单一电压输出ACDC开关电源设计方案
中文摘要
开关电源广泛应用，其效率可达80%以上，具有稳压范围宽、频率高、体积小等特点。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。开关电源的发展与应用在节约能源及环保方面有重要意义。本论文主要介绍RCC型开关电源及其设计应用，RCC电路与其他<如半桥逆变）开关电源电路相比的优越性。它的体积小、不需专用PWM控制芯片、电路简单等优点使其应用更加广泛，特别是在各种新兴电子设备的电源、充电器方面的应用尤为突出，因此在各种开关电源中占有重要地位。RCC电路包括输入整流滤波，吸收电路,开关管保护电路,RC反馈振荡,输出整流滤波,输出过压、过流保护电路，另外最主要的是高频变压器部分。最后通过仿真、调试达到100—240V市电交流输入、5V电压0.5A电流输出的要求，并且纹波较小效率较高。
关键词：开关电源 RCC 自激反激变换器
外文摘要
Title Design of single output AC/DC Switching Power Supply
Abstract
SwitchingPower Supply is widely uesd,and its efficiency ismore than 80%.Meantime a wide range , high frequency and miniaturization is presented .It is particularly applied in the field of high and new technology and then brings miniaturization and convenice.The development and use of Switching Power Supply are of importance in the energy saving and environmental protection.This paper mainly introduce RCC cicuit and its specific designment。RCC cicuit ,who is small shape,simple structure and not using particular chips,has many more advantages than other circuits as same with it,such as half-bridge ciucuit.Therefore,RCC circuit is much more widely used,especially in the source and charger of all kinds of new electronical devices.So it is such a significance for Switching Power Supply.In the RCCcircuit,the circuit for rectification and filtering,absorption,protection,RCC fee- dback,output overvoltage and overcurrent are included.In addition,the transformer is the most importantcomponent.Finaly,this design get though tests with 100-240V AC input ,5V voltage and 1A current.Moerover,ripple wave is quite small.
Key words：Switching power supply Flyback converter Self-excitatiion RCC
目录
1 引言1
1.1课题背景和意义1
1.2开关电源分类、特点及原理1
2 RCC电路4
2.1 RCC拓扑分析4
2.2 RCC电路整体设计5
2.3 电路元件参数计算及选择6
3 Saber软件仿真13
4 电路调试与数据分析15
4.1 电路调试15
4.2 数据分析18
结论19
改进建议19
参考文献20
致谢21
1 引言
1.1课题背景和意义
随着电子技术的迅速发展，各种电子设备和人们生活、工作的关系日益紧密，而电子设备却离不开可靠的电源。特别是开关电源产品广泛应用于LED照明、通讯设备、工业自动化控制、科研设备、仪器仪表、医疗设备等领域。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在效率低<仅有40%—50%）、体积大、耗能量大等缺陷。而开关稳压电源效率可达80%以上，稳压范围宽，还有稳压精度高等特点，是一种较理想的稳压电源。其中RCC变换器 本文旨在分析 RCC 变换器的工作原理、开关管的驱动及电路中元件关键参数的计算与选择，后经Saber软件仿真和实际硬件调试得到实验分析结果。由于要维持边界连续模式，并且原边电流上升斜率受输入电压影响，因此开关工作频率及占空比均受输入电压和输出电流的影响，其输入电压最大和空载时频率会升高。同时因其工作频率变化大，电路设计具有一定难度。 1.2开关电源分类、特点及原理 1.2.1开关电源分类 自激式：无须外加信号源能自行振荡，而且它完全可以看作是一个变压器反馈式振荡电路。 它激式：完全依赖于外部维持振荡。 根据激励信号结构分类，可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种：脉冲调宽是控制信号的宽度，脉冲调幅则是控制信号的幅度，两者的作用都是为了达到稳定电压的效果而使振荡频率维持在某一范围内。 微型低功率开关电源：开关电源正在走向大众化，小型化。低功率微型开关电源的应用要首先体现在数显表、LED照明、手机充电器、智能电表 等方面。 1.2.2RCC型开关电源特点 本论文只介绍RCC型开关电源的突出特点。与常规使用专门PWM集成芯片控制的单端反激变换器相比，RCC变换器结构简单的多,其中只有自激振荡部分与普通并联式开关电源相同，电路中既无取样分压器也无误差放大器，并且只需用很少的几个分立元件,只在开关管基极接稳压管稳压，就可以完成同样的输出功能。另外，许多与开关管驱动相关的问题<驱动波形、隔离保护、变压器饱和等）在自激振荡电路中都可以得到很好的解决。它的稳压控制过程不是PWM或PFM方式，而是由稳压管构成的电平开关来控制开关管的通断。普通PWM稳压过程，无论是自激式还是它激式电路，开关管通断总是按其工作频率周期性的进行，PWM系统只是控制每个周期脉冲的正程宽度<即脉宽调制）。为了使稳压过程有平滑的特性，PWM工作在线性区，脉宽调制管既不饱和也不能截止，因此不会因其截止而使某一周期脉冲宽度达到间歇振荡器时间常数电路设定的最大脉宽<一般仅为其50%），也不会因其饱和而使某一周期脉冲宽度为零。PWM开关电源因此被称为周期性开关电源。而RCC型开关电源则不同，其控制为无过度过程、非连续的的控制。严格的说，只有两种极端状态：输出电压低于额定值时，开关管开始振荡而导通；输出电压高于额定值时，开关管停止振荡。因此，稳压过程只有“0”和“1”两种状态。开关管 “0”和“1”两种状态的时间比<即占空比），除与市电输入电压有关外，还取决于负载电流大小。如图1的RCC拓扑，负载电流减小时，滤波电容放电时间延长，直到输出电压低于额定值，开关管才可以导通；负载电流增大时，次级整流电路的滤波电容放电速度加快，此时高频变压器储能可很快释放，输出电压降低，开关管由“0”进入“1”，以维持输出电压稳定。因此，开关管的截止时间取决于输入市电电压和负载电流的变化，此控制方式是非周期的，故RCC开关电源属于非周期性开关电源。 由于电路简单、体积小，特别适用于小功率开关电源供电。由RCC型开关电源组成彩电待机副电源、PC主机ATX待命电源以及小功率家用电器，解决了由于工频变压器式副电源稳压范围小引起的问题，避免了市电输入下限时不能开机的现象。其对负载的适应性也优于PWM开关电源，PWM方式的脉宽变化具有一定范围，否则会停振或失控；而RCC本身工作于极限状态，当其空载时，关断时间可以无限延长，直到输出电压开始降低。