Xx大学机电工程学院
Mechanical ＆Electronic Engineering Department
开关电源技术原理及应用设计报告
说明书
设计题目：开关电源的设计与实现
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开关电源的设计与实现
摘要：
本文通过对日常生活中用到的开关电源，进行了比较详细的描述和说明，也就相关制作问题进行了描述。再根据开关电源的理论、电路分析、及变压器的基础，从电路工作的角度分析了开关电源的工作原理，制作了一种比较简单，工作可靠，且适用于目前生活中常用的开关电源。这个设计的主要特点是稳压开关电源，设计中运用了开关电源中的整流、滤波、变压、过压保护等设计。最后按照电路图焊接元件，当接入220V的交流电时，负载所接的灯泡亮。
关键字：开关电源脉宽调制变压器
Design and Realization of Switching Power Supply Abstract:
Based on the switching power supply used in daily life, for a more detailed description and explanation, also making the problem is described. According to the theory of switching power supply, circuit analysis, and the transformer, the-working principle of switching power supply circuit from the angle of the work,making a relatively simple, reliable, and suitable for the switch power supply in life. This design is the main characteristics of switching power supply, use in the design of rectifier, filter, transformer, overvoltage protection design of switch power supply. The final element welding according to the circuit diagram, when the access 220V alternating current, load the light bulb.
Key words：switching power supply PWM transformer
目录
一、开关电源介绍 (1)
1.开关电源的发展 (1)
2.基本工作原理 (1)
3.关键技术 (2)
3.1功率因数校正技术 (2)
3.2软件开关技术 (2)
4.开关电源基本构成 (2)
4.1输入电路 (3)
4.2变换电 (3)
4.3控制电路 (4)
4.4输出电路 (4)
二、开关电源制作 (4)
1.桥式整流 (4)
2.滤波器 (5)
2.1滤波器的作用 (5)
2.2滤波器的工作原理 (5)
3.双向触发二极管 (5)
4.变压器的构造和原理 (6)
5.三极管开关管 (7)
6.开关电源电路图制作 (8)
6.1主电路 (8)
6.2控制电路 (8)
6.3检测电路 (8)
三、结论 (9)
四、遇到的问题和困难 (9)
一、开关电源介绍
1.开关电源的发展
开关电源的发展目前是具有小型化、高智能化、电池管理、多功能性和软开关变换电路。
小型化，随着小型化开关电源的市场迅速扩大，一些小功率模块插件形式的开关电源将应运而生，大有蓬勃发展之势。如中兴通讯公司的ZXDU45嵌入式电源，功能齐全，使用起来极为安全方便。
高智能化，开关电源在通信领域多方面的广泛使用，需要在原有监控功能的基础上增加诊断功能（即故障诊断专家系统），这是一个具有专家的知识和经验水平、能指导维护人员处理问题的系统，它可以使维护人员及时发现、诊断和处理电源故障。
电池管理，开关电源应具备完善的电池管理功能，不仅要对电池的均/浮充、温度补偿、电池保护等方面进行管理，还要在电池的充放电曲线、容量测试、容量恢复等方面进行高层次的管理。
多功能性，开关电源的设计应具有更大的灵活性和自由度，功能强大，以满足不同设备、用户和环境对供电的要求。而实现某一功能是通过安装电路板（或功能块）来完成的，类似于计算机的硬件扩充，如需要上网，只要安装网卡即可完成。
软开关变换电路，在软开关变换电路中，开关器件在理论上开关损耗为零，不受频率升高的限制，但到目前为止，软开关变换电路仍存在一些有待解决的问题，如电路工作在高频下，开关管需要更高的耐压和更大的散耗功率。因此，软开关变换电路仍是新一代变换电路的发展主流。软开关变换电路的最新发展是零开关变换和零转换变换等。
开关电源体积小、重量轻、变换效率高,因此广泛应用于各种电子设备中.目前,各国正在努力开发新器件、新材料以及改进装连方法,进一步提高效率,缩小体积,降低价格,以解决开关电源面临的新课题,即环境适配性包括噪声与谐波等的电磁适配性,以及同人类之间的安全适配性等。
2.基本工作原理
开关电源种类较多，虽然其原理有所不同，但基本工作原理是相似的。图1-1所示为一
种开关电源的原理，开关S周期性地通断。在开关S接通时。输入电源U
i 供给负载R
L
功率；
开关S断开时，输入电源停止向负载供电。因此，输入电源间断向负载供电，为使负载能够
连续得到能量，开关电源中必须有储能元件，图1-1中电感L就是储能元件。在开关S接通时，电感L中存储以部分能量，而在开关S断开时，电感L中的存储能量通过二极管VD形成的放电回路，释放给负载及通过电容储能，则负载就得到
3.关键技术
3.1功率因数校正技术
由于开关电源前级整流--滤波电路使电网的电流波形畸变，谐波含量增大，使得输入端功率因数下降，电能利用率降低，污染了电网环境，降低了运行可靠性。为了减少开关电源对电网产生的谐波“污染”，提倡“绿色电源”，因而引出了功率因数校正技术：三相三线制整流（即无中线整流方式）可使谐波含量大大降低，功率因数可达 0.86以上；无源功率因数校正技术（即在三相三线整流方式下加入一定的电感）可使功率因数达0.93以上，谐波含量降到10%以下；有源功率因数校正技术（即在输入整流部分加入一级功率处理电路）使无功功率几乎为0，功率因数可达0.99以上，谐波含量降到5%以下。
