基于IR2161的電子變壓器設(shè)計(jì)__畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)設(shè)計(jì)(論文)題目:基于IR2161的電子變壓器設(shè)計(jì)專 業(yè): 通信技術(shù) 班 級(jí): 通技07-1 學(xué) 號(hào): 姓 名: 指導(dǎo)教師: 二九年十二月二十四日目錄摘要1緒論2第1章總體方案設(shè)計(jì)3方案提出3方案論證3第2章參數(shù)計(jì)算和元件選擇6輸入電源整流濾波電路6IR2161芯片電路6變壓電路10第3章制作與調(diào)試12印制電路圖12制作調(diào)試注意事項(xiàng)12總結(jié)13致謝14參考文獻(xiàn)15附錄1電路原理圖16附錄2PCB版圖17附錄3元器件明細(xì)表18摘要我們身邊的小型電子產(chǎn)品用的變壓器大部分都是電子變壓器，如： 的充電器、照明光源、電視機(jī)、VCD機(jī)、DVD機(jī)、電磁爐里的電源以及電腦

2、里的電源等等。電子變壓器具有無噪音、自身耗能低、電壓適應(yīng)范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。電子變壓器的廣泛應(yīng)用得益于科技的進(jìn)步，電子元件成本的降低。在以前無論是直流變壓器還是交流變壓器，都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器，所以以前的電子產(chǎn)品都非常笨重，而現(xiàn)在的家用電器都非常輕巧靈便。根據(jù)產(chǎn)品的更新速度，我借鑒前人的一些知識(shí)對(duì)電子變壓器進(jìn)行了改進(jìn)，以IR2161芯片為背景設(shè)計(jì)出一款功能齊全，成本較低的電子變壓器。關(guān)鍵詞變壓；節(jié)能；IR2161芯片緒論隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變壓器的運(yùn)用越來越廣泛，電子變壓器的種類和功能越來越齊全。因此，討論電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系：主要討論電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求，像所

3、有作為商品的產(chǎn)品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求最高性價(jià)比。有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本，有時(shí)可能偏重效率和性能?，F(xiàn)在，“輕、薄、短、小”成為電子變壓器的發(fā)展方向，這幾種發(fā)展方向都是強(qiáng)調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā)，可以對(duì)電子變壓器得出四項(xiàng)具體要求，即：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。因此，設(shè)計(jì)研制一種電路新穎、安全節(jié)電、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便電子變壓器顯得十分必要。為了達(dá)到以上要求，本設(shè)計(jì)采用了基于IR2161芯片電路的電子變壓器，該電子變壓器功能比較齊全。希望自己能對(duì)電子變壓器技術(shù)進(jìn)步做一點(diǎn)小小的貢獻(xiàn)。第1章總體方案設(shè)計(jì)1.1方案提出設(shè)計(jì)電子變壓器之前，先考慮以下幾方面的因素：第一，

4、家用小型電器工作電壓不能直接使用220V市電，必須先經(jīng)過處理才能使用。不同的電器設(shè)備的工作電壓不同，所以需變壓器作適當(dāng)處理。第二，我們所設(shè)計(jì)的變壓器能夠滿足用戶需求，能夠使生產(chǎn)廠家與消費(fèi)者達(dá)到雙贏的目的。第三，制作的電路越簡單越好，并要考慮用戶安裝與使用的方便。第四，應(yīng)考慮電路安全可靠，并且節(jié)約能源。有鑒于此，自己在前人的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如下兩種方案：1.電子變壓器；2.基于IR2161芯片的電子變壓器。1.2方案論證1.2.1方案一功能描述：本電路輸入端接220V的市電電壓。二極管構(gòu)成橋式整流電路把市電變成直流電，由振蕩變壓器，三極管、組成的高頻振蕩電路，將脈動(dòng)直流變成高頻電流，然后由輸出變壓

