电源设计-电子设计

1、电源设计电源设计 2015年年5月月10日日 基础题类 通讯类 仪器类 电力电子类 控制类电源类电子设计竞赛题目类型1.电子基础知识电子器件电子器件（1）按可控性分类）按可控性分类 1）不控型器件）不控型器件 大功率二极管 2）半控型器件）半控型器件 SCR 3）全控型器件）全控型器件 MOSFET、IGBT（2）按驱动信号类型分类）按驱动信号类型分类 1）电流驱动型）电流驱动型 SCR 2）电压驱动型）电压驱动型 MOSFET、IGBT1.电子基础知识1. 电子基础知识1. 电子基础知识DC-DC1. 电子基础知识计算机电源计算机电源1.电子基础知识计算机电源计算机电源1. 电子基础知识1.

2、 电子基础知识1. 电子基础知识2.电源基础知识电源电源电压源电压源电流源电流源电压源特性电压源特性a.理想电压源特性理想电压源特性输出电压恒定，输出电流由输出电压恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许短路，但不允许短路，违背了基尔霍夫电压定律（违背了基尔霍夫电压定律（KVL)。2.电源基础知识b.实际电压源特性实际电压源特性输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载输出电压在一定输出电流范围内恒定，输出电流由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。不允许短路，不允许

3、短路，否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。否则会烧坏！但是一般电压源均有限流和短路保护电路。2.电源基础知识2）.电流源电流源a.理想电流源特性理想电流源特性输出电流恒定，输出电压由输出电流恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率外电路负载决定，输出功率可以无穷大。可以无穷大。但不允许开路，但不允许开路，违背了基尔霍夫电流定律（违背了基尔霍夫电流定律（KCL)。2.电源基础知识b.实际电流源特性实际电流源特性输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载输出电流在一定输出电压范围内恒定，输出电压由外电路负载决定，输出功率由输出电压和输出电流乘积决定。决定，输出功率由输出电

4、压和输出电流乘积决定。不允许开路，不允许开路，否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。否则会烧坏！但是一般电流源均有限压和开路保护电路。2.电源基础知识3）.线性电源线性电源优点：无任何优点：无任何EMI辐射，输出电压纹波小，成本低。辐射，输出电压纹波小，成本低。缺点：体积大，重量大，效率低。缺点：体积大，重量大，效率低。.线性电源基本原理线性电源基本原理2.电源基础知识.电源性能指标参数电源性能指标参数a) 稳压系数稳压系数/=/LLOOOIrIIOIRRUUUUSUUUU常数常数 定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其输入定义为负载一定时，稳压电路输出电压相对变化量与其

5、输入电压相对变化量之比电压相对变化量之比 Sr表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时表明电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。输出电压的变化愈小。2.电源基础知识c) 电流调整率（负载调整率）电流调整率（负载调整率）b) 电压调整率电压调整率 在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输在额定负载且输入电压产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量出电压产生的变化量Uo，称为电压调整率。，称为电压调整率。 在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，在输入电压一定且负载电流产生最大变化的条件下，输出电压产生的变化量输出电压产生的变化量Uo，称为电流调整率，

6、也称为，称为电流调整率，也称为负载调整率。负载调整率。d) 电源效率电源效率=100%OOIIUIUI2.电源基础知识.稳压电路及其工作原理稳压电路及其工作原理T 为调整管为调整管DZ 为稳压管为稳压管A 为线性放大器为线性放大器串联稳压电路串联稳压电路OICEUUU2.电源基础知识ONBCEOUUUUUONBCEOUUUUU2.电源基础知识123min23OZR RRUURR+123max3OZR RRUUR+2.电源基础知识 T 为大功率调整管，工作于线性为大功率调整管，工作于线性放大状态放大状态，输入电，输入电压和输出电压相差越大功耗越大，效率很低。调整管极压和输出电压相差越大功耗越大，

7、效率很低。调整管极限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的限参数的确定必须考虑输入电压由于电网波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。影响。.线性电压调节器线性电压调节器LM317调压器调压器2211.251+OADJRUIRR（）IADJ很小可以忽略不记。很小可以忽略不记。211.251+ORUR （）2.电源基础知识 线性稳压输出模块线性稳压输出模块(LM78XX)和和负电压负电压输出模块输出模块(LM79XX)。 要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出电流需要的要求输入电压和输出电压之间由电压差，且输出

