《開關(guān)電源設(shè)計》課件

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1、12V/30W開 關(guān) 電 源 設(shè) 計制 作 者 : 李 延 （ 20082260） 錢 學(xué) 偉 （ 20082268） 曹 智 敏 （ 20082251） 單 位 ： 中 南 林 業(yè) 科 技 大 學(xué) 學(xué) 院 ： 計 算 機 與 信 息 工 程 學(xué) 院 時 間 ： 二 零 一 零 年 十 二 月 摘 要 該 電 源 特 性 是 ： 簡 單 ， 直接 可 與 220V交 流 電 源 連 接 ，經(jīng) 橋 式 整 流 電 容 濾 波 后 產(chǎn)生 300V直 流 高 電 壓 起 動 開關(guān) 電 源 工 作 。 并 且 重 量 輕 、體 積 小 ， 接 線 簡 單 外 圍 元件 少 。 30W小 功 率 開 關(guān)

2、 電 源 原 理圖 如 圖 2所 示 。 12V/30W小 功 率 開 關(guān) 電 源 原 理 圖 PCB圖 總 體 設(shè) 計 方 案 該 電 路 特 點 是 利 用 三 極 管 Q1， 二 極 管 D1及 電 阻 R5、R6組 成 過 低 壓 保 護 電 路 ， 當 輸 入 電 壓 降 低 到 一 定程 度 時 ， Q1導(dǎo) 通 ， 控 制 端 C電 位 降 低 ， TOP開 關(guān) 關(guān)閉 ， 開 關(guān) 電 源 沒 有 輸 出 。 （ 1） 輸 入 電 路 電 網(wǎng) 交 流 220V輸 入 電 壓 經(jīng) 兩 級 EMI濾 波 電 路 、 橋式 整 流 、 電 容 濾 波 后 產(chǎn) 生 300V直 流 高 壓 起

3、 動 開 關(guān)電 源 工 作 。 （ 2） 電 源 變 換 器 部 分 在 該 電 路 中 ， T2為 高 頻 變 壓 器 ， 其 中 N1為 初 級 繞 組 （ 35T） N2為 反 饋 繞 組 （ 15T） N3為 次 級 隔 離 輸 出 繞 組 （ 7T） 總 體 設(shè) 計 方 案 開 關(guān) 電 源 工 作 后 ， 反 饋 繞 組 N2經(jīng) 整 流 、 濾 波 、 限流 后 送 至 TOP開 關(guān) 控 制 極 C， 以 調(diào) 整 TOP開 關(guān) 內(nèi) 部PWM占 空 比 。 當 因 某 種 原 因 如 負 載 變 輕 引 起 輸 出電 壓 升 高 時 ， N2電 壓 將 升 高 ， 即 流 入 TOP開

4、 關(guān) 控制 端 C的 電 流 增 加 。 在 振 蕩 電 路 的 控 制 下 ， 漏 極端 D有 電 流 流 入 芯 片 ， 提 供 開 環(huán) 輸 入 ， 該 輸 入 通過 旁 路 調(diào) 整 器 、 誤 差 放 大 器 ， 由 控 制 端 進 行 閉 環(huán)調(diào) 整 ， 經(jīng) 由 PWM控 制 MOSFET的 輸 出 占 空 比 ， 使 其占 空 比 線 性 減 小 ， 從 而 使 輸 出 電 壓 下 降 ， 最 后 達到 動 態(tài) 平 衡 ， 保 持 輸 出 穩(wěn) 定 。 電 路 中 并 接 于 初 級繞 組 N1兩 端 的 瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 二 極 管 D5、 電 容 C4及快 速 二 極 管 D6

