开关电源设计

avatar 2014/12/1509:57:31 评论 434 views

20141215_095545 20141215_095600 在仪器仪表中,传感器及许多元器件的电压等级是直流24V,12V,9V,5V,3.3V等,那么在使用的过程中就需要将我们的日常用电交流220V转变为我们所需要的电压,这个转变的整个模块统称为电源,这个电源的性能直接影响到仪表的工作性能。随着电子设备工作时间的增长,元器件慢慢的老化,电源的性能会逐渐的下降甚至损坏,那么我们就需要对电源电路有必要的了解,以解决所出现的故障。

下面附的这个论文是从百度文库下载的,感觉不错就转载了。

摘要部分:

目  录

前 言 ..............................................................................................1

第1章  绪论 3

1.1 开关电源的定义 3

1.2 开关电源的技术分类 3

1.3 开关电源的技术追求和发展趋势 4

1.4 本论文的研究内容及意义 6

第二章  开关电源的分类以及原理 7

2.1 开关电源的分类与选择 7

2.1.1开关电源的基本类型 7

  1. 单端反激式开关电源 7
  2. 单端正激式开关电源 8
  3. 自激式开关稳压电源 8
  4. 推挽式开关电源 9
  5. 降压式开关电源 10
  6. 升压式开关电源 10
  7. 反转式开关电源 10

2.1.2开关电源的选择基础 11

2.2 反馈电路的类型与选择 12

2.3 开关电源的内部结构图及工作原理 12

2.3.1开关电源的内部结构图 12

2.3.2开关电源的基本工作原理 13

2.3.3脉宽调制式开关电源的基本工作原理 13

2.4  TOP Switch系列芯片工作原理 15

第三章 小功率DVD开关稳压电源的设计 17

3.1开关电源的设计流程图 17

3.2 技术指标和性能要求 19

3.3  TOP225Y 的主要性能特点和元件选择 19

3.3.1性能特点[ 19

3.3.2线性光耦合器PC817 20

3.3.3 T可调式精密并联稳压器TL431 21

3.4 开关电源的电路设计 22

3.4.1 TOP224Y芯片原理 22

3.4.2  输入整流滤波电路设计 23

3.4.3  变压器设计 23

3.4.4 箝位保护电路设计 25

3.4.5 输出整流滤波电路的设计 25

3.4.6反馈回路的设计 26

3.4.7其他外围电路的设计 27

3.5 基于TOP224Y的开关电源原理图及工作原理 28

3.5.1 Protel软件的介绍 28

3.5.2 基于TOP224Y的开关电源原理图 28

3.5.3 基于TOP224Y的开关电源工作原理的分析 29

图3-14 基于TOP224Y的开关电源原理图 31

3.6 开关电源印制板的设计 32

3.6.1 开关电源PCB排版的要点 33

3.6.2PCB及电路的抗干扰措施 33

第四章  总结 35

4.1  开关电源电磁干扰的产生机理 35

4.1.1目前抑制干扰的几种措施 35

4.1.2 改进措施的建议 36

4.1.3 结论 37

4.2 设计的体会与问题总结 37

2.1.1开关电源的基本类型

开关电源的分类方法有多种。按驱动方式来分可分为自激式和它激式。自激式开关电源由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡,它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器,振荡器产生的开关脉冲加在开关管上,控制开关管的导通和截止;按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。单端式仅用一个开关管,推挽式和半桥式采用两个开关管,全桥式则采用四个开关管;按开关管的连接方式可分为串联型与并联型开关电源。串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的,属于降压式稳压电路,而并联型开关电源的开关管是与输出负载相并联的,属于升压式电路;此外,还可分为隔离与非隔离型,调频、调幅及两者混合型等。

  1. 单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路如图2-1所示。当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,副边上没有电流通过,能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时,变压器T副边上的电压极性颠倒,使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源电路简单、所用元件少,输出与输入间有电气隔离,能方便的实现单路或多路输出。并且开关管的驱动简单,可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝数比使占空比保持在最佳范围内,具有较好的电压调整率。其输出功率为20~100W,工作频率在20~200kHz之间,是开关电源设计中最常用的一种拓扑方式。但是,它也有一定的缺点,如开关管截止期间所受反向电压较高,导通期间流过开关管的峰值电流较大等。不过,这些可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件,在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。

  1. 单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图2-2所示。它与单端反激式电路在形式上相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时, VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量:当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD1,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。但变压器结构复杂,体积也较大。因此,实际应用并不多。

  1. 自激式开关稳压电源

自激式开关电源的典型电路如图2-3所示。接入电源后R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。同时,感应电压给C1充电。随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低并退出饱和区,Ic减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输入电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输入和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

  1. 推挽式开关电源

推挽式开关电源的典型电路如图2-4所示。它属于双端式变换电路,使用两个开关管VT1和VT2,在外激励方波信号的控制下交替导通与截止,在变压器T次级绕组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

这种电路的优点是两个开关管容易驱动,缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100~500W范围内。

  1. 降压式开关电源

降压式开关电源的典型电路如图2-5所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输入的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

  1. 升压式开关电源

升压式开关电源的稳压电路如图2-6所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

  1. 反转式开关电源

反转式开关电源的典型电路如图2-7所示。这种电路又称为升降压式开关电源,无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。降压式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离,统称为斩波型直流变换器。

2.1.2开关电源的选择基础

一般来说,功率很小的电源(1~100W)采用电路简单、成本低的反激型电路较好;当电源功率在100W以上且工作环境干扰较大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时,则应采用正激型电路;对于功率大于500W、工作条件较好的电源,则采用半桥或全桥电路较为合理。如果对成本要求比较严,可以采用半桥电路;如果功率很大,则应采用全桥电路。推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。

自20世纪90年代以来,开关电源的发展日新月异。但是,技术总是在不断的进步,许多新领域和新要求对开关电源提出了更新更高的挑战。比如:输入的要求变得更严格,不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰;输出则有了许多新的特殊的应用领域,使得研制和开发的难度变得更大等等。这些要求推动了开关电源的两个分支技术(有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术)一直成为当今电力电子的研究课题。另外,由于技术性能和要求的提高,使得许多相关技术课题的研究,例如EMI技术、PCB Layout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为30W的通用型小功率开关电源。单端反激式电路不仅符合功率的要求,并且具备电路简单、所用元件少、输出与输入间有电气隔离、电压输入范围宽、能方便的实现多路输出、有较好的电压调整率的特点。因此,本设计选择了单端反激式的拓扑类型。

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