开关电源设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,设计案例分析,单端正激式开关稳压电源,或降压型开关稳压电源设计,1,技术指标,电源容量,输入：交流,1524Vac,。,输出：电源电压,+12V(,不可调,),，纹波小于,150mV,P-P,，最大输出电流,0.5A(,限流型保护,),。,工作频率,开关电源的工作频率为,3040kHz,。,控制电路,采用脉冲宽度调制控制集成电路。,2,课题的意义,具有实用性：几乎所有的电子设备都涉及电源设计，容量较大时多采用开关电源。,掌握一种共性技术：脉冲宽度调制技术,PWM,是一项共性技术，应用面广，如硅整流弧焊电源控制、逆变电源设计、恒温控制、直流电机调速等。,学习集成电路应用方法：,TL494,、,SG3525A,是常用的、典型的固定频率的脉冲宽度调制控制电路，应用方法有一定代表性。,易于建立工程设计概念：课题涉及多个典型的工程要素，如：功率器件的最大电流、耐压、开关速度，磁性材料的选择、功率电感的设计与绕制等。,较典型的设计验证方法和负载实验。,3,三、单端正激式开关电源的工作原理,导通状态,截止状态,输入输出关系,称为占空比,4,四、,TL494,的内部结构与功能,结构,5,四、,TL494,的内部结构与功能,结构,TL494,的时序,当锯齿波电平死区时间控制电平时，死区时间比较器输出高电平。,当锯齿波电平反馈,/PWM,输入电平时，,PWM,比较器输出高电平。,死区时间控制电压和反馈,/PWM,输入电压，二者中较高的电平控制触发器时钟宽度。,6,TL494,的时序,(,续,),当输出控制电压,=H,时，,Q,和时钟信号均为,0,时，,Q1,基极获高电平导通，,/Q,和时钟信号均为,0,时，,Q2,基极获高电平导通，两管轮流导通，称为推挽工作方式。,当输出控制电压,=L,时，时钟信号为,0,时，,Q1,和,Q2,基极获高电平导通，两管同时导通，称为单端工作方式。,7,功能描述,含有控制开关式电源所需的主要功能块。,线性锯齿波振荡器,(3V),，频率用两个外部元件,R,T,和,C,T,设置，近似 ,osc,= 1.1/ (R,T,*,C,T,),输出脉冲宽度由“死区时间控制”和“反馈,/PWM,比较器输入”两个信号中电平较高的一个控制，控制信号电平与电容器,C,T,上的锯齿波进行比较，实现脉冲宽度的调整。,控制信号电平线性增加输出晶体管,Q1,和,Q2,的导通时间线性减少。,“输出控制”,=5V,为推挽输出，最小死区时间为,48%,；,=0,为单端输出，最小死区时间为,96%,。,8,五、,TL494,的工作条件,工作条件,条 件,符 号,最小,典型,最大,单位,电源电压,VCC,7.0,15,40,V,集电极电压,VC1,VC2,-,30,40,V,集电极输出电流,(,每个三极管,),IC1,IC2,-,-,200,mA,误差放大器输入共模电压,Vin,-0.3,-,VCC,2,V,反馈,/PWM,比较器输入端电流,Ifb,-,-,0.3,mA,基准输出电流,Iref,-,-,10,mA,计时电阻,R,T,1.8,30,500,k,计时电容,C,T,0.0047,0.01,10,F,振荡器频率,Fosc,1.0,40,200,kHz,9,六、原理图,稳压原理输出电压负反馈。,若某种原因导致输出电压过高，则误差放大器,1,同向端电位升高，反馈,/PWM,端电位上升，,Q1,管导通时间减少，占空比减少，结果输出电压减少。最终使输出电压保持稳定，,R17,和,R16,中点电压为,5V,。,R12/R10,为误差放大器,1,的静态放大倍数，影响控制精度。,C6,和,R13,影响误差放大器,1,的动态放大倍数，抑制瞬变。,10,六、原理图,过载保护过载时，降低输出电压使负载电流保持在保护值。,不论开关管,T2,是否导通，流过负载的电流都经过,R9(,由上向下,),，,R9,的下端电位为负，当负载电流达一定值时，误差放大器,2,的反相端电位为负，误差放大器,2,的输出（即反馈,/PWM,端）为正，,Q1,管不导通，输出电压降低。,11,六、原理图,软启动上电时输出电压由低到高建立，需要一定时间。,上电时，,C7,充电需要一定时间，死区电压由高逐渐变低，,Q1,管的导通时间逐渐增大，输出电压逐渐升高。,12,七、参数选择,整流管：,桥式整流，整流管工作电流,=0.5,负载电流，大反向电压,=,输入交流电压峰值，,IN4007(1A/1kV),可以满足要求。,滤波电容：,R,L,C=(35)T,，,整流滤波后电压,V,IN,=1828.8V,R,L,18V/0.5A=36,，,T,10mS,，,1000uF/35V,电解电容可满足要求。,最常用电解电容,：,1.0,、,2.2,、,3.3,、,4.7,、,6.8,及相应十百千,uF,，耐压有,6,、,16,、,25,、,35,、,50,、,63,、,100,、,120,、,250,、,400V,。,工作频率：,音频上限,20kHz,，,Fosc33kHz,，,T,OSC,=30uS,，,t,ON,=T,OSC,V,O,/(V,IN,-,V,sta,)=13.021.4uS,。