非隔离降压型电源设计方案
一款不带变压器的宽电压、低成本、非隔离式AC/DC降压转换器
——输出持续电流500mA（2.5~12W)
【关键词摘要】非隔离恒流恒压AC/DC电源芯片XD308H BUCK电路220V转5V220V转12V220V转24V380V转5V380V转12V380V转24V
【概述】非隔离AC-DC电源芯片XD308H设计组成的降压恒流恒压电路，采用了BUCK电路拓扑结构，常用于小家电控制板电源以及工业控制电源供电。其典型电路规格包含24V/500mA、12V/500mA和5V/500mA等，满足六级能效要求。可通过雷击、EFT、浪涌等可靠性测试，可通过UL、CE、3C等认证。其特点是：电路简单、BOM成本低（外围元件数目极少：无需变压器、光耦）,电源体积小、无异常噪音、损耗小发热低。
1）220V转24V降压电路：输入32~380Vac，输出24V/500mA电源方案
如图所示的电路为一个典型的输出为24V/500mA的非隔离电源。它通常应用于家用电器的(电饭煲、洗衣机及其它白色家电)。此电路还适合于其它非隔离供电的应用，比如LED驱动、智能电表、加热器以及辅助电源和工业控制等。
220V转24V降压电路输入级由保险电阻RF1、防雷压敏电阻RV1、整流桥堆D1、EMI滤波电容C4和C5以及滤波电感L2组成。保险电阻RF1
为阻燃可熔的绕线电阻，它同时具备多个功能：a)将桥堆D1的浪涌电流限制在安全的范围；b)差模噪声的衰减；c)在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能(元件故障时必须安全开路，不应产生任何冒烟、冒火及过热发光现象)。压敏电阻RV1用于防雷保护，提高系统可靠性。功率处理级由宽电压高效率电源芯片XD308H、续流二极管D2、输出电感
L1及输出电容C3构成。
2）220V转12V降压电路：输入32~380Vac，输出12V/500mA电源方案如图所示的电路为一个典型的输出为12V/500mA的非隔离电源。它通常应用于家用电器的(电饭煲、洗衣机及其它白色家电)。此电路还适合于其它非隔离供电的应用，比如LED驱动、智能电表、加热器以及辅助电源和工业控制等。
220V转12V降压电路输入级由保险电阻RF1、防雷压敏电阻RV1、整流桥堆D1、EMI滤波电容C4和C5以及滤波电感L2组成。保险电阻RF1
为阻燃可熔的绕线电阻，它同时具备多个功能：a)将桥堆D1的浪涌电流限制在安全的范围；b)差模噪声的衰减；c)在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能(元件故障时必须安全开路，不应产生任何冒烟、冒火及过热发光现象)。压敏电阻RV1用于防雷保护，提高系统可靠性。功率处理级由宽电压高效率电源芯片XD308H、续流二极管D2、输出电感
L1及输出电容C3构成。
3）220V转5V降压电路：输入12~380Vac，输出5V/500mA电源方案
如图所示的电路为一个典型的输出为5V/500mA的非隔离电源。它通常应用于家用电器的(电饭煲、洗衣机及其它白色家电)。此电路还适合于其它非隔离供电的应用，比如LED驱动、智能电表、加热器以及辅助电源和工业控制等。
220V转5V降压电路输入级由保险电阻RF1、防雷压敏电阻RV1、整流桥堆D1、EMI滤波电容C4和C5以及滤波电感L2组成。保险电阻RF1为阻燃可熔的绕线电阻，它同时具备多个功能：a)将桥堆D1的浪涌电流限制在安全的范围；b)差模噪声的衰减；c)在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能(元件故障时必须安全开路，不应产生任何冒烟、冒火及过热发光现象)。压敏电阻RV1用于防雷保护，提高系统可靠性。功率处理级由宽电压高效率电源芯片XD308H、续流二极管D2、输出电感L1及输出电容C3构成。
【附注】XD308H是一款18-600V超宽范围输入的高压降型转换器电源芯片，可适应12-380V AC超宽电压输入(外部加整流滤波)，输出持续电流可以达到500mA（最大800mA)，无音频噪音、发热低，内部集成全面完善的保护功能（短路保护，过载保护，输出过压保护、输出欠压保护，过热保护等）。该电源芯片以较低的BOM成本（外围元件数目极少）方便的实现宽电压高压降压小功率电源解决方案,广泛应用于非隔离型家电产品(220Vac)和工业产品(380Vac)等。
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600W半桥型开关稳压电源设计 600W半桥型开关稳压电源设计 摘要 本次设计主要是设计一个600W半桥型开关稳压电源，从而为负载供 电。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，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。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。它的效率可达85％以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本文介绍了一种采用半桥电路的开关电源，其输入电压为单相170 ~ 260V，输出电压为直流12V恒定，最大电流50A。从主电路的原理与主电路图的设计、控制电路器件的选取、保护电路方案的确定以及计算机仿真图形的绘制与波形分析等方面的研究。 关键词：半桥变换器；功率MOS管；脉宽调制；稳压电源； 第1章绪论1.1 电力电子技术概况 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电
