節(jié)能型恒流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

1、江 西 理 工 大 學(xué) 南 昌 校 區(qū)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）題 目：節(jié)能型恒流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)系 別 ：專 業(yè)：班 級(jí)：學(xué) 生：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師： 職稱：摘 要開(kāi)關(guān)電源因其高效節(jié)能引起社會(huì)各方面的重視，現(xiàn)已成為通用開(kāi)關(guān)電源、專用開(kāi)關(guān)電源及特種開(kāi)關(guān)電源優(yōu)選集成電路。特別是在驅(qū)動(dòng)led恒流開(kāi)關(guān)電源方面，發(fā)展尤其突出，因此具有很大研究?jī)r(jià)值。本畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)的目的就是針對(duì)led照明應(yīng)用的電源。led照明通常用多個(gè)發(fā)光二極管組成點(diǎn)陣光源，為使光源發(fā)光均勻則需供電電源提供恒定電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在論文中，首先闡述了節(jié)能型恒流開(kāi)關(guān)電源的工作原理，根據(jù)方案設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，給出了整體電路設(shè)計(jì)的理論依據(jù)；然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求

2、提出了整體電路的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并且闡述了整體電路工作原理和子電路的性能要求。在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)上，主要介紹了輸入整流與濾波、變壓器、功率開(kāi)關(guān)管、控制器、保護(hù)電路、電流電壓反饋網(wǎng)絡(luò)、輸出整流續(xù)流與濾波、穩(wěn)壓恒流輸出模塊。最后，本論文在整體電路原理分析和子電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用multisim仿真軟件對(duì)子電路模塊和整體電路進(jìn)行功能仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果滿足要求，進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性，也是設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐相結(jié)合的一次有價(jià)值的嘗試。關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源； 恒流； ledabstractswitching power supply is paid much attention for its high

3、efficiency and lowpower consumption. now it is popular used in general switching power supply special-purpose switching power supply, special switching power supply. especially, in the constant current led driver switching power supply, particularly in the development and therefore have great resear

4、ch value.the graduate (paper) is designed for the purpose of the power led lighting applications. led lighting is usually formed by a number of dot-matrix led light source, in order for the uniform led light source would provide constant current power supply to drive. in the paper, first of all on t

5、he energy-saving constant switching power supply works, according to design technical parameters, given the overall design of the theoretical basis and in accordance with design requirements of the overall framework for the realization of circuits, and on the overall circuit working principles and p

6、erformance requirements of the circuit. in the whole circuit design, mainly on the input rectification and filtering, transformers, power switch, the controller circuit protection, current and voltage feedback network, the output rectifier continued flow and filtering, regulators constant current ou

7、tput module. based on the whole circuit principle analysis and sub-block design, the author simulated the sub-block circuits and the whole circuit by applying the tool multiuse. the simulation results indicate that the switching power supply circuit has achieved expectation of the function target an

8、d the electrical characteristics. moreover, the circuit principle analysis and design has been verified. although there are unavoidable disadvantages of this thesis, it is a worthwhile and valuable experience.key words: switching power supply； constant current； led目 錄第一章 緒 論11.1 開(kāi)關(guān)電源及其發(fā)展趨11.1.1 國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)

9、電源的發(fā)展概況11.1.2 國(guó)外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展概況21.2 題目研究方法與價(jià)值5第二章 開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)鋱D72.1 單端正、反激式變換器7第三章 恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)93.1 電源技術(shù)要求93.2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟93.3 變壓器設(shè)計(jì)123.3.1 輸出變壓器次級(jí)電壓u2計(jì)算123.3.2 初、次線圈計(jì)算123.4 輸出濾波器的設(shè)計(jì)133.4.1 輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì)133.4.2 輸出濾波電容的確定143.4.3 濾波器電阻設(shè)計(jì)143.5 復(fù)位電路計(jì)算153.6 功率開(kāi)關(guān)管選擇173.7 輸出二極管的選擇183.7.1 整流二極管vd1選擇183.7.2 續(xù)流二極管vd2選擇193.8 恒流輸

10、出電路設(shè)計(jì)203.8.1 恒流輸出原理203.8.2 恒流輸出計(jì)算213.9 緩沖吸收電路設(shè)計(jì)223.10 控制電路設(shè)計(jì)23第四章 電路仿真調(diào)試264.1 仿真原理圖264.2 進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)與波形仿真測(cè)試28第五章 結(jié)論32參考文獻(xiàn)33致 謝34附錄35第一章 緒 論1.1開(kāi)關(guān)電源及其發(fā)展趨開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源 (switching power supply)，因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作而得名。它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管通斷的時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴(kuò)容等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)

