單一電壓輸出ACDC開關電源設計方案

1、 /25中文摘要開關電源廣泛應用，其效率可達80以%上，具有穩(wěn)壓范圍寬、頻率高、體積小等特點。特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源及環(huán)保方面有重要意義。本論文主要介紹型開關電源及其設計應用，電路與其他如半橋逆變）開關電源電路相比的優(yōu)越性。它的體積小、不需專用控制芯片、電路簡單等優(yōu)點使其應用更加廣泛，特別是在各種新興電子設備的電源、充電器方面的應用尤為突出，因此在各種開關電源中占有重要地位。電路包括輸入整流濾波，吸收電路開關管保護電路反饋振蕩輸出整流濾波輸出過壓、過流保護電路，另外最主要的是高頻變壓器部分。最后通過仿真、調(diào)試達到一市電交流

2、輸入、電壓電流輸出的要求，并且紋波較小效率較高。開關電源自激反激變換器外文摘要lDeesignofsingleoutputAC/DCSwitchingPowerSupplySwitchingPowerSupplyiswidelyuesd,anditsefficiencyismorethan80%.Meantimeawiderange,highfrequencyandminiaturizationispresented.Itisparticularlyappliedinthefieldofhighandnewtechnologyandthenbringsminiaturizationandcon

3、venice.ThedevelopmentanduseofSwitchingPowerSupplyareofimportanceintheenergysavingandenvironmentalprotection.ThispapermainlyintroduceRCCcicuitanditsspecificdesignment。RCCcicuit,whoissmallshape,simplestructureandnotusingparticularchips,hasmanymoreadvantagesthanothercircuitsassamewithit,suchashalf-brid

4、geciucuit.Therefore,RCCcircuitismuchmorewidelyused,especiallyinthesourceandchargerofallkindsofnewelectronicaldevices.SoitissuchasignificanceforSwitchingPowerSupply.IntheRCCcircuit,thecircuitforrectificationandfiltering,absorption,protection,RCCfee-dback,outputovervoltageandovercurrentareincluded.Ina

5、ddition,thetransformeristhemostimportantcomponent.Finaly,thisdesigngetthoughtestswith100-240VACinput,5Vvoltageand1Acurrent.Moerover,ripplewaveisquitesmall.oSwitchingpowersupplyFlybackconverterSelf-excitatiionRCC引言1.課1題背景和意義11.開2關電源分類、特點及原理電路拓撲分析電路整體設計2.3電路元件參數(shù)計算及選擇軟件仿真4電路調(diào)試與數(shù)據(jù)分析15電路調(diào)試15數(shù)據(jù)分析18結(jié)論19改進建

6、議19參考文獻20致謝21 /25引言1.課1題背景和意義隨著電子技術的迅速發(fā)展，各種電子設備和人們生活、工作的關系日益緊密，而電子設備卻離不開可靠的電源。特別是開關電源產(chǎn)品廣泛應用于照明、通訊設備、工業(yè)自動化控制、科研設備、儀器儀表、醫(yī)療設備等領域。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但它存在效率低僅有40%50)%、體積大、耗能量大等缺陷。而開關穩(wěn)壓電源效率可達80以%上，穩(wěn)壓范圍寬，還有穩(wěn)壓精度高等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。其中變換器)是一種自激型的單端反激變換器，它主要工作在臨界狀態(tài),采用自激振蕩工作方式來實現(xiàn)峰值電流控制；且具有體積小、抗干擾能力強、可靠性高,易于實現(xiàn)多

7、路獨立輸出電壓等優(yōu)點，通過良好設計便可得到高效、可靠的電路。基于以上優(yōu)點，電路廣泛用于成本低于功率以下的開關電源，特別隨著電子技術迅速崛起，其更多應用于各類電子產(chǎn)品及設備的便攜電源及充電器。本文旨在分析變換器的工作原理、開關管的驅(qū)動及電路中元件關鍵參數(shù)的計算與選擇，后經(jīng)軟件仿真和實際硬件調(diào)試得到實驗分析結(jié)果。由于要維持邊界連續(xù)模式，并且原邊電流上升斜率受輸入電壓影響，因此開關工作頻率及占空比均受輸入電壓和輸出電流的影響，其輸入電壓最大和空載時頻率會升高。同時因其工作頻率變化大，電路設計具有一定難度。1.開2關電源分類、特點及原理1.2開.關1電源分類自激式：無須外加信號源能自行振蕩，而且它完全

