开关电源设计讲课文档

L
Pulse H
升
L
Pulse L
降
H
不变
数控电位器控制接口和单片机Ｉ／Ｏ口连接 ，共需９-12根信号线。
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３、方案二 采用ＢＵＣＫ电路
前述方案由一个致命的弱点，就是效率太低，尤其当输出电压 为２Ｖ时，其系统效率最低。
为了提高系统效率，可采用开关电路，如用ＢＵＣＫ电 路实现，其电路结构如下图所示。
Vmax=1.4142×Vacmax=1.4142×265 =375
V
B、输入电流平均值
IAV GP V 0mi n0.8 19 53 0.2A
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C、输入电流峰值
IPIAVG
2
0.2 2 0.66A7
(2KR)PDmax (21)0.6
KRPIR 取1， DMAX取0.6 IP
个调节单位。为此可选４只１００级的数控可调电位器 （型号为X9C102，其电阻值为１ＫΩ）串联．
数控电位器X9Ｃ1０2主要技术参数:
Vcc=5V, Ic=３mA，R=１kΩ，阻值位置掉电后保存
端电压－５Ｖ~＋５Ｖ，抽头数１００，
接口方式：按键式
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按键式3线控制：
/CS /INC U/ D 阻值
n 具有输出过流保护功能
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２、方案一 采用线性稳压器
本方案主要由线性可调三端稳压器ＬＭ３１７、单片机 、数控电位器等组成，其结构如下图所示：
D7 6位74LS164
U1 LM317
30V
1
Vin
Vout
3
GN2D
E1
D0
D0
SW2
AB CLK
SW1 A1
P1.0 单片机
P1.1
A L16n0H /0 N2
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由初级电感量LP估算原边匝数：
NP
LP AL
0.775103 1600109
22匝
考虑实际使用时变压器须加气隙，故单位匝数的
电感量将下降,
故可取： NP=2×22=44匝
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N S N P 44 2 .87 匝 15 .3 15 .3
NCP1053B
L2 5uH
R3 47
R6 1.8K*
+4.3V
IC2A C8 470uF/16V
IC3 TL431
R4 1K
C10
0.22uF
R5 2.0K
C11
C12
470uF/10V 0.1uF
GND
C5 10uF/35V
C4 470PF
NEC2501 IC2B
C6 200PF/2KV
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开关电源设计
第一页，共56页。
优选开关电源设计
第二页，共56页。
B、AC/DC开关电源设计
一、AC/DC开关电源常用电路结构 1、单端反激式开关电源
输出电压： U o N 2 ton
U N t i
1 off
当负载为零时（即开路），输出电压U0 ∞,这种
情况不允许出现，故反激式开关电源输出端必须接
D、输入电流有效值
IRM IP S D M A (K X R2P K R P 1 ) 0 .6 70 .6 0 .3A 0
3
3
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E、计算变压器初级电感量
L P 10 6
P 0(
Z
(1
)
)
fs
I2 P
K RP
(1
K RP )
2
Z P LS 式中 P LS 为副边损耗 , PL
D min
VO
7.5 15.3 0.3
NS V Dmin=Vinmax/ IMAX
375
NP
COUT
I 0 p(1 D min) F U 0
10 (1 0.3) 100 103 0.1
7 10 6 F 700uF 0.01
实取６８０uF和１２０uF二只电容并联，或用多只 小电容并联，以减少ＥＳＲ．
P1.2 P2.0
P1.3 P2.1 P2.2
AN0 AN1 P3.3
R1 R2
DCP Rw
R3 C1
R4
Uout 2-20V E2
R5
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数控电位器选择：
V 0 1 . 25 V V B V B ( I R 1 . 25 V )( R 2 R W )
R1
这里 IR=50µA
3.1 单片机选择
