开关电源的设计与制作
[摘要]：本文主要介绍一种简易型单管自激式开关电源的工作原理、特点和应用范围、并结合实际按给定参数进行设计。通过对开关电源的原理和Protel应用的介绍，给出了开关电源的使用方法。主要涉及电源、变压器、滤波器以及整流电路的介绍。
[关键词] 开关电源、PROTEL 99 SE、整流电路、原理设计
Switching power supply design and production
[Abstract]: This paper presents a Simple single-tube self-excited switching power supply of the working principles, characteristics and applications, combined with the actual design of the given parameters. Switching power supply through the application of the principle and the introduction Protel given switching power supply is used. Mainly related to power supply, transformer, filter and rectifier circuit introduction.
[Key words] switching power supply, PROTEL 99 SE, rectifier circuits, principles of design
目录
第1章绪论 (3)
1.1.课题的背景 (3)
1.2开关电源的发展概述 (4)
第二章开关电源工作原理 (5)
2.1 开关电源基本结构 (5)
2.2单管自激式变换器开关电源的工作原理 (5)
2.2.1整流电路的工作原理分析 (6)
2.2.2变压器的工作原理分析 (10)
2.2.3 滤波器的工作原理分析 (19)
2.3 主要性能参数 (21)
第三章利用Multisim8仿真系统对电路进行仿真 (22)
第四章 PCB板的设计 (24)
4.1印制电路板设计一般步骤 (24)
设计感言 (27)
致谢 (28)
第一章绪论
1.1.课题的背景
在电子线路的相关应用中，电源是其必不可少的部分，电源系统质量的优劣和性能的可靠性直接决定着整个电子设备的质量。直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中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发展到今天具有较强功能的模块。人们对电源的质量、功能和性能要求也随之变的越来越高。
现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终在线性放大区的直流稳压电源。将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，经过整流、滤波和稳压，输出一个直流电压。开关稳压电源简称开关电源，它是指电压调整作用的期间始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。
线性稳压源的优点是：电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单，便于维修；没有开关干扰。缺点是：功耗大、效率低，其效率一般只有35%~60%，体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤波电容。其中，交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点，造成了资源的严重浪费。
在这种背景下，开关稳压电源应运而生。任何电子设备均需直流电源来供给电路工作，特别是采用电网供电的电子产品，为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。但开关电源的主要缺点是电路比较复杂。
根据比较，我们选择开关电源。
开关电源的最大优点就是转换效率高，特别是在高压变低压而且电压差很大的时候，这种情况下线性电源效率极低发热严重。开关电源还有一个优点是可以把低电压转换成高电压，这是线性电源无法做到的。开关电源的缺点是纹波通常比线性电源大。
1.2开关电源的发展概述
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。
早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。
随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压Mos大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著‘当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。
第二章开关电源工作原理
2.1 开关电源基本结构
开关电源的基本结构如图2-1所示，整机电路可分为主电路和控制电路两部分，主电路由交流ENI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/DC功率变换器三个环节组成，控制电路的作用是保证主电路正常工作，同时也起到了对主电路的保护作用。
图2-1 开关电源基本结构
DC/DC变换器是开关电源最主要电子功率变换环节，它有两种基本类型即脉宽调制型和谐振型。脉宽调制型用控制脉冲占空比、间断工作来产生所需的脉冲电压和电流。谐振型有零电流谐振式和零电压谐振式，电流谐振式就是开关导通时，电流波形呈正弦波状，导通时间快结束时，电流减为零，因而可使通/断时开关损耗降为零。同时也会减少浪涌电流，这种方式叫做零电流开关方式。电压谐振式就是通过开关在断开时间里使其上的电压呈正弦波状，在下一次断开时间之前使其电压降为零，从而减少开关损耗和降低浪涌电压，这种方式叫做零电压开关方式。谐振技术以正弦形式处理功率开关管，使开关管在零电流下换流或者在零电压下换向，降低了开关的转换损耗。
2.2单管自激式变换器开关电源的工作原理
它由整流滤波电路、主开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路和次级整流滤波电路等组成。其工作原理是:交流输入电压经过整流滤波电路变成直流电压,再被开关功率管斩波和高频变压器降压,经过次级整流滤波电路整流滤波获得所需直流输出电压。控制电路中,光电耦合器4N35 及Q2、Q3、Q4 对输出起反馈作用,以调整占空比,达到稳压的目的。
电源的设计原理图
图2-2 电源设计原理图
2.2.1整流电路的工作原理分析
把交流电转换成直流电的过程称为整流.利用晶体二极管的单向导电性把单相交流电转换成直流电的电路称为二极管单相整流电路,它有单相半波整流、单相全波整流和倍压整流等电路。
（1）单相半波整流电路
图2-3 是单相半波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管V和负载电阻R L组成。
一、工作原理
设电源变压器T的初级接交流电压υ1时，在次级就感应出交流电压υ1，它的瞬时表达式是
υ2=1.41V2sinωt
式中υ2为瞬时值，V2 是交流电压有效值，ω为角频率，ωt为相位角。
当υ2为正半周即为正值时(A端为正、B端为负，A端电位高于B端电位)，二极管V导通，电流iv自A端经二极管V、自上而下的流过负载R L到B端，因为二极管正向压降很小，可认为负载两端电压υL与υ2几乎相等，即υL≈2。
当υ2为负半周即为负值时(B端为正、A端为负，B端电位高于A端电位)，二极管V截止，通过负载R L上的电流iv=0,
上的电流iv=0,负载上的电压υL =0。可见，在交流电υ 2 工作的全周期内，R L上
只有自上而下的单方向电流,实现了整流。υ2、υL、i L 相应的波形如图所示。可以看出他们的大小是波动的，但方向不变.这种大小波动\方向不变的电压和电流,称为脉动直流电(它的波形不平滑，通常称为含有交流成分或纹波成分)。由υL 的波形可见，这种电路仅利用了电源电压υ 2 的半个波,故称为半波整流电路，它输出的是半波脉动直流电。显然，它的缺点是电源利用率低且输出电压脉动大。
图2-3单相半波整流电路(a)电路(b)波形
二、负载整流二极管上的电压和电流
半波整流输出的电压或电流是用半波脉动直流电压或电流的平均值表示的。理论和实验都证明，负载两端电压υL与变压器次级电压有效值V2 的关系是
V L=0.45V2