3.2软件开关技术
DC/DC变换器是去掉开关电源的输入电路及部分输出整流器件，形成简单的DC/DC转换模块。这类器件目前取得了较大范围的应用，使得用户可以简单地构件自己的电源系统。
这种器件的研发，成为开关电源的一个重要分支。是开关电源的主要组成部分，因此功率变换技术一直受到业界的关注。在经过了硬开关PWM（或脉频PFM）技术后，软开关技术得到了广泛的应用。这样能够极大地降低开关损耗，减小功率器件的电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度。
软开关技术实际上是利用电容与电感的谐振，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。在开关变换时，LC谐振被迫将开关上的电流或电压迅速变为零，从而使开关变成零电压开关或零电流开关。软开关的开通、关断损耗理想值为零，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。
相对于软开关，普通开关电源的转换器也叫硬开关。
按控制方式，软开关可以分为：脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）、混合调制三种。
4.开关电源基本构成
开关电源是采用开关元件的周期性通断开关工作，控制开关元件的占空比（通断时间之比）来调整输出电压。这种开关元件是由功率半导体器件来承担的。DC/DC变换器用来进行功率变换，它是开关电源的核心部分，此外，还包含过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路的作用是检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差电压通过误差放大器进行放大，控制PWN脉宽调整电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间比（占空比），从而改变输出电压或电流的大小。
开关电源的控制结构
一般地，开关电源大致由输入电路、变换电路、控制电路、输出电路四个主体组成。
如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、变压器、采样、比较放大、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。
实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。
根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。这里是典型的PWM结构。
4.1输入电路
滤波电路、整流电路。作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。
（1）滤波电路：抑制谐波和噪声。
（2）整流电路：把交流变为直流。
有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。
4.2变换电
路含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出，这一级的开关功率管是其核心器件。
（1）开关电路
驱动方式：自激式、他激式。
变换电路：隔离型、非隔离型、谐振型。
调制方式：PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。
（2）变压器输出
分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。
4.3控制电路
向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。
（1）采样电路：采取输出电压的全部或部分。
（2）比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。
（3）V/F变换：把误差电压信号转换为频率信号。
（4）振荡器：产生高频振荡波。
（5）基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。
4.4输出电路
整流、滤波。把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
二、开关电源制作
开关电源的电路设计的材料的选择：桥式整流、滤波器、双向触发二极管、变压器的构造和原理、三极管开关管。
1.桥式整流
所谓桥式整流电路，就是用四个二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载电阻R L、D3构成一个回路（图3-1中虚线所示），输出电压V o=v i-V D1-V D3。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻R L、D4构成一个回路，输出电压V
=v i-V D2-V D4。图3-1滤波电容的工作状态。
o
由上述分析可知，二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。与半波整流输出电压有效值计算相类似，可以得到桥式整流输出电压有效值V o rsm=0.9U rs m。
通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：
（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。
（2）桥式整流电路的交流利用率为100%。
（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。
（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
