小功率AC-DC變換器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 BACHELOR S THESIS編號(hào) 學(xué)士學(xué)位論文小功率AC-DC變換器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名： XXX 學(xué) 號(hào)： 2011020XXXX 系 部： 物理系 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí)： 2011級(jí) 指導(dǎo)教師： XXXXX 完成日期： 2015 年 5 月 6 日中文摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型功率元器件的不斷出現(xiàn)，開關(guān)電源技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)、通訊、電力、家用電器、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了顯著的成果。本論文是通過使用高頻變壓器、LM431、光耦合器等為關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)并制作5V1A開關(guān)電源。論文主要完成的內(nèi)容有：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇開

2、關(guān)電源電路。（2）設(shè)計(jì)主電路，控制電路，并確定相關(guān)器件參數(shù)。（3）通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。本論文對(duì)開關(guān)電源的濾波、整流、反饋電路等分別作了細(xì)致的研究工作，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，掌握了簡單開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述。 關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激式；反饋;5V1AAbstractWith the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, c

3、ommunications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable results. The present paper is through use power control chip design and production CR6850C 12V5A switch power supply. The main content of the papers are: (1)According to the design needs to choose switching power

4、supply circuit; (2)Design main circuit, control circuit, the power factor correction circuit, and identify the device parameters; (3)Through experiment and computing to verify the data design; In the thesis, the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in deta

5、ils. The main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The design process is specified also. Key words: SwitchPower Spply; Flyback ; feedback; 5V1A; 目錄1 緒論1.1 開關(guān)電源的概念和分類 1.1.1開關(guān)電源的概念31.1.2開關(guān)電源的分類41.2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的問題與未來發(fā)展1.3 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的開關(guān)電源術(shù)語2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理論2

6、.1 開關(guān)電源的主電路設(shè)計(jì)2.1.1主電路設(shè)計(jì)92.2 控制電路設(shè)計(jì)93 開關(guān)電源仿真設(shè)計(jì)103.1 開關(guān)電源仿真分析114 開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)12 4.1工作原理12 4.2 原器件清單13 4.3 PC817介紹14 4.4 開關(guān)電源電路分析15結(jié) 論16參考文獻(xiàn)17致謝181. 緒論1.1 開關(guān)電源的概念和分類1.1.1 開關(guān)電源的概念開關(guān)電源通常是指人們利用現(xiàn)代的電力電子技術(shù)，來人工控制開關(guān)管連通和斷開的時(shí)間的比率，保持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，開關(guān)電源通常是由輸入電磁干擾濾波器、輸入整流濾波電路、功率因數(shù)校正變換電路、采樣控制比較電路、輸出整流濾波電路。開關(guān)電源和線性電源相比，它們兩個(gè)

7、的制造成本都是跟著輸出開關(guān)電源功率的增大而不斷增長，但它們兩個(gè)功率的增長速率都不一樣1。通常按照電力電子理論，人們所說的AC/DC就是交流轉(zhuǎn)換為直流；AC/AC稱為交流電轉(zhuǎn)換為交流電；DC/AC稱為直流轉(zhuǎn)換為交流；DC/DC稱為直流變交流后再變直流。為達(dá)到交直流電轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多種多樣的。自20世紀(jì)60年以后，人們研發(fā)出了各種邢臺(tái)的二極管、三極管、半導(dǎo)體器件以后后，就逐步的開始用半導(dǎo)體器件進(jìn)行交直流的轉(zhuǎn)換。因此，凡是用半導(dǎo)體功率器件制作的開關(guān)電源，都是把一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)過程的的電路，通常我們把它叫做開關(guān)電源變換電路。在開關(guān)進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的時(shí)候，以自動(dòng)控制輸出穩(wěn)定電壓并且

8、含有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，我們稱它為開關(guān)電源。開關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖1.1所示。圖1.1 開關(guān)電源工作原理框圖第一部分是電壓輸入電路，它通常包含有低通濾波環(huán)節(jié)和第一次整流環(huán)節(jié)，我們把220V的交流電壓直接輸入到開關(guān)電源中，這時(shí)電流經(jīng)過第一次濾波和整流后可以得到未穩(wěn)定的直流電壓V1。這以后將得到的為穩(wěn)定的電壓輸送到第二個(gè)電路部分中中進(jìn)行功率因數(shù)校正（有源調(diào)整），這一步的目的是為了提高功率因數(shù)的大小，這樣就可以基本保持輸入電壓與輸入電流的大小是同相的。第三部分是功率轉(zhuǎn)換，它的主要是由電子開關(guān)和高頻方波脈沖電壓2部分組成的電路。第四部分是電壓輸出電路，目的是將前面經(jīng)過濾波蒸流得到的高頻方波脈

