俊贤电力电子课程设计报告书.docx

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1、实训设计说明书 课程名称： 电力电子技术实训设计 设计题目： 开关恒流电源设计 专 业： 电气工程及其自动化班级：电自1303班学生姓名: 陈俊贤 学 号: 13404600107 指导教师: 李祥飞 2016 年 5 月 11 日1.引言电力电子技术课程设计是电气、电子、机电及其相关专业教学中的一个重要组成部分。通过电力电子技术课程设计的训练，可以全面调动学生的主观能动性，融会贯通其所学的电路、电子技术、自动控制和电力电子技术等课程基本原理和基本分析方法，进一步把书本知识与工程实际需要相结合，实现知识向技能的转化。在电路设计过程中，为了检验所设计的电路性能，必须搭建实际电路，以实验方式检验和

2、联调电路，整体设计过程不仅研制时间长、而且人为因素较大，其设计质量取决于设计者准备工作是否充分，也取决于设计者的经验、技能、信心和耐心。了解、掌握和考核相关应用技术重点和难点就是学习和应用一些工程设计方法和技能，包括了以下几个方面：（1）技术文献的应用，利用图书、论文和网络资源查找相关和相近的信息，整理和索取所需的资料和参数。（2）至少掌握一种电路设计辅助软件，本课程设计只要求掌握altium desinger或protel99se，以及相类似电路设计辅助软件。（3）掌握和使用PCB制板、电路制作工艺，本课程设计对PCB制板和电路制作工艺要求较高，也是课程设计是否成功和达标的关键。（4）掌握基

3、本测试仪器使用技能，本课程设计要求掌握的仪器有万用表、示波器等。（5）掌握构建实验和测试条件的方法，课程设计当中往住是分步骤和分测试模块进行的，因此分布构建各步骤和测试模块，成为实验和测试的关键。（6）掌握和使用multisim、saber 、proteous和matlab 等工程设计软件，辅助设计电路的基本方法。2.设计任务（1） Buck Chopper开关电源设计，要求正确选择控制方案，查阅参考资料。 设计题：设计buck AC/DC 变换器。电源电压Vs=220V，额定负载电流11A，最小负载电流为1.1A，开关频率fs=20khz 。；纹波小于1。要求最小负载时电感电流不断流。计算输

4、出滤波电感L和电容C要求输出电压Vo=60140V可调，求占空比。满足条件，求输出电压最大调整范围；（2）绘制电气控制原理图，包括主电路图，并进行仿真验证；（3）运用HV9910芯片制作恒流电路；（4）根据安装接线图，进行实物连接，调试；（5）编制完整的设计说明书。3.设计计算4.电路仿真验证4.1 AC-DC 仿真设计并制作如图1所示开关稳压电源。AC-DC电路如图1所示，由交流电压源，二极管组成的整流桥，电解电容和无极性电容组成。图1 AC-DC电路图各器件仿真参数如表一所示。表1 AC-DC电路器件仿真参数表序号名称数据库组系列参数设置1AC-POWER主数据库SourcesPOWER_

5、SOURCES220V,50HZ21N4007GP*4主数据库DiodesDIODE1N4007GP3电解电容主数据库BasicCAP_ELECTROLIT22uf4电容主数据库BasicCAPACITOR100uf5ground主数据库BasicPOWER_SOURCES AC-DC仿真结果如图2和图3所示，其中图2交流输入波形，图3整流滤波后输出的波形。从图中可看出交流输入的峰值为310V，有效值为220V，满足峰值和有效值的公式 ：交流有效值为峰值的0.707倍;直流输出为310V，整流后的波形为输入的1.4倍。（差一句）图2 交流输入波形图3 整流滤波后输出波形图4 输出输入波形比较4

