电力电子课程设计小型机载计算机开关电源的设计.doc

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1、小型机载计算机开关电源的设计 目目 录录 1 1 引言引言.1 1 1.1 开关电源的发展 .1 1.2 开关电源的特点 .1 1.3 设计的基本要求.2 2 2 设计方案设计方案.2 2 2.1 使用回归式变换 .2 3 3 具体电路设计具体电路设计 .3 3 3.1 回扫式控制器选择 .3 3.2 主电路设计.4 3.3 开关电源电路分析和保护电路.8 3.4 应用效果 .9 4 4 总结总结 .1010 5 5 附录附录 .1111 6 6 参考文献参考文献.1111 1 1 引言引言 1.11.1 开关电源的发展开关电源的发展 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子

2、设备的种类也越来越多， 电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任河电子设备都离不开司靠的电源，它们对电 源的要求也越来越高。电于设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。 传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟， 并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优 点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变匣器与体积和重量都很大的滤波器、由于调整管工 作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定。其集电极与发射极之间必须承受较大的电压 差导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有 45左右。另外，由于调整管

3、上消耗较 大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器很难满足现代电子设备发展 的要求。20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化、重量轻为日标，为搭载火箭开发了开关电源。 在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳 定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20 世 纪 80 年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20 世纪 90 年代， 开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进人快速发展期。 1.21.2 开关电源的特点开关电源的特点 开关电源是近年来迅速发

4、展起来的一种稳压电源，其主要组成部分是DC-DC变换器、AC-DC变 换器，将不可控制的直流转化成可控的直流，再加上前级工频整流滤波和自动控制闭环稳定输 出以及必要的保护环节就构成了完整的开关电源。 和相 控 电 源与线性电源比较，开关电源可以省去笨重的工频变压器，可以得到更加稳定的 输出;和线性电源比较，开关电源可以达到更高的效率。随着新的电子元器件、新电磁材料、 新变换技术、新控制理论以及新的软件不断的出现，使开关电源更上一层楼，达到了频率高、 效率高、功率密度高、功率因素高、可靠性高的“五高”境界。开关电源由于有这些不可比拟 的优越性，所以在各个方面都得到广泛的使用。 小体积、轻重量、高

5、可靠性、高效率是航空电源始终追求的目标。随着微电子技术发展， 采用大规模和超大规模集成电路的机载计算机主机已越来越小型化，这就对其电源部件的体积 和重量提出了进一步小型化的要求。机载计算机是一种抗恶劣环境的计算机，其电源部分也必 须满足抗恶劣环境的要求，例如必须适应-55+125的环境温度和较膏药范围的输入电压； 同时还要耐振动、耐撞击、抗电磁干扰等。 1.31.3 设计的基本要求设计的基本要求 所设计的机载计算机开关电源具有抗恶劣环境和较强的抗电磁干扰能力。 用途： 所介绍的开关电源电路可广泛应用于便携式仪器、通信设备、航空机载电子设备，也 可以作为模块化电源设计电路。 表 1、机载计算机开

6、关电源技术要求 输入交流电压 115V 输出直流电压 多路输出 电压种类 +5V12V-32.5V 输出电流 4A0.2A0.05A 稳压精度 1%2%2% 纹波电压 Vp-p50mV120mV300mV 工作温度 -55+125 2 2 设计方案设计方案 2.12.1 使用回归式变换使用回归式变换 根据该电源部件输出电压种类多、给定的外型尺寸小、输入电压变化范围大、工作温度范围宽 等特点，必须设计小型、高效、可靠的供电电源。为此，选择回扫式变换电路（又称 flyback、ON-OFF 型）进行设计，图 1 为其典型电路结构。此电路简洁可靠，主开关元件和变 压器利用率很高，由于采用了峰值电感电

