开关电源论讲课讲稿.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源论-基于UC3842的开关电源面板灯恒流电源30W/60W要求1.输入要求：1.1输入电压/频率90264VAC4763Hz1.2输入电流1.3浪涌电流（冷启动）40AMax1.4功率因数0.92(80%负载）1.5转换效率85%（满载）2.输出要求：2.1输出电压36V(MAX)2.2输出电流2.3输出纹波3%Vp-p（Max）2.4开机延时时间3SMax2.5上升时间150mSMax3.保护要求：3.1短路保护3.2过载保护120%负载4.环境可靠性要求：4.1高温工作604.2低温工作-3

2、04.3高低温储存-30604.4高温高湿工作+4093%RH4.6振动10300Hz,g=1.0G(位移3.5mm),X,Y,Z轴各振动1h5.EMC要求：5.1EMIEN55022:2006CLASSB5.2EMSEN61000-3-2,3EN61000-4-2,3,4,5,6,8,116.安规要求：6.1介电强度I/P-O/P3.75KVAC1Min10mA6.3漏电流50M目录面板灯恒流电源30W/60W要求2目录3摘要4Abstract51原理图设计61.1原理图设计步骤61.2原理图71.2.1输入模块71.2.2输出模块71.2.3线圈计算82功能描述83PCB板的制作93.1P

3、CB板的绘制一般步骤103.2PCB制作过程103.3PCB板图（略）104设计中遇到的问题105心得体会116参考文献12附图：电路原理图13基于UC3842的开关电源茹成20082270（中南林业科技大学计算机与信息工程学院，湖南长沙，410004）摘要随着计算机、电子技术的发展，电子技术的应用领域越来越广，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，他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，使得电源以轻、薄、小和高校为发展方向。传统的晶体管串联可调稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种电源的技术比较成熟，并且有大量的集

4、成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但通常须与体积大且笨重的工频变压器和滤波器。由于晶体管工作在线性工作状态，为了保证输出电压的稳定，其集电极发射极之间必须承受较大的压降，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般为45%左右。另外由于调整管消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并占有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备的要求。二十世纪五十年代美国宇航局以小型化、重量轻为目标，伟大在火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的时间里，开关电源因体积小、质量轻、效率高、发热量低、性能稳定等有点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛运用于电子整机与设备中。二十世

5、纪八十年代，计算机全面实现开关电源化，率先完成计算机的开关电源换代。九十年代，开关电源在电子电气设备、家电领域中得到了广泛应用，开关电源进入快速发展时期。到本世纪，我国通信、信息、家电和国防领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源被逐渐淘汰。国内开关电源技术的发展基本起于上个世纪的七十年代末和八十年导初。当时引进的一些开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段。八十年代中期开关电源产品开始推广和应用。二十世纪八十年代开关电源的特点是采用20KHz，脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%70%。经过几十年的发展开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高

6、频化，功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源工作平率达400KHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC），软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少开关电源的体积和质量，而且提高了开关电源的效率，现在国产的6KW通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93%；控制技术的发展以及专用芯片的生产，不仅使得电源电路大幅简化，而且是电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因素的校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因素，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。在所有的开关电源应用领域内，通信电源是增长速度最快的一部分。新型磁材料和新型变压器的开发，新型

7、电容器和EMI滤波技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。新型半导体器件的开发是开关电源技术进步的龙头，高性能碳化硅半导体器件一旦研制成功，对于开关电源技术的影响将是革命性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。另外，集成化是开关嗲家园技术的另一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了瓦外部连线和焊接，以提高设备的可靠性，缩小了电源的体积，缉拿清了电源

8、质量。目前，DC/DC快关电源的功率密度可达到120W/in3。总之，高效化、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。AbstractWiththeapplicationareasofthecomputer,electronictechnology,electronictechnologyenlarged,allkindsofelectronicequipmentandtheirrelationshipbetweenthemandourhumanbeingsaredailyclose.Anyelectronicdevicecannotworkwithoutreli

9、ablepowerandtheirrequirementsonpowersupplyaremoreandmorestick.Miniaturizationandlowercostofelectronicdevices,whichmakingthepowersupplytobelighter,thinner,smaller,andmoreefficient.Conventionaltransistorsinseriesadjustablepowersupplyisalinear,continuous,controllablepowersupply.Thepowersupplytechnology

