1942.带保护的开关电源设计(5V +12V).doc
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1、综合毕业实践说明书(论文)2006 - 2007年信息与通信工程 系 通信工程 专业毕业实践题目: 带保护的开关电源设计学生姓名: 班级: 学号: 起讫日期: 2007年2月-2007年6月实践地点: 指导老师: 系主任: 目 录摘要、关键词一 .引 言二开关电源的发展三. 电路原理总概述.开关电源原理设计1.抗干扰电路2.整流、滤波电路3.自激振荡电路4.稳压控制回路.保护电路设计1.浪涌电压保护电路2.尖峰吸收保护电路3.过压保护电路三 .元器件简介1.PC817 简介2.5L0380R简介3.TL431简介4.MBR1545CT简介四.设计性能五.小结六.致谢七.参考文献八.附录 带保护
2、的开关电源设计摘要:线形稳压电源,虽然电特性优良,但由于功率调整器件串联在负载回路里,而且工作在线形区。因此功率转换效率比较低,为了提高电源需工作在开关状态,作为开关而言,导通时压降很小,几乎不消耗能量,关断时漏电流很小,也几乎不消耗能量,所以工作效率在80%以上。关键词:开关电源 功率 效率一 引言: 开关电源发展迅速,应用广泛,目前已广泛应用于航天、汽车、家用电器、通信、计算机和自动控制等方面,对于开关电源而言,接通时压降很小,几乎不消耗功率;关断时漏电流很小,也几乎不消耗功率。它是通过调节开关调整管的导通时间来实现稳压的,开关调整管工作在开关状态,因此功率损耗小,效率高,而且可以省去电源
3、变压器,体积小。重量轻;开关稳压电源的稳压范围宽,交流输入电压即使在70265V范围内变化,或负载大幅度变化,都能获得良好的稳压效果;另外,使用灵活性高,安全可靠,噪声也低。开关电源的不足之处是输出电压纹波较大,动态响应时间长,电流电压变化率大,不宜在空载或负载电流变化剧烈的场合使用;另外,控制电路复杂、对元器件要求高、成本也高。二.开关电源发展: 1955年美国罗耶(GH.Roger)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(JenSen)发明了自激式推挽双变压器,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
4、下降获得了一条根本的途径。到了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,终于做成了千赫的目前,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kHz、用制成的kHz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
5、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。 三 电路原理总概述:采样电路比较放大基准电源V/F转换震荡器基极驱
6、动开关器件变压器整流滤波保护电路功率因素校正滤波整流浪涌抑制输入电路变换电路输出电路控制电路高频开关电源由以下几个部分组成: 一、主电路 从交流电网输入、直流输出的全过程,包括: 1、输入滤波器:其作用是将电网存在的杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波:将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电,以供下一级变换。 3、逆变:将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分,频率越高,体积、重量与输出功率之比越校 4、输出整流与滤波:根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。 二、控制电路 一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频率或脉
7、宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。 三、检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外,还提供各种显示仪表数据。 四、辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源。 开关控制稳压原理 开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关K接通时,输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL,在整个开关接通期间,电源E向负载提供能量;当开关K断开时,输入电源E便中断了能量的提供。可见,输入电源向负载提供能量是断续的,为使负载能得到连续的能量提供,开关稳压电源必须要有一套储能装置,在开关接通时将一部份能量储存起来,在开关断开时,向负载释
8、放。电感L用以储存能量,在开关断开时,储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量,因二极管D使负载电流连续不断,所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示: 式中TON为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和)。 由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,AB间电压的平均值也随之改变,因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比率控制”(TimeRatioControl,缩写为TRC)。
9、 按TRC控制原理,有三种方式: 一、脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,缩写为PWM) 开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 二、脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,缩写为PFM) 导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。.开关电源原理设计1 抗干扰电路:抗干扰电路是由电容CX1、CX2、CY1、CY2、CY3,线路滤波器LB1、LB2、LB3组成的低通滤波器,它具有电感量较大、分布电容较小,所以对很宽频率范围内的非对称性干扰也有很好的滤波抑制作用。他不但可防止经市电线路进入的各种对称的或不对称的干扰信号进入电源