11、用在諸如計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、程控交換機(jī)、攝像機(jī)、vcd、電子游戲機(jī)等電子設(shè)備上。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件igbt和mosfet的迅速發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性，因此，開(kāi)關(guān)電源將逐漸取代使用工頻變壓器的線性穩(wěn)壓電源。 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù) (it)的發(fā)展對(duì)電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息 產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和 產(chǎn)業(yè)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平，即提高一個(gè)國(guó)家單位能耗的產(chǎn)出水

12、平，具有舉足輕重 的作用。而在這個(gè)方面我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家的差距很大，作為一個(gè)電源工作者，應(yīng)該不僅只局限于完成當(dāng)前的本職工作，還必須通過(guò)各種信息渠道及時(shí)搜索和掌握電源技術(shù)最新發(fā)展方向與 電源相關(guān)的元器件、原材料的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，及時(shí)吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的薄膜工藝、厚膜工藝、集成化工藝等，只有這樣才能設(shè)計(jì)出世界上一流的電源產(chǎn)品。 1.1.1 國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展概況 (1) 電源技術(shù)的發(fā)展 21世紀(jì)我國(guó)通信、信息、家電、和國(guó)防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開(kāi)關(guān)電源，相控電源將逐漸淘汰。國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本起源于20世紀(jì)70年代末和80年代初。當(dāng)時(shí)引進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研院所停留在實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)和教

13、學(xué)階段。20世紀(jì)80年代中期開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品開(kāi)始推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是采用20khz，脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)，效率可達(dá)65%70%。在開(kāi)關(guān)電源的所有應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，通信電源是增長(zhǎng)速度最快的一部分。新型磁材料和新型變壓器的開(kāi)發(fā)，新型電容器和emi濾波器技術(shù)的進(jìn)步，以及專用集成控制芯片的研制成功，使開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并提高了emc性能。微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源的可靠性，也適應(yīng)了市場(chǎng)對(duì)其智能化的要求。新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導(dǎo)體器件，一旦開(kāi)發(fā)成功，對(duì)電源技術(shù)的影響將是革命性。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容等元器件的

14、發(fā)展，也將對(duì)電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。 (2)電源生產(chǎn)的發(fā)展 在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域，民族產(chǎn)業(yè)一直占有舉足輕重的地位。在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的起步階段，很多生產(chǎn)廠家采取的都是小作坊的生產(chǎn)模式。經(jīng)過(guò)20多年的不懈努力，逐漸向大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品也從單一品種走向系列化?，F(xiàn)在，我國(guó)已經(jīng)形成一批上億元、甚至10億元以上產(chǎn)值的電源企業(yè)，有產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。（3）電源市場(chǎng)的發(fā)展 我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)、國(guó)防工業(yè)、家電行業(yè)，特別是電信業(yè)的迅猛發(fā)展，是電源市場(chǎng)發(fā)展的強(qiáng)大推動(dòng)力。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新資料顯示，當(dāng)前我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)區(qū)、產(chǎn)出、銷(xiāo)售總規(guī)模以及對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)得貢獻(xiàn)，均居全國(guó)工業(yè)行業(yè)之首，成為我國(guó)工業(yè)第一支柱產(chǎn)業(yè)。（4）電源標(biāo)

15、準(zhǔn)的制定 20世紀(jì)90年代初，高頻開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用剛剛在電子、電信行業(yè)起步，適時(shí)頒布的通信用高頻開(kāi)關(guān)整流器和通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)、服務(wù)用戶起到了重要作用，對(duì)高頻開(kāi)關(guān)電源在電信行業(yè)的迅速推廣也起到了積極作用。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，用戶對(duì)電源智能化程度的要求越來(lái)越高，有關(guān)電源集中監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)相繼被推出。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，經(jīng)驗(yàn)逐漸積累，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)急需修訂，技術(shù)指標(biāo)需要改進(jìn)，測(cè)試方法需要完善，內(nèi)容需要增加，為把好的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)提供更可靠依據(jù)。1.1.2 國(guó)外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展概況 自20世紀(jì)90年代以來(lái)，許多領(lǐng)域和新的要求對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了更新更高的挑戰(zhàn)。如果從一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的輸入和輸出窗口觀察可