5、組 成 鉗 位 削 峰 電 路 。 鉗 制 電 感 放 電脈 沖 的 最 高 電 位 ， 減 少 漏 感 抗 引 起 的 漏 極 端 電 壓畸 變 。 在 實 際 繞 制 高 頻 電 源 變 壓 器 時 ， 為 了 減 小漏 感 的 影 響 ， 可 采 用 初 級 與 次 級 相 互 交 叉 的 繞 制方 法 。 同 時 ， 采 用 自 我 屏 蔽 作 用 較 為 良 好 的 罐 形磁 芯 ， 將 線 圈 都 用 磁 芯 封 在 里 邊 。 總 體 設(shè) 計 方 案 （ 3） 反 饋 控 制 回 路 電 容 C6決 定 軟 起 動 恢 復(fù) 時 間 ， C6、 R5、 R4、 C5、D7決 定 控

6、 制 回 路 的 零 點 。 R4阻 值 過 小 ， 限 流 線 性差 ， 容 易 導(dǎo) 致 TOP開 關(guān) 損 壞 ； 過 大 則 調(diào) 整 線 性 差 。在 實 驗 中 取 值 為 10k （ 4） 輸 出 回 路 N3、 D10、 C8、 D11構(gòu) 成 輸 出 回 路 。 肖 特 基 勢 壘 整流 二 極 管 D10對 高 頻 變 壓 器 次 級 的 高 頻 方 波 電 壓進 行 整 流 ， 經(jīng) 低 ESR值 的 電 解 電 容 濾 波 及 雙 向 瞬態(tài) 電 壓 抑 制 二 極 管 D11削 峰 穩(wěn) 壓 后 ， 提 供 給 負 載電 路 。 R7既 可 改 善 電 源 本 身 的 輸 出 阻

7、抗 ， 又 能 小幅 度 地 調(diào) 整 輸 出 電 壓 的 范 圍 ， 同 時 又 可 在 電 源 空載 時 為 電 容 C8提 供 放 電 回 路 。 R7取 值 為 430 。 TOP開 關(guān) 資 料 及 其 工 作 原 理 集 各 種 控 制 功 能 、 保 護 功 能 及 耐 壓 700V的 功 率 開關(guān) MOSFET于 一 體 ， 采 用 TO220或 8腳 DIP封 裝 。 少數(shù) 采 用 8腳 封 裝 的 TOP開 關(guān) ， 除 D、 C兩 引 腳 外 ， 其余 6腳 實 際 連 在 一 起 ， 作 為 S端 ， 故 仍 系 三 端 器 件 。三 個 引 出 端 分 別 是 漏 極 端

8、D、 源 極 端 S和 控 制 端 C。其 中 ， D是 內(nèi) 裝 MOSFET的 漏 極 ， 也 是 內(nèi) 部 電 流 的檢 測 點 ， 起 動 TOP開 關(guān) 操 作 時 ， 漏 極 端 由 一 個 內(nèi)部 電 流 源 提 供 內(nèi) 部 偏 置 電 流 。 控 制 端 C控 制 輸 出占 空 比 ， 是 誤 差 放 大 器 和 反 饋 電 流 的 輸 入 端 。 在正 常 操 作 時 ， 內(nèi) 部 的 旁 路 調(diào) 整 端 提 供 內(nèi) 部 偏 置 電流 ， 且 能 在 輸 入 異 常 時 ， 自 動 鎖 定 保 護 。 源 極 端S是 MOSFET的 源 極 ， 同 時 是 TOP開 關(guān) 及 開 關(guān) 電

9、 源 初級 電 路 的 公 共 接 地 點 及 基 準 點 。 TOP包 括 10部 分 ， 其 中 Zc為 控 制 端 的 動 態(tài) 阻 抗 ，RE是 誤 差 電 壓 檢 測 電 阻 。 RA與 CA構(gòu) 成 截 止 頻 率 為7kHz的 低 通 濾 波 器 。 主 要 特 點 是 ： （ 1） 前 沿 消 隱 設(shè) 計 ， 延 遲 了 次 級 整 流 二 級 管 反向 恢 復(fù) 產(chǎn) 生 的 尖 峰 電 流 沖 擊 ； （ 2） 自 動 重 起 動 功 能 ， 以 典 型 值 為 5 的 自 動 重起 動 占 空 比 接 通 和 關(guān) 斷 ； （ 3） 低 電 磁 干 擾 性 （ EMI） ， TOP