力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心，伴随变换技术和 控制技术的发展而发展的。 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样大电流、高电压场合应用的电子技术，它与传统的电子技术相比，其特殊之处不仅仅因为它能够通过大电流和承受高电压，而且要考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。为了解决发热和效率问题，对于大功率的电子电路，器件的运行都采用开关方式。这种开关运行方式就是电力电 子器件运行的特点。 电力电子学这一名词是20世纪60年代出现的，“电力电子学”和“电力电子技术”在内容上并没有很大的不同，只是分别从学术和工程技术这2个不同角度来称呼。电力电子学可以用图1的倒三角形来描述，可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论这3个学科交叉而形成 的。这一观点被全世界普遍接受。 电力电子技术与电子学的关系是显而易见的。电子学可分为电子器件和电子电路两大部分，它们分别与电力电子器件和电力电子电路相对应。从电子和电力电子的器件制造技术上进两者同根同源，从两种电路的分析方法上讲也是一致的，只是两者应用的目的不同，前者用于电力变换， 后者用于信息处理。
开关电源主电路 第1节开关电源概述 一、开关电源的构成 开关电源采用功率半导体器件（GTR MOSFETIGBT等）作为调整管，通过控制电路控制调整管的导通时间，使输出电压保持稳定。 开关电源的电路构成如图4-1所示。 AC输入DC输出 图4-1开关电源的电路构成 （一）一次整流/滤波电路 将交流输入电压（通常是市电电网的交流电压220V或380V）进行整流滤波，转化成为直流电压（300V或500V），然后将直流电压供给DC/AC变换器。相比与线性直流稳压电源，开关电源在这一环节可以省去工频变压器，消除了工频变压器带来的损耗。（二）D C/AC变换器 DC/AC变换器的主要作用是将一次整流/滤波电路提供的直流电压变换成高频交流电压（一般频率可达到几十KHZ到几百KHZ甚至更高）。 （三）二次整流/滤波电路 将DC/AC变换器变换输出的高频交流电压进行整流滤波，转化成平滑的直流输出电压。 （四）反馈网络
反馈网络包括基准电压、采样电路和比较电路。采样电路把输出电压的一部分或者全部采样回来，采样到的电压和基准电压送入比较电路进行比较，比较的 结果送给控制电路。 （五）控制电路 控制电路根据反馈网络的结果输出占空比可调的控制脉冲去控制调整管的通断时间，这是所谓的“时间控制法”。 （六）辅助电路 开关电源中常见的其它电路主要有软启动电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、驱动电路等等。 二、开关电源的分类 开关电源的分类方式有很多，可以按激励方式、调制方式、调整管类型、输入电压/输出电压大小、调整管的连接方式和储能电感的连接方式等分类方式进行分类。 （一）按激励方式划分 开关电源按激励方式划分可分为自激式开关电源和它激式开关电源。在自激式开关电源中功率开关管既作为调整管，又兼作控制脉冲信号产生的振荡管。在它激式开关电源中则专门设置有产生控制脉冲信号的控制电路。 （二）按调制方式划分 开关电源按调制方式划分可分为脉宽调制型开关电源、脉频调制型开关电源 和混合调制型开关电源。脉宽调制（PWM指的是控制脉冲周期不变，导通时间改变，进而改变占空比的调制方式。脉频调制（PFM指的是控制脉冲导通时间不变，周期（频率）改变，进而改变占空比的调制方式。混合调制指的是控制脉冲导通时间和周期都改变，进而改变占空比的调制方式。 （三）按调整管的类型划分 开关电源根据调整管的类型不同可分为晶体管（GTR开关电源、场效应管 （MOSFET开关电源和绝缘栅双极型晶体管（IGBT开关电源。 （四）按输入/输出电压大小划分
开关电源PCB设计流程及布线技巧在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析： 一、从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数－》输入原理网表-》设计参数设置-》手工布局-》手工布线-》验证设计－》复查-》cam输出。 二、参数设置 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 如图：
三、元器件布局 实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： （1）电源开关交流回路 （2）输出整流交流回路 （3）输入信号源电流回路 （4）输出负载电流回路输入回路 通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回
降压型直流开关稳压电源（A题） 学校：东北石油大学 参赛选手：卢鑫坡曲记锋宋忠民 指导教师：张明 摘要:本系统以TI公司的LM5117及CSD18532KCS场效应管为核心，设计制作了该降压型开关直流稳压电源。额定输出电压为5V，输出电流最大值为3A。该系统前端是以LM5117为核心构成的DC-DC直流转直流降压电路，从而确定所需的PWM调制方式，经过几级滤波最终去除纹波，完成了总体电路的设计。该作品很好地满足了竞赛题目要求。 关键词：开关电源LM5117 CSD18532KCS场效应管 1．设计任务 1.1基本要求 （1）额定输入电压下，输出电压偏差：； （2）额定输入电压下，最大输出电流：； （3）输出噪声纹波电压峰峰值：； （4）从满载变到轻载时，负载调整率： ； （5）变化到17.6V和13.6V，电压调整率： （6）效率； （7）具有过流保护功能，动作电流；
（8）增加1个二端子端口，即输出控制端口，端口可外接电阻R （1k-10k ）。电源输出电压由下式确定： ； （9）尽量减小电源重量，使电源不含负载的重量不大于0.2Kg ； 2.系统方案 2.1方案提出 利用LM5117制作一个恒流稳压器，经查该芯片数据手册知，可以通过调节电流控制，电压控制两部分的开合关系，来实现升压和降压的功能，最终达成DC-DC 变换的目的。 具体电路原理图如后图5-1所示。 2.2系统整体框图 图2-1降压型开关稳压电源设计总体框图 3.电路理论分析 3.1具体实现方法 去耦滤波 消除高频噪音 直流输入部分 负载 RC 滤波 DC-DC 降压部分 5V 、3A 直流输出 去耦滤波 环形路型补偿 仿真电流检测
