单片开关电源及PCB设计【毕业论文（设计）】-好

1、单片开关电源及pcb设计【毕业论文（设计）】-好 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 要 iabstract ii第1 章 绪 论 111 概述 112 开关电源的发展简况 113

2、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 21339 自

3、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emi测试技术 355 电磁干扰滤波器的构造原理 356 电磁干扰滤波器基本电路及典型应用 357 emi滤波器在开关电源中的应用第4章 pcb电磁兼容性设计 3641 概述 3642 pc

4、b上元器件布局43 pcb布线44 pcb板的地线设计45 模拟数字混合线路板的设计46 pcb设计时的电路措施第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 录 60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

5、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

6、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 design of single-chip switching power supply and its pcb abstractelectric and electronic technology has

7、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 technology has promoted the development of industry of the power supply effectively the technology of the

8、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 power supply and it just had the vigorous information industry and power industry now cant do without the parti

9、cipation 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 level of a countrys labor productivity namely improve an output level of national units energy consumption in this

10、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 adaptability and cost of the power supply only the advanced and low-priced power supply could make the power industry of our

11、 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 electric and electronic technology it turns the ordinary electricity into the steadily voltage and current output at first i w

12、ill 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 controlling the time rate of the on off of the switch transistor and keeping the voltage output steadily the switch power is generally ma

13、de 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 introduces a kind of more advanced and very more low-priced single slice of switch mode power supply which has steadily voltage and curr

14、ent output key words single-chip switching power supply flyback pwm第1章 绪论11 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

15、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171994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 powe

16、r 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13 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

17、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

18、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图21 系统总体框图图21是本开关电源结构框图图中显示了主要电路模块其中开关占空比控制电路是基于topswitch-ii型芯片的控制电路123 工作原理com topswitch-ii的结构及工作原理topswitch-ii器件为三端隔离反激式脉宽调制单片开关电源集成电路但与其第一代产品相比它不仅在性能上有进一步改进而且输出功率有显著提高现已成为国际上

19、开发中小功率开关电源及电源模块的优选集成电路topswitch-ii的管教排列图如图22所示它有三种封装形式其中to-220封装自带小散热片属典型的三端器件本文主要采用此种封装形式的芯片此外还有dip-8封装和smd-8封装它们都有8个管脚但均可简化成3个两者区别是dip-8可配8脚ic插座smd-8则为表面贴片后者不许打孔焊接图22 topswitch-ii的管教排列图topswitch-ii的三个管脚分别为控制信号输入端ccontrol主电源输入端ddrain电源公共端ssource其中s端也是控制电路的基准点它将脉宽调制pwm控制系统的全部功能集成到了三端芯片中topswitch-ii的

20、内部框图如图23所示主要包括10部分控制电压源带隙基准电压源振荡器并联调整器误差放大器脉宽调制器门驱动级和输出级过电流保护电路过热保护及上电复位电路高压电流源图中zc为控制端的动态阻抗re是误差电压检测电阻ra与ca构成截止频率为7khz的低通滤波器 topswitch-ii的基本工作原理是利用反馈电流ic来调节占空比d达到稳压目的举例说明当输出电压uo上升时经过光耦反馈电路使得ic上升从而使得d下降uo也随之下降最终使uo不变topswitch-ii器件开关频率高典型值为100khz允许范围为90-110khz开关管占空比由c脚电流以线性比例控制电路启动时由漏极经内部高压电流源为c脚提供工作

21、电压vc实际电路中c脚外部应接入电容以电容的充电过程控制vc逐步升高以完成电路的软启动过程其pwm反馈控制回路由rc比较器a1和f1等元件组成控制极电压vc为控制电路提供电源同时也是pwm反馈控制回路的偏置电压比较器a2的基准电压设置为57v当vc高于57v时a2输出高电平与此同时pwm控制电流经电阻r与振荡器输出的锯齿波电流分别输入pwm比较器a4的-输入端这时因反馈电流较小从a3反向端输入的锯齿波信号经门电路g3和g4送至rs触发器b2的复位端在锯齿波信号和时钟信号的共同作用下rs触发器的输出端q被置为高电平门极驱动信号pwm信号经g6g7两次反相送到开关管f2的栅极开关管处于开关状态当电