流过负载的电流I L是
I L=V L/R L=0.45V2/R L
由电路图可知，流过整流二极管的正向工作电流I V 和流过负载R L 的电流I L相
等，即
I V=I L=0.45V2/R L
当二极管截止时，它承受的反向峰值电压V RM 是υ 2 的最大值，即
V RM≈1.41V2
图2-4 桥式单相全波整流电路图
选用半波整流二极管时应满足下列两个条件：(1)二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；(2)二极管允许的最大整流电路应大于流过二极管的实际工作电流。
（2）桥式单相全波整流电路
图2-4 是桥式单相全波整流电路图，简称桥式整流电路。它是由四只接成桥式的整流二极管V1~V4源变压器T组成，R L是负载电阻。
工作原理：
如图2-5(a)设υ2为正半周时，A端电位高于B端（即A端为正，B端为负），二极管V1和V3导通，V2和V4截止，电流i1自A端流过V1、R L、V3到B端，它是自上而下流过R L。如图2-5(b)所示，当υ2为负半周时，B端电压高于A端（即B端为正，A端为负），二极管V 2和V4导通，V1和V3截止，电流i2自B 端流过V2，也是自上而下的通过R L，经V4到A端。这样，在υ2整个周期内，都有方向不变的电流通过R L,且i1和i2 叠加形成I流电路属于全波整流类型，称为桥式单相全波整流电路。
图 2-5 桥式整流电路工作过程
(a) u2为正半周时的电流方向 (b) u2为负半周时的电流方向
顺便指出：在很多场合，习惯上把变压器中心抽头式全波整流电路简称为全波整流电路：而把桥式单相全波整流电路简称为桥式整流电路，实质上它们是结构形式不同但都属于全波整流的电路。
1、负载上和整流二极管上的电压和电流由以上的讨论可知，桥式全波整流电路和变压器中心抽头式全波蒸馏电路在负载R L上得到的都是全波脉动直流电，波形是一样的，所以负载上电压和电流计算公式是一样的，即
V L=0.9V2
I L=0.9V2/R L
桥式整流电路中，每个二极管在电源电压变化一周内只有半个周期导通，因此，每个二极管的平均电流值是负载电流的一半，即
I V=0.5I L
每个二极管在截止时承受的反向峰值是υ2的峰值。即
V RM=1.41V2
桥式全波整流电路与变压器中心抽头式全波整流电路相比，所使用的整流二极管
多了一倍、但二极管承受的反向峰值电压低了一半，而且变压器无需中心抽头，因而获得广泛的应用。
整流元件的组合件称为整流队，常见的有半桥2CQ型整流堆和全桥QL型整流堆，它们的内部电路及外形，使用一个全桥整流堆或连接两个半桥整流堆，就可以代替四只整流二极管与电源变压器相连，组成桥式整流电路，既方便又可靠。选用时仍应注意它们的额定工作电流值和允许的最高反向电压值要符合整流电路的要求。
2.2.2 变压器的工作原理分析
（1）变压器的用途
变压器是将某一数值的交流电压变换为统一频率另一数值的交流电压的电气设备，在工程上有着广泛地应用。
在电力输送方面，为了减小输电损失，采用升压变压器将发电机发出的电压升高到35kV以上，在用电目的地又通过降压变压器将高压降为供用户使用的低电压。在整个输配电过程中变压器是关键设备。
在电子仪器中，采用电源变压器将220V电压变为合适的低电压给电路供电，起到了电压配合和隔离作用；在电路中采用耦合变压器来进行信号的传递等。
在其他方面，有实验用调压器；有用于交流测量的电压和电流互感器；有用于电焊、电炉及整流用的专用变压器等。
电子变压器在电源中的作用：
电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。根据在电源装置中的作用，电子变压器可以分为：
1、电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功率变压器；
2、起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；
3、起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器；
4、起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器；
5、起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器，起改变输出相位作
用的相位变换变压器(移相器)；
6、起改变输出频率作用的倍频或分频变压器；
7、起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器；
8、起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器(包括恒压变压器)或稳流变压器，起调节输出电压作用的调压变压器；
9、起交流和直流滤波作用的滤波电感器；
10、起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，起抑制噪声作用的噪声滤波电感器；
11、起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器；
12、起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；
13、起开关作用的磁性开关电感器和变压器；
14、起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器；
15、起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。
（2）变压器的基本结构
变压器虽然种类很多，用途各不相同，但其基本结构都是由铁心和套装在铁心上的绕组组成。
为了减小涡流及磁滞损耗，变压器的铁心是用表面涂有绝缘层、厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成。根据铁心的结构不同，分为心式和壳式两种，绕组绕在两侧的铁心柱上,多用于容量较大的变压器中。它的高压、低压绕组都绕在中间的铁心柱上，常用于小容量的变压器中。
绕组构成变压器的电路部分，一般小容量变压器的绕组是用高强度漆包线绕制，大容量变压器可用扁铜线或扁铝线绕制。
（3）单相变压器的工作原理
图2-6为单相变压器原理图。通常把与电源相连接的绕组称为一次绕组，与负载相连接的绕组称为二次绕组。为讨论方便，一般规定：凡与一次绕组有关的各量都在其下角标以“1”，而与二次绕组有关的各量都在下角标以“2”，例如，一次、二次电压、电流分别用U1、U2、I1、I2表示，匝数分别用N1、N2表示。
+
u
Z
1 - +
- + -
图2-6 变压器工作原理
（4）变压原理
当变压器的一次绕组接入交流电压u1时，在一次绕组中便有交流电流流过，
并产生交流磁通。该磁通的绝大部分通过铁心同时穿过一次、二次绕组，称为主
磁通；在一次绕组产生的交流磁通中，还有很少一部分通过周围空气闭合，称为
漏磁通。通常漏磁通很少，为讨论问题方便而把它忽略不计。
当主磁通同时穿过一次、二次绕组时，就在两个绕组中分别产生与电源频率
相同的感应电动势e1和e2。设一次、二次绕组匝数分别为N1、N2，则由法拉第
电磁感应定律可知，一次、二次绕组上感应电动势的数学表达式为
e1= -N1(dφ/dt)
e2= -N2(dφ/dt)
设φ=φm sin wt代入上式计算得
e1= —w N1φm cos wt
=2πfN1φm sin(wt-900)
=E1m sin(wt-90)
式中, E1m=2πfN1Φm是一次绕组感应电动势的最大值,其有效值为
E1=(1/1.414)fN1Φm=4.44fN1Φm(2-1)
同理,二次绕组感应电动势的有效值为
E2=4.44fN2Φm(2-2)
当忽略一次、二次绕组的直流电阻和漏电磁通时,有U1=E1,U2=E2,将式(2-1)
和式(2-2)取比值
U1/U2=E1/E2=N1/N2=K (2-3) 式中,K—变压器的变化,即变压器一次、二次绕组的匝数之比。
上式表明，变压器一次、二次侧的电压之比等于匝数之比。当K>1