2.滤波器
2.1滤波器的作用
（1）将有用的信号与噪声分离，提高信号的抗干扰性及信噪比；
（2）滤掉不感兴趣的频率成分，提高分析精度；
（3）从复杂频率成分中分离出单一的频率分量。
2.2滤波器的工作原理
低通滤波器的基本电路特点是只允许低于截止频率的信号通过。低通滤波器容许低频信号通过,但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acoustic barriers）、图像模糊处理等等。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（moving average)所起的作用；这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。
高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。
低通和高通滤波器之间的对偶关系
(1)幅频特性的对偶关系
当低通滤波器和高通滤波器的通带增益A0、截止频率或f0分别相等时，两者的幅频特性曲线相对于垂直线f=f0对称。
(2)电路结构上的对偶关系
将低通滤波器中的起滤波作用的电容C换成电阻R，并将起滤波作用的电阻R换成电容C，则低通滤波器转化为对应的高通滤波器
3.双向触发二极管
双向触发二极管实际上是一种电压控制元件，一般的它们都有一个触发电压，当两端电压低于这个触发电压的时候，二极管是截至的（开路状态），当电压达到触发电压的时候，二极管瞬间导通，将电压输出，驱动后续电路。
它属于三层构造、具有对称性的二端半导体器件，可等效于基极开路、发射极与集电极对称的 NPN晶体管。其正、反向伏安特性完全对称，见图 3-5。当器件两端的电压 V小于正向转折电压 V（BO）时，呈高阻态，当 V＞ V（BO）时进入负阻区。同样，当 V超过反向
转折电压 V（BR）时，管子也能进入负阻区。转折电压的对称性用ΔV（B）表示，ΔV（B）=V（BO）-V（ BR）。一般要求ΔV（B）＜ 2V。双向触发二极管的耐压值V（BO）大致分 3个等级：20～ 60V，100～ 150V，200～250V。
4.变压器的构造和原理
变压器原理是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
（1）变压器的构造
原线圈、副线圈、铁芯
（2）变压器的工作原理
在原、副线圈上由于有交变电流而发生的互相感应现象，叫做互感现象，互感现象是变压器工作的基础。
（3）理想变压器
磁通量全部集中在铁芯内，变压器没有能量损失，输入功率等于输出功率。
（4）理想变压器电压跟匝数的关系：
U 1/U
2
= n
1
/n
2
对理想变压器各线圈上电压与匝数成正比的关系，不仅适用于原、副圈只有
一个的情况，而且适用于多个副线圈的情况。这是因为理想变压器的磁通量全部集中在铁芯内。因此穿过每匝线圈的磁通量的变化率是相同的，每匝线圈产生相同的电动势，因此每组线圈的电动势与匝数成正比。在线圈内阻不计的情况下，每组线圈两端的电压即等于电动势，故每组电压都与匝数成正比。
（5）理想变压器电流跟匝数的关系
I 1/I
2
= n
2/
n
1
（适用于只有一个副线圈的变压器）原副线圈电流和匝数成反比的关系只适
用于原副线圈各有一个的情况，一旦有多个副线圈时，反比关系即不适用了，可根据输入功
率与输出功率相等的关系推导出：U
1I
1
= U
2
I
2
+ U
3
I
3
+U
4
I
4
+……再根据U
2
= U
1
U
3
= U
1
U
4
= U
1
……
可得出： n
1I
1
=n
2
I
2
+ n
3
I
3
+ n
4
I
4
+……
（6）电源变压器的特性参数
工作频率：变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。
额定功率：在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。
额定电压：指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。
电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。
空载电流：变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。
空载损耗：指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。
效率：指次级功率P
2与初级功率P
1
比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就
愈高。
绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。
5.三极管开关管
三极管的工作原理：三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB, Δ表示变化量），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。
通常三极管是作为放大器使用，但三极管也可以作为开关管，只是在开关电路中让三极管工作在饱和区或截止区。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要
工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。
三极管NPN/PNP的选择：
（1）如果输入一个高电平，而输出需要一个低电平时，首选择NPN。
（2）如果输入一个低电平，而输出需要一个低电平时，首选择PNP。
（3）如果输入一个低电平，而输出需要一个高电平时，首选择NPN。
（4）如果输入一个高电平，而输出需要一个高电平时，首选择PNP。
6.开关电源电路图制作
设计开关电源，最关键的有三个方面：一是主电路的选择；二是控制电路的设计；三是检测电路的设计
6.1主电路
从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
