200W输出可调型开关电源 毕业论文.doc
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1、200W 输出可调型开关电源 摘 要 由于新的电子器件,新的电磁材料,新变换技术,新控制理论及新的软件, 不断地出现并应用到开关电源的缘故。使得开关电源更上一层楼,达到频率高, 功率密度高,功率因数高,可靠性高。 开关电源的种类很,本次设计仅针对正激式变换器电路所设计的开关电源电 路。从整体来看,该设计电路与其他的开关电源电路没有很大的变化。就局部来 看,电源电路由整流、滤波、变换电路组成。变换电路中由 MOSFET 管作驱动, 与其他开关电源电路不同的是采用了 SG1525A 芯片。 第一章是概论部分,概述了开关电源的特性以及环境影响.第二章详细地对 整流、滤波电路进行介绍。然后,对正激式变
2、换电路进行分析。通过对它的分析, 进一步讲述 200W 输出可调型开关电源的总体设计方案,从该电路的工作原理开 始,逐步分析之后。又研究了 开关电源高频变压器的设计方法。通过一个例子 讲述了变压器的设计过程。 设计 200W 输出可调型开关电源中运用了一个新的芯片。因此,第三章又对 该芯(SG1525A)片进行介绍。该电路中的驱动电路中运用了 MOSFET 管,因而也 对该管也有简单地介绍。最后一章对该设计的开关电源是否满足你对它的要求进 行检验,这一章主要是对设计电路的检验。从几个方面进行考虑。分析设计电路 的可行性。 目 录 第一章 概论 1 1.1 开关电源的概述 1 1.2 电气技术指
3、标 1 1.3 机械结构 4 1.4 环境条件 4 第二章 200W 输出可调型开关电源的总体设计5 2.1 工作原理5 2.2 电路分析5 2.3 变换电路8 2.4 使用 MOSFET 管正激式变换电路 14 第三章 开关电源电路局部器件 16 3.1 集成控制器16 3.2 功率 MOSFET 管18 第四章 200W 输出可调型开关电源的实验结果22 主要参考文献27 1 第一章 概论 1.1 开关电源的概述 开关电源是调整元件工作在开关状态的一类电源。由于它们具有体积小、重 量轻和效率高等优点,因而发展非常迅速,应用范围日益扩大。 按照输出是否与由调整元件(开关元件)等构成的其他部分
4、隔离,这种电 源可分为非隔离型和隔离型两种类型;按照开关元件的激励 方式,可分为自激 式和他激式类型;按照调整输出电压的方式,可分为脉宽调制(PWM)式、频 率调制式和脉宽频率混合调制式三各类型;按照电源的输入,可分为 AC/DC 和 DC/DC 两种类型;按照开关元件的连接开工,可分为串联型和并联型两种类 型。开关电源还可按其他方式分类,这儿不再一一列举。 1.2 电气技术指标 1.2.1 输入技术指标 作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的 变化范围、频率输入电流等。输入电源一般为单相 2 线制和 3 相 3 线制,还有 单相 3 线制及 3 相 4 线制等。电源的
5、额定电压因各国或地区不同而异,例如, 美国规定的交流输入电源电压为 120V,欧洲 220240V,日本为 100V 及 200V,我国为 220V 及 380V。 ,输入 电压的变化范围一般为 10%,加上配 线路径及各国的具体情况,输入电压的变化范围多为15%,10%。 开关电源的输入几乎都是用电容进行平波的电容输入方式,因此,有高次 谐波失真带来的电压尖峰的问题,但通常在正弦波的情况下保证上述给定的指 标。3 相输入时虽有相电压的不平衡,但规定在输入电压的变化范围之内。 工频频率为 50 Hz 或 60 Hz,在频率变化范围不影响开关电源的特性时多 半为 4863Hz。还有船舶用的特殊电
6、源频率为 400Hz,但因输入电容滤波器的 电容电流及输入整流二极管的损耗增加等,降低了效率,若考虑要满足 EMI 的 规定,可以采取措施减小此影响。 开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时,输出电压及电流为上 限值时的输入电流。额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流为额定时的 电流。开关电源的输入平波方式是电容输入方式,有较大的峰值电流,要有考 虑电流的波峰系数(最大值/有效值之比,通常为 3.5)以及功率因数的规定。 输入电压瞬时跌落或瞬时断电时,在额定输出电压与电流条件下规定的输 入电压是额定输入电压。瞬时断电有 10ms 与 20ms,若实用时按规定瞬时断电, 多数情况下不会有
