电力电子课程设计一种开关稳压电源的设计.doc
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1、一种开关稳压电源的设计目录1引言-1 1.1 稳压电源的发展-1 1.2 开关稳压电源的优缺点-2 1.2.1 优点-2 1.2.2 缺点-2 1.3 开关稳压电源设计中所面临的问题-2 1.4设计基本背景要求-3 1.5设计的主要技术指标-32 开关稳压电源的基本工作原理-43 主电路设计-4 3.1 电源变压器的设计-4 3.2 整流滤波电路的设计-6 3.3 EMI电路设计-64 控制电路设计-6 4.1 电流型脉宽控制芯片UC3842介绍-7 4.1.1 UC3842的基本工作原理-7 4.1.2 UC3842的优点-7 4.1.3 UC3842的引脚图及功能表-8 4.2 功率开关管
2、的选择-9 4.3功率开关管驱动电路设计-9 4.4 保护电路设计-10 4.5控制电路的工作过程-10 附录-11 附录A 5V/7A开关稳压电源的电路图-11 附录B 元器件参数表-12 附录C 总结-13参考文献-14 引言1.1 稳压电源的发展 在电子电路和电气设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,直流电源可分为两大类,一类是化学电源,如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源;其优点是体积小、重量轻、携带方便等,缺点是成本高,易污染。另一类是稳压电源,它是把交流电网220V的电压降为所需要的数值,然后通过整流、滤波和稳压电路,得到稳定的直流电压,这是现实生活中应用比较广泛的一类。
3、 早在19世纪研制电灯时人们就曾考虑过稳压问题。20世纪初,出现了早期的稳压技术文献。限于当时的技术水平,研究的只是铁磁交流稳压,并未形成完整的稳压技术体系。电子管问世不久即被用于稳压技术,设计出电子管直流稳压器,进而将电子器件与铁磁元件结合构成电子控制磁饱和交流稳压器。至50年代,稳压成为一门独立的应用技术。晶体管的出现,很快被应用于稳压技术。成为直流集成稳压器件。1955年美国的科学家罗那(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后,利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来,从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低
4、的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态,所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻,因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后,不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管,所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入,并且转换的速度也不能太高。60年代,由于微电子技术的快速发展,高反压的晶体管出现了,从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入,不再需要工频变压器降压了,从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器,又使开关稳压电源的体积和
5、重量大为减小,开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代中期开发的应用简便的三端稳压器件(如7800系列和7900系列)标志着集成稳压技术的成熟。以上的稳压电源基本都属于耗能型。其技术原理是用稳压管或铁磁共振恒压变压器等非线性器件并辅以必要的电路实现对输出电压的自动调整,线路成熟, 理论比较完善。但仍然存在体积大、效率低等固有缺陷。 70年代后期,随着新型高效电力电子器件的不断涌现、电力变换技术和控制理论的飞速发展以及微处理器技术的日新月异,源源不断地为稳压电源的发展注入着新的生机和活力,它的另一分支开关稳压电源获得了更为迅猛地发展。其原理在于控制开关器件的导通时间来达到稳定输出
6、电压的目的。80年代以后,由于与这种技术有关的高频,高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来,因此使无工频变压器开关稳压电源被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等各种领域,从而使这种稳压电源成为各种电源中的佼佼者。并不断向高频化、集成化、高效化等方面发展。1.2 开关稳压电源的优缺点1.2.1优点 (1)功耗小,效率高。由于开关型器件在激励信号的激励下,交替的工作在导通截止和截止导通的开关状态,可以做到几百或者近1000HZ,使得开关型器件的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高,其效率可达80%左右。 (2)体积小,质量小。由于开关稳压
7、电源没有采用笨重的工频变压器,开关型器件上的功率耗散大幅度降低后,又省去了散热片。因此,使开关稳压电源实现了体积小、质量小。 (3)稳压范围宽。其输出电压是由激励信号来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿,因此,在工频电网电压变化较大时,能够保证稳定的输出电压。此外,改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种,所以实现稳压的方法也较多,便于设计。 (4)滤波效率大大提高,使滤波电容的容量和体积大为减少。采用开关稳压电源时,滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/5001/1000。 (5)电路形式灵活多样。主要有自激式和它激式,有调宽型和调频型,有单端式和双端式等,便
8、于设计者自主发挥,设计出满足不同应用场合的开关稳压电源。1.2.2 缺点 开关稳压电源存在着较为严重的开关干扰 。在开关型器件的开关过程中产生的交流电压或电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重的影响整机的正常工作。由于开关稳压电源振荡器没用工频变压器的隔离,这些干扰就会串入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰而无法正常工作。 此外,由于我国的微电子技术、阻容器件生产技术等技术与先进国家之间有一定的差距,因而开关稳压电源的造价不能降低,从而影响了其可靠性的进一步提高,因此在电子仪器及机电一体化仪器中,应