10、isrelativelymature,andtherearealargenumberofintegratedlinearpowersupplymodule,withastableperformance,theoutputripplevoltageissmallandreliable.Butthefrequencytransformerandfilterisbulkyandheavy.Astransistorsoperatinginthelinearworkingconditions,inordertoensurestableoutputvoltage,thevoltagebetweencoll

11、ectorandemitterishigh,resultingingreaterpowerregulator,powerefficiencyisverylow,usuallyabout45%.Inaddition,astheregulatorconsumeshigherpower,sotheneedtoadopthigh-powertransistorandoccupiesalargevolumeoftheradiator,itisdifficulttomeettherequirementsofmodernelectronicdevices.Inthepastfifties,NASAsetli

12、ghtweightandsmallasthegoal,developedtheswitchingpowersupplyfortherocket.Inthepasthalf-century,switchingpowersupplyduetosmallsize,lightweight,highefficiency,lowheat,stableperformancegraduallyreplacedthetraditionaltechnologytoproducecontinuouspower,andiswidelyusedinelectronicmachineanddevice.Intheeigh

13、tytwenties,computerwereallsuppliedbyswitchingpower.Nineties,switchingpowersupplyhasbeenwidelyusedinelectricalandelectronicequipment,householdappliances,switchingpowersupplywasbeinginthephaseofrapiddevelopment.Uptothiscentury,high-frequencyswitchingpowersupplyarewidelyusedincommunications,information

14、,homeappliancesanddefense,Phasecontrolpowersupplywasgraduallyphasedout.Thedevelopmentofthedomesticbasicswitchingpowersupplytechnologyinthelastcenturyfromthelateseventiesandearlyeighties.Someswitchingpowersupplywasintroducedinanumberofresearchinstitutes,universitiesbutremainintheresearchingandteachin

15、gstages.Inmiddleeighties,begantopromoteswitchingpowersupplyproductsandapplications.Intwentyfirstcentury,thecharacteristicsoftheeightiesoperatingfrequencyis20KHz,pulsewidthmodulation(PWM)technologyanditsefficiencyupto65%to70%.Afterseveraldecadesofdevelopmenthasbeensignificantprogressandbreakthroughsi

16、nswitchingpowersupplytechnology.Thedevelopmentofnewpowerdevicesforhighfrequencyswitchingpowersupply,powerMOSFETandIGBTmakethatworkingat400KHzforAC/DCand1MHzforDC/DCinmediumandsmallswitchpowersupply,soft-switchingtechnologymakehighswitchingfrequencypossible,whichnotonlycanreducetheswitchingpowersuppl

17、yvolumeanditsweights,butalsoimprovetheefficiencyofswitchingpowersupply,nowdomestic6KWcommunicationswitchingpowersupply,whichusethesoft-switchingtechnology,itsefficiencyupto93%;DevelopmentofcontroltechnologyandASIC,notonlymadesubstantialsimplificationofthepowercircuit,butalsothedynamicperformanceandr

18、eliabilityareallincreased;Developmentinthepowerfactorcorrection(APFC),improvethepowerfactorofAC/DCswitchingpowersupply,whichcancontroltheharmonicpollution,atthesametimeitimprovestheoverallefficiencyofswitchingpowersupply.Inallapplicationsoftheswitchingpowersupply,thecommunicationpoweristhefastest.Ne

19、wmagneticmaterialsandthedevelopmentofnewtransformers,newtechnologyofcapacitorsandEMIfiltering,andthesuccessofspecializedintegratedcontrolchipforswitchingpowersupplytoachievetheminiaturizationandimprovedEMCperformance.Microprocessorcontroltechnologyimprovedthereliabilityofpowersupply,butalsotoadaptto

20、themarketforitsintelligencerequirements.Thedevelopmentofnewsemiconductordevicesandtechnologicalprogressistheleadingforswitchingpowersupply,high-performancesiliconcarbidesemiconductordeviceoncewassuccessfullydeveloped,theimpactoftheswitchingpowersupplytechnologyisrevolutionary.Inaddition,theplanartra

21、nsformer,piezoelectrictransformers,capacitorsandothernewdevelopmentwillalsoplayanimportantroleinthedevelopmentofpowertechnology.Inaddition,theintegratedswitchingpowersupplytechnologyisanotherimportantdirectionofdevelopment.Throughtheintegratedcontrolcircuit,integrateddrivercircuitandtheintegratedpro