5、器TR2對(duì)高頻高壓脈沖降壓，獲得所需的電壓和功率。為限流電阻，電阻、電容和雙向觸發(fā)二極管構(gòu)成啟動(dòng)觸發(fā)電路。通過以上分析，總結(jié)出電子變壓器的系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。整流濾波高頻振蕩變壓電路輸出電路圖1-1系統(tǒng)方框圖電子變壓器的電路原理圖如圖1-2所示。圖1-2電子變壓器電路原理圖1.2.2方案二功能描述：本電路輸入端接220V的市電電壓。二極管構(gòu)成整流電路把市電變成直流電，采用集成芯片IR2161，該集成芯片用于代替上面的高頻振蕩電路。它將脈動(dòng)直流變?yōu)楦哳l直流，然后由輸出變壓器對(duì)高頻脈沖降壓，從而獲得所需的電壓和功率。IR2161芯片自身附帶其它的功能，比如運(yùn)用在鹵素?zé)舻淖儔浩髦?，其?yōu)點(diǎn)有：不需

6、要預(yù)熱和觸發(fā)啟動(dòng)時(shí)間、無需大容量濾波電容、輸出是經(jīng)隔離的高頻低壓、安全性好。通過以上分析，總結(jié)出基于IR2161芯片的電子變壓器的系統(tǒng)方框圖如圖1-3所示。整流濾波IR2161 電路變壓電路輸出電源圖1-3系統(tǒng)方框圖基于IR2161芯片的電子變壓器的原理圖如圖1-4所示。圖1-4基于IR2161的電子變壓器電路原理圖1.2.3方案結(jié)論方案一的優(yōu)點(diǎn)：本電路做成的電子變壓器容易調(diào)節(jié)，各種元器件也比較普通，能夠變壓。但是電子產(chǎn)品的成本比較高，運(yùn)用在大型的家用電器中的電源變壓比較合適。缺點(diǎn)：此種電源電路生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不能夠占有市場，消耗金屬材料，沒有滿足節(jié)約成本的要求。方案二的優(yōu)點(diǎn)：本電路做成的電子變

7、壓器。是基于智能半橋驅(qū)動(dòng)器芯片IR2161的電子變壓器，無需飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實(shí)現(xiàn)變壓功能。鑒于兩個(gè)方案的比較，為了節(jié)約成本、減小實(shí)物體積，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用方案二，即基于IR2161芯片的電子變壓器。第2章參數(shù)計(jì)算和元件選擇輸入電源整流濾波電路輸入電源220V的交流電壓。電流經(jīng)過的電壓為市電220V，經(jīng)過電感和電容CLF充電，然后經(jīng)過四個(gè)二極管組成的橋式整流以后得到直流電源。在輸入電源經(jīng)過整流電路以后得到直流電壓，但是波動(dòng)較大仍然不能直接作為電源使用，還需進(jìn)行再一次濾波，將其中的交流成分濾掉。工作原理:當(dāng)電容兩端電壓升至>時(shí)二極管、在正向電壓作用下工作。此時(shí)經(jīng)、向提供

8、電流，一方面向電容充電。當(dāng)<時(shí)二極管又截止電容又向放電，電容周而復(fù)始的充電放電大大的減小了交流分量，達(dá)到了濾波的效果。在選擇整流二極管時(shí),為了保證工作點(diǎn)足夠穩(wěn)定,應(yīng)滿足下列條件：(1.5-2)I即：A二極管IN4007的最大整流=1A>0.066A，故選擇1N4007型二極管。單元電路如圖2-1所示：圖2-1橋式整流電路IR2161芯片電路IR2161芯片工作原理在接通市電電壓后，橋式整流器通過的電流除流入IC腳上的啟動(dòng)電流外，其余的大部分電流對(duì)電容充電。當(dāng)IC腳上的電壓達(dá)到啟動(dòng)閾值11.8V后，IC開始工作。一旦IC啟動(dòng)，由、和組成的電荷泵電路為IC腳饋送電流。自舉二極管和電容為

9、IC高側(cè)驅(qū)動(dòng)器電路供電。齊納二極管的作用為分流IC過剩電流，以防止IC損壞。IR2161提供軟件啟動(dòng)操作，可以避免浪涌電流產(chǎn)生。IR2161輸出125kHz的高頻。由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器初級(jí)漏感是固定的，在較高的頻率下呈現(xiàn)較高的阻抗，初級(jí)繞組上的電壓較低。致使變壓器輸出電壓較低，電流較小，同時(shí)也避免了保護(hù)電路被觸發(fā)。約經(jīng)1s的時(shí)間，電路以較低頻率運(yùn)行。在此過程中，IC腳3外部電容上的電壓從0V增加到5V。當(dāng)空載時(shí)，=0V，振蕩器頻率約60kHz在最大負(fù)載下，=5V，振蕩器頻率約30kHz。當(dāng)輸出短路時(shí)，電流流過半橋，被感測(cè)。只要IC腳CS上電壓超過1V的門限電平持續(xù)50ms以上的時(shí)間，系統(tǒng)將

