40W LED路灯电源的设计

绪论1.1引言伴随着电子信息时代的发展，电子科技的发展更是如鱼得水，蒸蒸日上。而作为电子电路的驱动电路——开关电源在工业自动化、电子电工类仪器以及通信方面的应用更加广泛。不同电子设备对于电源参数如输出电压、电流大小以及功率大小、效率高低、噪声、纹波的要求各不相同，这就对开关电源电路的设计制作提出了较高要求。针对目前主流的Buck-Boost型AC-DC开关转换器，本次设计将研究并制作出一款适用于工作功率为40W的LED路灯照明的开关电源电路，并能投入使用生产中。1.2LED的发展历程和现状光照是人类生产生活的必须条件，而人们，一直都在寻找光明的路上探索着：从钻木取火到点柴油灯、再到电气时代；从荧光灯到金属卤化物、再到LED照明，光源从自然光源到人造光源的过渡，再到人造光源的技术不断改良，毫无疑问，LED光源的技术发展是光照技术的趋势，也代表着LED对于社会设施具有重大的意义，就比如城市和公路的路灯。以往的城市和公路路灯，基本上以高压钠灯为主。近些年来，LED路灯的崛起，使高压钠灯在路灯的主要地位日渐式微。LED之所以能在社会照明的领域普及，成为路灯主流，一方面是其成本低廉，LED路灯相较于高压钠灯，用电量较小，寿命较长，有着很高的性价比；而另一方面，LED照明效率高，能够更好的节约能源[1]；此外，LED路灯是一种低压工作的产品，其光照中不会出现有害射线，是一种十分安全的产品；而高压钠灯在工作时会发射出有害射线，是一种不太安全产品。综上所述，LED在目前的社会照明领域是最优选择。而回归现在，放眼国际，我国已经成为全球最大的照明产品生产、消费和出口国，国内半导体产业规模快速增长，对LED的推广做出了很大贡献。因此，我国乃至世界的半导体照明的市场是相当可观的，不断有新的半导体公司上市。1.3半导体LED的主要特性图1.1是正向导通和正向电流的非线性关系曲线图。观察曲线图，在通过的正向电压较低时，正向电流为零，半导体LED处于截止状态；当正向电压超过一定值后，电流大小随着电压大小的上升而呈指数上升。图1.1LED正向电压与电流关系曲线图在照明半导体导通以后，电压的微小变化也将会引起电流较大变化[2]。导通电流决定照明半导体的发光强度，电流过强会使照明半导体亮度不稳定，更会导致照明半导体以及电路的烧毁，过弱会造成照明半导体的稳定性不足，降低使用寿命。此外，电路工作升温和制造工艺的差异，也会使照明半导体的正向压降产生较大波动；所以，传统的线性电源所提供的电压电流难再满足照明半导体提供所需的稳定性。为保证照明半导体的可靠性和安全性，又能同时达到预想照明的目标，以开关电源驱动供给稳定电流是目前最好的选择。照明半导体在电路工作时会产生一定的热量，使温度升高，但光通量会随着温度升高而降低，照明半导体的发光波长也会受到电路环境温度的影响。因此，LED保持恒亮，需要考虑到良好的散热。在设计相应电源时，电源工作的发热因素和散热方式是需要重点考虑的项目。如图1.2是LED光通量和温度的关系曲线。图1.2LED光通量和温度的关系曲线开关电源有两种，一种是恒压源，一种是恒流源。恒压源向电路提供正向电压，正向电流随电压的变化而变化，发光亮度由恒压源的提供的电压控制。当正向电压的值小于一定值，电流达不到照明半导体的发光条件而不发光。如果电压达到或高于该值，正向电流随电压增大呈指数型提高，LED发光[3]。以恒压源驱动电路，电压发生的微小变化，将会对电路电流产生极大影响。所以，若作为电源的恒压源稳定性和可靠性不足，LED的工作性能便得不到保障。因此，只有电源能够提供恒稳电流，LED才能保持稳定的光照度。采用恒流源驱动，能够使LED稳定工作，提高LED的安全可靠性。1.4驱动方案选择LED在照明领域的风行，离不开能够稳定供给恒定电流的开关电源。道路照明在照明领域中用时最长、耗电最大，LED路灯的出现，为城市照明节能带来福音，有利于国家的节能减排工作推进。近年来，随着开关电源技术的发展，对于电源效率的要求越趋严格，目前常用的电源效率大多能达到9成以上。电子设备的功率不超过500W的直流电源，其内部结构主要有以下两种拓扑：标准反激拓扑以及双开关正激拓扑结构。这两种结构较简单，但电源效率不高。节能环保的倡导，要求更加节能高效的电源，电源的效率指标在不断提高。为相应时代号召，准谐振反激式拓扑、不对称半桥拓扑以及LLC谐振转换拓扑三种新型拓扑的出现，渐渐的取代了传统两款。功率在200W以下的开关电源适用准谐振反激式拓扑，而200W以上则可用LLC谐振转换拓扑或者不对称半桥转换拓扑结构[4]。本次设计的目标产物是输出功率40W的开关电源，故此采用准谐振反激式拓扑结构的开关电源。