智能型開關電源.doc

遼 寧 工 業(yè) 大 學電子技術基礎課程設計（）題目：智能型開關電源院（系）：信息科學與工程學院專業(yè)班級： 電氣051 學 號： 050303015 學生姓名： 徐 起 邦 指導教師： 教師職稱： 起止時間： 課程設計（）任務及評語院（系）：信息科學與工程學院 教研室：電子信息工程學 號050303015學生姓名徐 起 邦專業(yè)班級電氣051課程設計（）題目智能型開關電源課程設計（）任務設計參數(shù)：1 設計并制作一臺智能型開關電源。2 輸出直流電壓。3 最大輸出電流。4 具有斷電保護功能。5 具有故障顯示功能設計要求：1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。指導教師評語及成績成績： 指導教師簽字： 年 月 日目 錄第1章 智能型開關電源設計方案論證11.1智能型開關電源的應用意義11.2智能型開關電源設計的要求及技術指標11.3 設計方案論證21.4 總體設計方案框圖及分析2第2章 智能型開關電源各單元電路設計32.1交流EMI濾波及整流濾波電路32.2功率變壓器的設計42.3輔助電源的設計52.4、驅(qū)動電路5第3章 智能型開關電源整體電路設計73.1 整體電路圖及工作原理73.2 電路參數(shù)計算83.3 整體電路性能分析9第4章 設計總結10參考文獻 10第1章 智能型開關電源設計方案論證1.1智能型開關電源的應用意義當今，開關電源是各種電子設備必不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標及能否安全可靠地工作，經(jīng)過多年的發(fā)展，開關電源技術已經(jīng)取得了很大成功，其應用也十分普遍和廣泛。但因其結構復雜，涉及的元器件較多，以及要降低成本、提高可靠性，仍存在一些問題需要解決。例如:電源的設計和生產(chǎn)需要較高的技術支持;電路的調(diào)試要有實際經(jīng)驗，也有一定的難度。新器件以盡可能滿足環(huán)保性能評估的要求。1.2智能型開關電源設計的要求及技術指標設計要求：1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。設計參數(shù)：1. 設計并制作一臺智能型開關電源。2. 輸出直流電壓。3. 最大輸出電流。4. 具有斷電保護功能。5. 具有故障顯示功能1.3設計方案論證在科研、生產(chǎn)、實驗等應用場合，經(jīng)常用到電壓在515V，電流在540A的電源。而一般實驗用電源最大電流只有5A、10A。為此專門開發(fā)了電壓4V16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關電源。它采用了半橋電路，所選用開關器件為功率MOS管，開關工作頻率為50kHz，具有重量輕、體積小、成本低等特點。1.4總體設計方案框圖及分析該電源的原理框圖如圖1所示。 220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號去驅(qū)動功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級得到準方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。圖1第2章 智能型開關電源各單元電路設計2.1、交流EMI濾波及整流濾波電路交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示。圖2交流EMI濾波及輸入整流濾波電電子設備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設備的一個重要途徑，在設備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PCB電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進入電源機箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關轉換時產(chǎn)生的高頻噪聲。交流輸入220V時，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動電路。2.2、功率變壓器的設計1）工作頻率的設定工作頻率對電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價比等因素，將電源工作頻率進行優(yōu)化設計，本例為fs=50kHz。T=1/fs=1/50kHz=20s2）磁芯選用選取磁芯材料和磁芯結構 選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價格便宜等優(yōu)點。確定工作磁感應強度BmR2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應強度Bs=0.47T，考慮到高溫時Bs會下降，同時為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs=0.15T。計算并確定磁芯型號磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關系。對于半橋變換器，當脈沖波形近似為方波時為SQ=（1）式中：效率；j電流密度，一般取300500A/cm2；Kc磁芯的填充系數(shù)，對于鐵氧體Kc=1；Ku銅的填充系數(shù)，Ku與導線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關，一般為0.10.5左右。各參數(shù)的單位是：PoW，Scm2，Qcm2，BmT，fsHz，jA/cm2。取Po=640W，Ku=0.3,j=300A/cm2,=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ=4.558cm4由廠家手冊知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計算值，選定該磁芯。2.3、輔助電源的設計 輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和變壓器初級繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構成自激振蕩。