10、内,也可防止开关电源本身产生的高次谐波脉冲串入市电中,对接在电网上的其它电器设备产2 整流滤波电路:整流滤波电路由整流二极管D1、D2、D3、D4和滤波电容CD1、CD12、CD13组成。通过抗干扰滤波电路净化后无干扰的220V市电经过由D1、D2、D3、D4组成的桥式整流电路,CD1、CD12、CD13滤波电容滤波后,形成约300V的直流电压。3 自激振荡电路:自激振荡电路是以集成器件5L0380R(U1)为核心构成的,它属于电流型脉宽调制器,其引脚为:1脚电源公共地(GND);2脚接内部场效应管漏极(DRAIN);3脚启动电源(VCC);4脚电压反馈输入(FB)。(以U2为例)插上电源时电
11、路经过电感滤波、桥式整流电路整流成+300V直流电压。一路通过脉冲变压器B1的1,3端加到U2的2脚内部场效应管漏极;另一路经过启动电阻R1加到U2的3脚启动电源上,使U2内部场效应馆处于微导通状态。B1的1,3绕组产生的感应电动势,耦合到B1的4,5反馈绕组,其3端产生的正相脉冲通过R6,D6注入到U2的3脚,使开关管进入饱和导通状态,从而完成开关电源的启动过程。4 稳压控制回路:(以U2的稳压控制回路为例)稳压控制回路原理: B1次极绕组、滤波电容CD9、滤波电感L1构成5V电源,限流电阻R12、分压电阻R16、R15、R17以及三端稳压块U3组成的基准电压比较电路,获得基准稳压源。当由于
12、某种原因使得5V输出电压升高时,5V电压经R15、R16、R17分压后得到的取样电压就与TL431基准端R中的2.5V带隙基准电压进行比较,在阴极C上形成误差电压。当取样电压大于基准电压时,输出端K电位降低,G02内部的的1,2引脚的发光二极管两端电位差也随之加大,其发光强度增大,促使内部光敏三极管内阻下降,进而拉得U2的4脚电位下降,输出电位也下降;同理当输出电压下降时,则出现相反的过程,最终达到稳压的目的。 二、保护电路设计 1.浪涌电压保护电路:压敏电阻RV1可以吸收各种外来的浪涌突破中电压,避免瞬间浪涌使得半导体器件或设备失效或损坏,该电阻的型号为10N471K,它是通用型氧化锌压敏电
13、阻,其保护电压范围在376V564V之间,常用在使用220V交流电源的开关电源的输入端口中。2 尖峰吸收保护电路:(以U2为例)由D8,C4,R4组成尖峰吸收电路,保护U2内部的场效应开关管不会被尖峰电压击穿。U2内部的场效应开关管从导通到截止时,开关变压器B1的1,3绕组因漏感会产生很高反向尖峰电压时,这时D8导通,对电容C4进行充电,从而降低反峰电压值。当场效应开关管从截止到导通时,C4上充的电荷则通过R4泄放掉,这样就保护了U2内部的场效应管不被击穿。3 过压保护电路:A经变压器B1输出的电压经L2后,若该电压大于或等于13V时。则DW3导通,将使SCR2的G端得到一个正向电压,使SCR
14、2导通接地,则电路处于过压保护状态。B经变压器B2输出的电压经L1后,若该电压大于或等于6V时。则DW1导通,将使SCR1的G端得到一个正向电压,使SCR2导通接地,则电路处于过压保护状态。4 欠压保护电路: 经变压器B2输出的电压经L1后,若该电压小于5V时。则U1由导通转为截止,使电路处于欠压保护状态。三元器件简介:1PC817光电耦合器A光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电
15、光电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。1脚:ANODE 2脚:CATHODE 3脚:EMITTER 4脚:COLLECTORB光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所
16、能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小(约几个pF),所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。2TL431基准电源器件A德州仪器公司(TI)生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值(如图2)。该器件的典型动态阻抗为0.2。 TL431大多采用类似普通三极管的T092封装形式,如图所是:A为阳极,使用时需接地;C为阴极,需接限流电阻接正电源;R是输出电压的设定端,外接分压电阻。由图可以看到,VI是一个内
17、部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。由运放的特性可知,只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI(2.5V)时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管的电流将从1到100mA变化。BTL431的应用前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。如图5-3所示的电路,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若V o增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加,从而又导致Vo下降。显见,这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定,此时Vo=(
18、1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。需要注意的是,在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流要大于1 mA 。 当然,这个电路并不太实用,但它很清晰地展示了该器件在应用中的方法。将这个电路稍加改动,就可以得到在很多实用的电源电路,如图5-4。 一般地,在阴极和参考端之间,可以引进R、C串联网络,以做相位补偿。 图5-3:推荐的应用电路及电压输出 图5-4是一个最简单的+5VDC稳压电路。 图5-4:精密5V稳压器35L0380R简介该集成块外观像一只塑封中功率管,内部完成了振
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