16、以發(fā)現(xiàn)，輸入的要求變得更嚴(yán)，不符合iec1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰；輸出則派生出了許多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，研制和開(kāi)發(fā)的難度變得更大了。正是由于外界的這些要求推動(dòng)力兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源的分支技術(shù)一直成為當(dāng)今電力電子的研究課題4,9，即有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功率dc/dc變換技術(shù)。另外由于技術(shù)性能和要求的提高，使得許多相關(guān)技術(shù)課題的研究，例如emi技術(shù)、pcb layout問(wèn)題、熱理論的分析、集成磁技術(shù)、新型電容技術(shù)、新型功率器件技術(shù)、新型控制以及結(jié)構(gòu)和工藝等正在迅速增加。1 開(kāi)關(guān)電源電路器件的發(fā)展動(dòng)態(tài)（1） 半導(dǎo)體器件的發(fā)展。功率半導(dǎo)體器件仍是電力電子技術(shù)發(fā)展的龍頭，電力電技術(shù)的進(jìn)步

17、必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。（2）新型變壓器的發(fā)展。新型變壓器是電力電子產(chǎn)品或開(kāi)關(guān)電源中必不可少的部件。平面變壓器是近兩年才面世的一種全新產(chǎn)品，其突出優(yōu)點(diǎn)是能量密度高因而體積大大縮小，相當(dāng)于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%99%；工作頻率高，從50khz到2mhz;漏感低；電感干擾?。╡mi）小等。（3）超容電容器的發(fā)展。超容電容器是電容器件近年來(lái)的最新產(chǎn)品。超容電容器采用了獨(dú)特的金屬/碳電極技術(shù)和先進(jìn)的非水電解質(zhì)，具有極大的電極表面和極小的相對(duì)距離, 可方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲(chǔ)組件。2 電路集成和系統(tǒng)集成的發(fā)展動(dòng)態(tài) 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向是模塊化、集成化。集

18、成化模塊化使電源產(chǎn)品體積更小、可靠性更高，給應(yīng)用帶來(lái)極大方便。3 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài) 功率因數(shù)校正的概念起源于20世紀(jì)80年代，但被重視和推廣在80年代末期和90年代。歐洲和日本相續(xù)對(duì)開(kāi)關(guān)電源裝置的輸入諧波要求制定了標(biāo)準(zhǔn)。目前有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即ie555-2和iec1000-3-2.這使得研究pfc技術(shù)已成為電源界的熱點(diǎn)。通常有兩大類(lèi)pfc技術(shù)，一類(lèi)是無(wú)源pfc技術(shù)，另一類(lèi)是有源pfc技術(shù)。前者采用無(wú)源元件來(lái)改善輸入功率因數(shù)，減小電流諧波，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。后者是用一個(gè)變換器傳入整流濾波與dc/dc變換器之間，通過(guò)特殊的控制，第一強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，第二反饋輸出電

19、壓便隨之穩(wěn)定，從而使dc/dc變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法上的特點(diǎn)是控制復(fù)雜，但體積大大減小。另外，第二級(jí)設(shè)計(jì)也易優(yōu)化進(jìn)一步提高性能。最后隨著開(kāi)關(guān)電源性能的不斷提高，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求也愈來(lái)愈高。但是21世紀(jì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)最終發(fā)展趨勢(shì)是小型化、薄型化、輕量化、高頻化；高可靠性；低噪聲、節(jié)能型等方向發(fā)展的。1.2 題目研究方法與價(jià)值1、研究方法當(dāng)輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，電源的輸出電流是不變的。而在恒流源的特性1-2圖中，即使理想的恒流源是內(nèi)阻為無(wú)窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值，且與端電壓的大小和極性無(wú)關(guān)的電流源。實(shí)際的電流源是內(nèi)阻r0和功率都是有限的電流源。當(dāng)負(fù)載電阻

20、ro時(shí)，輸出功率。理想恒流源的外特性是一條垂直于橫坐標(biāo)電流軸的直線 圖1-2（左為理想電流源，右圖為實(shí)際電流源） 電流源外特性圖（1表示理想電流源，2表示實(shí)際電流源）而在電路中： (電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源。)2、研究?jī)r(jià)值開(kāi)關(guān)電源因其高效節(jié)能引起社會(huì)各方面的重視，現(xiàn)已成為通用開(kāi)關(guān)電源、專用開(kāi)關(guān)電源及特種開(kāi)關(guān)電源優(yōu)選集成電路。多年來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的核心單元控制電路實(shí)現(xiàn)集成化是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向之一，在這過(guò)程中，更小體積，更少電磁污染，具有可靠的過(guò)電壓及過(guò)電流保護(hù)電路的技術(shù)也在飛速發(fā)展，特別是在驅(qū)動(dòng)led恒流開(kāi)關(guān)電源方面，發(fā)展尤其突出，因此具有很大研究?jī)r(jià)值。白光led是國(guó)際公認(rèn)的下一代照明光源