6、.2 DC-DC仿真1设计并制作如图1所示开关稳压电源。DC-DC电路如图1所示，由直流电压源，二极管，mosfet管，脉冲信号源，电解电容，电感和负载组成。图1 DC-DC电路图各器件仿真参数如表一所示。表1 DC-DC电路器件仿真参数表序号名称数据库组系列参数设置1BIPOLAR_VOLTAGE主数据库SourcesSIGNAL_VOLTAGE_SOURCEPositive Pulse Voltage ：10VNegative Pulse Voltage ：10VDuty Cyde :60%Frequency:100khz2DC_POWER主数据库SourcesPOWER_SOURCES1

7、2V3IRF840主数据库TransistorsMOS_3TENIRF8404ground主数据库BasicPOWER_SOURCES5DIODE_VIRTUAL主数据库DiodesDIODE_VIRTUALDIODE_VIRTUAL6电解电容主数据库BasicCAP_ELECTROLIT22uf7电阻主数据库BasicRESISTER28电感主数据库BasicINDUCTOR3mhDC-DC仿真结果如图2所示，其中图2交流输入波形，图3整流滤波后输出的波形。从图中可看出交流输入的峰值为310V，有效值为220V，满足峰值和有效值的公式 ：交流有效值为峰值的0.707倍;直流输出为310V，整

8、流后的波形为输入的1.4倍。（差一句）图2 DC-DC输入输出电压波形图脉冲要波形如图A所示 图A4.3 DC-DC仿真2设计并制作如图1所示开关稳压电源。AC-DC电路如图1所示，由交流电压源，二极管组成的整流桥，电解电容和无极性电容组成。图1 DC-DC电路图各器件仿真参数如表一所示。表1 AC-DC电路器件仿真参数表序号名称数据库组系列参数设置1BIPOLAR_VOLTAGE主数据库SourcesSIGNAL_VOLTAGE_SOURCEPositive Pulse Voltage ：10VNegative Pulse Voltage ：10VDuty Cyde :60%Frequenc

9、y:100khz2DC_POWER主数据库SourcesPOWER_SOURCES12V3IRF840主数据库TransistorsMOS_3TENIRF8404ground主数据库BasicPOWER_SOURCES5DIODE_VIRTUAL主数据库DiodesDIODE_VIRTUALDIODE_VIRTUAL6电解电容主数据库BasicCAP_ELECTROLIT22uf7电阻主数据库BasicRESISTER28电感主数据库BasicINDUCTOR3mh图2 DC-DC输入输出电压波形图Buck Chopper电源电路的原理分析，定量计算，学习和运用有关的辅助设计工具，进行相关的设

10、计、制作、调试和测试。4.开关恒流源实物设计4.4 Buck AC/DC仿真设计并制作如图1所示开关稳压电源。Buck AC/DC电路如图1所示，由交流电压源，二极管组成的整流桥，电解电容和无极性电容，脉冲信号源，电感，负载组成。图1 Buck AC/DC电路图各器件仿真参数如表一所示。表1 AC-DC电路器件仿真参数表序号名称数据库组系类参数设置1AC-POWER主数据库SourcesPOWER SOURCES220V 50Hz21N4007主数据库DiodesDIODE31N4007主数据库DiodesDIODE41N4007主数据库DiodesDIODE51N4007主数据库Diodes

11、DIODE6R1主数据库BasicRESISTOR1M7C1主数据库BasicCAP ELECTROLIT22uF8C2主数据库BasicCAPACITOR100nF9BIPOLAR-VOLTAGE主数据库SourcesSIGNAL-VOLTAGR-SO.10V 100KHz10DIODE-VIRTUAC主数据库DiodesDIODES-VIRTUAC11L1主数据库BasicINDUCTOR3mH12C3主数据库BasicCAP ELECTROLIT22uF Buck AC-DC仿真结果如图2和图3所示，其中图2输入输入电压的波形，图3输入输出纹波的波形。从图中可看出交流输入的峰值为310V

