小型开关电源的设计

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1、设计内容与设计要求.设计内容：1. 分析开关电源的结构及功能2. 介绍小型辅助开关电源设计要求和方案选择3. 小型开关电源主电路设计（主电路的选用依据和原则，主电路 的 设计及分析，主开关的选用依据和原则，元器件定额及选型）4. 小型开关电源控制电路设计及元器件选型5. 小型开关电源变压器设计、设计要求：1、思路清晰，给出整体设计和电路图;2、给出具体设计思路和电路；3、写出设计报告；主要设计条件1. 电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严重。本设计性能可靠的小型开关电源，为电机控 制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助电源要求如下：输入电源是三相交流220VAC,

2、 50HZ,输出电压是直流电压士 15.0V , 0.1A; 士 12.0V, 0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。2. 提供设计要求,提供实验室.说明书格式1 .课程设计封面；2 .任务书；3 .说明书目录；4 .正文5. 总结与体会；6. 参考文献7. 课程设计成绩评分表进度安排1:课题内容介绍和查找资料；2 :总体电路设计和分电路设计;3 :写设计报告，打印相关图纸;4.答辩参考文献1. 电力电子技术2. 现代逆变技术及其应用3. 交流电机变频调速技术4. 电机控制第1章概论5.第2章课程设计目的与要求 6.2.1设计目的6.2.2设计要求6.第3章总体设计思路及框

3、图 7.3.1设计总体思路7.3.2基本原理框图7.第4章开关电源设计8.4.1开关电源的结构及原理8.4.2主电路设计及原理分析9.4.2.1整流滤波电路9.4.2.2钳位保护电路9.4.2.3单端反激电路104.2.4输出滤波电路114.3控制电路设计114.3.1 TOP223P 芯片介绍1.24.3.2反馈环节设计12第5章元器件选型及变压器参数计算 1.35.1元器件的选型1.35.1.1整流滤波元件选择1.35.1.2变压器参数设计13第6章总结与体会1.7附录：19总电路图19第1章概论开关稳压电源简称开关电源(Switching Power Supply)，因电源中起调整稳 压

4、 控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小重 量轻功耗小 效率局纹波小 噪音低智能化程度局、易扩容等优良特性，广泛 应用在诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、VCD、电子游戏机等电子设备上。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发 展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特 性。自20世纪90年代以来，许多领域和新的要求对开关电源提出了更新更高的挑战。 如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察可以发现，输入的要求变得更严，输出则派生出

5、了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是 由于外界的这些要求推动力两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究 课题，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。经过20多 年的不断发展，我国的开关电源技术有了重大进步和突破。随着开关电源性能的不断提高，虽然对开关电源的要求也愈来愈高，但是21世纪开关电源技术最终发展趋势是小型化、薄型化、轻量化、高频化；高可靠性；低噪 声、节能型等方向发展。第2章课程设计目的与要求2.1设计目的将理论教学中涉及到的知识点贯穿起来，结合设计题目进行综合性应用，对所学 知识达到融会贯通的程度。通过课程设计，学生在下述各方面的能力应

6、该得到锻炼：(1 )培养学生文献检索的能力，特别是如何利用In ternet检索需要的文献资料。(2) 进一步巩固、加深学生所学专业课程电力电子技术的基本理论知识，理 论联系实际，进一步培养学生综合分析问题，解决问题的能力。(3) 利用所学知识，开发小型电子产品，掌握设计过程中电子器件选型、训练独 立开发应用产品，培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。(4) 提高学生课程设计报告撰写水平。2.2设计要求电机控制器中需要性能可靠的电源，否则弱电控制失效，强电设备将会损失严 重。本设计要求运用所学的电力电子知识设计出性能可靠、稳定输出的小型开关电源， 为电机控制器的弱电控制部分提供辅助电源，辅助

7、电源要求如下：输入电源：三相交流220VAC, 50HZ输出电压：直流电压土 15.0V , 0.1A; 12.0V, 0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。第3章总体设计思路及框图3.1设计总体思路小型开关电源的设计，主要就是首先对输入的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。由设计要求可知要设计的开关电源是一个输出小功率，多路输出小型开关电源， 结合所设计开关电源的要求，选用反激式结构，因此高频逆变-高频变压-高频整流电 路采用反激电

8、路；整流部分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滤波实现的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流 向直流的转化。3.2基本原理框图220V驱动功率变换DC-DC变换器反馈 电路图3-2开关稳压电源基本原理框图第4章开关电源设计4.1开关电源的结构及原理开关电源主要由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。 交流输入、直流输出的开关电源将交流转化成直流电，其典型的能量变换过程如图 4-1所示：工频1直流 j局频1交流高频交流脉动直流交流整流1电路1.高步厂逆变器滤波.尚频 整流j器图4-1开关电源能量变换过程整流电路普遍采用二极管构成的桥式

