开关式直流稳压电源的设计

开关式直流稳压电源的设计

摘要：本文是以开关直流稳压电源输入220V/50Hz的市电来进行设计，来实现输出24V/1A 的直流电压，以此为目标来进行对开关稳压电路各个元器件的选择。

关键词：DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。

1.开关电源的基本原理

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控

制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC

变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过

流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基

准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动

电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图1-1所示。

开关电源的原理图如图1-3所示：是将交流电先整流成直流电，在将直流逆

变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。

2.开关式直流稳压电源的总的原理图

3.必要的电路元件的选择

3.1整流电路的选择

单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路

电容输入型的基本电路如图2-1：（a）为半波整流电路（b）为中间抽头的全波整流电路（c）桥式整流电路（d）倍压整流电路。

图2-1 电容输入型的基本电路

图2-2为扼流圈输入型基本电路，用于负载电流I0较大的电路，扼流圈L 的作用是抑制尖峰电流。

两种基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈可能与次级侧滤波

回路产生谐振。

因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。

3.1.1单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的整流电路如图2-3，仅利用一个二极管来实现整流功能。

图2-3 单相半波整流电路

单相半波整流电路的输出电压平均值为：（2U 为变压器副边输出电压的有效值）

20045.02)(sin 221

U U t t U U ===⎰πωωππ

3.1.2单相桥式整流电路

单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。

单相桥式整流电压的平均值为：209.0U U ≈（2U 为变压器副边输出电压的

有效值）,比半波整流输出电压高。因此，整流电路选用单相桥式整流电路。

3.2 参数计算以及元器件的选型

由于开关电源系统三路输出分别为：15V ，4A ；12V ，3A ；5V ，2A ，则输出功率

W P 106253124150=⨯+⨯+⨯=

如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为：

W P P 5.132%80/'

0==

则可以设定整流电路输入电压V U 2201=，输出电压24V 、电流1A 。 3.3.1整流管参数计算

整流输出电压为V s =24V ，则变压器次级电压：

67.269

.0249.02===s V U V 考虑到变压器二次侧及管子的压降，变压器二次侧电压大约需要提高10%，则：V U 337.291.167.262=⨯=

二极管的最大反向电压：

V V U RM 8.1722.1222=⨯=

二极管平均电流：

mA I I D 7502

10== 可选用1N4003/A 整流二极管，最高反向工作电压为200V ,额定工作电流为1A 。

3.3.2 变压器参数

则变压器变比为：

5:92

.122220==N 变压器二次侧电流有效值：

A I I 67.19

.05.19.002=== 变压器的容量为：

VA A V I U 67.20367.12.12222=⨯=

如果考虑变压器的效率η=80%则

VA VA I U 6.2548.0/67.20311==

3.3.3 电容参数计算

整流电路负载RL=U 0/I 0=100V/1.5A=66.7Ω

在工程中，一般取

S T C R L 05.02

501

525=⨯=⨯==τ 由于Ω=7.66L R

则F C μ63107501075.07.66/05.0-⨯=⨯==

选用F C μ1000=、耐压为150V 的极性电解电容。

3.3.4 变压器设计

设计方法有多种，可根据情况选择。一般从计算原边圈数开始，按最大占空比和正常的直流电压V S 来计算原边线圈。

按上述方法设计的理由是，副边绕组都有一个电感器，当有突变负载时，输出电流的变化率受到限制。为了补偿这个缺陷，控制线路应能把占空比调到最大。在这种瞬变条件下，高的原边电压和最大导通脉宽同时加上，尽管时间很短，如果变压器设计没有考虑这种情况，也会引起磁饱和。

控制电路设计为：在最大输入电压时，限制控制电路的脉宽和变化的速率，这样可防止两个参数同时在最大值。

能量再生绕组的必要性，说明正激变换器的铁芯有残存能量是不好的。为了确保磁通在反激期间恢复到低的剩磁水平，并考虑偶而出现的较大磁密不致出现磁芯饱和，加一很小气隙是很有必要的。