电子设计培训课程设计开关电源.docx
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电子设计培训课程设计开关电源.docx
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电子设计培训课程设计开关电源
题目:
开关电源
专业班级:
10电科2
学生姓名:
金美伶
学号:
E10640202
指导老师:
黄海张国萍
实训时间:
12/06/17-12/06/26
电子设计培训课程设计任务书
基本部分:
1、熟悉基本元器件的识别和使用;
2、了解开关电源各指标的概念及定义;
3、对已有开关电源印制板进行提图,并用protel99se画原理图及分析划分模块。
4、焊接和装配开关电源。
5、测试各项指标,并分析各个指标的影响因素。
扩展部分:
6、能改进电路,改进纹波系数。
指标要求:
开关电源要求,三路直流输出,分别为+5V/3A,±12V/0.3A,带载能力50mA。
考核与报告
考核采用设计报告+答辩的方式
1、优秀
能按任务书要求独立完成实验,正确使用仪器设备,能灵活、熟练地运用相关知识,实验数据及计算结果准确,实验报告(含图表)清晰无误
2、良好
能按任务书要求基本独立完成实验,正确使用仪器设备,能比较熟练地运用相关知识,实验数据及计算结果基本准确,实验报告(含图表)质量较好
3、中等
能在教师指导下顺利完成实验,会使用仪器设备,尚能运用相关知识,实验数据及计算结果有明显错误,实验报告(含图表)质量一般
4、及格
能在教师指导下完成实验,会使用仪器设备,运用相关知识能力较差,实验数据及计算结果有较大错误,基本达到实验最低要求
5、不及格
不能完成实验,或抄袭他人实验报告,或实验数据及计算结果有多处重大错误,上课出勤率少于60%。
报告内容:
1、开关电源的原理及框图
2、画出开关电源的原理图。
3、画出测试平台。
并说明相应的设备的作用。
4、按照表格要求测试数据。
5、分析数据。
6、心得体会
地点:
10-408时间:
2012.06.17-06-26,上午:
8:
30-11:
30下午:
13:
00-16:
00
目录
一、基本元器件的特性与应用电路
变压器kd35-b
芯片uc3842
开关三极管W431
MOS管5n60
调整管SF1040CT`
稳压管in5234(6.2V)
恢复二极管her302
滤波器
电解电容
瓷片电容
压敏电阻
热敏电阻
二、开关电源的原理及框图
三、开关电源的原理图
四、测试平台
五、测试数据
六、数据分析
七、心得体会
附:
电子设计培训课程设计任务书
开关电源各指标的概念及定义
一、基本元器件的特性与应用电路[1]
变压器
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。
在电器设备和无线电路中,常用作升降电压、匹配阻抗,安全隔离等。
在发电机中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势,此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。
变压器就是一种利用电磁互感应,变换电压,电流和阻抗的器件。
变压器的功能主要有:
电压变换;电流变换,阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器)等。
此实验中,使用kd35-b。
变压器如图:
芯片uc3842
内部结构:
应用电路:
过载和短路保护,一般是通过在开关管的源极串一个电阻(R4),把电流信号送到3842的第3脚来实现保护。
当电源过载时,3842保护动作,使占空比减小,输出电压降低,3842的供电电压Vaux也跟着降低,当低到3842不能工作时,整个电路关闭,然后靠R1、R2开始下一次启动过程。
这被称为“打嗝”式(hiccup)保护。
在这种保护状态下,电源只工作几个开关周期,然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程,平均功率很低,即使长时间输出短路也不会导致电源的损坏。
由于漏感等原因,有的开关电源在每个开关周期有很大的开关尖峰,即使在占空比很小时,辅助电压Vaux也不能降到足够低,所以一般在辅助电源的整流二极管上串一个电阻(R3),它和C1形成RC滤波,滤掉开通瞬间的尖峰。
仔细调整这个电阻的数值,一般都可以达到满意的保护。
使用这个电路,必须注意选取比较低的辅助电压Vaux,对3842一般为13~15V,使电路容易保护。
开关三极管W431:
开关三极管的外形与普通三极管外形相同,它工作于截止区和饱和区,相当于电路的切断和导通。
由于它具有完成断路和接通的作用,被广泛应用于各种开关电路中,如常用的开关电源电路、驱动电路、高频振荡电路、模数转换电路、脉冲电路及输出电路等。
工作原理:
截止状态:
当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压,基极电流为零,集电极电流和发射极电流都为零,三极管这时失去了电流放大作用,集电极和发射极之间相当于开关的断开状态,即为三极管的截止状态。
开关三极管处于截止状态的特征是发射结,集电结均处于反向偏置。
饱和导通状态:
当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压,并且当基极的电流增大到一定程度时,集电极电流不再随着基极电流的增大而增大,而是处于某一定值附近不再怎么变化,此时三极管失去电流放大作用,集电极和发射极之间的电压很小,集电极和发射极之间相当于开关的导通状态,即为三极管的导通状态。
