電源設(shè)計(jì)-電子設(shè)計(jì)

1、電源設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì) 2015年年5月月10日日 基礎(chǔ)題類 通訊類 儀器類 電力電子類 控制類電源類電子設(shè)計(jì)競賽題目類型1.電子基礎(chǔ)知識電子器件電子器件（1）按可控性分類）按可控性分類 1）不控型器件）不控型器件 大功率二極管 2）半控型器件）半控型器件 SCR 3）全控型器件）全控型器件 MOSFET、IGBT（2）按驅(qū)動(dòng)信號類型分類）按驅(qū)動(dòng)信號類型分類 1）電流驅(qū)動(dòng)型）電流驅(qū)動(dòng)型 SCR 2）電壓驅(qū)動(dòng)型）電壓驅(qū)動(dòng)型 MOSFET、IGBT1.電子基礎(chǔ)知識1. 電子基礎(chǔ)知識1. 電子基礎(chǔ)知識DC-DC1. 電子基礎(chǔ)知識計(jì)算機(jī)電源計(jì)算機(jī)電源1.電子基礎(chǔ)知識計(jì)算機(jī)電源計(jì)算機(jī)電源1. 電子基礎(chǔ)知識1.

2、 電子基礎(chǔ)知識1. 電子基礎(chǔ)知識2.電源基礎(chǔ)知識電源電源電壓源電壓源電流源電流源電壓源特性電壓源特性a.理想電壓源特性理想電壓源特性輸出電壓恒定，輸出電流由輸出電壓恒定，輸出電流由外電路負(fù)載決定，輸出功率外電路負(fù)載決定，輸出功率可以無窮大?？梢詿o窮大。但不允許短路，但不允許短路，違背了基爾霍夫電壓定律（違背了基爾霍夫電壓定律（KVL)。2.電源基礎(chǔ)知識b.實(shí)際電壓源特性實(shí)際電壓源特性輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負(fù)載輸出電壓在一定輸出電流范圍內(nèi)恒定，輸出電流由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。不允許短路，不允許

3、短路，否則會燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護(hù)電路。否則會燒壞！但是一般電壓源均有限流和短路保護(hù)電路。2.電源基礎(chǔ)知識2）.電流源電流源a.理想電流源特性理想電流源特性輸出電流恒定，輸出電壓由輸出電流恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載決定，輸出功率外電路負(fù)載決定，輸出功率可以無窮大?？梢詿o窮大。但不允許開路，但不允許開路，違背了基爾霍夫電流定律（違背了基爾霍夫電流定律（KCL)。2.電源基礎(chǔ)知識b.實(shí)際電流源特性實(shí)際電流源特性輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載輸出電流在一定輸出電壓范圍內(nèi)恒定，輸出電壓由外電路負(fù)載決定，輸出功率由輸出電壓和輸出電流乘積決定。決定，輸出功率由輸出電

4、壓和輸出電流乘積決定。不允許開路，不允許開路，否則會燒壞！但是一般電流源均有限壓和開路保護(hù)電路。否則會燒壞！但是一般電流源均有限壓和開路保護(hù)電路。2.電源基礎(chǔ)知識3）.線性電源線性電源優(yōu)點(diǎn)：無任何優(yōu)點(diǎn)：無任何EMI輻射，輸出電壓紋波小，成本低。輻射，輸出電壓紋波小，成本低。缺點(diǎn)：體積大，重量大，效率低。缺點(diǎn)：體積大，重量大，效率低。.線性電源基本原理線性電源基本原理2.電源基礎(chǔ)知識.電源性能指標(biāo)參數(shù)電源性能指標(biāo)參數(shù)a) 穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)/=/LLOOOIrIIOIRRUUUUSUUUU常數(shù)常數(shù) 定義為負(fù)載一定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其輸入定義為負(fù)載一定時(shí)，穩(wěn)壓電路輸出電壓相對變化量與其

5、輸入電壓相對變化量之比電壓相對變化量之比 Sr表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時(shí)表明電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，其值愈小，電網(wǎng)電壓變化時(shí)輸出電壓的變化愈小。輸出電壓的變化愈小。2.電源基礎(chǔ)知識c) 電流調(diào)整率（負(fù)載調(diào)整率）電流調(diào)整率（負(fù)載調(diào)整率）b) 電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率 在額定負(fù)載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸在額定負(fù)載且輸入電壓產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電壓調(diào)整率。，稱為電壓調(diào)整率。 在輸入電壓一定且負(fù)載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，在輸入電壓一定且負(fù)載電流產(chǎn)生最大變化的條件下，輸出電壓產(chǎn)生的變化量輸出電壓產(chǎn)生的變化量Uo，稱為電流調(diào)整率，