本次设计的性能参数指标如下：输入电压：市电交流电压90～277V变换器工作模式：CCM输出电压：40V输出电流：1A输出功率：40W效率：90%以上工作频率：150kHz输出纹波电压：200mV据谐波标准，使用25W以上电源的电子产品，必须采取手段技术来降低谐波成分[5]。故此，功率因数校正电路是本次开关电源的输入电路设计中所必须考虑到的。1.5研究目的与意义随着现代化社会的建设和交通现代化的普及，各种公路与道路建设起来，满足了人们对于出行旅游的活动需要。夜间行车，成为道路安全问题的重中之重，而首当其冲的则是路灯问题。良好的道路照明条件是道路安全的基本保障，而需要路灯保持十分稳定的道路照明，就需要有良好的电源作为供电基础。而本次设计，我们针对路灯而设计一个40W的稳定直流电源，并有后续的检验和测试其性能，确保其稳定性和安全性。同时，节能环保，实现绿色发展，也是我们现代化建设所需要考虑的重要课题，因此，电源设计也要充分考虑到节能这一问题。光明，指引着人类前进的方向。光照，在人的社会生活和生产环节，都有着重要的作用。我们无法想象没有光明的日子。随着能源的日渐匮乏，与人们日益增长的美好生活的需要形成矛盾，而解决矛盾的关键所在，就是需要一个稳定有效而效率高的供给电源。总而言之，电源的设计制作有着很大的市场价值以及使用价值。如何设计电源电路，使其达到稳定的供电需求目标，同时满足节能环保的现代化要求，是这次毕业设计的核心问题。1.6开关电源设计思路导向依据开关电源的基本原理和设计思路，针对LED特性，设计40W照明用LED路灯驱动电路，本次设计思路导向如图1.3。220V交流电压经EMI滤波器变为直流电压；再设置有源功率因数校正电路对电路电压进行谐波抑制，初步使输出的直流电压趋于稳定；再通过准谐振反激变换器降压，进一步输出稳定的40V1A的直流电压及电流。我们本次采用型号为BP3339的PWM控制芯片，准谐振反激式变换器采用型号PQ2620。各电路的设计思路将在下文进行详细介绍。图1.3设计思路导向图1.7论文内容及结构安排本文基于电路、模拟电子线路以及开关电源知识，设计路灯电源，同时参考对比了一些现有可行的方案，得出最终的设计方案，并通过后续相应的仿真、实物检测和分析来确定其使用效果是否达标。本文的内容构思大纲如下：第一章绪论通过介绍LED发展历史、产业现状以及主要特性，来引出40WLED路灯驱动方案的提出与选择，并对其工作原理和特点进行阐述，最后总结其研究意义和考虑因素。第二章介绍开关电源制作的基本原理以及常见的类型，其中涉及了电路、模拟电子线路、开关电源知识，以及简要介绍有源功率校正因素电路的设计和工作原理，并对开关电源的几个模块进行简介。第三章介绍反激变换器的工作原理和设计思路，并根据本次设计的目的，设计并计算开关电源电路的相关参数。第四章介绍AltiumDesigner——PCB原理图设计制作软件，展示过程并介绍与开关电源电路相应的PCB设计规则。第五章展示设计实物制作过程与结果并对测试结果进行分析。第六章最后对本次毕业设计作出总结归纳和日后展望。第七章对导师进行致谢。开关电源基本原理以及类型开关电源基础开关电源，是利用现代电路和模电数电相关技术，通过控制开关管周期内导通的时间（即占空比），得到一个持续而稳定输出电压的电源。它通过电容等有源器件在电路中传输能量到输出端，具有高效、高功率、体积小成本低的优点。开关电源仍存在着可靠性较差等固有缺陷，但是，随着电子工艺技术的日新月异不断进步，这些缺点正得到逐步的改善，甚至可以通过某种手段，把这些负面影响降到最低甚至可忽略不计。开关管的通断，控制着电路能量的传送，使输送过程中的信号保持持续且稳定的状态而不发生变形。高频开关状态下的开关管的等效电阻其实非常小，即时通过大电流，耗能依然很小，保证了电源的高效性和环保性。电源效率可达70%~90%，相比传统的线性稳压电源更加节能高效。开关电源的工作原理如图2.1所示，对电路输入一个直流电压，把开关管作为一个脉冲受控开关，能够根据需要输出的电压规格，在一定周期内来设置通断时间的占比，就可以把输入的直流电压变成规则的矩形波，矩形波电压再经滤波电路滤波后，就能够得到稳定的直流电压[6]。图2.1开关电源的基本工作原理图开关电源得到的脉冲电压的占空比可以表示为： （2.1）开关电源电路的输出电压可表示为： （2.2）因此，在一定的周期内改变开关通断时间的比值，就可以改变脉冲电压的占空比，从而调节输出电压[7]。开关电源的结构组成转换功率的直流变换器，是开关电源的核心部分；驱动器除了对开关信号整流放大以驱动开关管，还可以在放大器的反馈运算后调控占空比，保持直流电压的稳定输出；信号源通过他激或自激产生PWM信号以控制电路；比较放大器通过比较反馈信号和参考信号进行运算，调控开关电源信号的幅频特性等。