《多路输出开关电源设计》 .pdf

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1、1青岛农业大学毕 业 论 文（设计）题目：多路输出开关电源设计姓名：学院：专业：班级：学号：指导教师：年 月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 43 页 - - - - - - - - - 2毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的

2、材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名：日期：年月日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计） 。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名：日期：年月日指 导 教 师 签 名：日期：年月日名师

3、资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 43 页 - - - - - - - - - 3目录摘要. IAbstract . II 1 绪论 . 11.1 课题背景及意义 . 11.2 开关电源简介 . 11.3 开关电源的发展历史和发展前景. 22 开关电源的工作原理及分类. 42.1 开关电源的工作原理 . 42.2 开关电源的设计指标 . 52.3 开关电源的调节方式 . 52.4 开关电源分类 . 63 电路主要元器件选择 . 14 3.1 单片开关电源芯片的选

4、取. 14 3.2 变压器 . 18 4 开关电源电路设计 . 21 4.1EMI 滤波器设计 . 21 4.2 开关电源的高频变压器设计. 22 4.3 保护电路和输入端整流电路设计. 25 4.4 反馈电路设计 . 27 4.5 次级输出滤波电路和稳压电路设计. 29 4.6 输出端稳压电路设计 . 31 5 总结 . 34 5.1 全文总结 . 34 5.2 工作展望 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 37 附录 . 错误！未定义书签。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

5、- - 第 3 页，共 43 页 - - - - - - - - - I多路输出开关电源设计摘要在深入分析开关电源工作原理和特点的基础上，根据设计指标的要求完成了一款单端反激式两路输出开关电源的设计。本文首先介绍了开关电源的发展历程及其工作原理，分析了开关电源的几种调节模式和几种工作电路；进而通过分析选定电路需要的元器件，包括TOP223P、 TL431 三端可调分流基准电压源、 LM2575 系列开关稳压集成电路和几种不同类型的二极管；最后设计出完整的总电路。主要电路包括输入电磁干扰滤波器（EMI ） 、整流滤波电路、功率变换电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。该电源具有宽电压输

6、入，多路稳定输出、 纹波和噪声可控制等优点。在完成电路的研究和焊接后通过不断的改进与完善，最终得到的结果基本符合预期，效果比较理想。关键词： 开关电源；多路输出；TOP223P；脉宽调制；反激式名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 43 页 - - - - - - - - - IIThe Design of Multiple-Output Switching Power Supply Abstract Based on the analysis of the w

7、orking principle and characteristics of switching power supply, the design of a single ended flyback two-way output switching power supply is accomplished according to the design requirements.In this paper, we first introduce the development of switching power supply and its working principle, analy

8、sis of the switching power supply of several regulatory mode and several working circuit; then, through the analysis of selected circuits require components, including top223p TL431, three terminal adjustable shunt reference voltage source, the LM2575 series switching regulator IC and several differ

9、ent types of diodes. Finally, we have designed integrated circuit. The main circuits include the input electromagnetic interference filter (EMI), the rectifier filter circuit, the power converter, the PWM controller and the output rectifier filter circuit. The power supply has the advantages of wide

10、 voltage input, multi-channel stable output, ripple and noise control etc. After the completion of the research and the improvement of the circuit, the final result is basically in line with the expectation, the effect is comparatively ideal. Key words:Switching Power Supply; multiple output; TOP223

11、P; PWM; Fly back名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）11 绪论1. 1 课题背景及意义最近几年，电子科技的迅速发展使得人们的工作、生活和学习与各种的电子产品的联系日益紧密，这也使得电子系统的应用领域越来越广泛。电子产品对输入的电压有很多指标要求，越来越多的电子产品的正常工作需要同时提供多个不同数值的直流稳压电，这就对电源的多路输出功能提出了要求；并且电子设