（1）输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
（2）整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
（3）逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
（4）输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
选择由四个二极管组合在一起的桥式整流，把输入的220V的交流电转换成直流电，同时在桥式整流器上安装一个电容，滤除输入交流电中的直流分量。在整流电路中,由于整流元件反向电阻不是无限大，所以在整流后会有交流成份，这些交流成份会对电子线路有干扰.滤波器就是根据电容通交流阻直流的作用,将整流输出的交流成份用电容器短路,使输出的直流平稳。双向触发二极管在电路中是过压保护。
6.2控制电路
一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施
控制电路由二个三极管组成的开关管，通过三极管工作在饱和区和截止区去工作。输出
部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。
6.3检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。选择双向触发二极管来对电路起到过压保护。
三、结论
现在的开关电源越来越小型化、集成化，很多的功能都集成在一个很小的芯片上，使用很方便。在本开关电源设计中，输入220V交流电，经过整流、滤波，变成220V的直流电，在经过变压器的变压产生高频电流，使二个三极管产生反馈电压，交替导通工作，最终再经过变压产生输出为25W的功率电压。虽然设计能很好的实现，但仍还存在很多的不足，还有很多新型技术未用到。
25W开关电源的设计，需要注意的是输出的最大功率是25W，所接的负载不能超过这个功率。同时要注意的是安全问题，因为输入的电压是220V的电压，所完成的设计实体没有进行完全封装。
四、遇到的问题和困难
从做设计开始，都是一边学一边摸索一边做，从开始对电源理论的一知半解，到现在对开关电源熟悉，以及对电源设计的不断修改，当中遇到过很多问题。
刚开始设计时，并没有想到要在设计中要自己缠绕线圈做变压器的情况，只想着在外面能买到现成的磁芯变压器，简单一点就好，但在设计一步一步进入尾声，在布线和放元件的时候出现了问题，去卖电子元件的小店问到没有我需要的变压器，这种变压器只有自己饶，一般没有人工饶的磁芯变压器，人工饶的出现的误差太大，变压器线圈都是机器饶的。
为了完成设计，我试了试自己动手饶的变压器焊接在万用板上，在接入电流时，烧坏了保护电阻。这个保护电阻当时在买元件时，卖元件的老板说可以不用，但我加上了，结果很好的起到了保护作用。在无法找到合适的变压器时，经过查找和咨询，我用开关电位器代替变压器完成了设计。
现代电源技术课程实践报告 院系：物理与电气工程学院 班级：电气自动化一班 姓名: 李向伟 学号: 111101007 指导老师:苗风东
一、设计要求 （1）输入电压：AC220±10%V （2）输出电压: 12V （3）输出功率:12W （4）开关频率: 80kHz 二、反激稳压电源的工作原理
图2-1 反激稳压电源的电路图 三、 反激电路主电路设计 (1)(1)Np Vdc Ton Vo Tr Nsm -=+ （3-1） 1. 反激变压器主电路工作原理 反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM 模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM
模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计. 1）工作过程： S 开通后，VD 处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S 关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD 向输出端释放。 反激电路的工作模式： 反激电路的理想化波形 S u S i S i V D t o t o ff t t t t U i O O O O 反激电路原理图
1开关电源主电路设计 1.1主电路拓扑结构选择 由于本设计的要求为输入电压176-264 V 交流电，输出为24V 直流电,因此中间需要将输入侧的交流电转换为直流电，考虑采用两级电路。前级电路可以选用含电容滤波的单相不可控整流电路对电能进行转换，后级由隔离型全桥Buck 电路构成。总体要求是先将AC176-264V 整流滤波，然后再经过BUCK 电路稳压到24V 。考虑到变换器最大负输出功率为1000W ，因此需采用功率级较高的Buck 电路类型，且必须保证工作在CCM 工作状态下，因此综合考虑，本文采用全桥隔离型Buck 变换器。其主电路拓扑结构如下图所示： 图1-1 主电路拓扑结构 1.2开关电源电路稳态分析 下面将对全桥隔离型BUCK 变换器进行稳态分析，主要是推导前级输出电压g V 与后级输出电压V 之间的关系，为主电路参数的设计提供参考。将前级输出电压g V 代替前级电路，作为后级电路的输入，且后级BUCK 变换器工作在CCM 模式，BUCK 电路中的变压器可以用等效电路代替。 由于全桥隔离型BUCK 变换器中变压器二次侧存在两个引出端，使得后级BUCK 电路的工作频率等同于前级二倍的工作频率，如图1-1所示。在S T 2的工作时间内，总共可分为四种开关阶段，其具体分析过程如下： 1) 当S DT t <<0时，此时1Q 、4Q 和5D 导通，其等效电路图如图1-2所示。