此外，开关电源通常还设置了辅助电路，最主要的有启动电路、保护电路、输入滤波电路等电路[6]。其基本构成可以用图2.2简要表述。图2.2开关电源基本构成模块图开关电源的两大模块分别是功率主回路和控制回路。功率主回路能转变和传输能量，由开关、电容和电感三种元件的不同组合，可以得到不同类型的变换器；而控制回路模块相较复杂，早期由多个分立器件组成，组成零散体积大，再后来便携式设备兴起后，其体积无法满足便携要求；而在集成电路出现后，开关电源多以集成电路的形式制成，大大减小了电源的体积、提高了其可靠性和稳定性，能够使开关电源更加广泛应用于各种供电场景[8]。2.4开关电源的分类开关电源种类较多，为方便研究分析，我们将根据开关电源的不同工作原理特征，对开关电源进行分类。根据开关管通断与通过电流电压是否存在关联性分为“硬开关”和“软开关”。“硬开关”与电路电流或电压无关，开关管的通断由外加控制脉冲情况决定。而“软开关”的开关管则是当所加电压为0时导通，或使得通过电流为0时关断。按开关电源控制方式来划分又可以分为占空比调制式、谐振式和它们的结合式。其中，PWM开关变换器是使用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，主要特征是使用“硬开关”。本次设计将采用PWM的控制方式。依据拓扑结构分类，有Buck、Buck-Boost、Boost、Cuk、Zeta以及Sepic等多种拓扑结构。这里我们选取三种最基本的拓扑结构来研究分析，决定本次设计最终采取哪种拓扑结构。这三种基本拓扑分别是Buck、Boost和Buck-Boost拓扑。Buck变换器的类型是降压变换器，在制作输出电压小于输入电压的电源时可以采用该变换器。Boost变压器适用于输出电压大于输入电压的工作环境，是升压变压器。而Buck-Boost变压器的输入电压与输出电压由占空比所决定，根据实际条件和参数需求可升压也可以降压[9]。本次设计采用Buck-Boost变换器。Buck-Boost型变压器工作原理图如图示：图2.3Buck-Boost变压器原理图开关接通状态，二极管截止，电感电流为 （2.3）而在开关断开期间，电感电流为 （2.4）再看他激式的四种变换器——正激式、反激式、全桥和半桥式。（对四种变压器的原理不做赘述，只探讨其适用的环境）反激式变换器常应用于输出功率100W以内的开关电源，不宜用于低压大电流的开关电源制作。正激变换器适用于功率较大（约100~300W）以及低压大电流（5A以上）的开关电源中，且元件数目少，成本价格较低。全桥和半桥式变压器统称桥式变压器。通过磁芯双向磁化达到高功率输出的目的。本次设计的开关电源输出功率为40W，由此应选反激变换器。2.5有源功率因数校正电路原理与设计电子技术中应用的电流方案有许多种，交流电网经过整流后供给直流就是其中一种。交直流变换器或直流变换器的供电电源一般都输出较平直的直流电压，整流滤波电路内部结构的储能元件和非线性元件会使正弦波的交流电压产生严重的变形，变为一种周期性尖峰电流。这种变形的输入电流除基波外，还含有大量的高次谐波分量。若这些谐波沿线路回流进入电网，将会引起严重污染，更有可能会造成电路的工作状态异常而引发安全事故[10]。如果在整流器与滤波电容之间加入一个直流开关变换器，或将解决上述的问题，能够实现输入电流的低频分量脉冲波形近似等同于输入电压的脉冲波形，抑制谐波以提高功率因数；同时，应用电压反馈技术，输出近似平滑的直流输出电压。简而言之，使输入电流同步于输入电压，是有源功率因数校正技术的手段，让输出电压保持稳定才是最终的目的。2.6功率因数PF功率因数PF是输入有效功率与输入总功率的比值：PF=P/S=UIcosθ/UI=cosθ （2.5）式中的θ代表了电压和电流之间的相位差。理想状态下的功率因数PF为1，是指供电线路电压与电流均是标准正弦波，无畸变。对于理想正弦波有两种情况：一种情况则是负载是电容，供电线路的电流电压均呈正弦波，但输入电压与电流之间存在相位滞后，其相位差不为0。另一种情况是电阻作为负载，输入电流和电压均是相位差为0正弦波。这种理想情况下，线路功率因数为1，功率全都消耗在负载上。2.7功率因数PF与总谐波失真度THD的关系根据相关的推导和理论得出（此处不做赘述），功率因数为（2.6）这就是PF与THD间的关系。由上式可得出，至少有两种方法可提高功率因数：一使THD值降到最低，也就是最大限度地抑制输入电流的波形畸变；二则使cosθ=1，利用功率因数校正技术，让电流基波与电压基波的正弦波相位差趋于0。