毕业设计(论文)-三路输出的开关电源系统设计.doc
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1、1 概述概述.1 1.1 开关电源的基本原理.1 1.2 开关电源与线性电源的比较.2 1.3 开关电源的发展与应用.2 1.4 开关电源当前存在的问题 3 2 整流电路的设计整流电路的设计.5 2.1 整流电路的选择.5 2.1.1单相半波整流电路6 2.1.2单相桥式整流电路7 2.2 防止电流冲击的设计 7 2.3 参数计算以及元器件的选型 8 2.3.1整流管参数计算9 2.3.2 变压器参数.9 2.3.3 电容参数计算.10 3 DC/DC 变换器的设计变换器的设计.11 3.1 控制方式的选择.11 3.2 功率转换电路的选择 12 3.2.1 推挽式功率转换电路.12 3.2.
2、2 全桥式功率转换电路.13 3.2.3 半桥式功率转换电路.13 3.2.4 正向激励功率转换电路.14 3.2.5 反向激励功率转换电路.15 3.3 单端正激变换器的设计.15 3.3.1工作原理16 3.3.2能量再生线圈P2的工作原理.17 3.3.3 多路输出的设计.17 3.3.4 变压器设计.17 3.3.5电感的参数计算19 3.3.6 二极管和电容器的选择.21 3.3.7 开关管的选择.21 4 4 控制电路的设计控制电路的设计.22 4.1 控制模式的选择.22 4.1.1电压模式控制22 4.1.2平均电流模式控制23 4.1.3 峰值电流模式控制.24 4.1.4滞
3、环电流模式控制25 4.1.5相加模式控制26 4.2 开关电源集成控制器 26 4.2.1 GWl524的特点27 4.2.2 1524 的极限使用值和主要电性能27 4.2.3 GW1524的内部结构.27 4.2.4 GW1524工作过程.30 4.3 电压检测电路.31 4.4 电流检测电路.32 4.4.1电阻检测32 4.4.2电流互感器检测33 4.5 启动和集成电路供电电路设计 34 4.6 保护电路的设计 35 5 结论及设想结论及设想.37 致谢致谢.38 参考文献参考文献.39 附录附录 1:开关电源原理图:开关电源原理图40 附录附录 2:元器件清单:元器件清单41 摘
4、摘 要要 本文设计了一个三路输出的开关电源系统,首先将开关电源与线性电 源进行对比,总结了开关电源的优点,并对其当前的发展以及在发展中存 在的问题进行了描述,然后在对开关电源的整体结构进行了介绍的基础 上,对开关电源的主回路和控制回路进行设计:在主回路中整流电路采 用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边 绕组的方法实现多路输出,其中功率转换电路(DC/DC 变换器)是开关 电源的核心部分,对此部分进行了重点设计;控制电路采用 PWM 控制, 控制器采用开关电源集成控制器 GW1524、设计了过压保护电路、电压 检测电路和电流检测电路,对各个部分的参数进行了计算并进行了元
5、器 件的选型。 【关键词关键词】DC/DC 变换器、PWM 控制、整流、滤波。 Abstract In this paper,I designed a switch power supply system with three outputs: Compare the switch power with linear power at first , has summarized the advantage of the switch power ,have described its present development and there are natural questions in
6、 development. On the basis of the thing that the whole structure to the switch power has made an introduction, to the main return circuit and controlling the return circuit to design of the switch power: The rectification circuit adopts the single-phase bridge type in the main return circuit, the po
7、wer changes the circuit and adopts and defies the power to change the circuit , realize by increasing the winding of one pair of sides single and well that many ways are exported, it is a key part of the switch power supply that the power changes circuit (DC/DC transformer ), have designed this part
8、 especially ; The control circuit adopts PWM to control, the controller adopts the switch power integrated controller GW1524, design the circuit to measure voltage and the circuit to el measure ectric current, selecting type of calculating and carrying on the components and parts the parameter of ea
9、ch part. Keyword :DC/DC transformer , PWM control , rectification , straining waves. 目目 录录 1 概述概述1 1.1 开关电源的基本原理1 1.2 开关电源与线性电源的比较2 1.3 开关电源的发展与应用2 1.4 开关电源当前存在的问题3 2 整流电路的设计整流电路的设计 5 2.1 整流电路的选择5 2.1.1单相半波整流电路6 2.1.2单相桥式整流电路7 2.2 防止电流冲击的设计7 2.3 参数计算以及元器件的选型8 2.3.1整流管参数计算9 2.3.2 变压器参数9 2.3.3 电容参数计算1