6、也稱為，稱為電流調(diào)整率，也稱為負(fù)載調(diào)整率。負(fù)載調(diào)整率。d) 電源效率電源效率=100%OOIIUIUI2.電源基礎(chǔ)知識.穩(wěn)壓電路及其工作原理穩(wěn)壓電路及其工作原理T 為調(diào)整管為調(diào)整管DZ 為穩(wěn)壓管為穩(wěn)壓管A 為線性放大器為線性放大器串聯(lián)穩(wěn)壓電路串聯(lián)穩(wěn)壓電路OICEUUU2.電源基礎(chǔ)知識ONBCEOUUUUUONBCEOUUUUU2.電源基礎(chǔ)知識123min23OZR RRUURR+123max3OZR RRUUR+2.電源基礎(chǔ)知識 T 為大功率調(diào)整管，工作于線性為大功率調(diào)整管，工作于線性放大狀態(tài)放大狀態(tài)，輸入電，輸入電壓和輸出電壓相差越大功耗越大，效率很低。調(diào)整管極壓和輸出電壓相差越大功耗越大，

7、效率很低。調(diào)整管極限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動(dòng)而產(chǎn)生的限參數(shù)的確定必須考慮輸入電壓由于電網(wǎng)波動(dòng)而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。影響。.線性電壓調(diào)節(jié)器線性電壓調(diào)節(jié)器LM317調(diào)壓器調(diào)壓器2211.251+OADJRUIRR（）IADJ很小可以忽略不記。很小可以忽略不記。211.251+ORUR （）2.電源基礎(chǔ)知識 線性穩(wěn)壓輸出模塊線性穩(wěn)壓輸出模塊(LM78XX)和和負(fù)電壓負(fù)電壓輸出模塊輸出模塊(LM79XX)。 要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出電流需要的要求輸入電壓和輸出電壓之間由電壓差，且輸出

8、電流需要的電壓差越大，其典型值為電壓差越大，其典型值為1-3V，最大可達(dá)，最大可達(dá)35V。2.電源基礎(chǔ)知識4）.開關(guān)電源開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕優(yōu)點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：EMI、成本高、成本高ACDCACDC2.電源基礎(chǔ)知識（1）.開關(guān)電源電路分析方法開關(guān)電源電路分析方法 各功率開關(guān)管（三極管或二極管）換流時(shí)刻作為各功率開關(guān)管（三極管或二極管）換流時(shí)刻作為各開關(guān)模態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻。各開關(guān)模態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻。 假設(shè)條件充分合理。假設(shè)條件充分合理。 a. 開關(guān)管均為理想開關(guān)，導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷電開關(guān)管均為理想開關(guān)，導(dǎo)通壓降為零，關(guān)斷電阻為無窮大。阻為無窮大。 b. 大電容等效為恒

9、壓源，大電感等效為恒流源。大電容等效為恒壓源，大電感等效為恒流源。 。2.電源基礎(chǔ)知識（2）.開關(guān)電源基本電路拓?fù)溟_關(guān)電源基本電路拓?fù)鋋.降壓型降壓型BUCK變換器變換器Q、D為理想開關(guān)管為理想開關(guān)管C充分大，輸出電壓基本不變。充分大，輸出電壓基本不變。假設(shè)條件：假設(shè)條件：2.電源基礎(chǔ)知識開關(guān)模態(tài)開關(guān)模態(tài)1tOLEUiL2.電源基礎(chǔ)知識開關(guān)模態(tài)開關(guān)模態(tài)2on(t-T )OLUiL根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得()OOonononOEUUTTTTUEDELLTD=Ton/T 占空比占空比2.電源基礎(chǔ)知識電壓控制型電壓控制型BUCK變換器變換器電壓控制電壓控制PWM波形波形2

