电力电子技术小型开关电源的设计Word下载.docx
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设计内容与设计要求
一.设计内容：
1.分析开关电源的结构及功能
2.介绍小型辅助开关电源设计要求和方案选择
3.小型开关电源主电路设计（主电路的选用依据和原则,主电路的设计及分析,主开关的选用依据和原则,元器件定额及选型）
4.小型开关电源控制电路设计及元器件选型
5.小型开关电源变压器设计
二、设计要求：
1、思路清晰，给出整体设计和电路图；
2、给出具体设计思路和电路；
3、写出设计报告；
主要设计条件
1.电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。
本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：
输入电源是三相交流220VAC,50HZ,输出电压是直流电压
±
15.0V,0.1A;
±
12.0V,0.05A;
+15.0V,0.2A;
+5.0V,0.8A。
2.提供设计要求,提供实验室.
说明书格式
1．课程设计封面；
2．任务书；
3．说明书目录；
4．正文
5．总结与体会；
6.参考文献
7、课程设计成绩评分表
进度安排
1:
课题内容介绍和查找资料；
2:
总体电路设计和分电路设计；
3:
写设计报告，打印相关图纸；
4.答辩
参考文献
1.《电力电子技术》
2.《现代逆变技术及其应用》
3.《交流电机变频调速技术》
4.《电机控制》
第1章开关电源的功能及结构
1.1开关电源的功能
开关电源输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。
在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。
由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。
这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。
而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。
这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。
开关电源有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电源可以在80V－240都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。
二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。
三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。
因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。
他的输出可分多组抽头，一般输出有5、12、14、18、26、52、115、190伏等。
电视机、显示器、打印机等都用的是开关电源。
1.2开关电源的结构
交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电，其典型的能量变换过程如图1-2所示：
图1-2开关电源能量变换过程
高频逆变-变压器-高频整流电路时开关电源的核心部分，电路采用的是隔离型直流-直流变流电路。
针对不同的功率与输入电压，我们可以选取不同的电路。
整流电路普遍采用二级管构成桥式电路，直流侧采用大电容滤波，电路结构简单、工作可靠、成本低，效率比较高。
1.3开关电源的工作原理
开关电源开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是效率高、功率密度高、可靠性高。
开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，对输入电压的变化的动态响应慢，很难达到较高的线性调整率精度；
后者是一个电压、电流双闭环控制系统，对输入电压和输出负载的变化的瞬态响应均快，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。
脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器的电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。
假如电源电压变化或负载发生变化使输出电压升高时，则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，即减小输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，斩波后的电压平均值下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
。
第2章开关电源总体设计要求与方案
2.1开关电源总体设计要求
本课题主要设计的目的是为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源。
首先考虑到控制器中需要性能可靠的电源，一旦弱电控制失效，强电设备就会损失严重的状况，所以我们设计的开关电源首先应该具备稳定性。
然后考虑到是做为电机的控制器电源，所以其必须具备多通道的直流输出，具体要求如下：
输入电源是三相交流：
220VAC,50HZ
输出电压是直流电压：
+5.0V,0.8A
第三，做为一个小型的开关电源，我们需要尽量将其设计小型化，轻便化。
2.2开关电源总体设计方案
图2-2交流输出半桥式变压器开关电源原理图
图2-2是交流输出半桥式变压器开关电源原理图。
图1-36中，电容器C1、C2是储能滤波电容，同时也是电源分压电容，它们把电源电压一分为二；
一个充满电的电容，我们可以将其看成是一个电源，因此，我们可以把电容器C1、C2看成是两个电源串联对变压器负载供电；
K1、K2是两个控制开关，两个控制开关总是一个接通，另一个关断，轮流工作；
