开关稳压电源毕业设计.doc
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1、摘 要随着全球对绿色环保问题的不断关注和开关电源在电气电子各个领域中的优良表现, 社会对其的需求量在不断的加大, 开关电源也因为其高效率、小体积、轻重量等多方面的优势在很多领域逐步取代了传统的连续工作的线性电源,但同时人们对这种电源的效率、体积、重量、功率因素及可靠性等方面提出了更高的要求。开关变换器的高频化、集成化、小型化、低噪声化、高可靠性化发展也是当今社会的不断追求和努力的方向,目前,开关技术的研究热点主要有新型高频高功率半导体器件开发,外围新器件的开发,同步整流技术优化,电磁兼容优化,高性能数字控制,拓扑结构和参数的最优化,低电压,大电流电源的开发等方面。随着研究的不断深入和电力电子技
2、术的迅速发展,开关电源的工作频率,效率将不断提高,体积将不断减小,性能将更加稳定,品种也将越来越多。近年来开关电源的高频变换器出现了推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等多种形式,新型的软开关控制技术也有零电压和零电流两种。本文介绍了一款基于UC3825的小功率移相全桥零电压软开关控制方式的开关稳压电源,采用市电供电,带隔离变压器,给出了DC-DC变换器、PWM控制及驱动电路的详细设计方法及设计思路,并使用ORCAD/Pspice软件对开关电源主电路系统性能进行了仿真,根据仿真结果显示,该开关稳压电源效率高,输出电压稳定,电路设计较完善,性能稳定。1 关键词:开关电源 移相全桥 软开关技术Ab
3、stract With the global keeping attention on the problem of environmental protection and the switching power supply has good performance in all fields of electrical and electronic, the demands of switching power supply keep increasing.Because of its high efficiency, small size, light weight, and many
4、 other advantages, the switching power supply gradually replace the traditional linear power in many fields. But people need higher requirement for the efficiency, volume, weight, power factor and reliability of the switching power supply. The high frequency, integration, small size, low noise, the
5、main research of switching technology focus on development of new high-frequency high-power semiconductor device and new external devices, the optimization of synchronous rectification technology and electromagnetic compatibility, high performance digital control, topology and parameter optimization
6、, low-voltage and high-current power supply development and so on. Along with the deepening of the study and the rapid development of power electronics, switching power supplies operating frequency, efficiency will continue to increase, the volume will continue to decrease, the performance will be m
7、ore stable, the variety will be more and more. In recent years, there are push-pull, full bridge, the new soft-switching control technology has zero voltage and zero current. The thesis describes a switching power supply with low power phase-shift full-bridge zero-voltage soft-switching control base
8、d on UC3825,with electricity supply of 220V and isolation transformers, DC-DC converter, PWM control and drive circuit of the detailed design methods and design ideas is given, and make a simulation on the main circuit switching power supply system performance using ORCAD / Pspice. According to the
9、simulation results: the power supply has high efficiency, stable output voltage.It is a perfect circuit design with stable performance.1Key words: switching power supply phase-shift full-bridge soft-switching technology目录摘要IABSTRACTII绪论11 开关电源的基本概念与发展21.1 开关电源基本概念21.2 开关电源的发展21.3 设计任务21.4 设计方案32 软开关
10、技术62.1 软开关的定义62.2 全桥控制移相方式63 PWM控制芯片UC382583.1 UC3825简介83.2 UC3825的基本特性83.3 UC3825的工作原理94 主电路的选型与设计124.1 开关电源主电路的结构设计124.2 主电路主要参数的计算134.3 高频变压器的计算与设计144.4 隔离变压器与整流电路的计算与设计184.5 输入滤波电路的计算与设计194.6 输出滤波电路的计算与设计204.7 主开关元件计算与选型204.8 吸收电路的设计215 控制电路的设计与计算225.1 控制电路的设计225.2 锯齿波电路的参数计算235.3 电压反馈比较电路的参数计算2
11、35.4 过流保护电路的设计255.5 控制输出电路的设计275.6 电路结构总图28结论29致谢30参考文献31 绪 论 自20世纪50年代,美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来,在半个多世纪的发展中,开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源,并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展,开关电源逐渐向集成化方向发展,趋于小型化和模块化。近20年来,集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。其属于AC/DC电源变换器。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点,
