開關電源畢業(yè)設計論文

1、江蘇理工學院畢業(yè)設計說明書（論文） 本科畢業(yè)設計（論文）超薄型中功率LED顯示屏電源系統(tǒng)設計學院名稱： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師姓名： 指導教師職稱： 副教授/工程師 二一四 年 六 月超薄型中功率LED顯示屏電源系統(tǒng)設計 摘 要：針對LED顯示屏電源系統(tǒng)的厚重等缺點，本文設計了一款超薄型中功率直流穩(wěn)壓開關電源系統(tǒng)。這款電源采用單端正激方式的主電路，主要由輸入整流濾波，開關占空比控制，高頻變換器，輸出整流濾波，穩(wěn)壓電路等模塊構成。本文詳細地闡述了該款電源的設計思路，并完成硬件系統(tǒng)的組裝調(diào)試，實現(xiàn)了超薄型中功率LED電源顯示系統(tǒng)的設計

2、。 關鍵詞：開關電源；單端正激；高頻變換器Design system of ultra-thin medium-power LEDdisplay power supplyAbstract:The paper designs an ultra-thin medium-power DC switching power supply systems in order to overcome the heavy power system and other shortcomings of the LED display. This power supply uses a single-ended fo

3、rward way of the main circuit ,which mainly constituted by the input rectifier,switch duty cycle control,high frequency converter,the output rectifier,regulator circuit modules ,etc.This paper expounded in detail the design ideas of the power supply,and complete the assembly debugging of the hardwar

4、e system to achieve the design of ultra-thin medium-power LED power display system. Keywords:Switching power supply;Single correct shock;The high frequency converter目錄第1章 緒論11.1 課題的意義11.2 課題研究的內(nèi)容11.3性能指標1第2章 系統(tǒng)方案設計與論證22.1 系統(tǒng)方案設計22.2 系統(tǒng)方案論證3第3章 系統(tǒng)硬件電路設計53.1 主電路方案設計與論證53.1.1 主電路方案設計53.1.2 主電路方案論證83.2

5、輸入端整流濾波電路的設計93.2.1濾波電路設計93.2.2整流電路設計103.3 開關占空比控制電路的設計103.3.1 脈寬調(diào)制芯片的選取103.3.2 基于NCP1252A的控制電路設計123.3.3 控制電路的元器件選取123.4 高頻變壓器的設計與繞制153.4.1 高頻變壓器的規(guī)格設計153.4.2 高頻變壓器的繞制工藝193.5 輸出端的電路設計213.5.1 整流濾波電路的設計213.5.2 穩(wěn)壓電路的設計223.6 硬件電路印刷電路板的繪制233.6.1 印刷電路板繪制軟件簡介233.6.2 印刷電路板的設計243.6.3 印刷電路板設計效果圖263.7 電源系統(tǒng)的熱設計27

6、3.7.1 電源熱系統(tǒng)的熱分析273.7.2 電源系統(tǒng)的散熱方式選擇與設計28第4章 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析304.1 測試要求與步驟304.2 調(diào)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析31第5章 設計總結(jié)36參考文獻37致謝39附錄一 硬件原理圖40附錄二 元器件清單41附錄三 變壓器繞制說明44附錄四 實物圖45第1章 緒論1.1 課題的意義LED顯示屏主要有著商品宣傳，店面裝飾，烘托氛圍等作用。LED顯示屏能主動發(fā)光，且工作電壓低，可以通過電流調(diào)節(jié)LED顯示屏的亮度。LED顯示屏本身具有耐沖擊、壽命長等有點，在大型顯示設備中LED顯示屏有著無可替代的優(yōu)勢1。電源系統(tǒng)作為LED顯示屏的核心，為LED顯示屏提供能量，

7、起著至關重要的作用。同時，在電子電氣設備日益發(fā)展的今天，電源系統(tǒng)不斷的改善、創(chuàng)新，以滿足不同設備的需求。1.2 課題研究的內(nèi)容 本文主要研究LED顯示屏電源系統(tǒng)的熱分析和設計，重點分析了電源方案的選取、主電路拓撲方式的確定，及各模塊電路器件的計算等。本文設計的是一款超薄型AC-DC直流穩(wěn)壓開關電源，詳細介紹了高頻變壓器的設計，變壓器磁芯的確定。全面的描述了開關電源的設計流程，并組裝調(diào)試成功達到預期目標。1.3性能指標一、AC輸入電壓：200240VAC二、AC輸入頻率范圍：4763HZ三、DC輸出電壓要求：輸出電壓下限(通過調(diào)節(jié)電位器):11.55±0.5(V) 輸出電壓上限(通過調(diào)

8、節(jié)電位器):12.45±0.5(V)四、DC輸出功率要求:額定功率:180(W)五、DC輸出測試要求:當輸入220VAC時:（1）空載:輸出電壓: 12±0.5V 空載功耗：1.5W（2）滿載:輸入電壓220VAC時，輸出12V,15A時，輸出電壓下跌不超過0.5V； 輸入功率不大于250(W)；輸出紋波電壓VP-P值500mV。第2章 系統(tǒng)方案設計與論證 在電源的設計之初，了解到常見的直流電源分為線性電源和開關電源。選取電源的類型至關重要，直接影響產(chǎn)品設計的成功與否。經(jīng)過對線性電源和開關電源的全面了解，以及多方面的綜合考慮，我們在本章選取合適的電源設計系統(tǒng)方案。2.1 系

