1、 毕 业 论 文引言：1 1.1 主要技术指标11.2 基本工作原理机框图1 2. 各主要功能描述 1 3. 设计方案 1 3.1 交流 EMI 滤波及整流滤波电路 3.2 半桥式功率变换器 13.3 功率变压器的设计 13.4 辅助电源的设计 1 3.5 驱动电路和风扇风速控制电路 3.6 PWM 控制电路和过流保护电路 4. 设计总结 引言 开关稳压电源介绍开关电源是相对线性电源说的。他输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率
2、越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。但它也有缺点，就是电路复杂，维修困难，对电路的污染严重。电源噪声大，不适合用于某些低噪声电路。所谓开关式电源，就是通过用电子线路组成开关式（方波）震荡电路来达到对电能的转换. 这种方式有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电脑电源可以在 80V240 都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与
3、重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。 所谓开关电源，是指开关电源中的调整管工作在截止区和饱和区。调整管截止时，相当于机械开关的断开，调整管饱和时，相当于机械开关闭合。这种起开关作用的三极管就叫开关管，而用开关管来稳定电压的电源，就称之为开关型稳压电源。开关式电源:是调整元件工作在开关状态的稳压电源 .调整元件通常采用晶体管 可控硅磁开关等. 特点:体积小,稳压范围宽,效率高, 但结构复杂,电源噪声大 .输出电压为矩形脉冲电压.所以,不能使用在高要求的线性电源上.开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从
4、而产生所需要的一组或多组电压！转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比 50HZ 高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！成本很低如果不将 50HZ 变为高频那开关电源就没有意义在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在 515V，电流在 540A 的电源。而一般实验用电源最大电流只有 5A、10A。为此专门开发了电压 4V16V 连续可调，输出电流最大 40A 的开关电源。它采用半桥电路，所选用开关器件为功率 MOS 管，开关工作频率为 50kHz，具有重量轻、体积小、成本低等特点。1.1 主要技术指标 a.交流输入电压 AC220V20；b.直流输出电压
5、 1012V 可调；c.输出电流 0 10A；d.输出电压调整率1；e.纹波电压 Up p50mV ；1.2 基本工作原理及原理框图 开关电源的工作原理是: 1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压, 经整流滤波供给负载; 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路, 控制 PWM 占空比 ,以达到稳定输出的目的. 交流电源输入时一般要经过扼流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰该电源的原理框图如图 1 所示。 220V 交流电压经过 EMI 滤波及整流滤波
6、后，得到约 300V 的直流电压加到半桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率 MOS 管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。各主要功能描述 3.1 交流 EMI 滤波及整流滤波电路 交流 EMI 滤波及整流滤波电路如图 2 所示。电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有 IEC 插头电网滤波器和 PCB 电源滤波器组成。 IEC 插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB 电源滤波器主要是抑
7、制功率开关转换时产生的高频噪声。交流输入 220V 时，整流采用桥式整流电路。如果将 JTI 跳线短连时，则适用于 110V 交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻 R1 和继电器 K1 组成的输入软启动电路。3.2 半桥式功率变换器该电源采用半桥式变换电路，如图 6 所示，其工作频率 50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4 和 Q5 功率管及 C34 和 C35 电容器。Q4
8、和 Q5 交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1 两端产生一幅值为 U1/2 的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4 和Q5 采用 IRFP460 功率 MOS 管。3.3 功率变压器的设计工作频率的设定：工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为 fs=50kHz。 T=1/fs=1/50kHz=20s 选取磁芯材料和磁芯结构：选用 R2KB 铁氧体材料制成的 EE 型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜
