开关电源实用技术设计与应用.docx
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开关电源实用技术设计与应用
大连工业大学
毕业设计
题目:
开关电源实用技术设计与应用
子题:
小功率通用开关电源的设计与制作
摘 要
本论文围绕当前流行的单片开关电源芯片进行的小功率通用开关稳压电源的设计与制作。
该开关电源共选用3片主要的集成电路——TOP249Y型6端单片开关电源、线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431。
利用TOP249Y型6端单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的,以达到稳定输出的目的。
设计主要完成的内容有:
(1)根据设计需要选择开关电源电路;
(2)设计输入整流滤波电路,并确定相关器件参数;
(3)基于TOP249Y对开关电源的控制核心部分进行设计;
(4)设计高频变压器,计算确定变压器的变比与绕线匝数;
(5)设计输出整流滤波电路,并确定相关器件参数;
(6)设计电压反馈电路;
(7)通过实验和计算对设计中的数据进行验证。
本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作,通过反复实验和计算取得了高频变压器设计的宝贵经验,掌握了开关电源设计的核心技术,并对此进行了较为详尽的阐述。
关键词:
单片开关电源;PWM;占空比;高频变压器
ABSTRACT
Thispaperfocusonthecurrentprevalenceofsingle-chipswitchingpowersupplychipsforthelow-poweruniversalswitchingpowersupplydesignandfabrication.TheswitchingpowersupplyhasemployedthreemajorIC--TOP249Y-6-SMPS,PC817AlinearoptocouplerandadjustableprecisionparallelRegulatorsTL431.UseTOP249Y-6-SMPSPWMcontrolswitchtoadjustthedutycycleoftheoutputvoltagetoachievestableoutputpurposes.
Completedthemajordesignelementsinclude:
(1)Theneedtochoosebasedonthedesignofswitchingpowersupplycircuit;
(2)Designinputrectifierfiltercircuit,andtoidentifytherelevantdeviceparameters;
(3)BasedonTOP249YrightSMPScontrolofthecorepartsofthedesign;
(4)Thedesignofhighfrequencytransformer,thecalculatedvariabletransformerturnsratioandwinding;
(5)Designrectifieroutputfiltercircuit,andestablishtherelevantdeviceparameters;
(6)Designvoltagefeedbackcircuit;
(7)Adoptionofexperimentalandcomputationaldesignofdatavalidation.
Thethesisoftheswitchingpowersupplyfiltering,rectifierandthefeedbackcircuitweremademeticulousresearchwork,throughrepeatedexperimentsandcalculationsmadeofhigh-frequencytransformerdesignofthevaluableexperienceandthedesignofswitchingpowersupplycoretechnology,andtoconductamoredetailedstatement.
Keywords:
SMPS;PWM;Dutycycle;High-frequencytransformer
目 录
第一章绪论 ……………………………………………………………………… 1
1.1开关电源的基本概念………………………………………………………… 1
1.2开关电源的发展……………………………………………………………… 2
1.2.1开关电源的发展史………………………………………………………… 2
1.2.2开关电源的技术追求和发展趋势………………………………………… 3
1.3开关电源的技术要点和动态………………………………………………… 5
1.4本论文的内容及研究意义…………………………………………………… 6
第二章开关电源的基本分类和工作原理……………………………………… 7
2.1开关电源电路基本分类……………………………………………………… 7
2.1.1开关电源的分类…………………………………………………………… 7
2.1.2开关电源的选择 ………………………………………………………… 12
2.2开关稳压电源的基本工作原理 …………………………………………… 12
2.2.1开关稳压电源的基本工作原理 ………………………………………… 12
2.2.2TOPSwitch系列单片开关电源的基本工作原理………………………… 14
2.2.3单片开关电源的两种工作模式 ………………………………………… 15
2.2.4反馈电路的四种基本类型 ……………………………………………… 16
第三章小功率通用开关稳压电源的研制…………………………………… 18
3.1性能特点及技术指标 ……………………………………………………… 18
3.2开关电源电路中关键元器件的选择与设计 ……………………………… 19
3.2.1TOP249Y型6端单片开关电源…………………………………………… 19
3.2.1.1TOP249Y的管脚功能……………………………………………………19
3.2.1.2TOP249Y的内部结构……………………………………………………20
3.2.2线性光耦合器PC817……………………………………………………… 21
3.2.3可调式精密并联稳压器TL431…………………………………………… 22
3.3开关电源的电路设计 ……………………………………………………… 24
3.3.1开关电源电路的工作原理 ……………………………………………… 24
3.3.2输入整流滤波电路的设计 ……………………………………………… 26
3.3.3基于TOP249Y的开关电源设计 ……………………………………………27
3.3.4高频变压器的设计和绕制方法 ………………………………………… 29
3.3.4.1该开关电源高频变压器的参数计算 ………………………………… 29
3.3.4.2高频变压器绕制的注意事项 …………………………………………… 31
3.3.4.3单片开关电源高频变压器的设计要点 ……………………………… 32
3.3.5输出整流滤波电路的设计 ……………………………………………… 33
3.3.5.1输出整流电路的设计 ………………………………………………… 34
3.3.5.2输出滤波电路的设计 ………………………………………………… 34
3.3.6稳压反馈电路设计 ……………………………………………………… 34
3.4单片开关电源印制板的设计 ……………………………………………… 35
3.5小节 ………………………………………………………………………… 37
第四章开关电源设计的总结………………………………………………… 38
