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关键字:
PWM变压器开关电源;
整流电路;
次级线圈;
交流电;
Abstract
Theso-calledflybackthePWMtransformerswitchingpowersupply,whenthetransformerprimaryisjustDCpulsevoltageexcitation,thesecondarywindingofthetransformerisnotprovidingpoweroutputtotheload,butonlyintheexcitationvoltageofthetransformerprimarycoilisoffbeforethistransformerswitchingpowersupplycalledflybackswitchingpowersupplyprovidespoweroutputtotheload.
Theexperimentaldesignofswitchingpowersupplycircuit,AC-DC-AC-DCconversiontechnology.Upcoming220V50HZAC(mains)converts12VDCoutput,middlefilteredrectifiercircuitconvertstheDC,then25W,12Vflybackconverterintegratedintoalternatingcurrent,inordertoimprovetheconversionefficiency,andthenfilterandrectifiercircuitconvertthe12VDCoutput,andthefinalDC.
Teacherbytrainingdesignedcircuitboard,transformerhandmadebythestudents,thesamechip,thesamecore,ifthetransformercoilwindingunreasonable,theoverallperformanceoftheswitchingpowersupplywilldecline,suchasthelosswillincrease,themaximumoutputpowerwilldeclinethroughthetraining,studentscandeepentheunderstandingoftheswitchingpowersupply.
keywords:
PWMtransformerswitchingpowersupply;
Rectifiercircuit;
Secondarycoil;
AC;
目录
引言1
1.总体方案1
1.1总体设计方案1
1.2总原理框图2
2反激式变压器工作原理3
3.实物制作过程4
3.1变压器的绕制4
3.2变压器的测验4
3.3元器件的焊接4
4.测试及调试4
5.误差原因及分析5
6.心得体会6
谢辞7
参考文献8
附录9
引言
任何电子设备都需要电源,电源的一次电能大致有两种,一种是由发电厂生产发送的,称为市电;
另一种是由电池等提供的直流电。
电能变换技术大致有以下几种:
交流-交流(AC-AC)变换技术、直流-直流(DC-DC)变换技术、交流-直流(AC-DC)变换技术、直流-交流(DC-AC)变换技术等。
任何电子设备使用的电源大致分线性稳压电源和开关稳压电源两大类。
所谓线性稳压电源就是其调整管工作在线性放大区,这种稳压电源的最主要缺点就是变换效率低,一般只有35%~60%左右。
开关稳压电源的开光管工作在开关状态,其主要优越性就是变换效率高,可高达70%~95%,除此之外,开关稳压电源的优越性还表现有:
功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等而被人们广泛使用。
功耗小——由于开关管功耗小,不需要采用大散热器。
而且,功耗小也使得电子设备内温升也低,周围元器件不图1.1开关电源
会因长期工作在高温环境下而损坏,有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。
稳压范围宽——在开关稳压电源输出的交流电压在150~250V范围内变化时,都能达到很好的稳压效果,输出电压的变化在2%以下,而且在输入电源发生变化时,始终能保持稳压电路的高效率。
因此,开关稳压电源能适用于市电电压波动比较大的地区。
体积小、重量轻——开关稳压电源可将市电输入的交流电压直接整流,再通过高频变压器获得各组不同交流电压,这样就可省去笨重的工频变压器,从而节省了大量的漆包线和硅钢片,使电源的体积大大缩小,重量减轻。
安全可靠——开关稳压电路一般都具有自动保护电路,当稳压电路、高频电路和负载等出现故障或短路时,能自动切断电源,保护功能灵敏可靠。
开关稳压电源的主要问题是电路比较复杂,输出电压的纹波比较大,瞬态响应差等,因此,开关电源的应用也受到一定限制。
1.总体方案
1.1总体设计方案
本实验设计的反激式开关稳压电源电路,主要采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换技术。