9、統(tǒng)方案設計方案一：線性電源 線性電源是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后得到脈沖直流電，然后經(jīng)過濾波得到帶有微小紋波電壓的直流電壓2。要達到高精度的直流電壓則需要經(jīng)過文雅電路進行穩(wěn)壓。 線性電源的工作原理框圖，如圖2-1所示：電壓調(diào)整電路取樣電阻濾波器整流橋變壓器負載比較放大電路參考電壓電路圖2-1 線性電源工作原理框圖方案二：開關電源開關電源是通過整流濾波，得到直流電，再經(jīng)過PWM控制芯片調(diào)節(jié)占空比，直流斬波后通過高頻變壓器向輸出端傳遞能量，再次經(jīng)過整流濾波得到直流輸出。開關電源的高頻變壓器需要經(jīng)過詳細的計算確認，高頻變壓器有著隔離，傳輸能量的作用，它的繞制工藝也較為復雜

10、3。電源的控制芯片多種多樣，也需要經(jīng)過仔細的篩選。輸出端需要有穩(wěn)壓電路和反饋電路。開關電源的工作原理框圖，如圖2-2所示：高頻變換器整流濾波整流濾波 交流輸入 Vo開關占空比控制電路比較電路取樣電路圖2-2 開關電源工作原理框圖2.2 系統(tǒng)方案論證 一、線性電源的優(yōu)缺點線性電源輸出為線性直流電，輸出電壓紋波較小，質(zhì)量高，大多用在要求較高的場合。另外線性電源的結(jié)構簡單，設計思路清晰。線性電源的優(yōu)點顯而易見，這也是線性電源一度成為電源市場主力軍的原因。當然，線性電源的缺點同樣存在，從而制約著線性電源的持續(xù)發(fā)展。線性電源首先通過工頻變壓器改變電壓幅值，工頻變壓器體積大、質(zhì)量重，在很多場合不方便安裝使

11、用，這是制約線性電源在更大領域發(fā)展的原因之一。線性電源的調(diào)整管一直工作在放大狀態(tài)，這就造成了開關管的發(fā)熱量變大，在熱設計部分會給電源設計者帶來不小的麻煩，一般的解決方法是安裝大體積的散熱器，這就再次增大了線性電源的重量和占用空間4。解決了散熱問題，我們不得不考慮線性電源的效率了，這么大的發(fā)熱量導致線性電源的效率一般在40%左右。如果一味的追求輸出直流電的質(zhì)量，那么線性電源無疑會是首選，但在很多需要節(jié)約占用空間，有著重量要求，效率要求的場合就需要多加考慮，結(jié)合具體方案的利弊決定電源的類型了。二、開關電源的優(yōu)缺點 開關電源在電源市場可謂是后起之秀了，在近年的不斷創(chuàng)新、改善中在更多的場合得到了充分的

12、利用。開關電源在結(jié)構上與線性電源是有著很大區(qū)別的，顧名思義開關電源有著開關的動作。首先，開關電源的調(diào)整管工作在飽和和截止狀態(tài)，這就在很大程度上改善了調(diào)整管的熱量問題，也提高了電源的效率，開關電源的效率一般大于80%。其次，開關電源擺脫了工頻變壓器體積大、質(zhì)量高的困擾，采用體積小，質(zhì)量輕的高頻變壓器，這使得開關電源在空間和重量上得到了明顯的改善6。開關電源解決了線性電源許多問題，同時又出現(xiàn)了不少新的缺陷。結(jié)構上，開關電源比線性電源更加復雜，高頻變壓器的繞制工藝也給開關電源的生產(chǎn)帶來了難度。輸出直流電的紋波相對偏大，適合用在要求不高的場合。 結(jié)合我的課題：超薄型中功率LED顯示屏電源系統(tǒng)設計，考慮

13、到體積、散熱性、價格等多方面因素，開關電源是我畢業(yè)設計的最佳選擇。第3章 系統(tǒng)硬件電路設計電源系統(tǒng)方案的確定決定了我們后續(xù)研究設計的方向開關電源。本章節(jié)詳細介紹了開關電源的硬件系統(tǒng)設計，包括主電路方案的選取、輸入模塊的電路設計、控制模塊的芯片選取、高頻變換器的設計與繞制等。3.1 主電路方案設計與論證3.1.1 主電路方案設計 方案一：單端正激電路正激電路是輸入端在開關管導通時向負載傳遞能量，與反激電路相反。正激開關電源的核心是正激式DC-DC變換器，單端正激變換器原理圖，如圖3-1所示。正激電路變壓器的利用率比較高，工作時占空比小于50%，一般使用的控制芯片為UC3842和NCP1252。正

