简易开关电源设计报告

四川教育学院
应用电子设计报告
课程名称：Protel99 电路设计
系部：物理与电子技术系
专业班级：应用电子技术0901
学生姓名：x x x
学号：
指导教师：
完成时间：
报告成绩：
评阅教师日期
开关电源电路设计报告
一. 设计要求：
直流稳定电源主要包括线性稳定电源和开关型稳定电源，由于开关稳压电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠，适用性强，故选择设计可调开关稳压电源，其具体设计要求如下：
（1）．所选元器件和电路必须达到在一定范围内输出电压连续可调，输出电压U0=+6V —— +9V连续可调，输出额定电流为500mA；
（2）．输出电压应能够适应所带负载的启动性能,且输出电压短路时，对各元器件不会产生影响；
（3）．电路还必须简单可靠，有过流保护电路，能够输出足够大的电流。

二.方案选择及电路的工作原理
方案一：
首先用一个桥式整流电路将输入的交流电压变成直流电压，然后经过电容滤波，然后在经过一个NPN型三级管Q1调整管，最后整过电路形成一个通路，达到最终的效果。

方案二：
开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效
应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件[6]。

IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。

短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。

因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。

为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。

适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。

在短路电流出现时，为了避免关断电流的过大形成过电压，导致IGBT 锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。

在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。

为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。

下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。

利用IGBT的Vce设计过流保护电路
该电路是利用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护的电路，用于专用驱动器EXB841。

EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。

含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监视脚6，而是经快速恢复二极管VD1，通过比较器IC1输出接至EXB841的脚6，其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。

如果发生过流，驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

三.单元电路设计计算与元器件的选择
我们在此选择的通过方案一来实现开关电源的短路保护，采用的元器件有：用四个二极管构成一个桥式整流电路D1—D4：
以及两个1000uf的电容C1，C2：
一个水泥电阻R6,一个5.1K的电阻R1，
两个1k的电阻R2、R3，一个可变电阻R4，
三个NPN型三极管，调整管一个，
一个LED灯D5。

使用到的仪器：万用表,示波器
四.设计的具体实现
1．系统概述
（1）直流稳压电源原理:
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，图为直流稳压电源方框图。

（2）总电路原理图：
此图为开关电路短路保护电路的原理图
（3） PCB板原理图：
（4）运用自动化刻板机刻制电路板：
（5）最终电路板效果图（正面）
2．单元电路设计、仿真与分析
用multisim软件对整过电路进行仿真，输入端输入12V交流电，输出端能够测试到输出电压为9V。

3．电路的安装与调试
在制作PCB 板的过程中调制腐蚀液的浓度应该适宜，制作的板子的大小应该适宜不宜过大也不宜过小，板子腐蚀好后用砂纸将板子上的油印痕迹擦出，然后用酒精将板子进行清洗，待板子风干后用打孔机对板子的焊接点进行钻孔，孔径的大小应该适宜，最后将各元件按设计的电路图焊接在板子上并检查是否焊接稳固是否有虚焊，将各元件焊接好后按照电路图检查是否焊接正确，最后用万用表检查电路是否存在短路状态，各项准备工作做好后就可以对板子加电。

（1）安装步骤：
<1>根据总电路原理图绘制出装备电路图，标清楚各元件的位置；
<2>根据列出的元件清单，备好元件，检查各元件的好坏；
<4>根据装备图焊接元器件，焊接时要对各个功能模块电路进行单个测试；
<5>测试电路时，必须要保证焊接正确，才能打开电源，以防元器件烧坏；
<6>调节电位器R5，测量输出电压的变化范围是否在6V—9V之间，若不是，
分析其原因，找出故障，排除之。

（2）安装过程中遇到的主要技术问题：
<1>焊接过程中焊点过大，导致电路板不美观；
<2>焊接过程中形成了错焊和虚焊，导致电路调试不成功；
<3>焊接时元件正负极接反，调试时元件被烧坏；
<4>元件没放在正确的位置，调试不成功，且有元件被烧坏；
<5>直接把电路板接在220V电压上，电路板和部分元件直接被烧坏；
<6>无法调出所需范围的电压，电压不可调，且输出电压两端不能短接。

（3）调试过程及问题分析：
<1>用示波器和万用表调试电路板，通过改变可变电阻的阻值，使输出电压值为9V,并观察示波器上的波形图；
<2>确认输出电压值为9V后，接在收音机两端，看是否能让收音机正常工作，并且输出电压两端短接时不会烧坏各元器件；
<3>如果短接时对电路板有影响，则应该认真检查电路，并改正。

（4）对问题的解决措施：
<1>焊接前先把电路用清洗液拭擦一遍，保证电路的清洁，可防止虚焊和焊锡焊不上去的问题；
<2>选择适合的电阻，并摆放电阻的正确位置，可解决输出电压不可调的问；
<3>输出电压两端不能短接，说明电路板电路被短路，画PCB板时应注意线与
线之间的间距；
<4>焊接时保证元件的正确位置。

五．心得体会及建议
经过这次设计电路和自己翻阅查找各种资料，我不仅学到了关于稳压电源有关的知识，而且还了解了三端稳压器的稳压原理和制作方法，更增强了自己运用学习工具PROTEL的能力和实践动手能力，使自己对电子又有了更加深刻的了解，也清楚了电路板制作的全部过程。

通过实验测试的数据表明，这一开关电路短路保护电源具有良好的实用性，是防止低电压电路短路引起的不良后果的有效方法，造价较低可以大范围的使用。

此外，通过这次实验，增强了同学之间的协作、互助能力，跟同学互相探讨和研究，基本上解决了所遇到的问题，通过对电路的调试和修改后，我圆满完成了设计的要求。

六．附录
元件清单：
元件名称元件规格数量备注
电阻5.1KΩ1个R1
2.7KΩ1个可调电阻，R4 1 KΩ1个R2
1 KΩ1个R3
3Ω1个水泥电阻，R6
电容
1000u/16v 1个电感电容，C1
1000u/25v 1个电感电容，C2三极管
调整管1个Q1
NPN晶体管3个Q2——Q4 二极管 1N4007 4个D1——D4 LED 普通LED 1个D5，白光
七．参考文献
参考文献的格式如下：
一、作者名：杨欣，王玉凤，刘湘黔编著
书刊名：电子设计从零开始
出版杜：清华大学出版社
出版日期：2005-10-1
二、作者名：长谷川彰
书刊名：开关稳压电源的设计与应用
出版社：科学出版社
出版日期：2011—2—28。