PAGEPAGE23目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第一章、分析開關電源的結構及功能 21什么是開關原電源 22開關電源的結構 23開關電源的功能 3第二章、介紹小型開關電源設計要求和方案選擇 41設計要求 42設計條件 43方案選擇 4第三章、小型開關電源主電路設計 41主電路及主開關的選用和原則 42主電路的設計及分析 53元器件定額及選型 7第四章、小型開關電源控制電路設計及元器件選型 91反饋電路 92過壓保護電路 103功率管驅動電路 11第五章、小型開關電源變壓器設計 11第六章、設計總電路圖 15第七章總結與體會 16第八章參考文獻及網頁 17第一章、分析開關電源的結構及功能1什么是開關原電源凡是用半導體功率管做開關，將一種電源形態轉換成另一種形態的電路，叫做開關變換電路。在轉換時，以自動控制穩定輸出并有各種保護環節的電路，稱為開關電源。要求開關電源具有高穩定性和可以實現小型化。2開關電源的結構開關電源的結構形式很多，按PWM方式來分有以下幾種。A、反激式變換器所謂反激式是指變壓器的初級極性與次級極性相反。如果變壓器的初級上端為正，則次級上端為負。反激式變換器效率高，線路簡單，能提供多路輸出，所以得到了廣泛應用。但是在次級輸出的電壓中，有較大的紋波電壓。為了解決這一問題，只有加大輸出慮波電容和電感，但這樣做的結果是增大了電源的體積。B、反激式雙晶體管變換器開關電源的功率在200W以上，不宜采用單管反激式電路，這時可以利用反激式雙晶體管結構，兩管可用雙極型晶體管或長效應管。其中場效應管特別適用，無論是固定頻率，可變頻率，完全和不完全能量傳遞方式，用場效應管代替雙極型晶體管是首選方案。C、正激式變換器正激式變換器純粹是個隔離元件，它是利用電感L儲能及傳遞電能的。變壓器的初級和次級線圈是相同的同名端，由于電感L的存在，它的電感折算到初級，使初級電感增大，而電流卻減小。正激式變換器的優點是銅耗低，因為使用無氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低；缺點是電路較為復雜，所用元器件多，如果有假負載存在，效率較低。它適用于低電壓，大電流的開關電源，多用于150W以下的小功率場合。它還具有多臺電源并聯使用而互不影響的特點，而且可以自動均很，而反激式卻做不到這點。D、正激式雙晶體管變換器正激式雙晶體管是在單管正激式的電路上再串接一只三極管而組成的，這對于高壓大功率的開關電源來說更加安全可靠。安全可靠是最大的效益，所以，雙管正激式變換器得到了廣泛應用。E、半橋式變換器為了減小開關三極管的電壓應力，可以采用半橋式變換器，它是離線式開關電源較好的拓撲結構。F、橋式變換器G、推挽式變換器推挽式變換器的電路比較復雜，尤其是變壓器的初級和次級都需要兩個繞組，但是它的利用率高，效率高，輸出紋波電壓小，適合用于百瓦級至千瓦級的開關電源中。H、RCC變換器RCC變換器是節流式阻尼變換器，是一種自激式振蕩電路，它的工作頻率隨著輸入電壓的高低和輸出電流的大小而變化。因此，在高功率、大電流場合，它的工作不很穩定，只適用于50W以下的小功率場合。但是其電路簡單，成本低，制作、調試容易，因此，有一定的應用價值。3開關電源的功能給用電設備提供特定電壓、電流，功率的電源。開關電源具有三個條件開關：電力電子器件工作在開關狀態而不是線性狀態高頻：電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻直流：開關電源輸出的是直流而不是交流第二章、介紹小型開關電源設計要求和方案選擇1設計要求思路清晰，給出整體設計和電路圖；給出具體設計思路和電路；寫出設計報告；2設計條件電機控制器中需要性能可靠的電源，否則弱電控制失效，強電設備將會損失嚴重。