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[導(dǎo)讀]選用單端正激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D如下,因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì),也是開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用較多一種,并且它功率輸出在50~200W是最合適的。

電源技術(shù)要求


選用單端正激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D如下,因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì),也是開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用較多一種,并且它功率輸出在50~200W是最合適的。設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下:


輸入電壓:交流220V±10%

輸出電壓UO:15V

輸出電流IO:10A

紋波電壓UP:0.5V

輸出波動(dòng)電流IP:±0.1A

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開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟


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變壓器設(shè)計(jì)


1、輸出變壓器次級(jí)電壓U2計(jì)算


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UL是輸出扼流圈在內(nèi)次級(jí)線圈的電壓降,Uf是輸出二極管的正向電壓。


最低的次級(jí)電壓U2min為:

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2、初、次級(jí)線圈計(jì)算


輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的U1min值。根據(jù)中國(guó)輸配電情況U1=200~253V,則變壓比N為:

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根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2磁心材質(zhì)相當(dāng)于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可查得.實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約100℃,且要選擇能保持線性范圍的Bm,即0.3T以下。當(dāng)磁心溫度有100℃,工作頻率200KHz時(shí),約減少0.1T而成為 。根據(jù)線圈計(jì)算公式則

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因而次級(jí)N2 = 4,式中Bm為磁心的磁通密度(T);S為磁心的有效截面積(mm2)。初級(jí)線圈的匝數(shù)則是

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確定 。次級(jí)線圈所需要的電壓U2min一定要充分,因此要進(jìn)行ton max

?的修正計(jì)算。

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Dmax修正結(jié)果為0.42,仍然在0.4~0.45范圍內(nèi),可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。



輸出濾波器設(shè)計(jì)


在開(kāi)關(guān)電源中帶磁心的電感器,一般采用電感線圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構(gòu)成的“L”型濾波器如下圖。電感線圈對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗,而電容對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很小容抗,已達(dá)到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。

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1、輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì)


計(jì)算流入輸出扼流圈電流

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L為輸出扼流圈的電感(μH);為輸出電流的10%~30%。則有


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電感L值為:


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由此可見(jiàn),需要11.86μH,10A的扼流圈。


2、輸出濾波電容的確定


輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓 雖要根據(jù) 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 確定,但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%~0.5%范圍。


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就是在200HKz范圍內(nèi),需要 值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V,8200 H,則 為31m ,容許脈動(dòng)電流為2.9Ams。

流向電容器的紋波電流為:


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3、濾波器電阻設(shè)計(jì)


要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí),可以假設(shè)電阻值為Rd

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則假設(shè)電阻Rd?電耗為Wrd

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5、復(fù)位電路計(jì)算


復(fù)位電路如圖所示。開(kāi)關(guān)功率管VT1接通時(shí),變壓器T1的磁通增加,磁能被儲(chǔ)存到T1,當(dāng)VT1截止時(shí),即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到T1上以在VT1截止時(shí)通過(guò)VD1把磁能反饋到輸入。


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則磁復(fù)位串接在N3的中二極管VD1承受最大電壓為


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那么選擇VD1額定電壓為800V,這樣基本符合要求的。


6、功率開(kāi)關(guān)管選擇


下圖為MOSFET型功率開(kāi)關(guān)管,它主要具有驅(qū)動(dòng)功率小,器件功率容量大;第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快,工作頻率高,另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR等優(yōu)點(diǎn),也是目前開(kāi)關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)器件。

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根據(jù)單端正激式變換器計(jì)開(kāi)關(guān)管VT1承受最大電壓公式得:


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流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)管最大電流為:


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根據(jù)上面功率MOSFET表,可以選擇2SK2718型號(hào)。它的最高承受電壓為900V,允許最大電流為2.5A,而功率損耗是40W,是上面功率最小損耗的。


7、輸出二極管選擇


輸出二極管有肖特基二極管(SBD),低損耗二極管(LLD)、高速二極管(FRD)。輸出為低壓大電流時(shí)應(yīng)采用肖特基二極管,其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。


選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復(fù)時(shí)間trr快的二極管。這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會(huì)影響初級(jí)線圈開(kāi)關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí),輸出噪聲也會(huì)受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。


1、選用正向壓降VDF小的整流二極管;


2、選用反向恢復(fù)時(shí)間trr整流二極管;


3、選用正向恢復(fù)電壓VFRm整流二極管;


4、選用反向漏電流IR小整流二極管。


續(xù)流二極管VD2選擇:


續(xù)流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級(jí)電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式得:


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流過(guò)它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的,即 Ir=Io=10A.

可選擇低損耗二極管MBR1545 作為續(xù)流二極管它參數(shù)為,Uds=45V, IO=15A,trr<1.0ns.


