1、 1 青 岛 科 技 大 学 本 科 课 程 设 计 题 目 _ 指导教师 _ 辅导教师 _ 学生姓名 _ 学生学号 _ _学院 _专业 _班 _年 _月 _日 开关电源电路设计 张伟 张伟 瞿润平 1407050229 自动化与电子工程 智能电网信息工程 142 2017 7 10 2 目录 任务书 2 一、开关电源主电路的设计及参数计算 4 1.主电路的选型 4 2.变压器设计计算 8 3.开关器件的选择 10 4.整流二极管的选择 11 二、开关电源控制电路的设计 12 1.控制电路的组成 12 2.控制模式的选择 13 3. PWM 集成控制器的选择 13 4. 控制电路的整体设计 1
2、5 三、附录 四、参考文献 3 开关电源技术课程设计 摘 要 目前开关电源的使用对象涵盖了包括空间技术、计算机、通信、仪器仪表、汽车电子、照明电器及家用电器等领域，几乎可以说是只要有电子产品的地方就有开关电源的用武之地 。本文以 主电路元器件 、变压器 的计算和选型，以及控制电路设计。 等介绍开关电源电路。 关键字 ： 主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算 一、课程设计的目的 通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的： 1、 培养学生文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。 2、 培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。 3
3、、 培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4、 培养学生运用仿真工具的能力和方法。 二、 课程设计的要求 1. 题目 开关电源电路设计 主要技术数据 1、 单相 交流输入电压 AC95270V； 4 2、直流输出电压 5V； 3、输出电流 3A； 4、输出纹波电压 0.2V； 5、 工作温度： 040C 注意事项： 学生也可以选择规定题目方向外的其它 开关电源电路 设计。 通过图书馆和 Internet 广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。设计装置（或电路）的主要技术数据 。 开关稳压电源基本原理框图 EMI滤 波 电
4、 路 整流 滤波 电路 辅助 电路 反馈 电路 高 频 变 换 器 输 出 整 流 滤 波 控 制 电 路 L N +4-16 GND 5 设计内容： 1）、开关电源主电路的设计及参数计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）注意：开关频率的选择 2）、开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、 PWM 集成控制器的选择、控制电路的整体设计） 3）、画出完整的主电路原 理图和控制电路原理图 2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体
5、电路元器件的选择应有计算和说明。 3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力 要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型） 4. 课题设计的主要内容是 主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件 、变压器 的计算和选型，以及控制电路设计。 5. 课程设计用纸和格式统一 课程设计用纸在学校印刷厂统 一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。 三、课程设计报告基本格式 目录内容： 1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途） 6
6、 2. 总体方案的确定 3. 开关电源主电路的设计及计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等） 4. 开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、 PWM 集成控制器的选择、控制电路的整体设计） 5. 附录（主电路、控制电路、驱动电路整 体图） 6. 参考文献 一、开关电源主电路的设计及参数计算 1、主电路的选型 开关电源的电路结构众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型和全桥型。一般来说，小功率电源（ 1 100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W 以上且工作环境干扰很大、输
7、入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于 500W，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用板桥型电路；如果功率很大，则应 采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。 由于设计要求直流输出电压为 5V，输出电流为 3A，输出功率小于 100W，所以使用反激型电路。 7 反激（ Flyback）型电路的结构如图（ 1-19a）所示。反激型电路存在电流连续和电流断续两种工作模式 。 电流连续工作模式在一个开关周期经历 2 个开关状态，电路中波形如图（ 1-22）所示。 t0 t1时段：电路处于开关状态 1，
8、S 开通以后， VD 处于断态，绕组 W1中的电流线性增长，其电感储能增加； t1 t2时段：电路处于开关状态 2， S 关 断后，绕组 W1中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组 W2和二极管 VD 向输出端释放。 电流断续工作模式在一个开关周期内相继经历 3 个开关状态。电路中的波形如图（ 1-21）所示。 8 t0 t1时段：电路处于开关状态 1， S 开通后，二极管 VD 处于断态，绕组 W1的电流线性增长，电感储能增加； t1 t2时段：电路处于开关状态 2， S 关断后，绕组 W1中的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组 W2和二极管 VD 向输出端释放，直到 t2时刻，变压
9、器中的磁场能量释放完毕，绕组 W2中电流下降到零， VD关断； t2 t3时段： 电路处于开关状态 3，绕组 W1和 W2中的电流均为零，电容 C向负载提供能量。 图 1-20是反激式变压器开关电源，工作于临界连续电流状态时，整流输入电压 uo、负载电流 Io，变压器铁芯的磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。图 1-20-a）中，变压器次级线圈输出电压 uo 是一个带正负极性的脉冲波形，一般负半周是一个很规整的矩形波；而正半周，由于输出脉冲被整流二极管限幅，当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时，输出波9 形基本也是矩形波。因此，在 Ton 期间，变压器铁芯中的磁通量是由剩磁SBr 向
10、最大磁通 SBm 方向 变化；而在 Toff 期间，变压器铁芯中的磁通量是由最大磁通 SBm 向剩磁 SBr 方向变化。图 1-20-c），是反激式变压器开关电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。图中， i1 为流过变压器初级线圈中的电流， i2 为流过变压器次级线圈中的电流（虚线所示）， Io 是流过负载的电流（虚线所示）。在控制开关接通期间，变压器铁芯被初级线圈电流磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被被次级线圈电流退磁，并向负载输出电流。从图 1-20-c）还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。变压器初级线圈电流 的最大值正好等于变压器次级线圈电流最大
11、值的 n 倍2、变压器设计计算 变压器是开关电源中的核心元件，许多其他主电路元器件的参数设计都以来于变压器的参数，因此应首先进行变压器的设计。 10 变压器磁芯的选择 如果工作效率是 88.2%，则变压器的传输功率为 =17w 由于许多因素，例如磁芯材料特性，变压器形状（主要是表面积对体积的比率）、表面的热辐射、允许温度、工作环境无法把传输功率与变压器的大小简单的联系起来。 (1) 计算 原边绕组开关晶体管的最大到同时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。假设 D=0.5。工作频率 60KHz。 =16.6us=D=0.516.6=8.3us (2) 计算最低直流输入电压 设当变换器在最低线路
12、输入电压时发生满载工作。计算它的输入端的直流电压。对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压的有效值的 1.4 倍，也不小于 1.2 倍。 (3) 选择工作时的磁通密度值 已知，选用 PC40EE13-Z 的铁芯磁路的有效面积 =17 对于一般形状的铁芯，当工作在 60KHz 的频率， 80%的饱和值： (4) 计算原边匝数 因为作用电压是一个方波，一个导通器件的伏秒值与原边匝数的关系 =192.1 匝 (5) 计算副边匝数 设整流二极管 的压降是 0.7v，绕组压降为 0.6v，则原边绕组压降电压值为 15+0.7+0.6=16.3v 原边绕组每匝伏数 =副边绕组匝数为 =匝 (6) 确定气隙大小及气隙计算 带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度 H 值下才会产生磁饱和，因此磁芯可经受一个更大的直流成分；另外，当 H=0 时，更小，磁芯的磁感应强度 B有一个更大的可用工作范围。最后，有气隙时，磁导能力降低，导致每匝的