9、沖電壓經(jīng)第二次整流濾波后變成我們所需的直流電壓讓后再輸出。第五部分是控制比較電路，把前一步得到的穩(wěn)定的輸出電壓經(jīng)過分壓、采樣兩個(gè)步驟以后，再與電路的基準(zhǔn)電壓的大小進(jìn)行比較、放大的過程。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，頻率振蕩發(fā)生器的作用是第一使得電源的功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上；第二方面使得電路的高頻發(fā)生器始終以高頻率恒定電流輸出。所以，當(dāng)我們所輸入的電源電壓發(fā)生波動(dòng)的時(shí)后，電源電路的發(fā)光亮度一直保持著不變。有高頻電子開關(guān)是開關(guān)電源中的電能轉(zhuǎn)換的主要實(shí)現(xiàn)手段和運(yùn)用方法之一。在一個(gè)電子開關(guān)周期（T）內(nèi)，電子開關(guān)的接通時(shí)間與一個(gè)電子周期所占時(shí)間之比，叫接通占空比（D），D=斷開時(shí)間所占T的比例稱為斷開占

10、空比（D'），開關(guān)周期是開關(guān)頻率的倒數(shù)，例如：一個(gè)開關(guān)電源的工作頻率是50kHz，它的周期T為：（微秒）。很明顯，接通占空比（D）越大，負(fù)載上的電壓越高，表明電子開關(guān)接通時(shí)間越長，此時(shí)負(fù)載感應(yīng)電壓較高，工作頻率也較高。這對(duì)于開關(guān)電源的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)小型化有幫助，同時(shí)，能量傳遞的速度也快。但是，開關(guān)電源中斷開關(guān)功率管、高頻變壓器、控制集成電路以及輸入整流二極管的發(fā)熱量高、損耗大。對(duì)于不同的變換器形式，所選用的占空比大小是不一樣的。開關(guān)電源與鐵芯變壓器電源以及其他形式的電源比較起來具有較多的優(yōu)點(diǎn)3： （1）在現(xiàn)代比較節(jié)能的綠色的開關(guān)電源技術(shù)是這一行業(yè)討論的比較多的話題。長久以來，會(huì)有很少的

11、電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專家去解決關(guān)于功率的消耗問題。實(shí)際上，大多數(shù)的電源制作人員會(huì)盡量的將功率消耗降到最低，讓他們的產(chǎn)品品質(zhì)更優(yōu)。但是，隨著“綠色電源”的概念和“智能電網(wǎng)”的概念一起出現(xiàn)，這個(gè)概念涵蓋的范為已經(jīng)不僅僅是功耗的問題了。我們就從最基本的方面說起，“綠色”表示的是效率高，在人們把負(fù)載加到20%之后，電源的轉(zhuǎn)換效率將會(huì)達(dá)到82%以上，同時(shí)在50%的負(fù)載條件下，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率將會(huì)達(dá)到所說的最高85%這個(gè)數(shù)據(jù)超出80Plus銅牌的標(biāo)準(zhǔn)。因此（10%-100%）的開關(guān)電源負(fù)載效率都會(huì)超過了90%，剩下的在20%以后將會(huì)到達(dá)了95%以上的數(shù)據(jù)。此外在開關(guān)電源的功率因數(shù)是100%將會(huì)達(dá)到了98.4%

