小型开关电源的设计(辽宁工程技术大学电力电子课设).doc

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1、课程设计名称： 电力电子技术 题 目： 小型开关电源的设计 专 业：班 级：姓 名：学 号：辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表学 期姓 名专 业班 级课程名称电力电子技术课程设计论文题目小型开关电源的设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时 间年月日备 注课程设计任务书一、设计题目小型开关电源的设计二、设计任务小型开关电源主电路设计(主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)三、设计计划电力电子技术课程设计共计1周内完成。第12天查资

2、料，熟悉题目；第35天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；第6天准备答辩；第7天答辩。四、设计要求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指 导 教师：张继华 王巍 邱彬 李国华教研室主任：李洪珠时 间：20年月日摘要开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半导体器件为开关元件，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

3、和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源具有节能（效率一般可达85%以上）；体积小，重量轻；具有各种保护功能；改变输出电流、电压容易，稳定，可控等特点。关键词：开关电源；小型化；节能；体积小；保护目录引言11 开关电源的结构及原理21.1 开关电源的结构21

4、.2 开关电源的工作原理22 开关电源总体设计要求与方案32.1 开关电源总体设计要求32.2 开关电源总体设计方案33 小型开关电源主电路设计53.1 主电路的选用与原则53.2 主电路的设计与分析53.2.1 整流电路53.2.2 高频逆变-变压器-高频整流电路54 各项参数计算84.1 电感参数及电容参数计算84.2 变压器的匝数的计算94.3 功率计算104.4 磁芯的选用105 IGBT驱动电路11总结12体会13参考文献14辽宁工程技术大学课程设计引言开关电源输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的

5、帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。开关电源有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电源可以在80V240都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。他的输出可分多组抽头，一般输出有5、

6、12、14、18、26、52、115、190伏等。电视机、显示器、打印机等都用的是开关电源。1 开关电源的结构及原理1.1 开关电源的结构交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电。高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电源的核心部分，电路采用的是隔离型直流-直流变流电路。针对不同的功率与输入电压，我们可以选取不同的电路。整流电路普遍采用IGBT构成桥式电路，直流侧采用大电容滤波，电路结构简单、工作可靠、成本低，效率比较高。1.2 开关电源的工作原理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。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，

7、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。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器的电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。假如电源电压变

8、化或负载发生变化使输出电压升高时，则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，即减小输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，斩波后的电压平均值下降，从而达到稳压目的，反之亦然。2 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。首先考虑到控制器中需要性能可靠的电源，一旦弱电控制失效，强电设备就会损失严重的状况，所以我们设计的开关电源首先应该具备稳定性。然后考虑到是做为电机的控制器电源，所以其必须具备多通道的直流输出，具体要求如下：输入电源是三相交流：220VAC, 50HZ；输出电压是直流电压；尽量将其设计小型化，轻

9、便化。2.2 开关电源总体设计方案图2-1 交流输出半桥式变压器开关电源原理图图2-1是交流输出半桥式变压器开关电源原理图。图中，电容器C1、C2是储能滤波电容，同时也是电源分压电容，它们把电源电压一分为二；一个充满电的电容，我们可以将其看成是一个电源，因此，我们可以把电容器C1、C2看成是两个电源串联对变压器负载供电；K1、K2是两个控制开关，两个控制开关总是一个接通，另一个关断，轮流工作； T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈，Ui为直流输入电压，R为负载电阻；uo为输出电压，io为流过负载的电流。电容器C1和C2与控制开关K1和K2正好组成一个电桥的两臂，变压器

10、作为负载被跨接于电桥两臂的中间。但由于电容器C1和C2的参数或电压基本上没有跟随控制开关K1和K2的导通和截止同步变动，并且在实际应用中为了节省成本，经常只使用一个电容器C1或C2，我们把图2-2的电路称为半桥式开关电源电路。图2-1中，首先电源Ui对电容器C1、C2充电，两个充满电的电容器相当于两个电源串联。当控制开关K1接通时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同时，由于互感的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。当控制开关K

