開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計摘要：本文是以開關(guān)直流穩(wěn)壓電源輸入220V/50HZ的市電來進行設(shè)計，來實現(xiàn)輸岀24V/1A的直流電壓，以此為目標來進行對開關(guān)穩(wěn)壓電路各個元器件的選擇。關(guān)鍵詞：DC/DC變換器、PWM控制、整流、濾波。1?開關(guān)電源的基本原理開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1-1所示，DC-DC變換器是進行功率變換的器件，是開關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間，從而調(diào)整輸出電圧。其結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。Vout(DC)Vin(DC啟動、功驅(qū)動控ICVout(DC)Vin(DC啟動、功驅(qū)動控IC供電率制和驅(qū)動開器r+ir4nQ友Vcc反饋網(wǎng)"保護抑」@1-1幵關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖開關(guān)電源的原理圖如圖1-3所示：是將交流電先整流成直流電，在將直流逆變成交流電，在整流輸出成所需要的直流電壓。輸入整直隅流電賂輸入整直隅流電賂輸出整 輸出.流電躊2.開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的總的原理3.必要的電路元件的選擇3.1整流電路的選擇單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路電容輸入型的基本電路如圖2-1：（a）為半波整流電路（b）為中間抽頭的全波整流電路（C）橋式整流電路（d）倍圧整流電路。

(O何(O何圖2-1電容輸入型的基本電路圖2-2為扼流圈輸入型基本電路，用于負載電流Io較大的電路，扼流圈L的作用是抑制尖峰電流。圖2-2扼流圈輸入型基本電路兩種基本電路的比較如下：（1）開關(guān)電源多釆用脈寬調(diào)制方式，空載時開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間非常短。其導(dǎo)通時間隨開關(guān)電源的設(shè)計方法不同而異，也有采用控制開關(guān)晶體管電路的延時進行的間歇開關(guān)工作，這時，若釆用扼流圈輸入型整流電路，接近空載時，扼流固變?yōu)榕R界值，逆流電路由扼梳閡輸入型變?yōu)闃I(yè)為電容輸入型。為此，從滿載到空載變動時，整流輸出電壓變動較大，空載時有可能進入間歇開關(guān)領(lǐng)域。（2）開關(guān)電源的特點是效率高而體積小，若使用扼流圈時，為提高負載調(diào)整率需要接入扼流圈以及阻尼電阻。（3）扼流圈可能與次級側(cè)濾波回路產(chǎn)生諧振。因此，開關(guān)電源的輸入整流電路釆用電容輸入型。

3?1單相半波整流電路單相半波整流電路是最簡單的整流電路如圖2-3,僅利用一個二極管來實現(xiàn)整流功能。圖2-3單相半波整流電路單相半波整流電路的輸出電壓平均值為：（/為變壓器副邊輸出電壓的有效值）心=￡：屁sin心=￡：屁sin陽伽）=乎（/=0.45/3.1.2單相橋式整流電路單相半波整流電路的缺點是只利用了電源的半個周期，輸出電流較小，同時整流電圧的脈動較大。全波整流電路可以克服這些缺點，其中最常用的是單相橋式整流電路，它是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的?？梢钥吹?，四個二極管分為兩組，正負半周輪流導(dǎo)通，但負載上電流方向不變，此即為全波整流。圖2-4單相橋式整流電路單相橋式整流電圧的平均值為：心0.9^2（S為變壓器副邊輸出電壓的有效值）,比半波整流輸出電壓高。因此，整流電路選用單相橋式整流電路。3.2參數(shù)計算以及元器件的選型由于開關(guān)電源系統(tǒng)三路輸出分別為：15V,4A；12V,3A；5V,2A,則輸出功率幾=15x4+12x3+5x2=106W如果考慮變壓器的效率80%,則整流電路的輸出功率應(yīng)為：&=P/80%=132.5W則可以設(shè)定整流電路輸入電壓Ux=220V,輸出電壓24V.電流1A。3.3.1整流管參數(shù)計算整流輸出電壓為Vs=24V,則變圧器次級電壓：V24t/.=-J-=—=26.67V-0.9 0.9考慮到變壓器二次側(cè)及管子的壓降，變壓器二次側(cè)電壓大約需要提高10%,則:（7,=26.67x1.1=29.337V二極管的最大反向電壓：URM=^X122.2V=172.8V二極管平均電流：ID= =750〃l4可選用1N4003/A整流二極管，最高反向工作電壓為200V,額定工作電流為1A。3.3.2變壓器參數(shù)則變圧器變比為：變圧器二次側(cè)電流有效值:變壓器的容量為：U丄=122.2VX1.67A=203.67VA■■如果考慮變H［器的效率n二80%則UJi=203.67^4/0.8=254.6V<43.3.3電容參數(shù)計算整流電路負載RL=U（）/I（）=100V/1.5A=66.7Q??…WORD格式??可編輯??專業(yè)資料??…在工程中，一般取丄r=pC=5x-=5x^=0.05SL22由于=66.70則C=0.05/66.7=0.75xlO3=750x1選用C=1000//F＞耐壓為150V的極性電解電容。3.3.4變壓器設(shè)計設(shè)訃方法有多種，可根據(jù)情況選擇。一般從汁算原邊圈數(shù)開始，按最大占空比和正常的直流電壓Vs來計算原邊線圈。按上述方法設(shè)計的理山是，副邊繞組都有一個電感器，當(dāng)有突變負載時，輸出電流的變化率受到限制。為了補償這個缺陷，控制線路應(yīng)能把占空比調(diào)到最大。在這種瞬變條件下，高的原邊電壓和最大導(dǎo)通脈寬同時加上，盡管時間很短，如果變壓器設(shè)計沒有考慮這種情況，也會引起磁飽和。控制電路設(shè)計為：在最大輸入電圧時，限制控制電路的脈寬和變化的速率，這樣可防止兩個參數(shù)同時在最大值。能量再生繞組的必要性，說明正激變換器的鐵芯有殘存能量是不好的。為了確保磁通在反激期間恢復(fù)到低的剩磁水平，并考慮偶而出現(xiàn)的較大磁密不致出現(xiàn)磁芯飽和,加一很小氣隙是很有必要的。根據(jù)輸出功率選擇鐵心：三路輸出分別為：15V,4A：12V,3A：5V,2A。輸出功率為：=15x4+12x3+5x2=106VV若考慮6%的余量則：人=106x1.06=112.36W選擇一個傳遞功率為115W的鐵心，SB—9C的EER—40,其有效橫截面積為1.58cm2,?感應(yīng)強度B=220mT計算原邊的繞組周期:1_1廠30x10’=33周期:1_1廠30x10’=33?3“S最大導(dǎo)通占空比D=0?5時:foN= =16?7“S則最小原邊匝數(shù)為:Np（min）匕Np（min）匕Xt（）NBxAc100x16.7"0.114x158=92.7匝取93匝。（3） II-算副邊的繞組匝數(shù)若考慮市電220V以下波動的情況，設(shè)向下波動-20%則:Vs.min=vs.x（l-20%）=100x80%=80V15V的副邊匝數(shù)為:g—土空空“咂80x16.7取35匝。12V的副邊匝數(shù)為:512）=VsminXtoN12x93x33.3512）=VsminXtoN12x93x33.380x16.7=27.8匝取28匝。3.3.5電感的參數(shù)計算L的最小值一般山所需維持最小負載電流的要求來決定。電感L中的電流分連續(xù)和不連續(xù)兩種丁作情況。不論何種情況.只要輸入、輸出電壓保持不變，電流波形的斜率不會因負載電流的減小而改變。如果負載電流ID逐步降低，在L中的波動電流最小值剛好為0時，臨界負載電流Ioc等于平均波動電流，或電流峰一峰值的一半，即：5 （3-5）即定義為臨界情況。這當(dāng)IO<IOC時，iL將進入電流不連續(xù)狀況。否則，為連續(xù)狀況。在臨界點上下，傳遞函數(shù)是突然改變的。當(dāng)高于臨界電流時，輸出電壓與負載電流變