9、用并不广泛。另外,由于其电路结构复杂,致使制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。1.3 开关稳压电源设计中所面临的问题 随着半导体技术和微电子技术的高速发展,集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现,使得电子设备的体积在不断地缩小,重量在不断地减轻,所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想,研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器,使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要,这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。 开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的,并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器
10、以后,才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率,就必须提高电源的工作频率。但是,当频率提高以后,对整个电路中的元器件又有了新的要求。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件,是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。 工作在线性状态的线性稳压电源,具有稳压和滤波的双重作用,因而串联线性稳压电源不产生开关干扰,且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态,其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网,影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进,开关
11、稳压电源的这一缺点得到了一定的克服,可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中,由于开关稳压电源的这一缺点,却使它得不到使用。所以,克服开关稳压电源的这一缺点,进一步提高它的使用范围,是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。1.4 设计的基本背景要求 直流稳压电源作为直流能量的提供者,有着极其重要的地位,它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的日益发展,电源技术也得到了很大的发展,它从过去一个不太复杂的电子线路变成今天具有较强功能的模块。由于开关稳压电源本身消耗的能量极低,电源效率可达80%左右,比串联调整式线性稳
12、压电源提高近一倍,选用带高频变压器的单端或双端输出式脉宽调制器,可省掉体积笨重、损耗大的工频电源变压器,制成功率从几十瓦到几千瓦的开关电源。而且此类电源的控制芯片具有种类齐全、功能强大的显著优点,并使外围电路设计简单化,从而降低成本,可靠性却大大提高。考虑到此种电源的应用领域(其主要应用于小功率自动化仪表等设备的直流供电),我所要设计是一种以电流型脉宽调制控制器UC3842为核心组成的单端反激式开关稳压电源。 1.5 设计的主要技术指标(1) 交流输入电压220V20(2) 直流输出电压5V(3) 输出电流7A(4) 输出电压调整率1(5) 纹波电压U050mV2 开关稳压电源的基本工作原理
13、该电源的结构框图如图1所示 EMI 滤波电路整流滤波电路输出整流滤波UC3842反馈电路LN+5V/7AAGND变压器控制电路图1 稳压电源的结构框图 220V交流电压经过EMI滤波后,得到直流电压输入到单相整流电路,EMI电路的作用是防止电源本身的电磁干扰脉冲通过传导或辐射方式干扰公共线路上的其他设备,同时也防止公共线路上的电磁脉冲干扰电源本身的工作,这部分电路在开关电源中的设计是不容忽视的。输入的交流电压经整流后得到脉动直流电流,再由滤波电容滤波后获得小脉动直流电压。UC3842从主电路获得启动电压,从而进行控制,即输出一定宽度的脉冲信号驱动开关功率管的导通和截止,以实现脉宽调制功能。最后
14、通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到电压,经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。 3 主电路设计 我所设计的主电路如图2所示图2 开关稳压电源主电路电路图 具体设计过程如下所述3.1 电源变压器的设计 当电网电压在 220V20范围内变化时,对应于176264V,经全波整流后的直流输入电压为VImin240V,VImax360V。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e170V。线圈漏感造成的尖峰电压VL100V,因为VImin+e+VImax360V,故开关功率管应承受630V以上的高压。 脉冲信号最大占空比: 计算初级线圈的电感量L10: 设满载时峰值电流为Ip,在进行短路保护
15、时的过载电流为Is,则有: 所以初级线圈储存的电能为: (1)确定初级线圈的匝数N1 在初级线圈的安匝数N1IS与储存的电能W之间存在如下关系: 所以有: 实取N1=90匝。(2)确定自馈线圈匝数N2,次级线圈匝数N3 实取N2=11匝。 次级线圈N3的回路中选用肖特基二极管D80-004,VF0.4V,V0=5V,故 鉴于输出电流可达7A,线圈的铜阻与输出引线电阻上会形成压降,为避免输出电压跌落,应适当提升V0的值,所以取N3=4匝,输出功率P0=57=35W,为留有一定的裕度,应选择额定功率为40W的变压器作为此开关电源的电源变压器。(3)自馈线圈、次级线圈中整流管的选择 由于用UC384
16、2构成的开关电源属于单端反激变换器式。其工作频率尽管可达500 kHz,但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制,通常将f0设计在几十千赫以下。使用VMOS管时,f0=40 kHz,用双极型开关功率管时,f0=20 kHz为宜,当电路起振后,UC3842的第4脚幅度约为1.5 V,周期为25S的锯齿波。反向恢复时间trr愈小,高频开关性能越好。肖特基二极管(SBD)的trr =400ns,快恢复二极管(SRD)的trr=35ns,超快恢复二极管(SRD)的trr=35ns(4)自馈线圈回路中二极管的选择 自馈线圈回路中可选FR309型快恢复二极管,其耐压值为1000 V。额定整流电流为3A
17、。次级线圈回路宜选用肖特基势垒二极管,它属于高频、大电流、低功耗器件,其正向导通压降仅0.4 V左右,还不到快恢复二极管VF值的一半。D80-004型肖特基势垒二极管的主要参数是:平均整流电流I0=15 A,最大正向压降VF =0.4 V,反向恢复时间tv 10 ns,反向峰值电压VR =40 V。3.2整流滤波电路的设计 整流器的功能是将输入的交流电压变为脉动的直流电压。整流器是由四只整流二极管构成。对于单相半波整流电路,具有如电路特点:电路结构简单,输出电压波动较大、变压器利用效率低、输出电流脉动大,一般只用在小容量负载,且对波形要求不高的场合。对于单相全波整流电路,虽然相对半波整流输出电
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