12、，有效值为220V，满足峰值和有效值的公式 ：交流有效值为峰值的0.707倍;直流输出为310V，整流后的波形为输入的1.4倍。图2 输入输出电压波形图图3输入输出纹波波形图5.Buck Chopper工作原理原理如图2和图3所示。图2图3（1）导通状态（2）截止状态（3）输入输出关系称为占空比6HV9910介绍HV9910 是 PWM 高效率LED驱动IC。它允许电压从 8VDC 一直到 450VDC而对HB LED有效控制。 HV9910通过一个可升至 300 KHz的频率来控制外部的 MOSFET，该频率可用一个电阻调整。 LED串是受到恒定电流的控制而不是电压, 如此可提供持续稳定的光

13、输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从MA级到1.0A。HV9910 使用了一种高压隔离连接工艺，可经受高达 450V的浪涌输入电压的冲击。对一个LED串的输出电流能被编程设定在0和他的最大值之间的任何值，它由输入到HV9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另外，HV9910也提供一个低频的PWM调光功能，能接受一个外部达几KHz的控制信号在0-100的占空比下进行调光。器件极限参数Vin to GND .-0.5V to +470VCS.-0.3V to 0.8VLD, PWM_D to GND.-0.3V to (Vdd -0.3V)GATE to GND.-0.3V to (Vdd

14、+ 0.3V)Continuous Power Dissipation (TA = +25C) (Note 1)16-Pin SO (derate 7.5mW/C above +25C) .750mW8-Pin DIP (derate 9mW/C above +25C) .900mW8-Pin SO (derate 6.3mW/C above +25C) .630mWOperating Temperature Range .-40C to +85CJunction Temperature.+125CStorage Temperature Range.-65C to +150C封装信息典型应用及

15、工作原理AC/DC 交流输入应用 HV9910 是一个低成本的可压, 升压, 升压的控制芯片特别适合设计驱动多串LED或LED阵列.该芯片既适用于全球通用的AC交流输入, 也适用于8450V的直流输入. 交输入时, 为提高功因素, 通过由EN 61000-3-2 Class C所规定的照明设备的交流谐波的限制,在输入功率小于25W, 可很容易的在线中加入无源功因素校正电得以实现. HV9910可驱动上百个高亮度的LED联或数高亮度的LED, 这些LED能被设计成一串或串并联结合的方式, HV9910通过调节恒值可确保LED和光谱并延长寿命. HV9910的特色是使能脚PWM_D可采用脉宽调制(

16、PWM)的方法调节LED, 同时兼作使能端，该端悬空时芯片无输出控制。HV9910也可通过LD端线性调压的方式连续调节LED的输出电流从而控制(也叫线性调光).HV9910内部包含了一个高压线性电源,它向内部所有线路提供能量,也可以提供给外部低压电路. LED 驱动控制 HV9910可控制包括隔离/非隔离, 连续/非连续等类所有的转换器. 当GATE端输出高电平驱动外部的功率MOSFET时, LED驱动器将储存到电感或变压器原边电感的输入能量,依赖不同的转换器类型,可能储能和将部分能直接传LED，当功MOSFET关断时, 储存在磁性元件上的能转换为LED串的驱动电. (工作在Flyback 模

17、式). 当 VDD电压大于UVLO时，GATE端可以输出高电平. 此时输出电通过限制外部功MOSFET的峰值电的方式工作.外部电采样电阻与功MOSFET的源 极 联 , 此采样电阻的电压反馈到HV9910的CS pin脚, 当CS pin脚的电压超过峰值电的设 定的阈值电压时, GATE的驱动信号结束, 功管关断. 此峰值电比较仪的阈值电压 在内部设定值为 250mV, 亦可通过LD pin在外部设定 .当需要软启动时, 在LD pin连接一个电容,从而允许电压按期望的的速率上升, 因此,确保LED的输出电流是逐渐上升的.很明显,一个简单的无源功因素校正电, 由 3 二极管和 2 电容组成,应