14、激變換器不需要氣隙，但需要復位繞組，開關管關斷時將能量反射到交流輸入上7。圖3-1 單端正激變換器原理圖方案二：單端反激電路 反激式DC-DC變換器是反激電路的核心，單端反激電路工作原理圖，如圖3-2所示。反激電路一般用于小功率電路以及開關電源的輔助電源。常用的控制芯片有UC3843和UC3842。圖3-2 單端反激電路工作原理圖方案三：推挽電路推挽電路一般用在中功率電路上，比單端正激電路功率稍高。推挽電路要求輸入電壓較低，兩個開關管的耐壓都是輸入電壓的2倍，一般用在DC-DC中8。它的變壓器是雙向激勵的，變壓器使用效率高，但是存在磁通不平衡的現(xiàn)象，且開關管存在“直通”的危險。推挽電路原理圖，

15、如圖3-3所示：圖3-3 推挽電路原理圖方案四：半橋電路半橋電路有兩個開關管，通過兩個串聯(lián)的電容器來構成回路，這兩個開關管交替導通驅(qū)動高頻變壓器進行能量的傳遞，變壓器是雙向激勵的。半橋電路同樣存在磁通不平衡，會出現(xiàn)“直通”現(xiàn)象9。變壓器的情況相同，但半橋電路的輸出功率大于推挽電路。半橋電路原理圖，如圖3-4所示：圖3-4 半橋電路原理圖方案五：全橋電路 全橋電路在大功率場合比較常見，它由四個開關管組成兩個橋臂，兩個橋臂分別導通激勵變壓器，進行功率轉(zhuǎn)換，存在開關管“直通”的危險。在開關管承受相同峰值電流和電壓的情況下，全橋電路的輸出功率是半橋電路的兩倍，由于全橋變換器變壓器承受相當于半橋變換器變

16、壓器初級兩倍的輸入電壓，所以其匝數(shù)為半橋的兩倍。但輸出功率和輸入電流電壓相同時，全橋變換器的初級電流峰值和有效值只有半橋的一半，所以相同功率下兩個變換器的變壓器是同樣大小的10。 全橋電路原理圖，如圖3-5所示：圖3-5 全橋電路原理圖3.1.2 主電路方案論證單端正激電路適合做功率為120W-200W的開關電源，本文設計的中功率180W電源在其正常設計的功率范圍內(nèi)。單端正激電路輸入輸出端隔離，屬于隔離型電源，電源通過高頻變壓器向次級傳遞能量。單端正激電源原理簡單，適合開關電源的初學者，選用單端正激方案是我獨立完成開關電源的設計比較有保障的選擇11。單端正激方案是在開關電源的MOS管閉合時向次

17、級傳遞能量的，MOS管斷開時輸出端的能量由輸出端儲能電感和電容提供。反激電路與正激電路恰恰相反，在MOS管斷開時向次級傳遞能量，正激電路的輸出直流電質(zhì)量相對反擊電路要好。正激電路的高頻變化器是不需要氣隙的，但正激電路的高頻變換器需要加復位繞組，在MOS管閉合期間起到磁復位的作用。如果沒有復位繞組，高頻變化器初級的電流會一直增大，超過MOS管的電流上限從而引起器件的炸裂，是比較危險的，正激電路的復位繞組的線圈數(shù)一般與主繞組的線圈數(shù)相同12。單端正激電路的輸出端要有儲能電感，儲能電感在MOS管導通期間儲存能量，在MOS管斷開期間向輸出端釋放能量。反激電路常出現(xiàn)在輸出功率為小于100W的開關電源設計

18、中，這也是本次設計不選用反激電路的原因之一。結(jié)合電路結(jié)構、成本、可行性、輸出紋波質(zhì)量等多方面因素，單端正激電路是該開關電源設計的最佳選擇。3.2 輸入端整流濾波電路的設計輸入整流濾波電路電路圖，如圖3-6所示：圖3-6 輸入整流濾波電路原理圖3.2.1濾波電路設計 1、輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也防止開關電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。當電源開啟瞬間，要對 C01充電，由于瞬間電流大，加RT01（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT01電阻上，一定時間后溫度升高后RT01阻值減?。≧T01是負溫系數(shù)元件），這時它消耗

19、的能量非常小，后級電路可正常工作13。 2、抑制相線與相線、相線與中線之間的差模干擾及相線、中線與大地之間的共模干擾。工程設計中重點考慮共模干擾的抑制14。為了抑制差模和共模干擾，通常的在濾波電路中同時包含有差模和共模電感，但基于以下原因差模電感可去掉：  （1）共模干擾的影響更大，而差模干擾的影響要小得多。一方面同樣程度的共模和差模干擾，共模干擾所產(chǎn)生的電磁場輻射高出差模34個量級；另一方面，共模干擾信號通過機殼或地阻抗的傳導和耦合對其它的電源和系統(tǒng)也會產(chǎn)生干擾。 （2）共模電感中含有差模的成分。共模電感存在漏感且其兩線圈不可能完全對稱，所以其本身就可起到差模電感的作用，

20、能抑制電路中的差模干擾。3.2.2整流電路設計交流電經(jīng)過BD01整流橋整流后，由C01濾波得到較為純凈的直流電壓，若C01容量較小，輸出的交流紋波將增大。3.3 開關占空比控制電路的設計3.3.1 脈寬調(diào)制芯片的選取脈寬調(diào)制芯片的種類繁多，選取合適的脈寬調(diào)制芯片對電源的設計至關重要。單端正激電路常用的芯片有UC3842、NCP1252等，根據(jù)公司的先例以及產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)驗，本次設計選用的脈寬調(diào)制芯片為NCP1252A。NCP1252A能夠搭建高可靠性的正激ACDC變換器，NCP1252A檢測輸出過載不依賴VCC，Brown-Out功能提供輸入過低保護，保證變換器的安全。對于成本敏感的項目，SOI

