1、四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告1前言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人的工作、生活的关系日益密切，电力电子设备都离不开可靠的电源。进进 20 世纪 8O 年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代；进进 20 世纪 9O 年代，开关电源相继进进各种电子、电器设备领域或程控交换机、通讯、电力检测设备，控制设备电源都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子技术控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电一般由脉冲宽度调制（pwm）控制 IC 和MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者都
2、随着输出率关上，反而高于开关电源，这一点称为本钱反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，本钱反转点日益向低翰出电力端移动，这为开关电源提供了广阔发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小犁化，拜使开关电源进进更广泛的应用领域。特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用，在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告2一、 总体设计思路及框图1.1 设计总体思路输入EMC 等滤波整流（也就一般的 AC/DC 类似全桥整流模块）DC/DC 模块（全桥式 DCA
3、C高频变压器高频滤波器DC,）输出。系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和 DC-DC 变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和 DC-DC 变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。1.2 开关稳压电源的基本原理框图开关稳压电源的基本原理如图 1-1 所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电
4、路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告3图 1-1 开关稳压电源基本原理框图二、 电路设计及原理分析2.1 单元电路设计2.1.1 整流滤波电路EMI滤 波 电 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LN+4-16GND四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告4图 2-1 输入整流滤波电路电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设
5、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
6、。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。电路如图 2-1 所示：2.1.2 反激式变换器根据电路的结构形式的不同，脉宽式变换器可分为：正激式、反激式、半桥式、全桥式、推挽式和阻塞式。 所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反。反激式变换效率较高，线路简单，能多路输出。当开关管 VT 截止时，变压器初级所积蓄的电能向次级传送，这时变压器的次级绕组下端为负，上端为正，二极管 VD 正向导通，导通电压经过电容 C 滤波后向负载 RL 供给电能。当变压器的初级储存的电能释放到一定程度后，电源电压 Vin 通过变压器的初级绕组 N1 向三极管 VT 的集电极充电，N1
7、 又开始储能。V1 上升到一定程度后，三极管 VT 截止，又开始新一轮放电。在充电周期，变换器的输出电压为 Vo=Vin *D*（N1/N2） 。变换器电路如图 2-2 所示。四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告5图 2-2 变换器电路2.1.3 TL431图 2-3 TL431 基本原理图 TL431 相当于一只可调节的齐纳稳压二极管，输出电压由外部的 R1,R2 来设定，Vo=VKA=(1+R1/R2)*VREF 。R3 是限流电阻，VREF 是常态下的基准稳压端。图 所示是 TL431 的等效电路，它主要由误差放大器 A 、外接电阻分压器上所得到的取样电压、2.5V 基准稳压源 V
8、ref 、NPN 型晶体管 VT（用以调节负载电流）和保护二极管 VD（防止 A、K 极性相反）组成。 当输出电压 Vo 上升时，取样电压 VREF 也随之上升，使取样电压大于基准电压 Vref 致使晶体管VT 导通，其集电极电位下降，即输出电压 Vo 下降。TL431 的基本原理图分别如图 2-3 所示：四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告62.1.4 MC33374MC33374 采用 8 引脚双列直插式封装（DIP-8）或五脚 TO-220 式封装管脚排列。内部结构主要包括九个部分：振荡器、并联调整器误差放大器、脉宽调制比较器与脉宽调制触发器、电流极限比较器及功率开关管、启动电路、
9、欠压锁定电路、过热保护电路和状态控制器。MC33374 内部结构如图 2-5 所示，其各管脚功能说明如下：管脚 1（VCC）：工作电源电压输入端。在启动芯片时，必须通过管脚5（D）给该管脚供给 10V 以下的工作电压。当 VCC8.5V（工作阀值电压）时，启动电路中的 MOS 场效应管立即关断，而功率开关管开始工作，从高频变压器次级线圈上即可获得正常输出电压，此时改由反馈给芯片供电。一旦电源发生过载或短路故障，致使 VCC7.5V(欠压阀值电压)，功率开关管就关断，而共启动用的 MOS 场效应管则工作，芯片进入自启动工作模式。管脚 2（FB）：反馈输入端。该端经内部 15 电阻接误差放大器的反
10、向输入端，能周期性的控制功率开关管的通断。反馈的上下阀值电压分别为 8.5V 7.5V，有 1V 的滞后电压。此端通常与 VCC 端连通，并且接反馈线圈的输出电压。显然，反馈电压值就就反映了开关电源输出电压的高低。反馈线圈的输出电压，经高频整流滤波后形成反馈输出电压，再通过光耦合器中的光敏三极管接反馈端。光耦合器的发射管接在取样电路中。反馈端经过 R3，C5 接地。C5 具有三个作用：（1）启动电路定时电容；（2）兼做补偿电容，与 R3 一起对反馈环路进行频率补偿；（3）作为工作电压 VCC 的旁路电容，在启动过程中对 C5 充电，建立 VCC。管脚 3（GND）：接地。该端是控制电路与功率开