高频开关电源中隔离降压式DC/DC变换器的制作方法 电力电子技术中，高频开关电源的设计主要分为两部分，一是电路部分的设计，二是磁路部分的设计。相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂得多。磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。在磁路部分设计完毕后，还必须放到实际电路中验证其性能。由此可见，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计。高频开关电源的磁性元件主要包括变压器、电感器。为此，本文将对高频开关电源变压器的设计，特别是正激变换器中变压器的设计，给出详细的分析，并设计出一个用于输入48V(36～72V)，输出2.2V、20A的正激变换器的高频开关电源变压器。 2正激变换器中变压器的制作方法 正激变换器是最简单的隔离降压式DC/DC变换器，其输出端的LC滤波器非常适合输出大电流，可以有效抑制输出电压纹波。所以，在所有的隔离DC/DC变换器中，正激变换器成为低电压大电流功率变换器的首选拓扑结构。但是，正激变换器必须进行磁复位，以确保励磁磁通在每一个开关周期开始时处于初始值。正激变换器的复位方式很多，包括第三绕组复位、RCD复位[1,2]、有源箝位复位[3]、LCD无损复位[4,5]以及谐振复位[6]等，其中最常见的磁复位方式是第三绕组复位。本文设计的高频开关电源变压器采用第三绕组复位，拓扑结构如图1所示。 开关电源变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕 图1 第三绕组复位正激变换器 正激变换器中变压器的制作 制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分布参数有漏感、分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。 2.1变压器设计的基本原则 在给定的设计条件下磁感应强度B和电流密度J是进行变压器设计时必须计算的参数。当电路主拓扑结构、工作频率、磁芯尺寸给出后，变压器的功率P与B和J的乘积成正比，即P∝B·J。 当变压器尺寸一定时，B和J选得高一些，则某一给定的磁芯可以输出更大的功率；反之，为了得到某一给定的输出功率，B和J选得高一些，变压器的尺寸就可以小一些，因而可减小体积，减轻重量。但是，B和J的提高受到电性能各项技术要求的制约。例如，若B过大，激磁电流过大，造成波形畸变严重，会影响电路安全工作并导致输出纹波增加。若J很大，铜损增大，温升将会超过规定值。因此，在确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性能要求和经济设计结合起来考虑。 2.2各绕组匝数的计算方法 正激变换器中的变压器的磁芯是单向激磁，要求磁芯有大的脉冲磁感应增量。变压器初级工作时，次级也同时工作。 1)计算次级绕组峰值电流IP2 变压器次级绕组的峰值电流IP2等于高频开关电源的直流输出电流Io，即
开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值u min ② 交流输入电压最大值u max ③ 电网频率F l 开关频率f ④ 输出电压V O （V ）：已知 ⑤ 输出功率P O （W ）：已知 ⑥ 电源效率η：一般取80％ ⑦ 损耗分配系数Z ：Z 表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级， Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压V FB 步骤3 根据u ，P O 值确定输入滤波电容C IN 、直流输入电压最小值V Imin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u ，查处C IN 值 ③ 得到V imin 步骤4 根据u ，确定V OR 、V B ① 根据u 由表查出V OR 、V B 值 ② 由V B 值来选择TVS 步骤5 根据Vimin 和V OR 来确定最大占空比Dmax V OR D m a x = ×100％ V OR +V I m i n －V D S (O N ) ① 设定MOSFET 的导通电压V DS(ON) ② 应在u=umin 时确定Dmax 值，Dmax 随u 升高而减小 步骤6 确定C IN ,V Imin 值
步骤7 确定初级波形的参数 ① 输入电流的平均值I A VG P O I A VG= ηV Imin ② 初级峰值电流I P I A VG I P = (1－0.5K RP )×Dmax ③ 初级脉动电流I R ④ 初级有效值电流I RMS I RMS =I P √D max ×(K RP 2/3－K RP +1) 步骤8 根据电子数据表和所需I P 值 选择TOPSwitch 芯片 ① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值 I LIMIT(min)应满足：0.9 I LIMIT(min)≥I P 步骤9和10 计算芯片结温Tj ① 按下式结算： Tj ＝[I 2RMS ×R DS(ON)+1/2×C XT ×(V Imax +V OR ) 2 f ]×R θ＋25℃ 式中C XT 是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容 ② 如果Tj ＞100℃，应选功率较大的芯片 步骤11 验算I P IP=0.9I LIMIT(min) ① 输入新的K RP 且从最小值开始迭代，直到K RP =1 ② 检查I P 值是否符合要求 ③ 迭代K RP =1或I P =0.9I LIMIT(min) 步骤12 计算高频变压器初级电感量L P ，L P 单位为μH 106P O Z(1－η)+ η L P = × I 2P ×K RP (1－K RP /2)f η 步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数： ① 磁芯有效横截面积Sj （cm 2），即有效磁通面积。 ② 磁芯的有效磁路长度l （cm ） ③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2) ④ 骨架宽带b （mm ） 步骤14 为初级层数d 和次级绕组匝数Ns 赋值 ① 开始时取d ＝2（在整个迭代中使1≤d ≤2） ② 取Ns=1(100V/115V 交流输入)，或Ns=0.6(220V 或宽范围交流输入) ③ Ns=0.6×(V O +V F1) ④ 在使用公式计算时可能需要迭代 步骤15 计算初级绕组匝数Np 和反馈绕组匝数N F ① 设定输出整流管正向压降V F1 ② 设定反馈电路整流管正向压降V F2 ③ 计算N P
降压型开关稳压器TPS5410~TPS5450 为了取代降压型线性稳压器，推出新一代开关型降压稳压器系列，其输入电压为5.5V~36V，输出电流分别为1A（TPS5410），2A（TPS5420），3A（TPS5430）及5A（TPS5450）系列，其主要性能及特点： * 宽的输入电压范围从5.5V~36V。 * 高的转换效率，从90%~95%，内部功率开关导通电阻分别为110mΩ的MOSFET开关。 * 输出电压范围从1.22V~35V，精度为1.5%。 * 设置好内部放大器补偿网络，大幅度减少外部元件。 * 固定开关频率在500KHZ，大幅度减小了外部电感电容的体积。 * 好的线性调整率和瞬态响应能力。 * 保护系统包括过流保护和芯片过热保护。 * 工作环境为-40℃~+125℃。 * 采用有散热底板的POWER-SO-8封装。 该器件有广泛的市场空间，如机顶盒，DVD，LCD-TV，工业电子产品，音频系统电源，电池充电，LED驱动，适用于输入电压为24V及12V的电子系统。 其8个引脚功能如下： 1PIN——BOOT，为高边MOSFET驱动用的升压电容接线端，外接0.01μF电容从BOOT 到PH端。 2PIN——NC。 3PIN——NC。 4PIN——VSENSE。反馈输入端，外部用电阻分压器接到输出。 5PIN——ENA，芯片的ON/OFF控制端，其电平在0.5V以下时，器件停止开关，将其浮动时，芯片即使能。 6PIN——GND，IC公共端。 7PIN——VIN，外部电压输入端。紧靠IC外接旁路电容。 8PIN——PH，高边功率开关的源极，接到外部电感及回流二极管。 POWER PAD，封装底部金属板，外接至PGND。 TPS5410~50系列开关稳压器内部等效电路如图1所示，基本应用电路如图2。 图1 TPS5410 系列内部等效方块电路
开关电源拓扑结构概述(降压,升压,反激、正激) 主回路—开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。 开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。 开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。 1. 非隔离式电路的类型： 非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1.1. 串联式结构 串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。 开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。 串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源https://www.doczj.com/doc/6b11547408.html,/blog/100019740 上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L 是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输
Hefei University 课程设计报告 课题名称：降压型开关稳压电源 作者姓名: 刘尚阳 1405012027 张颖 1405012028 闫悦悦 1405012029 许特松 1405012043 荚丹丹 1405012030 班级: 电子二班 指导教师：倪敏生 完成时间： 2017年5月24日
摘要 本设计是开关稳压电源，系统由稳压电源、DC-DC变换器、采用LM7812，LM7805稳压芯片，为芯片供电，DC-DC变换器采用TL494产生PWM波，控制开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，在经过由IR2109构成的驱动电路驱动后级电路，此时引入电压反馈检测电压幅值并反馈给前级保证输出电压稳定，当输入电压超过20V时，控制IR2109片选端，切断电路。 关键字：稳压；DC-DC变换； 目录 1引言 (3) 2方案设计与选择 (3) 2.1总体设计 (3) 2.2各模块方案设计与论证 (3) 2.2.1驱动模块方案设计与选择 (3) 2.2.2稳压电源方案设计与选择 (4) 3硬件设计与实现 (4) 3.1设计思路 (4) 3.2各个模块硬件设计与实现 (5) 3.2.1辅助电源模块 (5) 3.2.2 DC-DC模块 (5) 4理论分析与参数计算 (5) 4.1 DC/DC变换方法 (5) 4.2 稳压控制方法 (6) 4.3 输入过压电路设计 (6) 4.4buck电路参数的计算 (7) 4.4.1电感值的计算 (7) 4.4.2电容的计算 (7) 4.4.3输出电压的计算 (8) 5测试仪器与方法 (8) 5.1输出电压测试 (8) 5.2效率测量 (8) 参考文献 (9)