其中用SD4780芯片控制输出电压的占空比D,采用降压式斩波方式电路,即非隔离的交换方式,调节输入输出之间一定电流通道,电感平均电流:
IL=I0/1-D,调占空比可调节12V直流电压输出。
总的原理是:
在交流-直流电压变换器功能的中间接入直流-交流电路的结构,以增大转换效率。
其主要优越性是变换效率高,可高达70%~95%。
DC-AC转换步骤如下:
图1方案框图
说明:
选择了Buck降压变换器实现DC-AC变换,控制电路采用场效应管和PWM脉宽调制控制器SD4780芯片通过双闭环回路、反激式变换器共同控制DC-AC变换电路,实现输出电压稳定、可调;
SD4780芯片产生高频脉冲控制DC-AC变换,经滤波整流电路后实现直流输出,其间经过过流保护、电压负反馈电路等电路处理。
该方案的优点:
1.电路结构简单,转换效率高、稳压性能优,并且转换效率高;
2.滑动变阻器VR1调节12V直流输出工作量较小,难度不大;
3.用脉宽调制型控制器实现PWM控制,产生频率为66KHZ的脉冲较容易,并且完全由硬件产生高频脉冲,实时性好;
1.2总原理框图
反激式开关电源电路基本设计原理图如下:
图2开关稳压电源基本原理框
2反激式变压器工作原理
变压器次级线圈与初级线圈的电感量之比正好等于n2,就可以求得反激式变压器开关电源的输出电压为:
(公式1)
公式中,Uo为反激式变压器开关电源的输出电压,Ui变压器初级线圈输入电压,D为控制开关的占空比,n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。
零电容C向负载提供能量。
图3反激式变压器电路及输出波形
反激式变压器开关电源,工作于临界连续电流状态时,整流输入电压uo、负载电流Io,变压器铁芯的磁通,以及变压器初、次级电流等波形。
变压器次级线圈输出电压uo是一个带正负极性的脉冲波形,一般负半周是一个很规整的矩形波;
而正半周,由于输出脉冲被整流二极管限幅,当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时,输出波形基本也是矩形波。
因此,整流二极管的输入电压uo的正半周幅度与输出电压Uo或储能滤波电容的两端电压基本相同。
因此,整流二极管的输入电压uo的幅值Up与半波平均值Upa以及整流输出电压Uo均基本相等。
变压器铁芯中磁通量变化的过程,在控制开关接通期间,变压器铁芯被磁化;
在控制开关关断期间,变压器铁芯被退磁。
电容电感相当电源,电流最大时:
Imax=Us/RL;
Buck降压式占空比:
D=Von/Vin;
电感输出电流:
IL=Io;
电感平均电流:
IL=I0/1-D;
3.实物制作过程
3.1变压器的绕制
25W,12V输出反激式变压器的绕制如方法:
磁芯骨架:
EE28/21
从最底层开始:
N1:
P3—5Φ0.4mm*1股21TS(圈)后加二层绝燃纸
N2:
P9—7Φ0.4mm*1股6TS后加二层绝燃纸
N3:
P10—8Φ0.4mm*3股6TS后加二层绝燃纸
N4:
P5—4Φ0.4mm*3股7TS后加二层绝燃纸
(最顶层)N5:
P2—1Φ0.4mm*1股21TS后加二层绝燃纸
注:
1、先从最底层绕起,即N1——N5,且层与层之前需加上绝缘纸;
2、P3——5表示从3脚进,5脚出,一共绕21圈;
3、P9——7表示从9脚进,7脚出,2根线并绕,一共绕6圈;
4、绕线方向全部朝同一方向。
拿磁芯时必须轻拿轻放,否则容易弄坏。
3.2变压器的测验
(一)合上磁芯测电感量和检验同名端顺序是否绕错
万用表测3—4PIN,电感值约0.95mH。
(二)磁芯加气隙
在磁芯的一个侧柱各垫一层绝缘纸,合上磁芯,测量脚3到脚4的电感量。
测3—4PIN,电感值为1mH~900μH为正常,若电感值较大,加厚绝缘纸。
我的变压器最后调试的电感值为0.94mH,符合实验要求。
3.3元器件的焊接
将元器件按照装配图放置在铜板的合适位置上,便可以焊接了。
焊接时注意查看各管脚的对应方向,以及管脚与管脚之间避免触碰发生短路,否侧得重新绕制变压器。
4.测试及调试
首先是变压器的绕制,按照老师给的绕制方法进行绕制,难度不大,稍微注意下绕制时候线圈间的线圈距不要多宽,依次绕制5层线圈即可。
绕制结束后将每个脚上铜线的外层绝缘用刀刮去,刮完后将铜线焊接在变压器的管脚上,然后对变压器的3和4脚间进行电感测量,根据测量值的大小而用绝缘胶布进行改变。
开始我测得3和4管脚间电感为1.32mH,所以我在磁片上贴了层绝缘胶布,后测得1.02mH;
我继续贴上一小块绝缘胶布,测得0.87mH;
依次根据所贴绝缘胶布的量来改变3和4脚间的电感量大小,最终我获得了0.94mH的电感量。
变压器绕制检测完后,我就进行电路板的焊接。
由于有做好的同学的板子对照,在焊接的时候严格按照材料清单的表格在对着板子焊接,焊接时注意芯片及二极管、变压器的正负极焊接。
焊接完成后,我就进行接电测试。
接上220V交流电和一盏24V灯泡后,在旋转电压旋钮从0V开始,85V左右灯泡开始滋滋作响;
在电压值在130V左右的时候,灯泡一闪一闪的;
我继续加大电压到220V之间,灯泡还是一闪一闪的发亮,这与实际要求不相符合。