11、关管的公共地，给元件加装散热器时兼作为散热器的地端。管脚 4（state control input，SCI）：状态控制输入端。它也是一个多功能的引出端，只需配少量的外围元器件，就能用多种方式来控制变换器的开关状态。它所具有的六种状态控制如下：（1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；（2）配微控制器进行关断操作；（3）给状态控制器配以低压四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告7保护电路，使之在工作模式装换过程种不会引起开关电源输出电压的波动；（4）利用数字信号进行控制；（5）配上电延时电路；（6）禁止对状态控制器进行操作。管脚 5(power switch drain,D)：功率开
12、关管漏极引出端。该端能直接驱动高频变压器的初级。此外，它还与内部启动用 mos 场效应管的漏极相连。整流桥 VD1VD4 采用 4 只 1N5406 型 3A/600V 的硅整流管。初级保护电路由RC 吸收电路(R2、C2 ) 钳位电路（ VDZ、VD5 ）构成，能有效的抑制因高频变压器存在漏感而产生的尖峰电压，保护内部功率开关管不受损坏。VDz 采用P6KE200A 型瞬变电压抑制二极管（TVS）,其反相击穿电压 UB=200V， VD5 选用的是 MUR160 型超快恢复二极管（SRD） 。C5 为 VCC 的旁路电容。S 为控制开关稳压电源通断状态的按键。S 上串接R7 后，能提高模式转
13、换的可靠性。VD6 与 C6 组成反馈线圈输出端的高频整流滤波器。次级高频整流管采用大电流，低压降的肖特基二极管，型号为 MBR20100CT (20A/100V),此管属于阴极对管，两个负极在内部短接，使用时需将两个正极在外部连接，进行并联。 由 C8、C11、L 、C12 、C13 组成输出滤波电路。鉴于滤波电感 L 的电感量很小，仅为 3.3uF 而大容量滤波电容 C8 、 C11 上存在的等效电感 L0,会直接影响到实际电感量从 L 变成 L+L0. 因此需要将 C8 、 C11 并联使用，使 L0 减小 1/2，对 L 的影响随之减小。结构如图 2-4 所示：图 2-4 MC3337
14、4四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告82.1.5 反馈电路反馈的基本类型又四种，即基本的反馈电路 改进型基本反馈电路 配稳压管的光电耦合反馈电路以及配 TL431 的精密光电耦合反馈电路。配 TL431 的精密光电耦合反馈电路在开关电源中应用最多，效果最好，稳压性能最佳。如图所示，用 TL431 代替稳压管构成外部误差放大器，对输出电压 Vo 做精细调整，组成精密开关电源，使电压调整率和负调整率均能达到 0.2%以下。可调式精密电源稳压器 TL431B 构成了外部误差放大器，再与光耦合器MOC8103 一起组成光耦反馈电路，反馈电压 UFB 加至 MC33374 的反馈端。其稳压原理是
15、当输出电压 U0 发生波动时，经 R5 R6 分压后得到的取样电压就与TL431B 中的 2.5V 基准电压进行比较，产生外部误差电压 Ur，再通过光耦合器使第二脚的反馈电流 IFB 产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压的目的。考虑到高频变压器的初次级间耦合电容会造成供墨干扰，现利用 C14加以滤除。C7 为控制环路的补偿电容。R4 为 LED 的限流电阻。反馈电路如图2-6 所示。图 2-6 反馈电路2.1.6 脉宽调制器开关电源的控制方式主要包括脉宽调制，脉冲频率调制。脉冲频率调制是四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告9将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电压。交流输
16、入电压经过整流滤波后变为脉动的直流电压，供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极由脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源，误差放大器，PWM 比较器和锯齿波发生器组成，如图所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较，放大，然后将其差值送到脉冲调制器。脉冲调制的频率是不变的，当输出电压 Vo 下降时，与基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM 比较器，加宽了脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后耦合到次级，经过二极管整流和电容滤波后，输出电压上升，反之亦然。脉宽调制器电路如图 2-7 所示。图 2-7 脉宽调制器电路2.2 基
17、本原理开关稳压电源包括输入电路、有源调整、功率转换、输出电路、控制电路、频率振荡发生器六部分电路。其中输入电路包含有低通滤波和整流环节。交流电压经桥式整流和低通滤波后得到未稳压的直流电压 Vi，此电压送到有源调整电路进行功率因数校正，以提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告10压同相。功率转换是由电子开关和高频变压器来完成，它把高功率因数的直流电压变换成受到控制的符合设计要求的高频方波脉冲电压。输出电路用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。控制电路使输出电压经过分压采样后与电路的基准电压进行比较放大。而频率振荡发生器产生一种高频波段
18、信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。其中高频电子开关是实现电能转换的主要单元，在一个周期内，电子开关的接通时间ton 与一个周期所占时间的比值叫做接通占空比 D, D=ton/T。 断开时间与周期 T 的比例称为断开占空比 D , D=toff/T 。接通占空比越大，负载上的电压越高，表明电子开关的接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高，能量传递速度也快，便于实现高频变压器的小型化。但是开关电源中的开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高，损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比是不一样的。三、 电路指标参数及电路元件参数3.1 电路指标参数1、交流输入电压 AC95270V；2、直流输出电压 15V；3、输出电流 6A；4、输出纹波电压0.2V；5、输入电压在 95270V 之间变化时，输出电压误差0.03V；3.2 电路元件参数