7、问题。在输入的下限,输出保持时间变得很短,但 100%输 出时,在较低额定输入条件下,实用上问题也不大。 在规定的时间间隔对输入电压进行通断时,输入电流达到稳定状态之前流 经的最大瞬时电流为冲击电流。对于开关电源是输入电源接通时与其后输出电 压上升时流经的电流,这是由于输入开关的承受能力所限制,峰值电流,由于 2 每隔几十秒通断时防止功能不能动作,因此,也要规定通断的重复时间。 漏电流是流经输入侧地线的电流,从安全考虑一般规定为 0.51 mA。 效率是指输入输出为额定值时,其输出功率与输入有效功率之比值。效率 随输出电压、电流与输出路数及开关方式不同而异,多为 70% 80%。并随输 入与输
8、出的条件而变化,因此,要注意电子设备的散热条件等。 1.2.2 输出技术指标 输出端的直流电压的值称为额定输出电压,对于其公称电压规定有精度与 纹波系数等。 额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同, 多路输出电源中某路输出电流增大,另路输出电流就得减小,保持总的输出电流 不变。市售的开关电源产品为其使用通用性,多是在初级侧允许功率范围以内, 增大次级 侧各路输出功率。 稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率,输出电压变动有多咱原因。例 如: (a)静态输入电压的变动,这是指在其他指标为额定情况时,在规定的范围 内输入电压缓慢变动时输出电压的变动。 (b)静态负载的变动
9、,这是指其他指标为额定条件下,输出电流在规定的范 围内缓慢变动时的输出电压的变动。在规定负载变动范围,由于多路输出的条件 有非稳定输出的情况,包括规定最低负载电流。最低负载电流以下的规定精度一 般是指保护功能不动作的范围内的情况。另外,对于多路输出的电源,电路方式 的不同也会以其他输出负载变动的影响。 (c)环境温度的变动,这是指在规定的温度范围内,其他指标为额定值时输 出电压的变动。 (d)初始特性的变动,这是指输入输出为额定时,接入输入电源之后到规定 时间旱输出电压的变动,多为接入输入电源后 30 分钟时的值。 (e)经时特性的变动,这是指输入输出为额定时,接入输入电源后的规定时 间到下一
10、次规定时间时输出电压的变动,也称为长时间特性的变动,一般多为 接入电源后 30 分钟到 8 小时的值。 (f)动态输入电压的变动,这是批以规定的变化幅度输入电压急剧变化时输 出电压的变动,一般是把输入电压的上限与额定输入电压以及额定输入电压与 输入电压的下限作为变动幅度。 (g)动态负载的变动,这是指规定的变化幅度,输出电流急剧变化时输出电 压的变动,后述的脉冲负载的规定等情况除外。 输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度下,由外部可能调整的输出电压 范围,一般为5%或10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值,以及 输入电压的上限时输出电压的最小值。 若由电子设备的结构决定负载电流时,输
11、出电流的变动范围则是电流变动较 小的负载、感性负载等冲击电流较大的脉冲式负载的电流变动范围。 纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量,有峰峰值表 示,一般为输出电压的 0.5%以内。噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分量, 也用峰峰值表示,一般为输出电压的 1%,也包括与纹波沿用明确区分的部分, 3 规定是纹波与噪声总合值,多数场合是规定皮噪声总合的情况,为输出电压的 2%以 内。 1.2.3 附属功能 (a)过电流保护 输出短路或过负载时对电源或负载要进行保护,即为过电流保护。保护特性 有额定电流下垂特性,即字型特性、恒流特性、恒功率特性,多数为下垂特性。 过电流的设定值一般为
12、额定电流的 110%130%。但在不损坏电源与负载的范围内, 特别不规定短路保护时,电流值的情况也很多。一般为自动恢复型。 (b)过电压保护 过电压保护就是输出端出现过大电压时对负载进行保护的功能,过电压保护 值一般规定为额定输出电压的 130%150%。对于输出电压可调范围比较大的电源, 过电压保护值规定为电压上限时不会发生误动作即可。发生过电压时使开关电源 停振,断开输出。恢复的方法一般是再接通输入电源或加复位信号使开关电源恢 复正常工作状态。 (c)欠压保护 在输出电压达到规定值以下时,检测输出电压下降值,为保护负载以及防止 负载误动作,使电源停止工作,并送出报警信号。 (d)过热保护