21、C8的封裝可以節(jié)省PCB空間15。NCP1252A是一種電流型開關電源集成控制器，其優(yōu)點有外接元件少，外電路裝配簡單等。NCP1252A封裝外形，如圖3-7所示。NCP1252A采用固定工作頻率脈寬調(diào)制方式，輸出電壓或負載變化時僅調(diào)整導通寬度。圖3-7 NCP1252A封裝外形NCP1252A內(nèi)部功能圖，如圖3-8所示：圖3-8 NCP1252A內(nèi)部功能圖 NCP1252A引腳功能，如表3-1所示：表3-1 NCP1252A引腳功能引腳號引腳名稱功能1FB反饋端，接光耦2BO檢測輸入電壓，提高輸入過低保護3CS電流檢測輸入端4RT定時端，接電阻后接地調(diào)節(jié)開關頻率5GND公共地端6DRV驅(qū)動輸出

22、端，接MOS管G極7VCCVCC，接輸入電壓8-28V8SSTART軟開關3.3.2 基于NCP1252A的控制電路設計脈寬控制電路原理圖，如圖3-9所示：圖3-9 脈寬控制電路原理圖 如圖3-7所示，NCP1252A的7腳VCC由變壓器次級繞組提供，芯片啟動工作，6腳輸出驅(qū)動MOS管工作，輸出信號為高電壓脈沖。高電壓脈沖期間，MOS管導通，電流通過變壓器原邊向副邊傳遞能量，整流濾波輸出直流電壓；低電壓脈沖期間，MOS管關閉，電流截止，輸出端由儲能電感和電容提供能量，維持直流電壓輸出。1腳接反饋，調(diào)節(jié)占空比得到額定直流輸出電壓。3腳為電流檢測腳，提供過流、短路保護。4腳接電阻后接地，調(diào)節(jié)MOS

23、管的開關頻率。8腳接電容接地，關閉軟開關功能。3.3.3 控制電路的元器件選取一、的選取 電阻用于選擇開關頻率，NCP1252A開關頻率在50KHZ到500HKZ之間。假定選擇開關頻率為100KHZ，則：.(3-1) 其中，是引腳上呈現(xiàn)的內(nèi)部電壓參考（2.2V）。 Rt阻值與開關頻率關系圖，如圖3-10所示：圖3-10 Rt阻值與開關頻率關系圖二、感測電阻 NCP1252A的最大峰值電流感測電壓達1V。感測電阻（）以初級峰值電流的20%余量來計算，其中10%為勵磁電流，10%為總公差：.(3-2)三、斜坡補償 斜坡補償指在防止頻率為開關頻率一半時出現(xiàn)次斜坡振蕩，這時轉(zhuǎn)換器工作在CCM，占空比接

24、近或高于50%。由于是正激拓撲結(jié)構，重要的是考慮由勵磁電感所致的自然補償。根據(jù)所要求的斜坡補償（通常為50%至100%），僅能夠外部增加斜坡補償與自然補償之間的差值。 目標斜坡補償?shù)燃墳?00%。相關計算等式如下： 內(nèi)部斜坡：.(3-3) 初級自然斜坡：.(3-4) 次級向下斜坡：.(3-5) 自然斜坡補償：.(3-6) 由于自然斜坡補償?shù)陀?00%的目標斜坡補償，我們需要計算約33%的補償：.(3-7).(3-8) 由于網(wǎng)絡濾波需要約220ns的時間常數(shù)，故：.(3-9)四、輸入欠壓電阻 輸入欠壓（BO）引腳電壓低于參考時連接電流源，從而產(chǎn)生BO磁滯。.(3-10).(3-11)3.4 高頻

25、變壓器的設計與繞制3.4.1 高頻變壓器的規(guī)格設計一、相關規(guī)格參數(shù) 輸入：AC 200-240V 50Hz 輸出：DC 12V 15A Pout：180W fs:100Hz二、選擇core材質(zhì)，決定 選擇PC40材質(zhì)core，取=0.25T三、確定coreAP值，決定core規(guī)格型號.(3-12).(3-13) J為電流密度，取400，Ku取0.2。.(3-14) 選用EQ41 PC40。其參數(shù)為： AP=2.3262 Ae=260 AL=469025%四、計算Np,Ns（1）計算匝比n.(3-15)Vf：二極管正向壓降，取1V。.(3-16).(3-17)將公式（3-16）和（3-17）計算

26、結(jié)果代入（3-15）得：.(3-18)n取7.5。檢驗Dmax:.(3-19).(3-20)（2）計算Np為MOS管的導通時間:.(3-21).(3-22)取15Ts（3） 計算NS.(3-23)（4）驗算以Ns驗算Np.(3-24)取Np=15Ts（5）確定NRNR=NP=15Ts（6）檢驗選擇的合理性.(3-25)五、計算線徑（1）求初級線徑dwp.(3-26).(3-27).(3-28).(3-29)（2）求繞組線徑dwr .(3-30).(3-31).(3-32).(3-33)（3）求繞組的線徑dws.(3-34).(3-35).(3-36)3.4.2 高頻變壓器的繞制工藝一、繞線1.

