小型开关电源的设计 (1).doc

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1、等级:湖南工程学院课 程 设 计课程名称 电力电子技术 课题名称 小型开关电源的设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 班 学 号 2011130 姓 名 指导教师 谢卫才 杨青 2014 年 5 月 22 日湖南工程学院课程设计任务书 课程名称： 电力电子技术 题 目：小型开关电源的设计 专业班级：电气工程 学生姓名： 学号： 27 指导老师：谢卫才, 杨 青 审 批： 任务书下达日期 2014 年 5月12 日设计完成日期 2014 年 5 月23日 设计内容与设计要求一.设计内容：1. 分析开关电源的结构及功能2. 介绍小型辅助开关电源设计要求和方案选择3. 小型开关电源主电路设计(主

2、电路的选用依据和原则, 主电路的设计及分析, 主开关的选用依据和原则, 元器件定额及选型)4. 小型开关电源控制电路设计及元器件选型5. 小型开关电源变压器设计二、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图；2、给出具体设计思路和电路；3、写出设计报告； 主要设计条件1. 电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：输入电源是三相交流220VAC, 50HZ,输出电压是直流电压15.0V , 0.1A; 12.0V, 0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。2

3、.提供设计要求,提供实验室. 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 正文5 总结与体会；6. 参考文献7、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 1: 课题内容介绍和查找资料； 2 : 总体电路设计和分电路设计； 3 : 写设计报告，打印相关图纸；4. 答辩 参 考 文 献1、电力电子技术2. 现代逆变技术及其应用3. 交流电机变频调速技术4. 电机控制目 录 第一章、分析开关电源的结构及功能21 开关原电源概念22 开关电源的结构组成23 开关电源的原理3第二章、 小型开关电源设计要求和方案选择41 设计要求42 开关电源总体设计方案4第三章、小型开关电源主电路设计41 主

4、电路及主开关的选用和原则42 主电路的设计及分析53 反馈电路94 元器件选择9第四章、小型开关电源变压器设计11第五章、设计总电路图15第六章、 总结与体会16191第一章、分析开关电源的结构及功能1.1 开关电源的概念开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。2 开关电源的结构组成开关电源大致由主电

5、路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。（1）主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。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。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。（2）、控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。（3）提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。（4）辅助

6、电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。1.3 开关电源的工作原理开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，对输入电压的变化的动态响应慢，很难达到较高的线性调整率精度；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，对输入电压和输出负载的变化的瞬态响应均快，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。开关电源开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是效率高、功率密度高、可靠性高。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这

7、两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。如图1.1所示为半桥式开关电路 1.1半桥式开关电路第2章 开关电源总体设计要求与方案2.1 开关电源总体设计要求本课题主要设计的目的是为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源。电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：输入电源是三相交流： 220VAC, 50HZ,输出电压是直流电压：15.0V , 0.1A; 12.0V,

8、 0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A做为一个小型的开关电源，我们需要尽量将其设计小型化，轻便化。2.2 开关电源总体设计方案 交流输入、直流输出的开关将电源交流电转换为直流电，其典型的能量转变过程如图2.1所示。其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图2.2所示.整流电路高频逆变变压器高频整流滤波流工频交流直流高频交流脉动直流直流高频交流 图2.1开关电源转换过程 图2.2第3章 小型开关电源主电路设计3.1 主电路及主开关的选用和原则由设计要求，设计的开关电源是一个小功率，多输出电源，而反激式变换器效率高，线路简单，能提供多路输出。故主电路选用的是半桥式电路结构，其结构较简

