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正文內(nèi)容

開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)(文件)

 

【正文】 9 式中 iL為流過(guò)儲(chǔ)能電感 L電流的瞬時(shí)值, t為時(shí)間變量, i( 0)為流過(guò)儲(chǔ)能電感的初始電流,即:開(kāi)關(guān) K接通前瞬間流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流。 從( 142)式可以看出,當(dāng)并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載 R很大或開(kāi)路時(shí),輸出脈沖電壓的 幅度將非常高。這里的離線并不是不需要輸入電源,而是輸入電源與輸出電源之間沒(méi)有導(dǎo)線連接,完全是通過(guò)磁場(chǎng)偶合傳輸能量。 、 因此,在控制開(kāi)關(guān) K接通之前和接通之后,在變壓器初、次級(jí)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向是不一樣的。 圖 116b是單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波形,由于輸出電壓是由變壓器的次級(jí)輸出,因此,在輸出電壓 uo中完全沒(méi)有直流成份。嚴(yán)格地說(shuō),只有當(dāng)控制開(kāi)關(guān)的占空比等于 時(shí),開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓才能稱為正、負(fù)半周電壓,但由于人們已習(xí)慣了正、負(fù)半周的叫法,所以,只要是有正、負(fù)電壓輸出的電源,我們還是習(xí)慣地把它們稱為正、負(fù)半周。因此,在初、次級(jí)電流的共同作用下,在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn) 12 生的合成磁場(chǎng),這個(gè)磁場(chǎng)的大小可用磁力線通量(簡(jiǎn)稱磁通量),即磁力線的數(shù)目來(lái)表示。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈 N1繞組回路列出方程: 同樣,可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈 N2繞組回路列出方程: 根據(jù)( 161)和( 162)可以求得: 圈 N1 繞組的輸入電壓; n為變壓比,即:開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比, n 也可以看成是開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈 N2 繞組與初級(jí)線圈 N1 繞組的匝數(shù)比,即: n = N2/N1。由于變壓器初級(jí)線圈回路中的電流產(chǎn)生突變,而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變,因此,必須要 求流過(guò)變壓器次級(jí)線圈回路的電流也跟著突變,以抵消變壓器初級(jí) 13 線圈電流突變的影響,要么,在變壓器初級(jí)線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動(dòng)勢(shì)電壓,把控制開(kāi)關(guān)或變壓器擊穿。所以( 165)式可以寫為: ( 166)式中,括弧中的第一項(xiàng)表示變壓器次級(jí)線圈回路中的電流,第二項(xiàng)表示變壓器初級(jí)線圈回路中勵(lì)磁電流被折算到變壓器次級(jí)線圈回路的電流。 從( 163)和( 167)式可以看出,開(kāi)關(guān)變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不一樣的。由于其設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,因此要把它分解成多個(gè)基本模塊設(shè)計(jì),功能模塊圖見(jiàn)圖 原理圖 開(kāi)關(guān)電源是由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、穩(wěn)壓恒流電路、保護(hù)電路、反饋電路、控制電路以及功率開(kāi)關(guān)組成的。穩(wěn)壓恒流輸出電路目的是為負(fù)載提供一個(gè)恒流電流。整體電路是將 15 頻率為 50Hz、 220V的市電交流電壓經(jīng)過(guò)主電路輸入整流與濾 波、變壓器、整流、續(xù)流與濾波、穩(wěn)壓電路恒流流電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓,輸出恒定的直流電流。 圖 變壓器 開(kāi)始 選用拓?fù)?圖 變壓器設(shè)計(jì) 輸出濾波與整流設(shè)計(jì) 功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 控制器設(shè)計(jì) 輸出反饋設(shè)計(jì) 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì) 保護(hù)電路設(shè)計(jì) 高層功能設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測(cè)試電路實(shí)際工作與設(shè)計(jì)結(jié)果的區(qū)別 優(yōu)化設(shè)計(jì) EMI/RFI 測(cè)試 17 輸出變壓器次級(jí)電壓 U2計(jì)算 ? ?2 O L fonU U U TU t? ? ?? ( ) 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。當(dāng)磁心溫度有 100℃ ,工作頻率 200KHz 時(shí),約減少 而成為 ? 。根據(jù)( )公式 ? ? ? ?m a x m a xm a x 2 m i n1 5 . 5 0 . 5 0 . 2 5 2 . 1 03 8 . 6o L fonU U U Tt U? ? ? ? ? ?? ? ? 則有 m a xm a x 2 .1 0 0 .4 25ontD T? ? ? Dmax修正結(jié)果為 ,仍然在 ~ 范圍內(nèi),可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。則有 ? ?0 .2 1 0 0 .2 2OI I A? ? ? ? ? ? 電感 L 值為: ? ? ? ? ? ?2 m i n m a xm a x 3 8 . 6 1 5 . 5 0 . 5 2 . 1 1 1 . 8 62f onU U U oL t HI ??? ??? ? ? ? ?? 由此可見(jiàn),需要 , 10A 的扼流圈。所以可以選擇 20V, 8200? H,則 SER 為 31m? ,容許脈動(dòng)電流為 . 流向電容器的紋波電流為 ? ?2 0 .5 82 3 2 3LCf m s IIA???? 說(shuō)明該電容器合適。 21 功率開(kāi)關(guān)管選擇 右圖 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。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。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。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。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。 圖 恒流電源原理圖 CR PWM DC/DC變換器 整流濾 波 Iref Kref If 25 恒流輸出計(jì)算 恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)恒流源電路構(gòu)成如 39 圖所示。