要求是电压值到达75V左右灯泡会亮起来,不会闪烁。
而我的电路板存在问题。
所以我又拿做成功同学的电路板进行比较元器件焊接是否正确,并用万用表测量管脚是否短路、断路,结果还是没有发现存在问题。
我继续询问技术好点的同学,根据原理图,灯泡一闪一闪是因为输出频率过低,要减小电阻值,所以要求我更换R10的100K电阻。
我换了个80K的电阻后,我再次测量,还是和原来结果一样灯泡一闪一闪的。
经过多次查找、看原理图,发现错误出现在反馈电路上,反馈环路电阻R13根据PCB上标的电阻值是2K,但2K电阻所在的反馈回路才输出之有5V电压输出,无法驱动24V灯泡。
后面根据计算得出7.5K的电阻可以驱动24V灯泡的发亮,更换了R13为7.5K的电阻后,测试结果灯泡果然亮了起来。
错误终于解决了。
电压的输出可以调节VR1微调电阻进行改变,可以满足输出不同的电压值。
这样的电路更具实用性。
5.误差原因及分析
产生误差的原因可能有以下两点:
①.对效率等进行理论分析和计算时,采用的是器件参数的典型值,但实际器件的参数具有明显的离散性,电路性能很可能因此无法达到理论分析值。
②.电路的制作工艺并非理想的,会增加电路中的损耗。
改进的方法有以下几种:
①.使用性能更好的器件,如换用导通电阻更小的电力MOS管,采用低阻电容。
②.使用软开关技术,进一步减小电力MOS管的开关损耗。
③.采用同步式开关电源的方案,用电力MOS管代替肖特基二极管以减小损耗。
④.优化软件控制算法,进一步减小电压调整率和负载调整率。
开关调整器能够达到如此高的效率的原因之一在于其使用了开关,而不是晶体管,现代开关电源效率高的另一个原因是电容和电感的有效共同使用。
电容和电感都被归类为电抗元件,因为它们具有独特的储能作用,高功能使其不发生功耗(至少其本身不发生消耗能量),仅将所获得的能量储存起来。
相反,电阻元件会消耗能量而不能储存能量。
6.心得体会
在这次课程设计中让本人学到了很多开关稳压电源的知识。
本设计电路结构较简单、功能较好、性能优良,除个别指标外均达到并超过了题目要求。
即带负载能力强,达5A电流以上,同时整体保护电路完善,使用更安全。
使用同步采样技术和多种抗EMI技术使得本电路更加环保。
通过这次课程设计增加了自己的动手能力,使我懂得了如何绕制变压器,增强了自己对电源技术的知识,使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,特别是电路的测试部分,PWM比较器将调节器输出信号转换成PWM脉冲的占空比,25W,12V输出反激式变压器的绕制方法,匝数与匝数之间的绕制都要小心翼翼,以免输出电感量偏高或偏低,在磁芯的一个侧柱垫一层绝缘纸,合上磁芯,测量脚3到脚4的电感量。
测3—4PIN,电感值为1mH~900μH为正常,在多番调试下,可喜的是最终都得到了解决。
针对这些问题,我会注重自己的动手能力方面的锻炼,并通过查阅更多相关的书籍来扩大自己的知识面。
本实训的另一个收获就是学会用专业知识、专业技能分析和解决一些简单开关稳压问题,使我对开关稳压电源原技术掌握方面都能向前迈了一大步,为以后学习打下坚实的基础。
谢辞
感谢学校能给我们这样好的机会学习实践,衷心感谢童老师电源设计实训中对我耐心的指导和帮助,从零入手,从最初的不懂到懂,从没有一点头绪到成功地做好一个开关稳压电源模块,即利用220V、50HZ市电通过一定的技术产生直流12V稳压电,最终得到12V直流电输出,让本人收获成功地硕果和喜悦,那都是老师们的呕心沥血、辛勤栽培!
通过这次设计,让本人从中获得了很多有用的东西,加深专业知识的了解。
比如说,在以前上课时没听懂的知识,现在通过自己的进一步了解,再结合自己以前所学的开关稳压知识,对它有了新的认识。
在此同时,我加深对电路图的了解,学到新的知识,在了解这一方面知识的同时,我查阅了相关的开关稳压电源资料,为此,对我以后设计的进行打下了深厚的基础,我相信在以后的学习工作中可以很轻松的应对。
同时还要感谢在实训过程中,给我提供帮助的同学们,特别是耐心教导我电路工作原理、调板等过程的同学们,他们乐于助人、真诚热情教导我注重每个细节,每个步骤,让我一步一步做好电路板,在此我对他们表示衷心的感谢。
最后,我还要感谢我们学院为我们提供这个机会,望学校以后能提供更多这样的机会,让我们掌握更多的专业知识,以扎实我们的专业知识文化,提高动手能力,提高与同学之间的团结协作,学到更多有用知识,做一个多技能人才!
参考文献
[1].SanjayaManiktala著、王志强译《精通开关电源设计》.[M].人民邮电出版社.2010
[2].何希才编著.《稳压电源电路的设计与应用》.[M].中国电力出版社.2007
[3].钟国文、赵英等编著.《电路CAD实验教程》.[M].华南理工大学出版社.2005
[4].彭为、黄科等编著.《开关电源典型电路设计实例精讲》.[M].电子工业出版社.2004
[5].冯守汉、唐敏权编著.《模拟电子技术》.[M].重庆大学出版社,2006.
附录
附录一:
电路原理图
附录图1接收部分电路原理图
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- 关 键 词:
- 电源 论文