通用开关电源的设计

时间：2022-09-30 23:30:52 电气自动化毕业论文我要投稿

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通用开关电源的设计

　　通用开关电源的设计，小编为各位电气自动化毕业的同学准备了通用开关电源的设计的论文，欢迎大家借鉴哦!

　　摘要：现阶段随单片开关电源的模块应用，中小功率开关电源在朝短、小、轻、薄方向发展，可广泛用在仪器仪表、家用电器、计算机、自控等领域。本文全面分析了开关电源的应用控制理论和方法。并利用NCP12000单片的PWM控制芯片，设计了一个10W的小功率开关电源。

　　关键词：电力工程;开关电源;反馈控制

　　开关电源我们可认为是由功率级和控制电路所组成，功率级是功率变换的主体，主要通过开关器件、电感、电容等器件来实现功率变换的。开关电源的主体是开关型DC-DC变换器，它是开关电源整个变换核心。非隔离式和隔离式为DC-DC变换器的两种基本拓扑。在非隔离式变换器中，输入到输出之间是没有电气隔离的，非隔离式拓扑结构形式主要有:Buck, Boost ,Buck-Boost, Cuk''等。

　　首先介绍开关电源的控制方法：

　　根据DC-DC变换器工作方式，DC-DC变换器可分为下面几种:PWM变换器、谐振变换器、软开关PWM变换器等。

　　1脉宽调制技术

　　脉宽调制PWM技术由于其电路简单、控制也相对方便而得到广泛的应用。目前，应用PWM技术的变换器的运行最佳频率范围为30kHz~50kHz(使用MOSFET做开关管)，在该范围内，整个系统不论体积、重量、可靠性或是价格都基本上实现了最佳。但是，常规的PWM技术的固有缺陷也在一定程度上限制了其高频化，这样人们另想办法，围绕着减小开关的损耗，消除或缓解其电路中寄生参数所造成的影响提出了谐振变换技术。

　　2谐振变换技术

　　谐振变换技术可以描述为开关器件在零压或零电流条件下可进行开关状态的转换。这样可以在一定程度上降低了开关损耗。谐振变换电路主要由串联谐振、并联谐振、准谐振、E类谐振和多谐振等。这类变换器主要利用谐振原理使开关管的两端电压或流过开关管的电流能够在一个周期内在某一时间段呈正弦规律变换，电压和电流的波形会错开，这样可实现零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)条件，使得开关管自然得到导通或关断。零电流开关的特点：能保证运行中的开关器件在关断信号来到之前，流经开关管的电流就已经下降为零，这样就保证了器件在零电流的条件下能断开;零电压开关的特点是能够保证运行中的器件在开通信号来到之前，开关管的端电压就已经下降为零了，从而能使开关管在零电压下导通。谐振式变换器有这样的缺点：1)功率电路拓扑较复杂，在不同负载条件下，存在不同工作模式;2)QRC, MRC都是变频控制，所以控制电路较复杂;3)谐振波形使开关管电压或其电流应力比PWM变换器还要大得多。针对以上局限性，人们提出了其他的软开关技术。

　　3软开关技术

　　软开关变换器为QRC和PWM开关变换器组合在一起的综合:在QRC变换器中若增加一个辅助开关，以控制谐振为网络工作，使变换器在整个周期内，一部分时间是按ZVS或ZCS准谐振变换器来工作，另一部分时间则按PVYM变换器来工作。因此它兼具有谐振变换技术或PWM变换技术共有的特点.

　　下面再来介绍控制电路：

　　控制电路我们采用ON Semiconductor(安森美)公司所生产的NCP1200芯片。NCP1200是种新型的高频开关电源芯片，它将开关电源中最为重要的两个部分即PWM控制集成电路和功率开关管MOSFET电路集成在一个芯片上，构成PWM/MOSFET二合为一的集成芯片，能使外部电路得到简化，让工作频率可达100kHz，交流输入电压为100V~250V，AC/DC转换效率可达到90%。对70W 以下开关电源，主功率器件采用NCP1200，与其他电路相比，重量轻、体积小、自我保护的又功能齐全，从而降低了开关电源在设计过程中的复杂性。特别适合于中小功率AC-DC电源、各类充电适配器、DVD电压等的设计。

　　4 EMI滤波器

　　EMI信号滤波器是可以滤除导线上各种工作时不需要的高频干扰成份，其可用在各种信号线(包括直流电源线)上当低通滤波器。最有效的接收和辐射天线是线路板上的导线，由于导线存在，这样会使线路板产生强电磁辐射。与此，这些导线还能接收外部来的电磁干扰，使电路相对干扰很是敏感。解决高频电磁的干扰辐射和接收最有效的办法是在导线上使用信号滤波器，如不用信号滤波器时，脉冲信号的高频成份就很丰富，这些高频成份还可借助导线辐射，这样线路板的辐射就会超标。所以使用了滤波器以后，脉冲信号的高频成份就会消弱很多，正因为高频信号的辐射效率非常高，随着高频成份的减少，线路板的辐射会改善很多。按安装方式和外形信号滤波器可分为: 贯通滤波器、有线路板安装滤波器、连接器滤波器等。通常使用线路板安装滤波器较多，其具有经济性高、安装方便等优点。

　　5 TL431反馈电路

　　反馈的概念，是指将放大电路的输出量(电压或电流信号)一部分或全部，通过一定的方式(元件或网络)输送到输入回路，完成输出量与输入端回送的电路就称为反馈元件或反馈支路，具有反馈回路的放大电路即称反馈放大电路。

　　随着电子技术的不断高速发展,电源技术也跟着不断完善和提高。像自激型的开关稳压电源,在过去其输出的功率只能达到大概50W,而现在可以达到100W以上。这些变化是源于电路技术的进一步成熟和采用新型元器件的结果。

　　最后设计开关电源整体系统图：

　　电路如图所示：电源适配器由NCP1200构成6.5V、0.6A，它可为随身听、电动玩具或一般家电提供电源。该适配器对全部85~265V的交流电源均适用。交流电压经过桥式整流器(BR)、电磁干扰滤波器(L1、L2、R4、R5)和滤波电容(C1、C2)，得到直流高压U1，分别连到NCP1200的HV端、高频变压器初级的一端。在刚获得电源时能降低输入滤波电容上的冲击电流。吸收电路由R6、C5、VD1组成的钳位电路和R7和C6构成，可吸收尖峰电压，这样就可降低电磁干扰。外部功率开关管是采用MTDIN60E型M0SFET管，最大漏极电流为IDM=1A，漏源击穿电压为U(BR)DS=600V，管子最大功耗为PDM=1.75W。输出整流滤波器是由VD2、C3、C4组成。光耦反馈电路是由限流电阻R1、光耦合器IC2(PC817A)和5.1V稳压管(1N5993B)组成的。输出电压是这3个元器件上的电压降之和。因IC2中LED的正向压降ULED≈1V，工作电流ILED设定为0.85mA， Rl=220Ω，故Uo=URl+UrrD+UDZ=(0.85×10-3×220)+1+5.1≈6.5V。高频变压器采用E16型磁芯，初级绕组的电感量Lp=2.9mH，漏感Lpo=80us，匝数比n=Np/Ns=12.5。

　　开关电源整体电路原理

　　电源技术发展的趋势是开关电源高频化，高频化带来的优势是使开关电源装置空前微型化，并使开关电源应用领域更加广泛，特别是应用在高新技术领域，推动了高新技术产品的微型化、轻便化。另外开关电源在节约资源及保护环境方面的发展与应用更具有深远意义。

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