8、电流需要的电压差越大，其典型值为电压差越大，其典型值为1-3V，最大可达，最大可达35V。2.电源基础知识4）.开关电源开关电源优点：效率高、体积小、重量轻优点：效率高、体积小、重量轻缺点：缺点：EMI、成本高、成本高ACDCACDC2.电源基础知识（1）.开关电源电路分析方法开关电源电路分析方法 各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各功率开关管（三极管或二极管）换流时刻作为各开关模态的转换时刻。各开关模态的转换时刻。 假设条件充分合理。假设条件充分合理。 a. 开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电开关管均为理想开关，导通压降为零，关断电阻为无穷大。阻为无穷大。 b. 大电容等效为恒

9、压源，大电感等效为恒流源。大电容等效为恒压源，大电感等效为恒流源。 。2.电源基础知识（2）.开关电源基本电路拓扑开关电源基本电路拓扑a.降压型降压型BUCK变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：2.电源基础知识开关模态开关模态1tOLEUiL2.电源基础知识开关模态开关模态2on(t-T )OLUiL根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得()OOonononOEUUTTTTUEDELLTD=Ton/T 占空比占空比2.电源基础知识电压控制型电压控制型BUCK变换器变换器电压控制电压控制PWM波形波形2

10、.电源基础知识电流控制型电流控制型BUCK变换器变换器电流控制电流控制PWM波形波形2.电源基础知识b.升压型升压型BOOST变换器变换器Q、D为理想开关管为理想开关管C充分大，输出电压基本不变。充分大，输出电压基本不变。假设条件：假设条件：2.电源基础知识开关模态开关模态1tLEiL开关模态开关模态2on(t-TOLEUiL）根据伏秒积平衡原理，可推得根据伏秒积平衡原理，可推得1()1OononOonEUETTTTUEELLTTD2.电源基础知识c.推挽型推挽型DC/DC变换器变换器推挽型推挽型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉

11、冲驱动脉冲2.电源基础知识d.半桥型半桥型DC/DC变换器变换器半桥型半桥型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉冲驱动脉冲2.电源基础知识e.全桥型全桥型DC/DC变换器变换器全桥型全桥型DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 模态模态3 2.电源基础知识驱动脉冲驱动脉冲2.电源基础知识e.反激式反激式DC/DC变换器变换器反激式反激式DC/DC变换器变换器 2.电源基础知识模态模态1 模态模态2 驱动脉冲驱动脉冲 2.电源基础知识（3）.开关电源控制芯片开关电源控制芯片 电压控制芯片电压控制芯片SG3525

12、2.电源基础知识2.电源基础知识 电流控制芯片电流控制芯片UC3842/32.电源基础知识设计：设计： 在设计一个电源之前，应当预先知道你的电源工作在设计一个电源之前，应当预先知道你的电源工作的系统。详细了解此系统对电源的要求和限制。对系统的系统。详细了解此系统对电源的要求和限制。对系统透彻地了解，可大大降低成本和减少设计时间。透彻地了解，可大大降低成本和减少设计时间。 实际操作时，你可以从变换器要求的规范列一个表，实际操作时，你可以从变换器要求的规范列一个表，并逐条考虑。并逐条考虑。1升压还是降压：输出电压总是高于还是低于升压还是降压：输出电压总是高于还是低于输入电压？如果不是，你就不能采用

13、输入电压？如果不是，你就不能采用Buck或或Buck/Boost.2占空度：输出电压与输入电压比大于占空度：输出电压与输入电压比大于5吗？如吗？如果是，你可能需要一个变压器，计算占空度保证果是，你可能需要一个变压器，计算占空度保证它不要太大和太小。它不要太大和太小。3需要多少组输出电压？如果大于需要多少组输出电压？如果大于1，除非增加，除非增加后续调节器，一般需要一个变压器。如果输出组后续调节器，一般需要一个变压器。如果输出组别太多，建议最好采用几个变换器。别太多，建议最好采用几个变换器。4是否需要隔离？多少电压？隔离需要变压器。是否需要隔离？多少电压？隔离需要变压器。5EMI要求是什么？如果