10、0 3 DC/DC 变换器的设计变换器的设计 11 3.1 控制方式的选择11 3.2 功率转换电路的选择12 3.2.1 推挽式功率转换电路12 3.2.2 全桥式功率转换电路13 3.2.3 半桥式功率转换电路13 3.2.4 正向激励功率转换电路14 3.2.5 反向激励功率转换电路15 3.3 单端正激变换器的设计15 3.3.1工作原理16 3.3.2能量再生线圈P2的工作原理17 3.3.3 多路输出的设计17 3.3.4 变压器设计17 3.3.5电感的参数计算19 3.3.6 二极管和电容器的选择21 3.3.7 开关管的选择21 4 控制电路的设计控制电路的设计 23 4.1
11、 控制模式的选择23 4.1.1电压模式控制23 4.1.2平均电流模式控制24 4.1.3 峰值电流模式控制25 4.1.4滞环电流模式控制26 4.1.5相加模式控制27 4.2 开关电源集成控制器27 4.2.1 GWl524的特点28 4.2.2 1524 的极限使用值和主要电性能28 4.2.3 GW1524的内部结构28 4.2.4 GW1524工作过程31 4.3 电压检测电路32 4.4 电流检测电路33 4.4.1电阻检测33 4.4.2电流互感器检测34 4.5 启动和集成电路供电电路设计35 4.6 保护电路的设计36 5 结论及设想结论及设想 38 致谢致谢39 参考文
12、献参考文献 40 附录附录 1:开关电源原理图:开关电源原理图41 附录附录 2:元器件清单:元器件清单42 1 1 概述概述 电子设备都离不开可靠的电源,进入 80 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,进入 90 年代开关电源相继进 入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、 控制设备电源等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。 1.11.1 开关电源的基本原理开关电源的基本原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件,通过周期性通断 开关,控制开关元件的占空比调整输出电压,开关电源的基本构成如图 1-1 所示,DC-
13、DC 变换器是进行功率变换的器件,是开关电源的核心部 件,此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。 反馈回路检测其输出电压,并与基准电压比较,其误差通过误差放大器 进行放大,控制脉宽调制电路,再经过驱动电路控制半导体开关的通断 时间,从而调整输出电压。其结构图如图 1-1 所示。 V1 V0 图 1-1 开关电源结构图 DC/DC 变换器 驱动器PWM 比较 放大 取样 参考 电压 1.21.2 开关电源与线性电源的比较开关电源与线性电源的比较 线性电源的原理图如图 1-2 所示:是先将交流电经过变压器变压, 再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压,要达到高精度的直流
14、电压,必须经过电压反馈调整输出电压。它的缺点是需要庞大而笨重的 变压器,所需的滤波电容的体积和重量也相当大,而且电压反馈电路是 工作在线性状态,调整管上有一定的电压降,在输出较大工作电流时, 致使调整管的功耗太大,转换效率低,还要安装很大的散热片。这种电 源不适合计算机等设备的需要,将逐步被开关电源所取代。 图 1-2 线性电源的原理图 开关电源的原理图如图 1-3 所示:是将交流电先整流成直流电,在 将直流逆变成交流电,在整流输出成所需要的直流电压。 图 1-3 开关电源的原理图 开关电源和线性电源相比,具有以下优点:体积小、重量轻(体积 和重量只有线性电源的 30%) 、效率高(一般为 7
15、0%而线性电源只有 40%) 、 自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点。但也存在一些缺点: 由于逆变电路中会产生高频电压,对周围设备有一定的干扰,需要良好 的屏蔽及接地。 1.31.3 开关电源的发展与应用开关电源的发展与应用 当前,开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展:应用技 术的高频化;硬件结构的模块化;软件控制的数字化;产品性能的绿色化。 由此,新一代开关电源产品的技术含量大大提高,使之更加可靠、成熟、 经济、实用。 开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使 开关电源进入更广泛的应用领域,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
16、。 近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构 成了“智能化”功率模块(IPM),这样缩小了整机的体积,方便了整机设 计和制造。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率 模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个 模块中,使元器件间不再有传统的引线相连,这样的模块经过严格、合理 的、热、电、机械方面的设计,达到优化完善的境地。 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源,它以小型、轻量 和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通 信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的 一种电源方式。而当我
17、们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流 时,以及将研究新技术应用于 DC/AC 变换器,即开拓了大功率应用领域, 又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用 电力、电子技术的电气工程领域。作为节能、节材、自动化、智能化、 机电一体化的基础的开关电源,它的产品展现了广阔的市场前景。例如, 发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交 直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热 设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。 1.41.4 开关电源当前存在的问题开关电源当前存在的问题 当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要