22、tectioncircuits,whichfinallytotheintegrationofmachineproduction.Integratedandmodularreduceexternalconnectionsandwelding,inordertoimproveequipmentreliability,reducethepowerofthevolumeandweight.Currently,thepowerdensityDC/DCswitchingpowersupplycanreach120W/in3.Inshort,efficient,small,integrated,intell

23、igentandhighreliabilityisthetrend,butalsothefuturedirection.1原理图设计1.1原理图设计步骤（1）进入ProtelDXP，创建一个工程文件，选择菜单File/New命令，双击框中原理图服务器（SchematicDocument）图标，建立原理图设计文档，进入原理图设计界面。（2）在设计管理器中选择BrowseSCH页面，在Browse区域中的下拉框中选择Library，然后单击ADD/Remove按钮，在弹出的窗口中寻找Protel99SE子目录，在该目录中选择LibrarySCH路径，在元件库列表中选择所需的元件库，Miscella

24、neousDevicesDdb，ProtelDos库等，单击ADD按钮，即把元件库增加到元件库管理器中。（3）根据实际电路的需要，到元件库中找出所需的元件，然后用元件管理器的Place按钮将元件放置在工作平面上，按Space旋转元件位置，再用电器线将个元件连接好同时对元件进行编号、封装和设定。（4）选择菜单Tool/REC对画好的电路原理图进行电气规则检查。如果有错误，根据错误情况进行改正。1.2原理图面对元件较多，功能较复杂的系统，适合采用模块化的设计方法，此处，我们即是使用模块化的设计方法，先设计电源的输入和输出电路，再设计控制芯片电路，最后设计变压器线圈。1.2.1输入模块输入模块电路如

25、下图1：图1输入电路电路中PE为保护地，F1是保险管，C1，C2，EMIfilter构成了输入滤波电路以滤除电网中尖峰电压和谐波。DA，DB是肖特基二极管，当输入电压超过设计值时肖特基二极管将会反向导通，过大的电流将会是保险管F1烧断而保护电路。温敏电阻RT则是为了减小浪涌电流，常温时阻值约为612，加热后阻值只有0.51。整流桥后的滤波电容在上电的一瞬间将要吸收大量能量而使得电路出现巨大浪涌电流，滤波电容越大浪涌电流越大，因而在保证电容够用的前提下，滤波电容尽量去较小的容量。其取值可以根据以下公式进行计算：1.2.2输出模块输出模块电路图如图2：图2输出电路原理图为了得到更好的电压特性，采用

26、单层双组的方式对输出进行供电，经过D11，D12整流在经过T3和C14滤除纹波电压和C滤除尖峰电压后输出。为了保护好电源和用电设备，在电路的输出级上加上了过电压和过电流保护电路。Rcs和Qs构成了过电流保护电路，当时三极管将导通并把集成芯片的引脚1强拉为低电平，从而使得集成芯片停止工作。过电压时也是通过Qv1使得电路过电流使得集成芯片停止工作从而达到保护的目的。1.2.3线圈计算磁芯选用MPP环形磁芯，尺寸为1.5in，38mm。一次电感最小值为为防止磁饱和所需气隙为最近近的磁芯气隙为100mH/1000匝；一次绕组最大匝数为次级线圈匝数为2功能描述电路的功能是将95246V的交流电压转变为3

27、6V的直流，功率为60W。整个电路由输入滤波电路、整流电路变压电路、输出整流滤波电路、输出保护电路、开关控制电路和集成电路供电电路构成。输入滤波电路时将公共电网的电源进行滤波。由于公共电网电压存在谐波和由于其他用电设备的启动和停止将会在电网上形成尖峰电压或其他干扰以及来自于电磁波的干扰，需要先进性滤波以得到合乎要求交流电源。滤波后得到的仍为交流，为了得到直流电压需要进行整流，整流后的脉动直流纹波电压过大，不能满足我们的要求，因此还要滤波，使得纹波电压在规定的范围内。要将较高直流电压转变为较低的直流电压，要变压器和开关电路。通过频率较高的开关电路将初级线圈能量转化为磁场能量在转变为次级线圈的高频

