开关电源设计

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书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：年月日武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书目录引言......................................................................11设计意义及要求...........................................................21.1设计意义.............................................................21.2开关电源的组成部分...................................................21.3开关电源的工作过程...................................................21.4开关电源的工作方式...................................................31.5脉宽调制器的基本原理.................................................32方案设计.................................................................52.1设计要求.............................................................52.2方案选择.............................................................52.3整流滤波部分.........................................................62.4降压斩波电路.........................................................72.5脉宽调制电路.........................................................82.6MOSFET管的驱动电路..................................................92.7总电路图............................................................113主电路参数设定..........................................................123.1变压器、二极管、MOSFET管选择........................................123.2反馈回路的设计......................................................133.3MOSFET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。1设计意义及要求1.1设计意义《电力电子技术》主要培养我们统筹运用课本所学的理论知识，掌握电路设计模块化基本理论和基本方法。所谓开关电源，广义上凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换电路；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。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。本次课程设计是针对我们平时学习的理论知识的检验，也是让我们更加熟练的运用仿真软件，更好的解决开关电源的一些问题。1.2开关电源的组成部分开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图1所示。主要由以下5部分构成：①输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路；②功率功率管（VT）及高频变压器（T）；③控制电路（PWM调制器），含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器，控制电路能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制；④输出整流滤波器；⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。1.3开关电源的工作过程交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及输入电路控制电路输出电路220VDC图1开关电源基本构成功率变换电路12V、5VDC整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。1.4开关电源的工作方式开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式：（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，简称PWM，即脉宽调制）式：其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation，简称PFM，即脉频调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉频调制器。（3）脉冲密度调制（PulseDensityModulation，简称PDM，即脉密调制）式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。（4）混合调制式：它是（1）、（2）两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。1.5脉宽调制器的基本原理脉宽调制式开关电源的工作原理如图2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压iU，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压oU。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压oU经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压REFU进行比较，得到误差电压rU，再用rU的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使oU保持不变。JU为锯齿波发生器的输出信号。基准电压源锯齿波发生器电路图２脉宽调制式开关电源的工作原理ＰＷＭ比较器驱动信号输出误差放大器开关电源输出采样电压2方案设计2.1设计要求初始条件：输入交流电源：单相220V，频率50Hz。要求完成的主要任务: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。2.2方案选择方案一：电源输入，即单相交流电压。输出为：12V、5V直流电压，最大电流1A。交流电220V经过一个整流滤波电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制MOSFET管的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路得到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如图3所示。整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,整流滤波脉冲宽度调制（PWM）滤波220VDC图３整体设计方框图降压斩波电路保护电路12V、5VDC使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（onoffTtt），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ont，最终控制输出电压（或电流）的稳定。方案二：首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。整体设计方框图如图4所示：整流部分是利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波部分则是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；高频逆变电路则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的；高频变压器降压则是通过互感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实