4.1单片开关电源的设计程序 ………………………………………………… 38
4.2实验结果分析 ……………………………………………………………… 39
4.2.1电源输出负载调整率的实验分析 ……………………………………… 39
4.2.2电源输出纹波的实验分析 ……………………………………………… 40
4.3实验与计算数据的验证 …………………………………………………… 41
4.4设计中的注意事项 ………………………………………………………… 42
4.5结论 ………………………………………………………………………… 42
参考文献 …………………………………………………………………………44
致谢………………………………………………………………………………46
第一章绪论
1.1开关电源的基本概念
电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装置的动力源泉。
直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,用于交流—直流或直流—直流电能变换,通常称其为开关电源(SwitchedModePowerSupply-SMPS)其功率从零点几瓦到数十千瓦,广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。
彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机,各种计算机设备,工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置,以及飞机、卫星、导弹、舰船中,都大量采用了开关电源。
顾名思义,开关电源的核心为电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求,利用反馈控制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。
开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有两个明显的优点。
1.效率高采用占空比控制的开关电源,在理想情况下,只进行能量的变换而没有损耗。
实际上,电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素,电感和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因素,所以存在损耗。
但电路的总效率仍能达到85%~98%,远远高于靠动态电阻调节的线性电源,通常比相控电源的效率也要高些。
2.体积小、重量轻开关电源采用较高的开关频率,一般高于20kHz这一人耳的听觉极限。
因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减少。
而线性电源和相控电源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。
所以在同等功率的条件下,开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的1/10。
另外,开关电源的效率较高,需要的散热器也较小,这在很大程度上减小了体积和重量。
同时,还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。
因为具有这些优点,开关电源的应用越来越广泛,大有取代线性电源和相控电源的趋势。
值得注意的是,开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大,所以在需要非常低的噪声与纹波(如纹波峰峰值要小于5~10mV)的情况下,仍需要线性电源,由于大功率全功率非常大(1MW以上)时,仍需采用相控电源。
但随着控制技术和元器件技术的不断发展,开关电源的各方面的性能都在不断提高,容量也在不断扩大。
1.2开关电源的发展
1.2.1开关电源的发展史
随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源,它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源[1]。
这种传统稳压电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。
但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右。
另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。
20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。
并且自开关稳压电源问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%~40%。
因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。
因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步[2][3]。
40多年来,开关电源经历了三个重要发展阶段:
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。
高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。
1.2.2开关电源的技术追求和发展趋势
开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电压。
以功率晶体管(GTR)为例,当开关管饱和导通时,集电极和发射极两端的压降接近零;当开关管截止时,其集电极电流为零。
所以其功耗小,效率可高达70%~95%。
而功耗小,散热器也随之减小。
开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器。
此外,开关工作频率为几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。
因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。
另外,由于功率小,机内温升低,提高了整机的稳定性和可靠性。
而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V(10%),而开关型稳压电源在电网电压在110~260V范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。
开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化,并使开关电源进入更广泛的领域,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。
另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义[4][5]。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。
为提高开关频率,必须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度,理论上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式。
采用谐振开关式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。
1.小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。