10、關(guān)閉。如果負(fù)載超過最大負(fù)載的50，IC腳4上的電壓將超過0.5V較低的門坎電壓，在經(jīng)0.5s之后，系統(tǒng)將關(guān)閉。不論是短路保護(hù)還是過載保護(hù)，都能自動(dòng)復(fù)位。IR2161還提供過熱關(guān)閉功能。當(dāng)芯片結(jié)溫超過135的過溫度限制值時(shí)，半橋開關(guān)將停止工作，以避免MOSFET燒壞。單元電路如圖22所示：圖2-2IR2161芯片電路2.2.2的計(jì)算在半橋中間點(diǎn)上的電壓為DC總線電壓的1/2。DC總線的電壓與AC線路的電壓相同，負(fù)載上的電壓為AC線路的電壓的50，通過的電流為負(fù)載電流的一半。由于負(fù)載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50，在最大負(fù)載上上的峰值電壓=0.4V，通過的電流為(2-1)中的峰

11、值電流為(2-2)兩端的峰值電壓為V(2-3)從式（2-3）、式（2-4）和式（2-5）得到(2-4)對(duì)于工作在()=220V交流線路電壓下的PLOAD=100W的電子變壓器，電流感測(cè)電阻值為（2-5）2.2.2芯片介紹IR2161是國際整流器公司（IR）專為電子變壓器而設(shè)計(jì)的智能控制集成電路。該器件能驅(qū)動(dòng)低壓鹵素?zé)簟R2161把所需功能全部集于單一的8引腳DIP或SOIC封裝內(nèi)，從而可有效減少元件數(shù)量、簡化電路并增強(qiáng)可靠性。IR2161能適應(yīng)不斷變化的電壓、頻率及燈管狀態(tài)，這一特點(diǎn)有助于設(shè)計(jì)時(shí)引入高度可靠的鹵素變壓器，同時(shí)可簡化設(shè)計(jì)和制造過程。該款緊湊的8引腳器件配備IR的強(qiáng)化高壓集成電路

12、技術(shù)，同時(shí)揉合了600V半橋驅(qū)動(dòng)器、先進(jìn)的過載及短路保護(hù)電路以及高溫關(guān)閉和自適應(yīng)控制技術(shù)，可成為除傳統(tǒng)的基于自諧振、雙極晶體管半橋電路方案以外的另一可靠選擇。此外,IR2161內(nèi)含以雙向晶閘管為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)移相調(diào)光器，因而能支持外部調(diào)光。相比其它采用分立元件的同類電路，IR2161能節(jié)省兩成組件。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制也是IR2161的關(guān)鍵性能，可通過持續(xù)軟開關(guān)來增強(qiáng)變壓器的可靠性。IR2161以IR的高壓結(jié)間隔離HVJI集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)。這項(xiàng)專利技術(shù)把高壓電路從低壓電路中分隔出來，將高側(cè)及低側(cè)驅(qū)動(dòng)功能融合于緊湊的單芯片內(nèi)，從而控制多種開關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)洹Ｓ捎邴u素照明需配合高、低壓電路才能運(yùn)作，因此

13、，基于IR HVJI技術(shù)的器件特別適合該種應(yīng)用。IR2161的引腳排列如圖2-8所示，各引腳功能如表1所列。IR2161的其它特點(diǎn)包括：250/400、低于300uA的微功率起動(dòng)和30kHz125kHz的內(nèi)置振蕩器等。引腳排列如圖2-8所示，各引腳功能如表1。圖2-3IR2161芯片結(jié)構(gòu)表1-1IR2161的引腳功能序號(hào)符號(hào)功能描述1 VCC 低側(cè)邏輯和驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓 2 COM 集成電路的功率地端和信號(hào)地端 3 CSD 關(guān)斷時(shí)間控制和補(bǔ)償電容 4 CS 電流感應(yīng)輸入端 5 LO 低側(cè)柵驅(qū)動(dòng)輸出 6 VS 高側(cè)浮動(dòng)電源的返回端 7 HO 高側(cè)柵驅(qū)動(dòng)輸出 8 VB 高側(cè)柵驅(qū)動(dòng)浮空電源 圖1-