开关电源的制作流程 开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）具有高效率、低功率、体积小、重量轻等显著优点，代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源的设计与制作要求设计者具有丰富的实践经验，既要完成设计制作，又要懂得调试、测试与分析等。本文章介绍开关电源组成及制作、调试所需的基本步骤和方法。 第一节开关电源的电路组成 开关电源一般是指输入与输出隔离的电源变换器，包括AC/DC电源变换器和DC/DC电源变换器，也称为AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。非隔离式DC/DC变换器也属于开关电源，通常称之为开关稳压器。 1、AC/DC开关电源的组成 AC/DC开关电源的典型结构如图1-1-1所示。电源由输入电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。 图1-1-1 AC/DC开关电源的典型结构 其中输入整流/滤波电路、功率变换电路、输出整流/滤波电路和PWM控制器电路是主要电路，其他为辅助电路。有些开关电源中还有防雷击电路、输入过压/欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等其他辅助电路。 2. DC/DC开关电源的组成 DC/DC开关电源的组成相对AC/DC开关电源要简单一点，其典型结构如图1-1-2所示。电源由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。当然，有些DC/DC开关电源也会包含其他辅助电路。 图1-1-2 DC/DC开关电源的典型结构
第二节开关电源的制作流程 开关电源的设计与制作要从主电路开始，其中功率变换电路是开关电源的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构，该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源设计与制作一般流程。 1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构) 无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源，其核心都是DC/DC变换器。因此，开关电源的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下: (1)降压式变换器，亦称降压式稳压器。 (2)升压式变换器，亦称升压式稳压器。 (3)反激式变换器。 (4)正激式变换器。 (5)半桥式变换器。 (6)全桥式变换器。 (7)推挽式变换器。 降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC变换器中；反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC变换器中；正激式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC变换器中；半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入/输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC变换器中，其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率；推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC变换器中。 顾名思义，降压式变换器的输出电压低于输入电压，升压式变换器的输出电压高于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中，可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比，很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型，也可以是降压型号，还可以是极性变换型。在设计开关电源时，首先要根据输入电压、输出电压、输出功率的大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。 2.选择控制电路(PWM) 开关电源是通过控制功率晶体管或功率场效应管的导通与关断时间来实现电压变换的，其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式，简称脉宽度调制，缩写为PWM；脉冲频率调制方式，简称脉频调制，缩写PFM；混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式。 PWM方式，具有固定的开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，因此开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便，所以应用最为普通。目前，集成开关电源大多采用此方式。为便于开关电源的设计，众多厂家将PWM控制器设计成集成电路，以便用户选择。开关电源中常用的PWM控制器电路如下: (1)自激振荡型PWM控制电路。 (2)TL494电压型PWM控制电路。 (3)SG3525电压型PWM控制电路。 (4)UC3842电流型PWM控制电路。 (5)TOPSwitch-II系列的PWM控制电路。 (6)TinySwitch系列的PWM控制电路。 3.确定辅助电路
