開關(guān)電源報(bào)告

1、課 程 作 業(yè) 課程名稱_開關(guān)電源技術(shù)_題目名稱_反激變換器_學(xué)生學(xué)院_物理與光電工程_專業(yè)班級(jí)_學(xué) 號(hào)_學(xué)生姓名_指導(dǎo)教師_潘 永 雄_2015 年 6 月 12 16目錄一、引言4二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求41、設(shè)計(jì)內(nèi)容42、設(shè)計(jì)要求4三、設(shè)計(jì)方案4四、設(shè)計(jì)原理方框圖5五、核心元件介紹51、FAN7930B控制芯片52、TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源6六、設(shè)計(jì)步驟61、輸入保護(hù)電路62、EMI濾波電路73、DD吸收回路74、確定反射電壓75、計(jì)算匝比n86、計(jì)算特征函數(shù)F2()和系數(shù)87、初級(jí)繞組電感峰值電流最大值88、初級(jí)繞組最小電感量89、估算電感體積910、計(jì)算匝數(shù)911、計(jì)算初級(jí)繞組電流有效值

2、1012、計(jì)算特征函數(shù)F3（）與次級(jí)繞組電流有效值1013、ZCD輔助繞組匝數(shù)1114、輸出電容估算1115、電流取樣電阻1216、IVN引腳偏置1317、ZCD電阻確定1318、光耦和TL431的偏置1319、輸出電壓取樣電路1420、三極管有源啟動(dòng)電路14七、電路原理圖及PCB圖151、電路原理圖152、PCB圖16八、調(diào)試方法16九、參考文獻(xiàn)17一、引言電力電子技術(shù)有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設(shè)備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺(tái)設(shè)備的性能。電源可以分為線性電源和開關(guān)電源兩大類。 線性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓，其工作原理是在輸入與輸

3、出之間串聯(lián)一個(gè)可變電阻（功率晶體管），讓功率晶體管工作在線性模式，用線性器件控制其“阻值”的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，電路簡(jiǎn)單，但效率低。開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。蚤_關(guān)電源具有能耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、體積小、重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，在通訊設(shè)備、儀器儀表、數(shù)碼影音、家用電器等電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。反激式功率變換器是開關(guān)電源中的一種，是一種應(yīng)用非常廣泛的開關(guān)電源。反激變換器本質(zhì)上屬于Buck-boost變換器，輸入回路與輸出回路隔離，可以升壓，也可以降壓。在100W以內(nèi)隔

4、離式開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)輸入電壓與輸出電壓的范圍，可以選擇單管反激或雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)反激變化器的工作原理，自己制定指標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)反激變換器開關(guān)電源。2、設(shè)計(jì)要求、交流輸入電壓范圍：90V265V； 、變換器工作在BCM模式；、輸出電壓為60V；額定輸出電流為0.2A；輸出功率為12W；、目標(biāo)效率為0.88；、工作頻率為100KHz；、輸出紋波電壓為5V；、次級(jí)整流二極管D正向壓降為0.9V；三、設(shè)計(jì)方案在輸入級(jí)進(jìn)行EMI濾波后，通過整流橋?qū)C轉(zhuǎn)換成DC，經(jīng)過電容濾波后利用反激變化器進(jìn)行DC-DC變換。反激變換器的開關(guān)管的通斷有控制芯片F(xiàn)AN79

5、30B產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)進(jìn)行控制。而反饋回路由TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、光耦等器件組成。四、設(shè)計(jì)原理方框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖，如圖1所示交流輸入輸入保護(hù)、EMI濾波整流、濾波反激變換器基本電路結(jié)構(gòu)取樣電路FAN7930B輸出PWM控制圖1五、核心元件介紹1、FAN7930B控制芯片它是一款具有有源功率因素校正的的控制器，使用比較內(nèi)部斜坡信號(hào)和誤差放大器輸出電壓的模式PWM來生成MOSFET控制信號(hào)。由于壓電模式CRM PFC控制器無需整流AC線路信息，因此電流模式CRM PFC控制器所必需的輸入壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率損耗就得到了節(jié)省。FAN7930B控制芯片還提供過壓保護(hù)、開路反饋保護(hù)

