毕业设计--12V5A开关电源设计

毕业综合实践课题名称： 12V/5A开关电源设计作者：学号： 09034224系别：电气电子工程系专业：电子工程信息技术指导老师：专业技术职务教授毕业综合实践开题报告姓名：学号： 09034224 专业：电子信息工程技术课题名称： 12V/5A开关电源设计指导教师：2011 年 12 月 19 日目录1 诸论 (1)1.1 开关电源的基本概念 (1)1.2 开关电源的发展 (1)1.2.1 开关电源的发展史 (2)2 电路的比较方案 (3)2.1 方案一、反激式变换器 (3)2.2 方案二、半桥变换器 (3)2.3 方案三、正激式变换器 (4)3 各部分电路工作原理 (6)3.1 单相桥式整流电路 (6)3.1.2 参数计算 (7)3.2 功率变换电路 (8)3.2.1 MOS管工作原理 (8)3.3.1肖特基二极管 (12)3.4 高频变压器的设计 (13)3.4.1 变压器的设计 (13)3.4.2 控制电路工作原理 (16)3.5 L431的功能 (16)3.6 短路保护电路 (18)3.6.1 输入保护器件 (18)3.6.2输入瞬间电压保护 (18)4、电路的总结构 (20)结论 (22)致谢 (23)参考文献 (24)附录 (25)附录一 (25)附录二 (26)1 诸论电是工业的动力，是人类生活的源泉。

电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。

我们用的电，一般都需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转化为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。

为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。

自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。

所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。

在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。

1.1 开关电源的基本概念开关电源是通过电路控制开关管进行高速的导通与截止。

利用开关功率器件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源。

它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压稳定、有利于计算机信息保护等优点，因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。

开关电源又被称为高效能节能电源，内部电路工作在高频开关状态，转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多，自身消耗的能量很低，电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高一倍。

目前生产的无工频变压器式中，开关电源采用脉冲宽调制器PWM或脉冲频率调制器PFM1.2 开关电源的发展随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，。

特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。

显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。

取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。

它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压 ,开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。

开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。

电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。

在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。

1.2.1 开关电源的发展史自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。

所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。

在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。

这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。

随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。

而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。

目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。

近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。

开关电源的性能价格比达到了很高的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。

当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。

在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。

到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。

随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。

过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。

此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

2 电路的比较方案2.1 方案一、反激式变换器反激式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用广泛。

所谓反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源。

图2-1反激式变换器工作原理图Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。

图2-1（b）是反激式变换器开关电源的电压输出波形。

2.2 方案二、半桥变换器为了减小开关三极管的电压承受电压，可以采用半桥式变换器，它是开关电源比较好的拓扑结构。

电容C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成变换器，如图2-2所示。

桥的对角线接高频变压器TR的初级绕组。

如果C1、C2容量、耐压均相等，在某一只开关晶体管导通时，绕组上的电压只有电源电压V in的一半。

在稳定的条件下，VT1导通，C1上的电压1/2 V in加在变压器的初级线圈上。

由于初级绕组和漏感的作用，电流继续流入初级绕组黑点标示端。

如果变压器初级绕组漏感储存的电能足够大，二极管VD6导通，钳位电压进一步变负。

在VD6导通的过程中，反激能量对C2进行充电。

连结点A的电压在阻尼电阻的作用下，以振荡形式最后回到中间值。

如果这时VT2的基极有触发脉冲，则VT2导通，初级绕组黑点标示端电压变负，Ip电流加上磁化电流流经初级绕组和VT2，然后重复前面的过程。

不同的是Ip变换了方向。

二极管VD5对三极管VT1的导通钳位，反激能量再对电容C1进行充电。

图2-2半桥式变换器工作原理图2.3 方案三、正激式变换器正激式变换器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。

图 2-3正激式变换器工作原理图正激式变换器开关电源工作原理：所谓正激式变换器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。

图2-3是正激式变换器开关电源的简单工作原理图，图2-3中Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。

需要特别注意的是高频变压器初、次级线圈的同名端。

如果把高频变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图2-3就不再是正激式变换器开关电源了。

3 各部分电路工作原理3.1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路，它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点。

下面分析两种单相桥式整流电路在带电感性负载的工作情况。

单相桥式半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。

弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大电阻性负载时，且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。

而单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。

单相桥式全控整流电路其输出平均电压是半波整流电路2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半；且功率因数提高了一半。

单相桥式半波相控整流电路因其性能较差，实际中很少采用，在中小功率场合采用更多的是单相桥式全控整流电路。

根据以上的比较分析因此选择的方案为单相桥式全控整流电路，负载为阻感性负载在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。

为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。

当整流电路带电感性负载时，整流工作的物理过程和电压、电流波形都与带电阻性负载时不同。

因为电感对电流的变化有阻碍作用，即电感元件中的电流不能突变，当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化，所以，电路电流的变化总是滞后于电压的变化。

电路波形图中：(b) 电源电压；(c) 触发脉冲；(d) 输出电压；(e) 输出电流；(f) 晶闸管V1 , V4上的电流；(g) 晶闸管V -2 , V -3上的电流；(h) 变压器副边电流；(i) 晶闸管V1 , V4上的电压。

图3-1 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形 3.1.2 参数计算负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：输出电流波形因电感很大，平波效果很好而呈一条水平线。

两组晶闸管轮流导电，一个周期中各导电180°， 且与α无关， 变压器二次绕组中电流i2的波形是对称的正、负方波。

负载电流的平均值Id 和有效值I 相等，其波形系数为1。

在这种情况下： 当α=0°时，Ud=0.9U2；当α=90°时，Ud=0，其移相范围为90°。

晶闸管承受的最大正、反向电压都是。