12、，他的表現(xiàn)非常的優(yōu)秀是比較好的開關(guān)電源。他的空載待機(jī)功率消耗大約為0.21W。（2）體積比較小，重量比較輕。跟據(jù)人們的統(tǒng)計(jì)，通常所說的100W的鐵芯變壓器的重量大約為1200g左右，它們的體積將達(dá)350cm3，而我們所用的100W的開關(guān)電源的重量在現(xiàn)在來說只有250g，并且現(xiàn)在的開關(guān)電源質(zhì)量更加輕變，它的體積還不到鐵芯變壓器體積的1/4。（3） 開關(guān)電源具有各種保護(hù)功能，安全系數(shù)高，相對(duì)于其它電源不易損壞。適應(yīng)現(xiàn)代高速發(fā)展的電子技術(shù)。（4）能夠比較容易的改變輸出電流、電壓，而且使用穩(wěn)定、可控。（5）能根據(jù)人們的要求，可設(shè)計(jì)出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需要。1.1.2 開關(guān)電源的分類

13、1.按電路的輸出穩(wěn)壓控制方式。 開關(guān)電源可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)式、脈沖頻率調(diào)制(PFM)式和脈沖調(diào)頻調(diào)寬式三種。2. 按開關(guān)電源的觸發(fā)方式分類 自激式開關(guān)電源，自激式開關(guān)電源利用電源電路中的開關(guān)晶體管和高頻脈沖變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關(guān)電源輸出直流電壓。在顯示設(shè)備的PWM式開關(guān)電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在掃描電路發(fā)生故障時(shí)，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。它激式開關(guān)電源其電源必須有一個(gè)振蕩器，用以產(chǎn)生開關(guān)脈沖來控制開關(guān)管，使開關(guān)電源工作，輸出直流電壓。3.按其他方式分類按電路的輸出取樣方式分類，可分為直接輸出取樣開關(guān)電源，間接輸出取樣開關(guān)電源；開

14、關(guān)電源按功率開關(guān)管的連接方式，可分為單端正激開關(guān)電源、單端反激開關(guān)電源、半橋開關(guān)電源和全橋開關(guān)電源；按功率開關(guān)管與電源供電、儲(chǔ)能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關(guān)電源和并聯(lián)開關(guān)電源4。2.開關(guān)電源設(shè)計(jì)中存在的問題與未來發(fā)展1.2.1開關(guān)電源中存在的問題 客觀上講，開關(guān)電源的發(fā)展是非常快的，這時(shí)因?yàn)樗哂衅渌娫此鶡o法比擬的優(yōu)勢(shì)。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α５?，它離人們的要求、應(yīng)用的價(jià)值還差得很遠(yuǎn)，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說是十分完美5。目前要解決的問題有：(1)器件問題。電源控制集成度比較低，這就影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)對(duì)電

15、源的體積和效率來說也是一個(gè)大問題。(2)材料問題。開關(guān)電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管燈都很笨重，也是耗能的主要根源。(3)能源變換的問題。按照我們?nèi)粘５牧?xí)慣，開關(guān)電源的變化有這幾種的形式：.交流直流變換、直流交流變換以及直流直流變換等。我們要實(shí)現(xiàn)這幾種變化都是以頻率作為基礎(chǔ)的，目的都是為了改變電壓，但是這樣制作的工藝很復(fù)雜，我們對(duì)電壓控制的難度比較大，最重要的是不能大規(guī)模生產(chǎn)實(shí)用性低。(4)軟件問題。開關(guān)電源的軟件開發(fā)目前我們只是走了很小的一部，比如說軟開關(guān)，它的特點(diǎn)是損耗低，它的缺點(diǎn)是不容易使實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻率化和體積小型化。我們要做到“軟開關(guān)”同時(shí)實(shí)現(xiàn)程序化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)在技術(shù)

16、來說有很多的困難。要真正的利用軟件操作以達(dá)到功率轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)改善、全程自動(dòng)檢測(cè)控制的目的，還需要人們?nèi)ヅΑ?5)生產(chǎn)工藝問題。在日常的試驗(yàn)室中能達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在生產(chǎn)制作的環(huán)節(jié)上會(huì)出現(xiàn)不同的各種各樣的問題。這樣的問題大多產(chǎn)生在焊接時(shí)候的問題和元器件技術(shù)性能方面的問題，同時(shí)還有我們?cè)谏a(chǎn)工藝上的檢測(cè)、老化、粘結(jié)、環(huán)境等方面的因素。1.2.2開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)開關(guān)電源以它的體積小巧方便、質(zhì)量比較輕和轉(zhuǎn)換的效率比較高等等的這幾個(gè)特點(diǎn)，目前被人們非常廣泛的應(yīng)用于以電子行業(yè)為主力的所有電子設(shè)備周明華，是當(dāng)今社會(huì)電子產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的必不可少的一種取得合適大小電源的方式。當(dāng)前社會(huì)市場上所出售的開關(guān)電源中比