本設計性能可靠的小型開關電源，為電機控制器的弱電控制部分提供輔助電源，輔助電源要求如下：輸入電源是三相交流220VAC,50HZ,輸出電壓是直流電壓±15.0V,0.1A;±12.0V,0.05A;+15.0V,0.2A;+5.0V,0.8A。3方案選擇由設計條件可知要設計的開關電源是一個小功率（輸出功率為10W），多輸出小型開關電源，結合上面介紹的開關電源的結構形式，顯然選用單端反激式結構。第三章、小型開關電源主電路設計1主電路及主開關的選用和原則為使電源結構簡單，緊湊，工作可靠，減少成本，小功率開關穩壓電源常采用單端反激型電路或單端正激型電路。由設計要求，設計的開關電源是一個小功率，多輸出電源，而反激式變換器效率高，線路簡單，能提供多路輸出。故主電路選用單端反激式變換電路。由于電源輸出的是小功率，所以在這里可以采用MOSFET。MOSFET從驅動模式上來分，屬于電壓控制器件，驅動電路比較簡單，驅動功率甚微，在啟動或穩定工作條件下的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小的多。2主電路的設計及分析A、主電路設計圖如下圖2.1開關電源的主電路B、設計思路由下開關電源的總體工作原理框圖，結合主電路的相關選擇，并查閱相關資料。主電路包括低壓慮波，一次整流，有源調整電路，電子開關，高頻變壓器，二次整流，平滑濾波七個環節。根據夏老師的指導，這次的主電路設計中，低壓濾波部分可以不要。電子開關平滑慮波采樣輸出誤差放大脈寬調制基準電壓電子開關平滑慮波采樣輸出誤差放大脈寬調制基準電壓比較器脈沖驅動低壓濾波一次整流二次整流高頻變壓器有源調整圖2.2開關電源工作原理框圖a一次整流電路采用單相橋式不可控整流，將輸入的220v交流整成電壓范圍為242V~264V的直流電。b有源調整電路包括一次濾波電路和吸收電路兩個部分。其中開關電源一般采用電容輸入型整流濾波電路。吸收回路如下圖所示，它是利用電阻、電容、和阻塞二極管組成的嵌位電路，可有效地保護開關電源功率管不受損壞。c電子開關就是開關電源的主開關，即是開關功率管，它是開關電源的重要部分，是關系帶電源損耗、功率效率的關鍵器件。它的主要參數既不是選用的開關管反向耐壓越大越好，也不是放大倍數越高越好，而是綜合電路參數及其承受的應力平衡。電子開關器件相關電路圖見下邊變換器圖形右邊d高頻變壓器是相對于音頻和工頻變壓器而言的。但是，由于高頻的范圍太廣，要明確的劃分是困難的。因此，我們可將工作頻率在音頻以上的變壓器統稱為高頻變壓器。應該說，這種叫法是不嚴格的。單端反激開關電源的變壓器實質上是一個耦合電感，它承擔著要儲能、變壓，傳遞能量等工作。本次設計的開關電源要實現單輸入，多輸出，所以變換器的繞組有六個，分別為一個一次繞組，四個二次繞組分別對應四個輸出，還有一個反饋繞組，用來控制輸出。個人認為在這次的設計中高頻變壓器的設計是罪為關鍵和復雜的一部分。因為涉及到很多直接與輸出相關的參數計算。變換器如下圖（左）所示。圖2.3左圖高頻變壓器結構圖右圖開關功率管e從高頻變壓器出來的是交流電，必須在經過二次整流才可以得到直流輸出，我采用的是每個輸出端接一個二極管實現整流。f經過變壓器調壓及二次整流后的電源信號中海含有很多的紋波電壓，必須經過處理才能得到理想的輸出。其中部分電路圖如下圖2.4輸出濾波電路主要用作濾波的器件是兩個點解電容和一個扼流電感。