开关三极管处于饱和导通状态的特征是发射结,集电结均处于正向偏置。
而处于放大状态的三极管的特征是发射结处于正向偏置,集电结处于反向偏置。
这也是可以使用电压表测试发射结,集电结的电压值判定三极管工作状况的原理。
开关三极管正是基于三极管的开关特性来工作的。
应用电路:
简单型
改良型
MOS管5n60:
mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。
MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。
在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。
这样的器件被认为是对称的。
调整管
“调整管是稳压电源中的输出功率管。
它在稳压电源电路中相当可调电阻,随输入电压的波动,由取样管取样后随时调整该管的导通程度,以达到输出电压稳定的目的。
整该管的导通程度不同。
调整管CE间的电压也不同。
输入电压高时调整管CE间的电压高。
输入电压低时调整管CE间的电压就低。
比稳压输出高的电压全部加在调整管上了。
调整管的功率损耗大,所以调整管都有散热器。
应用电路:
(1)稳压管并联稳压电路a
(2)串联型稳压电路b、c
(3)开关型稳压电路d
(4)集成化稳压电路e
稳压管in5234
稳压二极管(又叫齐纳二极管):
此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压.
工作原理:
稳压管也是一种晶体二极管,它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。
稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。
把这种类型的二极管称为稳压管,以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。
稳压二极管的特点就是击穿后,其两端的电压基本保持不变。
这样,当把稳压管接入电路以后,若由于电源电压发生波动,或其它原因造成电路中各点电压变动时,负载两端的电压将基本保持不变。
如图画出了稳压管的伏安特性及其符号。
稳压管反向击穿后,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压变化很小。
利用这一特性,稳压管在电路中能起稳压作用。
因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。
其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。
三端稳压管严格说来属于集成电路,将输出电压与内部的基准电压比较后驱动调整管调整到稳定的一个数值。
单独的元件可用万用表测量各脚间电阻来粗略判别是否损坏,最好是接入电路中测量。
电压调整率和纹波等指标就只有用专业仪器测试了。
业余条件下也可用示波器定性检查。
稳压管也是一种晶体二极管,它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。
稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。
我们把这种类型的二极管称为稳压管,以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。
(1)稳定电压UzUz就是PN结的击穿电压,它随工作电流和温度的不同而略有变化。
对于同一型号的稳压管来说,稳压值有一定的离散性。
(2)稳定电流Iz稳压管工作时的参考电流值。
它通常有一定的范围,即Izmin——Izmax。
(3)动态电阻rz它是稳压管两端电压变化与电流变化的比值,如上图所示,即这个数值随工作电流的不同而改变。
通常工作电流越大,动态电阻越小,稳压性能越好。
(4)电压温度系数它是用来说明稳定电压值受温度变化影响的系数。
不同型号的稳压管有不同的稳定电压的温度系数,且有正负之分。
稳压值低于4v的稳压管,稳定电压的温度系数为负值;稳压值高于6v的稳压管,其稳定电压的温度系数为正值;介于4V和6V之间的,可能为正,也可能为负。
在要求高的场合,可以用两个温度系数相反的管子串联进行补偿(如2DW7)。
(5)额定功耗Pz前已指出,工作电流越大,动态电阻越小,稳压性能越好,但是最大工作电流受到额定功耗Pz的限制,超过P2将会使稳压管损坏。
5-45V可调稳压电路
串联型稳压电路
恢复二极管her302
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。
快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,它属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片。
因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,反向击穿电压(耐压值)较高。
滤波器
滤波器(filter),是一种用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
工作原理:
从电气工程上,所有的元件可以归纳为三类最基本的元件,即电阻,电感和电容.电阻的阻值与交流电的频率无关.电感的阻值(称为感抗)Xl=2πfL,即与交流电的频率成正比.频率越高,感抗越大.电容元件则与电感元件相反,它的容抗Xc=1/2πfC,即与交流电频率反比.
因此,电气工程上,常利用LC元件对不同频率交流电量的电抗不同,对交流电量进行分流,称为滤波.