1 开关电源概述 开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC/DC变换器。开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达75%-90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。 表1.1电源分类 2 降压式开关稳压器原理
2.1 给低通滤波器输入方波 图2.1.1表示给低通滤波器输入方波时的情况。如果一个低通滤波器的截止频率比输入信号频率低很多，当给它输入方波信号时，由于方波被低通滤波器平滑，所以输出信号变成了直流（只有微小的脉流）。（为什么？方波信号相当于一个直流分量加一个交流分量的和，经过低通滤波器后，直流分量通过，交流分量被滤掉，所以只剩下直流分量了，即输出平滑了。如果低通滤波器的截止频率比输入信号频率高，那么交流分量就全部通过了，起不到滤波的作用，所以低通滤波器的截止频率要比输入信号的频率低很多才行。） 降压型开关电源是把输入的直流信号转换成方波，再把这个方波经低通滤波器平滑，又得到直流信号的电路。之所以通过这样复杂的过程来降低电压是为了减少电压变换时的损失。线性稳压电源只所以效率低就因为直接进行电压变换的时候功耗大。 图2.1.1 给低通滤波器输入方波 2.2 开关电路+滤波器=降压型开关电源 降压式开关稳压器的原理如图2.2.1所示，图2.2.2和2.2.3分别是当开关闭合、断开时的电流路径。在实际的电路中，还需要实施反馈使输出电压稳定。一般反馈都集成到电源芯片中。 图2.2.1 简化电路
图2.2.2 开关闭合时的电流路径 图2.2.3 开关断开时的电流路径 （1）当开关闭合时续流二极管VD截至，由于输入电压UI与储能电感L接通，因此输入-输出压差（UI-Uo）就加在L上，使通过L的电流IL线性地增加。（为什么？由公式L*di/dt=U可以看出，U、L不变，则di/dt为常数，即I线性增加。）在此期间除向负载供电外，还有一部分电能储存在L和C中，流过负载RL的电流为Io，参见图2.2.2。 （2）当开关断开时，L与UI断开，但由于电感电流不能在瞬间发生突变，因此在L上就产生反向电动势以维持通过电感的电流不变。此时续流二极管VD 导通，储存在L中的电能就经过由VD构成的回路向负载供电，维持输出电压不变。开关断开时，C对负载放电，这有利于维持Uo和Io不变，参加图2.2.3。（为什么？请看以下图例比较）
降压式变换电路（Buck电路）详解 一、BUCK 电路基本结构 开关导通时等效电路开关关断时等效电路 二、等效的电路模型及基本规律 （1）从电路可以看出，电感L 和电容C 组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t) 的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t) 的直流分量再附加微小纹波uripple(t) 。 （2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t) 很小，相对于电容上输出的直流电压Uo 有：电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面 周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。（4）开关S 置于1 位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2 位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种
开关电源控制环设计过程大揭秘 1. 绪论 在开关模式的功率转换器中，功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而，功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似，控制环的设计往往陷入复杂的方程式中，使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析，首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。 2. 基本控制环概念 2.1 传输函数和博得图 系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中，增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和，他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。 2.2 极点 数学上，在传输方程式中，当分母为零时会产生一个极点。在图形上，当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时，在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。
2.3 零点 零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中，零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点，并伴随有90度的相位超前。图2 描述一个由高通滤波器电路引起的零点。 存在第二种零点，即右半平面零点，它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增，右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和 BUCK-BOOST转换器中，所以，在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕，以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。 3.0 开关电源的理想增益相位图 设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常，这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应，最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性：足够的相位裕量，宽的带宽，和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。