3元器件定額及選型a整流二極管的定額及選擇開關電源的整流橋是由4只二極管組成的，沒兩只二極管串聯起來完成交流電壓半周期整流。因此，每只二極管中流過的電流只有整流平均值的一半；每個二極管所承受的電壓是最大反向電壓的一半。輸入回路的峰值電流計算如下：輸入有效電流Ids=Po/Vmax=10/311=0.032A,輸入回路平均電流Idc=Ids*Dmax=0.016A,交流輸入電流峰值Iacp=3.5*Idc=0.056A。輸入回路的最大輸入電流直流電壓Vmax2=2*1.414*220≈622（V），參考《開關電源設計技術與應用實例》書中的表2—6，選用BYV26D型號的快恢復二極管,它的最大反向電壓為Vrm為800V額定整定電流為2.3Ab濾波電容的定額及選擇平均輸入電流I≈0.016A紋波電流為ΔI=0.0032AC=K*Pi=2*12.5=25μc吸收回路器件定額與選擇初級繞組Np的電壓Vp=1.414*220≈311（V）加在功率管的電壓峰值Vdsp≈497（V），Dmi=0.2，T=20μs，則To=4μs，則吸收回路的電阻R1=4*（Vdsp/Vp-1）2*（Lp*T）/(To2)=1.43*0.039*20*10-6/(0.4*10-3)2≈7kΩ,時間常數常比周期大的多，一般取5倍左右，則：C1=5*T/R1=100*10-6/(7*103)≈14.3*10-9F≈0.01μF。用開關MOSFET上的峰值電壓減去R1兩端的電壓，就是阻塞二極管所承受的電壓。VR1=1.5*Vs/n,其中Vs是變換器的次級電壓，Vs=15.8V，n是變壓器的變比，n=34/665。VR1=1.5*15.8*665/34≈464(V),所以，VD1所承受的電壓為497-464=33V，選用耐壓值為50V以上的，電流值為3A的肖特基二極管UF5822。d功率管的定額及選擇最大輸入直流電壓為1.414*220≈311（V），Lp是變壓器圓邊繞組的電感為0.039H。Vdsp≈900（V），所以開關功率管的額定電壓要取1000V以上的。才能正常安全工作。e輸出濾波回路器件的定額及選擇扼流圈電感L1-L4起著平滑濾波的作用，流過扼流線圈的電流一般是輸出電流的20%。ΔIL1=Io1*20%=0.8*20%=0.16（A）ΔIL2=Io2*20%=0.2*20%=0.04（A）ΔIL3=ΔIL4=0.1*20%=0.02（A）L=（Vs-Vf-Vo）*To/ΔIL其中Vs=(Vo+VL+VvD)/D所以L1=(5.8/0.51-0.6-5)*10.1/0.16=364.39(μH)L2=(15.8/0.51-0.6-15)*10.1/0.04=3883.55(μH)L3=L4=2L2=7767.1(μH)要求各路輸出紋波電壓應小于此路輸出電壓的1%。第四章、小型開關電源控制電路設計及元器件選型控制電路這要由功率管驅動電路、過壓保護電路和反饋電路三個部分組成，其整體電路圖如下圖4.1控制電路整體電路圖多路輸出是以開關電源總功率不變為前提，還要注意改善負載調整率，減小電磁干擾，消除峰值雙倍磁通效應，增強軟件啟動功能，實現多路對稱輸出。1反饋電路如圖，電阻R5、R6、R7、R8的一端接并接在R9上，另一端各接各組電壓輸出端。這樣，各組輸出電壓都得到了極好的穩定，各組輸出的負載電流從10%變化到100%輸出的負載調整率可以得到計算。下面重點介紹各組反饋電阻的計算方法。圖4.2反饋電路電路圖Vo1（5V）輸出的反饋量由電阻R5的阻值決定，Vo2（15V）輸出的反饋量由R6的阻值決定，Vo3（-15V）輸出的反饋量由R7的阻值決定，Vo4（+15V）輸出的反饋量由R8的阻值決定。