12、备的小型化和低成本化也使得开关电源向着轻、薄、小和高效率的方向发展。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，它能够构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源，所以代表着当今开关电源发展的趋势。开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优势在控制设备、电子检测设备、通讯设备等各种电子应用的领域中得到越来越广泛的应用。因此，对开关电源的研究和设计具有重要意义。本文设计的开关电源是直流12V 和直流 5V 两路输出，控制电路部分选用 TOP223P芯片，这种单片的开关电源可以极大的简化产品设计流程和新产品开发周期，并且在其它性能上也有很大优点。1. 2 开关电源简介开关电

13、源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性稳压电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。可以说，开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术1。开关电源的产生依赖于现代电力电子技术的高速发展，比如各种功率管的性能改进，开关电源是通过改变功率管的占空比，也就是调节功率管的导通时间在一个周期内所占的比率，从而输出稳定电压的一种电源。开关电源一般是通过脉冲宽度调制（PWM）输出固定频率和固定幅度的脉冲来控制IC 和 MOSF

14、ET 的导通和断开而实现。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）21. 3 开关电源的发展历史和发展前景开关电源已有几十年的发展历史，早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域， 20世纪 60 年代出现过晶闸管（旧称可控硅）相位控制式开关电源，70年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广，使之应用受到限制。

15、70 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用于芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展，目前，开关频率已从 20KHZ 左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时，供开关电源使用的元器件也获得长足发展。 MOS 功率开关、肖特基二极管（ SBD） 、超快恢复二极管（ SRD） 、瞬态电压抑制器（ TVS） 、压敏电阻器（ VSR） 、熔断电阻器（ FR） 、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（ TL431） 、电磁干扰滤波器（ EMI ） 、高导磁率磁性材料、三重绝缘线、等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。进入 21 世纪，

16、伴随着电力电子技术的飞速发展，开关电源的发展也步入高速阶段。其发展的趋势主要有以下几个方向2：（1）高频率、重量轻和体积小开关电源重量和体积就是其机内组成元器件的体积重量。因此，尽量减小或减少组成开关电源的元器件就可以实现开关电源的体积和质量减少的目的。目前来说，由于电力电子技术的飞速发展，比如电容、二极管、三极管、MOSFET 管等，在保证其性能提高的前提下，其体积越来越小，这也是现在电力电子发展的重要方向。因此开关电源的体积和质量不断地减小。一般来说，频率的提高不仅仅可以使你所选元器件的体积减小，而且可以大幅提高系统的工作性能。如今电气发展迅猛，逐渐趋向于智能化，因此，开关电源是必不可少的

17、3。比如手机的移动电源、笔记本的充电器、甚至电动车的电源设备等等。（2）高效率和可靠性高开关电源相对于早些时间的线性电源来说，其组成的元器件比较少，单从这方面讲就可以提高开关电源的稳定性，可靠性。另一方面，组成开关电源的元器件是有寿命的，例如二极管、电容、三极管，它们有一定的使用期限，也就是和人一样，它们是有寿命的，减少开关电源的元器件就可以尽可能的提高开关电源的使用寿命，避免了因为元器件的繁多以及集成电路的复杂导致某一个器件烧坏而降低开关电源的寿命。另外，努力提高开关电源的工作效率，一方面可以减少电能的流失，提高电能利用率。另一方面，降低了开关电源的损耗，减少了电源的发热量，并且提高了开关电

18、源的可靠性。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）3（3）降低噪声和提高动态响应噪声大成为开关电源的一个不足之处。开关电源的工作频率的提高确实是开关电源的一大发展方向，可是开关电源的噪声随之增大也伴随着发生。因此，设计中可以根据具体情况，具体的设计要求，电路环境等因素设计去噪音的有效电路。因此，降低开关电源的噪声干扰技术的研究和发展即是重点又是难点。开关电源中高频二极管、

19、MOSFET 管、 IGBT管的使用可以有效的提高开关电源的动态性能，所以高频二极管、MOSFET 管、IGBT 管等电力电子设备的改进刺激着开关电源的发展。（4）数字化如今，电力设备也逐渐的智能化， 开始走进人们的生活， 例如智能电视，智能冰箱等。智能化的发展离不开数字化做依托，所以电力产品也逐步数字化。模拟信号作为控制部分的传统的电子电路逐渐被抛弃，取而代之的是数字信号的引入，随着数字信号处理技术的日趋完善，数字信号和数字电路也显得越来越重要。目前而言，数字电源的发展还不是很成熟，仅仅占整个开关电源的很小一部分，但是数字开关电源具有传统模拟开关电源所不具备的适应性与灵活性， 受到各行各业的