10、系 列 器 件 采 用了 與 外 殼 的 源 極 相 連 ， 使 金 屬 底 座 及 散 熱 器 的dv/dt=0， 從 而 降 低 了 電 壓 型 控 制 方 式 與 逐 周 期峰 值 電 流 限 制 ; （ 4） 電 壓 型 控 制 方 式 與 逐 周 期 峰 值 電 流 限 制 。 下 面 簡 要 敘 述 一 下 ： （ 1） 控 制 電 壓 源 控 制 電 壓 Uc能 向 并 聯(lián) 調(diào) 整 器 和 門 驅(qū) 動 極 提 供 偏 置電 壓 ， 而 控 制 端 電 流 Ic則 能 調(diào) 節(jié) 占 空 比 。 控 制 端的 總 電 容 用 Ct表 示 ， 由 它 決 定 自 動 重 起 動 的 定

11、時 ，同 時 控 制 環(huán) 路 的 補 償 ， Uc有 兩 種 工 作 模 式 ， 一 種是 滯 后 調(diào) 節(jié) ， 用 于 起 動 和 過 載 兩 種 情 況 ， 具 有 延遲 控 制 作 用 ； 另 一 種 是 并 聯(lián) 調(diào) 節(jié) ， 用 于 分 離 誤 差信 號 與 控 制 電 路 的 高 壓 電 流 源 。 剛 起 動 電 路 時 由D C極 之 間 的 高 壓 電 流 源 提 供 控 制 端 電 流 Ic， 以便 給 控 制 電 路 供 電 并 對 Ct充 電 。 （ 2） 帶 隙 基 準 電 壓 源 帶 隙 基 準 電 壓 源 除 向 內(nèi) 部 提 供 各 種 基 準 電 壓 之 外 ，還 產(chǎn)

12、 生 一 個 具 有 溫 度 補 償 并 可 調(diào) 整 的 電 流 源 ， 以保 證 精 確 設(shè) 定 振 蕩 器 頻 率 和 門 極 驅(qū) 動 電 流 。 （ 3） 振 蕩 器 內(nèi) 部 振 蕩 電 容 是 在 設(shè) 定 的 上 、 下 閾 值 UH、 UL之 間周 期 性 地 線 性 充 放 電 ， 以 產(chǎn) 生 脈 寬 調(diào) 制 器 所 需 要的 鋸 齒 波 （ SAW） ， 與 此 同 時 還 產(chǎn) 生 最 大 占 空 比信 號 (Dmax)和 時 鐘 信 號 (CLOCK)。 為 減 小 電 磁 干擾 ， 提 高 電 源 效 率 ， 振 蕩 頻 率 （ 即 開 關(guān) 頻 率 ） 設(shè)計 為 100kHz

13、， 脈 沖 波 形 的 占 空 比 設(shè) 定 為 D。 （ 4） 放 大 器 誤 差 放 大 器 的 增 益 由 控 制 端 的 動 態(tài) 阻 抗 Zc來 設(shè) 定 。 Zc的 變化 范 圍 是 10 20 ， 典 型 值 為 15 。 誤 差 放 大 器 將 反 饋電 壓 UF與 5.7V基 準 電 壓 進 行 比 較 后 ， 輸 出 誤 差 電 流 Ir， 在RE上 形 成 誤 差 電 壓 UR。 （ 5） 脈 寬 調(diào) 制 器 （ PWM） 脈 寬 調(diào) 制 器 是 一 個 電 壓 反 饋 式 控 制 電 路 ， 它 具 有 兩 層 含 義 。第 一 、 改 變 控 制 端 電 流 Ic的 大 小