T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈，Ui为直流输入电压，R为负载电阻；
uo为输出电压，io为流过负载的电流。
电容器C1和C2与控制开关K1和K2正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。
但由于电容器C1和C2的参数或电压基本上没有跟随控制开关K1和K2的导通和截止同步变动，并且在实际应用中为了节省成本，经常只使用一个电容器C1或C2，我们把图2-2的电路称为半桥式开关电源电路。
图2-2中，首先电源Ui对电容器C1、C2充电，两个充满电的电容器相当于两个电源串联。
当控制开关K1接通时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；
同时，由于互感的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。
当控制开关K1由接通转为关断时，控制开关K2则由关断转为接通，电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；
同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。
由于电容器C1放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器次级线圈N2绕组的两端输出电压uo是一个脉冲宽度与控制开关K1（或K2）接通时间对应的方波。
由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此，在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。
其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图2-2-1。
图2-2-1半桥电路
第3章小型开关电源主电路设计
3.1主电路的选用与原则
主电路选用的是半桥式电路结构，其结构较简单、损耗小的优点，但输出电压纹波较大，通常用于500W以下的电源中。
正适用于此次的课题要求。
3.2主电路的设计与分析
3.2.1整流电路
整流电路采用的是二极管构成的三相桥式不控整流电路，直流侧用大电容滤波。
3.2.2高频逆变-变压器-高频整流电
高频逆变-变压器-高频整流电为开关电源的核心部分，SG3525芯片控制高频PWM（脉冲宽度调制）信号。
SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。
在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，其内部结构如图3-2-2所示：
图3-2-2
管脚：
1.Inv.input（引脚1）：
误差放大器反向输入端。
在闭环系统中，该引脚接反馈信号。
在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，构成跟随器。
2.Noninv.input（引脚2）：
误差放大器同向输入端。
在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。
根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。
3.Sync（引脚3）：
振荡器外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
4.OSC.Output（引脚4）：
振荡器输出端。
5.CT（引脚5）：
振荡器定时电容接入端。
6.RT（引脚6）：
振荡器定时电阻接入端。
7.Discharge（引脚7）：
振荡器放电端。
该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。
8.Soft-Start（引脚8）：
电容接入端。
通常接一只5的软启动电容。
9.Compensation（引脚9）：
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
10.Shutdown（引脚10）：
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连，以实现故障保护。
11.OutputA（引脚11）：
输出端A。
引脚11和引脚14是两路互补输出端。
12.Ground（引脚12）：
信号地。
13.Vc（引脚13）：
输出级偏置电压接入端。
14.OutputB（引脚14）：
输出端B。
引脚14和引脚11是两路互补输出端。
15.Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
16.Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
SG3525其工作原理
SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。
SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。
在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。
由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。
SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启动电容。
上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。
此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。
只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。
由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。
当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。