9、电路，直流采用大电容滤波，电路结构简 单、成本低、效率也比较高，但存在输入电流谐波分量大、功率因素低，因此较先进 的开关电源采用有源的功率因数校正电路。高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电 源的核心部分。开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体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IC和MOSFET 构成。在线性开关电源的工作过程中，功率晶体管工作在线性模式，在PWMff关电 源工作过程中，功率晶体管工作在开关状态。与线性电源相比，PWMff关电源更为 有效的工作过程是通过“斩波”即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的 脉冲电压来实

10、现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成 交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就 可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。4.2主电路设计及原理分析421整流滤波电路输入整流电路的作用是把来自电网的交流电变换成直流电，采用全波桥式整流电 路。桥式整流电路由多个整流二极管进行桥式连接而成，完成这一任务主要利用二极 管的单向导电作用，具有体积小、稳定性好、使用方便、性能优越、整流效率高等优 点。滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波。滤波电路形式很多，本次设计的开关 电源属于小功率电源，故采用电容滤波电路。输入

11、整流滤波电路如图4-2-1所示：IOOuF220V50Hz400;图4-2-1整流滤波电路4.2.2钳位保护电路功率MOSFET关断的瞬间，高频变压器的漏感产生尖峰电压，因此需在漏极增 加钳位电路，用以吸收尖峰电压，保护TOP223P中的功率MOSFET本电源的钳位电 路由VR1、VD1组成。其中VR1为瞬态电 压抑制器(TVS)P6KE200，VD1为超快恢 复二极管BYV26C。当MOSFET导通时，原边电压上端为正，下端为负，使得VD1 截止，钳位电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，原边电压变为下端为正，上端为负， 电压被限制在200V左右。如下图4-2-2所示：D1P6KE200D2

12、4.2.3单端反激电路所示:单端反激电路原理图及工作波形分别如图4-2-3图4-2-2钳位保护电路(1 )、4-2-3 ( 2)图4-2-3( 1)反激电路原理图图4-2-3( 2)工作波形S导通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加。S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。当工作于电流连续模式时：UO=U N2D/(N ,(1-D) (D为占空比)424输出滤波电路开关电源输出端的波纹电压是电源的一个重要电气性能指标，直接影响着后续 负载工作的稳定性。因此，在开关电源的输出高频整流电路后增加LC滤波电路，以 除去高频开关电源纹波，降低

13、输出纹波电压。输出滤波电容的选取，不仅与最大输出 工作电流和开关有关，还取决与变换器的类型，大多采用大电容电解电容，并且是等 效串联电阻低的电解电容。4.3控制电路设计常用的控制电路包括反馈、比较、基准源、振荡器、脉冲调制器(PWM)等电路。本次设计采用TOP223P和反馈环节构成小型J的控制部分。关电源控制电路图如图43所示:TOP223R图4-3控制电路图431 TOP223P芯片介绍TOP223P芯片集成了脉冲调制(PWM)控制系统的全部功能，包括脉冲调制器、 功率开关场效应管(MOSFET、高频振动器、自动偏置 该电路、保护电路、高压启动 电路、和环路补偿电路。TOP223P芯片的漏极

14、(D)与内部功率开关器件MOSFET相连，外部通过负载电 感与主电源相连。在启动状态下通过内部开关式高压电源提供内部偏置电流，并设有 电流检测。控制极(C)用于占空比控制的误差放大器和反馈电流的输入引脚，与内部 并联稳压器连接，提供正常工作时的内部偏置电流，同时也是提供旁路、自动重起和 补偿功能的电容连接点。源极(S)与高压功率回路的MOSFET的源极相连，兼做 初 级电路的公共点与参考点。内部输出极MOSFET的占空比随控制引脚电流的增加而 线性下降，控制电压的典型值为5.7V，极限电压为9V，控制端最大允许电流为100mA 采用TOP223P芯片设计单片开关电源时所需外接元器件少，而且器件对电路 板布局以及输入总线瞬变的敏感性大大减少，故设计十分方便，性能稳定，性价比更 高。对于芯片的选择主要考虑输入电压和功率。由设计要求可知，输 入电压为宽范 围输入，输出功率不大于15W，故选择TOP223P。4.3.2反馈环节设计反馈电路主要由光耦合器和若干电容、电阻构成，如图4-3所示。输出电压经光耦合器U2和齐纳二极管VR2直接取样构成TOP223P的