首先，計算各路反饋電流If1~~If4。總的反饋電流為：If=Vref/R9=2.5*106/(10*103)=250(μA)輸出總電流：Io=Io1+Io2+Io3+Io4=0.1+0.1+0.2+0.8=1.2(mA)反饋比例系數K1、K2、K3、K4分別為：K1=Io1/Io=2/3K2=Io2/Io=1/6K3=Io3/Io=1/12K4=Io4/Io=1/12各組反饋電流為Ifn=Io*Kn所以可求得各反饋電阻阻值為：R5=（Vo1-2.5）/(If1*10-6)≈15kΩ同理可得R6=300kΩR7=840kΩR8=600kΩ2過壓保護電路本次設計的過壓保護電路采用的是光電耦合方式進行保護的，電路圖見上面的反饋電路。當輸出電壓Vo1由于某種原因急劇升高時，使光電耦合器NEC2501中的發光二極管的電流增大，同時光敏三極管的電流也增大，使可控硅觸發而導通。3功率管驅動電路功率管驅動電路主要用到的一個器件是UC3842，它是在國內應用廣泛的一種電源集成控制器，即可制成正激式也可以制成反激式。圖4.3驅動電路電路圖如圖4.3所示，其中6口輸出的就是功率管的觸發信號。R10、C14是決定該電路工作頻率的重要原件。在本次設計中，開關頻率為50kHz，C14=4700pF,由f=1.8*103/(R10*C14),所以R10=7.7kΩ。C15是消噪電容，C15=0.01μF。管腳1、2接反饋回路。實現根據輸出的變化自動調節輸入。第五章、小型開關電源變壓器設計輸入電壓為220V（50Hz），輸出參數為+15V0.1A;-15V0.1A;+15V0.2A;+5V0.8A.Np是主繞組，Nf是反饋繞組，N1~N4為二次繞組。1選擇磁芯的大小輸出功率Po=Vo1*Io1+Vo2*Io2+Vo3*Io3+Vo4*Io4=15*0.1+15*0.1+15*0.2+5*0.8=10（W）取電源效率為80%，則輸入功率Pi=Po/η=10/0.8=12.5（W）根據輸入功率選擇EE19磁芯，EE19磁芯的有效截面面積Ae=20mm2設工作頻率為f=50KHz，則工作周期T=1/f=20微秒2計算To初級繞組開關晶體管VT1的最大導通時間對應于最低輸入電壓和最大負載。D取0.5To=D*T=0.5*20=10（us）3計算直流輸入電壓變壓器的輸入電壓Vp=220*1.414≈311(V)選擇工作時的磁通密度，對一般形狀、材料的鐵氧體磁芯，當工作頻率為50KHz時，ΔBac=234mT是一個良好的工作區。4計算原邊匝數作用電壓是一個方波，一個導通時間的伏秒值與原邊匝數的關系為：Np=（Vp*To）/（ΔBac*Ae）=(311*10)/(0.234*20)≈665（匝）其中，Np為原邊匝數，Vp為原邊所加直流電壓，To為導通時間，Ae為鐵芯有效面積計算次級匝數設肖特基二極管的管壓降為0.4V，電感濾波線圈的電壓降為0.4V，N1的總電壓值為5.8V初級繞組每伏匝數n=Vp/Np=311/665≈0.47(伏/匝)各次級繞組匝數分別為N1=5.8/0.47≈12(匝)N3和N4的總電壓值都為15.8VN2=15.8/0.47≈34（匝）N3=N4=N2Nf=5.4/0.47≈11(匝)計算選定匝數下占空比的輔助輸出匝數由于N1取12匝，新的每匝反激電壓是5.8/12=0.48(伏/匝)，占空比必須以同樣比率變化來維持伏秒值相等。