27、確定BOBBIN的參數(shù)； 2. 所有繞線要求平整不重疊為原則 ；3.單組繞線以單色線即可,雙組繞線必需以雙色線來分腳位,以免繞錯 ； 4.橫跨線必需貼膠帶隔離 ；5.疏繞完全均勻疏開； 6.密繞排線均勻緊密 ；7.線圈兩邊與繞線槽邊緣保持足夠的安全距離；8.套管長度必須足夠,一端伸入繞線管的安全膠帶以內(nèi),另一端伸出BOBBIN上沿面,但不得靠近PIN ；9.最外層膠帶切割在鐵芯組合面,切割處必須被鐵芯覆蓋； 10.膠帶邊緣與繞線槽平齊,膠帶不歪斜,不反摺不破損； 11.跨越線底下須貼膠帶,保持跨越線與底下線圈絕緣。 二、纏線1.立式BOBBIN ：粗線:：0.8以上纏線1圈；細線0.2-0.8

28、纏線1.5圈；極細線0.2以下纏線圈。 立式BOBBIN纏法之原則：纏線盡量壓到底以不超過凸點為原則。 2.臥式BOBBIN ：約纏2-3圈,疏繞不要壓到底,以免焊錫時燙傷BOBBIN,如果有寬度限制且規(guī)格嚴格時才用此方式，將纏線壓到底后焊錫，再剪邊PIN，以減少整個變壓器的寬度。3.橫式（臥式，BOBBIN之纏法：約纏2-3圈疏繞，不要壓到底以免焊錫時燙傷BOBBIN。 注：如果產(chǎn)品有寬度限制且規(guī)格緊必須將纏線部分剪短時為特例，此時即必須將纏線盡量壓到底。三、套管一般套管之位置規(guī)則： 外部：套管未端與PIN之距離愈短愈好，但切記絕對不可將套管纏在PIN上會造成空焊現(xiàn)象。 內(nèi)部：無邊墻配合，平

29、貼BOBBIN約1/2L的長度；b.有邊墻配合，套管一定要在檔墻內(nèi)。 檔墻膠帶（margin tape）其寬度及材料不可任意更換，因為在設計變壓器時其寬度及材質(zhì)都是涉及安規(guī)需特別注意16。 檔墻膠帶之寬度：一般需與繞線繞組的高度等高，以防止在繞線時銅線疊在假墻上，但如果因裝core困難時有時會包約1/2-3/4的高度,但以繞線不疊在假墻為原則. 技巧: 有時因出入線粗又有套管時如果會影響其厚度時可采用跳過引出線的做法,此時要特別注意套管的位置,一定要有足夠安全距離(深入假墻之寬度) 此點一定要深入假墻內(nèi)有時因假墻缺口較大時或銅箔與M/F并繞時,無明顯判別是否深入假墻或線上M/T時必須選用與M/

30、T同寬度的安全棒,每顆進行測量. 銅片之繞制原則,一般有以下幾種方式： 1.一圈不接引線,頭尾不可短路,頭尾之間有絕緣材料隔離；2. 一圈接引線,膠帶寬度必需大于銅片的寬度； 3.一圈以上之銅片兩根引線；4. 中間抽拓型之銅片,三根引線17。四、理線1. 直立式理線標準 （1）細線，粗線均需理滿一圈以上，理線位置介于底座與凸臺的2/3高處（不足者增加理線圈數(shù)）；（2）線頭長不可超過相鄰兩腳距離的一半且最長不可超過1mm； （3）多組線并繞理線，細線放在最上層且不可理完一股再理另外一股； （4）如有套管時，套管的長度不低于底座；（5）同槽不同腳理線時，同向而繞則18。 2. 臥式理線標準 （1）

31、理線平均分布在腳上，線頭至少要超過線腳的一半（不足者增加理線圈數(shù)補足，但最多不可超過線腳長）；（2）理線自腳根部理起螺旋向上且最少理滿一圈以上；（3）線頭長不可超過相鄰兩腳距離的一半且最長不可超過1mm； （4）多組線并繞理線，細線放在最上層且不可理完一股再理另外一股；（5）同槽不同腳理線時，同向而繞則可以且套管的長度不低于底座，不靠近PIN18。 五、焊錫1.焊錫后PIN腳平整光滑，不沾異物；2.線頭不高于凸點； 3.焊錫后BOBBIN完整，無容損及腳短現(xiàn)象；4.焊油殘留少，無沾錫，無短路； 5.膠帶無容損；6.焊錫最少焊滿一圈；7.焊錫后不能有橫向錫尖。 六、組合1.鐵芯組合面平整，無歪斜