8、恒流輸出電路設(shè)計(jì)


① 恒流輸出原理


任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能,均需對(duì)電源的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)取樣,與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較,經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)(P、PI、PID)。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降,而開(kāi)關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬(或占空比),維持輸出電流的恒定。


下圖是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中Iref是電流設(shè)置基準(zhǔn);CR是電流PI調(diào)節(jié);Kfi是電流取樣反饋系數(shù);RS、Ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制,可以檢測(cè)變換器輸出電流,適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi, 通過(guò)P(比例)、PI(比例積分)、PID(比例積分微分器)實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下,也可以通過(guò)改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。


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下圖是恒流電源常用電路,其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里,作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并與基準(zhǔn)電壓Uref在放大器中進(jìn)行比較放大,然后將其送至調(diào)整管VT的基極,驅(qū)動(dòng)調(diào)整管VT對(duì)輸出電流IO變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出的。


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9、緩沖吸收電路設(shè)計(jì)


在開(kāi)關(guān)電源中,由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲(chǔ)效應(yīng),反向恢復(fù)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)的碾壓尖峰脈沖。這些過(guò)電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性,而且形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設(shè)計(jì)尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如下

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從緩沖電路中均有電容器元件,電容器的端電壓不能突變,當(dāng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉(zhuǎn)移到電容器中儲(chǔ)存,然后電容器的儲(chǔ)能通過(guò)電阻消耗或返回電源,起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制,這樣因此反向浪涌電流就會(huì)隨之而減少,以及減少損耗和可能出現(xiàn)振蕩。


10、控制電路設(shè)計(jì)


下面采用是UPC1094C控制電路


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① 振蕩器


振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當(dāng) 時(shí)振蕩頻率 。


② 啟動(dòng)電路


啟動(dòng)電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源,而接在引腳9上是通過(guò)R10接在外部電路提供集電極電壓。


③ 限流電路


過(guò)流保護(hù)電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的,在正常情況下,引腳3上電壓低于200mV。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí),引腳3上的電壓超過(guò)200mV的正負(fù)閥值,輸出級(jí)被鎖定為低電平,下個(gè)脈沖周期來(lái)之前,過(guò)流閉鎖器復(fù)位,對(duì)下個(gè)周期的過(guò)電流進(jìn)行檢測(cè),限制脈沖寬度。


④ 過(guò)電壓保護(hù)電路


過(guò)電壓保護(hù)電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當(dāng)輸出電壓超過(guò)15V時(shí),光電耦合器PC1動(dòng)作,經(jīng)過(guò)引腳2接入反饋電壓電路,使輸出級(jí)鎖定為低電平。


⑤ 最大占空比的設(shè)定和軟啟動(dòng)


最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來(lái)確定的。為了防止變壓器的磁飽和,當(dāng)電源電壓剛啟動(dòng)時(shí),與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變,引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。


⑥ 輸出電壓控制電路


輸出電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)R5、R6、R7組成分壓電路確定的。


11、PCB布線


在畫PCB布線時(shí),應(yīng)先確定元器件的位置,然后布置地線、電源線、再安排高速信號(hào)線,最后考慮低速信號(hào)線。


元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組,以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在PCB的一側(cè),盡量避免從兩側(cè)引出電纜,減少共模輻射。


① 電源


在考慮安全條件下,電源線應(yīng)盡可能近地線,減小差模輻射的環(huán)面積,也有助于減小電路的交擾。


② 時(shí)鐘線、信號(hào)線和地線位置


信號(hào)線與地線距離較近,形成的環(huán)面積較??;這樣才合理的。


③?按邏輯速度分割


當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí),高速的器件應(yīng)按放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi),而低速邏輯和存儲(chǔ)器,應(yīng)放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對(duì)共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。


④ 應(yīng)避免PCB導(dǎo)線的不連續(xù)性


1)、跡線寬度不要突變;


2)、導(dǎo)線不要突然拐角。


12、電路仿真


國(guó)內(nèi)外電路仿真軟件有:saber、EDA、EWB、Multisim、MATLAB、Special Puipose等,而在這次開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是利用Multisim電路仿真軟件來(lái)測(cè)試電路的。Multisim仿真軟件是繼承了EWB軟件的諸多優(yōu)點(diǎn)的,并且在功能和操作方法上有很大改進(jìn)的。它可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強(qiáng)大的功能的,以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的合理性


① 仿真原理圖

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2、進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)與波形仿真測(cè)試


(1)、 市電輸入交流電為220V,萬(wàn)用表讀數(shù)輸入電壓波形圖如下:

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(2)功率開(kāi)關(guān)管出發(fā)脈沖圖測(cè)試:


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(3)輸出穩(wěn)壓波形測(cè)試:


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(4)變壓器經(jīng)過(guò)整流后二次直流電壓測(cè)試:

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(5)輸出電流測(cè)試:


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(6)功率測(cè)試:


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最后,通過(guò)對(duì)整體電路的功能和典型性能參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果均達(dá)到預(yù)定指標(biāo),證實(shí)了方案可行性與理論分析的正確性。




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