RCC型电源属非周期性自激式开关电源，必然具有自激式开关电源的缺点，如反馈量随市电电压上升而增大，以致开关管截止损耗增大；还有它只适用于50W以下的电源，大功率时效率很低，能量损失很大。 1.2.3开关电源的基本工作原理 开关电源的工作过程很简单。在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式；与线性电源较为不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态。 与线性电源相比，PWM开关电源是通过“斩波”这个更为效的工作过程，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。当输入电压被斩成交流矩形波时，其幅值就可以通过高频变压器来降低或升高。通过增加<或降低）变压器的二次绕组数就可以增加<或降低） 输出的电压值。最后变压器输出的交流波形经过整流滤波后就得到直流输 出电压。 2 RCC电路 2.1RCC拓扑分析 RCC拓扑如图1，工作原理如下：输入直流电压IN经启动电阻R1为三极管Q1提供启动电流Ib，启动瞬间由于正反馈,Q1饱和导通的时间极短,而此时C2还来不及充电；当Q1导通后,集电极电流上升,在变压器初级绕组N1上产生上正下负的电压,经变压器耦合至辅助绕组上产生上正下负的感应电压,此电压经C1,R3后加到Q1的基极,使Q1的基极电位上升,集电极电流进一步增大,N1两端的电压升高,辅助绕组两端的电压也升高,Q1基极电压再进一步升高,由于正反馈的作用Q1饱和导通；电容C3通过D2半波整流充电向负载供电；电源接通一定时间后,由于电容C2上渐渐充上电压,启动电路对Q1不再起作用。 IN 图 1RCC拓扑 Q1饱和导通期间辅助绕组上的感应电压经C1,R3继续向Q1提供基极电流,此电流向C1充电,使其极性为右正左负,C1负端的电压经R3加到Q1基极,使Q1的基极电流下降,同时Q1集电极电流下降,从而Q1从饱和导通状态转入放大状态；之后基极电流和集电极电流进一步减少,最后由于正反馈的作用使Q1截止。 Q1导通时,初级绕组N1上的电压是上正下负,次级整流二极管D2因负电压而截止；Q1截止时,N1中的电流不能跃变,继续维持原方向流通,所以在N1上产生上负下正的电压，该电压使D2导通,储存在N1中的能量经D2给C3充电向负载供电.D2在Q1导通时截止,在Q1截止时导通,使得辅助绕组上的感应电压为上负下正，此时D1导通,以释放C1的充电电压,并且由辅助绕组、D1为C1反向充电； C1上反向充电电压经R3加到Q1基极,使Q1重新导通,集电极电流上升,N1产生同名端为正的感应电压,辅助绕组也产生同名端为正的感应电压,此电压经C1,R3加到Q1基极,基极电流也进一步增加,集电极电流进一步增大,Q1因正反馈而饱和导通。电路周而复始地处于自激振荡状态，其振荡频率取决于C1的充放电时间常数。 2.2RCC电路整体设计 整体电路如图2，本设计包括：输入全桥整流滤波及限流电阻、RCD吸收电路、开关管保护电路、RC反馈振荡、输出整流滤波、输出过压保护、过流保护，还有最主要的高频变压器部分。 其中整流桥前加了限流电阻，防止加电源瞬间电流过大，烧毁器件；电路中增加RCD吸收电路以及开关管Q1集电极和发射极间增加吸收电容以减小开 断过程中的过电压冲击；开关管基极通过两个二极管接地，达到限制基极电压的效果以保护开关管；采用耦合频率较大的光耦元件PC817和稳压器TL431，以达到稳压及过流过压保护的目的；变压器部分最为关键，采用铁氧 体磁芯EI25，初级线圈160匝，用于输出的次级和和反馈的次级均8匝，辅助绕组和正反馈共用一个绕组；RC振荡反馈正极性接到绕组上，而整流二极管反接；开关三极管Q1通过一个电阻R5接地，此电阻电压随初级电流改变而改变，再通过R6接到Q2基极，与光耦反馈的电压共同控制最下侧三极管Q2的开断，进而控制开关管Q1的开断；此三极管基极加一个滤波电容C6消除基极的尖峰干扰，防止三极管误导通。 图2 RCC整体电路 2.3 电路元件参数计算及选择 2.3.1 变压器的参数计算 首先介绍高频变压器频率公式推导： 由Vin==，可推出Ip= (1) 同理，Vout==可推出Io= (2) 上式中Vin为输入电压，Vout为输出电压，Lp为初级电感，Ip为初级电流，Ls为输出端的次级电感，Io为输出电流，Ton、Toff分别为一个周期内开通、关断时间。 假设变压器的转换率为100%，根据能量守恒定律,有 Lp*Ip*f=Ls*Io*f，可得到=，进而的得到 匝数比与电流比的关系：= (3) 上式中f为开关频率，Np、Ns分别为初级、次级匝数； 由(1>(2>(3>式，可推出= (4) 根据Pin=Lp*Ip*f，得到频率f= (5) 式中，T为开关周期，Pin为输入功率； 再由(1>(4>(5>式，即可得到频率的公式： f= (6) RCC变压器没有绝对的，最合适的初级电感值以及匝数比能达到最大的效率，但是其他的电感值和匝数比可能仍可以工作，因此可以适当改变这两个参数来选择不同的变压器。 本设计的核心部分即是高频变压器的参数计算和绕制，下面即为变压器参数设计及绕制的过程。 100—240V交流输入，最大占空比Dmax为0.5，传递效率为0.95， 导线电流密度J为0.35A/mm，工作磁通密度Bw为2800mT<这几个参数均为经验值，具有通用性）。输出5V、1A，开关频率30KHz<下面匝数计算时有解释），周期为33μS，Ton=T*Dmax=16.7μS。 磁芯选择： 下面运用面积乘积法,也叫AP法进行计算，根据AP值可以查到磁性材料的编号。变压器视在功率：Pt=Vout*Io[(1+1/>*]=5*1*[(1+1/0.95>]=15W，式中效率取95%； 由公式AP=(>，得 AP=(>=0.011cm 式中Ko窗口使用系数,主要与线径、绕组有关，此处取典型值0.4； Kf为波形系数，即有效值与平均值之比，正弦波时为 4.44，方波时为4； Bw为工作磁通密度，镍锌铁氧体材质铁芯一般在0.26T到0.3T,此处选择 0.28T； Fs为频率，根据上文，确定30KHz； Kj为电流密度比例系数，网上查得铁氧体的Kj为534； AP为磁芯窗口面积Aw和磁芯有效面积Ae的积，单位为cm。 原边绕组每匝面积Ap只要大于1.1AP即可满足要求。此处选择铁氧体磁芯EI25，网上查的它的Ap为0.3165cm，远大于1.1AP。 计算直流输入、输出电压及匝数比： 直流输入：Vinmin=100**0.95=134V； =5+0.7+1.0=6.7V； 输出：Vs=Vout+Vd+V L 匝数比：n==0.05； 上式中Vinmin为直流输入最小电压，Vs为次级输出电压，Vout为最终输 为电感压降。 出电压，Vd为二极管压降，V L 计算电流、电感及各绕组匝数： 按三倍电流计算：Pout=3Iout*Vs=15W； 上式中Pout变压器次级输出功率； 输入电流：Ip===0.47A； 初级绕组电感：Lp===4.76mH； 原边线圈匝数：Np===195匝； 输出副边绕组匝数：Ns=Np*n=10匝； 由于磁芯较小可能绕不上这么多匝线圈，因此Np选择160匝，Ns为8匝(经Saber仿真可以满足要求>。同时，辅助绕组Nf和Ns相同匝数。 如果按(6>式计算高频变压器的频率，则： f==f==57.3KHz 在这个高频变压器中，由于实际选择的磁芯相对较大，则根据电感大小与线圈直径大小成正比的关系判断，实际绕制的高频变压器初级电感Lp可能较大，因此可以适当增加Lp大小来计算开关频率。本设计中，Lp大小在10mH 时f大约为30KHz，满足实际要求，最终调试时也验证了频率选择的正确性，因此变压器绕制时，开关频率定为30KHz。 计算导线线径： 初级电流Ip为0.47A，导线截面积Sp===0.136mm，初级绕组=2*/=0.23mm，则选用0.27mm的漆包线可以满足要求； 线径D 1 输出电流Is最大为1A，则次级导线面积Ss===0.286mm，次级线径D =2*/=0.34mm，选取线径为0.5mm的线； 2 辅助绕组输出电流很小，为了方便缠绕线径选择与初级绕组相同，为0.27mm。 2.3.2 三极管、二极管的选择 开关三极管Q1选择MJE13003，NPN管。