R72為啟動電阻。Q9、R77構成輔助電源初級過流保護。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構成電壓檢測與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構成。初級180匝，反饋繞組5.5匝，次級11匝，初級電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。 圖3輔助電源原理圖2.4、驅(qū)動電路 驅(qū)動電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動功率MOS管。次級脈沖電壓為正時，MOS管導通，在此期間Q7 截止，由其構成的泄放電路不工作。當次級脈沖電壓為零時，則Q7導通，快速泄放MOS管柵級電荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動脈沖的尖峰， R68、D15、R67可以加速驅(qū)動并防止驅(qū)動脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構成去磁電路。圖4驅(qū)動電路原理圖4 風扇風速見圖5。利用二極管正向管壓降隨溫度升高而呈下降趨勢的特性，將D9、D10做為散熱器溫度采樣器件。方法是將D9、D10兩二極管緊靠在散熱器上，當散熱器隨輸出功率加大而溫度升高時，運放N2A正相輸入端電平降低，輸出低電平使三極管Q3開始導通，風機上電壓升高，轉速升高，最終到達最高轉速。當負載較輕，使散熱器溫度低于50時，N2A輸出高電平，Q3不導通，輔助電源12.5V經(jīng)電阻R57降壓給風機供電，風機處于低速、低噪聲運行狀態(tài)。此電路可以提高風機工作壽命，增加電路可靠性，亦可在小負載情況下，減少風機帶來的噪聲。 圖5風扇風速控制電路第3章.智能型開關電源整體電路設計3.1整體電路圖及工作原理控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494，具有通用性和成本低等優(yōu)點，見圖6。輸出電壓經(jīng)R40、RV2、RV1、R41進行分壓采樣，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。R103和C14將輸出電感L1前信號采樣，經(jīng)R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除L1對環(huán)路穩(wěn)定性影響。圖63.2電路參數(shù)計算計算原副邊繞組匝數(shù) 按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時占空比最大）來計算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2176=211.2V。2. 對于半橋電路、功率變壓器初級繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，設最大占定比Dmax=0.9，則tonmax=TDmax=200.9=9.0sUpmintonmax104=105.69.0106104代入公式N1=8.9匝 次級匝數(shù)計算時取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級電路采用全波整流，Us為次級繞組上的感應電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取0.3V，則Us=19.22VN2=N1=8.9=1.8匝為了便于變壓器繞制，次級繞組取為2匝，則初級繞組校正為：N1=N2=10匝選定導線線徑 在選用繞組的導線線徑時，要考慮導線的集膚效應，一般要求導線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度由式（2）決定=（2）式中：為角頻率，=2fs；為導線的磁導率，對于銅線相對磁導率r=1，則=0r=4107H/m；為銅的電導率，=58106m；穿透深度的單位為m。 變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導線的穿透深度為=0.2956mm，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線。另外考慮到銅線電流密度一般取36A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級共10匝，次級選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。3.3 整體電路性能分析為增強電源可靠性，此電源采用初、次級兩級過流保護。初級采用電流互感器CT1檢測初級變壓器電流，檢測出的電流信號經(jīng)R60轉為電壓信號后，再經(jīng)D2D4，C9整流濾波后，經(jīng)過電位器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當初級電流超過正常時，反相器反轉，Q1管導通，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關斷），TL494關斷。輸出直流總線上過流保護，采用R45R56電阻做為采樣電阻，當輸出電流增加時腳15電平變低，當輸出電流大于40A的105時，TL494的內(nèi)部運放動作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài)。第4章 設計總結通過這次課程設計，使我深深的感受到了，理論聯(lián)系實際的必要性及其重要性，在我們以往的學習過程中，我們刻意地去加強理論的基礎，對于一個程序我們只求它在運行時沒有出錯，我們便以為我們的計劃成功了豈不知它能否在硬件結構中得以實現(xiàn)則是另外一回事，這就要求我們的動手能力了，如果無法使軟件與硬件實現(xiàn)有機的結合，那么再好的程序也只是一堆廢字符。這次課程設計既考察了我們對理論知識的掌握情況，還反映出我們實際動手能力，更主要的是它激起我們創(chuàng)新思維，為今后的進一步學習創(chuàng)下良好條件，為以后的就業(yè)也打下一個根基，真可謂一舉多得。剛開始，我理不清頭緒，無從下手，但通過認真研究設計課題，跑圖書館查