9、单、损耗小的优点。由于电源输出的是小功率，本次设计采用TOP223P和反馈环节构成小型开关电源的控制部分，属于电压控制器件，驱动电路比较简单，驱动功率甚微，在启动或稳定工作条件下的峰值电流要比采用双极型功率晶体管小的多。不过半桥式输出电压纹波较大，所以通常用于500W以下的电源中。3.2主电路设计输入整流电路的作用是把来自电网的交流电变换成直流电，采用全波桥式整流电路。桥式整流电路由多个整流二极管进行桥式连接而成，完成这一任务主要利用二极管的单向导电作用，具有体积小、稳定性好、使用方便、性能优越、整流效率高等优点。滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波。滤波电路形式很多，本次设计的开关电源属于小

10、功率电源，故采用电容滤波电路。输入整流滤波电路如图3.1所示： 图3.1输入整流滤波电路3.3 反馈环节设计反馈电路主要由光耦合器和若干电容、电阻构成，如图4-3所示。输出电压经光耦合器U2和齐纳二极管VR2直接取样构成TOP223P的外部误差放大器，能提高稳压性能。R1为限流电阻。反馈绕组上产生的电压经VD3、C4整流滤波后经光敏三极输出，送至TOP223P的控制端，用来调节占空比。3.4 元器件选择a 整流二极管的定额及选择 开关电源的整流桥是由4只二极管组成的，没两只二极管串联起来完成交流电压半周期整流。因此，每只二极管中流过的电流只有整流平均值的一半；每个二极管所承受的电压是最大反向电

11、压的一半。输入回路的峰值电流计算如下：输入有效电流Ids=Po/Vmax=10/311=0.032A ,输入回路平均电流 Idc=Ids*Dmax=0.016A , 交流输入电流峰值Iacp=3.5*Idc=0.056A。输入回路的最大输入电流直流电压Vmax2=2*1.414*220622（V），参考开关电源设计技术与应用实例书中的表26，选用BYV26D型号的快恢复二极管,它的最大反向电压为Vrm为800V额定整定电流为2.3Ab 滤波电容的定额及选择 平均输入电流I0.016A 纹波电流为I=0.0032A C=K*Pi=2*12.5=25F，最大反向电压为整流输出最大电压264V。所以

12、应该选用额定电压大于264V的，选额定电压为400V、额定容量为25F的电解电容器。c 吸收回路器件定额与选择初级绕组Np的电压Vp=1.414*220311（V）加在功率管的电压峰值Vdsp497（V），Dmi=0.2，T=20s，则To=4s，则吸收回路的电阻R1=4*（Vdsp/Vp-1）2*（Lp*T）/(To 2)=1.43*0.039*20*10-6/(0.4*10-3) 27 k,时间常数常比周期大的多，一般取5倍左右，则：C1=5*T/R1=100*10-6/(7*10 3) 14.3*10-9F0.01F。用开关MOSFET上的峰值电压减去R1两端的电压，就是阻塞二极管所承受

13、的电压。VR1=1.5*Vs/n,其中Vs是变换器的次级电压，Vs=15.8V，n是变压器的变比，n=34/665。 VR1=1.5*15.8*665/34464(V),所以，VD1所承受的电压为497-464=33V，选用耐压值为50V以上的，电流值为3A的肖特基二极管UF5822。d 功率管的定额及选择最大输入直流电压为1.414*220311（V），Lp是变压器圆边绕组的电感为0.039H。Vdsp900（V），所以开关功率管的额定电压要取1000V以上的。才能正常安全工作。 e 输出滤波回路器件的定额及选择扼流圈电感L1-L4起着平滑滤波的作用，流过扼流线圈的电流一般是输出电流的20%

14、。IL1=Io1*20%=0.8*20%=0.16（A） IL2=Io2*20%=0.2*20%=0.04（A）IL3=IL4=0.1*20%=0.02（A）L=（Vs-Vf-Vo）*To/IL 其中Vs=(Vo+VL+ VvD)/D所以 L1=(5.8/0.51-0.6-5)*10.1/0.16=364.39(H) L2 = (15.8/0.51-0.6-15)*10.1/0.04=3883.55(H) L3=L4=2L2=7767.1(H)要求各路输出纹波电压应小于此路输出电压的1%。第五章、小型开关电源变压器设计 输入电压为220V（50Hz），输出参数为+15V 0.1A;-15V 0