i () t R v i ‘ 图1-2 在S DT t <<0时等效电路 g nv v =s （1-1） v nv v g -L = （1-2） R v i i /-C = （1-3） 2) 当S S T t DT <<时，此时1Q ~4Q 全部关断，6D 和5D 导通，其等效电路图如图1-3 所示。此时前级输出g V 为0，假设磁化电流为0，则流过6D 和5D 电流相等，均为L i 2 1 。。 i () t R i ‘ 图1-3 在S S T t DT <<时等效电路 0=s v （1-4） v v -L = （1-5） R v i i /-C = （1-6） 3) 当S S T D t T ）（ +1<<时，此时2Q 、3Q 和6D 导通，其等效电路图如图1-2所示。
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。
《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。
电子器件的电源测量通常情况是指开关电源的测量（当然还有线性电源）。讲述开关电源的资料非常多，本文讨论的内容为PWM开关电源，而且仅仅是作为测试经验的总结，为大家简述容易引起系统失效的一些因素。因此，在阅读本文之前，已经假定您对于开关电源有一定的了解。 1 开关电源简述 开关电源（Switching Mode Power Supply，常常简化为SMPS），是一种高频电能转换装置。其功能是将电压透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。 开关电源的拓扑指开关电源电路的构成形式。一般是根据输出地线与输入地线有无电气隔离，分为隔离及非隔离变换器。非隔离即输入端与输出端相通，没有隔离措施，常见的DC/DC变换器大多是这种类型。所谓隔离是指输入端与输出端在电路上不是直接联通的，使用隔离变压器通过电磁变换方式进行能量传递，输入端和输出端之间是完全电气隔离的。 对于开关变换器来说，只有三种基本拓扑形式，即： ● Buck（降压） ● Boost（升压） ● Buck-Boost（升降压） 三种基本拓扑形式，是电感的连接方式决定。若电感放置于输出端，则为Buck 拓扑；电感放置于输入端，则是Boost拓扑。当电感连接到地时，就是Buck-Boost拓扑。 2 容易引发系统失效的关键参数测试 以下的测试项目除了是指在静态负载的情况下测试的结果，只有噪声(noise)测试需要用到动态负载。
2.1 Phase点的jitter 图一 对于典型的PWM开关电源，如果phase点jitter太大，通常系统会不稳定（和后面提到的相位裕量相关），对于200~500K的PWM开关电源，典型的jitter 值应该在1ns以下。 2.2 Phase点的塌陷 有时候工程师测量到下面的波形，这是典型的电感饱和的现象。对于经验不够丰富的工程师，往往会忽略掉。电感饱和会让电感值急剧下降，类似于短路了，这样会造成电流的急剧增加，MOS管往往会因为温度的急剧增加而烧毁。这时需要更换饱和电流更大的电感。 图二 2.3 Shoot through测试
《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PCB设计流程及布线技巧在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析： 一、从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数－》输入原理网表-》设计参数设置-》手工布局-》手工布线-》验证设计－》复查-》cam输出。 二、参数设置 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 如图：
三、元器件布局 实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： （1）电源开关交流回路 （2）输出整流交流回路 （3）输入信号源电流回路 （4）输出负载电流回路输入回路 通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回
电源设计心得 Q1：如何来评估一个系统的电源需求 Answer：对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了，对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些。同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。 至于负载瞬态响应能力，对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求，因为当CPU突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多过低，造成CPU运行出错。 一般来说，要求的电源实际值多为标称值的+-5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。 散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要，通过计算也是可以评估是否合适的。 Q2：如何选择合适的电源实现电路 Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标，可以来选择合适的电源实现电路了。一般对于弱电部分，包括了LDO(线性电源转换器)，开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下，LDO设计最易实现，输出纹波小，但缺点是效率有可能不高，发热量大，可提供的电流相较开关电源不大等等。而开关电源电路设计灵活，效率高，但纹波大，实现比较复杂，调试比较烦琐等等Q3：如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数 Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的干扰问题，PCB layout问题，元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用一个开关电源设计还是非常方便的。 一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出