2.8功率因数校正技术的分类功率因数校正PFC技术按照器件的种类分为两种，一种是有源PFC技术，另一种是无源PFC技术。无源PFC技术是由无源器件，如LC谐振变换器，来实现PFC功能。其主要优点有：电路简单、成本低廉以及电磁干扰较小等。但也存在缺点，如低频工作时元器件尺寸重量较大，难以得到高功率因数等。有源PFC技术采用有源器件，如开关管和二极管，通过控制占空比，使输入电流尽可能同步于电压波形，得到较高的功率因数。有源PFC技术优点有：谐波畸变小，功率因数高，输出电压稳定等。但同时也存在以下缺点：高成本，低效率，电路复杂等。本次开关电源设计将采用有源PFC技术以实现功率因数校正。2.9APFC的典型控制方法能够稳定输出电压和输入功率因数，是有源功率因数校正电路最终目的。为了获得稳定的输出电压，可用一个电阻分压网络采样输出电压，并用做反馈控制（本次设计不涉及）。输入电路波形可通过控制电压跟随器和乘法器的方法得以实现。乘数控制是应用最广泛的控制方法之一，引入一个输入电流反馈控制回路，利用模拟乘法电路，实现输入电流与输出电压是同相位的正弦波。其三种典型控制方法，将会在下章设计过程中展开详细探究和对比。3反激变换器原理与设计反激变换器属于Buck-Boost变换器，既能升压，也可以降压，输入输出回路以变压器为媒介相连，两回路没有直接相连，从而实现了交流与直流的转换，稳定输出电压。现在，中低功率（100W以下）的隔离式开关电源常多采用反激变换器。可以依据输入和输出电压范围以及电源所要实现的其他功能参数，通过一系列的计算，根据结果来选择单管或双管反激式拓扑结构，还有准谐振（QR）反激变换器以及原边反馈（PSR）反激变换器。3.1四种反激变换器分别适用的电路要求3.1.1单管反激变换器适用于中低输入电压，中低功率的电路中。由于市电电压为220V的交流电压，单管反激变换器在开关电源领域方面的应用范围在四种变换器中最为广泛。且本次设计我们将要制作的是规格为输出40V1A的LED路灯电源，输出功率40W，属于低电压小电流低功率，单管反激变化器最为适用。3.1.2双管反激变换器反激变换器初级绕组与次级绕组存在漏感，开关管由导通变为截止瞬间，MOS管漏极所加电压会很高，尤其是当输入电压较大时，可能将要选择800V甚至以上的耐压管，而且这种MOS管品种较少、价格较高；而此外，高耐压MOS管的导通电阻很大，会加大电路的导通损耗。为了应对和改良以上的不足，双管反激变换器在800V以上的高压时便有很好的用武之地。3.1.3准谐振（QR）反激变换器准谐振反激变换器的工作模式一般是DCM模式，是以传统的PWM调制反激变换器为基础加入Uds波谷检测电路，在波形达到谷底时导通，形成准谐振反激变换器。准谐振反激变换器成本低，电路较简单，MOS管开通损耗小，效率高。因此，QR反激变换器普遍适用于高压小电流中功率的开关电源中。伴随着控制芯片价格下降，QR反激变换器越来越成为开关电源设计制作的一个优选方案。3.1.4原边反馈（PSR）反激变换器原边反馈反激变换器不需要加入光耦、基准电压源等电子元件，成本低，体积小。但PSR变换器初级绕组峰值电流大，导通损耗高，因此仅限制于在输出功率不足10W的电源中使用。由上述条件综合分析后，可以得出本次设计的最佳方案为单管反激变压器。3.2反激变换器的组成结构和总体结构设计3.2.1单管反激变化器主要组成部分以及总体结构原理电路如图。图3.1单管反激变换器电路图其简化电路如下图：图3.2简化电路图单管反激变换器分为两部分，分别是初级回路和次级回路。初级回路则有输入滤波电容、PWM控制器、启动电路及供电电路、主绕组、开关管和尖脉冲吸收电路等部分；次级回路有次级绕组、高速整流管、输出滤波电容和输出电压取样电路等部分。为便于对单管反激变换器的探究，我们将其电路简化，并观察其理想状态下的电流电压波形。3.2.2尖脉冲吸收回路简介因为初级与次级绕组存在漏感，在开关管关断瞬间，漏极会产生很高的电压[13]。（由于时间短电压高我们称之为尖峰电压）另外，在整流二极管截止的瞬间，由于延时，主绕组也会在漏极产生高压。故此，单管反激变换器中需在初级绕组两端加RCD尖脉冲吸收电路，以避免开关管过压击穿。3.2.3漏感能量吸收回路漏感能量吸收回路有两种，分别是DD和RCD钳位电路。DD是由TVS二极管和快恢复二极管构成，而RCD钳位电路由快恢复二极管、泄放电阻和钳位电容构成。其作用与目的如上文3.2.2简介，故不在本节赘述。本小节主要讨论RCD钳位电路工作原理和参数计算。1、工作原理我们可将变压器的初级绕组视为理想变压器初级电感与漏感串联组成，理想初级电感所储能量在开关管截止后可传送到次级，而漏感所储能量则不能。