8、可以看作是一個變壓器反饋式振蕩電路。它激式：完全依賴于外部維持振蕩。根據(jù)激勵信號結(jié)構(gòu)分類，可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種：脈沖調(diào)寬是控制信號的寬度，脈沖調(diào)幅則是控制信號的幅度，兩者的作用都是為了達到穩(wěn)定電壓的效果而使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)。微型低功率開關電源：開關電源正在走向大眾化，小型化。低功率微型開關電源的應用要首先體現(xiàn)在數(shù)顯表、照明、手機充電器、智能電表等方面。本論文只介紹型開關電源的突出特點。與常規(guī)使用專門集成芯片控制的單端反激變換器相比，變換器結(jié)構(gòu)簡單的多其中只有自激振蕩部分與普通并聯(lián)式開關電源相同，電路中既無取樣分壓器也無誤差放大器，并且只需用很少的幾個分立元件,只在開關管基極接穩(wěn)

9、壓管穩(wěn)壓，就可以完成同樣的輸出功能。另外，許多與開關管驅(qū)動相關的問題驅(qū)動波形、隔離保護、變壓器飽和等）在自激振蕩電路中都可以得到很好的解決。它的穩(wěn)壓控制過程不是或方式，而是由穩(wěn)壓管構(gòu)成的電平開關來控制開關管的通斷。普通穩(wěn)壓過程，無論是自激式還是它激式電路，開關管通斷總是按其工作頻率周期性的進行，系統(tǒng)只是控制每個周期脈沖的正程寬度即脈寬調(diào)制）。為了使穩(wěn)壓過程有平滑的特性，工作在線性區(qū)，脈寬調(diào)制管既不飽和也不能截止，因此不會因其截止而使某一周期脈沖寬度達到間歇振蕩器時間常數(shù)電路設定的最大脈寬一般僅為其50）%，也不會因其飽和而使某一周期脈沖寬度為零。開關電源因此被稱為周期性開關電源。而型開關電源則

10、不同，其控制為無過度過程、非連續(xù)的的控制。嚴格的說，只有兩種極端狀態(tài)：輸出電壓低于額定值時，開關管開始振蕩而導通；輸出電壓高于額定值時，開關管停止振蕩。因此，穩(wěn)壓過程只有“0”和“1”兩種狀態(tài)。開關管/25“0”和“1”兩種狀態(tài)的時間比即占空比），除與市電輸入電壓有關外，還取決于負載電流大小。如圖的拓撲，負載電流減小時，濾波電容放電時間延長，直到輸出電壓低于額定值，開關管才可以導通；負載電流增大時，次級整流電路的濾波電容放電速度加快，此時高頻變壓器儲能可很快釋放，輸出電壓降低，開關管由“0”進入“1”，以維持輸出電壓穩(wěn)定。因此，開關管的截止時間取決于輸入市電電壓和負載電流的變化，此控制方式是非

11、周期的，故開關電源屬于非周期性開關電源。由于電路簡單、體積小，特別適用于小功率開關電源供電。由型開關電源組成彩電待機副電源、主機待命電源以及小功率家用電器，解決了由于工頻變壓器式副電源穩(wěn)壓范圍小引起的問題，避免了市電輸入下限時不能開機的現(xiàn)象。其對負載的適應性也優(yōu)于開關電源，方式的脈寬變化具有一定范圍，否則會停振或失控；而本身工作于極限狀態(tài)，當其空載時，關斷時間可以無限延長，直到輸出電壓開始降低四。型電源屬非周期性自激式開關電源，必然具有自激式開關電源的缺點，如反饋量隨市電電壓上升而增大，以致開關管截止損耗增大；還有它只適用于以下的電源，大功率時效率很低，能量損失很大。開關電源的工作過程很簡單。