21、。而有人斷言，高亮度led將是人類(lèi)繼愛(ài)迪生白燈泡之后，最偉大發(fā)明之一，那么隨著技術(shù)發(fā)展白光led將逐漸取代傳統(tǒng)的照明源指日可待。因此白光led驅(qū)動(dòng)電源也將有著越來(lái)越廣泛應(yīng)用前景的。另一方面從技術(shù)角度看，實(shí)現(xiàn)led低電壓大電流，并且要保持電路穩(wěn)定性同時(shí)又要不斷提高能量轉(zhuǎn)換率，這對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是較大挑戰(zhàn)，同時(shí)我們可以看，白光led驅(qū)動(dòng)恒流開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)具有誘人的發(fā)展趨勢(shì)與非常好產(chǎn)業(yè)前景。第二章 開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)鋱D2.1 單端正、反激式變換器單端正激式變換器是在buck變換器的開(kāi)關(guān)管與續(xù)流二極管之間插入高頻變壓器，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出電氣隔離的一種dc-dc變換器。它由逆變器（dc-ac）、輸出整流濾波電路、

22、反饋控制pwm驅(qū)動(dòng)電路等組成的。電路如下圖2-1所示： 圖2-1 單端正激式變換器原理圖 單端正激式變換器工作原理可按其工作狀態(tài)分開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通一次側(cè)能量向二次側(cè)傳輸過(guò)程；開(kāi)關(guān)管截止磁浮為電路將磁化能量轉(zhuǎn)移到電源及二次側(cè)電感儲(chǔ)能經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流的過(guò)程；開(kāi)關(guān)管截止期間磁浮為完成及電感儲(chǔ)能斷續(xù)經(jīng)續(xù)流過(guò)程。兩個(gè)過(guò)程等效電路圖： （a）vt1能量傳輸?shù)刃щ娐穲D (b) vt1截止磁復(fù)位完成，l1電流仍續(xù)流等效電路圖 第三章 恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)3.1電源技術(shù)要求選用單端正激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D2-1，因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì)，也是開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用較多一種，并且它功率輸出在50200w是最合適的。設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：輸入電

23、壓：交流220v10% 紋波電壓up：0.5v輸出電壓uo：15v 輸出波動(dòng)電流ip：0.1a輸出電流io：10a 占空比：d max0.42 3.2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟 1、開(kāi)關(guān)電源可以采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。由于其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因此要把它分解成多個(gè)基本模塊設(shè)計(jì)，功能模塊圖見(jiàn)圖3-1。原理圖3-1開(kāi)關(guān)電源是由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、穩(wěn)壓恒流電路、保護(hù)電路、反饋電路、控制電路以及功率開(kāi)關(guān)組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過(guò)濾，也是通過(guò)整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲(chǔ)能、變流或者是變阻等作

24、用的。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過(guò)整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，當(dāng)然還要通過(guò)濾波器把多余雜波給濾掉。穩(wěn)壓恒流輸出電路目的是為負(fù)載提供一個(gè)恒流電流。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過(guò)輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準(zhǔn)電流電壓值相比較，起到反饋傳遞作用。控制器是通過(guò)反饋電路的信息在調(diào)整電路電流電壓的輸出的，輸出電流盡可能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。而功率開(kāi)關(guān)管是由控制器pwm控制它的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)脈沖寬度從而也實(shí)現(xiàn)占空比大小調(diào)節(jié)的。整體電路是將頻率為50hz、220v的市電交流電壓經(jīng)過(guò)主電路輸入整流與濾波、變壓器、整流、續(xù)流與濾波、穩(wěn)壓電路恒流流電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，輸出恒定的直流