To=(T*0.48)/(0.48+0.47)≈10.1(us)，所以占空比D為：D=To/T=10.1/20≈0.51N1=5.8/0.48≈12(匝)N2=N3=N4=15.8/0.48≈33（匝）確定氣隙大小帶氣隙的磁芯在一個更大的磁場強度H下才會產生飽和，因此磁芯可經受一個更大的直流成分。另外，當H=0時，Br更小，磁芯的磁場強度有一個更大的可用工作范圍ΔB。最后有氣隙時，導通能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組的總電感值減小。但是，氣隙的存在減小了磁芯里直流成分磁場產生的磁通，對磁飽和是有利的。實際上開發人員是通過氣隙來調整初級電感量，選定能量傳遞方式的。在完全能量傳遞方式中個，傳遞能量的峰值電流是很高的，開關晶體管、整流二極管和電解電容器產生的損耗也是最大的，變壓器產生的損耗也是很大。對于不完全能量傳遞方式只要初級電感適中，它的峰值電流大小合理，峰值與直流有效值的比值恰當，氣隙大小合理，就能得到比較好的傳遞方式，工作噪聲小，效率會很高。將磁芯錯開0.5mm氣息，用脈沖寬度調試儀并接在開關電源脈沖發生器的輸出端，在變壓器的初級上串接一只電流表。開關電源通電后，緩慢調整脈沖調試儀。在額定輸入電壓下接好額定負載，觀察電流特性波形的形狀，一至調到所要求的輸入電壓和電流，這時再調節氣隙，最后帶到要求。這時快速調整氣隙的方法。如果變壓器不能按原設計工作在高溫狀態下以及元器件的誤差改變了電路電感，需要重新調整。計算氣隙平均輸入電流Ip為Ip=Pi/Vp=12.5/311≈0.04（A）相應的最大值Im為Im=Ip*T/To=0.04*20/10.1≈0.08(A)Ip1=Im/2=0.08/2≈0.04(A)Ip2=3Ip1=3*0.04≈0.12(A)在To期間，電流變化量ΔI為ΔI=Ip2-Ip1=0.08（A）原邊電感Lp=Vp*To/ΔI*10-6=311*10.1/0.08*10-6H≈39.26mH氣隙δ=（4*3.1415*10-7*Np2、*Ae）/Lp=12.56*10-7*665*665*20/39.26≈0.28(mm)檢查、測量磁芯的磁通密度和飽和區間檢查、測量磁芯的最大磁感應強度是必要的，以便提供一個最大工作值和飽和值之間的合適空間。在任何條件下（包括瞬時負載和高溫環境）下，應避免出現磁芯飽和。把輸入電壓設置到能控制的最低值，負載調整到功率值為10W，在示波器上觀察變壓器初級繞組的電流波形。這時慢慢減小工作頻率，直到調制脈沖結束，電流忽然上升，這時就是磁飽和出現的時間，幾下該時間并與正常值比較，由所增加的百分比可得出磁感應強度的邊界范圍。此時，還應考慮在高溫下磁感應強度還會降低。要求瞬時變壓變化有10%的余地。如果保留的邊界不足10%，應增加氣隙，進行調整。計算磁飽和邊界交流磁通所產生的感應強度變化強度為：ΔBac=Vp*To/(Np*Ae)=311*10.1/(665*20)≈0.236(T)利用磁感應強度與直流磁通密度的關系，計算直流成分Bdc。假設磁芯所有磁阻都集中在氣隙里，可以求得直流磁感應強度Bdc為：Bdc=u*H=Uo*Np*Idc/(δ*10-3)式中：Uo=4π*10-7（H/m）;Np為初級線圈的匝數；Idc為有效直流電流開始導通是的電流值（A）；δ為氣隙長度長度（mm）;Bdc為直流作用的磁感應強度（T）。Bdc=4π*10-7*665*0.04/(0.28*10-3)（T）≈119.4（mT）交流和直流磁感應強度的和為磁感應強度最大值。Bmax=ΔBac+Bdc=236+119.4=355.4（mT）檢查在100攝氏度時的磁芯材料特性的邊界。應檢查磁芯磁通在輸入電壓最低和最大脈寬條件下是否臨近飽和值。