17、較多的是采用我們所知道的雙極性晶體管制成的100kHz、用MOS管制成的500kHz電源電路，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了已實(shí)用化，商業(yè)化的目的，但開關(guān)電源的頻率大小需要進(jìn)一步增加。我們要提高開關(guān)電源的頻率大小，就要不但要減小開關(guān)電源的功率損耗，而且要減小開關(guān)的損耗，這個(gè)問題就需要我們有高速讀的開關(guān)元器件。但是，開關(guān)電源速度增加以后，開關(guān)電源會(huì)受到電路中分布的電感和電容以及二極管，三極管中存儲(chǔ)的電荷多少的影響而積累產(chǎn)生噪聲。這種情況下，不僅僅會(huì)影響到開關(guān)電源所負(fù)載的電子設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)還會(huì)大大降低電開關(guān)源的本身可靠性能，對(duì)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)不好。這其中，人們?yōu)榉乐闺S開關(guān)啟和閉合開關(guān)電源所發(fā)生的電壓浪涌現(xiàn)象，我們通

18、常采用的是R-C或L-C緩沖震蕩器，來消除浪涌現(xiàn)象，而人們通常對(duì)由于是二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌現(xiàn)象比較多的是采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。但是，我們對(duì)1MHz以上的高頻率，這個(gè)時(shí)候就要運(yùn)用諧振電路來實(shí)現(xiàn)，以使的開關(guān)電源上的電壓或通過開關(guān)的電流出現(xiàn)的是正弦波波形，這樣的話我們不但可減少開關(guān)電源的電壓損耗，同時(shí)我們也可控制浪涌現(xiàn)象的產(chǎn)生。這樣的開關(guān)方式我們稱之為諧振式開關(guān)?，F(xiàn)在我們對(duì)于這種開關(guān)電源的研究很普遍，因?yàn)槿藗儾捎眠@種方式不需要大大提高開關(guān)電源的速度就可以在理論上把開關(guān)損耗降到零，而且產(chǎn)生的噪聲也非常小，這種方法可以成為未來開關(guān)電源高頻化的一種主要方式和發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)在，世界上很國家都

19、在致力于數(shù)兆Hz的電壓變換器的實(shí)用化研究和設(shè)計(jì)。1.3開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的開關(guān)電源術(shù)語效率：電源的輸出功率與輸入功率的百分比。其測(cè)量條件是滿負(fù)載，輸入交流電壓為標(biāo)準(zhǔn)值。ESR：等效串聯(lián)電阻。它表示電解電容呈現(xiàn)的電阻值的總合。一般情況下，ESR值越低的電容，性能越好。輸出電壓保持時(shí)間：在開關(guān)電源的輸入電壓撤消后，依然保持其額定輸出電壓的時(shí)間。啟動(dòng)浪涌電流限制電路：它屬于保護(hù)電路。它對(duì)電源啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尖峰電流起限制作用。為了防止不耗,在設(shè)計(jì)這一電路時(shí)，一定要保證濾波電容充滿電之前，就起到限流作用。隔離電壓：電源電路中的任何一部分與電源基板地之間的最大電壓?；蛘吣軌蚣釉陂_關(guān)電源的輸入端與輸出端之間的最大

20、直流電壓。線性調(diào)整率：輸入電壓最高最低時(shí)輸出電壓變化穩(wěn)定指標(biāo)。負(fù)載調(diào)整率：電源負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化，負(fù)載增加，輸出降低，相反負(fù)載減少，輸出升高。好的電源負(fù)載變化引起的輸出變化較小，通常指標(biāo)為3%-5%。 噪音和波紋：附加在直流輸出信號(hào)上的交流電壓和高頻尖峰信號(hào)的峰值。通常是以mv度量。隔離式開關(guān)電源：一般指高頻開關(guān)電源。它從輸入的交流電源直接進(jìn)行整流和濾波，不使用低頻隔離變壓器。輸出瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間：指系統(tǒng)在某一典型信號(hào)輸入作用下，其系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的變化過程。瞬態(tài)響應(yīng)也稱動(dòng)態(tài)響應(yīng)或過渡過程或暫態(tài)響應(yīng)。過載或過流保護(hù)：防止因負(fù)載過重，使電流超過原設(shè)計(jì)的額定值而造成電源損壞的