25、電流。整流、續(xù)流與濾波變壓器穩(wěn)壓恒流輸出輸入整流與濾波輸入驅(qū)動(dòng)vcc地線功率開(kāi)關(guān)管控制器pc1094c保護(hù)電路反饋網(wǎng)絡(luò) 圖3-1 開(kāi)關(guān)電源模塊功能圖 2、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)總是先進(jìn)行總體考慮，然后對(duì)電源各部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，接下來(lái)就是設(shè)計(jì)總體和輔助功能，最后進(jìn)行測(cè)試和設(shè)計(jì)優(yōu)化的。下面開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟流程圖3-2開(kāi)始選用拓?fù)鋱D變壓器設(shè)計(jì)輸出濾波與整流設(shè)計(jì)功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)輸出反饋設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)高層功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)試電路實(shí)際工作與設(shè)計(jì)結(jié)果的區(qū)別優(yōu)化設(shè)計(jì)emi/rfi測(cè)試 圖3-23.3變壓器設(shè)計(jì)圖3-3變壓器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將電能從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪浑娐返碾姶叛b

26、置，是電源設(shè)備中的關(guān)鍵部件之一。變壓器只用于交流傳輸與變換，而不能進(jìn)行直接傳輸，在交流電路中起電氣隔離、儲(chǔ)能、變壓、變阻等作用的。圖3-3 變壓器3.3.1輸出變壓器次級(jí)電壓u2計(jì)算 （3.3.1）ul是輸出扼流圈在內(nèi)次級(jí)線圈的電壓降，uf是輸出二極管的正向電壓。最低的次級(jí)電壓u2min為 （3.3.2）設(shè)(設(shè)定肖特基二極管)，則3.3.2初、次線圈計(jì)算輸入直流電壓u1的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的u1min值。根據(jù)中國(guó)輸配電情況u1=200253v,則變壓比n為根據(jù)資料可知它的有效面積為s=111mm2磁心材質(zhì)相當(dāng)于tdk的h7c4,最大工作磁道密度mb可從圖3-4中查得.實(shí)際使用時(shí)的磁心

27、溫度約100，且要選擇能保持線性范圍的bm，即0.3t以下。當(dāng)磁心溫度有100，工作頻率200khz時(shí)，約減少0.1t而成為。根據(jù)線圈計(jì)算公式則， （3.3.3）因而次級(jí)n2 = 4，式中bm為磁心的磁通密度（t）；s為磁心的有效截面積（mm2）。初級(jí)線圈的匝數(shù)則是 確定。次級(jí)線圈所需要的電壓u2min一定要充分，因此要進(jìn)行ton max的修正計(jì)算。根據(jù)（3.3.2）公式則有 dmax修正結(jié)果為0.42,仍然在0.40.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。3.4 輸出濾波器的設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈lf 與輸出濾波電容器cf 構(gòu)成的“l(fā)”型濾波器如右圖3-4。電感線圈對(duì)高

28、頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達(dá)到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。圖3-4 濾波器3.4.1 輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì) 計(jì)算流入輸出扼流圈電流 (3.4.1)l為輸出扼流圈的電感（h）；為輸出電流的10%30%。則有電感l(wèi)值為：由此可見(jiàn)，需要11.86h，10a的扼流圈。3.4.2 輸出濾波電容的確定輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓雖要根據(jù)和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%0.5%范圍。又因 （3.4.2）根據(jù)（3.4.2）得: 就是在200hkz范圍內(nèi)，需要值在37.5m以下電容器的。所以可以選擇20v，820

29、0h，則為31m,容許脈動(dòng)電流為2.9ams.流向電容器的紋波電流為 2.9a 說(shuō)明該電容器合適。3.4.3 濾波器電阻設(shè)計(jì)要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設(shè)電阻值為則假設(shè)電阻電耗為 3.5 復(fù)位電路計(jì)算復(fù)位電路如圖3-5所示。開(kāi)關(guān)功率管vt1接通時(shí)，變壓器t1的磁通增加，磁能被儲(chǔ)存到t1，當(dāng)vt1截止時(shí)，即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到t1上， 圖3-5 復(fù)位電路以在vt1截止時(shí)通過(guò)vd1把磁能反饋到輸入。在vt1截止時(shí)，因復(fù)位線圈n3兩端的電壓受u1限制因此，這是初級(jí)圈的電壓u3可求 (3.5.1)在此公式里，如果n1和n3線圈耦合不好，則vt1截止瞬間所發(fā)生的尖峰電壓

