開關(guān)穩(wěn)壓電源畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　自動(dòng)化系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　學(xué)院：電子信息工程</b></p><p><b>　　專業(yè)：自動(dòng)化</b></p><p>　　引言：……………………………………………………………1 </p><p>　　1.1

2、 主要技術(shù)指標(biāo)………………………………………………1</p><p>　　1.2 基本工作原理機(jī)框圖………………………………………1 </p><p>　　2. 各主要功能描述……………………………………………1 </p><p>　　3. 設(shè)計(jì)方案 …………………………… …………………1 </p><p>　

3、　3.1 交流EMI濾波及整流濾波電路………………………………… </p><p>　　3.2 半橋式功率變換器 ……………………………………………1</p><p>　　3.3 功率變壓器的設(shè)計(jì) ……………………………………………1</p><p>　　3.4 輔助電源的設(shè)計(jì) ………………………………………………1 </p><p&g

4、t;　　3.5 驅(qū)動(dòng)電路和風(fēng)扇風(fēng)速控制電路 ……………………………… </p><p>　　3.6 PWM控制電路和過流保護(hù)電路…………………………… </p><p>　　4. 設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………… </p><p><b>　　引言 </b></p><p>

5、<b>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源介紹</b></p><p>　　開關(guān)電源是相對(duì)線性電源說的。他輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，用開關(guān)管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。由于變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。而且由于它直接控制直流，使這種電源的效

6、率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它受到人們的青睞。但它也有缺點(diǎn)，就是電路復(fù)雜，維修困難，對(duì)電路的污染嚴(yán)重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。</p><p>　　所謂開關(guān)式電源，就是通過用電子線路組成開關(guān)式（方波）震蕩電路來達(dá)到對(duì)電能的轉(zhuǎn)換. </p><p>　　這種方式有好多優(yōu)點(diǎn)，一是穩(wěn)壓范圍寬，在一定范圍內(nèi)輸出電壓與輸入電壓變化無關(guān)，電腦電源可以在80V－240都可以正

7、常工作，是其它方式電源無法比擬的。二是效率高，由于采用開關(guān)震蕩工作方式，熱損耗特別少，發(fā)熱低。三是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)于其它相同功率的電源，開關(guān)電源的體積與重量要少得多。因此，在眾多的電子設(shè)備中，開關(guān)式電源已經(jīng)是相當(dāng)普遍。 </p><p>　　所謂開關(guān)電源，是指開關(guān)電源中的調(diào)整管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)。調(diào)整管截止時(shí)，相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)的斷開，調(diào)整管飽和時(shí)，相當(dāng)于機(jī)械開關(guān)閉合。這種起開關(guān)作用的三極管就叫開關(guān)管，而用開關(guān)管來穩(wěn)

8、定電壓的電源，就稱之為開關(guān)型穩(wěn)壓電源。</p><p>　　開關(guān)式電源:是調(diào)整元件工作在開關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)壓電源.調(diào)整元件通常采用晶體管\可控硅\磁開關(guān)等. </p><p>　　特點(diǎn):體積小,穩(wěn)壓范圍寬,效率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電源噪聲大.輸出電壓為矩形脈沖電壓.所以,不能使用在高要求的線性電源上.</p><p>　　開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止．

9、將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓！轉(zhuǎn)華為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50HZ高很多．所以開關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)不是很熱??！成本很低．如果不將50HZ變?yōu)楦哳l那開關(guān)電源就沒有意義</p><p>　　在科研、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用場(chǎng)合，經(jīng)常用到電壓在5～15V，電流在5～40A的電源。而一般實(shí)驗(yàn)用電源最大電流只有5A、10A。為此專門開

10、發(fā)了電壓4V～16V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大40A的開關(guān)電源。它采用半橋電路，所選用開關(guān)器件為功率MOS管，開關(guān)工作頻率為50kHz，具有重量輕、體積小、成本低等特點(diǎn)。</p><p>　　1.1主要技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　a.交流輸入電壓AC220V±20％；</p><p>　　b.直流輸出電壓10～12V可調(diào)；</p><p

11、>　　c.輸出電流0～10A；</p><p>　　d.輸出電壓調(diào)整率≤1％；</p><p>　　e.紋波電壓Upp≤50mV；</p><p>　　1.2基本工作原理及原理框圖 </p><p>　　開關(guān)電源的工作原理是: </p><p>　　1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流; </p>&

12、lt;p>　　2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開關(guān)管,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓器初級(jí)上; </p><p>　　3.開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載; </p><p>　　4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的. </p><p>　　交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過扼流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干

13、擾,同時(shí)也過濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾</p><p>　　該電源的原理框圖如圖1所示。 </p><p>　　220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波及整流濾波后，得到約300V的直流電壓加到半橋變換器上，用脈寬調(diào)制電路產(chǎn)生的雙列脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率MOS管，通過功率變壓器的耦合和隔離作用在次級(jí)得到準(zhǔn)方波電壓，經(jīng)整流濾波反饋控制后可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。</p><p><