考虑到BUCK电路开关频率需20Khz以上，选用总线频率 高、并自身带ＰＷＭ发生器的单片机较合适。具体选ＦＲＥ ＥＳＣＡＬＥ公司的ＭＣ９Ｓ０８ＳＨ８。
选其内置振荡器工作方式，ＢＵＳ频率调至最高２０ＭＨ Ｚ，ＰＷＭ选９位，此时ＰＷＭ频率可达５０ＫＨＺ
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VCC2 +5V
典型芯片有：TL494
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第九页，共56页。
第十页，共56页。
第十一页，共56页。
第十二页，共56页。
2、电流型PWM控制器
第十三页，共56页。
第十四页，共56页。
第十五页，共56页。
第十六页，共56页。
第十七页，共56页。
第十八页，共56页。
例一、AC/DC 单路输出15W开关电源设计
n 输出滤波电容尽量多只电容并联，以降低电容器的ＥＳＲ． n 高频变压器的电感量适当加大，以降低流过主回路的峰值电
流．从而提高效率．原副边线圈采用多股线．
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例二、AC/DC 开关电源
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第三十六页，共56页。
第三十七页，共56页。
第三十八页，共56页。
第三十九页，共56页。
第三十三页，共56页。
１.８降低开关电源功耗的一些措施
n 选用低导通电阻ＲＯＮ的ＭＯＳ功率管，ＲＯＮ越小，导通损耗越小 ．
n 选用合适的驱动电路，降低主开关管的开通和关断损耗 n 选用合适的开关频率，开关频率越低，开关管和高频变压器的开关损
耗就越小，当 n 然开关频率应在２０ＫＨＺ以上． n 输出整流尽量选用肖特基二极管，并且耐压不宜过高．
用NCP1053设计的4.3V/2A开关电源:
F1
L
2A
L1 15mH
AC220V
C1 0.1uF/275V
N
B1 2A/1000V
C2 0.01uF/275V
C3 10uF/400V
D6
T1 *
Z1 TVS250V*
3A/50V
BYG20J D5
EE13 1.3-1.5mH 120T/6T
C7 470uF/16V
第三十二页，共56页。
1.7、输出整流二极管选择
变压器次级峰值电流：
ISP IPNP0.6 61.3 51A 0 NS
选择２0A／３０V以上快恢或肖特基二极管 如选IR 公司的肖特基: 20TQ045
45V/20A ，VFM=0.51V, TO-220AC
如果要进一步降低输出整流管上损耗,可选用MOS管作同 步整流, 或者选用碳化硅肖特基二极管。
为使负载开路时，也能使输出电压稳定，输出静态电流
ＩＱ必须大于5mA。
为此可得：
R11.25(V) 250 5(mA)
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故：
U o 1 .2 5 U B 1 .2 5 (5 0A 1 R .2 1 5 )(R w R 2 )
＝ 1.251.25(RwR2) 250
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例三、DC／ＤＣ 数控开关电源设计
1、 设计任务
设计一个输出电压步进可调的数控电压源，并 由数码管显示其输出值。具体要求如下： n 输入电压:３０Ｖ
n 输出电压: 2~20V，调节单位0.1V n 输出纹波电压：<５０mV n 输出电流：1A
n 输出电压由数码管显示
n “+”、“-”键分别控制输出电压的步进增减
第五页，共56页。
UO N2 Ui N1 2
4、全桥开关电源
当滤波电感L的电流连续时，输出电压为：
当负载开路，则输出电压极限值为：
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5、推换式开关电源
当滤波电感L的电流连续时，输出电压为： 当负载开路，则输出电压极限值为：
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二、PWM控制芯片介绍
目前AC/DC常用的控制芯片有电压式和电流式两种。 1、电压式
第五十三页，共56页。
第五十四页，共56页。
3.3 ＬＥＤ显示
Q1
R6
R7 LED1
VCC1 30V
L1
M1 E1
SW2 SW1
A1
PTC0
Vdd
R1
PTB0 PTC2
单片机
HO
PTB7 D1
VS
PTA4
PWM
PTA0
IC2
PTA3
INC2Leabharlann VBIC1D2
PTA1
GND
PTA2
VCC3
Vss
Uout 2-20V R3
C1
E2
R4
R5
第五十页，共56页。
第五十一页，共56页。
副边线径：