22、路启动结束时vc升至门限电压47va2输出高电平驱动电子开关动作控制电路的供电切换至内部电源正常工作时topswitch器件通过外围电路形成电压负反馈闭环控制调节开关管的占空比实现输出电压的稳定图23 topswitch-ii的内部框图topswitch器件具有关断自动重启动电路功能即当调节失控时立即使芯片在低占空比下工作倘若故障已排除就自动重启动恢复正常工作在自启动阶段控制极电压vc低于门限电压57v时控制电路处于低功耗的待命状态此时由于比较器a2的滞回特性电子开关频繁地在高压电流源和内部电源之间进行切换使得vc值保持在47-57v之间自启动电路由一个8分频计数器完成延时功能阻止输出级mos

23、fet管f2连续导通直到8个充放电周期完全结束后才能再次导通topswitch器件通过预置v1m值来实现过流保护topswitch器件内部还设有过热保护电路当芯片结温大于135度时关断输出级mosfet从而实现过热保护目的com 单片开关电源电路基本原理topswitch-ii单片开关电源典型电路如图24所示高频变压器在电路中具备能量存储隔离输出和电压变换着三种功能由图可见高频变压器触及绕组np的极性同名端用黑圆点表示恰好与次级绕组ns反馈绕组nf的极性相反这表明在topswitch-ii导通时电能就以磁场能量形式储存在初级绕组中此时vd2截止当topswitch-ii截止时vd2导通能量传输

24、给次级刺激反击是开关电源的特点图中br为整流桥cin为输入端滤波电容交流电压u经过整流滤波后得到直流高压ui经初级绕组加至topswitch-ii的漏极上鉴于在topswitch-ii关断时刻由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠加在直流高压ui和感应电压uor上可是功率开关管漏籍电压超过700v而损坏芯片为此在初级绕组两端增加漏极钳位保护电路钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管vdz1阻塞二极管vd1组成vd1应采用超快二极管srdvd2为次级整流管cout是输出端滤波电容目前国际上流行采用配稳压管的光耦反馈电路反馈绕组电压经过vd3cf整流滤波后获得反馈电压ufb经光耦合器重的光敏三极管给tops

25、witch-ii的控制端提供偏压ct是控制端c的旁路电容设稳压管vdz2的稳定电压为uz2限流电阻r1两端的压降为ur光耦合器中led发光二极管的正向压降为uf输出电压uo由下式设定uo uz2ufur 21则其稳压原理简述如下当由于某种原因致使uo升高时因uz2不变故uf随之升高使led的工作电流if增大再通过光耦合器使topswitch-ii控制端电流ic增大但因topswitch-ii的输出占空比d与ic成反比故d减小这就迫使uo降低达到稳压目的反之亦然3 图24 单片开关电源典型电路第3章 单片开关电源的设计31 概述开关电源因具有重量轻体积小效率高稳压范围宽等优点在电视电声计算机等许

26、多电子设备中得到了广泛的使用为了进一步追求开关电源的小型化和低成本人们不断研制成功一些复合型单片开关电源集成电路芯片如美国电源集成公司power integrations inc 简称pi公司或power公司推出的topswitch-ii器件就是其中的代表topswitch-ii器件集pwm信号控制电路及功率开关场效应管mosfet于一体只要配以少量的外围元器件就可构成一个电路结构简洁成本低性能稳定制作及调试方便的单端反激式单片开关电源32 单片开关电源电路参数的设定下面将比较详细的叙述这些参数求得过程并完成电子表格 确定开关电源的基本参数交流输入电压最小值umin 85v交流输入电压最大值u

27、 265v电网频率fl 50hz开关频率f 100khz输出电压uo 24v输出功率po 50w电源效率 85损耗分配系数zz代表次级损耗和总损耗的比值在极端情况下z 0表示全部损耗发生在初级z 1则表示全部损耗发生在次级在此我们选取z 05反馈电路类型及反馈电压ufb的确定我们可参照表1中的数据确定参数因为我们采用配tl431的光耦反馈电路所以ufb的值便一目了然 3 输入滤波电容cin直流输电压最小值uimin的确定由表2可知在通用85265v输入时cinuimin的值都可大概确定其中我们确定uimin的值为90v而输入滤波电容的准确值不能从此表中得出输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要