14、b>　　各主要功能描述 </b></p><p>　　3.1交流EMI濾波及整流濾波電路 </p><p>　　交流EMI濾波及整流濾波電路如圖2所示。</p><p>　　電子設(shè)備的電源線是電磁干擾（EMI）出入電子設(shè)備的一個(gè)重要途徑，在設(shè)備電源線入口處安裝電網(wǎng)濾波器可以有效地切斷這條電磁干擾傳播途徑，本電源濾波器由帶有IEC插頭電網(wǎng)濾波器和PC

15、B電源濾波器組成。IEC插頭電網(wǎng)濾波器主要是阻止來自電網(wǎng)的干擾進(jìn)入電源機(jī)箱。PCB電源濾波器主要是抑制功率開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。</p><p>　　交流輸入220V時(shí)，整流采用橋式整流電路。如果將JTI跳線短連時(shí)，則適用于110V交流輸入電壓。由于輸入電壓高，電容器容量大，因此在接通電網(wǎng)瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，一般浪涌電流值為穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)十倍。這可能造成整流橋和輸入保險(xiǎn)絲的損壞，也可能造成高頻變壓器磁

16、芯飽和損壞功率器件，造成高壓電解電容使用壽命降低等。所以在整流橋前加入由電阻R1和繼電器K1組成的輸入軟啟動(dòng)電路。</p><p>　　3.2半橋式功率變換器</p><p>　　該電源采用半橋式變換電路，如圖6所示，其工作頻率50kHz，在初級(jí)一側(cè)的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35電容器。Q4和Q5交替導(dǎo)通、截止，在高頻變壓器初級(jí)繞組N1兩端產(chǎn)生一幅值為U1/2的正負(fù)方波脈沖電

17、壓。能量通過變壓器傳遞到輸出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。</p><p>　　3.3功率變壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　工作頻率的設(shè)定：工作頻率對(duì)電源的體積、重量及電路特性影響很大。工作頻率高，輸出濾波電感和電容體積減小，但開關(guān)損耗增高，熱量增大，散熱器體積加大。因此根據(jù)元器件及性價(jià)比等因素，將電源工作頻率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本例為fs=50kHz。 </p>

18、<p>　　T=1/fs=1/50kHz=20μs </p><p>　　選取磁芯材料和磁芯結(jié)構(gòu)：選用R2KB鐵氧體材料制成的EE型鐵氧體磁芯。其具有品種多，引線空間大，接線操作方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　確定工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm：R2KB軟磁鐵氧體材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.47T，考慮到高溫時(shí)Bs會(huì)下降，同時(shí)為防止合閘瞬間高頻變壓器飽和，選定Bm=1/3Bs

19、=0.15T。 </p><p>　　計(jì)算并確定磁芯型號(hào)：磁芯的幾何截面積S和磁芯的窗口面積Q與輸出功率Po存在一定的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于半橋變換器，當(dāng)脈沖波形近似為方波時(shí)為 </p><p>　　式中：η——效率； </p><p>　　j——電流密度，一般取300～500A/cm2； </p><p>　　Kc——磁芯的填充系數(shù)，對(duì)于鐵氧體Kc

20、=1； </p><p>　　Ku——銅的填充系數(shù)，Ku與導(dǎo)線線徑及繞制的工藝及繞組數(shù)量等有關(guān)，一般為0.1～0.5左右。 </p><p><b>　　。</b></p><p>　　由廠家手冊(cè)知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,則SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于計(jì)算值，選定該磁芯。 </p>

21、;<p>　　計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)：按輸入電壓最低及輸出滿載的情況（此時(shí)占空比最大）來計(jì)算原副邊繞組匝數(shù)，已知Umin=176V經(jīng)整流濾波后直流輸入電壓Udmin=1.2×176=211.2V。 </p><p>　　對(duì)于半橋電路、功率變壓器初級(jí)繞組上施加的電壓等于輸入電壓的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，設(shè)最大占定比Dmax=0.9，則 </p><p

22、>　　次級(jí)匝數(shù)計(jì)算時(shí)取輸出電壓最大值Uomax=16V。次級(jí)電路采用全波整流，Us為次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓，Uo為輸出電壓，Uf為整流二極管壓降，取1V。Uz為濾波電感等線路壓降，取0.3V，則</p><p>　　選定導(dǎo)線線徑：在選用繞組的導(dǎo)線線徑時(shí)，要考慮導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，一般要求導(dǎo)線線徑小于兩倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）決定 </p><p>　　式中：ω為角頻率，ω=2πf

23、s； </p><p>　　μ為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率，對(duì)于銅線相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1，則μ=μ0×μr=4π×10－7H/m； </p><p>　　γ為銅的電導(dǎo)率，γ=58×10－6Ωm； </p><p>　　穿透深度Δ的單位為m。 </p><p>　　變壓器工作頻率50kHz，在此頻率下銅導(dǎo)線的穿透深度為Δ=0.29