12、在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式；與線性電源較為不同的是，開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)。與線性電源相比，開關電源是通過“斬波”這個更為效的工作過程，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。當輸入電壓被斬成交流矩形波時，其幅值就可以通過高頻變壓器來降低或升高。通過增加或降低）變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加或降低）/25 /25 /25輸出的電壓值。最后變壓器輸出的交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。電路拓撲分析拓撲如圖1工作原理如下：輸入直流電壓經(jīng)啟動電阻為三極管提供啟動電流，啟動瞬間由于正反饋飽和導通的時間極短而此時還來不及充電；當導通后集電極

13、電流上升在變壓器初級繞組上產(chǎn)生上正下負的電壓,經(jīng)變壓器耦合至輔助繞組上產(chǎn)生上正下負的感應電壓,此電壓經(jīng)后加到的基極使的基極電位上升集電極電流進一步增大兩端的電壓升高輔助繞組兩端的電壓也升高基極電壓再進一步升高由于正反饋的作用飽和導通；電容通過半波整流充電向負載供電；電源接通一定時間后由于電容上漸漸充上電壓啟動電路對不再起作用。1飽和導通期間輔助繞組上的感應電壓經(jīng)繼續(xù)向提供基極電流此電流向充電使其極性為右正左負負端的電壓經(jīng)加到基極使的基極電流下降同時集電極電流下降從而從飽和導通狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大狀態(tài)；之后基極電流和集電極電流進一步減少最后由于正反饋的作用使截止。導通時初級繞組上的電壓是上正下負次級整流

14、二極管因負電壓而截止；截止時中的電流不能躍變繼續(xù)維持原方向流通所以在上產(chǎn)生上負下正的電壓，該電壓使導通儲存在中的能量經(jīng)給充電向負載供電在導通時截止在截止時導通使得輔助繞組上的感應電壓為上負下正，此時導通以釋放的充電電壓并且由輔助繞組、為反向充電；上反向充電電壓經(jīng)加到基極使重新導通集電極電流上升產(chǎn)生同名端為正的感應電壓輔助繞組也產(chǎn)生同名端為正的感應電壓此電壓經(jīng)加到基極基極電流也進一步增加集電極電流進一步增大因正反饋而飽和導通。電路周而復始地處于自激振蕩狀態(tài)，其振蕩頻率取決于的充放電時間常數(shù)W。整體電路如圖2本設計包括：輸入全橋整流濾波及限流電阻、吸收電路、開關管保護電路、反饋振蕩、輸出整流濾波、

15、輸出過壓保護、過流保護，還有最主要的高頻變壓器部分。其中整流橋前加了限流電阻，防止加電源瞬間電流過大，燒毀器件；電路中增加吸收電路以及開關管集電極和發(fā)射極間增加吸收電容以減小開斷過程中的過電壓沖擊；開關管基極通過兩個二極管接地，達到限制基極電壓的效果以保護開關管；采用耦合頻率較大的光耦元件和穩(wěn)壓器4以達到穩(wěn)壓及過流過壓保護的目的；變壓器部分最為關鍵，采用鐵氧體磁芯，初級線圈匝，用于輸出的次級和和反饋的次級均匝，輔助繞組和正反饋共用一個繞組；振蕩反饋正極性接到繞組上，而整流二極管反接；開關三極管通過一個電阻接地，此電阻電壓隨初級電流改變而改變，再通過接到基極，與光耦反饋的電壓共同控制最下側(cè)三極管