时,U1>U2，为降压变压器；当K<1时，U1 由于U1=E1=4.44fN1Φm，因此在使用变压器时必须注意：U1过高，f过低， N1过少都会引起Φm过大，使变压器中用来产生磁通的励磁电流大大增加而烧坏变压器。 1、变压原理 由以上分析可知，变压器从电网上吸收能量并通过电磁感应，以另一个电压等级把电能输送给负载。在这个过程中，变压器只起到能量的传递作用。根据能量守恒定率，在忽略了损耗的情况下，变压器输入、输出的视在功率相等,即 U1I1=U2I2 I1/I2=U2/U1=1/K (2-5) 式(2-5)表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。 变换阻抗原理 变压器除能变压和变流，还能变换阻抗，这在电信工程中有着广泛的应用。阻抗变换原理如图2-7所示,图中Z L为负载阻抗，其端电压为U2，流过的电 流为I2，变压器变比为Ｋ，则 Z L=U2/I2 变压器一次绕组中的电压和电流 分别为 U1=KU2,I1=I2/K 从变压器输入端看进去,等效的输入阻 抗Z′L为图2-7阻抗变换原理Z′L=U1/I1=K2（U2/I2）=K2Z L 式(2-6)表明,负载阻抗Z L反映到一次侧的等效输入阻抗Z L,其值为Z L的K2倍,因此,只需改变变压器的匝数比,就可把负载阻抗变换为所需的数值。 变压器的同名端及绕组的正确连接 图2-8多绕组变压器 当变压器有多个一次绕组或二次绕组，在使用时又需要将一次绕组或二次绕组串联或并联时，就需要知道变压器的同名端（同极性端）。如果连接错误，不但得不到所需的电压值，严重时还会将变压器烧坏。 变压器的同名端 变压器的同名端是这样定义的；当给变压器的一次绕组（或二次各绕组）通以电流时，它们在磁路中产生的磁通方向如果相同，则称各绕组电流的流入端为同名端，用“．”表示，如图2-8所示。其中，A、B为变压器的一次绕组，当电流从１和3端流进时，两绕组产生的磁通方向相同，即1和3端为两绕组的同名端。同理，2、4端也是同名端。C、D为变压器的二次绕组，当电流从5和7端流进时，两绕组产生的磁通方向相同，即5和7端为二次绕组的同名端。 变压器的正确连接 当绕组变压器需要进行绕组的串联或并联时，则要依据它的同名端进行连接．例如，一变压器的一次侧有两个绕组，每个绕组的工作额定电压为110V，如将变压器接入220V交流电源，则绕组需串联连接，正确的连接方法，如图2-9（a）所示。如将变压器接入110V交流电源，则绕组需并联连接，正确的连接方法，如图2-9(b)所示。如果同名端接错，则两个绕组产生的磁通方向相反，相互抵消，使穿过俩绕组的磁通为零，两绕组产生的自感器电动势则为零，绕组中的电流将变得很大，将导致两绕组烧毁。 （b）两个绕组相并联 图2-9 变压器绕组的正确连接 变压器的二次绕组在链接时，如果将两个二次绕组的异名端6、7两端相连，由5、8两端输出电压，则输出电压为CD两个绕组的输出电压之和；如将两绕组的同名端57两端响亮，由8两端输出电压，则输出电压为CD两绕组的输出电压之差。即变压器的二次绕组可以通过不同的组合方式得到不同的电压值。 变压器在电子电路中应用时，有时需要考虑绕组的同名端，以判别电路是正 反馈还是负反馈。 （5） 单相变压器的运行特 对于负载而言，变压器相当于一个电源，要求其供电电压相对稳定；而对于电网而言，变压器起电能传递作用，要求在传递过程中本身损耗校，效率高。因此，一般用来表示变压器运行特性的指标有两个：一是变压器的电压变化率，二是变压器的效率。 一、变压器的外特性及电压变化率 当电源电压和负载的功率因数为定值时，变压器二次侧的端电压U2与二次侧的电流I2之间的关系称为变压器的外特性，即U 2=f(I 2)，如图2-10所示。 图2-10变压器的外特性 从图2-10中可以看出，变压器的外特性与负载的大小和性质有关。随着负载的增大，对于纯电阻性负载，端电压下降较少；对于感性负载，端电压下降较大；对于溶性负载，则端电压有所上升。 变压器二次侧输出电压随负载而变化的 程度用电压变化率δ 来表示。所谓电压变化率，是指负载的功率因数一定，依次侧加额定电压，二次侧空载和负载时的电压之差的相对值，即 δ= (U 20-U 2)/U 20Χ100 ％ 式中，U 20——二次侧空载时的电压； U 2——二次侧负载时的电压 δ——电压变化率 电压变化率表示了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。电力变压器在额定运行时，一般要求δ<5％ 二、变压器的损耗与效率 变压器从电源得到的有功率P 1不会全部转为输出功率P 2，因传输过程中有 能量损耗。变压器存在两种损耗：一种是电流流过一次二次绕组上的电阻时产生的损耗，称为铜损耗ΔP Cu；另一种是交变磁通在铁心中所产生的磁滞损耗和涡流损耗，合称为铁损耗ΔP Fe。这些损耗均变为热量使变压器的温度升高。根据能量守恒定律有 P1=P2+ΔP Cu+ΔP Fe 变压器的效率为 η= P2/P1Χ100％=P2/(P2+ΔP Cu+ΔP Fe)Χ100％ 随低损耗材料的使用和变压器结构设计的日趋合理，电力变压器的效率逐渐提高，目前可达95％以上。 （6）其他用途变压器及变压器的应用 1 自耦变压器 普通变压器一般指双绕组变压器，其一次二次绕组在电路上是互相分开的。而自耦变压器是一种单绕组变压器，其中一次绕组的部分线圈兼作二次绕组。因此，自耦变压器的一次二次绕组之间不仅有磁的耦合，在电路上还互相连通，如图2-11所示。 图2-11自耦变压器 与普通变压器一样，当一次绕组接上交流电压U1后，铁心中产生交流磁通，在N1和N2上的感应电动势分别为 E1=4.44fN1Фm E2=4.44fN2Фm 因此变压器的变比为 K=E1/E2=N1/N2=U1/U2=I2/I1 可见,适当选择匝数N2就可以在二次侧电路中获得所需要电压U2。若将二次 绕组接通电源，则自耦变压器可作为升压变压器使用。 自耦变压器的优点是：结构简单，节省铜线，效率比普通变压器高。其缺点是：由于高低压绕组在电路上是相通的对使用者构成潜在的危险，因此自耦变压器的变比一般不超过1.5～2。 自耦调压器常在实验室中使用。注意在使用前必须把手柄转到零位，使输出电压为零，以后再慢慢顺时针转动手柄使输出电压逐步上升。 按照电器安全操作规程，自耦变压器不能作为安全变压器使用，因为线路万一按错将可能发生触电事故，因此规定：安全变压器一定要采用一次绕组和二次绕组互相分开的双绕组变压器。 2变压器的正确使用 变压器在工作中如果使用不当，往往会造成变压器的损坏。正确使用变压器的依据是工作时尽量使变压器工作在额定状态，由其不能时间过载。变压器的主要额定值有： 1、一次额定电压U1N 是指在设计时根据变压器的绝缘强度和容许发热而规定在一次绕组上应加的电压值，在三相变压器中是指线电压。 2、二次侧额定电压U2N 是指当变压器空载而一次绕组的电压为额定值时的二次绕组两端的电压值，在三相变压器中也是指线电压。 3、一次侧额定电流I1N 是指在设计时根据变压器的容许发热而规定在一次绕组中长期容许通过的最大电流值，在三相变压器中是指线电流值。 4、二次侧额定电流I2N 是指在设计时根据变压器的容许发热而规定在二次绕组中长期容许通过的最大电流值，在三相变压器中是指线电流值。 5、容量S N 变压器的容量用视在功率表示，单相变压器的容量为二次侧的额定电压与额定电流的乘积，常以Kv.A为单位，即 S N=U2N I2N/1000 三相变压器的容量 S N=1.72U2N I2N/10 2.2.3 滤波器的工作原理分析 （1）滤波器的功能 滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。 滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。 （2）滤波器的分类 (1)按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 (2)按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 (3)按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 无源滤波器：仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器)组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高 阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件)；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器)的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 （3）滤波器的主要参数 (1)通带增益A0：滤波器通带内的电压放大倍数。 (2)特征角频率和特征频率fn：它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关，通常对于带通(带阻)滤波器，称为带通(带阻)滤波器的中心角频率或中心频率f0，是通带(阻带)内电压增益最大(最小)点的频率。 (3)截止角频率和截止频率f0：它是电压增益下降到(即)时所对应的角频率。