10、.電源基礎(chǔ)知識電流控制型電流控制型BUCK變換器變換器電流控制電流控制PWM波形波形2.電源基礎(chǔ)知識b.升壓型升壓型BOOST變換器變換器Q、D為理想開關(guān)管為理想開關(guān)管C充分大，輸出電壓基本不變。充分大，輸出電壓基本不變。假設(shè)條件：假設(shè)條件：2.電源基礎(chǔ)知識開關(guān)模態(tài)開關(guān)模態(tài)1tLEiL開關(guān)模態(tài)開關(guān)模態(tài)2on(t-TOLEUiL）根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得根據(jù)伏秒積平衡原理，可推得1()1OononOonEUETTTTUEELLTTD2.電源基礎(chǔ)知識c.推挽型推挽型DC/DC變換器變換器推挽型推挽型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎(chǔ)知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎(chǔ)知識驅(qū)動(dòng)脈

11、沖驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識d.半橋型半橋型DC/DC變換器變換器半橋型半橋型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎(chǔ)知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎(chǔ)知識驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識e.全橋型全橋型DC/DC變換器變換器全橋型全橋型DC/DC變換器變換器 2.電源基礎(chǔ)知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 模態(tài)模態(tài)3 2.電源基礎(chǔ)知識驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖2.電源基礎(chǔ)知識e.反激式反激式DC/DC變換器變換器反激式反激式DC/DC變換器變換器 2.電源基礎(chǔ)知識模態(tài)模態(tài)1 模態(tài)模態(tài)2 驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖 2.電源基礎(chǔ)知識（3）.開關(guān)電源控制芯片開關(guān)電源控制芯片 電壓控制芯片電壓控制芯片SG3525

12、2.電源基礎(chǔ)知識2.電源基礎(chǔ)知識 電流控制芯片電流控制芯片UC3842/32.電源基礎(chǔ)知識設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 在設(shè)計(jì)一個(gè)電源之前，應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道你的電源工作在設(shè)計(jì)一個(gè)電源之前，應(yīng)當(dāng)預(yù)先知道你的電源工作的系統(tǒng)。詳細(xì)了解此系統(tǒng)對電源的要求和限制。對系統(tǒng)的系統(tǒng)。詳細(xì)了解此系統(tǒng)對電源的要求和限制。對系統(tǒng)透徹地了解，可大大降低成本和減少設(shè)計(jì)時(shí)間。透徹地了解，可大大降低成本和減少設(shè)計(jì)時(shí)間。 實(shí)際操作時(shí)，你可以從變換器要求的規(guī)范列一個(gè)表，實(shí)際操作時(shí)，你可以從變換器要求的規(guī)范列一個(gè)表，并逐條考慮。并逐條考慮。1升壓還是降壓：輸出電壓總是高于還是低于升壓還是降壓：輸出電壓總是高于還是低于輸入電壓？如果不是，你就不能采用

13、輸入電壓？如果不是，你就不能采用Buck或或Buck/Boost.2占空度：輸出電壓與輸入電壓比大于占空度：輸出電壓與輸入電壓比大于5嗎？如嗎？如果是，你可能需要一個(gè)變壓器，計(jì)算占空度保證果是，你可能需要一個(gè)變壓器，計(jì)算占空度保證它不要太大和太小。它不要太大和太小。3需要多少組輸出電壓？如果大于需要多少組輸出電壓？如果大于1，除非增加，除非增加后續(xù)調(diào)節(jié)器，一般需要一個(gè)變壓器。如果輸出組后續(xù)調(diào)節(jié)器，一般需要一個(gè)變壓器。如果輸出組別太多，建議最好采用幾個(gè)變換器。別太多，建議最好采用幾個(gè)變換器。4是否需要隔離？多少電壓？隔離需要變壓器。是否需要隔離？多少電壓？隔離需要變壓器。5EMI要求是什么？如果

14、要求嚴(yán)格，建議不要采要求是什么？如果要求嚴(yán)格，建議不要采用像用像Buck類輸入電流斷續(xù)的拓?fù)洌x擇電流連類輸入電流斷續(xù)的拓?fù)?，而選擇電流連續(xù)工作模式。續(xù)工作模式。6成本是極其重要嗎？小功率高壓可以選擇成本是極其重要嗎？小功率高壓可以選擇BJT。如果輸入電壓高于如果輸入電壓高于500V，可考慮選擇，可考慮選擇IGBT。反。反之，采用之，采用MOSFET。7是否要求電源空載？如果要求，選擇斷續(xù)模是否要求電源空載？如果要求，選擇斷續(xù)模式，除非采用問題式，除非采用問題8。也可加假負(fù)載。也可加假負(fù)載。8能采用同步整流？這可使得變換器電流連續(xù)，能采用同步整流？這可使得變換器電流連續(xù)，而與負(fù)載無關(guān)。而與負(fù)