物电学院开关电源技术课程实践报告《降压型DC/DC开关电源的研究与设计》 姓名：刘鹏飞 学号： 131103034 学院：物理与电气工程学院 日期： 2015年12月26日 指导老师：许树玲
降压型DC/DC开关电源的研究与设计 摘要：随着开关电源技术的迅速发展，DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。 本文设计了一款降压型DC/DC开关电源电路。首先详细的分析和阐述了降压型转换器的电路拓扑和工作原理，根据系统性能设计了电路的整体框图。然后对电路的各个模块进行了分析和设计，包括输入电路，降压电路和显示电路。 关键词：开关电源；降压型；DC/DC转换
1 开关电源现状及前景 1.1 国内外开关电源的发展状况 电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商优势明显。国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI等，他们的产品都已经非常成熟能够提供高质量、全系列的电源管理芯片。在非隔离的DC/DC转换技术中，TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK，转换效率高达97%，其中TPS40071等是其代表产品。在电源数字化方面走在前面的公司有TI和Microchip，TI公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块，其中PFM和PWM部分完全为数字式控制。 2 DC/DC降压型开关电源设计 本电路主要包括变压器降压，桥式整流电路，滤波电路，降压电路，AD转换电路，和数字显示构成。其中降压电路是一种高效的三增益开关电源DC/DC 降压变换器。从1V起调的稳压电源，电路使用时，只须调节电源电压调节器（可调电阻），即可得到 1V-20V之间所需的电压。系统结构框图如图12所示 图1 DC/DC降压型开关电源的结构框图
降压型开关稳压器AP1510及其应用介绍了降压型PWM控制器APl5lO的工作原理,并给出了一个典型应用电路。测试结果验证了它的实用性。 引言 随着信息技术与集成电路的高速发展,电子产品逐渐向智能化、小型化、低功耗方面发展,同时电源必须做到小体积、高效率、低功耗,以适应电子产品的高速发展。因此,高度集成的PWM控制器在电子产品中得到了广泛应用。 易亨(AnachiD)电子公司推出的降压型PWM控制器APl510可以广泛应用于电子产品的电源中。由于APl510芯片内包含基准电压源、振荡电路、误差放大器、内部PMOS 开关管等电路,所以只须外加电感、电容、二极管等少量元器件,便可组成小体积、高效率的降压型开关稳压电源。 l APl5lO的工作原理 APl510的原理框图如图l所示。 1．1 引脚功能及描述 脚1 (FB)反馈端,误差放大器的反相输入,通过分压电阻连接电源输出端。 脚2 (EN)使能端,工作或待机控制,高电平：正常运行,低电平：待机运行。 脚3(OCSET)输出电流设定端,通过外部电阻设定最大输出电流。 脚4 (VCC IC)电源输入正端。 脚5、6 (Output)开关输出端,P沟MOS场效应管漏极,连接外部续流二极管和电感。 脚7、8 (VSS IC)电源输入负端。 1.2 工作原理
由图1可知,APl510由基准电压源、振荡电路、误差放大器、PWM控制器、过热关断控制电路以及P沟MOS场效应管等部件组成。 基准电压源为芯片内部电路提供稳定的供电电压,并为误差放大器的同相输入端提 供0．8V的电压基准。它具有软启动功能,可以防止电源启动时的冲击,它还具有欠压锁定功能,当输入电压低于3．3V时APl510停止工作;当输入电压高于3.5V时,它自动恢复工作。 振荡电路产生300 kHz的振荡波形,当发生过流保护或短路保护时,工作频率将从300 kHz减小到30kHz。 输出电压的取样信号进入误差放大器的反相输入端,经比较后进入PWM控制器,输出占空比变化的方波去驱动内部的P沟M0S管：APl510调节脉冲的占空比可以从O％～100％,这使得APl510可以在很宽的输入电压范围内正常工作。 过热关断电路使芯片结温达到125℃时关断,保护芯片不会因为过热而损坏。其恢复温度为100℃,25℃的温度回差确保芯片过热保护时不会振荡。 APl510内部具有P沟MOS管的限流功能,其计算方法为 式中：ILOAD为内部P沟MOS管设定的工作电流,APl51O中MOS管的最大工作电流为3 A; RDS(ON)为APl510中MOS管的导通电阻,其值为100mΩ; IOCSET为APl5lO中内部恒流源的工作电流,其值为100μA; ROCSET为脚OCSER对地的外接电阻。 APl510的输入电压范围为3．6～23V,由于内置了P沟MOS管,所以只需外加电感、电容、二极管等,便可组成降压型开关稳压电源。由于采用固定频率工作方式,因而内部补偿电路简单,输出纹波低,瞬态响应好,电源的效率也很高。 2 应用电路 图2所示的电路是一个由APl510组成的典型降压型DC／DC变换器,其输入电压为12 V,输出电压为5V。 图2电路中RA、RB为输出电压设定电阻,输出电压VOUT与RA、RB阻值的关系如式(1)所列。
