电气自动化专业毕业论文单片开关电源及PCB设计.doc
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1、电气自动化专业毕业论文-单片开关电源及PCB设计 目 录摘 要 IAbstract II第1 章 绪 论 111 概述 112 开关电源的发展简况 113 开关电源的发展趋势 2第2章 方案论证 321 概述 322 系统总体框图 323 工作原理 3231 TOPSwitch-II的结构及工作原理3232 单片开关电源电路基本原理 5第3章 单片开关电源的设计 731 概述 732 单片开关电源参数的设计 733 单片开关电源中电子元器件的选择 15331 选择钳位二极管和阻塞二极管 15332 输出整流管的选取 18333 输出滤波电容的选取 19334 反馈电路中整流管的选取 20335
2、 反馈滤波电容的选取 20336 控制端电容及串联电阻的选择 20337 TL431型可调式精密并联稳压器的选择 20338 光耦合器的选择 21339 自恢复保险丝的选择 23 34 单片开关电源保护电路的设计 24341 输出过电压保护电路的设计 24342 输入欠电压保护电路的设计 25343 软启动电路的设计 26344 电压及电流控制环电路的设计 26345 无损缓冲电路 28346 采用继电器保护的限流保护电路 28347 IGBT驱动电路 2935 电磁干扰滤波器的设计 29 351 开关电源电磁干扰产生的机理 30 352 开关电源EMI的特点EMI测试技术 355 电磁干扰滤
3、波器的构造原理 356 电磁干扰滤波器基本电路及典型应用 357 EMI滤波器在开关电源中的应用第4章 PCB电磁兼容性设计 3641 概述 3642 PCB上元器件布局43 PCB布线44 PCB板的地线设计45 模拟数字混合线路板的设计46 PCB设计时的电路措施第5章 单片开关电源印制线路板的设计 5151 概述 5152 Protel99简介 52 53 印制线路板的设计 52531 设计印制线路板的条件 52532 设计印制板的步骤 53533 元件布局 53534 布线 5354 单片开关电源印制线路板的设计 55541 单片开关电源原理总图 55542 单片开关电源PCB设计图
4、55结束语 56参考文献 57致 谢 59附 录 60摘 要电力电子技术已发展成为一门完整的自成体系的高科技技术电力电子技术的发展带动了电源技术的发展而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展电源技术主要是为信息产业服务的信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求从而促进了电源技术的发展两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平即提高一个国家单位能耗的产出水平具有举足轻重的作用在这方面我国与世界先进国家的差距很大作为一个电源工作者不仅要设计出国际或国内先进的电源还要考虑到电源的适应性以及电
5、源的成本只有具有先进性能的电源加上合理的制作成本才能使我国的电源产业赶超发达国家这里着重介绍了基于TOP252Y的单片开关电源通过运用先进的电力电子技术等技术实现了将普通市电转化为稳定地电压电流输出首先介绍开关电源的含义开关电源是利用现代电力电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率维持稳定输出电压的一种电源开关电源一般由脉冲宽度调制PWM控制IC和MOSFET构成随着各种各样电器的出现以及升级它们都需要一个稳定的电源本文系统介绍了一种较为实惠又很先进的稳压稳流输出单片开关电源关键词单片开关电源 反激式脉宽调制AbstractElectric and electronic technology
6、 has already developed into an intact high science the development of electric and electronic technology has driven the development of the technology of the power supply and the development of power technology has promoted the development of industry of the power supply effectively The technology of
7、 the power mainly serves information industry the development of the information technology has put forward higher request to the power supply thus promoted the development of technology of the power supply and it just had the vigorous information industry and power industry now Cant do without the
8、participation and support of the technology of the power from daily life to most advanced science and the power technology and the power industry have very important function in raising the level of a countrys labor productivity namely improve an output level of national units energy consumption In
9、this respect our country and developed country have very great disparity As a power worker not only design the international or domestic advanced power supply but also consider the adaptability and cost of the power supply Only the advanced and low-priced power supply could make the power industry o
10、f our country catch up with the developed country Here I will introduce the Single-Chip Switching Power Supply which based on the TOP252Y by using the technology such as advanced electric and electronic technology it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output At firs
11、t I will introduce the meaning of the Switch Mode Power Supply the Switch Mode Power Supply is a Power supply which utilizing modern electric and electronic technology controlling the time rate of the ON OFF of the switch transistor and keeping the voltage output steadily the switch power is general