15、載無關(guān)。9輸出電流是否很大？如果是，應(yīng)采用電壓型，輸出電流是否很大？如果是，應(yīng)采用電壓型，而不是電流型。而不是電流型。軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)高頻變壓器設(shè)計(jì)程序：高頻變壓器設(shè)計(jì)程序：1.磁芯材料磁芯材料 2.磁芯結(jié)構(gòu)磁芯結(jié)構(gòu)3.磁芯參數(shù)磁芯參數(shù) 4.線圈參數(shù)線圈參數(shù)5.組裝結(jié)構(gòu)組裝結(jié)構(gòu) 6.溫升校核溫升校核 變壓器的設(shè)計(jì)原則及方法變壓器的設(shè)計(jì)原則及方法設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積設(shè)計(jì)變壓器主要有很兩種方法：面積積AP法法 AP：磁芯截面積：磁芯截面積Ae與線與線圈有效窗口面積圈有效窗口面積Aw的乘積。的乘積。 PT-變壓器的計(jì)算功率變壓器的計(jì)算功率 Ae-磁芯有效截面積磁芯有效截面積Aw-磁芯窗

16、口面積磁芯窗口面積 Ko-磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為磁芯窗口利用系數(shù)，典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為波形系數(shù)，方波為4，正弦波為，正弦波為4.44Bw-磁芯的工作磁感強(qiáng)度磁芯的工作磁感強(qiáng)度 Fs-開關(guān)工作頻率開關(guān)工作頻率Kj-電流密度系數(shù)，取電流密度系數(shù)，取395A/cm2 X-磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表。磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)，查表。程控線性穩(wěn)壓電源程控線性穩(wěn)壓電源1224V交流整流濾波LM317負(fù)載電壓取樣電流取樣帶ADC的MCUPWM調(diào)節(jié)ADJ問題問題1、電壓取樣怎么做？、電壓取樣怎么做？2、電流取樣怎么做？、電流取樣怎么做？3、如何實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)？、如何實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)？程控開關(guān)穩(wěn)壓電源程控開關(guān)穩(wěn)壓電源

17、開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)數(shù)控恒流源數(shù)控恒流源設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告寫作設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告寫作一、任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作數(shù)控直流電流源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓10V。其原理示意圖如下所示。鍵盤控制器電流源負(fù)載顯示器電源2005年數(shù)控直流電流源年數(shù)控直流電流源二、要求1、基本、基本要求要求（1）輸出電流范圍：200mA2000mA；（2）可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10 mA；3.歷年競賽題目分析2、發(fā)揮部分、發(fā)揮部分（1）輸出電流范圍為20mA2000mA，步進(jìn)1mA；（2）設(shè)計(jì)、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時(shí)或交替顯

18、示電流的給定值和實(shí)測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3個(gè)字；（3）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA；（4）紋波電流0.2mA；（5）其他。（3）具有“+”、“-”步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)10mA；（4）改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以內(nèi)變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+10 mA；（5）紋波電流2mA；（6）自制電源。3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析運(yùn)放工作于線性放大狀態(tài)3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析一、任務(wù)一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作如圖1所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源。圖1電源框圖2007開關(guān)穩(wěn)壓電

19、源3.歷年競賽題目分析二、要求在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下述要求：1基本要求輸出電壓UO可調(diào)范圍：30V36V；最大輸出電流IOmax：2A；U2從15V變到21V時(shí)，電壓調(diào)整率SU2%（IO=2A）；IO從0變到2A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI5%（U2=18V）；輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC變換器的效率 70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流IO（th）=2.50.2A；3.歷年競賽題目分析2發(fā)揮部分進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU0.2%（IO=2A）；進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI0.5%（U2=18V）；進(jìn)一步提高效率，使 85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除過流故障后，電源能自動(dòng)恢復(fù)為正常狀態(tài)；能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，步進(jìn)值1V，同時(shí)具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能。其他。3.歷年競賽題目分析3.歷年競賽題目分析2011開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)開關(guān)電源模塊并聯(lián)供