对于CCM模式下的RCD，可按开关管截止期间DS两端电压波形的规律（如图所示）分为四个时阶，来探究RCD电路工作原理。图3.3开关管截止期间DS两端电压波形图t1～t2：Toff开始瞬间，漏感电流对DS间寄生电容充电，Uds由0上升至Uin，Q1完全截止，随着电压增大而渐渐超过了次级整流二极管的阈值电压，Vd2开始导通。这一阶段的等效电路如图。图3.4t1~t2时刻充电电路t2～t3：漏感电流及反射电压源继续对DS极间寄生电容充电，电压逐渐上升，当电压值超过钳位二极管导通电压时，二极管开始导通。t3～t4：钳位二极管导通后，漏感放点，对电容进行充电，使其两端电压迅速上升到最大值，寄生电容两端电压也同步上升到最大值。t4后：漏感储能散尽，电压为0，开关管DS极间电压减小，吸收回路二极管反偏截止，钳位电容放电。2、计算过程我们以本次电源制作目的参数代入计算方法，具体过程如下：（1）计算反射电压Uor： （3.1）（2）选择钳位电容最小电压，一般取0.85～0.95Uclamp。（Uclamp为漏感能量散尽后的钳位电容电压）（3）确定C1钳位电压Uclamp，且Uclamp大于1.5Uor。有 （3.2）（4）测量或估算漏感的值。一般控制在主绕组电感的2%～5%。 （3.3）（5）计算钳位电容。 （3.4）（6）计算钳位电阻。 （3.5）（7）估算RCD的二极管耐压。 （3.6）3.2.4PWM控制器种类选取以采样对象不同，将PWM控制器分为电压型和电流型两个大类。其大类下的控制芯片种类繁多，可以根据所需的规格、功能和性能，来选取合适的控制芯片。1、电压型控制工作原理：取样输出电压，控制PWM信号的导通时间，保持输出电压的稳定。适合于Buck变换器。缺点：电路设计比较复杂，对输入电压的变化反应慢。代表型号：UCC3750等。2、电流型控制工作原理：取样输出电压，控制PWM信号导通时间，保持稳定的输出电压；取样电感电流，变换器能即时感知输入电压变化，这是对比电压控制的改进之处。电流型控制分为三种方式，分别是平均电流控制、电流滞环控制、峰值电流控制三种。典型的电流型控制芯片：UC384X系列，FAN67XX系列。UC384X系列芯片，UC3842和43占空比无限制，两者差别仅为启动电压和锁定电压不同。UC3844和45最大占空比为50%。该系列芯片最大启动电流1mA，典型值0.5mA；时钟频率可调，最大500kHz。UC384X系列芯片作为传统的峰值电流PWM控制芯片，其保护功能还未够完善，还存在诸如启动电流大、轻载功耗高等缺点，随着技术发展而被逐渐淘汰。FAN67XX系列芯片，正是为了弥补UC384X的缺陷而创新的新型PWM控制芯片。其系列的芯片不同型号之间功能大同小异，排序基本兼容。这里以FAN6757为例，该芯片达到了低空载功耗，高度集成了大量功能如抖频降低EMI、带斜率补偿的峰值电流模式控制等，以及多种先进的保护功能，被广泛应用于要求极低待机功耗的反激式电源，如笔记本电脑、游戏机适配器等。BP3339芯片，是市面上的一款新型芯片，广泛用于LED照明的单极PFC原边恒流控制器：无需任何次级反馈电路，电路简单成本较低；它采用准谐振模式来驱动MOSFET，得以实现高效率。它采用恒定导通时间的控制方式，内置THD补偿线路，提高功率因数，降低谐波分量。BP3339内置高压启动JFET，能实现快速启动。此外，BP3339还具有良好的线性调整率和负载调整率，并提供全面的保护功能。图3.5BP3339规格简介与原理图通过三款芯片的初步对比，BP3339相对于其余两款老款芯片性能更加优秀，更利于本次设计的功能实现。故决定本次设计将采用BP3339这种新型芯片。下面我们将简要介绍BP3339芯片的工作原理。（1）功率因素校正原理BP3339采用固定导通时间的峰值电流控制模式，工作模式为边界连续导通模式。输入电压有效值不变，整个工频周期内导通时间也保持不变，原边峰值电流和副边峰值电流包络都为正弦波。图3.6BP3339功率校正电流图BP3339产生的原边电流的波形为不连续的锯齿波，经输入滤波器滤除高频分量后高频分量后，其平均电流为近似正弦波的波形。（2）PF和THD计算未加THD补偿功能的单极FlybackAPFC电路，其PF和THD跟副边反射电压与输入电压峰值之比K相关，K与PF呈正相关，与THD成反比关系。PF和THD与K的关系如图。而BP3339内置THD补偿电路，从而极大地降低了K对PF与THD的影响。图3.7PF和THD跟副边反射电压与输入电压峰值之比（3）原边横流原理芯片内部采集Vcs峰值，并根据MOS开通和变压器退磁时刻的检测，将原边电流波形转换成跟副边电流有关的波形，经过高频滤波、误差放大和积分，再与芯片内部的锯齿波进行比较，产生固定Ton。