第一讲开关电源设计

第一讲开关电源设计第1页，共58页，2023年，2月20日，星期一AC/DC开关电源常用的主电路结构：单端反激式开关电源单端正激式开关电源半桥式开关电源全桥式开关电源推拉式开关电源开关电源的控制方式：电压型PWM控制电流型PWM控制

MCU、ＡＳＩＣ或DSP控制第2页，共58页，2023年，2月20日，星期一B、AC/DC开关电源设计一、AC/DC开关电源常用电路结构1、单端反激式开关电源当负载为零时（即开路），输出电压U0

∞,这种情况不允许出现，故反激式开关电源输出端必须接一个假电阻负载，如接1个100KΩ电阻。输出电压：第3页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、单端正激式开关电源第4页，共58页，2023年，2月20日，星期一3、半桥开关电源设计输出电压：，如负载开路，则：第5页，共58页，2023年，2月20日，星期一

4、全桥开关电源当滤波电感L的电流连续时，输出电压为：当负载开路，则输出电压极限值为：

第6页，共58页，2023年，2月20日，星期一5、推换式开关电源当滤波电感L的电流连续时，输出电压为：当负载开路，则输出电压极限值为：第7页，共58页，2023年，2月20日，星期一二、PWM控制芯片介绍目前AC/DC常用的控制芯片有电压式和电流式两种。1、电压式典型芯片有：TL494第8页，共58页，2023年，2月20日，星期一第9页，共58页，2023年，2月20日，星期一第10页，共58页，2023年，2月20日，星期一第11页，共58页，2023年，2月20日，星期一第12页，共58页，2023年，2月20日，星期一2、电流型PWM控制器第13页，共58页，2023年，2月20日，星期一第14页，共58页，2023年，2月20日，星期一第15页，共58页，2023年，2月20日，星期一第16页，共58页，2023年，2月20日，星期一第17页，共58页，2023年，2月20日，星期一第18页，共58页，2023年，2月20日，星期一例一、AC/DC单路输出15W开关电源设计1.1设计要求已知条件：输入电压AC：85—265V输出功率PO=15W

输出电压：7.5V额定输出电流：2A

输出纹波电压:≤１００mV1.2电路结构选择考虑到输出功率较小，主电路可选择单端反激式，为此选择API（AdvancedPowerIntegration）公司的集成控制芯片TOP202。TOP202主要参数：

VDS=700V,DMAX=0.6，P=15W—30W,FS=100KHZ第19页，共58页，2023年，2月20日，星期一第20页，共58页，2023年，2月20日，星期一单端反激式输出切勿开路！！！第21页，共58页，2023年，2月20日，星期一1.3高频变压器设计A、计算最大和最小直流输入电压（加到变压器初级）:Vmin=1.1×Vacmin=1.1×85=93VVmax=1.4142×Vacmax=1.4142×265=375VB、输入电流平均值第22页，共58页，2023年，2月20日，星期一C、输入电流峰值取1，DMAX取0.6D、输入电流有效值第23页，共58页，2023年，2月20日，星期一E、计算变压器初级电感量第24页，共58页，2023年，2月20日，星期一

F、计算变压器原副边匝比计算ＮＰ需知道ＡL值，而ＡL由磁芯型号和尺寸决定．磁芯尺寸Ae可用平均功率估算:第25页，共58页，2023年，2月20日，星期一选PC40锰锌功率铁氧体磁芯RM8。其饱和磁通密度BS在100℃下为390mT，有效截面积Ae=64mm2，电感系数第26页，共58页，2023年，2月20日，星期一由初级电感量LP估算原边匝数：

考虑实际使用时变压器须加气隙，故单位匝数的电感量将下降,故可取：NP=2×22=44匝第27页，共58页，2023年，2月20日，星期一副边实取3匝，则对应原边调整为15.3×3=46匝G、计算变压器气隙如果气隙>1mm,则说明磁芯截面过大；如果气隙＜０.20mm,说明磁芯截面过小。第28页，共58页，2023年，2月20日，星期一H.变压器磁饱和校验交流磁通产生磁感应强度变化幅值：ΔＢac+ΔBdc=270+13.8=283.8<390mT,故磁芯工作时不会产生饱和．第29页，共58页，2023年，2月20日，星期一Ｉ、变压器线径计算原边线径：副边线径：第30页，共58页，2023年，2月20日，星期一１.４输入整流桥计算由于输入整流桥流过的最大峰值电流为０．６６７Ａ，故选择２Ａ／６００Ｖ以上整流桥。１.５输入滤波电容计算输入滤波电容一般取输出功率的１－２倍，故取３３uF/400V第31页，共58页，2023年，2月20日，星期一1.6、输出滤波电容计算Dmin=Vinmax/实取６８０uF和１２０uF二只电容并联，或用多只小电容并联，以减少ＥＳＲ．第32页，共58页，2023年，2月20日，星期一选择２0A／３０V以上快恢或肖特基二极管如选IR公司的肖特基:20TQ04545V/20A，VFM=0.51V,TO-220AC如果要进一步降低输出整流管上损耗,可选用MOS管作同步整流,或者选用碳化硅肖特基二极管。1.7、输出整流二极管选择变压器次级峰值电流：第33页，共58页，2023年，2月20日，星期一１.８降低开关电源功耗的一些措施选用低导通电阻ＲＯＮ的ＭＯＳ功率管，ＲＯＮ越小，导通损耗越小．选用合适的驱动电路，降低主开关管的开通和关断损耗选用合适的开关频率，开关频率越低，开关管和高频变压器的开关损耗就越小，当然开关频率应在２０ＫＨＺ以上．输出整流尽量选用肖特基二极管，并且耐压不宜过高．输出滤波电容尽量多只电容并联，以降低电容器的ＥＳＲ．高频变压器的电感量适当加大，以降低流过主回路的峰值电流．从而提高效率．原副边线圈采用多股线．第34页，共58页，2023年，2月20日，星期一例二、AC/DC开关电源第35页，共58页，2023年，2月20日，星期一第36页，共58页，2023年，2月20日，星期一第37页，共58页，2023年，2月20日，星期一第38页，共58页，2023年，2月20日，星期一第39页，共58页，2023年，2月20日，星期一用NCP1053设计的4.3V/2A开关电源:第40页，共58页，2023年，2月20日，星期一例三、DC／ＤＣ数控开关电源设计1、