14、 ， 即 可 調(diào) 節(jié) 占 空 比 D， 實 現(xiàn)脈 寬 調(diào) 制 。 第 二 、 誤 差 電 壓 UR經(jīng) 由 RA、 CA組 成 截 止 頻 率 為7kHz的 低 通 濾 波 器 ， 濾 掉 開 關(guān) 噪 聲 電 壓 之 后 ， 加 至 PWM比 較器 的 同 相 輸 入 端 ， 再 與 鋸 齒 波 電 壓 UJ進 行 比 較 ， 產(chǎn) 生 脈 寬調(diào) 制 信 號 UB。 （ 6） 門 驅(qū) 動 級 和 輸 出 級 門 驅(qū) 動 級 （ F） 用 于 驅(qū) 動 功 率 開 關(guān) 管 (MOSFET)， 使 之 按 一 定速 率 導(dǎo) 通 ， 從 而 將 共 模 電 磁 干 擾 減 至 最 小 。 漏 源 導(dǎo) 通

15、電阻 與 產(chǎn) 品 型 號 和 芯 片 結(jié) 溫 有 關(guān) 。 MOSFET管 的 漏 源 擊 穿 電壓 U(bo)ds 700V。 （ 7） 過 流 保 護 電 路 過 流 比 較 器 的 反 相 輸 入 端 接 閾 值 電 壓 ULIMIT， 同 相 輸 入 端接 MOSFET管 的 漏 極 。 此 外 ， 芯 片 還 具 有 初 始 輸 入 電 流 限 制功 能 。 剛 通 電 時 可 將 整 流 后 的 直 流 限 制 在 0.6A或 0.75A。 （ 8） 過 熱 保 護 電 路 當 芯 片 結(jié) 溫 TJ135 時 ， 過 熱 保 護 電 路 就 輸 出 高 電 平 ， 將觸 發(fā) 器 置

16、位 ， Q=1， Q=0， 關(guān) 斷 輸 出 級 。 此 時 進 入 滯 后 調(diào)節(jié) 模 式 ， Uc端 波 形 也 變 成 幅 度 為 4.7V 5.7V的 鋸 齒 波 。 若要 重 新 起 動 電 路 ， 需 斷 電 后 再 接 通 電 源 開 關(guān) ； 或 者 將 控 制端 電 壓 降 至 3.3V以 下 ， 達 到 Uc(reset)值 ， 再 利 用 上 電 復(fù) 位電 路 將 觸 發(fā) 器 置 零 ， 使 MOSFET恢 復(fù) 正 常 工 作 。 （ 9） 關(guān) 斷 /自 起 動 電 路 一 旦 調(diào) 節(jié) 失 控 ， 關(guān) 斷 /自 動 重 起 動 電 路 立 即 使 芯 片 在 5 占空 比 下

17、工 作 ， 同 時 切 斷 從 外 部 流 入 C端 的 電 流 ， Uc再 次 進 入滯 后 調(diào) 節(jié) 模 式 。 倘 若 故 障 己 排 除 ， Uc又 回 到 并 聯(lián) 調(diào) 節(jié) 模 式 ，自 動 重 新 起 動 電 源 恢 復(fù) 正 常 工 作 。 自 動 重 起 動 的 頻 率 為1.2Hz。 （ 10） 高 壓 電 流 源 在 起 動 或 滯 后 調(diào) 節(jié) 模 式 下 ， 高 壓 電 流 源 經(jīng) 過 電 子開 關(guān) S1給 內(nèi) 部 電 路 提 供 偏 置 ， 并 且 對 Ct進 行 充 電 。電 源 正 常 工 作 時 S1改 接 內(nèi) 部 電 源 ， 將 高 壓 電 流 源關(guān) 斷 。 當 TO