20、关注因此， 开关电源的数字化是未来的发展趋势，也是开关电源的主要研究方向之一4,5,6。（5）高度集成化近 20 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元制电路实现集成化。1997年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路。90 年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ 的高速 PM、 PFM （脉冲频率调制）芯片，典型的产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中小功率开关电源实现单片集成化，如将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中7。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

21、- - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）42 开关电源的工作原理及分类2. 1 开关电源的工作原理开关电源是把市电的交流输入电压转化为各种电力电子设备工作时所用的直流电的装置。它的工作原理：输入的交流市电经过整流和滤波后转变为含有一定脉动成分的直流高压电；然后再通过控制功率变换器中的功率关管的导通和截止时间以及高频变压器的作用，转变成高频脉冲电压；高频脉冲电压经过输出端的整流和滤波电路转变成为稳定的直流电压，最后再通过稳压电路进一步稳压并输出给负载。开关电源系统的

22、典型工作电路框图如2-1 图所示，主要由四部分组成：输入电路，功率变换电路，输出电路和控制电路8。每个部分的组成和功能为：图 2- 1 开关电源系统的典型工作电路框图(1) 输入电路：输入端的保护电路由保险丝和压敏电阻组成。保险丝可以在电路发生故障或出现异常时，当电流升高到限定范围值时，自身熔断以切断电流的通路，从而保护电路的安全运行；压敏电阻用来吸收从电网内窜入的浪涌电压，对电路进行过压保护。滤波电路由安规电容和共模捉流圈组成，对电路工作过程中产生的串模干扰和共模干扰起到抑制作用。一次侧输入整流电路利用二极管的单向导电性能，可以把经过滤波后的高频交流电压转换为含有较小交流分量的直流电压。(2

23、) 功率变换电路：由功率开关管和高频变压器组成，是开关电源最重要的部分。该电路用于把流经一次整流滤波后的直流高压转变成高频率的脉冲电压，然后经过变压器再转名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）5换为满足设计要求的隔离输出交流电压。(3) 控制电路：由反馈电路，开关电源专用控制芯片和保护电路组成。反馈电路把反馈绕组上的取样电压与基准电压进行比较后产生的误差信号送入控制芯片，通

24、过芯片内部电路产生的占空比波形来改变功率开关管在一个周期内的导通时间和关断时间的比率，来达到稳压的目的。在开关电源工作过程中，若电路出现异常或者各项参数超过设计限定值时，保护电路会将保护信号送到控制器使开关电源暂停或停止工作来保护器件。(4) 输出电路：由整流电路和滤波电路组成，将高频脉冲电压整流滤波为满足输出标准的直 流电，与输入整流滤波电路工作原理相同。2. 2 开关电源的设计指标在进行开关电源设计时 , 为了使设计的电源能够满足使用要求, 需要收集好电源的各项技术指标 , 如电源的工作环境 , 输入输出参数等。根据指标要求设计的开关电源需提供两路直流电压输出 : 两路分别为 +12V、+

25、5V 共地直流电压。根据设计目的，要求开关电源的性能指标如下 : (1) 输入电压参数 : 市电 220V；(2) 输入交流电压范围 : 85V265V；(3) 输入电压频率 : 50Hz；(4) 效率 ?: 85%；(5) 输出电压 / 电流参数 :+5V/ 2A，+12V/ 0. 5A；(6) 输出电压准确度 : 3%；(7) 纹波系数 : 1%。2. 3 开关电源的调节方式2. 2. 1 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（ PWM）是在频率一定的情况下，通过改变占空比来控制输出的一种调制方式。所谓占空比就是元器件导通时间占整个工作周期的比重。脉冲宽度调制器的频率是可以调节的，一般通过其内部结构产