30、會(huì)因漏磁通而bm也會(huì)飽和，且會(huì)有過(guò)大電流流向初級(jí)線圈，為防止這種現(xiàn)象，要滿足下面（3.5.2）公式 （3.5.2）即 所以 則磁復(fù)位串接在n3的中二極管vd1承受最大電壓為那么選擇vd1額定電壓為800v，這樣基本符合要求的。3.6 功率開(kāi)關(guān)管選擇 右圖3-6為mosfet型功率開(kāi)關(guān)管，它主要具有驅(qū)動(dòng)功率小，器件功率容量大；第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于gtr等優(yōu)點(diǎn)，也是目前開(kāi)關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)器件。 根據(jù)單端正激式變換器計(jì)開(kāi)關(guān)管vt1承受最大電壓公式6得: 圖3-6 (3.6.1)流過(guò)mosfet開(kāi)關(guān)管最大電流為 功率mosfet表3-7型號(hào)最大承受電壓vd

31、s（v）最大電流id（a）最大功率損耗pd（w）封裝型號(hào)導(dǎo)通最大電阻值rds（on）典型值typ最大值max正向降vgs（v）正向電流id（a）2sk345327001080to-3p(n)is0.721.01052sk26038003100to-220ab3.03.6101.52sk2883800375to-220fl/sm3.03.6101.52sk2605800545to-220(nis)1.92.2103.02sk28848005100to-220fl/sm1.92.2103.02sk26048005125to-3p(n)1.92.2103.02sk27468007150to-3p(n

32、)1.31.7103.52sk2606800885to-3p(n)is1.01.2104.02sk26078009150to-3p(n)1.01.2104.02sk3301900120pw-mold1.52.0100.52sk2845900140dp8.09.0100.52sk2733900160to-220ab8.09.0100.52sk27189002.540to-220(nis)5.66.4101.52sk26089003100to-220ab3.74.3101.5根據(jù)下面功率mosfet表3-7，可以選擇東芝2sk2718型號(hào)。它的最高承受電壓為900v，允許最大電流為2.5a，而功率

33、損耗是40w，是上面功率最小損耗的。3.7 輸出二極管的選擇輸出二極管有肖特基二極管（sbd）,低損耗二極管（lld）、高速二極管(frd)。輸出為低壓大電流時(shí)應(yīng)采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復(fù)時(shí)間trr快的二極管。這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會(huì)影響初級(jí)線圈開(kāi)關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí)，輸出噪聲也會(huì)受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。1、 選用正向壓降vdf小的整流二極管；2、 選用反向恢復(fù)時(shí)間trr整流二極管；3、 選用正向恢復(fù)電壓vfrm整流二極管；4、 選用反向漏電流ir小整流二極管。3.7.1整流二極管vd1

34、選擇根據(jù)單端正激式變換器（2.5.1）公式，在vt1截止時(shí)承受最大壓降為流過(guò)整流二極管的最大電流、有效值為（二次則占空比d為0.42）分別為： (3.7.1) (3.7.2)而選擇取整流二極管額定電流if時(shí)，應(yīng)按流過(guò)的電流有效值idrms計(jì)算值選取的，并留有一定裕度，還要考慮散熱條件，通常選取 可以選擇肖特基二極管in5825,最大承受電壓uds 40v,額定電流為15a.,trr1.0ns3.7.2 續(xù)流二極管vd2選擇續(xù)流二極管vd2上的反向電壓uvd2與輸出變壓器次級(jí)電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式6得:流過(guò)它方向電流ir一般看作與io大致相同的，即 ir=io=10a.可

35、選擇低損耗二極管mbr1545 作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，uds=45v, io=15a,trr1.0ns.3.8 恒流輸出電路設(shè)計(jì)3.8.1 恒流輸出原理 任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能，均需對(duì)電源的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)取樣，與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)（p、pi、pid）。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開(kāi)關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定8,18。圖3-9-1a是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中iref是電流設(shè)置基準(zhǔn)；cr是電流pi調(diào)節(jié)；kfi是電流取樣反饋系數(shù)；rs、ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測(cè)變換器輸出電流，適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)k

36、fi, 通過(guò)p（比例）、pi（比例積分）、pid（比例積分微分器）實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過(guò)改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。pwmcr整流濾 波dc/dc變換器 irefif kref 圖3-8-1a 恒流控制反饋系統(tǒng)圖圖3-8-1b是恒流電源常用電路，其中采樣電阻rs串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并與基準(zhǔn)電壓uref在放大器中進(jìn)行比較放大，然后將其送至調(diào)整管vt的基極，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管vt對(duì)輸出電流io變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出的。圖3-8-1b 恒流電源原理圖3.8.2 恒流輸出計(jì)算恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)恒流源電