13、电源内部异常或使用方法不当,电源温升超过规定值以上时,电源停止工作, 并送出报警信号。强制风冷情况下,当冷却功能异常时,多数情况规定使用部件 最高温度以内使电源动作。 (e)远程通/断控制 规定由外部信号通/断电源的输出所采用的装置,例如,采用 TTL 等半导体 器件或继电器与开关等开环通/断控制。还必要规定采用继电器与开关时的机械 振荡持续时间。 (f)顺序 不仅要规定输出电压的上升与下降时间,还要规定电源准备就绪的各种信号。 (g)远程检测 用输出端到电压检测点的输出引线对电压降进行补偿对于大电流与高精度输 出的电源这种功能不太适用。该功能的补偿电压降一般为额定电压的 5%,在输 出电压的
14、可调范围内。时要根据负载条件而定,以免引起振荡等故障。 (h)接口 规定输入、输出以及信号等用端子,除端子开关、配列形式与接插件的名称 以外,还要标记端子的编号。这时输入部与输出部及信号端子要很好分离开。有 接任件时要标记对方的编号,以免弄错。 (i)绝缘 用 500V 摇表测得输入端与框体间以及输入输出端子间绝缘电阻一般要为 50M 以上,用 100V 摇表测得输出与框体间绝缘电阻一般要为 10M 以上。 绝缘耐压根据输入电压的不同而异,但除各种安全规格规定以外,输入在子间 以及输入与框体间每分钟为交流 1000V、1250V 或 1500V,输出与框体间一般没 有其他特殊的规定。输出端子间
15、必要时要规定特殊的绝缘。 4 1.3 机械结构 机械结构规定的项目有:机箱的开关,外形尺寸与公差,装配位置,装配孔 及螺钉的长度等,框体的材料及表面处理,冷却条件,如强制风冷还是自冷、通 风方向与风量及开口尺寸,机外温升,接口位置及显示,操作部件的位置及文字 显示的位置、重量等。 1.4 环境条件 规定的使用温度范围随使用场所不同而异,一般为550,保存温度一 般为2575。在温度急剧变化的场所使用时,有必要规定温度斜率,一般 为 15/小时以内。 规定的使用温度范围一般为 20%85%,保存温度范围一般为 18%90%,结露 时必须有相应指示。一般规定常温与常湿的环境为 1535及 25%8
16、5%。 对于耐振动的规定,多是在振动频率为 1055Hz 时,工作时耐振动力为 0.51.0G,不工作时为 2.54G。耐冲击的规定随电源产品不同而异,为 10100G 数量级。 5 第二章 200W 输出可调型开关电源的总体设计 2.1 工作原理 图 21 是说明开关电源的框图和波形图。图 21(a)由开关元件、控制 电路和滤波电路三部分组成。开关串联在电源的输入和负载之间,构成串联型的 电源电路。实际的开关元件常常是功率开关晶体管或 MOS 场效应管。它在控制 电路的控制之下,或者饱和导通,或者截止。开关接通时,U DU in,输入电压 Uin 通过滤波器加在负载电阻上。开关截止时,U D
17、 等于零。开关交替通断,则 在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。此矩形脉冲再经滤波电路滤波,即可在负载 两端产生平滑的直流电压 UO 。很明显,直流电压 UO 的大小与一个周期中开关 管接通的时间 ton成正比。t on越长,U O越大。因为开关管截止时,从扼流圈流 过的电流不能立刻降到零,故增设了一只续流二极管,为此电流提供一条返回通 路。 U 业业业 U in D Uo 业业 业业 Uin Uo UD 0 Ton T (a) (b) 图 2-1 开关电源 (a)框图 (b)波形图 2.2 电路分析 2.2.1 整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电性,将交流电压变换成单向脉动电压。 一. 桥
18、式整流简介 图 22 是单相桥式整流电路,它由整流变压器、整流元件二极管 D 及负 载电阻 RL 组成。由于 4 只整流二极管 D1D4 接成桥形,故有桥式整流电路之 称。 6 1 2 3 4 T r RL - + u b iL Uo + - 2 a 业 业 图 22 单相桥是式整流电路 设整流变压器副边电压为: wtsin2u 当 u2 在正半周时,a 点电位高于 b 点电位,二极管 D1,D3 受正向电压而导 通,D2 ,D4 受反向电压而截止。电流 i1 的通路是 aD1R LD3ba,如图 21 中实线箭头所示,这时负载电阻 RL 上得到一个半波电压 u01。 当 u2 在负半周时,