最大耗散功率Pcm为1.5W,最大允许集电极电流Icm为1.5A，集电极、射极间最大电压Vceo为700V，正常工作温度为-55℃— +150℃，集电极截止电流Iceo为1000A,直流电流最大增 益h FE 为40，开关频率f T 可达到5MHz；另外它的体积较小，小功率输出时不需 加散热片，因此适合于这类小巧的、输出功率很小的开关电源，满足RCC型开关电源的要求。 三极管Q2选择2N3904，也是NPN管。集电极、射极间最大电压Vceo为 40V，基极和集电极截止电流I BL 、I cex 均为50nA，直流电流最大增益h FE 为 300，开关频率f T 可达到250MHz。同样体积较小，各参数均满足要求。 二极管D1—D4构成全桥整流，采用IN4007。此二极管极为普通，虽然体积较小，但耐压700V，可以流过的最大电流为1A，工作温度为-65℃—+175℃，完全可也达到要求。D6、D7同样为IN4007，两个串联压降为 1.0V,可以保护开关管Q1不被击穿。 D5为FR207，其耐压1000V,反向恢复时间为500nS，通过最大电流为2A，满足RCD吸收电路中开关频率及耐压的要求；半波整流二极管D8与D5同为FR207，满足输出1A以及频率的要求。 反馈整流二极管D9则选择IN4148，其通过最大电流150mA，反向恢复时间为4nS，因反馈绕组输出电流较小，IN4148就能满足要求。 2.3.3 TL431稳压 TL431是一个热稳定性良好的三端可调分流基准源，其输出电压用两个电阻就可以随意设置从2.5V到36V范围内的任何值。在很多应用中用 光耦2 out 图3 TL431 稳压图4 开关管保护 它代替齐纳二极管，因其价格低、性能好，广泛用于可调压电源，开关电 源等。如图3，输出 Vout=2.5*<1+）,因这两个电阻阻值均为10K, 所以输出保持在5V。此处TL431阴极和参考极连接R15、C9，整个稳压部分同时也构成交流放大器，以减小输出的纹波。 2.3.3电阻、电容及其它器件的选择 交流100—220V市电输入，限流热敏电阻R1选择 NTC5D-9<负温度系数， 流过最大稳态电流为3A，阻值为5），滤波电容C1容值22uF<耐压400V）；Q1的启动电阻R2阻值为500K(根据Q1所需的启动电流而定>,分压电阻R4为10K(工作过程中为Q1提供基极电压>，C3容值为2.2nF，电阻R5 阻值为1，用于反馈振荡的 R7、C5值分别为200、22nF<根据开关频率 而定）；R6、 R8、 R9分别为 100、20K、200<根据Q2导通所需的电 流而定），C4 、C6均为 2.2nF；RCD吸 收电路R3为 51K,C2为2.2nF<2KV高压瓷片电容>,次级滤波电容C7为1000μF，负载R11为 10的功率电阻；C8为4.7μF，R10为10 K<为光耦提供直流电压）；光 耦采用PC817<最大耦合频率80KHz）；R12为120，R13为100K<根据 光耦所需电流而定），R14、R16均为10K,R15、C9分别为2K、47nF。另外，三极管Q1的保护如图4，次级以及辅助绕组半波整流输出如图5、图6所示。 R11 图5 输出整流滤波图6 辅助绕组整流滤波 3 Saber软件仿真 Saber软件是专门用于电源设计的仿真软件，其主要特点如下：一是集成度高,从调用绘制原理图到仿真分析,无需切换工作环境；二是比较齐全的各种分析功能,既可以进行DC、AC等这些基本功能分析,也能进行温度、蒙特卡诺、噪声等高级功能分析；三是仿真数据后强大的处理能力,运动SaberScope 工具,可以方便对仿真结果数据进行各种比较和分析乃至运算；同时,Saber软件的交叉探针功能(crossprobe>可以很方便的在Sketch中随时观察仿真数据结果。 图2的电路应用Saber软件进行仿真得到各点波形图，输入电压从100V 到240V每增加20V进行一次仿真。下面为两组仿真结果，分别为输入100V、240V交流市电在0.1mS内的各点波形。其中图7为输入100V时波形，从上至 下依次为开关三极管Q1集电极电压<即变压器初级绕组电压，图中波形n_2862）、Q1基极电压 图7交流100V输入时各点波形图 图8交流240V输入时各点波形图 分析这两组仿真波形图，图7中输入电压较小，但峰峰值为270V，Q1开关频率在100KHz左右，基极电压峰峰值为1.2V；三极管Q2与Q1的开关频率相同,基极电压峰值0.8V；这两组波形均满足三极管对基极电压和开关频率的要求，且从中可以看出三极管Q2对开关管Q1的控制作用；最终输出电压为5V。图8中输入电压较大，峰峰值为420V，频率升高到160KHz，Q1、Q2基极电压基本不变，最终输出仍然保持5V不变。 另外，100—240V输入、输出以及频率的数据如下表1: 表1 交流输入、Q1集电极电压峰峰值<变压器初级电压）、频率以及输出电压 根据频率公式f=*知，通断频率与变压器初级输 入电压的平方成正比，表中数据刚好印证这个规律。因此以上数据可证明该电路的可行性，只需更好的设计实际电路便可以可靠实现其功能。 4电路调试与数据分析 4.1 电路调试 图2的设计由仿真软件Saber进行多次仿真，输入100—220V市电，输出满足5V电压500mA电流的要求，开关频率在100KHz—160KHz范围内变化，且输入电压越大开关频率越大，此时则需要考虑三极管、光耦选择及变压器绕制时选取频率较大的以满足要求。实际硬件电路的调试在地质宫428以及122电机实验室<实验室内有可变交流输入电源，可为电路调试供电）进行，下面的每组数据均用数字示波器(Tektronix TDS1012B-SC、TDS2018>测得，测试时间为2018年5月15日到22日。 调试过程中，输入电压为100—240V市电，以递增的方式接入电路。最开始通以50V电压时，电路发出刺耳的声音，并且开关三极管发热，分析可能是变压器因频率较低或者开关三极管基极电压过大而长时间工作在临界状态。测试基极电压大于1.2V，因此Q1基极的稳压管改用两个二极管，使其基极压降保持在1V以内，此时Q1空载时不再发热。变压器输入电压频率仅为13KHz左右，刚好在人类听觉范围内，而且高频变压器框架与绕组粘黏比较松，这可能是引起电路刺耳声音的主要原因。重新用胶棒粘黏变压器框架，重新上电测 试，不再有刺耳的声响。但是输出接10以下负载时，开关管有发热迹象，且升温较快，分析是因为三极管满足的最大功率不能满足输出的要求，因此最大输出电流为0.5A,但可以换功率更大的三极管或者MOSFET以达到更大输出电流的要求。下面即为两组输入和输出的波形图。 图9空载输入100V 时Q1集电极电压图10空载输入240V 时Q1集电极电压 频率21.25KHz ，峰峰值270V 频率31.35KHz ，峰峰值406V 图11空载输入时输出 图1220 负载时输出 输出平均值5V 输出平均值5V 其中图9、图10分别为空载时输入电压分别为100V 和240V 开关管Q1集电极的波形，频率分别为21.25KHz 、31.35KHz ，图11为为空载时的最终输出波形，其大小一直保持5V 不变，纹波峰峰值保持在160mV ；输入电压最大较输入最小电压时的开关频率提高10.10KHz 。 基于PWM芯片UC3842的医疗开关电源设计方案 基于UC3842 高性能电流模式PWM 芯片，提出一种医疗开关电源设计方案。该设计AC-DC 给医疗设备供电，采用单端反激式结构，实现90-264Vac 供电，12V 的直流输出，具有瞬态响应快、电磁兼容好、输出电压精度高等优点，能 够很好地满足医疗设备供电需求。引言医疗电源是对安规及EMI、EMC 比较 高的设备，作为绿色开关电源，将在21 世纪给人类社会带来巨大的变化。性 能优良的医疗设备系统离不开性能优良的控制模块，而控制模块的性能在很大 程度上取决于供电电源的性能，所以高质量的供电电源系统在整个医疗系统中 占有相当重要的位置。本文基于UC3842 高性能电流模式PWM 发生器控制的 开关电源适合应用于此类系统。本设计通过小型高频变压器实现输出和输入的 完全隔离，不仅提高了电源的效率，简化了外围电路，也降低了电源的成本和 体积。电源输出电压稳定，波纹小，不间断性能可靠同时又不会对其他设备产 生辐射和传导干扰。单端反激式变换电路的基本结构单端反激式变换的典型结 构如图一所示。单端是指变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧；反激是指当 开关管导通时，在初级线圈中储存能量，而次级线圈不通，当开关管关闭的时候，初级线圈中的能量通过次级线圈释放给负载。