11、1由接通转为关断时，控制开关K2则由关断转为接通，电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。由于电容器C1放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器次级线圈N2绕组的两端输出电压uo是一个脉冲宽度与控制开关K1（或K2）接通时间对应的方波。由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此，在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进

12、行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。3 小型开关电源主电路设计3.1 主电路的选用与原则主电路选用的是半桥式电路结构，其结构较简单、损耗小的优点，但输出电压纹波较大，通常用于500W以下的电源中。正适用于此次的课题要求。3.2 主电路的设计与分析3.2.1 整流电路整流电路采用的是IGBT构成的三相桥式全控整流电路，直流侧用大电容滤波。图3-1 三相桥式全控整流电路3.2.2 高频逆变-变压器-高频整流电路高频逆变-变压器-高频整流电路为开关电源的核心部分，SG3525芯片控制高频PWM(脉冲宽度调制)信号。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来

13、调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，其内部结构如图3-2所示：图3-2 SG3525芯片内部结构管脚：（1）.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，构成跟随器。 （2）.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 （3）.

14、Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 （4）.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 （5）.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 （6）.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 （7）.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 （8）.Soft-Start(引脚8)：电容接入端。通常接一只5 的软启动电容。 （9）.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 （10）.Shu

15、tdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 （11）.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 （12）.Ground(引脚12)：信号地。 （13）.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 （14）.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 （15）.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 （16）.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。SG3525其工作原理：SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.

16、0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启

17、动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启

18、动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。4 各项参数计算4.1 电感参数及电容参数计算输出电压可调的推挽式变压器开关电源的两个控制开关K1、K2的占空比必须小于0.5，开关电源电源才能正常工作；当要求输出电压可调范围为最大时，

19、占空比最好取值为0.25。此分析结果对于半桥式开关电源同样有效。当两个控制开关K1、K2的占空比取值均为0.25时，输出电压可调的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电感L以及输出电压的计算（D为0.25时）（D为0.25时）输出电压可调的半桥式变压器开关电源中的储能滤波电感和滤波输出电压的表达式，即：（D为0.25时）（D为0.25时）或者（D为0.25时）（D为0.25时）上面各式的计算结果，只给出了计算输出电压可调的半桥式变压器开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。当两个控制开关K1、K2的占空比取值均为0.25时，输出电压可调

20、的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电容C参数的计算由式决定，即：（D为0.25时）式中：是流过负载的电流，T为控制开关K1和K2的工作周期，为输出电压的波纹电压。波纹电压一般都取峰-峰值，所以波纹电压正好等于电容器充电或放电时的电压增量，即： 。虽然是计算输出电压可调的推挽式变压器开关电源储能滤波电容的公式（D=0.25时），但对于输出电压可调的半桥式变压器开关电源中的储能滤波电容的计算同样有效。同理，其的计算结果，只给出了计算半桥式变压器开关电源储能滤波电容C的中间值，或平均值，即控制开关工作于占空比D为0.25时的情况，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。4.2 变

21、压器的匝数的计算首先确定开关电源功率和开关元件的工作频率。若工作频率小于20 kHz，则进入音频范围的噪声较大，纹波增大。若开关频率较高，则开关损耗增大，系统效率降低。因此确定工作频率时要折衷考虑，实际选择工作频率为30 kHz。取PWM调制的占空比：其中：为每周期高电平时间，为整个周期时间。考虑工作环境较为恶劣，最低直流输入电压：V=220*（1-20%）*1.3*1.9=435VEI35中心柱磁芯有效面积：铁氧体磁芯磁感应强度取65%的饱和值：根据一个导通期间的伏秒值与原边匝数的关系，则变压器的原边匝数为：实际取300匝以便于绕制与计算。则变压器副边绕组匝数计算如下：原边绕组每匝伏数为：V