必须注意不一定等于。带通和带阻滤波器有两个 (4)通带(阻带)宽度BW：它是带通(带阻)滤波器的两个之差值。 (5)等效品质因数Q：对低通和高通滤波器而言,Q值等于时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比，即；对带通(带阻)滤波器而言,Q值等于中心角频率与通带(阻带)宽度BW之比。 （4）有源滤波器的阶数 有源滤波器传递函数分母中“S”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高，滤波器幅频特性的过渡带越陡，越接近理想特性。一般情况下，一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减；二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。 低通和高通滤波器之间的对偶关系 (1)幅频特性的对偶关系 当低通滤波器和高通滤波器的通带增益A0、截止频率或f0分别相等时，两者的幅频特性曲线相对于垂直线f=f0对称。 (2)传递函数的对偶关系 将低通滤波器传递函数中的S换成1/S，则变成对应的高通滤波器的传递函数。 (3)电路结构上的对偶关系 将低通滤波器中的起滤波作用的电容C换成电阻R，并将起滤波作用的电阻R换成电容C，则低通滤波器转化为对应的高通滤波器。 （5）极性转换 《自动化专业综合课程设计2》 课程设计报告 题目：开关电源设计与制作 院（系）：机电与自动化学院 专业班级：自动化0803 学生姓名：程杰 学号：20081184111 指导教师：雷丹 2011年11月14日至2011年12月2日 华中科技大学武昌分校制 目录 1．开关电源简介 (2) 1.1开关电源概述 (2) 1.2开关电源的分类 (3) 1.3开关电源特点 (4) 1.4开关电源的条件 (4) 1.5开关电源发展趋势 (4) 2．课程设计目的 (5) 3．课程设计题目描述和要求 (5) 4．课程设计报告内容 (5) 4.1开关电源基本结构 (5) 4.2系统总体电路框架 (6) 4.3变换电路的选择 (6) 4.4控制方案 (7) 4.5控制器的选择 (8) 4.5.1 C8051F020的内核 (8) 4.5.2片内存储器 (8) 4.5.312位模/数转换器 (9) 4.5.4 单片机初始化程序 (9) 4.6 输出采样电路 (10) 4.6.1 信号调节电路 (10) 4.6.2 信号的采样 (11) 4.6.3 ADC 的工作方式 (11) 4.6.4 ADC的程序 (12) 4.7 显示电路 (13) 4.7.1 显示方案 (13) 4.7.2 显示程序 (14) 5．总结 (16) 参考文献 (17) 1．开关电源简介 1.1开关电源概述 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。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPower Supply)。 将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。降压型DC-DC转换器主电路图如1： 图1 降压型DC-DC转换器主电路 其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为： 毕业论文（设计） 题目开关电源设计 英文题目switch source design 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日 开关电源入门必读：开关电源工作原理超详细解析 第1页：前言：PC电源知多少 个人PC所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们经常会将个人PC电源称之为——开关电源（Sw itching Mode P ow er Supplies，简称SMPS），它还有一个绰号——DC-DC转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介绍以及这些元器件的功能。 ●线性电源知多少 目前主要包括两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（sw itching）。线性电源的工作原理是首先将127 V或者220V市电通过变压器转为低压电，比如说12V，而且经过转换后的低压依然是AC交流电；然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并将低压AC交流电转化为脉动电压（配图1和2中的“3”）；下一步需要对脉动电压进行滤波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电（配图1和2中的“4”）；此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后，我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了（配图1和2中的“5”） 配图1：标准的线性电源设计图 配图2：线性电源的波形 尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电，比如说无绳电话、PlayStation/W ii/Xbox等游戏主机等等，但是对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。 对于线性电源而言，其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比：也即说如果输入市电的频率越低时，线性电源就需要越大的电容和变压器，反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz（有些国家是50Hz）频率的AC市电，这是一个相对较低的频率，所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。此外，AC市电的浪涌越大，线性电源的变压器的个头就越大。 由此可见，对于个人PC领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动，因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。 ●开关电源知多少 开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC输入电压可以在进入变压器之前升压（升压前一般是50-60KHz）。随着输入电压的升高，变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开关电源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设备所需要的。需要说明的是，我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式，和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。 事实上，终端用户的PC的电源采用的是一种更为优化的方案：闭回路系统（closed loop system）——负责控制开关管的电路，从电源的输出获得反馈信号，然后根据PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器（这个方法称作PW M，Pulse W idth Modulation，脉冲宽度调制）。所以说，开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整，从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少量的能量，而且降低发热量。 反观线性电源，它的设计理念就是功率至上，即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。 第2页：看图说话：图解开关电源 下图3和4描述的是开关电源的PW M反馈机制。图3描述的是没有PFC(P ow er Factor Correction，功率因素校正)电路的廉价电源，图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端电源。 