當(dāng) RW 較小即輸出電流較大時(shí),可以忽略 Iq。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)地碾壓尖峰脈沖。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。 27 圖 μPC1094C芯片圖 表 μPC1094 引腳功能 引腳號(hào) 功 能 引腳號(hào) 功 能 1 死區(qū)時(shí)間控制 8 電源電壓 2 反饋 9 輸出晶體管集電極 3 過(guò)流閉鎖控制 10 輸出級(jí)輸出 4 懸空 11 輸出晶體管發(fā)射極 5 定時(shí)電容器 12 懸空 6 定時(shí)電阻器 13 通 /斷控制時(shí)間 7 接地 14 基準(zhǔn)電壓 下圖 是控制 IC 芯片與外部電路連接視圖,組成所需要設(shè)計(jì)功能或參數(shù)。 28 限流電路 過(guò)流保護(hù)電路由 R1 R19 、 C16組成。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。( PCB 原理圖見(jiàn)附錄) 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。 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。 30 結(jié)束語(yǔ) 本畢業(yè)(論文)設(shè)計(jì)題目是節(jié)能型開(kāi)關(guān)電源,主要是針對(duì) LED 照明應(yīng)用的電源。從市電輸出 220V 到變壓器降到16V左右輸出,從功率開(kāi)關(guān)管脈寬調(diào)節(jié)占空比到輸出功率 150W、輸出恒流 10A設(shè)計(jì),都做精密計(jì)算與檢測(cè)的。 同時(shí)由于本人的水平有限,對(duì)其中的某些關(guān)鍵問(wèn)題并未能進(jìn)行深入的分析研究,文中的不足之處,敬請(qǐng)各位老師和讀者指正。 。同時(shí)他給整個(gè)項(xiàng)目規(guī)劃和設(shè)計(jì)提出了許多中肯和有見(jiàn)地的指導(dǎo)意見(jiàn), 使我克服困難,最終成功的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì);指導(dǎo)老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平,使我受益非淺,我得到不少的提高,我相信這將對(duì)于我以后的工作和學(xué)習(xí)都有一種巨大的幫助,感謝他耐心的輔導(dǎo)。在仿真測(cè)量中,主要是對(duì)輸入市電值與波形圖測(cè)試、功率開(kāi)關(guān)管觸發(fā)脈沖波形測(cè)試、變壓器經(jīng)過(guò)整流后二次直流電壓測(cè)試、輸出恒流電流測(cè)試以及輸出功率等參數(shù)測(cè)試。 首先在恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)這部分,從電源技術(shù) 要求到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟,在到變壓器設(shè)計(jì),然后到濾波器的設(shè)計(jì) …… 最后到恒流輸出設(shè)計(jì)。這樣對(duì)共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。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。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。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。當(dāng) ? ? ? ?1 7 1 51 0 , 4 7 0R k C p F? ? ?時(shí)振蕩頻率? ?200oscfk??。控制回路多數(shù)采用脈沖寬度調(diào)制器( PWM)。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。 設(shè) RW=1~15? 時(shí),那么它輸出恒定電流變化范圍 ? ?1 ~ 1 5outO WUIAR?? 因此可以實(shí)現(xiàn) 10A 恒流輸出的。 圖 恒流輸出電路 工作原理:固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài),在輸出 2 和公共端 3 之間接一電位器 RW,從而形成一固定恒流源。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。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。 整流二極管 VD1選擇 根據(jù)單端正激式變換器( )公式,在 VT1截止時(shí)承受最大壓降為 ? ?21 3 4 2 2 0 3 228V D i nNU U VN? ? ? ? 流過(guò)整流二極管的最大電流、有效值為(二次則占空比 D 為 )分別為: max 10DOI I A?? () ? ?0 0 .4 2 1 0 6 .5DRmsI D I A? ? ? ? () 而選擇取整流二極管額定電流 IF時(shí),應(yīng)按流過(guò)的電流有效值 IDRms 計(jì)算值選取的,并留有一定裕度,還要考慮散熱條件,通常選取 ? ?1. 5 1. 5 6. 5 9. 75F D R m sI I A? ? ? ? 可以選擇肖特基二極管 IN5825,最大承受電壓 UDS 40V,額定電流為 15A.,trr< 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。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。它的最高承受電壓為 900V,允許最大電流為 ,而功率損耗是 40W,是上面功率最小損耗的。開(kāi)關(guān)功率管 VT 1 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 20 上, 圖 復(fù)位電路 以在 VT1截止時(shí)通過(guò) VD1把磁能反饋到輸入。輸出脈動(dòng)電壓fU?雖要根據(jù) I? 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 SER 確定,但一般規(guī)定為輸出電壓的 %~ %范圍。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。 初級(jí)線圈的匝數(shù)則是 21 4 210 .1 9 3NN N? ? ? 18 確定 1219, 4NN??。根據(jù)中國(guó)輸配電情況 U1=200~ 253V,則變壓比 N 為 2 m in1 m in3 8 .6 0 .1 9 3200UN U? ? ? 根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表 34 [2] 選取 EI30。下面開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟流程圖 輸入整流與濾波 變壓器 整流、續(xù)流與濾波 穩(wěn)壓恒流輸出 反饋網(wǎng)絡(luò) 保護(hù)電路 控制器 μ pc1094C 功率開(kāi)關(guān)管 驅(qū)動(dòng) VCC 地線 16 圖 變壓器設(shè)計(jì) 圖 變壓器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理,將電能從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪浑娐返碾姶叛b置,是電源設(shè)備中的關(guān)鍵部件之一??刂破?
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