第三十页，共56页。
DS
4S
I 0 RMS
2
2 0.798mm
１.４ 输入整流桥计算
由于输入整流桥流过的最大峰值电流为０．６６７Ａ， 故选择２Ａ／６００Ｖ以上整流桥。
１.５输入滤波电容计算
输入滤波电容一般取输出功率的１－２倍，故取 ３３uF/400V
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1.6、输出滤波电容计算
P L 为变压器总损耗 , Z 取 0 .5
15(0.50.20.8) 10610 010300..686270.5
1061103512.11.72850.77 5103H0.77m 5 H
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F、计算变压器原副边匝比
NP VMIN VDS DMAX
NS
V 0 VD
1 DMAX
第五十二页，共56页。
单片机Ｉ／Ｏ分配：
uＡ／Ｄ通道２路 uＰＷＭ输出１路 u“＋”、“－”按键２路
uＬＥＤ或ＬＣＤ显示１１根
u共用１６根Ｉ／Ｏ
3.2 驱动电路
在本系统中驱动电路起两个作用，一是电平转移， 二是功率驱动以降低开关管功率损耗。常用的驱动芯片 有ＩＲ、ＯＮＳＥＭＩ、ＳＴ、ＮＸＰ等公司生产，在 本电路中可选用ＩＲ公司的ＩＲ２１１１。
931 0.6 15.3 7.5 1.5 1 0.6
计算ＮＰ需知道ＡL值，而ＡL由磁芯型号和尺寸决定． 磁芯尺寸Ae可用平均功率估算:
P0 P0
Ae 0.15 Pt 0.15
0.8 61.62mm2
2
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选PC40锰锌功率铁氧体磁芯RM8。 其饱和磁通密度BS在 100℃下为390mT，有效截面积Ae=64mm2 ，电感系数
当输出=2V时，令ＲＷ＝０，代入上式可得R2值：
R2 V01.25 15 0
50 A1.25 V
25 0
当输出=20V时，可得：
R2 RW
V 0 1.25
50A 1.25V
3750
250
第四十五页，共56页。
所以ＲＷ=3.75Ｋ-0.15Ｋ=3.6Ｋ 由于输出电压要求调节单位为0.1V，故2~20V需180
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H.变压器磁饱和校验
交流磁通产生磁感应强度变化幅值：
Bac V i min t on N P Ae
93
0 .5
1
100 10
46 64 10 6
3
0 . 27 T 270 mT
直流磁通产生的变化量
:
Bdc
H 0 N P I dc
Lg
4
TOP202主要参数：
VDS=700V, DMAX=0.6 ， P=15W—30W, FS=100KHZ
第十九页，共56页。
第二十页，共56页。
单端反激式输出切勿开路！！！
第二十一页，共56页。
1.3 高频变压器设计
A、计算最大和最小直流输入电压（加到变压器初级）:
Vmin=1.1×Vacmin=1.1×85=93 V
副边实取3匝，则对应原边调整为15.3×3=46匝
G、计算变压器气隙
Lg 0.4 LP IP2
0.4 0.775103 0.662
B2 MAX
Ae
(0.39T )2 0.64
3
0.424 0.067cm 0.67mm 6.25
如果气隙>1mm, 则说明磁芯截面过大； 如果气隙＜０.20mm,说明磁芯截面过小。
1.1 设计要求
已知条件：
输入电压 AC：85—265V 输出功率PO=15W
输出电压：7.5V
额定输出电流：2A
输出纹波电压:≤ １００mV
1.2 电路结构选择
考虑到输出功率较小，主电路可选择单端反激式，为此选择API
（Advanced Power Integration） 公司的集成控制芯片
TOP202。
一个假电阻负载，如接1个100KΩ电阻。
第三页，共56页。
2、单端正激式开关电源
U 0 N 2 ton
Ui
N1 T
故 : U 0 N 2 ton U i N1 T
如 负 载 开 路 ,则 U 0
N 2Ui N1
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3、半桥开关电源设计
输出电压： U o N 2 ton ，如负载开路，则： Ui N1 T
10 7 46 0 . 16 0 . 67 10 3
13 . 8 mT
ΔＢac +ΔBdc =270+13.8=283.8 <390mT,故磁芯工作时
不会产生饱和．
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Ｉ、变压器线径计算
原边线径：
DP
4S
4
I RMS
4 ( A / mm
2)
0 . 30 0 . 30 mm