、PID）。線性

12、串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開關電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定。 下圖是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中Iref是電流設置基準；CR是電流PI調(diào)節(jié)；Kfi是電流取樣反饋系數(shù)；RS、Ro是電流取樣電阻和負載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi, 通過P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實現(xiàn)恒流值控制。目錄1、恒流輸出原理 下圖是恒流電源常用電路，其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉換成電壓信號，并與基準電壓Uref在放大器

13、中進行比較放大，然后將其送至調(diào)整管VT的基極，驅動調(diào)整管VT對輸出電流IO變化進行補償校正。就可以實現(xiàn)恒流輸出的。目錄 恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構成的開關恒流源電路構成如下圖所示。MC7815為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL為LED二極管負載電阻，RW為可調(diào)電阻器。目錄2、恒流輸出計算工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為OUTOqWUIIR 式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當RW較小即輸出電流較大時，可以忽略Iq。當電路中電壓或者是負載發(fā)生變化時，MC7815用改變自身壓差

14、來維持通過負載的電流不變的。 設RW=115 時，那么它輸出恒定電流變化范圍目錄 115outOWUIAR因此可以實現(xiàn)10A恒流輸出的。緩沖吸收電路設計緩沖吸收電路設計 在開關電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開關管在關斷瞬間會產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復二極管由于存在存儲效應，反向恢復過程中也會出現(xiàn)很高的反向恢復的碾壓尖峰脈沖。這些過電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設計尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如下目錄紅色框內(nèi)是緩沖電路從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當MOSFET功率開關管關斷是

15、形成尖峰電壓脈沖能量轉移到電容器中儲存，然后電容器的儲能通過電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會隨之而減少，以及減少損耗和可能出現(xiàn)振蕩控制電路設計控制電路設計下面采用是PC1094C控制電路目錄引腳號功 能引腳號功 能1死區(qū)時間控制8電源電壓2反饋9輸出晶體管集電極3過流閉鎖控制10輸出級輸出4懸空11輸出晶體管發(fā)射極5定時電容器12懸空6定時電阻器13通/斷控制時間7接地14基準電壓芯片框圖及引腳說明目錄功能說明芯片說明目錄1、振蕩器振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時電阻器R17與接在引腳5上的定時

16、電容器C15決定的。當 時振蕩頻率 。2、啟動電路啟動電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過R10接在外部電路提供集電極電壓。3、限流電路過流保護電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當出現(xiàn)過流時，引腳3上的電壓超過200mV的正負閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個脈沖周期來之前，過流閉鎖器復位，對下個周期的過電流進行檢測，限制脈沖寬度。4、過電壓保護電路 過電壓保護電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當輸出電壓超過15V時，光電耦合器PC1動作，經(jīng)過引腳2接入反饋電壓電路，使輸出

17、級鎖定為低電平。5、最大占空比的設定和軟啟動最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來確定的。為了防止變壓器的磁飽和，當電源電壓剛啟動時，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。6、輸出電壓控制電路輸出電壓可通過調(diào)節(jié)R5、R6、R7組成分壓電路確定的： 567115OREFRRUUVR芯片說明 電路圖設計步驟PCBPCB布線布線 在畫PCB布線時，應先確定元器件的位置，然后布置地線、電源線、再安排高速 信號線，最后考慮低速信號線8。（PCB原理圖見附錄） 元器件的位置應按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進行分組，以免相互干擾。格局元器件的

18、位置可以確定PCB連接器各個引腳的安排。所有連接器應安排在PCB的一側，盡量避免從兩側引出電纜，減少共模輻射。 1、電源 在考慮安全條件下，電源線應盡可能近地線，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。 2、時鐘線、信號線和地線位置 信號線與地線距離較近，形成的環(huán)面積較?。贿@樣才合理的。 3、按邏輯速度分割 當需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時，高速的器件應按放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi)，而低速邏輯和存儲器，應放在遠離連接器范圍內(nèi)。這樣對共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。 4、應避免PCB導線的不連續(xù)性 1）、跡線寬度不要突變； 2）、導線不要突然拐角。目錄PCB板目錄 國內(nèi)外電路仿真軟件：EDA、EWB、Multisim、MATLAB、Special Puipose等 而在這次開關電源設計是利用Multisim電路仿真軟件來測試電路的。Multisim仿真軟件是繼承了EWB軟件的諸多優(yōu)點的，并且在功能和操作方法上有很大改進的。它可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強大的功能的，