18、解决,而且有的问题还带有全局性:采用定频调宽的控制方式来设计电 源,都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的, 则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的 不连续;“反峰电压”是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开 关关断时的一种表现,而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止 期间处理掉,既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存 在的,那就是要及时地为励磁能量提供一个“低阻抗通道” ,并且为励磁 能量的通过提供一段时间,但 “单调”控制方法不具备这一条件;高频 变压器的磁通复位问题;传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻, 效率不高,这个
19、问题向来是电源技术,尤其是以小体积、高功率密度见 长的开关电源技术发展的“瓶颈” ;高频开关电源的并联同步输出问题。 以上的问题看似彼此独立,其实它们之间存在着一定的关联性解决 这些问题,也许还是一条艰难而漫长的路。 2 2 整流电路的设计整流电路的设计 整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电 经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由 具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。 2.12.1 整流电路的选择整流电路的选择 单相整流电路有两种:电容输入型电路和扼流圈输入型电路 电容输入型的基本电路如图 2-1:(a)为半波整流电路(b)为中
20、 间抽头的全波整流电路(c)桥式整流电路(d)倍压整流电路。 1 2 3 4 BRIDGE1 1 2 3 4 BRIDGE1 1 2 3 4 BRIDGE1 1 2 3 4 BRIDGE1 R R R C C C C S SCR RH (a)(b) (c)(d) 图 2-1 电容输入型的基本电路 图 2-2 为扼流圈输入型基本电路,用于负载电流 I0较大的电路,扼 流圈 L 的作用是抑制尖峰电流。 两种基本电路的比较如下:(1)开关电源多采用脉宽调制方式,空载 时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不 同而异,也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作,这 时,若
21、采用扼流圈输入型整流电路,接近空载时,扼流固变为临界值, 逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此,从满载到空载变 动时,整流输出电压变动较大,空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开 关电源的特点是效率高而体积小,若使用扼流圈时,为提高负载调整率 需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈可能与次级侧滤波回路产生 谐振。 因此,开关电源的输入整流电路采用电容输入型。 图 2-2 扼流圈输入型基本电路 2.1.1 单相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路如图 2-3,仅利用一个二极 管来实现整流功能。 单相半波整流电路的输出电压平均值为:(为变压器副边输出电 2 U 压的有效值
22、) 2 0 0 45 . 0 2 )(sin2 2 1 UUttUU Tr TRANS1 D B RL A 50HZ U0 220V 图 2-3 单相半波整流电路 2.1.2 单相桥式整流电路 单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期,输出电流较 小,同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点,其中 最常用的是单相桥式整流电路,它是由四个二极管接成电桥的形式构成 的。可以看到,四个二极管分为两组,正负半周轮流导通,但负载上电 流方向不变,此即为全波整流。 图 2-4 单相桥式整流电路 单相桥式整流电压的平均值为:(为变压器副边输出 20 9 . 0 UU 2 U 电压的有效值)
23、,比半波整流输出电压高。因此,整流电路选用单相桥式 整流电路。 2.22.2 防止电流冲击的设计防止电流冲击的设计 开关电源输入大多为电容输入型,当电源刚接通时,就会有非常大 的对电容充电的冲击电流。例如,线路阻抗若为 0.5 输入交流 100V 电 压,若在其峰值时开关接通,则冲击电流就达 282A 。如此大的冲击电 流可能会损坏输入保险丝、整流二极管和电容等。防止冲击电流的最简 单方法是在线路个接入一只电阻。如图 2-5(a)所示,但平常电阻有损耗, 这种方法适用小功率开关电源 图 2-5(b)和(c)也是采用电阻。但与电 阻并联一只开关(继电器触点和晶闸管),电源接通时,开关断开,电阻
24、防止冲击电流,正常工作时,与电阻并联的开关接通。把电阻短路,减 小了电阻损耗。这种方法适用于中等容量的开关电源。图 2-5(d)是采用 热敏电阻的方法、热敏电阻 RH的阻值随温度增加而减小,防止了冲击电 流,平时损耗又小。本设计欲采用串热敏电阻的方法。 图 2-5 防止电流冲击的方法 本设计的整流电路如图 2-6: 1 2 3 4 BRIDGE1 Tr1 TRANS1 RV FUSE1 + C1 LED1 LED2 R1 R2 220V RH 图 2-6 整流电路图 2.32.3 参数计算以及元器件的选型参数计算以及元器件的选型 由于开关电源系统三路输出分别为: 15V,4A;12V,3A;5
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