图3.8原边恒流原理输出电流计算 （3.7）3.2.5反激变换器的电路参数设计本节将进行反激变换器的电路元件参数的计算，结合设计要求：输入电压：市电交流电压90～277V变换器工作模式：CCM输出电压：40V输出电流：1A输出功率：40W效率：90%以上工作频率：150kHz输出纹波电压：200mV根据以上要求，我们进行下一步的计算。反激变换器可等效于Buck-Boost变换器，性质与Buck-Boost变换器相类似。故而，在输入电压最小时，电感电流峰值最大。因此，须在输入电压达最小值时，计算相关参数。1、计算输入滤波电容，由上文的经验值计算可知，我们本次设计采用的输入滤波电容的规格为104uF/400V。2、计算RCD吸收回路钳位电压，由上一章的的计算可知 3、确定反射电压范围 4、计算确定匝比1.760~2.934，取2.0。5、确定电流纹波比6、计算初级侧电感斜坡中心电流7、计算次级侧电感斜坡中心电流8、计算初级侧电感9、估算电感体积10、计算匝数11、计算辅助绕组匝数12、绕线窗口是否能容纳13、计算磁芯气隙长度14、计算输出电容3.3输入通道我们将DC-DC变换器输入端前的电路称作开关电源输入通道，包括输入AC滤波、整流以及工频滤波等单元电路，拓扑结构及性能指标不仅关系到开关电源的可能性、EMI指标、成本与体积，也决定了开机瞬态浪涌电流的大小。开关电源的工作环境大都是在高频、高压甚至大电流状态，其内部存在有如MOS管或整流二极管等高速开关元件，在其通断瞬间将不可避免地产生大量电磁干扰信号，简称EMI信号。它包括了传导干扰和辐射干扰两部分。其中，传导干扰包括了差模干扰和共模干扰。内部开关器件寄生电感和电容在开关元件通断瞬间引起电流电压的激烈突变造成的是差模干扰信号，在开关电源两条输入线上流动。而共模干扰则是开关电源内部节点电压激烈变化通过寄生电容耦合到底线形成，在相线与底线以及中线与地线间流动。开关电源工作频率在0.15～0.5MHz范围内，EMI一般以差模干扰为主；在0.5～5.0MHz范围内，一般包含了差模、共模干扰两种成分；在5.0～30MHz范围内，以共模干扰为主。如果在设计过程中忽略了EMI的处理，所产生的高频尖峰干扰会造成信号污染，可能会影响到电路内部元件的正常工作状态，使电路不稳定甚至引发严重的安全事故。以上是我们对EMI干扰信号成因和危害的研究了解，对于这些，可以在开关电源的输入电路加入针对性的滤波电路和保护电路，以消除EMI干扰信号，将其对电路正常工作的负面影响降到最低。如图所示的EMI滤波电路便是一种有效可行的EMI干扰防治措施。 图3.9输入电路原理图图中所示，除了EMI滤波电路，还有其他比如NTC热敏电阻、整流滤波电路等部件，这些部件共同组成了开关电源的输入电路。下面将逐一介绍不同部分的原理及作用。（1）整流滤波电路包括了由四个整流二极管组成的桥式整流电路和一个工频滤波电容组成。工频滤波电容是一种铝电解电容，主要功能是滤除高频分量，容量大小与输出功率和效率有关，可根据表所示经验数据选定。图3.10滤波电容大小经验值表本次设计输入电压范围为90～277Vac，观察表格可得滤波电容经验值约取“3uF/W”，再输出功率为40W，故输入滤波电容的大小可以取C1=3uF/W*40W=120uF由于电路的输出功率和效率已确定，滤波电容的大小将影响输入电压的最小值。若滤波电容过小，无法限制输入电压最小值，使电路中有源器件的过流损坏等；若滤波电容过大，又会增加成本，也会放大输入电流谐波幅度，对供电电网造成污染。所以，我们选择最近似120uF的104uF的电容。最后，还要确定电容耐压比。滤波电容耐压比要求是最大输入电压的1.1倍以上。本设计最高输入电压为277V的市电电压，最大值为1.414*277=392，故滤波电容耐压可以取400V。因此，本设计选择的输入滤波电容为104uF/400V。（2）输入保护电路输入保护电路一般包含保险丝、防雷元件如压敏电阻等能对电路的环境进行感知并应对保护的器件组成。保险丝的作用主要是保护开关电源内部元件和PCB板上的输入回路走线在电路异常时不被损坏。保险丝必须接在火线输入端，在保险丝熔断后，设备与火线断开以免致人触电。其参数选择也必须恰当，主要有额定电压、额定电流和熔断时间等，这里我们主要研究其电流容量，其经验公式为： （3.8）本次设计，最小输入电压为90V，输出功率为40W，效率为0.9，PF取0.5，可以计算保险丝电流容量（取标准值2A或3A）常见防雷元件有压敏电阻、TVS管等。在本次设计，此处采用压敏电阻。