按不同功能,滤波器通常分三类:
低通,高通,带通.它们在电气电路及电子电路中都有着广泛的应用.最简单和最典型的一个例子就是我们常用的直流稳压电源中,整流电路后面接入的电容,就是为了减小交流脉动而设置的.它是一个低通滤波器.
电解电容:
电解电容正负极的区分办法?
电解电容外面有一条很粗的白线,白线里面有一行负号,那边的一级就是负极。
另一边就是正极。
用表测时,按容量选档位。
4700pf左右用10k档容量再小用表就很难测了。
方法是两表笔分别接触两电极,每次测时先把电容器放电。
电阻大的那次黑笔接的那一极是正极。
涤纶电容:
涤纶电容正负极:
没有分极性
瓷片电容:
无正负极之分,只有电解电容器才有正负极之分。
压敏电阻:
“压敏电阻"是中国大陆的名词,意思是在一定电流电压范围内电阻值随电压而变,或者是说"电阻值对电压敏感"的阻器。
英文名称叫“VoltageDependentResistor”简写为“VDR”,或者叫做“Varistor"。
压敏电阻器的电阻体材料是半导体,所以它是半导体电阻器的一个品种。
现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)压敏电阻器,它的主体材料有二价元素(Zn)和六价元素氧(O)所构成。
所以从材料的角度来看,氧化锌压敏电阻器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。
在中国台湾,压敏电阻器称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击(浪涌)抑制器(吸收器)”。
工作原理:
压敏电阻是并联在电路中的,它对电压比较敏感(达到一定的异常高的电压),在正常工作电压的时候它相当于绝缘体,在电压异常大的时候电阻阻值瞬间变的很小,电流经过压敏电阻回流到前端,拉端保险丝,如果电压比较大时间比较长自身也瞬间击穿,保护了后端电路.
热敏电阻:
工作原理:
金属的电阻值随植度的升高而增大,但半导体则相反,它的电阻值随温度的升高而急剧减小,并呈现非线性,如下图所示。
由图可知,在温度变化相同时,热敏电阻器的阻值变化约为铅热电阻的10倍,因此可以说,热敏电阻器对温度的变化特别敏感。
半导体的这种温度特性.是因为半导体的导电方式是载流子(电子、空穴)导电。
由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多,所以它的电阻率很大。
随着温度的升高,半导体中参加导电的载流子数目就会增多,故半导体导电率就增加,它的电阻率也就降低了。
热敏电阻器正是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的热敏元件。
它是由某些金属氧化物按不同的配方制成的。
在一定的温度范围内,根据测量热敏电阻阻值的变化,便可知被测介质的温度变化。
光耦:
光耦合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。
它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。
当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。
以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。
工作原理:
耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得1553b耦合器线缆接头到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。
所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大提高计算机工作的可靠性。
Buck电路分析:
Boost电路分析:
Flyback电路分析:
二、开关电源的原理及框图
1)开关电源基本原理:
开关电源:
用半导体功率管作为开关,将一种电源形态转变为另一种形态的主电路叫开关转换器;转换时用自动控制闭环、稳定输出并有保护环节则称开关电源。
开关S以一定的时间间隔重复的接通和断开,在S接通时,输入电源Ui通过开关S和电感L滤波电路提供给负载RL,在整个开关接通期间,电源Ui向负载提供能量,同时电感L储存能量;当开关S断开时,储存在电感L中的能量过二极管VD释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量。
在滤波电路AB间得到的电压平均值UAB可用下式表示:
UAB=tON/T*Ui
tON为开关每次接通时间,T为开关通断的工作周期。
由式可知,改变接通时间和工作周期的比例,AB间电压的平均值也随之改变。
因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整tON和T的比例便能使输出电压Uo维持不变。
改变开关接通时间tON和工作周期T的比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比例控制”。
[2]
2)开关电源工作框图:
开关电源由6部分组成:
1)保护电路;
2)输入整流滤波器:
包括从220V交流电到输入整流滤波器的电路;
3)功率开关管及高频变压器;
4)控制电路(PWM):
包括振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器
即uc3842及其周边电路。
它产生脉宽调制信号,占空比受反馈电路控制;
5)输出整流滤波器;
6)反馈电路
输出整流滤波器
输入保护电路
输入整流滤波器
功率开关管及高频变压器
反馈电路
控制电路
三、开关电源的原理图
1)保护电路
上图
(1)侧为输入保护电路,当发生雷击时,电路产生高压导入电源,ZNR为压敏电阻,此时电阻急剧下降,使ZNR、保险丝FUSE1和电源形成回路,电流一时过大,烧毁保险丝,保护后级电路
2)输入整流滤波器
上图
(2)侧位输入整流滤波器
1、滤波部分:
