开关电源设计

开关电源设计开关电源设计开关电源设计资料仅供参考文件编号：2022年4月开关电源设计版本号：A修改号：1页次：1.0审核：批准:发布日期：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 11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 32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 8MOSFET管的驱动电路 9总电路图 113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 13MOSFET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。1设计意义及要求设计意义《电力电子技术》主要培养我们统筹运用课本所学的理论知识，掌握电路设计模块化基本理论和基本方法。所谓开关电源，广义上凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换电路；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。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。本次课程设计是针对我们平时学习的理论知识的检验，也是让我们更加熟练的运用仿真软件，更好的解决开关电源的一些问题。开关电源的组成部分开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图1所示。输入电路输入电路控制电路输出电路220VDC图1开关电源基本构成功率变换电路12V、5VDC主要由以下5部分构成：①输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路；②功率功率管（VT）及高频变压器（T）；③控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；④输出整流滤波器；⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。开关电源的工作过程交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。开关电源的工作方式开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式：（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM，即脉宽调制）式：其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，简称PFM，即脉频调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉频调制器。（3）脉冲密度调制（PulseDensityModulation，简称PDM，即脉密调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。（4）混合调制式：它是（1）、（2）两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。脉宽调制器的基本原理脉宽调制式开关电源的工作原理如图2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压进行比较，得到误差电压，再用的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使保持不变。为锯齿波发生器的输出信号。基准电压源基准电压源锯齿波发生器电路图２脉宽调制式开关电源的工作原理ＰＷＭ比较器驱动信号输出误差放大器开关电源输出采样电压2方案设计设计要求初始条件：输入交流电源：单相220V，频率50Hz。要求完成的主要任务: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。方案选择方案一：电源输入，即单相交流电压。输出为：12V、5V直流电压，最大电流1A。交流电220V经过一个整流滤波电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制MOSFET管的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路得到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如图3所示。整流滤波整流滤波脉冲宽度调制（PWM）滤波220VDC图３整体设计方框图降压斩波电路保护电路12V、5VDC整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间，最终控制输出电压（或电流）的稳定。方案二：首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。 整体设计方框图如图4所示：整整流滤波高频逆变变压器高频整流滤波器220V直流高频交流高频交流脉动直流图4整体设计方框图12V、5VDC整流部分是利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波部分则是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；高频逆变电路则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的；高频变压器降压则是通过互感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实现交流变脉动直流的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流向直流的转化的。因为方案一的设计思路简单，步骤少，所以本次设计选择方案一。整流滤波部分整流电路工作原理：在输入交流电压的正半周期，二极管D1、D4承受正向电压导通，D2、D3承受反向电压截至，整流输出电压等于输入电压；在输入交流电压的负半周期，二极管D2、D3承受正向电压导通，二极管D1、D4承受反向电压截至，输出电流是输入电流的相反数。整流电路工作时的波形如图5所示。 由图5可知，经过二极管整流桥后，输入的正弦电压成了正的电压，同时由于电容电感的储能效应，整流桥输出的电压和电流会进一步变的平直。当然电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显作用。通常应根据负载电压和输出电流的大小选择最佳电容。本电路选择470uF电容即可。图5整流部分电路图降压斩波电路图6基本降压斩波电路将整流后得到的直流电压输入降压斩波电路通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。脉宽调制控制型号有IGBT驱动电路发出；RCD保护电路用以缓冲IGBT在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。本设计中电路图如图7所示。电路中采用两级RL滤波电路使输出电压稳定。图7降压斩波电路脉宽调制电路本设计选用TL494作为脉宽调制电路的主要芯片。其典型应用电路图如图8所示。TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。这是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。图8TL494典型电路图脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从变化到时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调智器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。照典型电路图修改后得到本次设计的电路图，如图9所示。MOSFET管的驱动电路本次课设选用美国IR公司的IR2110S芯片。用于IGBT或功率MOSFET驱动的集成芯片模块中，应用技术比较成熟的有东芝LP250、富士EXB8系列、三菱M579系列等，但是这些模块都是单驱动，如果要驱动全桥结构的逆变电路则需要4个隔离的驱动模块，不但费用高、而且体积大。美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110S是一种新型的功率MOSFET或IGBT驱动模块，它本身允许驱动信号的电压上升率达±50V/μs，极大地减小了功率开关器件的开关损耗。此外，由于IR2110S采用自举法实现高压浮动栅极双通道驱动，因此可以驱动500V以内的同一相桥臂的上下两个开关管，减小了装置体积，节省了成本。图9脉宽调制电路IR2110S采用HVIC和锁抗干扰CMOS制造工艺，双列直插14脚封装。具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dv/dt=±50V/ns，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500khz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。本次设计采用的MOSFET管驱动电路如图10所示。从TL494芯片出来的OUT信号，输入到IR2110S来驱动MOSFET，最终使输出电压稳定在5V或12V。图10MOSFET的驱动电路总电路图整个电路的总电路图用AltiumDesigner制作，图如附录一所示。3主电路参数设定变压器、二极管、MOSFET管选择由于是单相电，所以必须使用单相变压器，原边额定电压，副边额定电压约为，额定电流大于等于1A。对于整流滤波电路中的四个二极管D1、D2、D3、D4，它们承受的反向最大峰值电压为变压器相电压的峰值，即为；承受的正向最大峰值电压为，流过的最大平均电流约为1A。所以我们可以选择正向平均电流I大于1A，反向重复峰值电压大于的电力二极管用来构成单相整流电路。对于斩波电路中的电力二极管VD，承受的最大反向重复峰值电压约为4V，最大正向平均电流I约为1A，所以我们可以选择正向平均电流I大于1A，反向重复峰值电压大于4V的电力二极管作为续流二极管。对于斩波电路中的MOSFET，漏极与源极之间承受的最大电压约为4V，流过的最大电流值约为1A，则最大耗散功率约为4W。所以我们可以选择最大漏极与源极之间电压大于4V，流过最大电流大于1A，功耗大于4W的MOSFET，如IRF540型号。斩波电路中的电感尽量取大，以避免电流过大，磁路饱和。综上所述，主电路的主要参数如下：所用电力二极管和MOSFET的导通压降约为，电感压降约为。整流滤波电路部分：输入电压：单相220V交流输出电压：30V直流电力二极管D1、D2、D3、D4参数：正向平均电流大于1A，反向重复峰值电压大于4V。降压斩波电路部分：输入电压：4V直流输出电压：5V和12V稳压直流电力二极管：正向平均电流大于1A，反向重复峰值电压大于4VMOSFET管取IRF540型号。反馈回路的设计由于加入反馈回路，输出电压不再像教材中那样有单一占空比的PWM来控制，而是由时刻变化着的PWM来控制，所以其电压也就不能由公式来推出。在输出端并联一个分压电路，50K电阻和200K滑动变阻器串接，并从中间引出一个信号电压作为反馈点——Feedback。将Feedback输入TL494控制电路，于是反馈点一直和TL494内部基准源比较，影响输出的PWM的占空比，若大于5V，占空比将减小，若小于5V，占空比将增大，这样控制MOSFET得导通与关断，直到保持反馈点电压保持5V，输出电压按比例可以算出为5~25V。PWM的频率由外接阻容决定。电路图如图11所示。计算过程：，其中恒为5V，所以当R1=0是，；R1=200K时，。图11反馈电路当