电源转换器(开关电源)

东华大学电子课程设计

课题：12V-5V电源转换器（开关电源）

目录

一、设计任务与需求 (3)

二、总体方案选择 (4)

三、各模块电路设计分解 (7)

四、电路总图 (11)

五、所用元器件及购买清单 (12)

六、组装与调试 (12)

七、收获体会和建议 (16)

参考文献 (17)

附录A (17)

附录B (18)

一、设计需求与任务

1.1、设计背景：开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，广泛应用于各种电子设备、仪器及家电。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。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，自身消耗的能量极低，一般电源效率可达80%左右。

1.2、设计任务：12V-5V电源转换器（开关电源）

(1)输入直流电压12V，输出直流电压5V

(2)在额定负载下，输出电压跌落≤30mv

(3)在额定负载下，输出纹波V

≤50mv

opp

(4)在额定负载下，输出尖峰电压V

'≤200mv

opp

(5)功率转换效率η大于70%

≤1A)

(6)带有过流保护(I

二、总体方案选择

2.1、PFM与PWM调制方法：

2.1.1、PWM

当输出直流电压偏离额定值时，反馈控制电路在保证开关管频率不变的情况下，自动改变调整管的导通时间，即改变脉冲电压的宽度，从而改变脉冲电压的占空比，使直流输出电压的偏移量在允许的范围内。这种方案称为脉冲宽度调制，简称PWM型开关电源。其反馈电路是脉宽调制电路。

2.1.2、PFM：

当输出直流电压超过额定值时，反馈控制电路在保证调整管的导通时间不变的情况下，自动改变调整管的开关频率（也就是改变脉冲电压的频率），从而改变电压的占空比，使输出直流电压稳定在允许范围内，这种方案称为脉冲频率调整，简称PFM型开关电源，其反馈电路为脉冲频率调整电路。

2.2、针对PFM主要有自激式与驱动式两种方案。

2.2.1自激式

正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。下图所示正激式变压器开关电源的简单工作原理图，其中Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，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。

图1-1

原理：改变控制开关K的占空比D，只能改变输出电压的平均值Ua ，而输出电压的幅值Up不变。因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方式。图1-1中，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是电压平均值输出滤波电压。

2.2.2、驱动式

驱动式开关电源，是指运用振荡电路高低电平实现开关导通与否,如下所示图中，开关A用振荡电路的产生的脉冲高低电平控制。

原理：以12V直流电压作为输入，通过振荡电路控制功率驱动开关电路的通断时间，实现电感的充放电时间，改变输出电压的平均值，然后进行LC滤波，对输出电压进行电压采样和过流保护作为反馈控制

信号，最后输出5V 的电压。设周期为1，开关导通时间D （D<1），根据通过电杆上的平均电压为0，则可以得到如下式子

0)1()(=---V V V O O I D D V V I O D =，从而实现降压

的电源转换。

振荡电路的控制方法有如下俩种常用接法，复位法和斩波法。 复位法：

斩波法：

2.3、方案的可行性分析

自激式变压器一个最大的缺点，就是在开关关断瞬间，由于电磁感应，在初、次级线圈中都会产生一个很大反电动势，容易击穿开关元件，因此在设计中常常需要增加一个绕组以吸收反电动势的能量。如N3。而驱动式的串联开关电源，相比之下，结构简单，效率也较高，所以选择振荡式进行开关电源设计，与此同时，由于复位法反应更为灵敏，而且效果较好，振荡调制电路常采用复位法。

三、各模块电路设计分解

3.1、功率驱动开关电路

为12V。在电源和接地点之间分别接上一个图中电源电压V

DD

10-100uf的旁路电容，能够将电源中的噪音过滤掉，减少信号源对这个电路波形的干扰（在该电路设计中可以忽略该影响）。

图中R3=100Ω,R4=100-300Ω,R14=1-5.1kΩ，Q1为大功率管，选用TIP32型号，Q2为中功率管，型号为3DG12，Q1、Q2实现两级放大，大功率管的驱动通常需要较大的电流，通过中功率管Q2放大电流驱动大功率管。

3.2、LC滤波电路：

二极管:选用普通二极管，在开关电路关断时，电感放电，二极管与电阻R0构成蓄流回路。

电感:由于电感是储能元件，且电流不会突变，通过电感的充放电实现降压型压稳压电源，同时具有滤波以及平波作用。

电容：和电感实现LC滤波，具有抑制纹波的作用。

电阻：RL为负载电阻。

3.3、电压采样与过流保护

实现原理：

电压调整，通过设定一定的基准电压U

f

Re

，将从输出端的采样值分

压后的值U

V 与U

f

Re

比较，当U

V

>U

f

Re

时，比较器的输出高电平，三

极管基极输入高电平，三极管导通，集电极输出低电平实现反馈控制，

使电压下降至5V;同理，当U

V

f

Re

，比较器输出及时的调整，并反

馈控制充放电时间，使电压上升至5V。

过流检测，其实现原理与电压调整实质上一致，将采样电流转化为采样电压而实现过流保护，这里不做叙述。

相关参数计算及说明：

稳压管稳压值：由于输出电压要稳定在5V，所以基准电压肯定不能超过5V，取基准电压为3V，因此稳压二极管的稳压值为3V。