開關(guān)電源設(shè)計報告

1、 前言隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展,電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,電子設(shè)備的種類也越來越多,電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。近年來,隨著功率電子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技術(shù)以及電源理論發(fā)展,新一代的電源開始逐步取代傳統(tǒng)的電源電路。開關(guān)電源中的功率調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬、溫升低、體積小等突出優(yōu)點，在通信設(shè)備、數(shù)控裝置、儀器儀表、視頻音響、家用電器等電子電路中得到廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低

2、輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。 開關(guān)穩(wěn)壓電源，其系統(tǒng)硬件由三個環(huán)節(jié)組成，即整流濾波環(huán)節(jié)、直流-直流升壓變換（DC-DC）環(huán)節(jié)、以及測控與鍵盤顯示環(huán)節(jié)。 目 錄1.開關(guān)電源基本組成42.L4978芯片的特性及工作原理52.1 L4978芯片介紹52.2 L4978芯片特性52.3 L4978工作原理63. L4978開關(guān)電源電路73.1電路原理圖73.2電路封裝圖94.L4978開關(guān)電源電路設(shè)計94.1整體分析94.2元器件清單104.3各元器件功能105.電路圖分析115.1電路圖布局115.2布線導(dǎo)線要求115.3信號流向115.4輸入信號和輸出信號數(shù)據(jù)分析125.5輸出

3、電壓范圍126.總結(jié)137.個人心得13摘要開關(guān)電源是以功率半導(dǎo)體器件為開關(guān)元件，該電源為一非隔離型DC/DC變換器，核心器件是ST公司生產(chǎn)的開關(guān)電源芯片L4978。L4978開關(guān)電源為減壓型，輸出電壓小于輸入電壓。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)電源具有節(jié)能（效率一般可達85%以上）；體積小，重量輕；具有各種保護功能；改變輸出電流、電壓容易，穩(wěn)定，可控等特點。關(guān)鍵詞 L4978 開關(guān)電源 DC/

4、DC變換器 1.開關(guān)電源基本組成 圖中DC/DC變換器是開關(guān)電源電路的核心部分，其作用是將固定輸入的直流電壓U1變換成可變的直流電壓，也稱為直斬波器。開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體作為開關(guān)器件，通過周期性控制開關(guān)通斷，調(diào)節(jié)環(huán)路控制信號的占空比來調(diào)整輸出電壓。常用控制方式有脈寬常用控制方式有脈寬調(diào)制(PWM )、脈頻調(diào)制(PFM)PWM 與PFM 混合式, 其中最常用的是PWM。單片開關(guān)式DC/DC電源變換器 L4978內(nèi)含誤差放大比較器、脈寬調(diào)制器、驅(qū)動器等電路,適宜構(gòu)成高效、小體積的儀器儀表的開關(guān)電源。2.L4978芯片的特性及工作原理2.1 L4978芯片介紹 L4978是意法半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的

5、單片開關(guān)式穩(wěn)壓器，它采用8腳雙列直插式DIP-8封裝，外形與常見的運放4558相同，它的最大輸出電流可達2A，最大輸出功率100W，輸入電壓范圍8-55V，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍3.3-50V，內(nèi)部集成了3.3V基準(zhǔn)電壓源、鋸齒波信號及時鐘信號振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制器、功率輸出級和各種保護電路，在芯片內(nèi)部集成了一只N溝道DMOS功率開關(guān)管，其開關(guān)速度極快，可在高頻下工作。L4978的引腳排列圖如圖所示 2.2 L4978芯片特性 單片開關(guān)式集成DC/DC電源變壓器L4978是一種新型高效節(jié)能穩(wěn)壓電源，它內(nèi)部集成了3.3V準(zhǔn)基電壓源、鋸齒波信號及時鐘信號振蕩器、誤差放大器、脈沖調(diào)制器、功率輸出級

6、和各種保護電路。L4978芯片輸入電壓的允許范圍寬，消耗低。此芯片內(nèi)還集成了高速DMOS功率開關(guān)管、專門驅(qū)動開關(guān)管以及軟啟動、禁用等功能，提高了電源的效率和系統(tǒng)安全性。2.3 L4978工作原理芯片4腳輸出電壓UO,經(jīng)外接取樣電阻 R3、R4分壓后(見圖3),反饋至8腳的誤差放大器反相端,與加在同相端的3.3V基準(zhǔn)電壓相比較, 得到誤差電壓Ur,由Ur的幅度控制PWM比較器輸出的脈沖寬度UPWM , 最后由功率放大器和降壓電路,輸出穩(wěn)定直流電壓。3. L4978開關(guān)電源電路3.1電路原理圖 圖3 L4978開關(guān)電源原理圖電路原理如下：C1為輸入濾波電容，C2為高頻濾波電容，R1、C3是振蕩電阻