22、/匝取整流二极管压降0.7 V，副边绕组压降0.6 V得：5V副边绕组匝数为：匝，为避免变压器可能饱和，取5匝；新的每匝反激电压为：V/匝；V副边绕组匝数为：匝，取13匝；V副边绕组匝数为：匝，取11匝；+5V 副边绕组匝数为：匝；其他20V副边绕组匝数为：匝，取17匝。4.3 功率计算由以上设定条件可知高频变压器的输出功率为：设计效率为85%并留有一定裕量，设计目标为额定功率为40 的高频变压器。4.4 磁芯的选用根据文献，查表给出的高频变压器最大承受功率与磁心截面积的关系并考虑窗口面积，本开关电源选用EI-35磁心，其有效截面积为100平方毫米。5 IGBT驱动电路图5-1 M57962L

23、型IGBT驱动器的原理和接线图本设计选择的IGBT驱动采用专用的混合集成驱动器。因 IGBT 栅极 - 发射极阻抗大，故可使用 MOSFET 驱动技术进行驱动，但 IGBT 的输入电容较 MOSFET 大，所以 IGBT 的驱动偏压应比 MOSFET 驱动所需偏压强。在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取 Ugc (1.5 3)Uge(th) ，当 Uge 增加时，导通时集射电压 Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中 Uge 增加，集电极电流 Ic 也将随之增加，使得 IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此 Ugc 的选择不应太大，这足以使 IGBT 完全饱和，同时也限制了

24、短路电流及其所带来的应力 ( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用 IGBT 时，+Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力 ) 。对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于 IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使 IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止 IGBT 关断时产生的 du/dt 误使 IGBT 导通，应加上一个 -5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成 IGBT 栅射反向击穿，一般为 -2 10 V 之间 ) 。

25、总结利用现代电力电子技术，可以进行控制开关管开通和关断的时间比率，以及维持稳定输出电压。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。开关电源由于节能、体积小、重量轻、具有各种保护功能、稳定、可控等特点，应用范围越来越大，所以设计出实用的小型开关电源是顺应时代潮流的。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，所以我们设计的开关电源首先应该具备稳定性，然后必须具备多通道的直流输出。主电路选用的是半桥式电路结构，其结构较简单、损耗小的优点，但输出电压纹波较大，通常用于50

26、0W以下的电源中。正适用于此次的课题要求。整流电路采用的是IGBT构成的三相桥式全控整流电路，直流侧用大电容滤波；高频逆变-变压器-高频整流电路为开关电源的核心部分，SG3525芯片控制高频PWM(脉冲宽度调制)信号是本设计的亮点，计算好数据后，选好器件便可投入使用，成本低廉，运行稳定。体会我本次设计的课题是小型开关电源，刚开始想做这个设计的时候，没有一点头绪，开关电源虽然平常也经常听到，可真的要自己设计的时候却找不到一点思绪了，课本上介绍开关电源的知识相对来说也比较少，我从图书馆借来了一些参考资料，一边上网搜索一边查阅资料，在纠结之后最终决定了课题设计方案。经过这次课程设计我发现我的理论知识

27、还是不过关、不够扎实，书本上很多东西都理解的不够，很多重要元器件的重要参数也不清楚，但这门课程确实非常重要的，生活中大部分电力产品都要用到电力电子这门知识，所以作为学习这个专业的我们必须学会和掌握好电力电子这门基本而且重要的学科，这样才能让自己武装起来，为社会为国家做出自己的贡献。经过这次课程设计，我真的受益匪浅。以后的学习中我一定会更认真的学习，更好的充实自己，武装自己。也希望在以后的学习中能多一些像这样能加强学生思考能力与动手能力的课程设计，通过这样的课程设计我们可以从不同方面锻炼自己，为以后为社会做出自己最大的贡献而做准备。参考文献1 赵同贺 开关电源设计技术与应用实例.人民邮电出版社，2007.32 王水平 单片开关电源集成电路应用设计实例.人民邮电出版社，2008.43 候振义 直流开关电源技术及应用.电子工业出版社，2006.44 沙占友 新型单片开关的设计与应用.电子工业出版社，2004.1013