反之亦然。
外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。
当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。
如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。
注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。
欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。
如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。
SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM琐存器才被复位。
3.3主电路的工作流程及元器件的选用
主电路的电力电子器件为为IRFPT450，主要参数为：
额定电流16A，额定电压500V，通态电阻0.4Ω。
到达变压器后降压到输出端，在输出端加上控制和驱动电路。
其中控制和驱动电路由SG3525为核心构成。
SC3525采用宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。
3.3．1电感参数及电容参数计算
输出电压可调的推挽式变压器开关电源的两个控制开关K1、K2的占空比必须小于0.5，开关电源电源才能正常工作；
当要求输出电压可调范围为最大时，占空比最好取值为0.25。
此分析结果对于半桥式开关电源同样有效。
当两个控制开关K1、K2的占空比取值均为0.25时，输出电压可调的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电感L以及输出电压Uo的计算
输出电压可调的半桥式变压器开关电源中的储能滤波电感和滤波输出电压的表达式，即：
上面各式的计算结果，只给出了计算输出电压可调的半桥式变压器开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。
当两个控制开关K1、K2的占空比取值均为0.25时，输出电压可调的推挽式变压器开关电源中的储能滤波电容C参数的计算由式决定，即：
——D为0.25时
式中：
Io是流过负载的电流，T为控制开关K1和K2的工作周期，ΔUP-P为输出电压的波纹电压。
波纹电压ΔUP-P一般都取峰-峰值，所以波纹电压正好等于电容器充电或放电时的电压增量，即：
ΔUP-P=2ΔUc。
虽然是计算输出电压可调的推挽式变压器开关电源储能滤波电容的公式（D=0.25时），但对于输出电压可调的半桥式变压器开关电源中的储能滤波电容的计算同样有效。
同理，其的计算结果，只给出了计算半桥式变压器开关电源储能滤波电容C的中间值，或平均值，即控制开关工作于占空比D为0.25时的情况，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。
3.3.2变压器的匝数的计算
首先确定开关电源功率和开关元件的工作频率。
若工作频率小于20kHz，则进入音频范围的噪声较大，纹波增大。
若开关频率较高，则开关损耗增大，系统效率降低。
因此确定工作频率时要折衷考虑，实际选择工作频率为30kＨz。
取ＰＷＭ调制的占空比：
为每周期高电平时间
为整个周期时间
考虑工作环境较为恶劣，最低直流输入电压：
EI35中心柱磁芯有效面积：
Ae=100mm2
铁氧体磁芯磁感应强度取65%的饱和值：
根据一个导通期间的伏秒值与原边匝数的关系，则变压器的原边匝数为：
实际取300匝以便于绕制与计算。
则变压器副边绕组匝数计算如下：
原边绕组每匝伏数为：
取整流二极管压降0.7V，副边绕组压降0.6V得：
5V副边绕组匝数为：
匝，为避免变压器可能饱和，取5匝；
新的每匝反激电压为：
v/匝；
V副边绕组匝数为：
匝，取13匝；
匝，取11匝；
+5V副边绕组匝数为：
匝；
其他20V副边绕组匝数为：
匝，取17匝
3.3.3功率计算
由以上设定条件可知高频变压器的输出功率为：
设计效率为85%并留有一定裕量，设计目标为额定功率为40Ｗ的高频变压器。
3.3.4磁芯的选用
根据文献，查表给出的高频变压器最大承受功率与磁心截面积的关系并考虑窗口面积，本开关电源选用EI-35磁心，其有效截面积为100平方毫米。
第4章总结与体会
两周的课程设计结束了。
经过这两周的课程设计，我学会了很多之前课本上没有学到的知识，这次的设计让我对电力电子这门学科有了更深刻的理解与认识。
我本次设计的课题是小型开关电源，刚开始拿着任务书，没有一点头绪，开关电源虽然平常也经常听到，可真的要自己设计的时候却找不到一点思绪了，课本上介绍开关电源的知识相对来说也比较少，我从图书馆借来了老师给我们介绍的参考资料，一边上网搜索一边查阅资料，慢慢的开始设计。
这两周中，同学们给予的帮助也是巨大的，尺有所长寸有所短，我的长处不一定就是别人的长处优秀，在和同组的同学们讨论之后最终决定了课题设计方案。
经过这次课程设计我发现我的理论知识还是不过关、不够扎实，书本上很多东西都理解的不够，很多重要元器件的重要参数也记不住，但这门课程确实非常重要的，生活中大部分电力产品都要用到电力电子这门知识，所以作为学习这个专业的我们必须学会和掌握好电力电子这门基本而且重要的学科，这样才能让自己武装起来，为社会为国家做出自己的贡献。
为期两周的课程设计结束了，能顺利的完成这次课程设计，首先要感谢谢老师在课程设计期间的指导以及蔡老师平时上课的教导。
经过这次课程设计，我真的受益匪浅，一方面加深了对课本已学知识的理解，另一方面也很好的拓展了电力电子这门学科的课外知识，学会了自己动手制作一些简单器件，另外我们还加强了团队合作，同组的人一起讨论一起制定方案的能力。
以后的学习中我一定会更认真的学习，更好的充实自己，武装自己。
也希望在以后的学习中能多一些像这样能加强学生思考能力与动手能力的课程设计，通过这样的课程设计我们可以从不同方面锻炼自己，为以后为社会做出自己最大的贡献而做准备。
附录
参考文献
1.《电力电子技术》
主电路图
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