28、参数cin值选的过低会使uimin的值大大降低而输入脉动电压ur却升高但cin值取得过高会增加电容器成本而且对于提高uimin值和降低脉动电压的效果并不明显下面介绍cin准确值的方法表1 反馈电路的类型及ufb的参数值反馈电路类型ufbvuo的准确度svsi基本反馈电路5710155改进型基本反馈电路27751525配稳压管的光耦反馈电路125051配tl431的光耦反馈电路1210202表2 确定cinuimin值uvpow比例系数fwcinfuiminv固定输入100115已知2323po值90通用输入85265已知2323po值90固定输入23035已知1po值240我们用以下式子获得准

29、确的cin值 31在宽范围电压输入时umin 85v取uimin 90vfl 50hztc 3mspo 50w 85一并带入式31求出cin 12969f比例系数cinpo 12969f50w 26fw这恰好在23fw允许的范围之内确定uorub的值表3 确定uorub值uv初级感应电压uorv钳位二极管反向击穿电压ubv固定输入1001156090通用输入85265135200固定输入23035135200当topswitch-ii关断且次级电路处于导通状态时次级电压会感应到初级上感应电压uor就与ui相叠加后加至内部功率开关管mosfet的漏极上与此同时初级漏感也释放能量并在漏极上产生尖峰

30、电压ul由于上述不利情况同时出现极易损坏芯片因此需给初级增加钳位保护电路利用tvs器件来吸收尖峰电压的瞬间能量使上述三种电压之和uiuor ul低于mosfet的漏-源击穿电压u br ds值根据uimin和uor来确定最大占空比dd的计算公式为 32已知uor 135vuimin 90v将uds on 设为10v一并代入式32求得d 6279这与典型值67已经很接近了d随u的升高而减小 6 确定初级纹波电流ir与初级峰值电流ip的比值krp定义比例系数 33表4 根据u来确定krpuvkrp最小值连续模式最大值不连续模式固定输入1001150410通用输入852650410固定输入23035

31、0610由表4可确定krp 04 7 确定初级波形参数输入电流的平均值iavg 34已知po 50w 85uimin 90v求得iavg 065a初级峰值电流ip 35把iavg 065akrp 04d 6279代入式35得ip 129a初级脉动电流ir由式33可得 ir krpip 04129a 052a初级有效值电流irms 36将ip 129ad 6279krp 04代入式36的得irms 083a 8 芯片及结温的确定所选芯片的极限电流最小值ilimtmin应满足下式ilimtminip09 37即ilimtmin143a于是我们就选取了top225ytj由下式确定 38top225的

32、设计功耗为17w 20wta 40代入式38得tj 74一般来说tj应在25到100之间才能使开关电源长期正常运行 9 初级电感量lp的计算在每个开关周期内由初级传输给次级的磁场能量变化范围是lpip2lpip-ir2初级电感量由下式决定 39式中lp的单位是h已知开关电源的输出功率为50w初级脉动电流与峰值电流的比例系数krp 04开关频率f 100khz损耗分配系数z 05电源效率 85ip 129a将这些数值代入式39得lp 102179 h 10 选择高频变压器并查找其参数可从设计手册中查出当po 50w时可供选择的铁氧体磁芯型号若用常规漆包线绕制可选ee30或ee35型型号中的数字表

33、示磁芯长度a 30mm或35mmee型磁芯的价格低廉磁损耗低且适应性强若采用三重绝缘线则选ef30型磁芯在此我们采用常规漆包线故选用ee30型磁心由手册中查出sj 109cm2l 577cm al 469h匝2b 137mm 11 计算次级匝数ns对于100v115v交流输入次级绕组可取1匝v对于230v交流或宽范围输入应取06匝v现已知u 85265vuo 24v考虑到在次级肖特基二极管上还有04v的正向导通压降uf1因此次级匝数为uo uf106匝v 24v04v06匝v 1464匝由于次级绕组上还存在导线电阻也会形成压降实取ns 15匝 12 计算初级匝数np 310已知ns 15匝uo