32、；2.BOBBIN，CORE，接線腳保持整潔，無沾附雜質(zhì)及膠類；3.認清有GAP的CORE放在哪個方向；4. EE，EI，UU型CORE最大歪斜不可大于0.5mm或1/10CORE寬度。3.5 輸出端的電路設計3.5.1 整流濾波電路的設計輸出端整流濾波電路原理圖，如圖3-11所示：圖3-11 輸出端整流濾波電路原理圖電流經(jīng)過高頻變換器后先經(jīng)過肖特基二極管的整流，得到近似直流電的紋波，再經(jīng)過電感和電容的濾波得到平滑的直流輸出電壓。電感有儲能的作用，在開關管閉合期間提供能量19。儲能電感的感量計算：.(3-37)3.5.2 穩(wěn)壓電路的設計輸出端穩(wěn)壓電路原理圖,如圖3-12所示：圖3-12 輸出端

33、穩(wěn)壓電路原理圖穩(wěn)壓管的型號是AZ431，AZ431管腳圖,如圖3-13所示：圖3-13 AZ431管腳圖AZ431的應用原理圖，如圖3-14所示：圖3-14 AZ431的應用原理圖電阻的計算：其中Vref=2.5V,.(3-38)R1取10，R2取2，在R2端串聯(lián)一個最大阻值為1的電位器。3.6 硬件電路印刷電路板的繪制3.6.1 印刷電路板繪制軟件簡介本文采用Prote 99SE作為繪制印刷電路板的軟件，Protel 99SE是protel公司致力于Windows平臺開發(fā)十年的結(jié)晶，具有高度的集成性和擴展性，是使用最廣的電子設計軟件。Prote 99SE分為五個模塊：原理圖設計模塊；PCB設

34、計模塊；自動布線模塊；原理圖混合信號仿真模塊；PLD設計模塊20。Protel 99SE開發(fā)軟件界面，如圖3-15 所示：圖3-15 Protel 99SE 開發(fā)界面3.6.2 印刷電路板的設計一、布局規(guī)則1. 距板邊距離應大于5mm。2. 先放置與結(jié)構關系密切的元件，如接插件、開關、電源插座等。3. 優(yōu)先擺放電路功能塊的核心元件及體積較大的元器件，再以核心元件為中心擺放周圍電路元器件21。控制芯片布局圖，如圖3-16所示：圖3-16 控制芯片布局圖4. 功率大的元件擺放在利于散熱的位置上。MOS管發(fā)熱量大，MOS管布局圖，如圖3-17所示：圖3-17 MOS管布局圖5. 質(zhì)量較大的元器件應避

35、免擺放在板子中心，應靠近板在機箱中的固定邊位置。6. 有高頻連線的元件盡可能的靠近，以減少高頻信號的分布參數(shù)和電磁干擾。7. 輸入、輸出元件盡量遠離。8. 熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。9. 可調(diào)元件的布局應便于調(diào)節(jié)。如跳線、可變電容、電容器等。10. 布局應均勻、整齊、緊湊。11. 去耦電容應在電源輸入端就近放置。二、布線規(guī)則1. 線應避免銳角、直角。采用45度走線。PCB彎角布線圖，如圖3-18所示：圖3-18 PCB彎角布線圖2. 相鄰層信號線為正交方向。3. 高頻信號盡可能短。4. 輸入、輸出信號盡量避免相鄰平行走線，最好在線間加地線，以防反饋耦合22。5. 雙面板電源線、地線的走向最后與數(shù)

36、據(jù)流向一致，以增強抗噪聲能力。6.整塊電路板布線、打孔要均勻，避免出現(xiàn)明顯的疏密不均的情況。3.6.3 印刷電路板設計效果圖印刷電路板效果圖，如圖3-19所示：圖3-19 印刷電路板效果圖3.7 電源系統(tǒng)的熱設計3.7.1 電源熱系統(tǒng)的熱分析高效率、高集成度、高功率密度是電源發(fā)展的重要方向，但是電源系統(tǒng)的熱設計是系統(tǒng)設計不可或缺的一部分。本文設計的開關電源額定功率為180W，效率85%左右，有大約27W的發(fā)熱量需要通過熱設計環(huán)節(jié)得以解決。電源系統(tǒng)的熱設計直接影響電源的整體性能，散熱性較差會引起局部的高溫，影響元器件的正常工作，嚴重的可能會導致電源的炸裂23。高溫對電源的影響：絕緣性能退化；元器

37、件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落； 器件之間的機械應力增大。開關電源熱分析的作用：能精確計算元器件的溫升，為電源壽命計算提供依據(jù)；通過對系統(tǒng)的整體溫升分析與計算，為器件的選型與降額設計提供依據(jù)；通過對元器件熱分析與計算，為散熱方式與散熱器件的選擇提供依據(jù)；能有效控制整體溫升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性24。3.7.2 電源系統(tǒng)的散熱方式選擇與設計一、開關電源中的發(fā)熱量較大的元件 功率開關管：開通損耗，導通損耗，關斷損耗 整流二極管：正向?qū)〒p耗，反向恢復損耗 變壓器、電感：鐵損，銅損 電容、功率電阻等無源元件：歐姆熱損耗二、散熱的常用方式與器件 常用的方式：熱傳導，熱