26、生频率一定的震荡波形，从而确定工作频率。更重要的一点是，脉冲宽度调制配备反馈环节，输出的电压值会被反馈到脉冲宽度调制器，进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）6行比较、 分析， 进而调节，确保输出稳定可靠地电压值。 脉冲宽度调制电路一般应用DC- AC，DC-DC 的电路中9。2. 2. 2 脉冲频率调制 ( PFM) 脉冲频率调制 PFM( PulseFrequenc

27、yModulation ) 不同于脉冲宽度调制，它是通过改变工作电路的工作频率从而引起内部变化进而调节输出的一种调制方式。该调制方式在低负载时的效率相比于其他调制方式要高，并且PWM 中含有误差放大器，所以相对于PWM，PFM 具有较快的响应速度。但是高负载时转换效率并不理想，较PWM 要差。除此之外，脉冲频率调制滤波非常困难10。2. 2. 3 混合的调制方式混合调制方式， PFM- PWM- PSM 结合的方式， 这种调制方式比较灵活， 因为设计者可以根据电路中负载值得不同而选择不同的调制方式。并且设计者可以根据各种调制方式的优缺点来结合，从而达到最佳的工作方式。但是，混合调制方式的工作电

28、路比较复杂，这样增加了设计的难度，对设计者的要求也相应的提高了11。2. 4 开关电源分类随着科技的进步，电力电子技术向着多元化的发展，电力电子产品也变得多种多样。伴随着，电力电子设备所需求的电压范围也变得越来越宽，比如一些数字电路中要求的电压就比较小， 一般在 10V 以下；一些模拟电路中所需的电压一般在10V 以上；还有一些大型的用电设备所需的电压可以达到1000V 甚至更高。所以电源装置的设计就必须跟上步伐，以满足各方面的需求。实现电能的转换，电压的改变有两种方法：线性电源和开关电源。220VVre+-名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

29、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）7图 2- 2 线性电源线性电源如图2-2，电路包括工频变压器、整流滤波电路、稳压电路。首先工频变压器为输入电压降压，然后经过整流滤波电路，去除滤波并输出直流电，最后由稳压电路线性调节，输出稳定电压。线性电源的调整管工作在放大区，因此发热多，效率小（35%左右） ，需要加体积庞大的散热片，并且还要配上大体积的工频变压器。开关电源的开关管工作在饱和和截至区， 所以发热量少， 效率大（75%以上）并且省掉了体积很大的变压器

30、。但是线性电源纹波小。所以开关电源很好的适用于那些对电源的效率和安装的体积有规定的环境，而对电磁干扰和电源纯净性有规定的环境（如电容漏电检测）多选择线性电源。开关电源可以分为隔离式和非隔离式两种，下面着重介绍开关电源的分类12,13。2. 4. 1 非隔离式开关电源非隔离式开关电源的电路结构比较简单，主要由电感、电容、晶体管、电阻等小元器件组成。通过改变开关管的占空比来改变输出电压的大小，最基本的四种电路拓扑结构如下。一、Buck（StepDown）变换器Buck 变换器又被叫做降压变换器。 电路包括电源电压， 占空比已知且一定的晶体管Q，电感线圈 L，二极管 D1，负载 R 和电容 C 组成

31、，通过控制晶体管的占空比，从而实现将输入电压降压的功能14。电路结构图如图2-3 所示：图 2- 3Buck 降压电路Buck 变换器工作过程：开关管Q 导通时，电感L 上通过的电流Li在没有达到饱和状态之前，将会线性的增加，且值与输入电流is 相同；负载 R 上流过的电流值大小为oi，R两端输出电压值为Vo。当oiLi时，电容 C 处于充电状态， 此时二极管 D1 的工作电压为上名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 43 页 - - - - - - - -