14、4所示是來用IR2161構(gòu)成的電子變壓器電路。當(dāng)電路開始有效工作后，電路通過電阻RS上的電流減去被IR2161吸收的啟動(dòng)電流來給電容CVCC充電。電阻大小的選取原則是保證它能從直流總線電壓獲取足夠的電流以使IR2161正常工作。由于電路只能在半個(gè)周期中給CVCC充電，因此選取CVCC時(shí)，必須保證VCC在另一半周期中高于欠壓封鎖閾值，否則會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作。如果僅僅通過RS給內(nèi)部電路供電，那么RS的值不能過大，否則就不能提供芯片內(nèi)部所需的電流，同時(shí)還要消耗1W2W的功耗。通過電荷泵電路可以解決這個(gè)問題，圖中由DCP1和DCP2組成了一個(gè)電荷泵電路，該電路和CSNUB進(jìn)行連接可以給VCC提供

15、內(nèi)部電路所需的電荷，由于RS只在啟動(dòng)時(shí)候起作用，因此，RS的值可適當(dāng)?shù)厝〈笠稽c(diǎn)，而不會(huì)影響電路的功耗。IR2161的其它特點(diǎn)包括250/400mA的輸出驅(qū)動(dòng)容量、156V齊納二極管鉗位Vcc、低于300uA的微功率起動(dòng)和30kHz125kHz的內(nèi)置振蕩器等。由于16V齊納二極管VZ的功耗高達(dá)1.3W，因此，圖2電路中將其外接，以減小芯片的內(nèi)部功耗。這樣，在有大電流出現(xiàn)時(shí)，VZ可以對(duì)多余電流進(jìn)行旁路，以減小對(duì)IR2161的危害。電路中雙向晶閘管上的一個(gè)強(qiáng)電壓變化會(huì)形成一個(gè)大電流，當(dāng)它流過電阻RD和電容CD時(shí)可立即將電容CVCC充電到最大值。一旦VCC超過它的啟動(dòng)閾值，HO和LO將開始振蕩，從而使

16、IR2161開始正常工作。電路中RS、RD和CD的選擇應(yīng)保證鎮(zhèn)流器正常工作時(shí)能夠提供足夠的電流。自舉二極管DB和電容CB的作用是給高側(cè)功率管提供電源電壓。為了保證在第一個(gè)脈沖到達(dá)HO之前，高側(cè)電源電壓已經(jīng)超過欠壓閾值，輸出驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)脈沖應(yīng)該送入LO端。在LO經(jīng)過數(shù)次振蕩以后，如果VBVS超過欠壓閾值，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器將開始工作。在欠壓封鎖模式下，高低側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出HO和LO都為低電平。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制是IR2161的關(guān)鍵性能，可通過持續(xù)軟開關(guān)來增強(qiáng)變壓器的可靠性。IR2161配備有一個(gè)動(dòng)態(tài)死區(qū)時(shí)間電路，當(dāng)半橋結(jié)構(gòu)中的直流母線電壓降到0V轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，該電路的監(jiān)測(cè)功能電路會(huì)調(diào)高低側(cè)驅(qū)動(dòng)器(LO輸出)。當(dāng)L

17、O變低時(shí)，其內(nèi)置取樣和保持具有大致相同的延遲，因而可在LO轉(zhuǎn)低后把高側(cè)驅(qū)動(dòng)器(HO輸出)調(diào)高。自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制可按振蕩器周期作出反應(yīng)，并可在需要時(shí)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。設(shè)計(jì)者時(shí)無需考慮功率管的寄生電容或者輸出變壓器的漏磁。為了滿足電子變壓器功率管寄生電容和輸出變壓器漏磁的需要，整個(gè)系統(tǒng)的最小死區(qū)時(shí)間設(shè)置為300ns。在該電路的初級(jí)變壓器上加一個(gè)緩沖電容可以提高轉(zhuǎn)換速率。但是如果緩沖電容過大，又會(huì)阻止VS電壓向反方向變化，從而使死區(qū)時(shí)間控制失效。IR2161的缺省死區(qū)時(shí)間為1.2us1.4us。緩沖電容的典型值為幾百pF。2.3變壓電路初級(jí)繞組最少匝數(shù)可根據(jù)公式計(jì)算 （2-6）式中：為最高峰值總線電壓