涤纶电容CX1、滤波器L1组成LC滤波网络,对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制,防止对电源干扰,同时也防止电源自身产生的高频杂波对电网的干扰。
当电源开启瞬间,对E1充电,因而瞬间电流很大,加了热敏电阻TH1后,可有效防止浪涌电阻。
一段时间后,TH1受其特性影响,阻值下降,消耗能量很小,后级电路能正常工作。
2、整流部分:
交流电通过桥式整流后,经E1滤波后得到除杂除噪后的直流电压。
若E1的容量变大,输出的交流纹波会变小。
3)功率开关管及高频变压器
见下页图中圈圈部分,分别为功率开关管和高频变压器。
开关三级管U2的基级与发射级之间连一个R7,当取样电阻一端即U2基极到达一定电压,三极管导通,uc3842输出端导通。
高频变压器将高频率因数直流电(高压交流电经输入整流滤波所得)转化为高频方波矩阵脉冲电压
4)控制电路
①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性
②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度;
③脚为电流检测输入端,当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态;
④脚为定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT×CT);
⑤脚为公共地端;
⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A;
⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW;
⑧脚为5V基准电压输出端,有50mA的负载能力。
220V市电由C1、L1滤除电磁干扰,负温度系数的热敏电阻Rt1限流,再经VC整流、C2滤波,电阻R1、电位器RP1降压后加到UC3842的供电端(⑦脚),为UC3842提供启动电压,电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压,另一方面经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端②脚,为UC3842提供负反馈电压,其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小,以此稳定输出电压。
④脚和⑧脚外接的R6、C8决定了振荡频率,其振荡频率的最大值可达500KHz。
R5、C6用于改善增益和频率特性。
⑥脚输出的方波信号经R7、R8分压后驱动MOSFEF功率管,变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组,经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。
电阻R10用于电流检测,经R9、C9滤滤后送入UC3842的③脚形成电流反馈环.所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统,电压稳定度非常高,当UC3842的③脚电压高于1V时振荡器停振,保护功率管不至于过流而损坏。
电路上电时,外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。
在启动电源的作用下,芯片开始工作,脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。
功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚,维护系统的正常工作。
电路正常工作后,取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器,与内部的基准电压进行比较,产生的误差信号送到脉宽调制电路,完成脉冲宽度的调制,从而达到稳定输出电压的目的。
如果输出电压由于某种原因变高,则2脚的取样电压也变高,脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄,则开关功率管的导通时间变短,输出电压变低,从而使输出电压稳定,反之亦然。
锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波,其周期取决于4脚外接的RC网络。
所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器,作为其工作周期,脉宽调制器输出的脉冲周期不变,而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。
5)输出整流滤波器
E3、E4、L2构成滤波电路,对尖峰电流进行滤除。
6)反馈电路
利用光耦817c和3022反馈,将反馈结果返会uc3842,在进行控制占空比。
四、测试平台
五、测试数据
六、数据分析
由图与表可得:
电压稳定度Su=△Uo/Uo|I=IMAX=0
负载稳定度Su=△Uo/Uo=0.003
转换效率n=Po/P×100%=43.3%
220V时,纹波电压Fr=80mV
占空比为D1=tON/T=0.07
D2=tON/T=0.14
由这些数据可知,该开关电源电压稳定度与负载稳定度非常好,转换效率一般,纹波较小,占空比可控。
七、心得体会
通过本次课程设计,学会了一些专业概念,学会去寻找资料,自我学习,明白了什么是开关电源,如何去制作开关电源,以及如何进行测试分析,收获很多。
首先,在进行设计之前的基础知识的学习很重要,要明白其中原理,并懂得去组合融合应用。
不懂要去寻找资料进行学习。
再之,提图真的很辛苦。
不过个人认为方法很重要,我是先在纸的一面标记元器件,再在纸的另一面根据板子描线路,这样路线不容易错,不过注意芯片的引脚不要搞错了,在画protues图时将纸上的原理图换过方向看画起,就OK啦。
当然还要顺着电流流向再走一遍,确保不弄错。
最后,出现问题要翻一翻故障维修书。
个人的脑子比不过前人经验啊。
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