这是一种成本低的调整器， 可以做到输入输出部分的完全隔离，有较好的电压调整率。 图一单端反激式变换器UC3842 芯片的性能特点UC3842 芯片是Unit rode 公司的产品，是一种高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，其原理框 图如图二所示。由5V 基准电压源、控制占空比调定的振荡器、电流测定比较器、PWM 锁存器、高增益E/A 误差放大器和适用于驱动功率MOSFET 的大电流推挽输出电路等组成。其主要特点是：①外接元件少，外围电路简单，价格 高频开关电源的特点及在电力系统的应用 摘要：高频开关电源具有体积小重量轻、安全可靠、自动化程度及综合效率高、噪音低等特点，目前，电力系统已逐步采用这种电源系统。高频开关整流器与原始直流设备的性能比较。 关键词：高频开关电源；特点；性能比较；应用 一、前言 在电力系统中，直流电源作为继电保护、自动装置、控制操作回路、灯光音响信号及事故照明等电源之用，是发电厂和变电站比较重要的设备。因直流电源故障而引发的事故时有发生，所以，对直流电源的可靠性、稳定性具有很高要求。传统的直流电源多数采用可控硅整流型。近几年来，许多直流电源厂家推出智能化的高频开关电源，这种电源系统具有许多优点：安全、可靠、自动化程度高、具有更小的体积和重量、综合效率高以及噪音低等，适应电网发展的需要，值得推广使用。 目前，我国电力系统采用的直流电源也正由传统的相控电源逐步向模块化的高频开关电源转变。高频开关电源整流器的工作原理：交流电源接入整流模块，经滤波及三相全波整流器后变成直流，再接入高频逆变回路，将直流转换为高频交流，最后经高频变压器、整流桥、滤波器后输出平稳直流。这种高频开关电源主要由高频开关充电模块、集中监控器和蓄电池组等组成，其中充电模块和集中监控器具有内置微处理器，智能化程度高。高频开关电源系统正常 运行时，充电机的输出与蓄电池组并联运行，给经常性负荷供电。 二、高频开关电源的原理和特性 （一）高频电源系统方框图 高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关电源变换成高频交流电，通过高频变压器变压隔离后，由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出。 （二）采用高频化有较高技术经济指标 理论分析和实践经验表明，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50hz提高到20khz时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（5～10）％。这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。逆变或整流焊机、通讯电源用浮充电源的开关式整流器，都是基于这一原理。 那么，以同样的原理对传统的电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等各种直流电源加以类似的改造，使之更新换代为“开关变换类电源”，其主要材料可以节约90％或更高，还可节电30％或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，既可带来显著节能、节材的经济效益，更可体现技术含量的价值。 （三）设计模块化——自由组合扩容互为备用提高安全系数 模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生 开关电源变压器共模电感设计注意事项 在电源变压器的设计过程中，工程师们需要严格的计算并完成共模电感设计和数值选取，这直接关系到开关电源变压器的运行精度。在今天的文章中，我们将会就开关电源变压器的共模电感设计展开简要分析，看在电源变压器共模电感设计和计算过程中，都应该注意哪些问题。 在电源变压器的设计和制作过程中，工程师所要进行的共模电感设计，其所需要的基本参数主要有三个，分别是输入电流，阻抗及频率，磁芯选取。先来看输入电流。这一参数值直接决定了绕组所需的线径。在线径的计算和选取时，电流密度通常取值为400A/cm³, 但此取值须随电感温升的变化。通常情况下，绕组使用单根导线作业，这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。 在计算过程中，开关电源变压器共模电感的阻抗在所给的频率条件下，一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要求的噪声衰减。但实际上，线性阻抗问题往往是最容易被人忽视的，因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结果与实际通常有相当大的差别。实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB 衰减（角频是共模电感产生-3dB）的频率此角频通常很低，以便感抗能 够提供阻抗。因此，电感可以用这一公式来表达，即：Ls=Xx/2 n f 这里还有一个问题需要工程师需要注意，那就是在进行共模电感设计时须注意磁芯材料和所需的圈数问题。首先来看磁芯型号的选取问题，此时如果有规定电感空间，我们就按此空间来选取合适的磁芯型号，如没有规定，通常磁芯型号的随意选取。 在确定了电源变压器的磁芯型号之后，接下来的工作就是计算磁芯所能绕最大圈数。通常来说，共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布在磁芯的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定，内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线径及每个绕组所占据的圆周来计算。 《精通开关电源设计》笔记 三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间 t OFF 3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。 那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26， 最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式 避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。 确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值 负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值 基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。 在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7 H/m 为真空的磁导率。 开关直流稳压电源设计 摘要 直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器，电力或者电子设备都毫不例外的需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不点的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电又如何使直流电压（电流）稳定这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，他们又各自可以用集成电路或分立元件构成。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。 一、引言 基本要求 稳压电源。 1.