,13,七、参数选择,开关管：,开关速度,2(V,IN,),max,，,电流,2(I,O,),max,TIP127(100V/5A,Darl-L,h,FE,1000,t,r,和,t,d,1uS),满足要求，内带保护二极管可不带,RC,吸收回路，需带散热器。,I,C,V,EC,P,T,t,ON,t,OFF,t,V,IN,+V,F,V,STA,I,ECO,图四：开关管开关速度与功耗分析,14,七、参数选择,输出电压：,V,O,=5V*(1+R17/R16),12.1V,保护电流：,I,max,= (,Vref,/R7)*R8/ R9,0.5A,电感量：,L100,H,。,续流二极管：,快恢复二极管，反向偏压,(,V,IN,),max,-V,STA,-V,O,，峰值电流,2(I,O,),max,，,FR1031A/300V,或,FR1071A/1kV,满足要求。,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,I,pk,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,储能充分,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,I,pk,=2(I,O,),max,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,临界储能,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,储能不足,V,O,图五：最大输入,/,满负荷时的续流波形,15,七、参数选择,输出电容：一个工作周期共向输出电容充电荷,Q0.5(I,O,),max,(0.5T,OSC,),纹波,0.5V,P-P,=,Q/C,O,，,C,O,=(35)(I,O,),max,T,OSC,/2 V,P-P,C,O,=C8=220uF,能满足要求,注产生纹波的两个因素：,1.,输出电容容量有限；,2.,开关过程产生的过冲，这部分较难滤除。,软启时间：,100mS,。,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,I,pk,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,储能充分,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,I,pk,=2(I,O,),max,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,临界储能,(V,IN,),max,-V,STA,-V,F,(I,O,),max,t,续流管阴极电位,V,K,、,电感电流,I,L,、,负载电流,I,O,(t,ON,),min,(t,OFF,),max,储能不足,V,O,图五：最大输入,/,满负荷时的续流波形,16,八、电感的绕制,铁氧体磁芯或磁罐,(,高频磁性材料、居里温度,230,）。,漆包线线径：考虑趋肤效应和机械强度，,趋肤效应：调频电流只分布在导体表面，,30kHz,时，穿透浓度,0.2mm,，,电流密度可按,5A/mm,2,计算。,漆包线直径：,0.4mm,以上可满足要求。,磁线截面：,LS*S,，截面小必匝数多，匝数过多引起饱和，饱和导致功率管、电感线圈与磁芯发热，应避免。,匝数：,LN,2,，设计时先用柒包线绕若干匝，用电感表测量电感量，按平方正比关系计算，确定匝数，再绕。线端刮柒、引至线架、搪锡，用电感表验证电感量。,国产,MnZn,铁氧体（低、中频）磁性材料，磁导率,:50007000,，饱和磁通密度,B,S,:400530mT,t,I,L,17,九、设计步骤与设计验证,根据技术指标进行理论设计,绘制原理图,器件参数选择,设计,PCB,元件检查、焊装,设计验证,通电前外观检查,空载通电试验,观察有否异常温升,观测输出电压、锯齿波,观测续流管阴极波形，脉冲过冲是否稳态值,改变输入电压，看波形占空比变化,加载实验,半满负载，观察温升情况,中等输入电压,/,满载，观测温升和续流情况,最高输入电压,/,满载，观测温升和续流情况，判断电感量是否充足；观测开关管,EC,极电压，判断其是否工作在饱和与截止两状态，开关速度是否满足要求；输出电压纹波是否满足要求,最小输入电压,/,满载，观测温升和续流情况,过载实验,输入电压分别为最小、中等、最大三种情况，超负载,10%,，观测过载保护是否工作，保护时的工作波形,工作稳定性,长时间工作情况（,30min,）,18,十、设计报告（,A4,纸打印）,设计题目（,2,黑,/,居中）,设计人姓名（,4,宋,/,居中）,指导老师姓名（,5,宋,/,居中）,设计内容摘要（,5,宋,/,缩进,2,字符）,关键词（,5,宋,/,缩进,2,字符）,报告正文（标题,4,黑,/,左对齐，正文,5,宋,/,单倍行距）,设计指标,设计方案、方案论证,工作原理分析,参数选择（结合设计指标选择）,设计验证,样品测试波形、数据分析,设计评价,设计总结,参考文献或资料（标题,4,黑,/,居中，文献列表,5,宋,/,单倍行距）,序号,.,作者姓名，书名,M,，出版社，出版时间，页面。,序号,.,作者姓名，论文题目,J,，杂志名称，出版时间，页面。,附原理图、,PCB,图,19,