7、流检测技术，可以灵敏地限制最大输出电流，因此高 频脉冲变压器不必设计较大的余量，特别适用于几百瓦以下功率的电源系统中。 图 1 回扫式典型电路结构 2/1() OUTF OUT INSATOUTF VV DV NN VVVV （1） 其中，VF为二极管正向压降；VSAT为 Q1饱和电压降；Vo 为输出电压；VIN为输入电压。 电流临界连续时，初级绕组电感量为： 2 Immax 0min () 2 in p osc VD L Pf (2) 其中，fosc 为开关频率；Pomin 为轻负载时输出功率； 为转换效率；VINmin 为最小输入电压； Dmax 为最大占空比。 3 3 具体电路设计具体电

8、路设计 3.13.1 回扫式控制器选择回扫式控制器选择 National Semiconductor 公司最新推出的 LM2588 系列控制器旨在实现一种能够满足多路供电电压输 出而无需进行复杂设计的高集成度电源的解决方案。系统设计者使用它能很快地开发出小型、低成本、 多路供电的电源系统。 图 2 LM2588 内部结构 3.23.2 主电路设计主电路设计 （一）AC/DC 变换的设计 采用交流 115V 供电的开关电源，一般是直接将 115V 交流电整流、滤波成 15OV 左右的直 流电，再进行 DCDC 变换。现以某电子组件的电源为例来计算输入滤波电容其原理框图如 图 3 所示。 图 3

9、整流滤波原理框图 电容器 C1 有两个功能；一是平滑滤波作用，二是储能作用。 可根招需要的纹波系数利用图表来计算输人滤波电容。例如，若要求纹波系数 r=0.5， 由图表（在计算机设计手册的电源模块设计中已列人）可查得： C1R=90 式中：=2f，f=400Hz，R=150V/1.2A=125。 可计算出：C1=268uF （二）DC/DC 开关电源的设计 设计的机载计算机 DC/DC 开关电源如图 4 所示。 图 4 机载计算机 DC/DC 开关电源电路 由于回扫式控制器具有连续型和不连续型控制的特点，所以设法使其稳定就显得很重要。 高频脉冲变压器的设计是整个回扫式控制电路的关键，电源的性能

10、和优劣在很大程度上取决于 变压器的设计。这里选择 TOKIN 公司 FEER28L 磁芯，磁芯的有效截面积为 84.7mm2，有效磁路 长度为 78.3mm。彩 铁氧体 B25 材料，常温时最大磁感应强度 Bm=5100Gs。 (1) 确定变压器匝比 =N2/N1=（1-Dmax）/Dmax(Vo1+VF)/Vinmin (3) 由 Vinmin=24V、Vo1=5V、Dmax=0.46 得出 0.3。 (2) 初级绕组电感量 最大输出功率为： Po=(Vo1+VF)Io1+(Vo2+VF)Io2+(Vo3+VF)Io3+(Vo4+VF)Io4 =26.15(W) (4) 假设效率 按照 85

11、%计算，则输入功率为： P1=Po/=34.8(W) (5) 设 PWM 控制最大占空比 Dmax=42%,如果初级绕组的电感量设计得大，则流过功率开关管和 输出滤波电容的电流峰值小，但由于电流上升斜率小，电路抗干扰能力差且功率开关管开通电 流大；电感量小时，电流脉动大，冲击电流大。因此设计电感电流工作在连续工作状态，轻负 载时取额定功率的一半，由（2）式可知： 2 3 (24 0.42) 0.8533() 2 0.5 23.15 100 10 p LF 初级绕组的峰值电流为： Ip=(2Po)/(VID)=(226.15)/(0.85270.46) =4.95(A)5(A) (5) (3)

12、初、次级绕组匝数 初级绕组的电感的储能为： 2622 1 0.50.5 33 104.954.04 10 pp WLI （J） 初级绕组匝数： 8 1 210 1 sc N BS （6） 其中，Bs 为磁感应度，Sc 为脉冲变压器产芯有效截面积；Bs=10 4GS,Sc=0.847 平方厘米。 则由（6）式可知： 48 4 2 4.04 1010 110 100.847 N 次级绕组匝数 N2、N3 为： N2=N3=N1(Vo2+VF)(1-D)/VIND =10(12+0.5)0.54/(270.46)6 同理可得：N433，N53。 (4) 磁感应强度范围 初级输入电流平均值为： IIN