6、、過流保護(hù)、輸入電壓缺失檢測(cè)和欠壓閉鎖保護(hù)。附加的OVP引腳，因INV引腳處連接的電阻損壞導(dǎo)致輸出電壓超過過壓保護(hù)電平時(shí)，可關(guān)斷升壓功率級(jí)。如果INV引腳電壓小于0.45V且工作電流變得非常小，則可禁用FAN7930B。由于采用新變量實(shí)時(shí)控制的方法，因此總諧波失真要比傳統(tǒng)CRM升壓PFC的IC小。2、TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源TL431的特點(diǎn)是：穩(wěn)壓值從2.536V連續(xù)可調(diào);參考電壓原誤差+-1.0%，低動(dòng)態(tài)輸出電阻,典型值為0.22歐姆輸出電流1.0100毫安;全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50ppm;低輸出電壓噪聲。六、設(shè)計(jì)步驟1、輸入保護(hù)電路輸入電路由保險(xiǎn)絲（管）、防雷器件（壓敏電阻

7、等）器件組成。本設(shè)計(jì)沒有設(shè)計(jì)防雷功能。所以輸入保護(hù)電路只有保險(xiǎn)絲。1）、保險(xiǎn)絲（管）保險(xiǎn)管是防止后級(jí)電路異常時(shí)損壞開關(guān)電源內(nèi)部元件以及燒壞PCB板上的布線。保險(xiǎn)管的參數(shù)必須選擇得當(dāng)，否則后級(jí)電路出現(xiàn)異常大電流時(shí)沒有熔斷，或者在正常工作的時(shí)候，保險(xiǎn)管意外熔斷，致使開關(guān)電源沒法正常工作。根據(jù)公式：對(duì)于整流后采用大電容濾波的電路來說，功率因素PF一般只有0.450.6之間。對(duì)于具有有源功率因數(shù)校正的電路來說，PF一般在0.90以上。圖2由圖2以看出，本設(shè)計(jì)采用的控制芯片F(xiàn)AN7930B帶有功率因素校正功能，所以PF取0.9，而輸入最小電壓為90V，輸出功率為16W，效率為0.88。那么根據(jù)計(jì)算公式，

8、保險(xiǎn)絲電流容量為：0.4880.748A取標(biāo)準(zhǔn)值1A。2、EMI濾波電路EMI濾波本質(zhì)上是一個(gè)低通濾波，如圖2所示，400Hz以內(nèi)交流市電盡可能無損通過。面對(duì)高頻的差模、共模干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制效果，以避免開關(guān)電源內(nèi)部產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)通過電源線污染電網(wǎng)，同時(shí)也避免了來自電網(wǎng)的高頻干擾信號(hào)影響開關(guān)電源的工作。圖3用EE型磁芯做AC濾波電感的磁芯。其中電阻R21、R22的電阻值取3.3K。安規(guī)電容CX1和CX2的取值為0.1F。3、DD吸收回路如圖3的DD吸收回路電路，在未導(dǎo)通之前，漏感電流給C3迅速充電。C3的容量選擇2.2nF，耐壓值為500V。電阻R20的阻值為100。圖34、確定反射電

9、壓為了降低成本，一般盡可能使用600V耐壓的MOS管，截止期間MOS管承受的最大電壓取570V，即TVS管耐壓為因?yàn)門VS管取1.5倍的，所以=130V。5、計(jì)算匝比n因?yàn)榇渭?jí)整流超快恢復(fù)二極管壓降為0.9V，則n=2.134即整流二極管D承受的最大反向電壓=235.72V取350V耐壓的超快恢復(fù)二極管。6、計(jì)算特征函數(shù)F2()和系數(shù)因?yàn)榉醇ぷ兓骺梢缘刃锽UCK-BOOST變換器，而buck-boost變換器在輸入電壓最小時(shí)，電感峰值電流最大，因此必須在輸入電壓為最小值的時(shí)候，設(shè)計(jì)變化器的參數(shù)。=0.979F2()=0.2789最大導(dǎo)通時(shí)間：=5.05s7、初級(jí)繞組電感峰值電流最大值由峰值