32、- 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）8正下负，被反向截止。开关管Q 截止时，为了保持电感电流Li值保持不变，通过L 中磁场的作用，线圈 L 两端的电压极性被改变。当LiVref，误差放大器输出电压升高，致使VT 的输出电压降低，即V0。反之，V0VREFVREFVref误差放大器输出电压降低VT 的输出电压升高 V0。最终使 V0趋于稳定，达到了稳压目的，此时VREF=Vref。图 3 -4 TL431 等效电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共

33、 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）214 开关电源电路设计4.1EMI 滤波器设计在开关电源的输入端设置EMI 滤波器能在够有效地滤除来自电网的尖峰干扰，同时也能防止频率很高的高次谐波分量扩散到电网从而污染电网，这些高次谐波是开关电源工作时产生的24。4. 2. 1EMI 电路分析EMI 直译是是“电磁干扰”，是指电子设备（干扰源）通过电磁波对其他电子设备产生干扰的现象。它主要有两种类型：传导干扰和辐射干扰。电子设备或系统在复杂的电磁环境中应具备彼此兼容的能力，就是说互相不产生干扰的各自工作。电源产生的噪声就是一种电磁干扰 EMI ，它

34、传导噪声的频率大致为10KHz30MKHZ ，最高时能够到达150MHz25。本设计采用的 EMI 滤波电路如图所示：图 4-1EMI 滤波电路4.2.2 电路 EMI 滤波器参数设置EMI 滤波器作为降低电磁干扰的一种经常釆用的装置，和一般的滤波器有一定的不同，其性能指标和参数有特定的选择和计算方法26。 根据设计需要选用图4-1 所示的电路结构，具体参数取值如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大

35、学机电工程学院本科毕业设计（论文）22(1) CX01、CX02：抗差模干扰元件，称为X 电容，属于安规电容。 X 电容有三种类型：X1、X2 和 X3，不同类型的 X 电容耐高压的数值不同。在关电源中经常采用的是X2电容，它的耐高压值不大于2.5kV，电容大小在 10nF470nF 之间。本设计选用聚酯薄膜类电容，体积虽然相对较大，但它允许瞬间充放电的电流比较大，并且内阻比较小。本设计选用的 X 电容参数为 100nF。(2) C7、C8：抗共模干扰的元件， 是 Y 电容，属于安规电容。 根据额定电压值的不同，Y 电容可分为四类： Y1、Y2、Y3 和 Y4，开关电源中经常采用的是Y1 类电

36、容和 Y2 类电容。把 C7 和 C8 跨接在输入端电路两端， 并且将两个电容器连线的中点接地，这样能够对电路中产生的共模干扰有很好的抑制效果。在本次设计中选择了陶瓷电容，容量范围在2. 2nF100nF之间。为了减小漏电流值， 电容容量不能超过100nF， 本设计选择参数为10nF的 Y 电容。(3) L01：共模电感，它的作用是用来滤除电路产生的共模噪声干扰。它的结构是在一个闭合磁环上对称的绕制了两个线圈，这两个线圈的匝数相等，方向相反；当带有共模噪声的电流流经这两个绕组的时候电流的方向是相同的，那么它们产生的磁通量就会同向相加，这个时候共模电感的线圈呈现出高阻抗的性质，这样就会使得共模的

37、信号不容易通过，从而达到抑制目的。在电路设计中，共模电感通常在5mH- 33mH 之间取值。本设计取的值是 6mH。4. 2 开关电源的高频变压器设计开关电源中的高频脉冲变压器的实质同耦合电感相同，它具有变压，电气隔离，磁耦合传送能量等作用，是开关电源中的核心元器件，它的性能的好坏对整个开关电源设计能否成功至关重要27。高频变压器的设计主要包括磁芯的选择（保证满足要求的功率转换）、匝数比、初级线圈匝数、次级线圈匝数、线径等参数的确定。复杂的电路中还应该考虑相应的损耗，包括铜耗、磁滞损耗等。因此要设计出高效的变压器必须综合考虑，并且进行严格的计算28-30。4.2.1 估算输出功率和输入功率根据