13、（av）=Po/(VIND) （7-1） 初级电流上升值 I 为： I=VINTON/L （7-2） 初级电流 IL工作范围为： IIN（av）-I/2ILIIN(av)+I/2 （7-3） 由（7-1）、（7-2）以及（7-3）三式可知，当 VIN在 24V32V 之间变化时，IL的工作范 围在 1.62A4.62A 之间变化。 由：B=LI/（N1Sc） （7-4） 得：B 的工作范围为 620Gs1800Gs 最高磁感应强度大约是 Bm 的三分之一，设计是合理的。 (5) 器件选型 整流二极管 IN4007： 根据电路图可推算知：其可通过电流大约是 1A，可承受反向电压大概是 1000V

14、。 快速恢复二极管 IN5817： 根据输出电压 VO2和 N2 可算出，其额定电压为 20V，额定电流为 1A 。 肖特基二极管 IN5823： 根据输出电压 VO1和 N5 可算出，其额定电压为 20V，额定电流为 5A 。 3.33.3 开关电源电路分析和保护电路开关电源电路分析和保护电路 (一)电流模式稳定性 当占空比大于 50%时，所有电流模式控制器不可避免地要受到振荡谐波的影响而导致不稳 定。为了消除振荡谐波，在回扫式控制器应用电路中，必须把被级线圈的电感量设计为大于最 大值。其经验计算公式如下（单位为 H）: L2.92(VINmin-VSAT)(2Dmax-1)/(1-Dmax

15、) (8) (二) 限流、短路保护 如果电感峰值电流大于限流值，控制器内部集成的限流比较器将触发逻辑控制电路，关断 NPN 开关管的驱动输出，起到很好的限流保护作用。 如果将输出端直接短路，由于使用标准型号的变压器，当输出电压降至正常值的 80%时， 开关频率将降至 25kHz。更低的开关频率将导致开关管截止时间更长，变压器完全可以在开关 管重新导通之间释放掉储存的全部能量。因此，在开关管重新导通时，变压器中为零电流，在 这种情况下，开关峰值电流限制电路将限制初级电感峰值电流，很好地起到了保护控制器的作 用。在短路实验中，控制器没有明显的过热现象，恢复至正常情况时，电路仍可正常工作。 (三)

16、逻辑关断、频率调整与同步 通过“逻辑关断、频率调整”引脚 1 可进行逻辑关断控制。当 3V 以上的逻辑电平被加在 引脚 1 上时，控制器便进入逻辑关断状态。因此，通过此引脚，可搭建简单的外围电路，构成 过电压保护电路等。 开关频率可以通过外接电阻 RSET 在 100kHz200kHz 之间调整，这个特点可以让使用者根 据工作频率优化磁存储以及电容器的尺寸、型号等。表 2 为不同的电阻值对应的常用开关频率。 表 2 电阻值对应的开关频率 RSET/K 开关频率/kHz 悬空 100 200125 47150 33175 22200 控制“频率同步”引脚 6，可使控制器与系统时钟或其它开关模式的

17、振荡器信号同步。这 个特点使得可以并联使用多个设备，使其工作在同一个开关频率下，极大地消除了相关频率噪 声干扰，使开关谐波得到控制和协调；同时获得更多的输出电压值，扩大控制器的应用范围。 (四) 损耗功率、热关断 损耗功率 PD 主要取决于 V1、多路输出最大负载电流之和ILOAD 以及主功率线圈比 N 等， 其近似计算公式如下： 控制器的结温决定于环境温度 TA、封装热阻 JA（7 脚 TO-220 封装典型值为 3545 /W）以及损耗功率 PD 等，可近似计算如下： TJ=PDJA+TA 在绝大多数应用中，控制器并不需要使用散热片来降低温度，但当控 制器温度超过其最大结温时(典型值为 1