开关电源如何设计和什么步骤 2009年07月08日星期三下午 11:45 开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值umin ② 交流输入电压最大值umax ③ 电网频率Fl 开关频率f ④ 输出电压VO(V):已知 ⑤ 输出功率PO(W):已知 ⑥ 电源效率η:一般取80% ⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB 步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u,查处CIN值 ③ 得到Vimin 确定CIN,VImin值 u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V) 固定输入:100/115 已知2~3 (2~3)×PO ≥90 通用输入:85~265 已知2~3 (2~3)×PO ≥90 固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240 步骤4 根据u,确定VOR、VB ① 根据u由表查出VOR、VB值 ② 由VB值来选择TVS u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V) 固定输入:100/115 60 90 通用输入:85~265 135 200 固定输入:230±35 135 200 步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax ① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON) ② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小 步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP u(V) KRP 最小值(连续模式) 最大值(不连续模式) 固定输入:100/115 0.4 1 通用输入:85~265 0.4 1 固定输入:230±35 0.6 1 步骤7 确定初级波形的参数
MC34063A, MC33063A,NCV33063A 1.5 A, Step?Up/Down/Inverting Switching Regulators The MC34063A Series is a monolithic control circuit containing the primary functions required for DC?to?DC converters. These devices consist of an internal temperature compensated reference, comparator,controlled duty cycle oscillator with an active current limit circuit,driver and high current output switch. This series was specifically designed to be incorporated in Step?Down and Step?Up and V oltage?Inverting applications with a minimum number of external components. Refer to Application Notes AN920A/D and AN954/D for additional design information. Features ?Operation from 3.0 V to 40 V Input ?Low Standby Current ?Current Limiting ?Output Switch Current to 1.5 A ?Output V oltage Adjustable ?Frequency Operation to 100 kHz ?Precision 2% Reference ? Pb?Free Packages are Available Figure 1. Representative Schematic Diagram Drive Collector I pk Sense V CC Comparator Inverting Input Switch Collector Switch Emitter Timing Capacitor GND (Bottom View) This device contains 51 active transistors. SOIC?8D SUFFIX CASE 751 PDIP?8P , P1 SUFFIX CASE 626 8 1 See detailed ordering and shipping information in the package dimensions section on page 11 of this data sheet. ORDERING INFORMATION 1Switch Collector Switch Emitter Timing Capacitor GND Driver Collector I pk Sense V CC Comparator Inverting Input (Top View) 234 5 678PIN CONNECTIONS https://www.doczj.com/doc/6b11547408.html, x = 3 or 4 A = Assembly Location L, WL = Wafer Lot Y , YY = Year W, WW = Work Week G or G = Pb?Free Package 18 3x063AP1 AWL YYWWG 1 8 33063AVP AWL YYWWG MARKING DIAGRAMS