在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能。
因此,高频化是开关电源的主要发展方向。
2.高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠性。
从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。
3.低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯地追求高频化,噪声也会随之增大,采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以,尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4.采用计算机辅助设计和控制——采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
总之,人们在开关电源技术领域里,边研究低损耗回路技术,边开发新型元器件,两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。
1.3开关电源的技术动态和要点
开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力,它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品,引起了国内外电源界的普遍关注。
开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点,现己成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。
目前,开关电源正朝着短、小、轻、薄、节能、安全的方向发展,涌现出许多开关电源的新技术和新产品[6]。
开关电源技术包含以下重要的组成部分:
1.元器件技术包括涉及开关器件的电力电子器件技术和涉及变压器、电感等主要磁性元件的磁技术,以及涉及电容等其他无源元件的技术。
2.电路技术主要研究各种基本开关电路和相应的软开关电路,以及各种吸收电路等。
3.控制技术主要研究适用于开关电源的各种开关控制方法,如电压模式控制和各种电流模式控制等。
4.电磁兼容技术研究开关电源中电磁干扰的产生、传播和抑制等问题。
5.散热技术利用传热学理论,分析和解决开关电源主要发热元件的散热问题。
自20世纪90年代以来,开关电源的发展更是日新月异。
许多新的领域和新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战。
如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察,我们可以发现,输入的要求变得更严了,不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰;输出则派生出了许多特殊的应用领域,研制和开发的难度变得更大了。
正是由于外界的这些要求推动了两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题,它们是有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。
另外由于技术性能和要求的提高,使得许多相关技术课题的研究,例如EMI技术、PCBLayout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。
1.4本论文的内容及研究意义
开关电源体积小、效率高,被誉为高效节能电源,现己成为稳压电源的主导产品。
当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。
高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。
本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行了小功率开关型稳压电源特性的研究。
论文的主要内容如下:
开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关,利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源,具有体积小、重量轻、噪音小,以及可靠性高等特点。
本设计是设计并制作出一种额定输出功率为70W的通用的小功率开关电源,主要采用TOP249Y、PC817A、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合,使设计出的开关电源具有自动稳压功能。
第二章开关电源的基本分类和工作原理
2.1开关电源的基本分类
2.1.1开关电源的分类
开关型稳压电源的种类很多,分类方法也有多种[7]。
从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式,在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡;它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器,振荡器产生的开关脉冲加在开关管上,控制开关管的导通和截至。
按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等,单端式开关电源仅用一个开关管,推挽式和半桥式采用两个开关管,全桥式则采用四个开关管。
按开关管的连接方式,开关电源分为串联型与并联型开关电源,串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的,属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的,属于升压式电路。
1.单端反激式开关电源
单端反激式开关电源的典型电路如图2.1所示。
电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。
所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,副边上没有电流通过,能量储存在高频变压器的初级绕组中。
当开关管VT1截止时,变压器T副边上的电压极性颠倒,使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源电路简单、所用元件少,输出与输入间有电气隔离,能方便的实现单路或多路输出,开关管驱动简单,可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内,且有较好的电压调整率。
其输出功率为20~100W。
它也有其一定的缺点,如开关管截止期间所受反向电压较高,导通期间流过开关管的峰值电流较大。
但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件,在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。
图2.1单端反激式开关电源
2.单端正激式开关电源
单端正激式开关电源的典型电路如图2.2所示。
这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。
当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量:
当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD1,它可以将开关管VT1的最高电压限制在
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