14、要求严格，建议不要采要求是什么？如果要求严格，建议不要采用像用像Buck类输入电流断续的拓扑，而选择电流连类输入电流断续的拓扑，而选择电流连续工作模式。续工作模式。6成本是极其重要吗？小功率高压可以选择成本是极其重要吗？小功率高压可以选择BJT。如果输入电压高于如果输入电压高于500V，可考虑选择，可考虑选择IGBT。反。反之，采用之，采用MOSFET。7是否要求电源空载？如果要求，选择断续模是否要求电源空载？如果要求，选择断续模式，除非采用问题式，除非采用问题8。也可加假负载。也可加假负载。8能采用同步整流？这可使得变换器电流连续，能采用同步整流？这可使得变换器电流连续，而与负载无关。而与负

15、载无关。9输出电流是否很大？如果是，应采用电压型，输出电流是否很大？如果是，应采用电压型，而不是电流型。而不是电流型。软件设计软件设计高频变压器设计程序：高频变压器设计程序：1.磁芯材料磁芯材料 2.磁芯结构磁芯结构3.磁芯参数磁芯参数 4.线圈参数线圈参数5.组装结构组装结构 6.温升校核温升校核 变压器的设计原则及方法变压器的设计原则及方法设计变压器主要有很两种方法：面积积设计变压器主要有很两种方法：面积积AP法法 AP：磁芯截面积：磁芯截面积Ae与线与线圈有效窗口面积圈有效窗口面积Aw的乘积。的乘积。 PT-变压器的计算功率变压器的计算功率 Ae-磁芯有效截面积磁芯有效截面积Aw-磁芯窗

16、口面积磁芯窗口面积 Ko-磁芯窗口利用系数，典型值为磁芯窗口利用系数，典型值为0.4Kf-波形系数，方波为波形系数，方波为4，正弦波为，正弦波为4.44Bw-磁芯的工作磁感强度磁芯的工作磁感强度 Fs-开关工作频率开关工作频率Kj-电流密度系数，取电流密度系数，取395A/cm2 X-磁芯结构系数，查表。磁芯结构系数，查表。程控线性稳压电源程控线性稳压电源1224V交流整流滤波LM317负载电压取样电流取样带ADC的MCUPWM调节ADJ问题问题1、电压取样怎么做？、电压取样怎么做？2、电流取样怎么做？、电流取样怎么做？3、如何实现过流保护？、如何实现过流保护？程控开关稳压电源程控开关稳压电源

17、开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供电系统数控恒流源数控恒流源设计总结报告写作设计总结报告写作一、任务 设计并制作数控直流电流源。输入交流200240V，50Hz；输出直流电压10V。其原理示意图如下所示。键盘控制器电流源负载显示器电源2005年数控直流电流源年数控直流电流源二、要求1、基本、基本要求要求（1）输出电流范围：200mA2000mA；（2）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值给定值的1+10 mA；3.历年竞赛题目分析2、发挥部分、发挥部分（1）输出电流范围为20mA2000mA，步进1mA；（2）设计、制作测量并显示输出电流的装置 (可同时或交替显

18、示电流的给定值和实测值)，测量误差的绝对值测量值的0.1+3个字；（3）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的0.1+1 mA；（4）纹波电流0.2mA；（5）其他。（3）具有“+”、“-”步进调整功能，步进10mA；（4）改变负载电阻，输出电压在10V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值输出电流值的1+10 mA；（5）纹波电流2mA；（6）自制电源。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析运放工作于线性放大状态3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析一、任务一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。图1电源框图2007开关稳压电

19、源3.历年竞赛题目分析二、要求在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1基本要求输出电压UO可调范围：30V36V；最大输出电流IOmax：2A；U2从15V变到21V时，电压调整率SU2%（IO=2A）；IO从0变到2A时，负载调整率SI5%（U2=18V）；输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC变换器的效率 70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.50.2A；3.历年竞赛题目分析2发挥部分进一步提高电压调整率，使SU0.2%（IO=2A）；进一步提高负载调整率，使SI0.5%（U2=18V）；进一步提高效率，使 85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。其他。3.历年竞赛题目分析3.历年竞赛题目分析2011开关电源模块并联供电系统开关电源模块并联供