基本要求 ①输出电压UO可调范围：12V～15V； ②最大输出电流IOmax：2A； ③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）； ④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）； ⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑥DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=±； 发挥部分 (1)排除短路故障后，自动恢复为正常状态； (2)过热保护； 二、方案设计与论证 开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频式两种。实际应用中，调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值，即占空比来改变输出电压，通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，因此本次设计采用PWM调制方式实现电路设计要求。主要框架如图1所示。由变压器降压得到交流电压，再经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC-DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源。 开关电源学习笔记 开关电源学习笔记 阅读书记名称《集成开关电源的设计调试与维修》 开关电源术语： 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总和。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好 输出电压保持时间：在开关电源输出电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。 启动浪涌保护：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖蜂电流起限制作作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时候，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流的作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随负载在指定范围内的变化百分率。条件是线电压和环境温度不变。 噪音和波纹：附加在直流信号上的交流电压的高频尖锋信号的峰值。通常是mV度量。 隔离式开关电源：一般指开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输出负载电路产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载过流保护：防止因负载过重，是电流超过原设计的额定值而造成电源的损坏的电。远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间。 快速短路保护电路：一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。 占空比：开关电源中，开关元件导通的时间和变换工作周期之比。 元件选择和电路设计： 一：输入整流器的一些参数 最大正向整流电流：这个参数主要根据开关电源输出功率决定，所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍。 峰值反向截止电压（PIV）：由于整流器工作在高压的环境，所以它们必须有较高的PIV值。一般600V以上。 要有能承受高的浪涌电流的能力：浪涌电源是用开关管导通时的峰值电流产生。 二：输入滤波电容 输入滤波电容对开关电源的影响 电源输出端的低频交流纹波电压 输出电压的保持时间 滤波电容的计算公式： C=（I*t）/ΔV 电力电子技术课程设计报告 题目高频开关稳压电源 专业电气工程及其自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师 2016年春季学期 起止时间：2016年6月25日至2016年6月27日 设计任务书11 高频开关稳压电源设计√ 一、设计任务 根据电源参数要求设计一个高频直流开关稳压电源。 二、设计条件与指标 1.电源：电压额定值220±10%，频率：50Hz； 2. 输出:稳压电源功率Po=1000W,电压Uo=50V； 开关频率:100KHz 3.电源输出保持时间td=10ms(电压从280V下降到250V)； 三、设计要求 1.分析题目要求，提出2~3种电路结构，比较并确定主电路 结构和控制方案； 2.设计主电路原理图、触发电路的原理框图，并设置必要的 保护电路； 3.参数计算，选择主电路及保护电路元件参数； 4.利用PSPICE、PSIM或MATLAB等进行电路仿真优化； 5.撰写课程设计报告。 四、参考文献 1.王兆安，《电力电子技术》，机械工业出版社； 2.林渭勋等，《电力电子设备设计和应用手册》； 3.张占松、蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，电子工业 出版社。 目录 一、总体设计 0 1．主电路的选型（方案设计） 0 2.控制电路设计 (3) 3.总体实现框架 (3) 二、主要参数及电路设计 (4) 1.主电路参数设计 (4) 2.控制电路参数设计 (6) 3.保护电路的设计以及参数整定 (7) 4.过压和欠压保护 (7) 三、仿真验证（设计测试方案、存在的问题及解决方法） (8) 1、主电路测试 (8) 2、驱动电路测试 (9) 3、保护电路测试 (9) 四、小结 (10) 参考文献 (10) 《自动化专业综合课程设计2》 课程设计报告 题目：开关电源设计与制作 院（系）：机电与自动化学院 专业班级：自动化0803 学生姓名：程杰 学号：20081184111 指导教师：雷丹 2011年11月14日至2011年12月2日 华中科技大学武昌分校制 目录 1．开关电源简介 (2) 1.1开关电源概述 (2) 1.2开关电源的分类 (3) 1.3开关电源特点 (4) 1.4开关电源的条件 (4) 1.5开关电源发展趋势 (4) 2．课程设计目的 (5) 3．课程设计题目描述和要求 (5) 4．课程设计报告内容 (5) 4.1开关电源基本结构 (5) 4.2系统总体电路框架 (6) 4.3变换电路的选择 (6) 4.4控制方案 (7) 4.5控制器的选择 (8) 4.5.1 C8051F020的内核 (8) 4.5.2片内存储器 (8) 4.5.312位模/数转换器 (9) 4.5.4 单片机初始化程序 (9) 4.6 输出采样电路 (10) 4.6.1 信号调节电路 (10) 4.6.2 信号的采样 (11) 4.6.3 ADC 的工作方式 (11) 4.6.4 ADC的程序 (12) 4.7 显示电路 (13) 4.7.1 显示方案 (13) 4.7.2 显示程序 (14) 5．总结 (16) 参考文献 (17) 1．开关电源简介 1.1开关电源概述 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPower Supply)。 将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。降压型DC-DC转换器主电路图如1： 图1 降压型DC-DC转换器主电路 其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为： 《开关电源》笔记 三种基础拓扑（buck boostbuck-boost ）的电路基础： 1，电感的电压公式V L dI ＝L I ，推出 I ＝V × T/L dt T 2，sw 闭合时，电感通电电压 VON ，闭合时间tONsw 关断时，电感电压 VOFF ，关断时间 tOFF 3，功率变换器稳定工作的条件： ION ＝ I OFF 即，电感在导通和关断时， 其电流变化相等。 