21、電路。遠(yuǎn)程檢測(cè)：電壓檢測(cè)的一種方法。為了補(bǔ)償電源輸出的電壓降，直接從負(fù)載上檢測(cè)輸出電壓的方法。軟啟動(dòng)：在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，一種延長開關(guān)波形的工作周期的方法。工作用期是從零到它的正常工作點(diǎn)所用的時(shí)間。電磁干擾無線頻率干擾：即那些由開關(guān)電源的開關(guān)元件引起的，不希望傳按和發(fā)射的高頻能量頻譜?？焖俣搪繁Ｗo(hù)電路；用于電源輸出端的保護(hù)電路。當(dāng)出現(xiàn)過壓現(xiàn)象時(shí)，保護(hù)電路啟動(dòng)，將電源輸出端電壓快速短路。占空比；脈沖信號(hào)的通電時(shí)間與通電周期之比。在一串理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值6。2.開關(guān)電源設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.1開關(guān)電源的主電路設(shè)計(jì) 按照現(xiàn)在科技水平，功率開關(guān)電源有以下幾個(gè)分類：

22、小功率開關(guān)電源（主要指1100W）通?？梢赃x用電路成本比較低的反激式電路來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)；開關(guān)電源需求的的功率在100W以上的，況且開關(guān)電源的工作環(huán)境一般干擾比較大、輸入電壓的質(zhì)量或出現(xiàn)偏差、負(fù)載輸出電壓短路現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)于這種情況我們應(yīng)用正激式電路來實(shí)現(xiàn)；開關(guān)電源使用功率大于500W以上的時(shí)候，我們通常需要用配置非常好的電源，這種情況我們可以采用半橋式或全橋式的電路來實(shí)現(xiàn)目的；有些時(shí)候我們對(duì)開關(guān)電源要很高的的成本，這是我們可以采用半橋式電路來實(shí)現(xiàn)，如果開關(guān)電源對(duì)的功率需求很高的時(shí)候，我們就應(yīng)該采用全橋式電路來設(shè)級(jí)。本設(shè)計(jì)的輸出電壓電流為5V/1A，開關(guān)電源的功率在1100W以內(nèi)，選用反激式電路，

23、如圖2.1所示，當(dāng)功率開關(guān)管VT導(dǎo)通的時(shí)后，輸入端輸入的電能會(huì)以磁能的形式存放在在變壓器的初級(jí)線圈N1中，因?yàn)橥舜嬖诘年P(guān)系，次級(jí)線圈一側(cè)的二極管V1不會(huì)因此導(dǎo)通，所以負(fù)載不會(huì)有電流通過。當(dāng)功率開關(guān)晶體管的VT導(dǎo)通斷開的時(shí)后，變壓器的次級(jí)繞組以輸出電壓U0可以為負(fù)載提供電壓，并且會(huì)對(duì)變壓器進(jìn)行消磁7圖2.1反激開關(guān)電源電路2.1.1主電路設(shè)計(jì)（1）確定輸入直流母線的電壓變化范圍。隨輸入的變化范圍；每個(gè)工頻周期內(nèi)電壓變化。（2）設(shè)計(jì)開關(guān)頻率fs，最大占空比Dmax=0.45。按照要求設(shè)定開關(guān)頻率；根據(jù)輸入功率，并假定最低電壓最大占空比，剛好臨界繼續(xù)，然后確定電感峰值電流。（3）設(shè)計(jì)反激變壓器

24、根據(jù)最大峰值電流，確定原邊的電感量： 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定磁芯尺寸，計(jì)算原邊匝數(shù)：是磁芯截面積，是設(shè)計(jì)的最大磁通密度。 根據(jù)電感量和匝數(shù)，設(shè)計(jì)氣隙。 根據(jù)原邊開關(guān)管的額定電壓選擇合適的匝比。為了獲得較好的副邊交叉調(diào)整率，有時(shí)候需要調(diào)整變壓器原邊的匝數(shù)。（4）開關(guān)管選擇：功率MOSFET考慮 開關(guān)管電壓應(yīng)力； 開關(guān)管電流應(yīng)力：計(jì)算變壓器原邊的最大電流。（5）副邊二極管的選擇 快速恢復(fù)二極管； 計(jì)算二極管的耐壓：計(jì)算二極管的電流（6）輸出濾波電容的選擇根據(jù)電流/電壓應(yīng)力，紋波要求，選擇電解電容。（7）RCD吸收電路圖2.2 RCD吸收電路考慮問題點(diǎn)： 吸收效果； 損耗盡可能小。吸收效果與損耗之間折衷。損耗