15、.1A;+15V 0.2A;+5V 0.8A.Np是主绕组，Nf是反馈绕组，N1N4为二次绕组。1 选择磁芯的大小 输出功率 Po=Vo1*Io1+Vo2*Io2+Vo3*Io3+Vo4*Io4 =15*0.1+15*0.1+15*0.2+5*0.8=10（W） 取电源效率为80%，则输入功率 Pi=Po/=10/0.8=12.5（W）根据输入功率选择EE19磁芯，EE19磁芯的有效截面面积Ae=20mm2设工作频率为f=50KHz，则工作周期T=1/f=20微秒2 计算To初级绕组开关晶体管VT1的最大导通时间对应于最低输入电压和最大负载。D取0.5 To=D*T=0.5*20=10 （us

16、）3 计算直流输入电压变压器的输入电压Vp=220*1.414311 (V)选择工作时的磁通密度，对一般形状、材料的铁氧体磁芯，当工作频率为50KHz时，Bac=234mT是一个良好的工作区。4 计算原边匝数作用电压是一个方波，一个导通时间的伏秒值与原边匝数的关系为： Np=（Vp*To）/（Bac*Ae）=(311*10)/(0.234*20) 665（匝）其中，Np为原边匝数，Vp为原边所加直流电压，To为导通时间，Ae为铁芯有效面积5 计算次级匝数 设肖特基二极管的管压降为0.4V，电感滤波线圈的电压降为0.4V，N1的总电压值为5.8V初级绕组每伏匝数 n= Vp/Np = 311/6

17、65 0.47 (伏/匝)各次级绕组匝数分别为 N1 = 5.8/0.47 12 (匝)N3和N4的总电压值都为15.8 V N2 = 15.8/0.47 34（匝）N3 = N4 = N2Nf=5.4/0.4711(匝)6 计算选定匝数下占空比的辅助输出匝数由于N1取12匝，新的每匝反激电压是5.8/12=0.48 (伏/匝)，占空比必须以同样比率变化来维持伏秒值相等。To=(T*0.48)/(0.48+0.47) 10.1(us)，所以占空比D为： D=To/T= 10.1/20 0.51 N1= 5.8/0.48 12 (匝) N2=N3=N4= 15.8/0.48 33（匝）第六章、设

18、计总电路图第七章 总结与体会在两周的电力电子技术课程设计中，虽然遇到了很多的困难，但我也学到了不少知识。本次课程设计中最大的感悟是基础知识的重要，经过一个寒假我的基础知识几乎忘得差不多了，本次课程设计给我巨大的压力。在课程设计过程中电路设计方面还是有很多不明白的的地方，有些地方模棱两可，发现自己就电力电子方面的知识掌握的还远远不够。特别是在参数计算过程中感觉一头雾水。但发现问题的同时也是个自我完善的过程，在这样的设计中自学是很重要的。查阅资料其实就是一个自我学习，自我完善的过程，可以弥补我们在知识上存在的不足，很好的帮助我们完成设计任务。书本和网络给力我很大的帮助，让我能够快速的获得我想要的知

19、识。课程设计是一个比较枯燥的过程，但当你完成的时候会一种释放感，认真仔细勤恳是我们做好每一件事情的基础。电气与信息工程系课程设计评分表项 目评 价优良中及格差设计方案的合理性与创造性(10%)硬件设计或软件编程完成情况(10%)硬件测试或软件调试结果*(10%)设计说明书质量(10%)设计图纸质量(10%)答辩汇报的条理性和独特见解(10%)答辩中对所提问题的回答情况(10%)完成任务情况(10%)独立工作能力(10%)出勤情况（10%）综 合 评 分 指导教师签名：_ 日 期：_ 注：表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。