38、设计指标要求，计算总的输出功率P0：20112 0.55216oioiiPV IW公式（ 4-1）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 27 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）23设计的开关电源有两路输出，考虑输出整流二极管上存在正向压降及留有一定裕量，输出功率 P0=20W。根据输出功率 P0和效率 ?，计算输入功率 Pin: 02023.530.85inPP公式（ 4-2）4.2.2确定最小和最大直流输入电

39、压值和电流值输入交流电经过整流桥后，输出侧的最小和最大直流电压由下式计算得出：240193.35in minACminVVV公式（ 4-3）22652374.77in maxACmaxVVV公式（ 4-4）直流电压与整流器的电压降，储能电容的等效阻抗值，整流器的电压降，电源线路中的阻抗，以及负载的大小均有关系。在计算最小输入直流电压时减去的40V 为经验取值。根据计算的最小和最大直流输入电压值，可以计算出输入电流的最小和最大值，如下式所示：23.530.06374.77ininmininmaxPIAV公式（ 4-5）23.530.12193.35ininmininmaxPIAV公式（ 4-6）

40、4.2.3验证磁芯的合理性这里采用Ap值法进行验证，即AwAeAp，Aw是磁芯窗口面积，Ae是磁芯有效截面积。)(1044maxcmjkfBPKAwW eApmoT公式（ 4-7）取变压器原副边导线的电流密度J=400A/2cm、变压器的效率 为0. 9、变压器的窗口系数 K=0. 4，式中 KT为电路拓扑系数。计算公式为4212maxmaxDDKT公式（ 4-8）代入数据得：9.59.04004.0102516.01050068.034AwW eAp名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

41、- - - 第 28 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）24查询变压器磁芯数据参数表， EE55铁氧体磁芯的磁芯截面积Ae=3. 54cm2，窗口截面积Aw =2. 8cm2，则其功率容量积：4912.98.254.3*cmAcAwAp公式（ 4-9）由上式计算可得：选取EE55铁氧体磁芯满足设计要求。4.2.4绕组匝数的计算计算公式如下：DUUUNpNsUoDonQonDC22公式（ 4-10）化简公式得：maxminmaxmax22DUUDUUNpNsQonDCDono公式（ 4-11）本设计中选择最大占空比为0. 48，由于

42、 MOSFET 管有压降需要考虑，通过查阅资料，取压降为 1. 3V，整流二极管的压降为 20. 7V，输出电压为 12V。代入上式得：59.4PSNNN公式（ 4-12）初级线圈的匝数：emoninABTUNp2maxmin公式（ 4-13）式中 Vin为输入电压最小值， D 为占空比取 0. 48， Bm为最大磁感应强度这里取0. 15，f为工作频率，其值为 20KHz，代入数据得：7.2102024.054.396.0123PN这里选取的初级线圈的匝数是3匝，Np=N1=N2=3，因此可以得出如下结果：77.1359.43PNNNs公式（ 4-14）为了留有一定的裕量，这里取Ns 为15

43、匝。4.2.5线圈导线截面积的计算求导线截面积的公式：JISii公式（ 4-15）式中iS为变压器各绕组铜导线的截面积，iI为各绕组中的平均电流， J是电流密度。代入数据得初级线圈导线截面积为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 29 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）252001.04004cmSi次级线圈中导线的截面积：2005.04002cmSi4. 3 保护电路和输入端整流电路设计4. 3. 1 输入

44、端保护电路设计开关电源的输入端保护电路的设计是设备安全、可靠工作的重要因素。本设计采用的保护电路如图 4- 2 所示：图 4- 2输入端保护电路在保护电路模块的设计过程中需要选用多种安全元件, 它们的作用分别为： FUSE，熔断保险丝； RT，热敏电阻器； RV，压敏电阻，具有负温度系数。根据设计需要，本设计选用上图结构，保险丝FUSE 参数 2A/ 250V，过流保护； RV 选 择参数为 10D/ 560V 的压敏电阻，用它来抑制瞬态电压。热敏电阻RT 串联在共模电感后面，位置如图4- 2 所示，选用 NTC10D- 9，它起到软启动的作用，这是为了防止在电源刚通电瞬间，因瞬时充电电流过大