38、輻射，熱對流，蒸發(fā)散熱 散熱器件：PCB銅箔，散熱器（銅，鋁，鐵），風扇冷卻，水冷，油冷，半導體制冷，熱管。三、散熱器選擇注意事項（1）一般來說，能滿足散熱要求的散熱器不止一種，應該根據(jù)器件與散熱器的安裝尺寸和為散熱器余留的空間尺寸決定散熱器的類型：單肋，雙肋或異型。對于自冷散熱器，如果條件許可的話，采用雙肋散熱器，散熱效率比較高；（2）盡可能單個器件或模塊配單獨的散熱器，這樣散熱效率高，總用鋁量少，而且可以降低成本；（3）盡可能采用長度和寬度相近的散熱器，這樣熱效率高，避免采用“狹長”的散熱器，即肋片的長向比寬向大很多；這樣的散熱器散熱效率低下；（4）當采用肋片密度很大的密齒類散熱器時，必須

39、強制風冷，而且肋片的方向要與風道一致，否則散熱效果極差，散熱效率極低。這類散熱器在有效風冷條件下，有很高的散熱效率；（5）整機設計中器件散熱器的選擇，應根據(jù)器件在整機中工作的實際冷卻條件(冷卻介質(zhì)溫度和流量)和穩(wěn)、瞬態(tài)負載情況，并適當考慮安全系數(shù)應有的余量，按穩(wěn)態(tài)不超過最高工作結(jié)溫并留有一定裕量來選取25。四、散熱器的緊固與安裝（1） 螺絲緊固散熱片：這種方法由于安裝或拆卸快速、簡便，所以被廣泛使用。在該安裝方法中，確定合適的緊固螺絲扭矩是非常重要。如扭矩小了，熱接觸電阻就會因接觸壓力不足造成熱接觸不良而增加。當扭矩大了，則會產(chǎn)生變形，造成熱接觸不良和增大熱阻；（2）散熱器要跟功率器件保持好良

40、好的絕緣，一般使用云母片，矽膠片，絕緣橡膠等，在要求較高的場合可以使用軟性導熱硅膠墊26；（3）散熱器表面不會是理想的平滑面，所以跟功率器件的接觸面會存在一些空隙，空隙中填充的是空氣，而空氣的熱阻較大，所以需要在接觸面涂覆一層導熱硅脂，以減少外殼到散熱片的熱阻。硅脂層越薄越好；（4）功率器件盡量安裝在散熱器的中部，這樣可以讓散熱片均勻散熱27。第4章 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析電源系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計完成后，我們需要實物電路的組裝和測試，以證實理論研究的正確性，確保電源系統(tǒng)的實際工作能力。本章節(jié)主要記錄了電源系統(tǒng)硬件電路測試的各項數(shù)據(jù)，并對相關參數(shù)進行分析和說明。4.1 測試要求與步驟AC輸入電壓：20

41、0240VAC.AC輸入頻率范圍：4763HZ.DC輸出電壓要求：輸出電壓下限(通過調(diào)節(jié)電位器):11.5±0.05(V) 輸出電壓上限(通過調(diào)節(jié)電位器):12.5±0.05(V)DC輸出功率要求:額定功率:180(W)DC輸出測試要求：當輸入220VAC時：.空載: 輸出電壓：12.0±0.05V 空載功耗：1.5W.滿載(輸出:12.0V/15.0A)：調(diào)節(jié)電位器使輸出電壓在12±0.5(V)內(nèi) 輸入功率220(W) 輸出最大噪聲:500mV .短路保護：輸出V+與V-間短路,電源處于打嗝狀態(tài)，輸入功率小于5W. 過壓保護：無 負載調(diào)整率： 1% 電

42、壓調(diào)整率： 0. 5%耐壓測試要求：AC輸入端L、N對DC輸出端：1.5KVAC，AC輸入端L、N對FG：1.5KVAC，時間為1分鐘。輸出紋波電壓測試要求：AC輸入電壓分別在110/220 VAC，帶額負載，輸出紋波電壓VP-P值500mV(輸出端并聯(lián)47uF電解電和0.1uF獨石電容)開機時間要求：電源冷機，在AC輸入220 VAC時，5秒內(nèi)必須正常開機，輸出電壓滿足要求。沖擊測試要求：AC輸入電壓220V，接通關斷電源數(shù)次，輸出電壓滿足要求。老化測試要求： 電源在35±5條件下，帶額定負載，老化2小時，輸入電壓220VAC各半，負載如下所示： 輸入輸出220VAC12(V)/1

43、5(A)記錄以下器件的溫度D04、D06、Q01、T01、C07。具體測試步驟：. DC輸出電壓要求：調(diào)節(jié)電位器，要求輸出電壓范圍大于：11.65V12.45V. 滿載:輸入電壓220VAC時，輸出12V/15A時，輸出電壓下跌不超過0.2V；輸入功率不大于220(W)；輸出紋波電壓VP-P值500mV（抽檢10%）。. 短路保護：輸出V+與V-間短路，電源處于打嗝狀態(tài)，短路功耗小于5W，短路狀態(tài)解除后，輸出空載時，電源恢復正常。4.2 調(diào)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析空載測試圖，如圖4-1所示： 圖4-1 空載測試圖 如圖4-1所示，開關電源空載輸出電壓為12.13V，空載功率為1.17W<1.5W