压敏电阻属于金属氧化物可变电阻，其优点是价格低廉，同流量大，响应时间短，缺点是寄生电容大，因为压敏电阻能瞬间吸收很大的浪涌能量，压敏电阻常用于电子线路过压保护元件。但压敏电阻不能承受1mA以上的持续电流，在被击穿之后，可能会造成电路短路而威胁人身安全。压敏电阻的电压必须大于线路最大直流电压值，其电压可以依据此规律公式决定： （3.9）本次设计交流输入电压最大值277V，压敏电压标称误差10%，老化系数一般取0.9，代入可得取标准值470V。对于中小功率开关电源，压敏电阻可选择7D或10D尺寸的，最后选择型号7D471K规格的压敏电阻。（3）功率型NTC电阻功率型NTC电阻是以二氧化锰为主要原料的一种精密电子陶瓷元件，能够有效抑制开机瞬间产生的浪涌电流，其优点是功耗极低，对电路的影响可忽略。但其缺点不容忽视，NTC电阻可靠性不高，同时容易损坏，可能会增加电路的后期维护成本，如果开关电源开机浪涌电流不大，则不需要采用。因此，本次设计不加入NTC电阻，而是加入一个工字电感来代替其作用。（4）EMI滤波电路EMI滤波电路主要组成部分有差模滤波电容，共模滤波电容（因开关电源输入端不带地线而不需设置）、泄放电阻（本次设计不设置）、EMI共模滤波电感组成。如图所示。图3.11EMI滤波器的基本结构EMI滤波器可以无耗传输400Hz以内的低频交流信号，高效抑制高频干扰信号，以免其污染电网，干扰元件正常工作[11]。当共模滤波电感完全耦合，对差模信号不会产生磁饱和，对共模信号呈很高的电感量。所以，实际电路中多用高磁导率铁氧体磁芯，就如这次设计中采用的U型铁氧体磁芯。现实情况则是两绕组不可能完全耦合，总存在一定漏感Ld，其实际等效电路如图：图3.12EMI滤波器等效电路漏感大小一般为共模电感的0.5%～2%。共模信号和差模信号等效电路如图，可以看出滤波电路里，漏感增强了差模干扰的滤波效果，所以可以使用绕线方便的U型磁芯作为滤波电感磁芯。但漏感不宜太大，若过大可能会导致磁芯饱和现象，故尽可能不使用工字型磁芯。3.4输出电路为了在次级回路得到稳定的输出电压，本设计的次级回路包括次级绕组、高速整流二极管、次级整流二极管尖峰脉冲吸收电路、输出滤波电容以及负载电阻组成。其中次级整流二极管尖峰脉冲吸收电路由一电阻和电容串联而成，并联在高速整流二极管两端，可以消除整流二极管开关瞬间的尖峰脉冲，同时还能够延迟开关管截止瞬间次级整流二极管的导通。4PCB原理图设计流程及设计规则有了以上的分析设计，接下来将进行电子线路原理图和对应电路原理图相应的实物产品制作。对电路的原理图绘制，采用了AltiumDesigner16软件，简称AD16。自进入计算机时代，计算机协助便迅速拓展到各行各业中，包括电子电路设计行业。而AD16这一款软件正是为了电路设计自动化而生。电子技术的迅速发展使新的电子元器件不断诞生，手工设计电路已经不能够再满足现代化的设计需求，所以，AD等一系列电子电路绘图以及仿真软件应运而生，在计算机平台上进行电子线路设计，是目前最高效的设计方法，越来越多的电子电路的设计工作在设计应用平台上开展。图4.1关于AltiumDesignerAltiumDesigner采集了众家之长，集合了多个电子软件平台的功能和优点，使电子设计者能够更加便捷高效的实现电子线路设计制作，简化流程，降低在设计过程中的错误率，大大提高了最终产品的成品率[12]。随着AD版本的升级，其功能和使用性能愈增，因而AD对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。创建工程以后，对一些有需要的、而库内所缺少的电子元件，先进行原理图和PCB图的制作。如下所示。图4.2共模滤波电感库制作图4.3控制芯片BP3339库制作图4.4变压器PQ2620库制作在制作好原理图和PCB后，我们分模块将线连好，如图。图4.5总体电路图再把线路图连接起来，连好以后，将其转为PCB图，再进行布线和调整。对于开关电源的布线布局，有着十分严格的标准要求，下章将对一些常见的PCB设计要求展开说明。图4.6初步PCB板图4.1开关电源PCB图设计开关电源工作状态多为高频高压大电流状态，这使开关电源PCB设计过程中元件布局走线的工作显得十分重要，是保证开关电源正常工作的关键。良好的布局布线设计，能使开关电源达到电磁兼容标准，同时能保护电源和使用者的安全，此外，还有利于电路工作时的散热，对提高电源的可靠性和延长寿命有着重要的作用。下面将详细研究开关电源PCB的设计规则。根据开关电源的要求，在排版前先确定PCB板的工艺，这会对元件封装方式的选择有所影响。首先，确定板层结构。单面板因其成本低而受传统开关电源所青睐。但随着开关电源工作频率不断提高，尺寸体积不断缩小，可以尝试采用双面板。