那么由 1，2的公式可知，V ON ＝L × ION/ tON ，VOFF ＝L ×ΔIOFF/ tOFF ，则稳定 条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4，周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝tON/T ＝tON/（tON ＋tOFF ）→tON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P5152 r ＝I/IL ＝2IAC/IDC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压 值 I ＝Et/L μH Et ＝V × T （时间为微秒）为伏微秒数， L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝Et/（IL ×L μH ）→IL ×L μH ＝Et/r →L μH ＝Et/（r*IL ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般 0.4比较合适，具体 见 P53 电流纹波率r ＝ I/IL ＝ 2IAC/IDC 在临界导通模式下，IAC ＝IDC ，此时r ＝2 见P51 r ＝I/IL ＝VON ×D/LfI L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/LfI L →L ＝V ON ×D/rfI L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rfI L ＝V ON ×D/rfI L 设置r 应注意几个方 面： A,I PK ＝（1＋r/2）×IL ≤开关管的最小电流，此时 r 的值小于0.4 ，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方 式 P24-26， 最大负载电流 时 r ’＝ I/ILMAX,当r ＝2时进入临界导通模式，此时 r ＝ I/Ix ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’/2）I LMAX 时，进入临界导通模式 ,例如：最大负载电流 3A ，r ’＝0.4，则负 载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模 式 避免进入临界导通模式的方法有 1，减小负载电流 2，减小电感（会减小 I ，则减小r ）3， 增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算 1/2×L ×I 2 PK ，避免磁饱和。 确定几个值:r 要考虑最小负载时的 r 值负载电流ILIPK 输入电压范围VIN 输 出电压VO 最终确认L 的值 基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于 EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m Wb/m 2 B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉 （ T ）或韦伯每平方米 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为 dB ＝k ×I ×dl ×aR/R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，aR 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量 中文摘要 开关电源广泛应用，其效率可达80%以上，具有稳压范围宽、频率高、体积小等特点。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。开关电源的发展与应用在节约能源及环保方面有重要意义。本论文主要介绍RCC型开关电源及其设计应用，RCC电路与其他<如半桥逆变）开关电源电路相比的优越性。它的体积小、不需专用PWM控制芯片、电路简单等优点使其应用更加广泛，特别是在各种新兴电子设备的电源、充电器方面的应用尤为突出，因此在各种开关电源中占有重要地位。RCC电路包括输入整流滤波，吸收电路,开关管保护电路,RC反馈振荡,输出整流滤波,输出过压、过流保护电路，另外最主要的是高频变压器部分。最后通过仿真、调试达到100—240V市电交流输入、5V电压0.5A电流输出的要求，并且纹波较小效率较高。 关键词：开关电源 RCC 自激反激变换器 外文摘要 Title Design of single output AC/DC Switching Power Supply Abstract SwitchingPower Supply is widely uesd,and its efficiency ismore than 80%.Meantime a wide range , high frequency and miniaturization is presented .It is particularly applied in the field of high and new technology and then brings miniaturization and convenice.The development and use of Switching Power Supply are of importance in the energy saving and environmental protection.This paper mainly introduce RCC cicuit and its specific designment。RCC cicuit ,who is small shape,simple structure and not using particular chips,has many more advantages than other circuits as same with it,such as half-bridge ciucuit.Therefore,RCC circuit is much more widely used,especially in the source and charger of all kinds of new electronical devices.So it is such a significance for Switching Power Supply.In the RCCcircuit,the circuit for rectification and filtering,absorption,protection,RCC fee- dback,output overvoltage and overcurrent are included.In addition,the transformer is the most importantcomponent.Finaly,this design get though tests with 100-240V AC input ,5V voltage and 1A current.Moerover,ripple wave is quite small. Key words：Switching power supply Flyback converter Self-excitatiion RCC 目录 1绪论 (1) 1.1高频开关电源概述 (1) 1.2意义及其发展趋势 (2) 2高频开关电源的工作原理 (3) 2.1 高频开关电源的基本原理 (3) 2.2 高频开关变换器 (5) 2.2.1 单端反激型开关电源变换器 (5) 2.2.2 多端式变换器 (6) 2.3 控制电路 (8) 3高频开关电源主电路的设计 (9) 3.1 PWM开关变换器的设计 (9) 3.2 变换器工作原理 (10) 3.3 变换器中的开关元件及其驱动电路 (11) 3.3.1 开关器件 (11) 3.3.2 MOSFET的驱动 (11) 3.4高频变压器的设计 (13) 3.4.1 概述 (13) 3.4.2 变压器的设计步骤 (13) 3.4.3 变压器电磁干扰的抑制 (15) 3.5 整流滤波电路 (15) 3.5.1 整流电路 (15) 3.5.2 滤波电路 (16) 4 总结 (19) 参考文献 (20) 1 绪论 1.1高频开关电源概述 八十年代,国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少,而且对整机多相指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。