多路输出开关电源的设计及应用原则 引言 对现代电子系统，即便是最简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲，其电源电压一般也要由＋5V，±15V或±12V等多路组成，而对较复杂的电子系统来讲，实际用到的电源电压就更多了。目前主要由下述诸多电压组合而成：＋3.3V，＋5V，±15V，±12V，－5 V，±9V，＋18V，＋24V、＋27V、±60V、＋135V、＋300V、－200V、＋600V、＋1800V、＋3000V、＋5000V（包括一个系统中需求多个上述相同电压供电电源）等。不同的电子系统，不仅对上述各种电压组合有严格的要求，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压精度，电压的负载能力（输出电流），电压的纹波和噪声，起动延迟，上升时间，恢复时间，电压过冲，断电延迟时间，跨步负载响应，跨步线性响应，交叉调整率，交叉干扰等。 2多路输出电源 对于电源应用者来讲，一般都希望其所选择的电源产品为“傻瓜型”的，即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，而各路电源电压依然精确无误。仅就这一点来讲，目前绝大多数的多路输出电源是不尽人意的。为了更进一步说明多路输出电源的特性，首先从图1所示多路输出开关电源框图讲起。
从图1可以看到，真正形成闭环控制的只有主电路Vp，其它Vaux1、Vaux2等辅电路都处在失控之中。从控制理论可知，只有Vp无论输入、输出如何变动（包括电压变动，负载变动等），在闭环的反馈控制作用下都能保证相当高的精度（一般优于0.5％），也就是说Vp在很大程度上只取决于基准电压和采样比例。对Vaux1、Vaux2而言，其精度主要依赖以下几个方面： 1）T1主变器的匝比，这里主要取决于Np1：Np2或Np1：Np3 2）辅助电路的负载情况。 3）主电路的负载情况。 注：如果以上3点设定后，输入电压的变动对辅电路的影响已经很有限了。 在以上3点中，作为一个具体的开关电源变换器，主变压器匝比已经设定，所以影响辅助电路输出电压精度最大的因素为主电路和辅电路的负载情况。在开关电源产品中，有专门的技术指标说明和规范电源的这一特性，即就是交叉负载调整率。为了更好地讲述这一问题，先将交叉负载调整率的测量和计算方法讲述如下。 2.1电源变换器多路输出交叉负载调整率测量与计算步骤 1）测试仪表及设备连接如图2所示。
开关电源设计步骤 步骤1 确定开关电源的基本参数 ① 交流输入电压最小值u min ② 交流输入电压最大值u max ③ 电网频率F l 开关频率f ④ 输出电压V O （V ）：已知 ⑤ 输出功率P O （W ）：已知 ⑥ 电源效率η：一般取80％ ⑦ 损耗分配系数Z ：Z 表示次级损耗与总损耗的比值，Z=0表示全部损耗发生在初级， Z=1表示发生在次级。一般取Z=0.5 步骤2 根据输出要求，选择反馈电路的类型以及反馈电压V FB 步骤3 根据u ，P O 值确定输入滤波电容C IN 、直流输入电压最小值V Imin ① 令整流桥的响应时间tc=3ms ② 根据u ，查处C IN 值 ③ 得到V imin 步骤4 根据u ，确定V OR 、V B ① 根据u 由表查出V OR 、V B 值 ② 由V B 值来选择TVS 步骤5 根据Vimin 和V OR 来确定最大占空比Dmax V OR D m a x = ×100％ V OR +V I m i n －V D S (O N ) ① 设定MOSFET 的导通电压V DS(ON) ② 应在u=umin 时确定Dmax 值，Dmax 随u 升高而减小 步骤6 确定C IN ,V Imin 值
步骤7 确定初级波形的参数 ① 输入电流的平均值I A VG P O I A VG= ηV Imin ② 初级峰值电流I P I A VG I P = (1－0.5K RP )×Dmax ③ 初级脉动电流I R ④ 初级有效值电流I RMS I RMS =I P √D max ×(K RP 2/3－K RP +1) 步骤8 根据电子数据表和所需I P 值 选择TOPSwitch 芯片 ① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10％，所选芯片的极限电流最小值 I LIMIT(min)应满足：0.9 I LIMIT(min)≥I P 步骤9和10 计算芯片结温Tj ① 按下式结算： Tj ＝[I 2RMS ×R DS(ON)+1/2×C XT ×(V Imax +V OR ) 2 f ]×R θ＋25℃ 式中C XT 是漏极电路结点的等效电容，即高频变压器初级绕组分布电容 ② 如果Tj ＞100℃，应选功率较大的芯片 步骤11 验算I P IP=0.9I LIMIT(min) ① 输入新的K RP 且从最小值开始迭代，直到K RP =1 ② 检查I P 值是否符合要求 ③ 迭代K RP =1或I P =0.9I LIMIT(min) 步骤12 计算高频变压器初级电感量L P ，L P 单位为μH 106P O Z(1－η)+ η L P = × I 2P ×K RP (1－K RP /2)f η 步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架，查出以下参数： ① 磁芯有效横截面积Sj （cm 2），即有效磁通面积。 ② 磁芯的有效磁路长度l （cm ） ③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2) ④ 骨架宽带b （mm ） 步骤14 为初级层数d 和次级绕组匝数Ns 赋值 ① 开始时取d ＝2（在整个迭代中使1≤d ≤2） ② 取Ns=1(100V/115V 交流输入)，或Ns=0.6(220V 或宽范围交流输入) ③ Ns=0.6×(V O +V F1) ④ 在使用公式计算时可能需要迭代 步骤15 计算初级绕组匝数Np 和反馈绕组匝数N F ① 设定输出整流管正向压降V F1 ② 设定反馈电路整流管正向压降V F2 ③ 计算N P
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。