10、電流的計(jì)算公式：0.848A由于開關(guān)管與初級(jí)繞組串聯(lián)，因此開關(guān)管Q的最大電流=0.848A8、初級(jí)繞組最小電感量由電感量的計(jì)算公式：=758.33H可得，初級(jí)繞組的最小電感量為758.33H。9、估算電感體積輸入功率為：=13.64W當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值取0.3T時(shí)，最小開關(guān)頻率去KHz、輸入功率單位為W時(shí)，儲(chǔ)能變壓器的磁芯有效體積為=2.512=3.807取=300，那么變壓器磁芯有效體積=1142.1，初步選擇選擇EFD20磁芯。該磁芯的參數(shù)如下：C1=1.52；31；10、計(jì)算匝數(shù)由計(jì)算公式：=69.15因?yàn)槠?，所以重新選擇磁芯，改選EDR2810磁芯，該磁芯體積為=8524.6=2091

11、則=25.22，取26砸；那么=11.81，取12砸。即初級(jí)線圈為26砸，次級(jí)線圈為12砸。11、計(jì)算初級(jí)繞組電流有效值由次級(jí)繞組電流有效值得計(jì)算公式：在80時(shí)，兩倍趨膚深度2線徑d1：其中電流密度J取4.5A/。顯然，當(dāng)m=1時(shí)，d=0.270mm<2。因此初級(jí)線圈可以采用單股標(biāo)稱直徑為0.32mm漆包線繞制。12、計(jì)算特征函數(shù)F3（）與次級(jí)繞組電流有效值特征函數(shù)F3（）：次級(jí)繞組電流有效值：線徑d2：電流密度J取4.5A/，當(dāng)m1時(shí)，d=0.197mm<2。因此次級(jí)線圈可以采用采用單股標(biāo)稱直徑為0.23mm漆包線繞制。13、ZCD輔助繞組匝數(shù)ZCD繞組匝數(shù)與ZCD檢測(cè)電壓有關(guān)，

12、開關(guān)管截止期間次級(jí)繞組電壓,因此必須保證在最大輸入電壓處ZCD輔助繞組輸出電壓大于，那么：即因?yàn)榭刂菩酒x擇FAN7930B，它的為1.5V，那么為了避免輔助繞組輸出電壓偏低，造成ZCD檢測(cè)失敗，一般在計(jì)算值基礎(chǔ)上增加13,。不過在PFC反激變換器中，ZCD繞組同時(shí)也是PFC控制芯片的供電繞組，因此實(shí)際上以控制芯片所需的為準(zhǔn)，而不是以為準(zhǔn)。假設(shè)芯片電源電壓為為16V，則匝，取4匝。計(jì)算輔助繞組整流二極管耐壓=88.4V14、輸出電容估算按boost APFC方式大致估算輸出濾波電容F用四個(gè)22F電容并聯(lián)，如圖4，其中電容C10選擇104作為高頻濾波電容，濾除高頻諧波信號(hào)。圖415、電流取樣電阻

13、如圖5，電阻R18、R19構(gòu)成了初級(jí)繞組峰值電流取樣電阻，大小與電感最大峰值電流有關(guān)。計(jì)算方法與基于boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的APFC變化器相同。0.86因電流取樣取樣電阻與開關(guān)管、初級(jí)繞組串聯(lián)，因此電流取樣電阻消耗功率與初級(jí)繞組電流有效值有關(guān)，即=58mW因此使用兩個(gè)耗散功率為1/8W的2和3的電阻并聯(lián)構(gòu)成電流取樣電阻。圖516、IVN引腳偏置如圖5，VCC電源經(jīng)過R7、R8分壓給INV引腳提供0.5V以上的偏置電壓，保證電源電壓大于7.5V后，芯片進(jìn)入工作狀態(tài)?？紤]到R7對(duì)啟動(dòng)電流的分流效應(yīng)，因此R7不能太小，否則所需的啟動(dòng)電流將偏高。為了將R7電流控制在80A100A之間，因此R7選擇150K