近年来许多领域,例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(简称五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。五新使开关电源更上一层搂,达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高(简称五高)。有了五高,开关电源就有更强的竞争实力,应用也更为扩大,反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和要求可归纳为以下五个方面: (l)能否全面贯彻电磁兼容各项标准? (2)能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产? (3)能否组建大容量电源? (4)电气额定值能否更高(如功率因数)或更低(如输出电压)? (5)能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求? 这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键,是五个挑战。(简称五挑战)把挑战看成开关电源发展的动力和机遇,一向是电源科技工作者的态度。以功率因数为例,AC-DC开关电源或其他电子仪器输入端产生功率因数下降问题,用什么办法来解决?毫无疑问,利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中,用DC-DC开关电源和有源功率因数校正的开关电源,(成本比单机增加20%):成功解决了这个问题。现在,又进一步发展成单级有功率因数校正的开关电源,(成本只增加5%);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法,有人采用注入六次谐波调脉宽控制,抑制住输入电流的五次谐波,解决了电流谐波畸变率小于100k的要求。 开关电源术语 这些定义应被认为是有关于开关电源的 ,并不一定等同的适用于其它技术领域. 考虑到在其它出版物(标准,词典,制造商数据手册 ,技术笔记,手册)已经同时给出了定义,下列的术语仅代表作者本人的观点,并可能与使用本文档的特定用户有轻微的差别. 绝对额定最大值,元件: 如果超过将导致永久性的器件损坏的规定值. 这不是连续额定值,并不表示适当的操作. Ae, 有效区域: 对于给定几何尺寸的磁芯,是指具有同样磁性的同种原料的圆柱形磁芯的横截面积. 周围温度Ambient Temperature (1): 目标温度和SMPS周围静止空气的温度,在距离电源最小为4" (100mm)处测得. 周围温度Ambient Temperature (2): 根据MIL-STD-810E: 除了必要的支撑点,测试单元应完全出于空气的包围中.周围空气的温度梯度应为测量温度的2℃之内且不超过1℃每米. 安培匝数Ampere Turns (NI): 流过线圈的电流与线圈匝数的乘积. ATP: 验收测试步骤(Acceptance Test Procedure). BABT: 英国无线电通讯认证部(The British Approvals Board for Telecommunications).对英国市场上的无线电通讯设备进行认证的肚里组织.BABT对测试实验室进行认证和授权. 行为模型(Behavioral Model): 用数学关系表达的电路模块的模型.是最高的仿真层次. BJT: 双极结晶体管(Bipolar Junction Transistor.). BOM: 物料清单(Bill of Material). 升压式(Boost): 一种基本的开关电源结构,在开关导通时能量存储到电感中,在开关断开时能量 高频开关电源变压器的动态测试 （JP2581B＋JP619B材料功耗测量系统应用笔记之一） 1 引言 目前，对高频开关电源变压器电磁参数‘测试’大约使用两种方法：一种是用LCR表测量一些基本电磁参数，例如，开关电源变压器初次级电感、漏感、分布电容、绕组直流电阻以及匝比、相位等，我们称这种测试方法为’静态’测试；一种是将开关电源变压器放到主机上考核其工作情况，对已经定型生产的开关电源变压器，为考核外购磁芯质量，通过测量变压器工作温升判断磁芯的损耗比较直观简便。前一种方法因在弱场、低频低磁感应强度（例如Bm<0.25mT、f=1kHz）下测量，由于磁性材料特性的非线性、不可逆和对温度敏感，其在强场下工作与在弱场情况下工作电磁特性有很大不同。弱场下测量结果不能反映磁性器件工作在强场下的情况；后一种方法虽随主机在强场下应用，但不能得到被测器件电磁参数。磁芯损耗需要专用仪器才能测量。 高频开关电源变压器的上述测试分析现状影响了此类器件的开发和生产。 需要开发一种仪器或测试系统，这种测试系统能够模拟实际工作条件，完成对高频开关电源变压器主要电磁参数分析，例如，各种负载（包括满载和空载）情况下变压器初级复数阻抗z、有效初级电感L，通过功率Pth、功率损耗PT、传输效率η以及在指定频率下磁芯的传输功率密度等，我们称这种模拟实际工作条件的测试为‘动态’测试。作为磁性器件综合测试系统，还要求具有对磁芯材料功率损耗分析功能。在电磁机器进一步小型化、高频化和采用高密度组装情况下对器件进行‘动态’分析，对加速象高频开关电源之类的电磁器件开发、提高器件质量显得特别重要。 2 测试系统简介 JP2581B＋JP619B材料功耗及器件功率测量系统是一种交流电压、电流和功率精密测量装置。其主要测量功能、指标和测量精度非常适用于磁性材料和磁性器件（例如，开关电源变压器）研究开发和磁芯产品快速检测。该系统配套完整，自成体系，无需用户增加额外投资，系统主要测试功能如下： 1、软磁材料及器件交流功率损耗（总功耗PL , 质量比功耗 Pcm , 体积比功耗 Pcv）测量; 2、磁性材料振幅磁导率μa测量; 3、磁芯（有效）振幅磁导率(μa)e测量; 磁芯因素(AL)e.测量 以上测量均符合IEC367--1（或GB9632--88）标准中推荐的测量方法。 4、电感、电容及组成器件（例如，开关电源变压器）等效电磁参数的动态测量和分析; 5、由测量结果分析器件下列参数： z |z| Ls Rs Lp Rp C Q D。 测试系统具有如下使用、操作特点： & 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 开关电源设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）? 1、输出两路直流电压：12V，5V。 2、直流最大输出电流1A。 3、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 ） 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 ） 引言 (1) 1设计意义及要求 (2) 设计意义 (2) 开关电源的组成部分 (2) 开关电源的工作过程 (2) 开关电源的工作方式 (3) 脉宽调制器的基本原理 (3) 2方案设计 (5) ） 设计要求 (5) 方案选择 (5) 整流滤波部分 (6) 降压斩波电路 (7) 脉宽调制电路 (8) MOSFET管的驱动电路 (9) 总电路图 (11) 3主电路参数设定 (12) { 变压器、二极管、MOSFET管选择 (12) 反馈回路的设计 (13) MOSFET的驱动设计 (14) 结束语 (15) 参考文献 (16) 附录一 (17) ] 引言 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，远程控制交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，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。