双面板的优点有三，一是改善EMI指标，二是提高布线密度，提高PCB板面的利用率，三能减小体积。本次设计我们将采用双面板的板层结构，来制作LED开关电源。其次，确定小功率元件封装方式。在高工作频率的状态下，小功率元件如小功率电阻、二极管、小容量电容、低压小功率三极管等采用贴片封装，能减小制作成本以及EMI干扰，提高电源产品的成品率。贴片封装的参考方式如表所示：图4.7贴片元件封装方式参考表再次，元件安装方式和注意事项也是十分重要的。对于本次设计采取的双面板结构，“单面SMD+THC混装”是最常见的元件安装方式，其余的还有“A面THC，B面SMD”和“A面SMD+THC，B面SMD”等方式，下面对这三种方式进行简要介绍。单面SMD+THC混装如图，优点是工艺流程简单，而缺点是集成度低而使得占用板面积大。A面THC，B面SMD的安装方式，普适于单面板和双面板。如图所示，优点是集成度较高，缺点是工艺比较复杂，且B面不能设置厚度超过1.0mm的贴片元件，如0805、1206等贴片电容或电阻，如不然无法保证波风焊接质量。此外，自动剪脚的刀具也容易撞坏厚度较高的元件。A面SMD+THC，B面SMD也是一种不错的安装方式，若当单面混装无法放置所有元件的时候。这种安装方式下的B面，贴片元件厚度也不宜超过1.0mm。图4.8元件安装方式最后，就是板材铜膜厚度选择的问题。线宽不变，板材铜膜厚度越大，能够通过的电流也就越大。本次设计的开关电源属于中小功率开关电源，板材铜膜厚度可选择1OZ（35um）。4.2EMI输入滤波电路布局布线原则EMI输入滤波电路的总体布局原则是从输入端开始，沿电流方向以一字型、L型或倒L型排列；元件间距合理，既不能过密也不能太稀疏。元件带电部位与金属外壳之间要达到双重绝缘标准，可采取加大间距以加强绝缘，或以辅助方式绝缘。布线间距要求基本绝缘。L与N之间、L/N与PE最小间距常取2.5mm。最小线宽在间距许可的情况下越大越好，既能减小寄生电感，又能使流过火线、零线印制导线内远高于其平均电流的高频脉冲电流安全流通避免造成损坏。对于1OZ厚度的铜膜，最小线宽经验值为“1mm/A”。总而言之，整个电路系统布线布局的过程中，要保证安规要求得到满足，要保证火线、零线线宽，要避免环路过大。所以，先大概完成元件布局，再尝试连线。在确认间距和线宽达到要求后，再细调元件摆放。4.3关键回路与节点走线1、大电流回路与开关节点对于大电流回路和开关节点，为减小连线寄生电感，降低EMI，走线要尽可能短、线宽尽可能大，回路面积尽可能小。大电流回路和开关节点主要有初级侧高频大电流回路、初级侧开关节点、初级侧MOS管栅极驱动电路等，如图所示。另外，布线过程中还需确保印制导线完整性，不轻易折断大电流特别是高频大电流回路连线，否则会额外引入寄生电感，增加EMI。2、弱信号线与弱信号电路为避免受到强信号干扰，造成PWM误操作，微弱信号线在布线时要尽可能远离高频大电流回路、开关节点，更不能放在高频大电流环路内。微弱信号线主要有ZCD信号检测线、初级侧主绕组电流检测线、初级侧反馈补偿网络、次级侧反馈补偿网络等。3、地线处理为降低EMI干扰，确保电路的正常工作，开关电源初级侧地线采用类似单点接地形式。整流桥的接地端与整流后滤波电容C1负极相连为1号地，辅助绕组的接地端为2号地，滤波电容C5与电阻R11并联后端接地为3号地，高频大电流回路地为4号地，PWM控制芯片接地端为5号地。此外，根据安规要求，电源输入端须标注火线、零线以及保护接地标志（因本次设计为不含地线的二类电器故不需注明，仅需注明L和N）。4.4PCB散热设计在开关电源的电路设计中，发热较大的元件之间不能靠的太近，同时一些热敏元件要尽可能远离发热元件。布局时可根据PCB板结构、散热环境及方式等条件优先考虑这些元件的位置。在开关电源中，发热元件有整流桥、输入滤波电容、变压器、开关管、次级高频整流二极管、输出滤波电容电感等。其中，输入输出滤波电容为大容量电解电容，既是发热元件，又是热敏元件，在布局时特别要独立并远离于其他发热器件。而热敏元件则有PWM控制芯片、基准电压源等，这些元件在布局时也要注意远离其他发热元件，以免造成电路异常而导致PWM芯片的误操作，影响开关电源的正常工作，甚至有可能导致电路的损坏与烧毁。在设置电路时，可考虑适当借助风扇强制散热，或外壳设置自然对流等方式进行合理散热，以保护开关电源电路。5实物制作以及测试分析在对上面一些布线布局规则的研究后，调整一下版面布局，得到图示PCB电路：图5.1最终PCB电路图接下来就是实物产品的制作。总结与展望本次设计是基于我在大学开关电源课程的学习基础上，对课程的知识进行问题解决和应用的一次实