37、路構(gòu)成如3-8圖所示。mc7815為三端固定式集成穩(wěn)壓器，rl為led二極管負(fù)載電阻，rw為可調(diào)電阻器。 圖3-8 恒流輸出電路工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器rw，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)rw，可以改變電流的大小，其輸出電流為 式中iq為mc7815的靜電流，小于10ma。當(dāng)rw較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略iq。當(dāng)電路中電壓或者是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，mc7815用改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負(fù)載的電流不變的。設(shè)rw=115時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍 因此可以實(shí)現(xiàn)10a恒流輸出的。3.9 緩沖吸收電路設(shè)計(jì)在開(kāi)關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在

38、、開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲(chǔ)效應(yīng)，反向恢復(fù)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)地碾壓尖峰脈沖。這些過(guò)電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設(shè)計(jì)尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如3-9 圖3-9 （紅色框內(nèi)是緩沖電路）從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當(dāng)mosfet功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉(zhuǎn)移到電容器中儲(chǔ)存，然后電容器的儲(chǔ)能通過(guò)電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會(huì)隨之而減少，以及減少損耗

39、和可能出現(xiàn)振蕩。3.10 控制電路設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流電源的主回路工作狀態(tài)，由控制回路來(lái)完成，控制回路在主回路中隊(duì)電壓或者電流取樣，作為控制回路的輸入，其輸出控制主回路達(dá)到預(yù)定工作狀態(tài)。控制回路多數(shù)采用脈沖寬度調(diào)制器（pwm）。而下面采用是pc1094c控制電路圖如3-10a所示，下面是它結(jié)構(gòu)圖與及引腳功能表3-10。圖3-10a pc1094c芯片圖表3-10 pc1094引腳功能引腳號(hào)功 能引腳號(hào)功 能1死區(qū)時(shí)間控制8電源電壓2反饋9輸出晶體管集電極3過(guò)流閉鎖控制10輸出級(jí)輸出4懸空11輸出晶體管發(fā)射極5定時(shí)電容器12懸空6定時(shí)電阻器13通/斷控制時(shí)間7接地14基準(zhǔn)電壓下圖3-10b是控制i

40、c芯片與外部電路連接視圖，組成所需要設(shè)計(jì)功能或參數(shù)。1、振蕩器振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器r17與接在引腳5上的定時(shí)電容器c15決定的。當(dāng)時(shí)振蕩頻率。2、啟動(dòng)電路啟動(dòng)電路由接在引腳8上r14接上外部電源為芯片工作提供vcc=15v電源，而接在引腳9上是通過(guò)r10接在外部電路提供集電極電壓。3、限流電路過(guò)流保護(hù)電路由r18、r19 、c16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mv。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，引腳3上的電壓超過(guò)200mv的正負(fù)閥值，輸出級(jí)被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來(lái)之前，過(guò)流閉鎖器復(fù)位，對(duì)下個(gè)周期的過(guò)電流進(jìn)行檢測(cè)，限制脈沖寬度。 圖3-10b

41、 pc1094c芯片外接電路圖4、過(guò)電壓保護(hù)電路 過(guò)電壓保護(hù)電路由光電耦合器pc1、r16組成的。當(dāng)輸出電壓超過(guò)15v時(shí)，光電耦合器pc1動(dòng)作，經(jīng)過(guò)引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級(jí)鎖定為低電平。5、 最大占空比的設(shè)定和軟啟動(dòng)最大占空比是由電阻器r14、r15分壓比來(lái)確定的。為了防止變壓器的磁飽和，當(dāng)電源電壓剛啟動(dòng)時(shí)，與r14并聯(lián)的電容器c14上電壓不能突變，引腳1上電壓為uref,占空比為最大的。6、 輸出電壓控制電路輸出電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)r5、r6、r7組成分壓電路確定的： （3.11）第四章 電路仿真調(diào)試電路仿真調(diào)試對(duì)于今天大多數(shù)的設(shè)計(jì)而言已不再是一種選擇，而是必然之路。在我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)可以根