45、而导致输入电容损坏31。4. 3. 2 输入端整流电路设计整流电路的作用是把输入的交流电转变为脉动的直流电压，它的原理是利用二极管的单向导电性来实现。隔离式开关电源多釆用桥式整流电路，这种电路是将四只整流二极管互相连接成桥式的结构，依据二极管单向导电的特性，整流二极管在正弦波的正负周期内名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 30 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）26两两交替导通，这样就会使整流桥的输出端输出一

46、个单向的脉动电压；最后再经滤波电容滤波就能顾得到较为平滑的直流电压。本设计选用成品的整流桥KBP210，它是由四个整流二极管塑封而成，并有四个引出端，其中为两个交流输入端，两个直流输出端。原理图如图 4-3 所示。图 4- 3输入端整流电路整流桥的主要参数有额定电流有效值IBR (A)， 反向击穿电压 VBR (V)， 正向压降 VF(V)，以及初级纹波电流IR(mA)，平均整流电流Id(A)等。根据相关文献，整流桥的参数VBR应该符合以下方程式32: V1.252BRAC maxV公式（ 4-16）本设计的开关电源最大输入交流电压为265V，根据公式 (4- 16) 有:V1.252 265

47、468.46BR，那么可以得出在设计过程中应该选择耐压值大于等于468V的整流桥。对于整流桥的电流额定数值，则要求BRI2aveI，Iave为平均输入电流，那么就有: 0avein minPIV公式（ 4-17）其中 P0为 50W，效率 取 0. 85，Vinmin为 193. 35V 带入式 (4-17)则有:500.304A0.85193.35aveI，因此应该选则电流额定数值大于0. 6A 的整流桥。根据计算结果并考虑要留有一定裕量的原则, 本设计选取了 KBP210，其电流额定值为2A，最大反向电压为 1000V。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

48、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 31 页，共 43 页 - - - - - - - - - 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）274. 4 反馈电路设计为了使关电源变换器能够在外接的各种负载、内部电路参数或输入电压值发生变化时及时的调节占空比的大小，那么就需要对输出的变量采用反馈控制的方式。本次设计使用PWM 脉冲宽度调制的方式来保证输出电压的稳定。这种调制方式分为电流型控制方式和电压型控制方式33。4. 4. 1 电压反馈控制方式和电流反馈控制方式比较电压型反馈控制方式的电路结构较简单，它仅有一条控制环路， 并且抗干扰能力较

49、强。但是这种反馈控制方式对输入电压变化的动态响应较慢，在输入电压或负载电流发生变化的时候，它必须等到负载电压也发生相应变化时才能响应，这种等待或者说延迟特性会对变换器的稳压性能产生比较大的影响34。电流型控制方式相对于电压控制方式来说具有更好的电压调整率和负载调整率，这种反馈控制方式对负载变化和输入电压的动态响应比较迅速，易实现过流或限流保护，这样使系统的稳定性和动态性有显著提高。单端反激式开关电源在开关管导通的时候，电感电流的变化率比较大，所以使用电流型反馈控制方式更有优势。4. 4. 2 电流型反馈控制方式的电路设计伴随着电源技术的飞速发展，使得开关电源的反馈控制电路结构多种多样，但就目前

50、的市场环境来看，开关电源绝大部分都是使用光电耦合器和精密稳压管彼此配合着进行工作的方式。大体的工作过程是： 主输出电压传导向精密稳压管， 然后同基准电压进行比较，再将比较后的误差放大，最后输入到光电耦合器的机内发光二极管的阴极，发光耦合器发光的强度随着比较端输入电压的大小变化而变化；光电耦合器内部有一个三极管，这个三极管的导通电流跟着感光部分得到的基极电流大小变化而发生改变，从而来控制电流模式的 PWM 控制器，以此来保持输出电压的稳定35。本设计的反馈控制方式采用的是光耦EL817 元件和三端可调分流基准源TL413 元件彼此配合的脉冲宽度调制型电流调节方式。经过参考、隔离、取样和放大过程，