開關穩(wěn)壓電源設計說明書

1、開關穩(wěn)壓電源設計說明書學生姓名：學號：專業(yè)班級：物電學院電子2班報告提交日期：2014年5月20日湖南理工學院物電學院目錄一、設計任務及要求 .21、設計任務 .22、設計要求 .2二、基本原理與分析 .2. > 亠 >-9* 、rr 、I二、方案設計 .51、開關器件的選擇 .52、參數(shù)的設定 .5四、電路設計 .51、電路整體設計.52、電路工作原理 .5五、總結 .7六、參考文獻 .7一、設計任務及要求1、設計任務設計一手機開關型電池充電器，滿足：(1) 開關電源型充電；(2) 輸入電壓220V，輸出直流電壓自定；(3) 恒流恒壓；(4) 最大輸出電流為：|max = 1.0

2、 A;2、設計要求(1) 合理選擇開關器件；(2) 完成全電路理論設計、繪制電路圖；(3) 撰寫設計報告。二、基本原理與分析隨著電子技術和集成電路的飛速發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源的類型越來越多，分類方 法也各不相同，如果按照開關管與負載的連接方式分類，開關電源可以分為串聯(lián)型、 并聯(lián)型和變壓器耦合(并聯(lián))型3種類型。下面分別對這三種類型的開關電源做一些 簡單的介紹。(1) 串聯(lián)型。圖1所示的開關電源是串聯(lián)型開關電源，其特點是開關調(diào)整管VT與負載Rl串聯(lián)。因此，開關管和續(xù)流二極管的耐壓要求較低。且濾波電容在開關管導通和截 止時均有電流，故濾波性能好，輸出電壓 U0的紋波系數(shù)小，要求儲能電感鐵心截 面積也較

3、小。其缺點是：輸出直流電壓與電網(wǎng)電壓之間沒有隔離變壓器，即所謂“熱地盤”，不夠安全；若開關管內(nèi)部短路，貝U全部輸入直流電壓直接加到負載上，會 引起負載過壓或過流，損壞元件。因此，輸出端一般需加穩(wěn)壓管加以保護。根據(jù)穩(wěn)壓條件可得：(Ui-U。)/L=UoT2/L即Uo=U1T1/ (T1+T2) = (T1/T) Ui，(T =T1/T由上式可見，可以通過控制開關管激勵脈沖的占空比c來調(diào)整開關電源的輸出電壓Udo圖1串聯(lián)型開關電源基本電路（2）并聯(lián)型。并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源基本電路如圖 2所示，其工作波形與串聯(lián)電路基本相同， 因開關管VT與負載Rl并聯(lián)而稱為并聯(lián)型。此外，二極管VD通常稱為脈沖整流管，

4、 C為濾波電容。當開關管基極輸入開關控制脈沖時， 開關管周期性地導通與截止。當開關管飽 和導通時，輸入電壓Ui加在儲能電感L兩端，此時電感中的電流線性上升，二極 管VD反偏二截止，電感L儲存能量，此時負載RL所需的電流由前一段時間電容 上所充的電壓供給。當開關管截止時，VD導通，通過電感上的電流線性下降，感應電壓為左負右正，輸入電壓 Ui和電感L上的感應電壓同極性串聯(lián)，電源 Ui和電 感L所釋放的能量同時給負載RL提供電流，并向電容C充電。同樣，達到動態(tài)平 衡時，電感L在開關管飽和時增加的電流量（能量）與開關管截止時減少的電流量（能量）相等。即電感上能量保持一個恒量，故有（Ui/L）Ti=（

5、Uo-Ui）T2/L所以有Uo= Ui/ （1-（T）其中 c =Ti/（ T1+T2）可見，并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源同樣可通過控制c來穩(wěn)定或調(diào)整輸出電壓，同時還 可以看出，由于c <1，這種并聯(lián)型開關電源屬于升壓型電源，開關管所承受的最大 反向電壓Ube max=。而圖1所示的串聯(lián)型開關電源屬于降壓型電源，開關管所承受 的最大反向電壓Ube max = U。Ui/YYYL|LVDUoC H RL圖2并聯(lián)型開關電源基本電路（3）脈沖變壓器耦合（并聯(lián)）型。變壓器耦合（并聯(lián)）型開關電源（自激式）基本電路如圖3所示。開關器件可以是雙極型晶體管，也可以是場效應管， T為開關（脈沖）變壓器，VD為脈沖整

6、流 二極管，C為濾波電容。這里脈沖變壓器的初級繞組起儲能電感作用，脈沖變壓器 通過電感耦合傳輸能量，可使輸入端與穩(wěn)壓輸出端之間互相隔離，實現(xiàn)機殼不帶電，同時還可以便利地得到多種直流電壓，給制作和維修帶來方便。如果將脈沖變壓器視為初、次級匝數(shù)比為 n:1的理想變壓器，把次級參數(shù)等效 至初級，可畫成圖2所示并聯(lián)型的電路形式，只是用 nUo代替圖2中的Uo。對圖3 電路，可得Uo=Uic /n（1- （T ）=UiN2Ti/NiT2由于n>1,變壓器型開關電源一般均為降壓輸出。 開關電源中開關管所承受的最 大脈沖電壓UCe max=U+nL0。變壓器耦合（并聯(lián)）型開關電源的優(yōu)點是：1）通過附加