18、50)，控制器便进入热关断状态，迫使控制器停止工 作，直到冷却至允许开启的温度时才重新工作。也可加装散热片来提高控制器结温，使控制器 正常工作。 3.43.4 应用效果应用效果 为了给控制器提供稳定、连续的供电电压，将大于 100F 的存储电容接至供电输入端。将 一个 1.0F 的陶瓷旁路电容接在地与输入端之间，且尽可能靠近控制器，或连成 RC 低通滤波 器，能有效地消除由输入电流脉冲产生的噪声干扰。为了获得更好的滤波效果，也可用参数为 10H/200mA 的小电感代替电阻。 输出电容则选择大容量、低等效串联电阻（0.1）的电容，可大大提高负载瞬态响应特 性，降低输出电压纹波。 为满足电磁兼容

19、性要求，可在电压输入端采用 TVS 瞬变电压吸收二极管（1.5KE43A）和小 型的抗干扰滤波器。 电源主要技术指标为：输入电压 27V（18V36V）。开关频率 100kHz。输出电压分 A、B、C、D 四级：A 组+5V4A，峰-峰值电压纹波小于 40mV；B 组+12V0.2A，峰-峰值电压纹 波小于 50mV；C 组-12V0.2A，峰-峰值电压纹波小于 50mV；D 组-32.50.05A，峰-峰值电压纹 波小于 200mV，效率（满载）为 87.1%。 该电源部件中的所有元器件组装在 362mm160mm 的板面里，元器件最大高度低于 15mm， 重量仅为 0.21kg。 4 4

20、总结总结 本文所介绍的开关电源电路可广泛应用于便携式仪器、通信设备、航空机载电子设备等需要 5V、12V、24V 等多路电压输出，功率在几十瓦左右的直流供电设备中，也可以作为模 块化电源设计电路，具有很大的推广应用价值。 通过一周的电力电子的设计，我学会了很多的东西。 第一，进行了大量的文献检索，特别是如何利用 Intel 网检索需要的文献资料。知道了 怎样能快速的找到自己需要的资料，并充分利用网络来扩充自己的知识。 第二，从网上找到自己需要的资料后，并不是照搬网上所有的，而是根据所得资料学会 了如何分析问题，发现问题和解决问题的能力，将网上资料真正转化为自己的知识。 第三，能够很好的运用所学

21、的电力电子、数字电子技术和模拟电子技术等知识解决了一 些问题，感觉在设计方面有了很大的进步。 第四，通过这次设计，我提高了自己的课程设计报告撰写水平，为以后步入社会可以很 好的表达好自己的思想打了很好的基础。 第五，通过这次设计，也学会了如何和其他同学分享资源，比如说我画图的软件是许琴 琴告诉我的，我记得刚开始的时候我们一起上网查质料，比一个人做收获多很多。 最后我感谢我们学校、学院为我们安排了这么好的一次设计周，感谢校图书馆为我们提 供了那么多的书，可以让我们获取很多的知识，还感谢我的指导老师苏玉刚老师，他不仅仅传 授了我们专业知识，更要我们自己动手去查询自己所需要的东西，很好的培养了我们自

22、己动手 的能力，也为我们以后工作和学习打好了坚实的基础。 5 5 附录附录 附录 1 主电路元器件明细表 器件名称器件数量参数 电容 C1 1 286uF 电容 CIN1 CO4 2 100uF 电容 CIN2 1 1uF 电容 CC 1 0.33uF 电容 CO1 2 2200uF 电容 C03 CO2 2 680uF 电阻 RIN 1 4.7 电阻 RC 13K 稳压管 V2122V 二极管 IN400711A/1000V 二极管 IN58173 1A /20V 二极管 IN58231 5A/20V LM2588-5.0 15A/65V 6 6 参考文献参考文献 苏玉刚,陈渝光.电力电子技术.重庆:重庆大学出版社,2003 郭创,刘华伟,樊蓉,张宗麟.小型机载计算机电源的设计与研究.陕西西安空军工程大学工程学 院 郑国川,李洪英.实用开关电源技术.福州: 福建科学技术出版社,2004 周志敏,周济海.开关电源实用技术-设计与应用.北京:人民邮电出版社,2003 何希才.新型开关电源设计与维修.北京:国防工业出版社,2001 赵效敏.开关电源的设计与应用.上海:上海科学普及出版社,1995 叶希才.新型开关电源及其应用.北京:人民邮电出版社,1996