图3：没有PFC电路的电源 图4：有PFC电路的电源 通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处：一个具备主动式PFC电路而另一个不具备，前者没有110/220V转换器，而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。 《开关电源课程设计》 指导教师：熊春宇 姓名：李丽丽 学号：200701071235 电话：136664664296 LED照明驱动开关电源设计 (李丽丽，大庆师范学院物电学院07级电子信息工程专业)摘要：LED照明驱动设计了恒流输出、空载保护、隔离输出及EMC等功能.系应用于LED 照明驱动的开关电源电路。采用PWM自动调节实现恒流输出，稳压管过压锁定实现空载保护，电磁隔离和光隔离实现隔离输出。经过多次的运行与检测，实践证明该电路恒流输出稳定，发热量低。本设计体积小,微调反馈电路可设置作为为LED驱动常用的350mA或700mA恒流输出。可广泛适用于生活照明，商用照明。 关键词:LED驱动电源;发热低恒流;隔离低成本 Abstract：LED lighting design drive the constant-current output, the output and protection, isolation no-load EMC etc. Function. Is applied to the switch power LED lighting driving circuit. Using PWM automatic adjustment output voltage, the constant-current over-voltage protection tube, electromagnetic no-load realize locking and isolation realize isolation output isolation. After many operation and test, the practice has proved that the constant-current circuits, low heat stable output. This design, small size, fine-tuning feedback circuit can be set as the common 350mA LED drive or 700mA constant-current output. Life can be widely used in commercial lighting, lighting. Key words：Leds driving power；Fever is low；Constant flow；Isolation；Low cost 0概述 0.1选题的目的与意义： 全球能源紧张，提高电器的效率是行之有效的方法。照明用电占据全球21%的总用电量，如果能提高照明用的的效率，可以有效缓解能源紧张。如何提高照明系统的能源利用率，延长照明系统的寿命，并且是绿色无污染的？取代白炽灯，荧光灯，节能灯的第四代照明灯具是什么？业界给出的答案就是LED灯照明。LED照明每W流明数可达到120lm。远高于白炽灯和日光灯，此外LED灯珠寿命可长达十万小时，并且绿色无污染。LED照明具备的这些优点决定了其应用前景是非常广阔的。LED照明应用上的限制在于LED有固定的正向压降，电流也有上限（工作电流是影响LED寿命的主要因素）。大功率白光LED上的正向压降一般为3-4V，不能直接使用市电驱动。因此一个和LED灯珠匹配的高效，环保，长寿命的电源是必须的，这正是这次选题的意义与目的所在。 0.2研究现状 开关电源的技术已经非常成熟，由于LED驱动的降压技术大部分采用开关电源。因此即使是LED驱动电源真正进入研究的时间不算长，却无碍其技术的成熟。LED驱动要求的技术特点是：寿命长，体积小（特别商用照明和家用照明，最好可以内嵌到灯头）。 众所周知，绝大部分开关电源都需要一个输出滤波的电解电容，即使高品质的电解电容，工作在100摄氏度左右，寿命也只有1Wh左右。毫无疑问，电解电容正是LED灯整体寿命的瓶颈。而内嵌式驱动板上的电解电容，由于LED的发热以及驱动板本身的发热，长期在 物理与机电工程学院（2015——2016 学年第二学期） 综合设计报告 开关电源的设计 专业：电子信息科学与技术学号：2014216010 姓名：侯涛 指导教师：石玉军 开关电源的设计 摘要 随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小，重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本文章是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。 关键词开关电源半桥全桥高频变压器 1、引言 1.1研究的背景 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用 工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。 开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点： ①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。 ②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。 ③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。 ④提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。 ⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的 电力电子技术课程设计报告 题目高频开关稳压电源 专业电气工程及其自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师 2016年春季学期 起止时间：2016年6月25日至2016年6月27日 设计任务书11 高频开关稳压电源设计√ 一、设计任务 根据电源参数要求设计一个高频直流开关稳压电源。 二、设计条件与指标 1.电源：电压额定值220±10%，频率：50Hz； 2. 输出:稳压电源功率Po=1000W,电压Uo=50V； 开关频率:100KHz 3.电源输出保持时间td=10ms(电压从280V下降到250V)； 三、设计要求 1.分析题目要求，提出2~3种电路结构，比较并确定主电路 结构和控制方案； 2.设计主电路原理图、触发电路的原理框图，并设置必要的 保护电路； 3.参数计算，选择主电路及保护电路元件参数； 4.利用PSPICE、PSIM或MATLAB等进行电路仿真优化； 5.撰写课程设计报告。 四、参考文献 1.王兆安，《电力电子技术》，机械工业出版社； 2.林渭勋等，《电力电子设备设计和应用手册》； 3.张占松、蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，电子工业 出版社。 目录 一、总体设计 (1) 1．主电路的选型（方案设计） (1) 2.控制电路设计 (4) 3.总体实现框架 (4) 二、主要参数及电路设计 (5) 1.主电路参数设计 (5) 2.控制电路参数设计 (7) 3.保护电路的设计以及参数整定 (8) 4.过压和欠压保护 (8) 三、仿真验证（设计测试方案、存在的问题及解决方法） (9) 1、主电路测试 (9) 2、驱动电路测试 (10) 3、保护电路测试 (10) 四、小结 (11) 参考文献 (11) 开关电源设计 开关直流稳压电源设计 摘要 直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器，电力或者电子设备都毫不例外的需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不点的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，他们又各自可以用集成电路或分立元件构成。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。 一、引言 1.1基本要求 稳压电源。 1.