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IGBT和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 开关电源根据输入输出的性质不同可分为AC/DC和DC/DC两大类。AC/DC称为一次电源，也常称为开关整流器。值得指出的是，AC-DC变换不单是整流的意义，而是整流后又做DC-DC变换。所以说，DC-DC变换器是开关电源的核心。DC/DC称为二次电源，其设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，所以学习设计开关电源有重要的意义。 开关电源设计 开关直流稳压电源设计 摘要 直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器，电力或者电子设备都毫不例外的需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不点的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，他们又各自可以用集成电路或分立元件构成。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。 一、引言 1.1基本要求 稳压电源。 1.基本要求 ①输出电压UO可调范围：12V～15V； ②最大输出电流IOmax：2A； ③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）； ④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）； ⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑥DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）； ⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A； 1.2发挥部分 (1)排除短路故障后，自动恢复为正常状态； (2)过热保护； 二、方案设计与论证 开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频式两种。实际应用中，调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值，即占空比来改变输出电压，通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，因此本次设计采用PWM调制方式实现电路设计要求。主要框架如图1所示。由变压器降压得到交流电压，再经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC-DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源。 开关电源学习笔记 阅读书记名称《集成开关电源的设计调试与维修》 开关电源术语： 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总和。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好 输出电压保持时间：在开关电源输出电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。 启动浪涌保护：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖蜂电流起限制作作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时候，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流的作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随负载在指定范围内的变化百分率。条件是线电压和环境温度不变。 噪音和波纹：附加在直流信号上的交流电压的高频尖锋信号的峰值。通常是mV度量。 隔离式开关电源：一般指开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输出负载电路产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载过流保护：防止因负载过重，是电流超过原设计的额定值而造成电源的损坏的电。 远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作周期是从零到它的正常工作点所用的时间。 快速短路保护电路：一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。 占空比：开关电源中，开关元件导通的时间和变换工作周期之比。 元件选择和电路设计： 一：输入整流器的一些参数 最大正向整流电流：这个参数主要根据开关电源输出功率决定，所选择的整流二极管的稳态电流容量至少应是计算值的2倍。 峰值反向截止电压（PIV）：由于整流器工作在高压的环境，所以它们必须有较高的PIV值。一般600V以上。 要有能承受高的浪涌电流的能力：浪涌电源是用开关管导通时的峰值电流产生。 二：输入滤波电容 输入滤波电容对开关电源的影响 电源输出端的低频交流纹波电压 输出电压的保持时间 滤波电容的计算公式： C=（I*t）/ΔV C：电容量，F I：负载电流，A t：电容提供电流的时间，S ΔV：所允许的峰-峰值纹波电压，V 深圳市普顿电力设备有限公司 48V直流通信电源 （直流变换器-通信电源-高频开关电源）（通信机房基站移动通信专用） 使 用 手 册 一：普顿整流模块简介 (一) 整流模块的工作原理 整流模块的原理框图如图5-1所示，EMI 电路有两个功能： 1）防止市电电网由于负载的开关及闪电造成的尖峰对整流模块造成的危害； 2）阻止整流模块内高频开关产生的干扰电压及电流反灌给电网。 EMI 交流输入 全桥整流 DC/DC 变换电路 输出整流滤波电路 PWM 控制电路 电压、电流检测 监控接口 直流输出 图5-1 普顿-4830-2U 整流模块工作原理框图 整流模块变换电路为双正激拓扑结构，开关管同时导通，不存在桥式拓扑中桥臂直通的危险；变压器也不存在因偏磁而造成饱和的危险；从拓扑结构上保证了模块的可靠性。双路互补倍频的双正激拓扑，使整流模块工作频率高达160kHz 。 本模块的设计采用了高频脉宽调制技术，低差自主均流技术，以及高可靠快速保护技术。低差自主均流控制单元确保模块并联运行时实现模块间自动均流，从轻载（5％负载）到额定负载，模块间最大电流误差<2A 。高可靠快速保护以及专门设计的短路回收特性，确保模块长期短路也不会损坏，完善的保护功能保证了系统与模块安全可靠运行。 该模块具有150V AC ～300V AC 的电压输入范围。为确保模块安全可靠地工作，设计了二级限流功能，当电网电压在176V AC ±5V 以下时，电源模块自动进入限流工作区间，最大输出电流为15A ；当电网电压在176V AC ±5V 到300V AC 之间时，模块额定工作电流为30A 。 整流模块采用了输入、输出滤波电路及屏蔽结构，使模块具有电磁兼容性，各项杂音指标均优于部颁标准。模块结构以及内部元器件布局，考虑了各种安全规范，使模块具有较高的安全性。 二：普顿整流模块外形结构 图5-2 输出显示DISPLAY CD 电流显示 电压显示 VD POWER 电源开关 运行 RUN 均充微调 EC ADJ FC 浮充 均充 EC 浮充微调 FC ADJ MANUAL手动 自动AUTO 故障 ALM DC+DC-E N L 并机接口 A型机箱机械尺寸图 图5-3基于PWM芯片UC3842的医疗开关电源设计方案
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