由于輸入值電壓較高時，脈沖寬度會變窄，所以磁芯是遠離飽和的。如果變壓器按輸入高電壓的寬脈沖進行設計，使鐵芯工作在低密度磁通的條件下，可將變壓器初級匝數增多，變壓器的效率下降。這時開關電源控制電路應在高靈敏度狀態下工作。輸入電壓出現時，能快速限定脈寬或高壓保護電路。一般脈寬調制是按反饋電壓量來調制的，也有按電流來調制脈寬的。在脈寬比較器的輸入端用電感輸出的電流信號與誤差放大器輸出信號進行比較來調節占空比，使輸出峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。有些電源在結構上有電壓環、電流環雙環控制系統，因此，凡具有電壓調整、電流調整的開關電源的負載調整率、電壓調整率和瞬態響應特性都有很大提高。第六章、設計總電路圖第七章總結與體會本次課程設計，我感覺壓力好大。首先，平時學習時，自我感覺良好，根本就沒有仔細取思考我們所學的那些電路原理以及是否有改進的可能性，只是滿足于知道了書上的結論。所以當老師的課題布置下來后，我去圖書館借來了相關書籍，把書看過兩篇之后，把我認為與此次設計相關的內容作了相應的記錄。把設計的大體方向（即：使用單端反激式變換電路）確定下來。完成這一步的時候，我還以為不怎么有困難。但是，當我設計到變壓器時，它的相關參數搞的我頭都大的，在問過謝老師后很多問題都得到了解決，到我心里還是由謝地方不太明白。我覺得我的本次的設計根本就無法成為事實，僅僅能在理論上說的過去。其次，在元器件定額時，輸出回路濾波電容的定額與扼流電感的定額。我查看了好幾篇書籍，才勉強得出了結論。再次，就是一些細節上的問題，在設計時，我是我們這組最先動手的，卻是最后一個完成的。我想設計出有機子特點的東西，又發現實力有限。最后，就是看圖的能力，在《開關電源設計技術與應用實例》書上找到類似的圖形后，我看了好久才勉強弄懂其中的細節。在這次的設計中我的收獲還是蠻大的。首先，在選擇和設計主電路的過程中，我學會了設計要先把大方向確定，明確自己的設計思路和設計目標。在設計中有問題不用怕，更不要著急，慢慢來，充分利用網絡和書上的資源。遇到問題時，勤動腦，勤動手，再大的難題也會得到解決。其次，在設計變壓器時，我知道了，設計中有不少的數據是要我們查閱相關資料的，所以設計與其說是在考驗你的學習，好不如說是在考驗你運用所學知識的能力以及提升所學的境界。最后，也是我感觸最深的，學習過程中一定要具有認真細致，重視細節。在元器件定額時，我倍感吃力，因為在平時的學習中我覺得那絕不會是考試的內容而不重視它，結果費了好大的勁才勉強知道其原理。在這次設計的過程中，因為我們所學的《電力電子技術》中有關開關電源介紹的很少，所以我主要參考的都是在圖書館借的書。我的設計思路是先設計主電路，然后是控制電路。然后把這兩部分再細化。最后確定到各個元器件。本著多看、多想、多問、勤查資料這“三多一勤”的原則，我相信我將來能夠設計出更好的課題。最后，感謝謝老師對我們的指導。第八章參考文獻及網頁1、《電力電子技術》（第5版）王兆安劉進軍主編機械工業出版社2、《開關電源設計》（第三版）（美）AbrahamI.PressmanKeithBillingsTaylorMorey著電子工業出版社3、《開關電源設計技術與應用實例》趙同賀主編人民郵電出版社4、/soft/70/2021/202109168640.html5、/view/b3ba5231b90d6c85ec3ac6ae.html

小學教師培養工作總結一年來，我校在上級部門的指導下，積極開展教師教育教學能力的提高培訓工作，有效提高了教師的各種教育教學實際能力，為我校取得良好的辦學成效起了重要的作用。回顧我們