25、估算方法：MOSEFT關(guān)斷時(shí)，當(dāng)超過RCD緩沖電路中的電容兩端的電壓時(shí)，緩沖二極管導(dǎo)通，尖峰電流被RCD電路吸收時(shí)，從而削減了尖峰電流。緩沖電容一定要足夠大，才能保證在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容兩端的電壓沒有顯著變化。但是吸收電容太大，也會(huì)增加緩沖電路的損耗，必須折中8。吸收電路消耗的電能可由下式計(jì)算得：2.2 控制電路設(shè)計(jì)在開關(guān)電源電路中的設(shè)計(jì)中，比較多的是采用負(fù)反饋控制的方式，目的是使輸出的電壓或電流保持穩(wěn)定的數(shù)值，并且有一定的穩(wěn)定電壓或者穩(wěn)定電流準(zhǔn)確度的作用。所以開關(guān)電源的主電路以及它的反饋控制電路則構(gòu)成了自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的經(jīng)典結(jié)構(gòu)如下圖2.3所示。本電路中控制電路的設(shè)計(jì)和理論就是圍繞這自動(dòng)控制

26、系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。反饋在學(xué)術(shù)上我們又稱它為回饋，它是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基本概念中不可或缺的一種。反饋主要是在無線技術(shù)中產(chǎn)生的，后來它成為研究各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)調(diào)節(jié)的重要原理依據(jù)之一。反饋本質(zhì)上說就是被控制過程對(duì)控機(jī)構(gòu)反作用過程，這樣一中反作用會(huì)影響系統(tǒng)的本來過程或者結(jié)果。在日常生產(chǎn)生活中人們可以通過反饋的概念了解各種復(fù)雜系統(tǒng)的原理和動(dòng)態(tài)機(jī)制結(jié)構(gòu)，從而揭示了不同物質(zhì)之間運(yùn)動(dòng)的相互聯(lián)系、相互作用。 反饋包括負(fù)了反饋和正反饋。正反饋的作用是使輸出與輸入相反，根本目的是讓系統(tǒng)的輸出與系統(tǒng)目標(biāo)間的的誤差降低，從而使系統(tǒng)更加穩(wěn)定；負(fù)反饋的作用是使輸出與輸入更加相似，根本目的是使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，從而加強(qiáng)系統(tǒng)控制作用。人

27、們對(duì)于負(fù)反饋的研究是主要的，它是控制論中的核心關(guān)鍵問題。 在開關(guān)電源的放大電路中，既要考慮直流分量，又要考慮交流分量，因此就會(huì)有直流反饋和交流反饋的區(qū)別。直流反饋主要影響的是放大電路的直流特性，比如靜態(tài)工作點(diǎn)等等。交流反饋主要影響放大電路的交流特性，比如帶寬、增益、輸入輸出電阻等。 人們通常把負(fù)反饋分為四種狀態(tài)：壓串負(fù)反饋、壓并負(fù)反饋、流串負(fù)反饋、流并負(fù)反饋這四種狀態(tài)。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析的方法來選擇。 反饋信號(hào)按照取樣方式的分類：從放大器的輸出端看，按取樣方式的不同，反饋可以分為2類，電壓反饋和電流反饋。 (a)電流反饋：電路中輸出電流或者輸出電流的一小部分會(huì)產(chǎn)生反饋現(xiàn)象，從而