42、據(jù)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）建立模型，通過(guò)對(duì)模型的計(jì)算機(jī)分析、研究和實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到研制和開(kāi)發(fā)實(shí)際電路（或系統(tǒng)）的目的。由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)和高可靠性，因此倍受人們的重視。應(yīng)用仿真技術(shù)可以減少設(shè)計(jì)費(fèi)用和設(shè)計(jì)時(shí)間，并改進(jìn)電力電子電路的可靠性。國(guó)內(nèi)外eda、ewb、multisim、matlab、special puipose等電路仿真軟件相應(yīng)而蓬勃產(chǎn)生。而在這次開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是利用multisim電路仿真軟件來(lái)測(cè)試電路的。multisim仿真軟件是繼承了ewb軟件的諸多優(yōu)點(diǎn)的，并且在功能和操作方法上有很大改進(jìn)的。它可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、器件的線性和非線性分析、電路

43、的噪聲分析和失真分析等強(qiáng)大的功能的，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的合理性的4.1仿真原理圖 總開(kāi)關(guān)示波器萬(wàn)用表 萬(wàn)用表 圖4-1 電路仿真原理 圖4-1是單端正激開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓恒流電源仿真原理圖，輸出電壓反饋形成單閉環(huán)控制的，這個(gè)仿真原理是通過(guò)仿真軟件multisim一些仿真工具實(shí)現(xiàn)的，例如虛擬示波器、萬(wàn)用表、功率表等等來(lái)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)的，而這個(gè)仿真原理圖也基本和圖3-8-1a恒流反饋原理圖相一致的?？傞_(kāi)關(guān)4.2 進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)與波形仿真測(cè)試1、 市電輸入交流電為220v，萬(wàn)用表讀數(shù)輸入電壓波形圖如下：輸入電壓測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表1 測(cè)量次數(shù)： 1 2 3 4 5 平均值 輸入電壓值(v)： 219.3 218.3

44、 218.6 219.5 218.6 218.92、功率開(kāi)關(guān)管出發(fā)脈沖圖測(cè)試:3、輸出穩(wěn)壓波形測(cè)試：4、 變壓器經(jīng)過(guò)整流后二次直流電壓測(cè)試：輸出電壓測(cè)試記錄表2 測(cè)量次數(shù)： 1 2 3 4 5 平均值 輸出電壓值(v)： 15.0 15.1 15.0 15.2 15.0 15.65、輸出電流測(cè)試：輸出電流測(cè)試記錄表3 測(cè)量次數(shù)： 1 2 3 4 5 平均值 輸出電流值(a)： 9.97 9.98 10.02 10.05 9.98 10.006、功率測(cè)試：輸入功率測(cè)試圖1 輸出功率測(cè)試圖 2 輸出功率測(cè)試記錄表4 測(cè)量次數(shù)： 1 2 3 4 5 平均值 輸入功率值(w)： 184.2 184.1

45、 184.5 184.3 184.5 184.3輸出功率測(cè)試記錄表5 測(cè)量次數(shù)： 1 2 3 4 5 平均值 功率效率 輸出功率值(w)：149.2 149.5 149.6 149.3 149.6 149.4 0.811最后，通過(guò)對(duì)整體電路的功能和典型性能參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果均達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，證實(shí)了方案可行性與理論分析的正確性。第五章 結(jié) 論本畢業(yè)（論文）設(shè)計(jì)題目是節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源，主要是針對(duì)led照明應(yīng)用的電源。從方案初步構(gòu)想，再到搜索與查閱大量相關(guān)資料，再到最后提出方案可行性，到理論設(shè)計(jì)，這一過(guò)程，都做出最大努力。首先在恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)這部分，從電源技術(shù)要求到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟，在到變壓器設(shè)計(jì)，然后到濾波器的設(shè)計(jì)最后到恒流輸出設(shè)計(jì)。這些細(xì)小環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈龀隹煽啃詫?shí)驗(yàn)理論數(shù)據(jù)。從市電輸出220v到變壓器降到16v左右輸出，從功率開(kāi)關(guān)管脈寬調(diào)節(jié)占空比到輸出功率150w、輸出恒流10a設(shè)計(jì)，都做精密計(jì)算與檢測(cè)的。 本次實(shí)踐中，進(jìn)一部加深了我對(duì)平時(shí)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，也了解到要把學(xué)到的知識(shí)用于實(shí)踐中，不只重視理論，要考慮學(xué)到的東西能用在那方面，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我的自學(xué)能力和獨(dú)立找出問(wèn)題、分析問(wèn)題的能力和動(dòng)手能力。在本次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了做任何事情都要有耐心，電路焊好并不代表你已經(jīng)成功了，測(cè)試也是一個(gè)很重要的階段。在測(cè)