24、56mm，因此繞組線徑必須是直徑小于0.59mm的銅線。另外考慮到銅線電流密度一般取3～6A/mm2，故這里選用0.56mm的漆包線8股并聯(lián)繞制初級(jí)共10匝，次級(jí)選用厚0.15mm扁銅帶繞制2匝。</p><p>　　3.4輔助電源的設(shè)計(jì) </p><p>　　輔助電源采用RCC變換器（RingingChokeConverter），見圖3。其輸入電壓為交流220V整流濾波電壓，輸出直流電壓

25、為12.5V，輸出直流電流為0.5A。電路中Q8和變壓器初級(jí)繞組線圈N1與反饋繞組線圈N3構(gòu)成自激振蕩。R72為啟動(dòng)電阻。Q9、R77構(gòu)成輔助電源初級(jí)過流保護(hù)。D20、C81、ZD1、Q11、R75、R76構(gòu)成電壓檢測(cè)與穩(wěn)壓電路，控制Q8的基極電流的直流分量，從而保持輸出電壓恒定，變壓器采用EE19、LP3材質(zhì)構(gòu)成。初級(jí)180匝，反饋繞組5.5匝，次級(jí)11匝，初級(jí)電感量是2.6mH，磁芯中間留有間隙0.4mm。 </p>

26、<p><b>　　3.5驅(qū)動(dòng)電路 </b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TL494輸出50kHz的脈沖信號(hào)，通過高頻脈沖變壓器耦合去驅(qū)動(dòng)功率MOS管。次級(jí)脈沖電壓為正時(shí)，MOS管導(dǎo)通，在此期間Q7截止，由其構(gòu)成的泄放電路不工作。當(dāng)次級(jí)脈沖電壓為零時(shí)，則Q7導(dǎo)通，快速泄放MOS管柵級(jí)電荷，加速M(fèi)OS管截止。R70是用于抑制驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰，R68、D15、R67可以加速驅(qū)

27、動(dòng)并防止驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生振蕩。D17和與它相連的脈沖變壓器繞組共同構(gòu)成去磁電路</p><p>　　3.6PWM控制電路 </p><p>　　控制電路采用通用脈寬調(diào)制器TL494，具有通用性和成本低等優(yōu)點(diǎn)，見圖6。輸出電壓經(jīng)R40、RV2、RV1、R41進(jìn)行分壓采樣，經(jīng)R5阻抗匹配后送到TL494腳1。RV1裝在電源前面板上用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。R103和C14將輸出電感L1前信號(hào)采樣，經(jīng)

28、R5送到TL494腳1，用于提高電源穩(wěn)定度，消除L1對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性影響。</p><p><b>　　3.7過流保護(hù)電路</b></p><p>　　為增強(qiáng)電源可靠性，此電源采用初、次級(jí)兩級(jí)過流保護(hù)。初級(jí)采用電流互感器CT1檢測(cè)初級(jí)變壓器電流，檢測(cè)出的電流信號(hào)經(jīng)R60轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后，再經(jīng)D2～D4，C9整流濾波后，經(jīng)過電位器RV3分壓，反相器N3反相后加在Q1管基極。當(dāng)

29、初級(jí)電流超過正常時(shí)，反相器反轉(zhuǎn)，Q1管導(dǎo)通，將VREF=5V的高電平加在TL494腳4上（腳4為TL494死區(qū)控制腳、高電平關(guān)斷），TL494關(guān)斷。</p><p>　　輸出直流總線上過流保護(hù)，采用R45～R56電阻做為采樣電阻，當(dāng)輸出電流增加時(shí)腳15電平變低，當(dāng)輸出電流大于40A的105％時(shí)，TL494的內(nèi)部運(yùn)放動(dòng)作，腳3電平升高，限制輸出脈寬增加，電源處于限流狀態(tài)。</p><p>&

30、lt;b>　　4.結(jié)語 </b></p><p>　　本文介紹的開關(guān)電源已成功地作為實(shí)驗(yàn)室電源、通信基站電源使用。其效率≥85％，紋波優(yōu)于30mVPP，產(chǎn)品可靠性高、成本低，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　【參考文獻(xiàn)】胡漢才著，《單片機(jī)原理及其接口技術(shù)》 清華大學(xué)出版社  2004年2月</p><p>　　李朝青著，《單

31、片機(jī)原理及接口技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社  2005年10月</p><p>　　徐君毅著，《單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用》上?？萍汲霭嫔?#160; 1988年5月</p><p>　　鄧子禮著，《單片微機(jī)及外圍集成電路技術(shù)手冊(cè)》上海實(shí)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制工程          &#

32、160;     周立功著，《單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程》 北京航空航天大學(xué)出版社 </p><p>　　《ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》 北京航空航天大學(xué)出版社 參考文獻(xiàn)</p><p>　　謝自美著，《電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試》 華中理工大學(xué)出版社</p><p>　　《電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與管理》

33、0; 北京：電子工業(yè)出版社</p><p>　　《模擬電子技術(shù)》  長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社  </p><p>　　徐錚穎著，《Protel99se EDA技術(shù)及應(yīng)用》 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 余永權(quán).</p><p>　　《單片機(jī)原理及其接口技術(shù)》  清華大學(xué)出版社 戴佳 戴衛(wèi)恒著</p>&l