基本要求 ①输出电压UO可调范围：12V～15V； ②最大输出电流IOmax：2A； ③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）； ④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）； ⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑥DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A； 1.2发挥部分 (1)排除短路故障后，自动恢复为正常状态； (2)过热保护； 二、方案设计与论证 开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频式两种。实际应用中，调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值，即占空比来改变输出电压，通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，因此本次设计采用PWM调制方式实现电路设计要求。主要框架如图1所示。由变压器降压得到交流电压，再经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC-DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源。 开关电源原理与设计（连载九）并联式开关电源输出电压滤 波电路 时间：2013-11-01 来源：作者： 1-4-2.并联式开关电源输出电压滤波电路 上面已经知道，当并联式开关电源不带输出电压滤波电路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。但在应用中，大多数并联式开关电源输出电压还是经过整流滤波后的直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。 图1-12是带有整流滤波功能的并联式开关电源工作原理图。图1-12中，Ui 是开关电源的工作电压，L是储能电感，eL为电流iL在储能电感两端产生的反电动势，K是控制开关，R是负载。而图1-13、图1-14、图1-15分别是并联式开关电源控制开关K工作于占空比为0.5、< 0.5、> 0.5时，图1-12电路中各点的电压、电流波形。图图1-13、图1-14、图1-15中Ui是开关电源的输入电压，uo是控制开关K两端的输出电压，uc是滤波电容两端的输出电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Uo是开关电源输出电压(平均值)，Ua是开关电源输出的平均电压， iL是流过储能电感L的电流，iLm是流过储能电感L电流的最大值，Io是流过负载R的电流(平均值)。 当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L 的电流iL开始增加，同时电流在储能电感中也要产生反电动势eL;当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K 关断前的方向相反，但与电流的方向相同，因此，在控制开关K两端的输出电压uo 等于输入电压Ui与反电动势eL之和。 因此，在Ton期间： eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期间 (1-43) 输入输出电压关系 D T Ton Vin Vout == 开关管电流 Iout Iq =(max)1开关管电压 Vin Vds =二极管电流 ) 1(1D Iout Id ?×=二极管反向电压 Vin Vd =12、BOOST 电路 输入输出电压关系 D Ton T T Vin Vout ?= ?=11 开关管电流 11( (max)1D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vds =二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vout Vd =13、BUCK BOOST 电路 输入输出电压关系 D D Ton T Ton Vin Vout ?= ?=1开关管电流 11( (max)1D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vin Vds ?=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vout Vin Vd ?=1 输入输出电压关系 D D Vin Vout ?= 1开关管电流 )1( (max)1D D Iout Iq ?×=开关管电压 Vout Vin Vds +=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Vin Vout Vd +=15、FLYBACK 电路 输入输出电压关系 Lp Iout Vout T D Vin Vout ×××=2开关管电流 (max)1Lp Ton Vin Iq ×= 开关管电压 Ns Np Vout Vin Vds × +=二极管电流 Iout Id =1二极管反向电压 Np Ns Vin Vout Vd × +=16、FORW ARD 电路 输入输出电压关系 D Np Ns T Ton Np Ns Vin Vout ×=×=开关管电流 Iout Np Ns Iq ×= (max)1开关管电压 Vin Vds ×=2二极管电流 D Iout Id ×=1 & 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 开关电源设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）? 1、输出两路直流电压：12V，5V。 2、直流最大输出电流1A。 3、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 ） 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 ） 引言 (1) 1设计意义及要求 (2) 设计意义 (2) 开关电源的组成部分 (2) 开关电源的工作过程 (2) 开关电源的工作方式 (3) 脉宽调制器的基本原理 (3) 2方案设计 (5) ） 设计要求 (5) 方案选择 (5) 整流滤波部分 (6) 降压斩波电路 (7) 脉宽调制电路 (8) MOSFET管的驱动电路 (9) 总电路图 (11) 3主电路参数设定 (12) { 变压器、二极管、MOSFET管选择 (12) 反馈回路的设计 (13) MOSFET的驱动设计 (14) 结束语 (15) 参考文献 (16) 附录一 (17) ] 引言 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，远程控制交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 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。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IGBT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。 开关电源根据输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。所以说，DC-DC变换器是开关电源的核心。DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，所以学习设计开关电源有重要的意义。 太原理工大学课程设计任务书 指导教师签名：日期： 前言 随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。反激式开关电源以其设计简单，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。 本论文根据输入电压经EMI滤波设计整流桥，再与直流变压器开关管构成反激电路。通过输出反馈经UC3842控制占空比，从而使输出电压稳定。反激电路中开关管开通原边线圈储存能量，副边不导通。原边关断时，线圈储存的能量通过互感向负载提供能量。输出电压反馈由TL431和光耦构成，当输出稳定时，有一个稳定的电流；当输出电压增大时，TL431分流增加，发光二极管亮度改变，使三级管电流改变，致使开关管控制导通占空比改变，从而使输出电压减小。另外，芯片UC3842引脚接一电流反馈，通过控制分压值实现截流保护，防止输出过电流。 