12、ly made up with PWM IC and MOSFET 20 With the appearance and upgrading of various electric apparatuses all of them need one steady power supply this text systematically introduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of Switch Mode Power Supply which has steadily voltage and
13、 current output Key words single-chip switching power supply flyback PWM第1章 绪论11 概述电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作开关电源Switching Power Supply自问世以来就以其稳定高效节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品而高度集成化的单片开关电源更是因其高性价比简单的外围电路小体积与重量和无工频变压器隔离方式等优势而成为稳压电源中的佼佼者是设计开发各种高效率中小功率开关电源的优势器件随着生产生活中自动化程度的不断提高开关电源也朝着智能化
14、方向发展由微控制器控制的开关电源将单片开关电源与单片机控制相结合更加体现了开关电源的可靠性和灵活性各种不同的单片开关电源芯片及其电路拓扑的应用和推广单片开关电源越来越体现出巨大的实用价值和美好前景171994年美国PI公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源被人们誉为顶级开关电源其第一代产品为TOPSwitch系列第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列该公司于1998年又推出了高效小功率低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列在这之后Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源亦称高压功率开关调节器High Voltage
15、 Power Switching Regulator目前单片开关电源已形成四大系列近70种型号的产品13 开关电源的发展趋势1955年美国罗耶GHRoger 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器是实现高频转换控制电路的开端1957年美国查赛Jen Sen 发明了自激式推挽双变压器1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善终于做成了25千赫的开关电源目前开关电源以小型轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备通信设备等几乎所有的电
16、子设备是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz用制成的500kHz电源虽已实用化但其频率有待进一步提高要提高开关频率就要减少开关损耗而要减少开关损耗就需要有高速开关元器件然而开关速度提高后会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声这样不仅会影响周围电子设备还会大大降低电源本身的可靠性其中为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌可采用R-C或L-C缓冲器而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器不过对1MHz以上的高频要采用谐振电路以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波这样既可减少开关损
17、耗同时也可控制浪涌的发生这种开关方式称为谐振式开关 目前对这种开关电源的研究很活跃因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零而且噪声也小可望成为开关电源高频化的一种主要方式当前世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究图21 系统总体框图图21是本开关电源结构框图图中显示了主要电路模块其中开关占空比控制电路是基于TOPSwitch-II型芯片的控制电路123 工作原理com TOPSwitch-II的结构及工作原理TOPSwitch-II器件为三端隔离反激式脉宽调制单片开关电源集成电路但与其第一代产品相比它不仅在性能上有进一步改进而且输出功率有显著提高现已
18、成为国际上开发中小功率开关电源及电源模块的优选集成电路TOPSwitch-II的管教排列图如图22所示它有三种封装形式其中TO-220封装自带小散热片属典型的三端器件本文主要采用此种封装形式的芯片此外还有DIP-8封装和SMD-8封装它们都有8个管脚但均可简化成3个两者区别是DIP-8可配8脚IC插座SMD-8则为表面贴片后者不许打孔焊接图22 TOPSwitch-II的管教排列图TOPSwitch-II的三个管脚分别为控制信号输入端CCONTROL主电源输入端DDRAIN电源公共端SSOURCE其中S端也是控制电路的基准点它将脉宽调制PWM控制系统的全部功能集成到了三端芯片中TOPSwitc
19、h-II的内部框图如图23所示主要包括10部分控制电压源带隙基准电压源振荡器并联调整器误差放大器脉宽调制器门驱动级和输出级过电流保护电路过热保护及上电复位电路高压电流源图中Zc为控制端的动态阻抗RE是误差电压检测电阻RA与CA构成截止频率为7kHZ的低通滤波器 TOPSWitch-II的基本工作原理是利用反馈电流Ic来调节占空比D达到稳压目的举例说明当输出电压Uo上升时经过光耦反馈电路使得Ic上升从而使得D下降Uo也随之下降最终使Uo不变TOPSwitch-II器件开关频率高典型值为100kHz允许范围为90-110kHz开关管占空比由C脚电流以线性比例控制电路启动时由漏极经内部高压电流源为C
20、脚提供工作电压Vc实际电路中C脚外部应接入电容以电容的充电过程控制Vc逐步升高以完成电路的软启动过程其PWM反馈控制回路由Rc比较器A1和F1等元件组成控制极电压Vc为控制电路提供电源同时也是PWM反馈控制回路的偏置电压比较器A2的基准电压设置为57V当Vc高于57V时A2输出高电平与此同时PWM控制电流经电阻R与振荡器输出的锯齿波电流分别输入PWM比较器A4的-输入端这时因反馈电流较小从A3反向端输入的锯齿波信号经门电路G3和G4送至RS触发器B2的复位端在锯齿波信号和时钟信号的共同作用下RS触发器的输出端Q被置为高电平门极驱动信号PWM信号经G6G7两次反相送到开关管F2的栅极开关管处于开
21、关状态当电路启动结束时Vc升至门限电压47VA2输出高电平驱动电子开关动作控制电路的供电切换至内部电源正常工作时TOPSwitch器件通过外围电路形成电压负反馈闭环控制调节开关管的占空比实现输出电压的稳定图23 TOPSwitch-II的内部框图TOPSwitch器件具有关断自动重启动电路功能即当调节失控时立即使芯片在低占空比下工作倘若故障已排除就自动重启动恢复正常工作在自启动阶段控制极电压Vc低于门限电压57V时控制电路处于低功耗的待命状态此时由于比较器A2的滞回特性电子开关频繁地在高压电流源和内部电源之间进行切换使得Vc值保持在47-57V之间自启动电路由一个8分频计数器完成延时功能阻止输
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