12、现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。 传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或增压设备,用水泵高出实际用水高度的扬程来“提升”水位高度,以保证有足够的用水量,并且控制精度低、能耗大。随着科学技术的不断发展,自动控制技术在我国的日新月异,继电器控制系统已跟不上时代的发展要求,而需要一种新型的可编程控制器取而代之。PLC进入九十年代后,工业控制领域几乎全被PLC占领。运用PLC的目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的控制系统。已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业,是工业自动化的主导产品。 开关电源的使用为国家节省
13、了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高,能耗减少,降低了电源周围环境的室温,改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是,近两年来出现的电力系统直流操作电源,是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的,它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。2 1 开关电源的基本概念与发展1.1 开关电源基本概念电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,用于交流直流或直流直流电能变换,通常称其为开关电源,开
14、关电源的核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。开关电源这一技术特点使其同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体积小、重量轻和效率高两个明显的优点。21.2 开关电源的发展随着电子技术的高速发展,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右。另外,由于调整管上消耗较大的功率
15、,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。 1.3 设计任务本设计做的是一个小功率带变压器隔离的全桥式开关电源,供电电源采用市电。设计的主要内容是开关电源的主电路和控制电路,和其他的一些辅助电路。开关电源需要满足下列指标要求:(1) 输出电压U0可调范围:20V50V;(2) 最大输出电流I0 max:4A;(3) Io从0变到4A时,负载调整率SI5%(U2=40V);(4) 输出噪声
16、纹波电压峰-峰值UOPP1V(U2=36V,Uo=40V,Io=4A);(5) DC-DC变换器的效率 70%(U2=36V,Uo=40V,Io=4A);(6) 具有过流保护功能,动作电流IO(th)=4.50.2A。 根据要求设计出电路图,包括主电路、控制电路以及选用相应的元器件。1.4 设计方案开关电源一般是由变压器,整流滤波电路,DC-DC变换器,控制电路,保护电路等电路构成。本设计的核心部分,进行功率变换的DC-DC变换器,采用全桥式变换电路,此外还有软启动、过流保护、噪声滤波等电路。通过资料的查阅,设计出了元器件参数,然后选择合适的器件,设计出完整的电气原理总图,如图1-1所示。图1
17、-1 开关电源的电气原理总图(1) 全桥式DC-DC变换器。全桥式DC-DC变换器的电路结构如图1-2所示,电路中有四个开关管Q1,Q2,Q3和Q4,其中,Q1和Q4同时导通,Q2和Q3同时导通,并且两组开关管轮流导通半个周期。这样在高频变压器的副边绕组两端分别形成相位相反的交流电压,Q1,Q4导通时,二极管D5处于导通状态,Q2,Q3导通时,二极管,D6处于导通状态,在负载端形成矩形电压脉冲,因此通过调整Q1和Q4,Q2和Q3两组开关管的的导通时间就可以调整输出电压的占空比,从而调整输出电压的平均值,达到稳定输出电压的目的。图1-2 全桥式DC-DC变换器(2) 隔离变压器和整流滤波电路。本
18、文设计的开关电源变压整流电路如图1-3所示,先把220V的市电通过隔离变压器转变成36V的交流电,对电网中的杂波、瞬间过电压进行过滤吸收。再通过桥式电路,将36V交流电转变成波动的直流电,然后经电感电容进行滤波,从而得到平稳的直流电压,为DC-DC变换器供电。图1-3 整流滤波电路(3) PWM控制电路。本文设计的控制电路是由两片UC3825为核心组成的脉宽控制电路,如图1-4所示,控制芯片通过内部震荡电路、电压比较电路等其他相关电路,能够使其输出端输出控制电压,每块芯片电路输出两路,然后通过变压器隔离驱动功率管交替开通和关断,产生高频的开关电压,进而驱动高频变压器进行电压的变换。此电路还设计
19、反馈电路,将输出电压的大小变化反馈到UC3825中。使芯片通过检测输出电压的变化调整脉宽的占空比,从而能够精确地调整输出电压值,达到稳压的效果。图1-4 PWM控制电路(4) 阻容吸收装置。因为此开关电源中的电源采用220V的市电,而市电电网中很容易会产生瞬时过电压,这种过电压如果通过隔离变压器耦合到开关电源中,会对开关电源中的器件产生影响,严重时会烧毁器件,所以在变压器的输入端要设置阻容吸收装置。同时,基于电路中电感的存在,四个功率管开关的时候,会在器件的两端形成很高的过电压,这样的过电压也很可能会超过器件的耐压而使器件被击穿,造成不可挽回的后果,所以,在四个功率管的两端也应设置阻容吸收装置
20、。此外在输出端上的整流二极管,同样因为电感的存在而产生过压,也需要在整流二极管两端设置阻容吸收装置。(5) 输出滤波电路。输出滤波是将高频变压器产生的矩形波电压通过电感电容滤波,得到平稳的输出电压供给负载。本设计使用倒L型滤波电路,通过计算选型能够得到十分稳定的输出电压。(6) 过流保护装置。根据设计任务的要求,该开关电源需要具备过流保护功能,动作电流IO(th)=4.50.2A。本设计中,为了实现过流保护功能,在输出电路中串联一个小电阻,通过小电阻检测输出电路的电流,进而反馈给PWM控制芯片,当输出电流超过设定值,控制芯片即封锁输出脉冲,从而实现过流保护的作用。3 2 软开关技术2.1 软开
21、关的定义因为功率开关管的开通和关断过程在实际中不是瞬间的,是需要一定时间的,所以功率管在开通和关断的时候电压和电流都不为零,会产生损耗,此损耗称为开关损耗,并且其损耗会随频率增高而增大,制约了开关电源的高频率化。“软开关”就是能使开关功率管在其两端的电压为零时导通,或是使流过开关功率管的电流为零时关断的控制方法,是与“硬开关”相对而言的。这种方法大大的减少了传统的硬开关的开关损耗,从而提高了功率变换器的传输效率,最理想软开关的开关损耗可以为零。42.2 全桥控制移相方式 近年来,在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制方式是结合了谐振变换技术和PWM技术的移相控制方式。主要有超前桥臂和滞后桥臂均
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