16、的開斷，進而控制開關管的開斷；此三極管基極加一個濾波電容消除基極的尖峰干擾，防止三極管誤導通。圖2|RCC整體電路IZZ同時，輔助繞組和相同匝數(shù)。如果按（6式計算高頻變壓器的頻率，則：在這個高頻變壓器中，由于實際選擇的磁芯相對較大，則根據(jù)電感大小與線圈直徑大小成正比的關系判斷，實際繞制的高頻變壓器初級電感可能較大，因此可以適當增加大小來計算開關頻率。本設計中，大小在時大約為K滿足實際要求，最終調(diào)試時也驗證了頻率選擇的正確性，因此變壓器繞制時，開關頻率定為。計算導線線徑：初級電流為，導線截面積回3，初級繞組線徑*/2則選用的漆包線可以滿足要求；輸出電流最大為，則次級導線面積可區(qū)8,次級線徑*/，

17、選取線徑為的線；輔助繞組輸出電流很小，為了方便纏繞線徑選擇與初級繞組相同，為2.3.三2極管、二極管的選擇開關三極管選擇，管。最大耗散功率為最大允許集電極電流為，集電極、射極間最大電壓為，正常工作溫度為，集電極截止電流為0直流電流最大增TOC o 1-5 h z益為，開關頻率可達到；另外它的體積較小，小功率輸出時不需FET加散熱片，因此適合于這類小巧的、輸出功率很小的開關電源，滿足型開關電源的要求。三極管選擇，也是管。集電極、射極間最大電壓為,基極和集電極截止電流、均為，直流電流最大增益為BLcexFE,開關頻率可達到。同樣體積較小，各參數(shù)均滿足要求。T二極管一構(gòu)成全橋整流，采用。此二極管極為

18、普通，雖然體積較小，但耐壓，可以流過的最大電流為A工作溫度為，完全可也達到要求。、同樣為，兩個串聯(lián)壓降為可以保護開關管不被擊穿。為2其耐壓反向恢復時間為，通過最大電流為A滿足吸收電路中開關頻率及耐壓的要求；半波整流二極管與同為2滿足輸出以及頻率的要求。反饋整流二極管則選擇1其通過最大電流，反向恢復時間為，因反饋繞組輸出電流較小，就能滿足要求。穩(wěn)壓 /25 /25是一個熱穩(wěn)定性良好的三端可調(diào)分流基準源，其輸出電壓用兩個電阻就可以隨意設置從到范圍內(nèi)的任何值。在很多應用中用光耦2腳圖穩(wěn)壓圖開關管保護它代替齊納二極管，因其價格低、性能好，廣泛用于可調(diào)壓電源，開關電源等三。如圖，輸出.5）因這兩個電阻阻

19、值均為ok所以輸出保持在此處陰極和參考極連接、，整個穩(wěn)壓部分同時也構(gòu)成交流放大器，以減小輸出的紋波。交流一市電輸入，限流熱敏電阻選擇負溫度系數(shù)，流過最大穩(wěn)態(tài)電流為A阻值為目），濾波電容容值耐壓）；的啟動電阻阻值為根據(jù)所需的啟動電流而定分壓電阻為0工作過程中為提供基極電壓，容值為2電阻阻值為回，用于反饋振蕩的、值分別為00、根據(jù)開關頻率而定）；68分別為回、目、00根據(jù)導通所需的電流而定），、均為；吸收電路為百為高壓瓷片電容目次級濾波電容為四，負載為0的功率電阻；為四，為目為光耦提供直流電壓）；光耦采用最大耦合頻率）；為20,為0根據(jù)光耦所需電流而定），、均為2Ki分別為日、n另外，三極管的保護

20、如圖4次級以及輔助繞組半波整流輸出如圖、圖6所示。圖5輸出整流濾波圖6輔助繞組整流濾波ab軟件是專門用于電源設計的仿真軟件，其主要特點如下：一是集成度高,從調(diào)用繪制原理圖到仿真分析,無需切換工作環(huán)境；二是比較齊全的各種分析功能既可以進行、等這些基本功能分析也能進行溫度、蒙特卡諾、噪聲等高級功能分析；三是仿真數(shù)據(jù)后強大的處理能力運動工具可以方便對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行各種比較和分析乃至運算；同時軟件的交叉探針功能可以很方便的在中隨時觀察仿真數(shù)據(jù)結(jié)果。圖的電路應用軟件進行仿真得到各點波形圖，輸入電壓從到每增加進行一次仿真。下面為兩組仿真結(jié)果，分別為輸入、交流市電在內(nèi)的各點波形。其中圖為輸入時波形，從上至