14、，由此可得取標(biāo)準(zhǔn)值5.1K。17、ZCD電阻確定ZCD檢測(cè)電阻如圖的電阻R10，它的大小必須適中，否則可能會(huì)引起PF下降，甚至?xí)?dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。確定了輔助繞組匝數(shù)后，根據(jù)FAN7930B的特性，ZCD檢測(cè)電阻=36.6K選取標(biāo)準(zhǔn)值39K。18、光耦和TL431的偏置如圖6，電阻R26給基準(zhǔn)電源TL431提供靜態(tài)偏置，使光耦內(nèi)部發(fā)光二極管截止時(shí)給TL431輸出端提供確定的偏置電壓。在光耦導(dǎo)通時(shí)，R14電流一般控制在0.5mA左右，而光耦內(nèi)部發(fā)光二極管典型工作電壓為1.2V，即，于是取R26的阻值為2.4K。在開關(guān)電源中，所用光耦的電流傳輸比一般為80160之間，而光耦的輸出電流一般為1mA左

15、右，因此內(nèi)部發(fā)光二極管工作電流一般控制在1mA左右，即流過R25的電流應(yīng)該控制在1.5mA左右，即=7.5K則R25選標(biāo)準(zhǔn)電阻7.5K。穩(wěn)壓二極管的限流電阻由輸出電壓決定，小功率穩(wěn)壓二極管工作電流控制在1mA5mA之間。因此，克制流過限流電阻R29的電流大小大約為2.5mA，即=取標(biāo)準(zhǔn)值18K。圖619、輸出電壓取樣電路如圖6，R30、R31、R32、R33構(gòu)成輸出電壓采樣電路。假設(shè)R32/R33=15K，那么由公式：因?yàn)?2.495V，算得R30+R31=346K20、三極管有源啟動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用三極管有源啟動(dòng)電路，如圖7所示，通過二極管Z1穩(wěn)壓，三極管Q3進(jìn)行擴(kuò)流的方式，讓芯片啟動(dòng)，這樣可

16、以達(dá)到降低功耗的目的其中Q3可以選擇600V耐壓的13001三極管。而電阻R3和R4取阻值為1M的電阻，而電阻R5和R6取阻值為56K的電阻。電容E1的容量為22F，耐壓值為25V。圖7七、電路原理圖及PCB圖1、電路原理圖反激變換器的完整的原理圖設(shè)計(jì)如圖8所示：圖8八、調(diào)試方法首先檢查電路板上面的元件是否有焊接錯(cuò)誤，如果沒有，則進(jìn)行下一步調(diào)試。在空載條件下，將輸入電壓調(diào)到最小值，接通電源后，用萬用表、示波器等儀器觀察，并測(cè)量輸出電壓是否存在、輸出電壓的大小和穩(wěn)定性。如果不正常，則調(diào)節(jié)電壓取樣電路、反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)。當(dāng)使用低壓直流電源作為反激變換器初期調(diào)試電源時(shí)，如果直流電源輸入電壓小于反激變換器的最小輸入電壓，那么必須減小驅(qū)動(dòng)電阻。如果這一步?jīng)]問題，就進(jìn)入下一步調(diào)試。在空載正常情況下，逐漸增加負(fù)載，分別在25%，50%負(fù)載條件下，檢測(cè)輸出電壓是否穩(wěn)定，這樣就能夠判別變換器的帶負(fù)載能力。如果一切正常，用示波器監(jiān)測(cè)開關(guān)管源極限流電阻兩端電壓波形，間接感知在開關(guān)期間初級(jí)繞組電流波形。如果在負(fù)載逐漸增加到110%時(shí)，初級(jí)繞組波形沒有明顯的尖峰，說明在最小輸入電壓下，不會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。在最小輸入電壓條件下，能滿載工作的話