28、交流，整流滤波后即可以供给用电设备了。开关电路有开关管和开关信号构成。开关信号由集成芯片提供。通过对输出进行采样调整开关管的占空比以使输出电压达到基本稳定。集成芯片的工作频率有外界RC电路提供。当然，集成电路需要供电。在电源启动以前，集成电路由较高直流电路经分压后供电，电源启动后由变压器的采样线圈进行供电，在为集成电路提供电源的同时可以连接到反馈端，将输出电压反馈到控制芯片以调节开关管的占空比从而使得输出电压维持在允许的误差范围内。最后，为了给用电设备提供一个安全、可靠的电源，在输出端加入了过电流、过电压保护电路。在出现过电压或者过电流后会使得集成芯片部分停止工作，电源也将停止工作，在故障消除

29、后电路能自动恢复到正常工作状态，电源和用电设备都将得到保护。3PCB板的制作利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。当然，有些特殊情况下，如电路板比较简单，已经有了网络表等情况下也可以不进行原理图的设计，直接进入PCB设计系统，在PCB设计系统中，可以直接取用零件封装，人工生成网络表。手工更改网络表将一些元件的固定用脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。将一些原理图和PCB封装库中引脚名称不一致的器件引脚名称改成和PCB封装库中的一致，特别是二、三极管等。3.1PCB板的绘制一般步骤选择菜单File/New命令，点击击框中PCB设计服务

30、器（PCBDocument）图标，建立PCB设计文档，进入PCB设计界面。选择菜单Design/Add/RemoveLibrary，在“添加/删除元件库”对话框中选取所有元件所对应的元件封装库，PCBFootprint。布线规则是设置布线的各个规范：通过DesignRules进行设置走线之间的间距、走线层面和方向、过孔形状和大小、走线线宽度等a.双面板制作b.VCC和GND线宽为1.2mm,c.其它走线宽度为0.8mm。d.过孔为外径2mm，内径为0.8mm。选择菜单Design/LoadNets，然后在弹出的窗口中单击Browse按钮，再在弹出的窗口中选择电路原理图设计生成的网络表.net文

31、件，如果没有错误，单击Execute，也可在Sch原理图菜单DesignUpdatePCB进行，如果出现错误提示，必须更改错误。调整元件封装，合理布局。ProtelDXP既可以进行自动布线也可以进行手工布线，但是一般要手工布线，那样才能符合特定要求以及避免一些电器规则出错最后做一次电器规则检查Tools工具DEC如果有错误则必须更改好，直到最终的PCB板完整做好。3.2PCB制作过程PCB制作流程放置变压器或者电感；布置功率开关管电流回路；不知输出整流器电流环路；把控制电路与交流功率电路连接；布置输入环路和输入滤波器；布置输出负载环路、输出滤波器和保护电路。另外就是把PCB尽量敷铜，为了将空白

32、区域填满，可以把电源线和地线加粗。这样做有两个好处：第一，改善变换器散热条件；第二，大面积的铜可以捕获射频能量，并通过涡流方式耗散。当然，电源通常是安排到最后来放置的，所以放置空间很小，位置也不够理想，所以有时候没有必要严格按照上面的步骤来设计PCB，而是在保证功能的前提下，做出最好的设计。3.3PCB板图（略）4设计中遇到的问题虽然以前做过几个课程设计，但是都是在已有电路板和元器件参数的基础上进行的，我们需要做的也只是将原器件焊接好，通过测试后再在芯片中写入程序即可，相对来讲比较容易，要实现的功能也不会很多，出现的问题也比较简单，通过简单的修改和调试既可以得到解决方案。然而这次的开关电源的设

33、计是完全自主的，我们得到的只是老师交给我们的产品要求，其他所有东西都要自己去查找资料，从产品的整体结构到元器件参数的确定，从电路结构到滤波方式都是从头开始。差不多所有的东西都是在查资料的过程学会的。在以前接触到的滤波电容都是很简单的，一个几十微法的电解电容并上一个几十皮法的瓷片电容就解决了，但是在开关电源中不仅要考虑到电容容量够不够用还要考虑到大电容对电路启动使得影响，比如大电容将增大浪涌电压，为了抑制浪涌电压又要使用温敏电阻来抑制较大的浪涌电流。在输出电路中还要设置保护电路以保护电源本身和用电设备。在用电设备中我们可以使用保险管等设备进行保护，但是在电源终究不是那么简单了，在电路故障消除后还