电源网讯传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，有效值就越大。这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。 功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。 目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST变换器构成的主电路。而按照输入电流的连续与否，又分为DCM、CRM、CCM模式。DCM模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。C CM模式则相反，输入电流连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。介于DCM和CCM之间的CRM称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通MO S管。这种类型的控制方式，在小功率PFC电路中非常常见。 今天我们主要谈适合大功率场合的CCM模式的功率因数校正电路的设计。 要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W左右的APFC电路来举例： 已知参数： 交流电源的频率fac——50Hz 最低交流电压有效值Umin——85Vac 最高交流电压有效值Umax——265Vac 输出直流电压Udc——400VDC 输出功率Pout——600W 最差状况下满载效率η——92% 开关频率fs——65KHz 输出电压纹波峰峰值Voutp-p——10V 那么我们可以进行如下计算： 1，输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A 2，最大输入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W 3，输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A 4，那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A 5，高频纹波电流取输入电流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A 6，那么输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A 7，那么升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH 8，输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，实际电路中还要考虑hold up时间，所以电容容量可能需要重新按照hold up的时间要求来重新计算。实际的电路中，我用了1320uF，4只330uF的并联。 有了电感量、有了输入电流，我们就可以设计升压电感了！ PFC电路的升压电感的磁芯，我们可以有多种选择：磁粉芯、铁氧体磁芯、开了气隙的非晶/微晶合金磁芯。这几种磁芯是各有优缺点，听我一一道来。
率较大的开关电源一般使用半桥或者全桥变换器拓扑。 2.2.设计原理图，制作PCB印制板 原理图设计时应考虑整体的元件布局，使阅读者一目了然。在PCB印制板设计的过程中要严格按照国家的安全标准进行设计，同时需要重点考虑的噪声干扰包括：EM I 干扰、功率开关管产生的高频噪声。 PCB板的设计过程中应考虑到地线、高压线的电流密度，功率开关管的高频线与其它走线之间的距离，一般不小于3mm，元件的PCB封装与实际生产元件封装一致，以便于生产。元件的放置符合美观、实用的标准；元件与元件之间应紧凑，以提高开关电源的功率密度，降低生产成本（特殊元件除外）。 2.3.变压器的设计 变压器是整个开关电源的核心器件，所以变压器的设计及验证是非常重要的环节。 2.3.1.磁芯和骨架的选择 当我们的电路拓扑选定后，就要确定电路的工作频率和变压器磁芯的尺寸大小，确保在变压器体积最小的情况先获得最大的输出功率。 首先我们确定需要的引脚数，变压器的输出、输入，辅助绕组的引脚来确定骨架的引脚数，输出有单路和多路，变压器一般采用夹绕的方法以增加线圈的耦合度。 其次选择磁芯材料是主要参考材料铁损（单位一般为毫瓦/立方厘米）随频率和峰值磁通密度变化的曲线。大多数变压器的磁芯的材料为铁氧体，因为它有很高的电阻率，所以铁氧体的涡流损耗很低。 2.3.2.根据变压器计算公式计算变压器的初级线圈匝数 变压器初级匝数计算公式： N P =V in（min） ×T on（max） /（ΔB×A e ） N P ：变压器初级线圈的匝数。 V in（min） ：输入直流电压的最小值（V）。 T on（max） ：功率开关管导通时间的最大值（S）。 A e ：磁芯面积（m22）。 ΔB：由磁芯本身材料决定。一般取1600G，因为当震荡频率大于50KHz的时候， 高损耗材料会产生过量的磁芯损耗，这就使可选择的B max 值变小，因此经过对比选择增量ΔB的值为1600G(1G=10-4-4T)。
电力电子技术课程设计报告
单端反激式单路输出开关电源 一、设计任务及要求 本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的单端反激式开关电源。我们设计的反激式开关电源的输入是180V，输出是10V。要求画出必要的设计电路图，进行必要的电路参数计算，完成电路的焊接任务，并具有1A的带负载能力以及过流保护功能。 二、设计原理及思路 1、反激变换器工作原理 假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作下： （1）当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，无源开关VD1因反偏而截止，输出由电容C向负载提供能量，而原边则从电源吸收电能，储存于磁路中。 （2）当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故VD1正偏而导通，此时磁路中的存储的能量转到副边，并经二极管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。 U o 图 1 反激变换器的原理图 反激变换器的工作过程大致可以看做是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次Q导通之前，副边已将磁路的储能放光，即副边电流变为零，则称变换器运行于断续电流模式（DCM），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q又导通，则称变换器运行于连续电流模式（CCM）。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM）下。
