基于单片开关电源及PCB设计.doc
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1、毕 业 论 文题 目: 电气自动化毕业论文 单片开关电源及PCB设计 系: 电气与信息工程系 电气工程,电气自动化,自动化,计算机应用控制毕业设计,毕业论文诚 信 声 明本人声明:1、本人所呈交的毕业设计(论文)是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计(论文)中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;3、我承诺,本人提交的毕业设计(论文)中的所有内容均真实、可信。作者签名: 日期: 年 月 日目 录摘 要 IAbstract II第1 章 绪 论 111 概述 112 开关电源的发展简况
2、 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 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 21
3、339 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 30 353 EMI测试技术 30 354 抑制干扰的措施 31 355 电磁干扰滤波器的构造原理 33 356 电磁干扰滤波器的基本电路及典型应用 33 357 EMI滤波器在
4、开关电源中的应用 34第4章 PCB电磁兼容性设计 3641 概述 3642 PCB上元器件布局 3743 PCB布线 3844 PCB板的地线设计 4645 模拟数字混合线路板的设计4846 PCB设计时的电路措施 49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 55结束语 56参考文献 57致 谢 59附
5、录 60单片开关电源及PCB设计单片开关电源及PCB设计摘 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
6、电源,还要考虑到电源的适应性以及电源的成本。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。The
7、design of Single-chip Switching Power Supply and its PCB Abstract:Electric and electronic technology 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
8、 technology has promoted the development of industry of the power supply effectively. The technology of 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 p
9、ower supply, and it just had the vigorous information industry and power industry now. Cant do without the 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 le
10、vel of a countrys labor productivity, namely improve an output level of national units energy consumption. In 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 adapt
11、ability and cost of the power supply. Only the advanced and low-priced power supply could make the power industry of 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 el
12、ectric and electronic technology, it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output. At first, 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, controll
13、ing the time rate of the ON /OFF of the switch transistor, and keeping the voltage output steadily, the switch power is generally 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 i
14、ntroduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of Switch Mode Power Supply which has steadily voltage and current output. Key words: single-chip switching power supply; flyback; PWM.44第1章 绪论1.1 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
15、)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。在21世纪,随着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。1.2 开关电源的发展简况开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源
16、的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来,集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路,美国摩托罗拉公司、硅通用公司(Silicon General)、尤尼特德公司(Unitrode)等相继推出一批PWM芯片,典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片,典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中,小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段:80年代初意法半导体有限公司(S
17、GSThomson)率先推出L4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中,使用时需配工频变压器与电网隔离,适于制作低压输出(5.140V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5A10A)、高效率(可超过90%)的开关电源。但从本质上讲,它仍属DC/DC电源变换器17。1994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
18、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 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。1.3 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
19、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MOSFET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
20、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。我们这次毕业设计主要是研究TOPSwit
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