设计任务设计一个输出电压步进可调的数控电压源，并由数码管显示其输出值。具体要求如下：输入电压:３０Ｖ输出电压:2~20V，调节单位0.1V

输出纹波电压：<５０mV

输出电流：1A

输出电压由数码管显示

“+”、“-”键分别控制输出电压的步进增减具有输出过流保护功能第41页，共58页，2023年，2月20日，星期一２、方案一采用线性稳压器本方案主要由线性可调三端稳压器ＬＭ３１７、单片机、数控电位器等组成，其结构如下图所示：第42页，共58页，2023年，2月20日，星期一数控电位器选择：

这里IR=50µA

为使负载开路时，也能使输出电压稳定，输出静态电流ＩＱ必须大于5mA。为此可得：

第43页，共58页，2023年，2月20日，星期一＝故：第44页，共58页，2023年，2月20日，星期一当输出=2V时，令ＲＷ＝０，代入上式可得R2值：当输出=20V时，可得：第45页，共58页，2023年，2月20日，星期一所以ＲＷ=3.75Ｋ-0.15Ｋ=3.6Ｋ由于输出电压要求调节单位为0.1V，故2~20V需180个调节单位。为此可选４只１００级的数控可调电位器（型号为X9C102，其电阻值为１ＫΩ）串联．数控电位器X9Ｃ1０2主要技术参数:Vcc=5V,Ic=３mA，R=１kΩ，阻值位置掉电后保存端电压－５Ｖ~＋５Ｖ，抽头数１００，接口方式：按键式第46页，共58页，2023年，2月20日，星期一按键式3线控制：/CS/INCU/D

阻值LPulseH升LPulseL降H不变数控电位器控制接口和单片机Ｉ／Ｏ口连接，共需９-12根信号线。第47页，共58页，2023年，2月20日，星期一第48页，共58页，2023年，2月20日，星期一３、方案二采用ＢＵＣＫ电路

前述方案由一个致命的弱点，就是效率太低，尤其当输出电压为２Ｖ时，其系统效率最低。为了提高系统效率，可采用开关电路，如用ＢＵＣＫ电路实现，其电路结构如下图所示。3.1单片机选择考虑到BUCK电路开关频率需20Khz以上，选用总线频率高、并自身带ＰＷＭ发生器的单片机较合适。具体选ＦＲＥＥＳＣＡＬＥ公司的ＭＣ９Ｓ０８ＳＨ８。选其内置振荡器工作方式，ＢＵＳ频率调至最高２０ＭＨＺ，ＰＷＭ选９位，此时ＰＷＭ频率可达５０ＫＨＺ第49页，共58页，2023年，2月20日，星期一第50页，共58页，2023年，2月20日，星期一第51页，共58页，2023年，2月20日，星期一单片机Ｉ／Ｏ分配：Ａ／Ｄ通道２路ＰＷＭ输出１路“＋”、“－”按键２路ＬＥＤ或ＬＣＤ显示１１根共用１６根Ｉ／Ｏ第52页，共58页，2023年，2月20日，星期一3.2驱动电路在本系统中驱动电路起两个作用，一是电平转移，二是功率驱动以降低开关管功率损耗。常用的驱动芯片有ＩＲ、ＯＮＳＥＭＩ、ＳＴ、ＮＸＰ等公司生产，在本电路中可选用ＩＲ公司的ＩＲ２１１１。第53页，共58页，2023年，2月20日，星期一第54页，共58页，2023年，2月20日，星期一3.3ＬＥＤ显示LED动态扫描电路中三极管Ｑ１处于开关状态，故：第55页，共58页，2023年，2月20日，星期一3.4主电路电感设计为使电流连续，临界电感量为：３.５输出滤波电容实取电感ＬＣ为１００uＨ．实取滤波电解电容E2为220UF/35V．第5