& 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。
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：
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
开关电源的制作流程 开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）具有高效率、低功率、体积小、重量轻等显著优点，代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源的设计与制作要求设计者具有丰富的实践经验，既要完成设计制作，又要懂得调试、测试与分析等。本文章介绍开关电源组成及制作、调试所需的基本步骤和方法。 第一节开关电源的电路组成 开关电源一般是指输入与输出隔离的电源变换器，包括AC/DC电源变换器和DC/DC电源变换器，也称为AC/DC开关电源和DC/DC开关电源。非隔离式DC/DC变换器也属于开关电源，通常称之为开关稳压器。 1、AC/DC开关电源的组成 AC/DC开关电源的典型结构如图1-1-1所示。电源由输入电磁干扰（EMI）滤波器、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。 图1-1-1 AC/DC开关电源的典型结构 其中输入整流/滤波电路、功率变换电路、输出整流/滤波电路和PWM控制器电路是主要电路，其他为辅助电路。有些开关电源中还有防雷击电路、输入过压/欠压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等其他辅助电路。 2. DC/DC开关电源的组成 DC/DC开关电源的组成相对AC/DC开关电源要简单一点，其典型结构如图1-1-2所示。电源由输入滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。当然，有些DC/DC开关电源也会包含其他辅助电路。 图1-1-2 DC/DC开关电源的典型结构
第二节开关电源的制作流程 开关电源的设计与制作要从主电路开始，其中功率变换电路是开关电源的核心。功率变换电路的结构也称开关电源拓扑结构，该结构有多种类型。拓扑结构也决定了与之配套的PWM控制器和输出整流/滤波电路。下面介绍开关电源设计与制作一般流程。 1.解定电路结构(DC/DC变换器的结构) 无论是AC/DC开关电源还是DC/DC开关电源，其核心都是DC/DC变换器。因此，开关电源的电路结构就是指DC/DC变换器的结构。开关电源中常用的DC/DC变换器拓扑结构如下: (1)降压式变换器，亦称降压式稳压器。 (2)升压式变换器，亦称升压式稳压器。 (3)反激式变换器。 (4)正激式变换器。 (5)半桥式变换器。 (6)全桥式变换器。 (7)推挽式变换器。 降压式变换器和升压式变换器主要用于输入、输出不需要隔离的DC/DC变换器中；反激式变换器主要用于输入、输出需要隔离的小功率AC/DC或DC/DC变换器中；正激式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较大功率AC/DC或DC/DC变换器中；半桥式变换器和全桥式变换器主要用于输入/输出需要隔离的大功率AC/DC或DC/DC变换器中，其中全桥式变换器能够提供比半桥式变换器更大的输出功率；推挽式变换器主要用于输入/输出需要隔离的较低输入电压的DC/DC或DC/AC变换器中。 顾名思义，降压式变换器的输出电压低于输入电压，升压式变换器的输出电压高于输入电压。在反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式等具有隔离变压器的DC/DC变换器中，可以通过调节高频变压器的一、二次匝数比，很方便地实现电源的降压、升压和极性变换。此类变换器既可以是升压型，也可以是降压型号，还可以是极性变换型。在设计开关电源时，首先要根据输入电压、输出电压、输出功率的大小及是否需要电气隔离，选择合适的电路结构。 2.选择控制电路(PWM) 开关电源是通过控制功率晶体管或功率场效应管的导通与关断时间来实现电压变换的，其控制方式主要有脉冲宽度调制、脉冲频率调制和混合调制三种。脉冲宽度调制方式，简称脉宽度调制，缩写为PWM；脉冲频率调制方式，简称脉频调制，缩写PFM；混合调制方式，是指脉冲宽度与开关频率均不固定，彼此都能改变的方式。 PWM方式，具有固定的开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比，因此开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便，所以应用最为普通。目前，集成开关电源大多采用此方式。为便于开关电源的设计，众多厂家将PWM控制器设计成集成电路，以便用户选择。开关电源中常用的PWM控制器电路如下: (1)自激振荡型PWM控制电路。 (2)TL494电压型PWM控制电路。 (3)SG3525电压型PWM控制电路。 (4)UC3842电流型PWM控制电路。 (5)TOPSwitch-II系列的PWM控制电路。 (6)TinySwitch系列的PWM控制电路。 3.确定辅助电路