21、下依次為開關三極管集電極電壓即變壓器初級繞組電壓，圖中波形86基極電壓)8三極管基極電壓)8以3及9變壓器次級最終整流濾波輸出的電壓)；圖為輸入時各點的電壓波形。1III;11111f31J1/1 /25 /25分析這兩組仿真波形圖，圖中輸入電壓較小，但峰峰值為，開關頻率在左右，基極電壓峰峰值為2三極管與的開關頻率相同基極電壓峰值8這兩組波形均滿足三極管對基極電壓和開關頻率的要求，且從中可以看出三極管對開關管的控制作用；最終輸出電壓為V圖中輸入電壓較大，峰峰值為，頻率升高到，、基極電壓基本不變，最終輸出仍然保持不變。另外，一輸入、輸出以及頻率的數(shù)據(jù)如下表表交流輸入、集電極電壓峰峰值變壓器初級電

22、壓）、頻率以及輸出電壓輸入輸入頻率輸出根據(jù)頻率公式三三3知，通斷頻率與變壓器初級輸入電壓的平方成正比，表中數(shù)據(jù)剛好印證這個規(guī)律。因此以上數(shù)據(jù)可證明該電路的可行性，只需更好的設計實際電路便可以可靠實現(xiàn)其功能。4電路調(diào)試與數(shù)據(jù)分析4.1電路調(diào)試圖的設計由仿真軟件進行多次仿真，輸入一市電，輸出滿足電壓電流的要求，開關頻率在一范圍內(nèi)變化，且輸入電壓越大開關頻率越大，此時則需要考慮三極管、光耦選擇及變壓器繞制時選取頻率較大的以滿足要求。實際硬件電路的調(diào)試在地質(zhì)宮42以8及12電2機實驗室實驗室內(nèi)有可變交流輸入電源，可為電路調(diào)試供電）進行，下面的每組數(shù)據(jù)均用數(shù)字示波器、測得，測試時間為201年85月15日

23、到22日。調(diào)試過程中，輸入電壓為一市電，以遞增的方式接入電路。最開始通以電壓時，電路發(fā)出刺耳的聲音，并且開關三極管發(fā)熱，分析可能是變壓器因頻率較低或者開關三極管基極電壓過大而長時間工作在臨界狀態(tài)。測試基極電壓大于，因此基極的穩(wěn)壓管改用兩個二極管，使其基極壓降保持在以內(nèi)，此時空載時不再發(fā)熱。變壓器輸入電壓頻率僅為左右，剛好在人類聽覺范圍內(nèi)，而且高頻變壓器框架與繞組粘黏比較松，這可能是引起電路刺耳聲音的主要原因。重新用膠棒粘黏變壓器框架，重新上電測試，不再有刺耳的聲響。但是輸出接測以下負載時，開關管有發(fā)熱跡象，且升溫較快，分析是因為三極管滿足的最大功率不能滿足輸出的要求，因此最大輸出電流為但可以換

24、功率更大的三極管或者以達到更大輸出電流的要求。下面即為兩組輸入和輸出的波形圖。Tek1I仙隊雌汕邸:覬1I伽隊堿m空載輸入Tek1口叫一集電極;I峰峰值iTTnnrTTT圖空載輸入時輸出圖12輸出平均值輸出平均值其中圖、圖分別為電極的波形，頻率分別為用載時輸出himiiiirhimiif空載時輸入電壓分別為關管集1.25，圖為為空載時的最終輸出波形，其大小一直保持不變紋波峰峰值保持在輸入最小電壓時的開關頻率提高1OIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiIiIiiIiIiIIIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiM伽M伽OB時V-1112負載輸入集電極電壓頻率峰值頻率2另外，圖分別電極的波形，頻率分別為21.電流為IlliII上級波峰峰值在8TekAI和隊雌fflll負載輸入集電極電壓,峰峰值0負載時輸入、出