设计中，直流变压器的设计是重点，需要计算其原边电感，原副边匝数，铁芯的选择，根据这些参数构造电路图，计算各电容电阻值及二极管承受的反压，选择合适的型号。 论文先介绍了开关电源及反激式开关电源，然后介绍器件选型，再分部分介绍主电路、控制电路和保护电路，最后附表为选择时参数参考表和总电路图。 目录 前言 第一章开关电源概述 (1) 1.1开关电源综述 (1) 1.2反激式开关电源介绍 (2) 第二章总体方案的确定 (2) 2.1总体设计思路及框图 (2) 2.2仿真原理图 (3) 第三章具体电路设计 (5) 3.1EMI滤波电路 (5) 3.2整流滤波电路设计 (6) 3.3高频变压器的设计 (7) 3.4控制反馈电路的设计 (15) 3.5保护电路的设计 (17) 3.6输出侧滤波电路设计 (18) 第四章电路仿真与结果 (19) 4.1 EMI滤波电路 (19) 4.2整流电路 (21) 4.3反激型电路 (22) 4.4反馈电路 (23) 4.5总电路 (24) 心得体会 (25) 参考文献 (26) 第一章开关电源设计的一般考虑 在设计开关电源之前，应当仔细研究要设计的电源技术要求。现以一个通信电源模块的例子来说明设计要考虑的问题。该模块的技术规范如下： 1 电气性能 除非另外说明,所有参数是在输入电压为220V,交流50Hz以及环境温度25℃下测试和规定的. 表1.1 调压范围2 效率 额定电压输出电流限流范围过压范围调压范围1 I(max) 54.9V 28A 110％ 58.8- 52.55- 45.7 ＞87％ Imax 61.2V 52.75V 45.9V 1.1 输入 电压：单相交流额定电压有效值220V±20% 频率：频率范围 45-65Hz 电流：在满载运行时,输入220V,小于8A。在264V时,冲击电流不大于18A 效率：负载由50％－100％为表2.1值 功率因数：大于0.90,负载在50％以上,大于0.95 谐波失真：符合IEC 555-2要求 启动延迟：在接通电源3秒内输出达到它的额定电平 保持时间：输入176V有效值,满载,大于10mS 1.2 输出 电压：在满载时,输出电压设定在表1值的±0.2％ 电流：负载电流从零到最大值(参看表1)，过流保护开始是恒流,当电压降低到一定值得时,电流截止. 稳压特性：负载变化由零变到100％, 输入电压由176V变到264V最坏情况下输出电压变化不超过200mV. 瞬态响应：在没有电池连接到输出端时,负载由10％变化到100％,或由满载变化的10％,恢复时间应当在2mS之内. 最大输出电压偏摆应当小于1V. 静态漏电流：当模块关断时,最大反向泄漏电流小于5mA. 温度系数：模块在整个工作温度范围内≤±0.015％. 温升漂移：在起初30秒内,±0.1％ 输出噪音：输出噪音满足通信电源标准,衡重杂音＜2mV. 1.3 保护 输入：输入端保护保险丝定额为13A. 输出过压：按表 1.1设置过压跳闸电压,输出电压超过这个电平时,将使模块锁定在跳闸状态.通过断开交流输入电源使模块复位. 输出过流：过流特性按表1.1的给定值示于图1.过流时,恒流到60％电压,然后电流电压转折下降.(最后将残留与短路相同的状态) 输出反接：在输入反接时,在外电路设置了一个保险丝烧断(＜32A/ 55V) 过热：内部检测器禁止模块在过热下工作，一旦温度减少到正常值以下,自动复位. 1.4 显示和指示功能 输入监视：输入电网正常显示. 输出监视：输出电压正常显示.(过压情况关断). 限流指示：限流工作状态显示. 负载指示：负载大于低限电流显示. 继电器：输入和输出和输入正常同时正常显示。 输出电流监视：负载从10％到100％,指示精度为±5％. 遥控降低：提供遥控调节窗口. 1.5 系统功能 电压微调：为适应电池温度特性,可对模块的输出电压采取温度补偿. 负载降落：为适应并联均流要求，应能够调节外特性。典型电压降落0.5％,使得负载从零到增加100％,输出电压下降250mV. 遥控关机：可实现遥控关机。 1.6 电气绝缘 下列试验对完成的产品100％试验。 1.在L(网)和N(中线)之间及其它端子试验直流电压为6kV. 2.在所有输出端和L,N及地之间试验直流2.5kV.这检查输出和地之间的绝缘. 3.下列各点分别到所有其它端子试验直流100V： 电压降低(11和12脚) 继电器接点(14,15和16脚) 状态选择-输入,输出和电流限制(3,4,5和6脚) 要制造好高频变压器要注意两点： 一是每个绕组要选用多股细铜线并在一同绕,不要选用单根粗铜线,简略地说便是高频交流电只沿导线的表面走,而导线内部是不走电流的实习是越挨近导线中轴电流越弱,越挨近导线表面电流越强。选用多股细铜线并在一同绕,实习便是为了增大导线的表面积,然后更有效地运用导线。 二是高频逆变器中高频变压器最好选用分层、分段绕制法,这种绕法首要目的是削减高频漏感和降低分布电容。 1、次级绕组：初级绕组绕完，要加绕(3~5层绝缘垫衬再绕制次级绕组。这样可减小初级绕组和次级绕组之间分布电容的电容量，也增大了初级和次级之间的绝缘强度，契合绝缘耐压的需求。减小变压器初级和次级之间的电容有利于减小开关电源输出端的共模打扰。若是开关电源的次级有多路输出，而且输出之间是不共地的为了减小漏感，让功率最大的次级接近变压器的初级绕组。 若是这个次级绕组只要相对较少几匝，则为了改善耦合状况，仍是应当设法将它布满完好的一层，如能够选用多根导线并联的方法，有助于改善次级绕组的填充系数。其他次级绕组严密的绕在这个次级绕组的上面。当开关电源多路输出选用共地技能时，处置方法简略一些。次级能够选用变压器抽头方式输出，次级绕组间不需要采用绝缘阻隔，从而使变压器的绕制愈加紧凑，变压器的磁耦合得到加强，能够改善轻载时的稳压功能。 2、初级绕组：初级绕组应放在最里层，这样可使变压器初级绕组每一匝用线长度最短，从而使整个绕组的用线为最少，这有效地减小了初级绕组自身的分布电容。通常状况下，变压器的初级绕组被规划成两层以下的绕组，可使变压器的漏感为最小。初级绕组放在最里边，使初级绕组得到其他绕组的屏蔽，有助于减小变压器初级绕组和附近器材之间电磁噪声的相互耦合。初级绕组放在最里边，使初级绕组的开始端作为衔接开关电源功率晶体管的漏极或集电极驱动端，可削减变压器初级对开关电源其他有些电磁打扰的耦合。 3、偏压绕组：偏压绕组绕在初级和次级之间，仍是绕在最外层，和开关电源的调整是依据次级电压仍是初级电压进行有关。若是电压调整是依据次级来进行的则偏压绕组应放在初级和次级之间，这样有助于削减电源发生的传导打扰发射。若是电压调整是依据初级来进行的则偏压绕组应绕在变压器的最外层，这可使偏压绕组和次级绕组之间坚持最大的耦合，而与初级绕组之间的耦合减至最小。 初级偏压绕组最佳能布满完好的一层，若是偏压绕组的匝数很少，则能够采用加粗偏压绕组的线径，或许用多根导线并联绕制，改善偏压绕组的填充状况。这一改善方法实际上也改善了选用次级电压来调理电源的屏蔽才干，相同也改善了选用初级电压来调理电源时，次级绕组对偏压绕组的耦合状况。 高频变压器匝数如何计算？很多设计高频变压器的人都会有对于匝数的计算问题，那么我们应该如何来计算高频变压器的匝数，从而解决这个问题？接下来，晨飞电子就为大家介绍下匝数的计算方法： 开关电源热阻计算方法及热管理 我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的尺寸和是否有空气流动。 我们在查看IC产品规格书时，经常会看到R JA 、T J 、T STG 、T LEAD 等名词；首先R JA 是指芯 片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T J 是指芯片的结温，T STG 是指芯片的存储温 度范围，T LEAD 是指芯片的加工温度。 二、术语解释 首先了解一下与温度有关的术语：T J 、T A 、T C 、T T 。由“图1”可以看出，T J 是指芯片 内部的结点温度，T A 是指芯片所处的环境温度，T C 是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度， T T 是指芯片的表面温度。 数据表中常见的表征热性能的参数是热阻R JA ，R JA 定义为芯片的结点到周围环境的热阻。 其中T J = T A +（R JA *P D ） 图1.简化热阻模型 对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片 顶部塑封体(R JT )，通过对流/辐射(R TA )到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊 盘(R JC )，通过对流/辐射(R CA )传导至PCB板表面和周围空气。 