18、用线路显示如图1.供电电流 HV9910 需 要 1mA 的启动电流.如框图所示, 此电流由 HV9910的内部产生,无需象其它的电路中需加一个大的启动电阻. 此外,在 HV9910的应用中,它能用内部的线性电源连续的向内部的所有线路提供7.5V的电压. 设定输出电流 如图1, 选择降压拓扑时, LED中的平均电流是 CS 的峰值电压的一个好的表现. 然而,运用这种电流采样方法,有一个相关连的误差需要被计算进去 .此误差的提出是因为电感中的平均电流和峰值电流是不同的.例如电感纹波电流的峰峰值是150mA,要得到500mA的LED电流, 该采样电阻应为 : 250mV/(500mA+ 0.5*1

19、50mA) = 0.43. 调光 有两种方式可以实现调光,取决不同的应用,可以单独调节也可组合调节. LED 的输出电流能被控制, 也能被线性调节改变, 或通过控制电流的开关来维持电流的不变. 第二种调光方式(叫PWM 调光)通过改变输出电流的占空比来控制LED的亮度. 线性调光通过调节LD pin脚电压从0到250mV而实现，该控制电压优先于内部CS pin设定值250mV , 从而可输出电流实现编程. 例如, 在 VDD和地之间接一个分压器,设定CS pin 的控制电压. 当分压器设定的控制电压超过250mV将不会改变输出电流. 如希望更大的输出电流, 可以选择一个更小的采样电阻. PWM

20、 调光通过外部PWM信号加在PWM_D pin 端而实现. 该PWM 信号可由微控制器或由脉冲发生器按希望的LED的亮度以一定的占空比来实现. 在此PWM 方式下, 以该信号的有效和失效转换来调节LED的电流. 在此模式,LED的电流处在这两种状态之一: 零或由采样电阻设定的正常电流. 它不可能用这个方法去达到比HV9910用采样电阻设定的水平更高的平均亮度 . HV9910 用 这 种 PWM控制方法,这灯的输出只能在零到100%之间调整. 此PWM调光方法的精度仅仅取决于GATE的最小脉宽的限制, 即此频率的占空比的百分比. 这里有一些由应用线路图1,给出的典型的波形阐明PWM 调光方法如

21、下. CH1是指MOSFET的漏极电压, CH2是给PWM_D脚的 PWM 信号和CH4是LED灯串的电流. 工作频率设定 振荡器的工作频能被用一个外部电阻ROSC在25kHz到300 kHz之间设定: FOSC =25000/(ROSC k + 22) kHz 功率因数校正LED驱动器的输入功率超过25W时, 为了通过标准EN61000-3-2 Class C 的AC谐波的限制, 如 HV9910 的应用线路图1, 可以加一个简单的被动功率因数校正电路. 这个典型的应用电路线图表示怎样加这个线路而不影响电路的其它部分. 一个由3个二极管和 2个电容器的简单电路被加在ac整流输入的后面去改善输

22、入电流的谐波失真和达到功率因数大于 0.85.电感设计 提及典型的应用电 ,可以从电感中计算得到希望的 LED波纹电的峰峰值. 但在典 型的应用,这样的波纹电被选取为正常的LED电的30%. 在这个子中正常电流ILED是350mA.下一步是得出 LED灯上的总电压. 如, 当灯由10高的LED组成每个二极管在它的额定电的正向压为3.0V; 则LED串的总电压VLEDS是30V. 可以知道正常的整流后的输入电流Vin=120V*1.41=169V,由此可以决定开关的占空比：D=VLED/VIN=30/169=0.177.然后，给出开关频率，fOSC =50KHz,这样需要计算功率管MOSFET的