34、要求电源能自动恢复工作等等。5心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。在变压器磁芯的绕制过程中我们发现了一个问题，并很好的解决了。即是反激电源的反向电压与输出电压之间的关系，输出电压越低则变压器匝数比越大，变压器漏感越大，开关管承受电压越高，有可能击穿开关管、吸收电路消耗功率越大，有可能使吸收回路功率器件永久失效（特别是采用瞬变电压抑制二极管的电路）。在设计低压输出小功率反激电源的优化过程中必须小心处理，其处理方法有几个：1、采用大一个功率等级的磁芯降低漏感，这样可提高低压反激电源的转换效率，

35、降低损耗，减小输出纹波，提高多路输出电源的交差调整率，一般常见于家电用开关电源，如光碟机、DVB机顶盒等。2、如果条件不允许加大磁芯，只能降低反射电压，减小占空比。降低反射电压可减小漏感但有可能使电源转换效率降低，这两者是一个矛盾，必须要有一个替代过程才能找到一个合适的点，在变压器替代实验过程中，可以检测变压器原边的反峰电压，尽量降低反峰电压脉冲的宽度，和幅度，可增加变换器的工作安全裕度。一般反射电压在110V时比较合适。3、增强耦合，降低损耗，采用新的技术，和绕线工艺，变压器为满足安全规范会在原边和副边间采取绝缘措施，如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能，现实生产中可采用初

36、级绕组包绕次级的绕法。或者次级用三重绝缘线绕制，取消初次级间的绝缘物，可以增强耦合，甚至可采用宽铜皮绕制。反激电源变压器磁芯在工作在单向磁化状态，所以磁路需要开气隙，类似于脉动直流电感器。部分磁路通过空气缝隙耦合。由于功率铁氧体也具有近似于矩形的工作特性曲线（磁滞回线），在工作特性曲线上Y轴表示磁感应强度（B），现在的生产工艺一般饱和点在400mT以上，一般此值在设计中取值应该在200-300mT比较合适、X轴表示磁场强度（H）此值与磁化电流强度成比例关系。磁路开气隙相当于把磁体磁滞回线向X轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更大的磁化电流，则相当于磁心储存更多的能量，此能量在开关管截止时通

37、过变压器次级泻放到负载电路，反激电源磁芯开气隙有两个作用。其一是传递更多能量，其二防止磁芯进入饱和状态。反激电源的变压器工作在单向磁化状态，不仅要通过磁耦合传递能量，还担负电压变换输入输出隔离的多重作用。所以气隙的处理需要非常小心，气隙太大可使漏感变大，磁滞损耗增加，铁损、铜损增大，影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器磁芯饱和，导致电源损坏。需要在这里特别指出：由于反激电源的特点也比较适合设计成高压电源，而高压电源变压器一般工作在断续模式，高压电源输出需要采用高耐压的整流二极管。由于制造工艺特点，高反压二极管，反向恢复时间长，速度低，在电流连续状态，二极管是在有正向偏压时恢复，反向恢复时

38、的能量损耗非常大，不利于变换器性能的提高，轻则降低转换效率，整流管严重发热，重则甚至烧毁整流管。由于在断续模式下，二极管是在零偏压情况下反向偏置，损耗可以降到一个比较低的水平。所以高压电源工作在断续模式，并且工作频率不能太高。还有，通过这次设计我的动手能力提高了很多。以前只注重了理论学习，没有关注实践，也没有这样的机会，所以动手能力一直很差。比如在此之前的数电实验，我总是很快设计出了电路，可接下来的连线总是得不到理论得到的结果。有一次别的同学按我的电路图都连线成功了可我还没有成功，这充分体现出了理论和实际的脱节。而这次设计，弥补了我这个弱势，提高了我的动手能力，增加了自信。通过这次的实验，理解了电子线路的设计方法和流程，夯实了电子线路的基础知识。最后，特别感谢这次设计的指导老师和帮助过我的同学！6参考文献1MartyBrown著，徐德鸿等译开关电源设计指南机械工业出版社2邱关源电路第五版高等教育出版社，2006，53谈世哲ProtelDXP2004电路设计电子工业出版社，2006,8附图：电路原理图-