34、r 135vuo 24vuf1 04v将这些值一同带入式310可求得np 8299实取83匝 13 计算反馈绕组匝数 311配有tl431的光耦反馈电路ufb 一般取12vuf2取07vuf1 04vns 15将这些值连同uo 24v一起带入式311求得nf 78匝实取8匝 14 根据初级层数d骨架宽度b和安全边距m用下式计算有效骨架宽度be db-2m 312 暂且将d设为2m取为3mmb 137mm将其带入式312求得be 154mm再利用下式计算初级导线的外径带绝缘层dpm dpm benp 313将be 154mmnp 83带入式313求得dpm 019mm扣除漆皮后裸体导线的内径dp

35、m 015mm 15 验证初级导线的电流密度j是否满足初级有效值电流irms 083a之条件计算电流密度的公式为 314将dpm 015mmirms 083a代入式314中得到j 722amm2若j10 amm2应选用较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架使j10 amm2若j4 amm2宜选较细的导线和较小的磁芯骨架使j4 amm2亦可适当增加ns的匝数查表可知与直径015mm接近的公制线规016mm比015mm略粗一点完全可满足要求因014mm的公制线规稍细故不选用 16 计算磁芯中的最大磁通密度bm 315将ip 129alp 102179 hnp 83匝磁芯有效横截面积sj 109cm2

36、一并代入式315中得到bm 025t 17 磁芯的气隙宽度式316中的单位是mm将sj 109cm2np 83匝lp 102179 h磁芯不留间隙时的等效电感al 469h匝2一并代入式316得到 089mm气隙应加在磁芯的磁路中心处要求0051mm 316 18 计算留有气隙时磁芯的等效电感 317将lp 102179 hnp 83匝代入式317得到alg 015h匝2 19 计算次级峰值电流isp次级峰值电流取决于初级峰值电流ip和初次级的匝数比n有公式 318已知ip 129anp 83ns 15不难算出n 55代入式318得到isp 714a 20 计算次级有效值电流isrms次级纹波

37、电流与峰值电流的比例系数krp与初级完全相同区别仅是对次级而言krp反映的是次级电流在占空比为1-d时的比例系数5因此计算次级有效值电流isrms时需将式26中的irmsipd依次换成isrmsisp1-d由此得到公式 319将isp 714ad 6279krp 04代入式319中求得isrms 352a 21 计算出滤波电容上的纹波电流iri先求出输出电流io pouo 50w24v 208a再代入式320 320将isrms 352aio 208a代入式320中计算出iri 284a 22 计算次级裸导线直径有公式 321将isrms 352aj 722amm2代入式321中求出dsm 0

38、31mm实选0315mm的公制线规需要指出当dsmcom的两股导线双线并绕ns匝与单股粗导线绕制方法相比双线并饶能增大次级绕组的等效横截面积改善磁场耦合程度减少磁场泄感及漏感此外用双线并绕方式还能减小次级导线的电阻值降低功率损耗导线外径单位是mm的计算公式为 322将b 137mmm 3ns 15匝一并代入式322中得到dsm 051mm选用导线直径dsm031mm而绝缘层外径dsm051mm的三重绝缘线 23 确定次级整流管反馈电路整流管的最高反向峰值电压ubrsubrfb有公式 323 324将uo 24vufb 12vui 375vns 15匝np 83匝nf 8匝分别代入式323和式3

39、24中计算出ubrs 9177vubrfb 4814v表5设计24v50w开关电源的电子数据表格abcdef1输入中间过程输出单位参数说明2参数数据保留数据计算结果24v50w开关电源3umin85v交流输入电压最小值4u265v交流输入电压最大值5fl50hz电网频率6f100khz开关频率7uo24v直流输出电压8po50w输出功率985电源效率10z05损耗分配系数11ufb12v反馈电压12tc3ms整流桥导通时间13cin1297f输入滤波电容1415输入topswitch-ii的变量16uor135v初级绕组感应电压17udson10vtopswitch-ii的漏-源导通电压18u

40、f104v次级绕组肖特基整流管正向压降19uf207v反馈电路中高速开关整流管正向压降20krp04初级绕组脉动电流ir与峰值电流ip比例系数2122输入高频变压器的结构参数23ee30铁氧体磁芯型号24sj109cm2磁芯有效横截面积25l577cm有效磁路长度26al469h匝磁芯不留间隙时的等效电感27b137mm骨架宽度28m3mm安全边距安全边界宽度29d2层初级绕组匝数30ns15匝次级绕组匝数3132直流输入电压参数33uimin90v直流输入电压最小值34ui375v直流输入电压最大值3536初级绕组电流波形参数37d6279最大占空比对应于umin时38iavg065a输入电