44、，輸出電壓及空載功耗均滿足要求。（2）滿載測試圖，如圖4-2所示：圖4-2 滿載測試圖 滿載輸入功率為208.2W<220W，效率為86.5%>80%。輸出電壓顯示為11.69V，由于電流較大，輸出線存在壓差，經(jīng)過萬用表測試輸出端得電壓值為12.02V，達到目標值。MOS管及肖特基二極管波形圖： 圖4-3 MOS管驅(qū)動波形圖圖4-4 圖4-4 MOS管漏極源級波形圖圖4-5 肖特基二極管波形圖如圖4-3、4-4、4-5所示，依次為MOS管柵極，漏極波形圖，肖特基二極管波形圖。由圖得，MOS管的開關頻率為98KHZ近似目標頻率100KHZ。開關占空比約為0.35，滿足設計要求。另外，

45、由圖4-4得MOS管D極和S極的電壓峰峰值約450V，測試時注意示波器的探頭的選擇，應使用衰減100倍的紅色探頭，對應示波器設置衰減100倍，不然電壓值過高，可能燒壞示波器。（4） 測試數(shù)據(jù)及分析表4-1 電源測試數(shù)據(jù)輸入電壓AC（V）帶載電流（A）輸出電壓DC（V）200012.10512.081012.051512.03220012.13512.121012.101512.09240012.15512.131012.111512.09電源測試數(shù)據(jù)，如表4-1所示。輸入電壓范圍AC200-240，最大輸出電流15A，經(jīng)測試都達到預期目標；輸出電壓要求穩(wěn)壓12V，測試結(jié)果誤差在0.5V內(nèi)，滿足

46、誤差要求；輸出電流在0-15A變化要求輸出電壓變化小于0.2V，結(jié)果顯示最大電壓變化約0.06V0.2V。第5章 設計總結(jié) 作為“卓越工程師班”的一員，在紅光無線電有限公司實習了近一年，期間我們的畢業(yè)設計也是在公司完成。在研發(fā)部經(jīng)過四個多月的學習，利用空閑時間，終于完成了開關電源的設計和調(diào)試。 首先，從確定電源的類型開始，經(jīng)過優(yōu)缺點的比較，開關電源是我完成畢業(yè)設計的最佳選擇。確定了電源的類型后，具體的參數(shù)要求也是要認真考慮的，比如要達到中功率的要求又不能把輸出電流定的太高，否則較難實現(xiàn)，增添了設計的難度。 其次，一個合適的開關電源方案決定了設計成功率的大小，比如我選定的是180W的開關電源，采

47、用單端正激式拓撲。開關電源主要分正激式拓撲和反激式拓撲，經(jīng)過公司多年設計生產(chǎn)的經(jīng)驗得知反激式在小功率的開關電源中比較普及，中功率及大功率采用正激式較易實現(xiàn)。 然后，就是電路設計的主要部分了：各功能模塊的設計，元器件的選取，線路板的繪制等。硬件電路的設計是需要投入較多時間的，一方面內(nèi)容較多，另一方面元件的選型及PCB板的布線規(guī)則都需要向工程師反復詢問和確認，很多細節(jié)問題也都在這一環(huán)節(jié)體現(xiàn)了出來。盡管遇到了許多難題，但在隊友的支持，工程師的幫助，老師的督促以及自我的努力下都一一解決了。硬件電路的設計是我收獲最大的一個環(huán)節(jié)，很多相關知識都是從零學起，一次次的學習，我也逐漸改善了學習的方法，提高了學習

48、的效率。比如對PWM控制芯片的學習，不再是盲目的英文翻譯，而是學會了抓住重點，了解芯片的應用信息，參數(shù)要求等。 接著就是電路的安裝調(diào)試，這一部分我進行的較為順利，但這與前期的準備和設計中大家的幫助是分不開的。經(jīng)過簡單的調(diào)試，電源的數(shù)據(jù)都達到了預期的要求。 最后，我想提出我完成的開關電源的一些不足及改進方案。電源的不足：一，電源的滿載效率86%左右，有待提高；二：電源的輸出紋波較大；三，電源的實際應用能力較差。改進方案：一，改善開關管的選型和變壓器的設計，增加PFC單元；二，重新計算輸出端儲能電感和電容的大小，熟練儲能電感的繞制工藝；三，重新設計電源的外殼，增加灌膠等工藝流程使電源達到防雨水的要

49、求，以提高電源的應用范圍。參考文獻1周志敏,周紀海關電源實用技術設計與應用.北京:人民郵電出版社，2003 .2王水平,付敏江開關穩(wěn)壓電源.西安:西安電子科技大學出版社，1997 .3劉勝利現(xiàn)代高頻開關電源實用技術M.北京：電子工業(yè)出版社，2001.9 .4黎健榮開關電源中的高頻變壓器設計J機械與電子，2007 5鄭國川,李洪英 實用開關電源技術M.福建：福建科學技術出版社，2004.6薛永毅，王淑英，何希才編著新型電源電路應用實例第一版電子工業(yè)出版社,2001 .7何希才新型開關電源設計與應用M.北京：科學出版社，2001.8徐錚穎Protel99se EDA技術及應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.6.9王志強，鄭俊杰開關電源設計與優(yōu)化.電子工業(yè)出版社，2006.10陳永真，孟麗囡高效率開關電源設計與制作M.北京：中國電力出版社