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1、电力电子装置设计报告AC-DC开关电源（作业三）班 级：自动化1304姓 名：王立峰学 号：2013030806佃指导教师：钟德刚提交日期：2016.6#摘要本次电力电子装置设计与制作，利用SD4844设计BUCK型转换主电路，输入AC207V253V输出DC36V的开关降压电源的设计。使用SD4844内部集成的PWM脉冲信号从而控制MOS管的开通与关断。另外本设计还加入了反馈环节，利用外部稳压芯片产生的基准电压与反馈信号进行比较来调节输出脉冲的占空比，进而调整主电路的输出电压维持在一个稳定的电压状态。关键字:BUCK转换，SD4844，PWM，反馈AbstractThe power elec
2、tro nic device desig n and producti on, the use of BUCK desig n SD4844 mai n circuit,in put DC36V output AC207V253V switch buck power supply desig n. Usi ng SD4844 in ternal in tegrated PWM pulse sig nal to con trol the ope ning and clos ing of the MOS tube. In additi on, the design also joined the
3、feedback link, produced by the external voltage regulator chip reference voltage and the feedback sig nal is compared to regulate the output pulse duty ratio, and to adjust the output voltage of the main circuit is maintained in a state of steady voltage.Keywords: BUCK con versio n, SD4844, PWM, fee
4、dback目录摘要 21概述 41.1 线性电源与开关电源比较 41.2开关电源 51.3开关电源的分类 61.3.1 DC / DC变换 71.3.2 AC / DC变换 71.4开关电源国内发展现状 81.5开关电源的发展趋势 92设计的基本要求 93电路总体设计及相关原理 103.1 整流部分设计 113.2降压斩波电路设计 123.2.1 buck 电路的工作原理 123.2.2控制方式 144. 控制电路的设计及电路参数的计算 144.1 SD4844控制芯片 144.2电路参数的计算 154.2.1电感值的计算 154.2.2二极管的选择 154.2.3电阻的选择 164.3反馈电
5、路的管理及外围电路 165. 不同电压输入下的输出功率分析及实验结果 16心得与体会 19参考文献 191概述随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来 越多。电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源， 它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效 率为发展方向。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发 了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热 量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整 机与设备中
6、。1.1线性电源与开关电源比较目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源亦称串联调整 式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网 进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。开关电源（SPS） 被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。开 关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达90%比普通线性稳压电源效率提高近一倍。开关电源亦称为无工频变压器的电源，它是利用体 积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可 采用体积
7、较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积 小、重量轻的开关电源奠定了基础。近年来，为了实现功率调节和远程控制等功能昌以及减小体积、减轻重量的需要，用智能高压功率集成电路驱动的开关电源得到了广泛应用和#快速发展。采用这种集成电路来调节和控制开关电源，不但外部电路简单，元件数目少， 而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现编程或控制功能。1.2开关电源开关电源自从上世纪60年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。以计算机领域 为例，苹果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果 电脑价格低廉的一个重要原因。而现在，几乎所有的计
8、算机都采用各种开关电源技术来满 足不同的需要。开关电源中主要的组成部分有：PW控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。图1. 1 所示的就是一个开关电源电路。它的输入部分由桥堆和输入电容组成，产生的未经调整的 直流电压进入到变压器的原边，然后耦合到变压器的副边，通过在副边的反馈电路，把输 出电压（或电流）的变化反馈到PW控制器上，PW控制电路根据反馈回来电压（或电流）值的 大小来决定功率MOSFET、关时间的长短，从而将输出电压（或电流）维持在一个稳定的值 上。也就是说，通过快速的开、关功率管，由 MOSFET、关时间的长短即占空比来调整存 在变压器原边的能量，提供一个持续的稳定的输出电压。根据
9、反馈电路的不同，对输出的 控制精度也不同。早期的开关电源除了需要 PW控制器和功率开关管外，还包括大概 40到 80个分立元件构成一些辅助电路。这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到影响。 从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路和保护电路的可集成性，使电源系统的设计 简单化成为一个关键的问题。多年来，由于技术上的障碍（高压、大功率），开关式集成电源电路在集成化上一直得不到长足的进步，直到最近十年，大规模和超大规模集成电路技 术迅猛发展，使集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，催生出了一批全新 的全控型功率器件，首先是功率 MOSFET问世，导致了中小型功率电源向高频化的发展；
10、绝缘栅控双极晶体管（IGBT）的出现，也为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前 可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电 路、限流电路、过/欠压保护电路等等。由上述可见，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可靠。除此 之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电 源的变压器工作于50KH到 1MHZ勺高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50HZ勺低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量， 而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频
11、率的平 方根成反比。如果把工作频率从工频 50Hz提高到20KHz提高400咅，用电设备的体积和重 量可以下降至工频设计的5% -一 10%，其主要材料可节约90%或更高，可节电30%或更多。 因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。电源电路除了进一步向小型化和集成化方向发展以外，电源设计目前正进一步地向着 绿色化方向发展，目前各国特别是欧美等发达国家对节能要求越来越高，而发电是造成环 境污染的重要原因，因此节电可以减少对环境的污染：其次这些电源不能对电网产生污染， 许多开关电源会对电网造成污染，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降， 使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。各
12、种有源滤波器和有源补偿器的诞 生，就产生了许多修正功率因数的方法， 这为批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。图1开关电源电路1.3开关电源的分类开关电源可分为DC/D（和ACZD（两大类，DCZDC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/ DC勺模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两 类开关电源的结构和特性作以阐述。1.3.1 DC / DC变换DC /DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的 工作方式有两种，一是脉宽调制方式 TS不变，改变ToN（通
13、用），二是频率调制方式，ToN不 变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：1）Buck电路一降压斩波器，其输出平均电压 Uo小于输入电压Ui，极性相同。2）Boost电路一升压斩波器，其输出平均电压 Uc大于输入电压Ui，极性相同。3）BuckBoost电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。4）Cuk电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui极性相反，电容传输。当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICO公司设计制造的多种ECI软开 关DC/DC变换器，其最大输出功率有 300W 600W 800W等
14、，相应的功率密度为（6、2、10、 17）W/corn3,效率为80%90%。日本NemieLambd公司最新推出的一种采用软开关技术 的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200 KHz300KHz功率密度已达到27 W/tom3, 采用同步整流器（MOSFE代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到95%。1.3.2 AC / DC变换AC /DC变换是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功率流由电源 流向负载的称为“整流，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变” 。AC/DC变换器输入 为50/60HZ的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少 的，
15、同时因遇到安全标准（如UL CCE等）及EM指令的限制（如IEC、FCC CSA）,交流输入 侧必须加EM滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制 AC/ DCfe源体积的小型化，另 外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EM（电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开关 使得电源工作消耗增大，限制了 AC/ DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化 设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC / DC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可分为单项、 三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。1.4开关电源国内发展现状近年来，集成开关电源的沿着两个方向不断发展：对开关电源的核心单元一一控制电路实现集成化1977年国外首先研制成功脉冲宽度调制(PwM控制器集成电路。美国摩托罗拉公司、硅通用公司(Silico n Ge neral)、尤尼特德公司(Uni trode)等相继推出一批PW芯片，典型 产品有MC3520 MC3842 SG3524 2005年凌特公司推出频率高达 4MHZ勺DCZ DC空制器 LTC3417效率高达 95%。对中、小功率开关电源实现单片集成化。此方向大致分两个阶