对于没有散热焊盘的芯片，R JC 是指结点到塑封体顶部的热阻；因为R JC 代表从芯片内 的结点到外界的最低热阻路径。 三、典型热阻值 表1典型热阻 Xx大学机电工程学院 Mechanical ＆Electronic Engineering Department 开关电源技术原理及应用设计报告 说明书 设计题目：开关电源的设计与实现 专业： 学号： 姓名： 指导教师： 设计时间： 开关电源的设计与实现 摘要： 本文通过对日常生活中用到的开关电源，进行了比较详细的描述和说明，也就相关制作问题进行了描述。再根据开关电源的理论、电路分析、及变压器的基础，从电路工作的角度分析了开关电源的工作原理，制作了一种比较简单，工作可靠，且适用于目前生活中常用的开关电源。这个设计的主要特点是稳压开关电源，设计中运用了开关电源中的整流、滤波、变压、过压保护等设计。最后按照电路图焊接元件，当接入220V的交流电时，负载所接的灯泡亮。 关键字：开关电源脉宽调制变压器 Design and Realization of Switching Power Supply Abstract: Based on the switching power supply used in daily life, for a more detailed description and explanation, also making the problem is described. According to the theory of switching power supply, circuit analysis, and the transformer, the-working principle of switching power supply circuit from the angle of the work,making a relatively simple, reliable, and suitable for the switch power supply in life. This design is the main characteristics of switching power supply, use in the design of rectifier, filter, transformer, overvoltage protection design of switch power supply. The final element welding according to the circuit diagram, when the access 220V alternating current, load the light bulb. Key words：switching power supply PWM transformer 研究生课程考试答题册 学号2009201370 姓名刘俊飞 考试科目现代电源变换技术 考时日期2010.1.8 西北工业大学研究生院 全桥式开关电源的研究与设计 摘要 电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。这就需要运用电力变换技术对电力进行变换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。将交流电变换成直流电的技术叫做整流。现代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。 本篇论文对PWM型全桥式开关电源进行研究，阐述其变换拓扑，分析其工作的原理，并对全桥式开关技术的实现进行探索。针对某一实际要求的开关电源技术指标，设计了一开关稳压电源电路，实现稳定的直流电压输出，并对开关电源技术的发展进行了展望。 关键词： 开关电源全桥式 PWM技术 SG3525A芯片 一、引言 现代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。开关电源电路运用现代电力电子技术，由脉冲宽度调制（PWM）控制IC进行脉冲宽度控制，调节占空比，以对MOSFET或其他的全控型开关器件的开通与关断进行控制，从而调节输出的电压，实现输出电压的稳定。 电源是所有用电设备的心脏，用电设备的可靠工作离不开质量可靠的电源的支持。可一般情况下，电网电能并不能直接用于用电设备，而是要经过转换才能符合使用的需要。这就需要运用现代电力变换技术对电力进行转换，以获取满足使用要求的电能，其中将交流电变换成直流电是其中的一种。将交流电变换成直流电的技术叫做整流技术。随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电力电子设备都离不开可靠的电源。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。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。因而开关电源技术十分重要。 但作为用电设备的动力源，电源的形式却并不单一。电源特性的参数有电压、功率、频率、噪声及所带负载参数的变化等；在同一参数要求下，又有体积、重量、形态、功率、可靠性等指标。那么在不同的领域，不同的工作场合，不同的设计指标下，如何进行电源的设计，以完美地满足客户的要求，是一个值得研究的课题。因而对现代开关电源技术的研究是十分必要的。 开关电源的种类很多，其中桥式开关稳压电源以其能适应输入电压较高和输出功率较大等优点，得到了广泛的应用。本文针对PWM型全桥式开关电源的变换方法进行研究。桥式开关稳压电源电路的核心实际上就是一个桥式直流变换器电路。桥式直流变换器电路主要包括半桥式直流变换器和全桥式直流变换器，他是由两个推挽式直流变换器电路组成的。由于这种变换器克服了推挽式直流变换器 单片机及模数综合系统设计 课题名称：基于STC12系列单片机的串联型开关电源设计与实现 --单片机控制部分 一、实验目的：本模拟电路课程设计要求制作开关电源的模拟电路部分，在掌 握原理的基础上将其与单片机相结合，完成开关电源的设计。本报告旨在详述开关电源的原理分析、计算、仿真波形、相关控制方法以及程序展示。 二、总体设计思路 本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM 控制方式，通过给定量与反馈量的比较得到偏差，通过调节器控制PWM 输出，从而控制开关电源的输出。当键盘输入预置电压后，单片机通过PWM输出一个固定频率的脉冲信号，作用于串联开关电源的二极管和三极管，使三极管以一定的频率导通与断开，然后输出进行AD转化，转化后的结果再给单片机进行输出，进行数码管显示。 系统的基本框图及控制部分如下： 控制过程原理分析：单片机所采用的芯片为STC12C5A60S2，该芯片在拥有8051内核的基础上加入了10为AD和PWM发生器。通过程序，即可控制单片机产生一定占空比的PWM 脉冲，将此脉冲输入到模拟电路部分，在模拟电路的输出端即可产生一定的输出电压，可比较容易的通过程序来实现对输出电压的控制。但上述的开环控制是无法达到精确的调节电压，因此需要采用闭环控制来精确调制。即，对输出电压进行AD采样，将其输入回单片机中进行数据处理。单片机根据处理的结果来对输出电压做出修正，经过这样的逐步调节即可达到闭 环的精密输出。由此原理，可以将整个过程分成一下模块：PWM波形输出模块，模拟电路模块，AD转换模块，数码管显示模块，键盘输入模块。 控制过程基本思路为：首先从键盘输入一个电压值，并把该电压值在数码管上面显示出来，再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集，将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较，通过闭环算法，控制PWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等。 三、系统各单元模块电路设计 1、键盘输入数据部分 分别接到单片机的P2.4,P2.5，P2.6，P2.7。每路通过电阻进行上拉，可以编程实现控制单片机运行不同程序。为了判断键盘上面的按键是否有按下的，可以事先对P2.4,P2.5，P2.6，P2.7端口赋值，便可以知道具体是哪个按键被按下了。例如：P2.4=0，便可知道P2.4对应的按键已经按下了。 键盘输入模块程序如下： void key( ) //键盘扫描函数 { if(P2_6== 0) { delay(10);//延时去抖动 if(P2_6== 0) { while(P2_6== 0)开关电源设计与制作
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