7、與振蕩電容，C4為軟啟動電容，R2和C5構(gòu)成誤差放大器的頻率補償網(wǎng)絡(luò)，C6是自舉電容，VD為續(xù)流二極管，采用SB560的肖特基二極管。電感L為儲能元件，可選用直徑為22mm的高頻磁環(huán)，用外徑為10mm的高強度漆包線沿磁環(huán)的圓周方向均勻繞40T左右。電路工作時，功率脈沖調(diào)制信號從IC的14腳輸出，在信號的正半周時，向負載供電，同時將電能儲存在L和C7中，此時VD截止。在功率脈沖調(diào)制信號的負半周，VD導(dǎo)通，儲存在L中的電能就經(jīng)過VD所構(gòu)成的電路繼續(xù)向負載供電，維持輸出電壓不變。芯片4腳輸出電壓U0，經(jīng)外接取樣電阻R3、R4分壓后，反饋至8腳的誤差放大器反相端，與加在同端的3.3V基準(zhǔn)電壓相比較，得

8、到誤差電壓Ut，由Ut的幅度控制PWM比較器輸出的脈沖寬度UPWM,最后由功率放大器和降壓電路輸出穩(wěn)定直流電壓。電阻R1和電容C3決定了系統(tǒng)的工作頻率，L4978最高允許頻率為500Hz。電阻R3和R4構(gòu)成電壓反饋回路，分壓比決定輸出電壓的高低。R4的阻值為4.7K,調(diào)整R3的阻值，可改變輸出電壓。輸出電壓與R3阻值關(guān)系見下表V0/VR3/KR4/K3.304.75.12.74.712124.715164.718204.724304.73.2電路封裝圖4.L4978開關(guān)電源電路設(shè)計4.1整體分析步驟分析任務(wù)，準(zhǔn)備資料。包括原理圖分析，元器件資料準(zhǔn)備，明確設(shè)計要求，例如散熱要求、機械防護要求、電

9、磁兼容性要求、電路板尺寸要求、特殊加工要求等；建立項目文件夾，明確保存路徑；準(zhǔn)備元器件。在Protel DXP提供的元器件庫內(nèi)查找，如果沒有，則自己制作；制作原理圖。根據(jù)項目規(guī)模劃分單元，確認是否需要制作層次原理圖及其層次劃分；制作印制電路板；生成有關(guān)報表、光輝文件、鉆孔文件等。4.2元器件清單元器件序號參數(shù)值元器件封裝R120KAXIAL-0.4R2、R39.1KAXIAL-0.4R44.7KAXIAL-0.4C1、C7220uF/63VAXIAL-0.4C20.22uFRB5-10.5C32.7nFRAD-0.2C4、C6100nFRAD-0.2C522nFRAD-0.2JP1VinRAD

10、-0.2JP2VoutRAD-0.2D1SB560DIODE-0.7L1126mHRB5-10.5U1L4978DIP-84.3各元器件功能R3和R4：取樣電阻，電路輸出電壓U0由R3和R4的分壓比決定。C6：濾波電容，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。R1和C3：決定開關(guān)頻率，其計算公式為:L1：電感，用來存儲能量,儲能電感L與所設(shè)計的UI、UO、f及紋波電流值IL,有關(guān)其計算公式為:5.電路圖分析5.1電路圖布局 元器件布局時，電流主回路（C1、U1、D1、L1、C7）及控制回路(R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5、U1)主次應(yīng)分明，且滿足；布線，電流流向簡潔流暢；控制回路要求從

11、輸出端單點接地；R2、C3振蕩回路及R2、C5補償回路盡量靠近U1（L4978）相應(yīng)引腳。5.2布線導(dǎo)線要求 由于這是一個開關(guān)電源電路，最高頻率可達500kHz，為避免電磁干擾，L4978集成電路及其周圍輔助元器件，要求單點接地；根據(jù)原理圖將相應(yīng)的元件擺放在L4978相應(yīng)的位置，這樣可以減少導(dǎo)線的長度，從而減少電路的損耗；地線的寬度為30mil適宜，輸入輸出線寬為23mil適宜，其他的線寬為20mil；同時采用實心銅敷銅，這樣不僅美觀，而且增加的電路的抗干擾的能力。5.3信號流向濾波整流降壓變壓器交流電220V/50HZ輸出電壓直流電壓5.4輸入信號和輸出信號數(shù)據(jù)分析電路輸出電壓U0ut由取樣

12、電阻R3和R4的分壓比決定，設(shè)輸出電壓為U0ut，取樣反饋電壓為UFB，則有關(guān)系式： ，則有 v。由式子可知，調(diào)節(jié)R4或R3就可以改變輸出電壓。5.5輸出電壓范圍經(jīng)過多次的調(diào)整和測試的數(shù)據(jù)得出（如表1），我們選擇輸入電壓為30V時，該電源的輸出電壓大小主要取決于8腳的電壓和R3、R4的阻值有關(guān)，并且現(xiàn)選定R4為47K，R3為100K，通過（1）的計算可以得出輸出電壓為10.3V，實際測量電壓為10.4V，由于電路和測量儀器存在一定的誤差；并且通過多組數(shù)據(jù)的測量和計算，符合誤差的范圍。 表1，測量數(shù)據(jù)記錄表（R4=47K）R3（K）2.24.710202247100Uout（V）3.453.6344.74.846.610.336.總結(jié) 根據(jù)基于L