18、P開 關(guān) 起 動 操 作 時 ， 在 控 制 端 環(huán) 路 振 蕩 電 路的 控 制 下 ， 漏 極 端 有 電 流 流 入 芯 片 ， 提 供 開 環(huán) 輸入 。 該 輸 入 通 過 旁 路 調(diào) 整 器 、 誤 差 放 大 器 時 ， 由控 制 端 進 行 閉 環(huán) 調(diào) 整 ， 改 變 Ir， 經(jīng) 由 PWM控 制MOSFET的 輸 出 占 空 比 ， 最 后 達 到 動 態(tài) 平 衡 。 TOP開關(guān)內(nèi)部工作原理框圖 相 關(guān) 參 數(shù) 設(shè) 計 兩 級 EMI濾 波 電 路 中 ， 去 除 差 模 干 擾 的 C1， C9為 0.1uF/250V,去 除 共 模 干 擾 的 C10,C11為 10nF，

19、 濾 波 線 圈 采 取 雙 線 并 繞 ，L1,L2取 值 10-33mH。 整 流 電 路 選 擇 不 可 控 的 整 流 橋 ， 整 流 二 極 管 的 反 向 耐 壓 應(yīng)大 于 400 V， 其 承 受 的 沖 擊 電 流 應(yīng) 大 于 額 定 整 流 電 流 的 710倍 。 還 應(yīng) 注 意 ， 選 定 的 整 流 二 極 管 的 穩(wěn) 態(tài) 電 流 容 量 應(yīng) 為計 算 值 的 兩 倍 。 本 設(shè) 計 中 ， 選 用 4個 IN4007作 整 流 二 極 管 構(gòu)成 整 流 橋 。 箝 位 保 護 電 路 設(shè) 計 ： 每 個 開 關(guān) 周 期 內(nèi) ， TOPSwitch的 關(guān) 斷 將 導(dǎo) 致

20、 變 壓 器 漏感 產(chǎn) 生 尖 峰 電 壓 。 C4、 D5和 D6構(gòu) 成 的 箝 位 電 路 防 止 了 此 電壓 對 TOPSwitch的 損 壞 ， D5和 D6的 選 擇 由 反 射 電 壓 VOR決 定 。 VOR一 般 選 擇 為 135 V， D5嵌 位 電 壓 VCLD可 由 經(jīng) 驗 公 式VCLD=1 5VOR得 出 ， D6的 耐 壓 值 應(yīng) 大 于 最 大 直 流 輸 入 電 壓Vmas并 選 擇 快 恢 復(fù) 二 極 管 。 高 頻 變 壓 器 的 參 數(shù) 設(shè) 計 輸 入 電 壓 為 AC85-265V(50Hz)； 工 作 頻 率 為 100KHz；輸 出 電 壓 為

21、12V， 輸 出 電 流 為 2.5A； 電 源 效 率 為 90%。 設(shè) 損 耗 分 配 系 數(shù) 為 Z=0.5（ 一 次 側(cè) 與 二 次 側(cè) 損 耗 各 占50%） ： （ 1） 根 據(jù) V1、 P0值 來 確 定 輸 入 濾 波 電 容 C3的 容 量 、直 流 輸 入 電 壓 最 小 值 V1（ min） 查 表 可 知 ： C3=2*90uF=180uFv/V P0/W 比 例 系 數(shù)/(uF/W) Cin/Uf V1(min)/V 通 用 輸 入 ：85-265 已 知 2-3 （ 1-3） P0 =90 根 據(jù) 輸 入 電 壓 V， 確 定 一次 感 應(yīng) 電 壓 Vor和 鉗 位

22、 二極 管 反 向 擊 穿 電 壓 Vb(V) 查 右 表 可 知 ： Vor=135V, Vb=200V,由 Vb的 值 選 用P6KE200瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 器 高 頻 變 壓 器 的 一 次 電 感 量Lp通 過 查 表 ， 可 計 算 出 Lp=628uH可 選 擇 EE30磁 芯 ， 磁 芯 長 度A=30mm， Ae=115mm2,窗 口 面 積 Be=52.9mm2. v/V 一 次 感應(yīng) 電 壓Vor/V 鉗 位 二 極 管反 向 擊 穿 電壓 Vb/V固 定 輸 入 ：100/115 60 90固 定 輸 入 ：200/260 135 200通 用 輸 入 ： 85-2