18、，可取其為400V；最大導(dǎo)通時(shí)間，其值可選取18s；為最大磁通密度，單位為T，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在100時(shí)的曲線獲得；為磁芯有效截面積，單位為。計(jì)算次級(jí)需要的匝數(shù)。次級(jí)繞組匝數(shù)NS可按公式計(jì)算。 （2-7）式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220V。在設(shè)計(jì)中采用環(huán)形磁芯，初級(jí)繞組78匝，次級(jí)繞組8匝，初級(jí)與次級(jí)繞組之間利用壓塑分離器隔離。單元電路如圖2-4示。圖2-4變壓電路第3章制作與調(diào)試3.1印制電路圖為了驗(yàn)證本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和節(jié)能開關(guān)的實(shí)用性，在Protel99Se環(huán)境下，按照“繪制電路原理圖電氣規(guī)則檢查生成網(wǎng)絡(luò)表規(guī)劃電路板導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表元件布局與調(diào)整布線”

19、等步驟設(shè)計(jì)印制電路板底圖，然后，用專門儀器或手工制作相應(yīng)印制板。最后，根據(jù)所設(shè)計(jì)的印制電路板組裝電路。注意，元件裝配過程中應(yīng)遵循“先里后外，先小后大，先輕后重”的原則。3.2制作調(diào)試注意事項(xiàng)1.首先檢查印刷電路是否設(shè)計(jì)正確，元器件位置是否安裝正確，二極管、電解電容等極性不要裝錯(cuò)。2.焊接質(zhì)量尤其重要，焊接時(shí)間較長易損壞元器件，焊點(diǎn)處理是否合理，有沒有焊接點(diǎn)短路、虛焊、多余管腳是否剪去。3.制作過程中注意用電安全，按照正常規(guī)程進(jìn)行操作。4.在不明確情況下，可以不通交流電，檢查各個(gè)元件工作特性；安裝正確后，再通入市電220V檢測(cè)。(以上各項(xiàng)測(cè)試是正常工作時(shí)的電壓變化情況，如實(shí)際制作好后不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

20、的功能，按照單元電路的分析方法，逐步查找原因。總結(jié)在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)IR2161電子變壓器進(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì)與闡述。電子變壓器在以后的領(lǐng)域中有很好的發(fā)展，我們身邊的小型電子產(chǎn)品里面用的大部分是電子變壓器 。如 的充電器，照明光源，電視機(jī)VCD機(jī)DVD機(jī)以及電磁爐里的電源還有電腦里的電源等等， 電子變壓器具有無噪音，自身耗能低，電壓適應(yīng)范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。也使得電子變壓器在各種領(lǐng)域的運(yùn)用廣泛。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)電子變壓器的原理功能和應(yīng)用領(lǐng)域有了更深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)已學(xué)過的專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了鞏固和提高，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際的效果。電子領(lǐng)域正以驚人的速度發(fā)展，只有不斷地學(xué)習(xí)才能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需要。我也明白了：活到老學(xué)到老才是硬道理。致謝在這三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我真誠地感謝楊老師和同學(xué)們的幫助，在他們的幫助下我順利的完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。首先我要衷心地感謝我的輔導(dǎo)老師楊波，在本次設(shè)計(jì)過程中他始終給予了我無私的熱情和幫助。開始他細(xì)心指導(dǎo)我的選題工作，在做開題報(bào)告的過程中，又反復(fù)而耐心地給我指出問題的所在，并幫助我糾正了許多不妥之處。在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一過程中，也給我提出了許多意見和建議，并交給我許多解決問題的技巧和方法。在寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的過程中，我也遇到了許多的困難，之所以能堅(jiān)持完成，這都離不開我的指導(dǎo)老師和同學(xué)們的幫助。通過短暫的畢業(yè)設(shè)計(jì)，從而提高了我的理論水平，