28、影響電路， (b)電壓反饋：電路中輸出電壓或者輸出電壓的一小部分會(huì)產(chǎn)生反饋現(xiàn)象，從而影響電路，從放大器的輸入端看，按照反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的混合方式分類，反饋可分為并聯(lián)反饋和串聯(lián)反饋9。- 給定 + 調(diào)節(jié)器PWM 比較器反饋開關(guān)電路輸出圖2.3閉環(huán)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)3. 開關(guān)電源仿真設(shè)計(jì)3.1 開關(guān)電源仿真分析 圖3.1 ,5V1A開關(guān)電源仿真圖開關(guān)電源仿真如圖3.1，該電路圖是220V交流電輸入，經(jīng)過一次整流D3、濾波C1。然后會(huì)經(jīng)過逆變過程、變壓器變壓過程，之后在進(jìn)行二次整流D6，濾波C4輸出。從而使輸出電壓5V，輸出電流1A。仿真結(jié)果如圖3.2和3.3。圖3.2 輸出電壓波形圖4 開關(guān)電源

29、的設(shè)計(jì)4.1電路工作原理 該電路由開關(guān)電源和輸出電路兩部分組成。當(dāng)接通電源后，輸入200v交流電后開始第一次整流（D3）濾波（C1）得到不穩(wěn)定的電壓，電壓通過電阻R1給三極管Q1基極提供工作電流，這是三極管Q1開始導(dǎo)通三極管Q1開始工作，Q1的集電級(jí)電流線性增長。而這時(shí)變壓器L2中可以感應(yīng)出三極管Q1為正反饋，其中基級(jí)為正級(jí)，發(fā)射級(jí)為負(fù)級(jí)。正反饋電壓通過電容C1電阻R3傳遞到Q1基級(jí)，這時(shí)三極管Q1基級(jí)達(dá)到飽和狀態(tài)，與此同時(shí)，由于電容C3在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下充電，電容C3電壓變大，三極管Q1基級(jí)電流逐漸將少。在變壓器L2中可以感應(yīng)出三極管Q1基級(jí)為負(fù)電壓，發(fā)射級(jí)為正電壓，這時(shí)三極管Q1會(huì)立刻截止

30、，由此完成了一個(gè)振蕩周期。在這期間里變壓器L3繞組能夠測(cè)出一個(gè)大小大約5V的交流電壓。在這以后電容C3慢慢開始放電，三極管Q1基級(jí)的電壓開始變大，這時(shí)開始第二次震蕩周期，以后不斷循環(huán)這個(gè)步驟。 經(jīng)過變壓器處理的電壓在L3繞組輸出，開始第二次整流D6濾波C4，這時(shí)電壓是穩(wěn)定的電壓，可以通過USB座給負(fù)載提供5V電流，而LED燈和R5共同組成了一個(gè)指示電路。 在本電路中穩(wěn)壓二極管Z1、PC817和三極管Q2等共同組成了一個(gè)取樣比較電路，其作用是檢查電路中輸出的電壓是否符合5V。當(dāng)因?yàn)樨?fù)載或者電源電壓變大等原因是電路中輸出電壓高于5V時(shí)，穩(wěn)壓二極管Z1會(huì)被擊穿，PC817中電流增大，這時(shí)變壓器L2繞

31、組中電壓會(huì)由PC817傳遞到三極管Q2，三極管Q2基級(jí)電流會(huì)變大，同時(shí)使得集電極電流業(yè)變大，最終影響到三極管Q1，使它的基級(jí)電流變小，集電極電流也變小，從而使他的負(fù)載能力減弱，這會(huì)使得輸出電壓變得很小。與此同時(shí)，因?yàn)槿龢O管Q2電壓減小，它會(huì)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。這樣三極管Q1的電壓會(huì)變大，負(fù)載能力變小。最終影響輸出電壓變小。這樣就完成了一個(gè)比較取樣過程，起到了電路自動(dòng)穩(wěn)定電壓的作用。 本人設(shè)計(jì)的電路具有過流過載保護(hù)功能。具體地說就是當(dāng)負(fù)載過大或者負(fù)載出現(xiàn)短路的時(shí)候，三極管Q1的集電極電流會(huì)變大，發(fā)射極電壓會(huì)降低很快，這樣會(huì)通過電阻R4讓三極管Q2處于飽和狀態(tài)，因此三極管Q1會(huì)出現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，沒有輸出，防