23、导通时间：TON=D/FOSC =3.5微秒由此这些必需的值，可以计算出电感: L=(VIN - VLEDS)*TCN/(0.3*ILED)= 4.6 mH 输入大电容输入滤波电容应该设计在能保持整个AC线电压周期被整流后的电压高于LED串电压的两倍。假定15%的相关电压的纹波穿过电容器，一个简单的公式能给出此输入大电容器的最小值：CMIN=ILED*VLEDS*0.06/VIN2 CMIN=22UF,这里选用22UF/250V.在被动的PFC电路中需要在输入端使用两个容值为计算出的CMIN的电容串联。这两个电容中的每一个应为输入电压的1/2和容量的两倍使能控制HV9910能被关断当PWM_D

24、 pin连接到地，此时，HV9910所消耗的静态电流小于1mA7.参数设计电容的参数： C1=22UFC2=0.01UF C3=0.1F 电感的参数： L1=3.3mH电阻的参数:R11=100K R2=0.62 R13=15K R14=15K 8. 原理图设计9.PCB设计10.波形测试实物验证1、 AC-DC2.DC-DC3. 测试图4、测试结果（1）外特性测试（2）负载特性测试（3）波形测试门极驱动信号电感信号负载信号5.总结 这几天我学会了使用MULTIMSM这个软件，当然这个软件的目的就是为了设计电路并仿真。电路如果没有经过模拟仿真就直接焊板子的话，可能会导致直接烧掉或者有所误差。其

25、实multisim的功能非常强大，囊括了直观的图形界面，大量的元器件库，丰富的测试仪器，以及强大的仿真能力。首先我们制作的是AD/DC的桥式整流和半波整流，以及结合两个BUCK电路进行并联测试。 AD/DC的电路制作出来之后，很多东西都变得轻车熟路，使用万用表，示波器对输入输出电压的测量，波形图的调试，例如在宽度，比值对波形进行调控，让波形能更完整地表现出来。而且有时候如果你不太了解元器件的作用，你可能没办法得到想要的输出电压和波形。例如电容C的整流，桥式整流的接法，占空比的变化啊，改变电容和有极性电容时的输出电压变化。 熟悉基本电路知识后，我们利用HV9910芯片作开关恒流电源的设计。其中最

26、让我们感到困难的是PCB板的布局，由于CMOS管极易受到电感的干扰，使得测出波形发生畸变，所以为了使效果达到最好，我们在老师的建议下选择了一条电源正方向与电源负方向平行的主接线路，并且各独立电路各元器件的焊接尽量不交接。 接下来便是电路的焊接了，大二曾经进行过实物的链接的经验，所以这对我们来说还是挺容易的。 但我们还是在过程中遭遇到了瓶颈：我们摆放好了各元器件，然后依次按电路图焊接，但越到后面发觉各元器件不是光想好了布局就能轻松应付得来，首先是HV9910芯片管脚的排列给我们焊接带来不小难度，由于我们将其是上下放置，所以上接主电路很清晰，但下接回路出现了问题，因为继续下去，我们在接地这个问题上

27、形成了对整个电路的包围，而这是不能允许的，由此我们在这展开了激烈的讨论，不过最后我们还是抱着侥幸的心理在这条路上越走越远。所以我们后来的结果不甚理想，出现了很多干扰，导致了我们此次实验的失败。 这几天实训下来，我个人感觉还是比较充实的，我个人也感觉收获了不少。这不仅仅是使用一个软件这么简单，并且是对个人能力的一个显著的提高。而且我们也学习了很多元器件的作用啊，使用方法啊，结构啊，使用途径啊。还有一种对电路问题的仔细研究和仔细的分析。感谢学校领导对此次实训的投入，感谢指导老师的耐心教导，我们通过此次电子实训，开阔了眼界，丰富了学习生活。 11.总结（要求：说明你通过这几天学习和实践学到什么基本技能，另外说明你对这此课程设计真实感言）（小4号宋体，20磅行距）注：1正文中表格与插图的字体一律用5号宋体；2 正文各页的格式请以此页为标准复制。