19、b 点电位高于 a 点电位,二极管 D2,D4 导通,D1,D3 截 止。电流 i2 的通路是 bD2R LD4 ab,同样,在负载 RL 上得到一个半波 电压 u02。 可见,变压器副边交流电压的极性虽然在不停地变化,但流经负载电阻 RL 的电流方向却始终不变,R L 上得到一人全波电压 u0。 二. 整流电压、整流电流平均值的计算 整流电路负载上得到的是方向不变而大小随时间变化的单向脉动电压,通 常用一个周期的平均值来衡量它的大小。如图 23 所示,使矩形面积等于半个 正弦波与枢轴所乌黑的面积,则矩形的高度就是这个半波的平均值 U0,又称为 恒定量或直流分量。 图 2-3 半波电压 Uo
20、的平均值 平均值的数学表达式为 TdtuU01 单向桥式整流电压的平均值为 7 202009.)(sin1UtduTttdUTT (21) 负载上的直流电流平均值为 LLRI20. (22) 三. 整流二极管的选择 二极管主要根据流过管子的正向平均电流和所承受的最高反向电压来选择。 在桥式整流电路中,二极管 D1,D3,和 D2,D4 是轮流导通的,所以流经 每个二极管的平均电流为负载电流的一半。 LDRUI245.01 (23) 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压如图 113(e)所示,其大 小均为电源电压 u2 的最大值。如当 D1 和 D3 导通时,截止管 D2 和 D4 的阴极
21、电位为 a 点电位,阳极电位为 b 点电位,所以 D2,D4 所承受的最高反向电压 UDRM为 2 U2,即 2DRM (24) 选择二极管时,其最大整流电流要大于 ID,其最高反向工作电压应大于 UDRM。 桥式整流电路的优点是输出电压脉动较小,管子承受的反向电压较低,变 压器的利用谐调。因此,这种电路被广泛用于小功率整流电源。电路的缺点是二 极管用得较多。 2.2.2 滤波电路 整流电路输出的电压是一个脉动电压,含有较强的交流分量。这样的直流电 源公在某些要求不高的设备中(如电解,蓄电池充电)可以使用。而大多数要求 直流电压比较平衡的设备就不能使用。因此要加接滤波装置,使输出电压的脉动 程
22、度降低。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、电感电容滤波等。本节着 重分析电容滤波电路。 一. 电容滤波电路 电容滤波电路是在整流电路的输出端与负载并联一个电容器构成的,图 22 是具有电容滤波的单单相桥式整流电路。电容滤波电路是依据电容两端电 压不能突变的特性而工作的。 8 1 2 3 4 Co + RL Tr u1 u2 u c uo + - 图 24 单相桥式整流电容滤波电路 对上图分析,可知带电容器滤波的整流电路具有如下特点: 1.输出的直流电压脉动减小,电压平均值提高。输出电压的脉动程度与电容器 的放电时间常数 RL C 有关。R L C 越大,脉动就越小,负载电压平均值就越大。 为
23、了得到比较平衡的输出电压,一般要求 RLC(35)T/2 (25) 式中 T 是电源交流电压的周期。通常取 U0 (1.11.2)U 2 (26) 2.二极管导通时间缩短,导通角小于 180,流过二极管的电流幅值增加而形 成较大的冲击电流。 由于在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷,即通过电容器的电流平 均值为零,可见在二极管导通期间其电流 iD 的平均值近似等于负载电流的平均值 IL,因此 iD 的峰值必然较大,产生电流冲击,容易使管子损坏。因此,在选用二 极管时,一般取额定正向平均电流为实际流过的平均电流的 2 倍左右。 单相桥式整流电路带电容滤波后,二极管承受的最高反向电压 UDRM
24、仍为 2 U2。 3.输出的直流电压平均值受负载的影响较大。 电 容 滤 波纯 电 阻 负 载 图 2-5 外特性曲线 负载直流电压 U0与负载电流 IL 的变化关系曲线称为外特性曲线。图 25 是图 24 电路的外特性曲线。在空载(R L )和忽略二极管正向压降的情况 下,U 0 2U 2 1.4U 2,随着负载的增加(I L 增大,R L 减小)一方面放电回忆, 另一方面整流电路内阻压降增加,它们均使 U0下降。与无电容滤波时相比,外 特性曲线变化较大,即外特性较差。当 IL 增大时 U0下降较大,也即电路带负载 能力较差。因此,电容滤波器一般用于要求输出电压较高,负载电流较小(数十 毫安
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