7、一個次級繞組間接取樣 的辦法或采用光耦合器實現(xiàn)電源隔離，使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離，即所謂“冷 地盤”電路；2）若開關管內(nèi)部短路，不會引起負載的過壓或過流；3）容許輔助電源負載與主電源負載無關。即不接主電源負載，輔助電源仍可從主電源中得到。其 缺點是：1）對開關管和續(xù)流二級管的耐壓要求高；2）輸出電壓紋波系數(shù)較高；3） 要求儲能電感量較大。脈沖直流電壓VD穩(wěn)定直流電壓啟動電路CCTC取電脈沖調(diào) 整電路4 > 開關 *器件士 比較放大器基準 電路光耦隔離圖3變壓器耦合型開關電源基本電路三、方案設計根據(jù)本次設計的要求，本設計的方案如下:1、開關器件的選擇因為脈沖變壓器耦合型開關電源具有如下優(yōu)

8、點：1）通過附加一個次級繞組間接 取樣的辦法或采用光耦合器實現(xiàn)電源隔離，使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離，即所謂 “冷地盤”電路，實現(xiàn)機殼不帶電，給制作和維修帶來方便；2）若開關管內(nèi)部短路， 不會引起負載的過壓或過流；3）容許輔助電源負載與主電源負載無關。即不接主電源負載，輔助電源仍可從主電源中得到。所以本次設計使用的開關電源是變壓器耦 合（并聯(lián)）型開關電源。2、參數(shù)的設定（1）輸入電壓220V，輸出直流電壓為5.5V ;（2）最大輸出電流為：l max = 1.0 A ；四、電路設計1、電路整體設計本設計電路圖如圖4所示。該電源具有恒流/恒壓輸出的特性，空載時的功耗低 于100mw,能給手機中的鎳

9、氫（NiMH ）電池或鎳鎘（NiCd ）電池、鋰離子（Li-Ion ） 電池進行恒流充電。其主要技術指標為：交流輸入電壓u=220V,輸出電壓U0=5.5V， 最大輸出電流Iom=1.0A，輸出功率P0=5.5W。2、電路工作原理交流電壓u經(jīng)過VD1VD4，進行橋式整流和C1, C2濾波后，產(chǎn)生直流高壓。 FR為熔融電阻器，可代替保險絲管。由 C1，L1，C2構成n型濾波器，用于減小交 流紋波。R1為阻尼電阻，能抑制由L1引起的高頻自激振蕩。C7為安全電容。漏極 鉗位保護電路由R2, C4和VD6組成。輸出整流濾波電路由VD5, C5, L2和C6組成。 輸出電流的途徑如下：正半周時從次級電壓

10、U2的正端-VD5 L2一負載Rl返回端 RTN R6R4 U2的負端。VDz采用1N5230B型4.7V穩(wěn)壓管。R?為LED的限流 電阻，R8是VDZ的限流電阻。由于LED的正向電流|FV1mA，使UR7v0.1V,因此 R7上的壓降可以忽略不計這樣 U0值就等于Uz與UF之和。R4是過流檢測電阻。實 現(xiàn)恒流的電路特點是用晶體管 VT的發(fā)射結壓降UBE，去檢測輸出電流I0返回時在 R4上形成的壓降UR4.常態(tài)下VT截止而不起作用，10為恒定值。當發(fā)生過流故障 時，I0增大，使得UR4=I0R4>Ube,VT立即導通，并取代控制環(huán)路直接驅動光耦合 器，維持I0不變。F6上形成的壓降可使控

11、制環(huán)路在 U0約等于0V的狀態(tài)下仍能正常 工作。R3為基極限流電阻。R4用來設定輸出電流的極限值I olimit，取R4=0.7 Q時，I olimit =Jbe/的額定功率應滿足下述條件：P=2I olimit *R4=1.4W,實選1.4W電阻。VD采用FR201型3A/200V的快恢復二極管，要求其反向恢復時間trr<150ns,平均整流電流ID=3I olimit ;為了提高電源效率，有條件者可選用肖特基二極管，VD為1A/600V五、總結在本次課程設計過程中，感覺自己確實學到了一些知識。 特別是在電路的設計方面、 增加了不少的知識。岡寸開始拿到這個設計題目時，我確實有點心虛，生

12、怕自己做不好，完成不了任務了。 因為平時接觸的少，并且也沒有開關電源方面實踐的經(jīng)驗，所以于我來說，開關電源確 實是一個比較陌生的概念，有的都是一知半解的，所以難免會有一些擔心和不自信什么 的。不過，在看到別的同學都在熱火朝天的做，積極地討論解決問題時，我也撇下一切 的擔心，全心投入到電路的分析設計當中了。在遇到問題時，我會和同學積極討論，解 決不了時，我便會到一些資料書上、或者網(wǎng)上查找答案。在這之中，我不僅增加了自信， 增加了解決問題的能力，而且，我們還堅信了一個道理，就是凡事只要自己想去做、認 真去做，并且堅持下去，就一定能夠將事情做好。所以，我一點一點認真地做設計報告， 最后終于成功地完成了。本次課程設計雖然做得系統(tǒng)不是很復雜、做得時間也不是很長，但我卻真正學到了 一些東西。以前我總覺得，一些課程學起來很枯燥，而且感覺離現(xiàn)實很遠，所以我在學 習那些知識時往往心不在焉，敷衍了事。但是當我在做設計的過程中要用到那些知識時， 我突然感到有些后悔，后悔自己沒有早些掌握，以致遇到一些問題時感到特別的茫然。 不過，在一心渴望早些解決問題的想法的激勵下，我潛心學習以前漏掉的知識，迅速掌 握其中的方法，并應