41、流平均值39ip129a初级绕组峰值电流40ir052a初级绕组脉动电流41irms083a初级绕组有效电流值4243变压器初级绕组设计参数44lp102179h初级绕组电感量45np83匝初级绕组匝数46nf8匝反馈绕组匝数47alg015h匝磁芯留间隙后的等效电感48bm025t最大磁通密度bm 0203t49bac02t磁芯损耗交流磁通密度峰-峰值0550r1976磁芯无气隙时的相对磁导率51089mm磁芯的气隙宽度0051mm521685mm有效骨架宽度53dpm019mm初级绕组导线的最大外径带绝缘层54e005mm估计的绝缘层总厚度 厚度2 55dpm015mm初级绕组导线的裸线直

42、径56公制016mm初级绕组导线规格57sp00516mm2初级绕组导线的横截面积58j722amm2电流密度j 410amm25960变压器次级绕组设计参数61isp714a次级绕组峰值电流62isrms352a次级绕组有效值电流63io208a直流输出电流64iri284a输出滤波电容上的纹波电流6566ssmin0546mm2次级绕组线圈最小横截面积67公制0315mm次级绕组导线规格68dsm031mm次级绕组导线最小直径裸线69dsm051mm次级绕组导线最大直径带绝缘层70nss039mm次级绕组绝缘层最大厚度7172电压极限参数73ud573v最高漏极电压估算值包括漏感的作用74

43、ubrs9177v次级绕组整流管最高反向峰值电压75ubrfb4814v反馈电路整流管的最高反向峰值电压 24 部分参数的补充对于表5中交流磁通密度有两个计算公式 325 326式中最大磁通密度bm 025tkrp 04代入式325算出bac 02式326可作为验证公式7磁芯无气隙时的相对磁导率与磁芯不留间隙时的等效电感al有效磁路长度l磁芯有效横截面积sj之间存在下述关系式 327将al 469h匝l 577cmsj 109 cm2代入式327得到 198h匝cm33 单片开关电源中电子元器件的选择com 选择钳位二极管和阻塞二极管 1 瞬态电压抑制器的工作原理瞬态电压抑制器亦称瞬变电压抑制

44、二极管其英文缩写为tvs transient voltage suppressor 是一种新型过压保护器件由于它的响应速度极快钳位电压稳定体积小价格低因此可作为各种仪器仪表自控装置和家用电器中的过压保护器还可用来保护单片开关电源集成电路mos 功率器件以及其他对电压敏感的半导体器件10瞬态电压抑制器是一种硅pn结器件其外型与塑封硅整流二极管相似见图a常见的封装形式有do41a27ka37k它们在75 以下的额定脉冲功率分别为2w5w15w在25 s条件下可承受的浪涌电流分别可达 50a80a200a外形尺寸有27525094mm等规格其钳位电压从07v到3kvtvs的符号与稳压管相同 见图b伏

45、安特性如图c所示图 c 中 uit分别为反向击穿电压即钳位电压测试电流u为导通前加在 器件上的最大额定电压有关系式u08ub i是最大漏电流u是在1ms时间内器件可承受的最大峰值电压有关系式u ub uri是瞬时脉冲峰值电流因iii分别属于a maa这三个数量级故i it irtvs的峰值脉冲功率p与干扰脉冲的占空比d以及环境温度t有关当d时p反之亦然而当t时pp值通常是在脉宽1ms脉冲上升沿为10sd 001的条件下测出的使用时不得超过此值 a外形 b符号 c伏安特性图31 瞬态电压抑制器瞬态电压抑制器在承受瞬态高电压例如浪涌电压雷电干扰尖峰电压时 能迅速反向击穿由高阻态变成低阻态并把干扰脉

46、冲钳位于规定值从而保证电子设备或元器件不受损坏钳位时间定义为从零伏达到反向击穿电压最小值所需要的时间tvs的钳位时间极短仅1ns所能承受的瞬态脉冲峰值电流却高达几十至几百a其性能要优于压敏电阻器vsr且参数的一致性好反向恢复时间tir反向恢复时间的定义是电流通过零点由正向转向反向再由反向转换到规定低值的时间间隔它是衡量高频整流及续流器件性能的重要技术指标反向电流的波形如图所示图中if为正向电流irm为最大反向 恢复电流为反向恢复电流通常规 定irr 01irm当tt0时if if 当t t0时由于整流管上的正向电压突然变成反向电压因此正向电流迅速减小在 t t1时刻if 0然后整流管上流过反向