32、止由于負(fù)載太大引起的損壞。4.2元器件清單 表1清單序號(hào)名稱型號(hào)位號(hào)數(shù)量1電阻2KR112電阻15R213電阻560R314電阻1KR4，R515電解電容400V/2.2uFC116電解電容25V/10uFC217電解電容16V/220uFC418瓷片電容472C319二極管IN4007D3110二極管IN5819D6111二極管IN4148D5112穩(wěn)壓二極管4.7VZ1113發(fā)光二極管紅LED1114集成電路817cIC1115三極管13001Q1116三極管C945Q2117變壓器6腳T1118USB插座A型JP1 4.3 PC817介紹 PC817光耦合電路比較多的用在電腦，手機(jī)，測(cè)量

33、儀，自動(dòng)控制設(shè)備，自助取款機(jī)中。在家電中用的也比較多，列如電風(fēng)扇，電飯煲，電磁爐等，主要是用于實(shí)現(xiàn)電路之間的消息傳送，使它們前端與負(fù)載完全隔離，實(shí)現(xiàn)光電隔離。其根本目的是為了加強(qiáng)安全性，減小電路中的相互干擾，從而簡化電路設(shè)計(jì)12。圖4.1,PC817內(nèi)部結(jié)構(gòu) pc817c在開關(guān)電源電路中也有著比較重要的作用，主要是是起到開關(guān)電源變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的被測(cè)量電壓的控制信號(hào)，與初級(jí)PWM控制芯片實(shí)現(xiàn)光電隔離的信號(hào)反饋。假如直接實(shí)現(xiàn)電氣的連接，就會(huì)造成高壓接地和低壓接地地的直接連通，就會(huì)對(duì)人身的安全造成嚴(yán)重危害!所以pc817c在開關(guān)電源中主要的作用是起到光電隔離13.PC817參數(shù)如表4

34、-2表4-2 PC817參數(shù)圖參數(shù)符號(hào)額定值單位輸入正向電流IF50mA正向峰值電流IFM1A反向電流VR6V功耗P70MW輸出集電極發(fā)射極電壓35V發(fā)射極集電極電壓6V集電極電流IC50MV集電極功耗PC150MW總功耗200MW隔離電壓5000工作溫度-30to+100°C存儲(chǔ)溫度-50to+200°C焊接溫度260°C 圖2 光耦PC817應(yīng)用電路圖PCB板圖4： 圖 3PCB板圖4.4 開關(guān)電源電路分析在現(xiàn)在科學(xué)中開關(guān)電源主要是由濾波整流電路、功率調(diào)整電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源等這五部組成。主電路的作用主要是限制接通電源因?yàn)樗查g輸入電流過大引起的的

35、沖擊電流危害。濾波整流電路的作用是，將輸入的不穩(wěn)定電壓進(jìn)行第一次整流濾波14。比較取樣電路的作用一方是面從輸出端取樣電壓，和我們?cè)O(shè)定的值進(jìn)行比較，然后去控制反饋器，改變其脈沖寬度或者脈沖頻率，讓輸出電壓穩(wěn)定，另一方面，它會(huì)根據(jù)我們測(cè)試的電路提供的所需的數(shù)據(jù)，經(jīng)過保護(hù)電路檢測(cè)電路提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。輔助電源的作用是實(shí)現(xiàn)了電源的遠(yuǎn)程啟動(dòng)，它為保護(hù)電路和控制電路（PWM等芯片）工作提供開關(guān)電源集成控制器多位脈寬調(diào)制型信號(hào)，最早的脈寬調(diào)制型一般都是電壓調(diào)制型，電壓調(diào)制型指的是的是如果瞬時(shí)響應(yīng)不理想，對(duì)電路會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用。電流控制型脈寬調(diào)制器的性能和功能與性能一般比電壓控制型好，國外新生產(chǎn)的電流控制型脈寬調(diào)制器種類和數(shù)量等比較多且質(zhì)量好，它們具有完全取代電壓控制型的大趨勢(shì)。在大于500KHz頻率下提高變換頻率的功耗比較好的辦法是是采用諧振變換器，并且使用零電流和零電壓開關(guān)技術(shù)，目前國外廠家生產(chǎn)的諧振集成控制器使開關(guān)電源的工作頻率已可以達(dá)到1MHz。開關(guān)電源集成控制器的功能決定了開關(guān)電源整機(jī)使用元器件的多少，電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，直接影響著開關(guān)電源的可靠性及性能15。結(jié) 論5V/1A開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)