動無關(guān)。當(dāng)?shù)陀谂R界電流時（不連續(xù)工作狀況），研究表明為達到穩(wěn)壓效果，占空比調(diào)節(jié)量山負載變量和輸入電壓變量共同決定。L值的另一限制因素將出現(xiàn)在應(yīng)用于多輸出電壓的情況。因為控制環(huán)只與一個相關(guān)的輸出端閉環(huán)，當(dāng)此輸出端電流低于臨界值時，占空比將減少以保持此輸岀端輸出電壓不變。對于其它輔助輸出端，假定其所帶的是恒定負載，在上述占空比下降的情況下，其電壓也下降。很明顯，這不是我們所希望的。因此，在多輸出電壓時，為了保持輔助輸出電圧不變，L值應(yīng)大于所需最小值。也就是，如果輔助電壓要保持在一定的波動范圍內(nèi)，則主輸出的電感必須一直超過臨界值，即一直在連續(xù)狀態(tài)。電感的最大值通常受效率、體積、造價的限制。帶直流電流運行的大電感造價是昂貴的從性能角度看，L過大則限制了負載出現(xiàn)較大瞬時變化時輸出電流的最大變化率。對于一般的要求，可以根據(jù)流經(jīng)電感的紋波電流峰一峰值為輸岀電流的30%計算。（1） 15V的輸出端流經(jīng)電感的電流:iL=4Ax30%=1.2A電感兩端的電丿玉:^xVw-yo=|xlOO-15V=22.3V電感量為:p 723厶（⑸=~^xtoN=~p7x16-7=310/刃（2） 12V的輸出端流經(jīng)電感的電流:iL=3Ax30%=0.9A電感兩端的電壓:eN OQY=^xVw-V0=^xlOO-15V=18.1V電感量為：厶⑸ xfoNcoX16.7 335/円iL °?9（3）5V的輸出端流經(jīng)電感的電流：iL=2Ax30%=0.6A電感兩端的電丿玉：N 17?,=—xV/(v-V0=^xlOO-15V=7.9VNp 八 93電感量為：Cl 7.9厶⑸一.xr?！币?xl6?7-219?9“Hh 0.63.3.6二極管和電容器的選擇由于輸出電壓不高，使得次級二極管不會有很高的反電壓，可選用耐圧40V的肖特基二極管。為了抑制紋波電圧使其較小，要選用內(nèi)阻抗低高頻用電容器。3.3.7開關(guān)管的選擇開關(guān)電源的開關(guān)管有功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）集功率晶體管（GTR）和功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的優(yōu)點于一身，既有功率晶體管（