47、电流ir并且ir逐渐增大在 t t2时刻达到最大反向电流irm此后反向电流逐渐减小并且在t t3时刻达到规定值irr从t2到t3的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处由t1到 t3的时间间隔即为反向恢复时间trr图32 反向恢复电流的波形快恢复二极管的结构特点恢复二极管的内部结构与普通二极管不同它是在p型n型硅材料中增加了基区i构成pin硅片由于基区很薄反向恢复电荷很小不仅大大减小了trr值还降低了瞬态正向电压使管子能承受很高的反向工作电压快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百ns正向压降为0607v正向电流是几a至几 ka反向峰值电压可达几百v至几kv超快恢复二 极管则是在快恢复二极管基础上

48、发展而成的其反向恢复电荷进一步减小trr值可低至几十ns20a以下的快恢复二极管及超快恢复二极管大多采用to220封装从内部结构看可分成单管对管两种对管内部包含两只快恢复或超快恢复二极管根据两只二极管接法的不同又有共阴对管共阳对管之分几十a的快恢复 超快恢复二极管一般采用to3p金属壳封装更大容量几百a至几ka的管子则采用螺栓型或平板型封装开关电源的输出整流管宜采用肖特基二极管这有利于提高电源效率典型产 品有motorola公司生产的mbr系列肖特基二极管所 选肖特基管必须满足条件 330单片开关电源的输出电压u 24v最大连续输出电流i 208a最大输出功率pom 0w已知高频变压器的初级匝

49、数np 匝次级匝数n 15匝直流输入电压最大值u 375v对应于交流输入电压最大值u 265 v由式可计算出u 9178v再根据式求得urmv将i 208a代入式中得到ida需要指出肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100v仅适合作低压大电流整流用当uo30v时须用耐压100v以上的超快恢复二极管来代替肖特基二极管此时电源效率略有下降u br s 9178vurm1835v已不再适合采用肖特基二极管如上所述采用耐压100v以上的超快恢复二极管urmvidatirns厂家输出整流管mur4101004motorolamur4202004mur8101008mur8202008mur1610

50、1001635由表9我们选出mur820型超快恢复二极管其urm 200v1835vid 8a624atir 30ns10ns电源效率会稍微下降com 输出滤波电容的选取输出滤波电容c2上的纹波电流很大在前面已求出iri 284a进而求出c2上的功率损耗 331式331中r0为滤波电容的等效串联电阻esr它表示在电容器的等效电路中与之相串联的代表电容器损耗的等效电阻简称串联损耗电阻在此我们将其值取为24则可计算出功率损耗p 1936w输出纹波电压由式332决定uri ispr0 332计算出uri 1714v在固定负载的情况下通过c2的交流电流标称值必须满足下列条件 333即 152iri 1

51、52284a426528通过查手册我们确定选取cout 1000f35vcom 反馈电路中整流管的选取表10中的urm已知1835v为整流管最高反向工作电压前面已知其值为4814v要求如表10由表可知选philips公司的bav21比较合适表10选择反馈电路中的整流管整流管类型整流管型号urmv生产厂家玻封高速开关硅二极管1n414875国产超快恢复二极管bav21200philips公司uf4003200gi公司com 反馈滤波电容的选择反馈滤波电容应取01f50v陶瓷电容器com 控制端电容及串联电阻的选择控制端电容一般取47f10v普通电解电容器即可与之相串联的电阻可选6214w本设计采用连续模式此电阻不可省略com tl431型可调式精密并联稳压器的选择tl431是由美国德州仪器公司ti和摩托罗拉公司生产的25036v可调式精密并联稳压器其性能优良价格低廉可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中此外tl431还能构成电压比较器电源电压监视器延时电路精密恒流源等目前在单片精密开关电源中普遍用它来构成外部误差放大器再与线性光耦合器组成隔离式光耦反馈电路tl431系列产品包括tl431ctl431actl431itl431aitl431mtl431y共6种型号它属于三端可调式器件利用两只外部电阻可