9、等优点。 确定工作磁感应强度 Bm：R2KB 软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度 Bs=0.47T，考虑到高温时 Bs 会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定 Bm=1/3Bs=0.15T。 计算并确定磁芯型号：磁芯的几何截面积 S 和磁芯的窗口面积 Q 与输出功率 Po 存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为 式中：效率； j电流密度，一般取 300 500A/cm2； Kc磁芯的填充系数，对于铁氧体 Kc=1； Ku铜的填充系数，Ku 与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为 0.10.5 左右。 。由厂家手册知，EE55 磁芯的 S=3.54cm2,Q=3
10、.1042cm2,则 SQ=10.9cm4，EE55 磁芯的 SQ 值大于计算值，选定该磁芯。 计算原副边绕组匝数：按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知 Umin=176V 经整流滤波后直流输入电压 Udmin=1.2176=211.2V。 对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比 Dmax=0.9，则 次级匝数计算时取输出电压最大值 Uomax=16V。次级电路采用全波整流，Us 为次级绕组上的感应电压，Uo 为输出电压，Uf 为整流二极管压降，取 1V。Uz 为滤波电感等线
11、路压降，取 0.3V，则选定导线线径：在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度 由式（2）决定 式中： 为角频率，=2fs； 为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率 r=1，则 =0r=410 7H/m； 为铜的电导率，=58106m； 穿透深度 的单位为 m。 变压器工作频率 50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为 =0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于 0.59mm 的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取 36A/mm2，故这里选用0.56mm 的漆包线 8 股并联绕制初级共 10 匝，次级选用厚 0.15mm 扁铜带绕制 2 匝。3.
12、4 辅助电源的设计 辅助电源采用 RCC 变换器（RingingChokeConverter） ，见图 3。其输入电压为交流 220V 整流滤波电压，输出直流电压为 12.5V，输出直流电流为 0.5A。电路中 Q8 和变压器初级绕组线圈 N1 与反馈绕组线圈 N3 构成自激振荡。R72 为启动电阻。 Q9、R77 构成辅助电源初级过流保护。D20、 C81、ZD1、Q11、R75、R76 构成电压检测与稳压电路，控制 Q8 的基极电流的直流分量，从而保持输出电压恒定，变压器采用 EE19、LP3 材质构成。初级 180 匝，反馈绕组 5.5 匝，次级 11 匝，初级电感量是 2.6mH，磁芯
13、中间留有间隙 0.4mm。 3.5 驱动电路 驱动电路如图 4 所示。TL494 输出 50kHz 的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率 MOS 管。次级脉冲电压为正时，MOS 管导通，在此期间 Q7 截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则 Q7 导通，快速泄放 MOS 管栅级电荷，加速 MOS 管截止。R70 是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R68、D15、R67 可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。D17 和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路3.6PWM 控制电路 控制电路采用通用脉宽调制器 TL494，具有通用性和成本低等优点，见图 6。输出电压经R40、RV2
14、 、RV1、R41 进行分压采样，经 R5 阻抗匹配后送到 TL494 脚 1。RV1 装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。R103 和 C14 将输出电感 L1 前信号采样，经 R5 送到TL494 脚 1，用于提高电源稳定度，消除 L1 对环路稳定性影响。3.7 过流保护电路为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器 CT1 检测初级变压器电流，检测出的电流信号经 R60 转为电压信号后，再经 D2D4 ，C9 整流滤波后，经过电位器 RV3 分压，反相器 N3 反相后加在 Q1 管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，Q1 管导通，将 VREF=5V 的高
15、电平加在 TL494 脚 4 上（脚 4 为 TL494 死区控制脚、高电平关断） ，TL494 关断。输出直流总线上过流保护，采用 R45R56 电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚 15 电平变低，当输出电流大于 40A 的 105时，TL494 的内部运放动作，脚 3 电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。4.结语 本文介绍的开关电源已成功地作为实验室电源、通信基站电源使用。其效率85，纹波优于 30mVP P，产品可靠性高、成本低，具有一定的市场竞争力。【参考文献】胡汉才著， 单片机原理及其接口技术 清华大学出版社 2004 年 2 月李朝青著， 单片机原理及接口技术 北京航空
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