23、65 100-135 200 610 10p 2 1 2P ZL KRPI K fP RP 確 定 高 頻 變 壓 器 的 匝 數(shù) （ 1） 計 算 次 級 隔 離 輸 出 繞 組 匝 數(shù) N3： 已 知 V=85-265V， Vo=12V,考 慮 到 肖 特 基二 極 管 還 有 最 大 正 向 導(dǎo) 通 電 壓 0.8V。 當 V=85-265V是 ， 首 先 取 N3的 初 始 值 為 0.5匝 /V， 計 算 出次 級 繞 組 匝 數(shù) N3為 N3=0.5(Vo+Vfm)=0.5*(12+0.8)=7 匝 （ 2） 計 算 初 級 繞 組 N1： N1=N3*Vor/(Vo+Vfm)=7

24、*60/(12+0.8)=35 匝 （ 3） 計 算 反 饋 繞 組 N2：N2=N3*(Vfb+Vf2)/(Vo+Vf1)=7*(27.7+0.7)/(12+0.4)=15 匝 計 算 磁 芯 的 最 大 磁 感 應(yīng) 強 Bm Bm=100*Ip*Lp/(N1*Ae)=0.209T 計 算 磁 芯 的 氣 隙 密 度 其 中 ， 磁 芯 不 留 間 隙 時 ,代 入 上 式 得 ： 計 算 留 有 氣 隙 時 磁 芯 的 等 效 電 感 Alg0.64mm 221 628 0.51 /35*35PLG LA HN 匝22.4 /LA H匝 2 1140 0.221000 1000NA mme

25、 L AP L 輸 出 整 流 濾 波 電 路 的 設(shè) 計 輸 出 整 流 濾 波 電 路 由 整 流 二 極 管 和 濾 波 電 容 構(gòu) 成 。 輸 出 整流 二 極 管 的 開 關(guān) 損 耗 占 系 統(tǒng) 損 耗 的 1 6到 1 5， 是 影 響 開關(guān) 電 源 效 率 的 主 要 因 素 ， 它 包 括 正 向 導(dǎo) 通 損 耗 和 反 向 恢 復(fù)損 耗 。 由 于 肖 特 基 二 極 管 導(dǎo) 通 時 正 向 壓 降 較 低 ， 因 此 其 具有 很 低 的 正 向 導(dǎo) 通 損 耗 。 此 外 ， 肖 特 基 二 極 管 反 向 恢 復(fù) 時問 短 ， 在 降 低 反 向 恢 復(fù) 損 耗 以 及

26、 消 除 輸 出 電 壓 中 的 紋 波 方面 有 明 顯 的 性 能 優(yōu) 勢 ， 所 以 選 用 肖 特 基 二 極 管 作 為 整 流 二極 管 。 選 取 的 原 則 是 根 據(jù) 最 大 反 向 峰 值 電 壓 。 次 級 繞 組 的 反 向 峰值 電 壓 Vsm 式 中 ， Vs為 次 級 繞 組 輸 出 電 壓 ； Vacmax為 輸 入 交 流 電 壓 最大 值 。 32 m ax 1NV V VSM S AC N 本 設(shè) 計 中 整 流 二 極 管 選 用 MUR420， 其 反 向 電 壓 值Vr=200V， 工 作 電 流 Id=4A， 滿 足 設(shè) 計 要 求 。 對 輸出 濾 波 電 容 ， ESR(等 效 串 聯(lián) 阻 抗 )和 紋 波 電 流 是它 的 兩 個 重 要 參 數(shù) 。 當 電 容 兩 端 電 壓 小 于 35V時 ，ESR只 與 電 容 的 體 積 有 關(guān) ， 本 設(shè) 計 選 擇 細 高 型 的120 pF 35 V低 ESR電 容 。 The end,thank you! elements