大功率线性直流稳压电源设计与实现 毕业设计论文.doc

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1、毕业设计毕业设计 大功率线性直流稳压电源设计与实现 Design and Implementation of Regulated High-power Linear DC Power Supply 长长 春春 工工 程程 学学 院院 ： ： 电气与信息工程学院 ： 电子信息工程 ： 电子 0641 ： ： 教授 ： 2010 年 6 月 18 日 学生姓名 所在院系 所学专业 所在班级 指导教师 教师职称 完成时间 摘 要 电源是电子电器设备重要的部件，本文所述及的大功率线性直流稳压电源可 用于通信系统作通信电源。现市场上主流电源有开关电源，可控硅电源，和晶体 管线性电源几种。线性电源虽然效率

2、低，但由于特定场合对于电源纹波和精度的 要求，仍需使用线性直流源供电。如何提高电源效率和降低纹波也是本设计需要 探讨的问题。通信系统一般要求电源输出功率较大，在较低输出电压（如 13.8V 左右）的情况下，则相对输出电流要求较大。如今市场上常见的通信电源功率可 达 300W。本文设计所做的 300W 线性稳压电源输出电流可达 30A,为了更好的应用 于各种场合，电源输出电压设计在 1215V 连续可调。 关键字 大功率 线性调整 直流电源 Abstract Power supply is the important equipment of electrical and electronic

3、components; The high-power linear DC power supply which I tell of can be used for communication system to serve as communication power. In the present market the mainstream power source has power switching power supply, SCR power supply, and several linear power transistors. Although the linear powe

4、r source the efficiency is low, an occasion for power ripple and accuracy requirements still using the linear DC course supply. How to improve power efficiency and lower ripple is the problem we need to probe. Generally, communication systems require a greater power output in the low output voltage

5、(as 13.8V or so), so need the relatively large output current requirements. Today, communication power supply in market, the common power come up to 300W. The design I made the linear regulated of 300W power supply can output current up to 30A, 长春工程学院毕业设计（论文） 2 for a better application in each kind

6、of situation, I designed the output voltage is continuously adjustable in the 12 15V . Keyword High Power Linear scaling DC-Power 长春工程学院毕业设计（论文） I 目 录 1 引言.1 1.1 大功率线性电源的发展现状及主要技术指标 .1 1.2 选题背景及设计思路 .2 2 大功率稳压电源主电路设计.3 2.1 电源主电路设计 .3 2.2 变压器设计 .3 2.3 整流电路 .4 2.4 滤波电路 .5 2.5 稳压电路 .5 2.6 输出电流放大电路 .8 3

7、 元器件参数设计.9 3.1 变压器设计 .9 3.2 散热片设计 .13 4 电源性能检测.19 4.1 纹波特性检测 .20 4.2 输出电阻检测 .22 4.3 保护电路 .22 5 误差分析.23 6 总结.24 致 谢.25 参考文献.26 附录一：.27 附录二：.28 长春工程学院毕业设计（论文） 1 1 引言 1.1 大功率线性电源的发展现状及主要技术指标 1.1.1 线性大功率稳压电源简述 线性稳压电源，是指调整管工作在线性形态下的直流稳压电源。线性电源主要包括工频 变压器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路等。线性电源是先将交流电经过变压器变压， 再经过整流电路整流滤波得到

8、未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压 反馈调整输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，波纹也很小，而且没有 开关电源具有的干扰与噪音。但是它的缺点是需要笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和 重量也会比较大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，大功率 线性稳压电源在输出较大工作电流时，调整管的功耗太大，所以还需要安装很大的散热片。 虽然效率低，功耗大，但晶体管线性直流电源因其精度高，纹波小，性能优越被广泛应用。 1.1.2 国内外电源产品现状 目前电源主要可分为三类，晶体管线性直流电源，可控硅直流稳压电源和开关电源。这 三种电路各具其优缺点。可

9、控硅直流稳压电源，以其强大的输出功率，晶体管线性直流电源 和开关电源无法取代。晶体管线性直流电源以其精度高，性能优越而被广泛应用。开关电源 因省去了笨重的工频变压器而使体积和重量都有不同程度的减少，减轻，也被广泛地应用在 许多输出电压、输出电流较为稳定的场合。 1.1.3 线性大功率稳压电源的技术指标 输出电压 12V 到 15V 连续可调，输出功率不小于 300W，纹波低于 30 毫伏，过流保护 动作电流 25 安，过压保护动作电压为 14.8 伏。 长春工程学院毕业设计（论文） 2 1.2 选题背景及设计思路 1.2.1 选题背景 随着电子技术的飞速发展，线性稳压电源以其低纹波、高精度的优

10、点被广泛使用。供电 电源，是各类电子电器产品中必备的部件，有的配置在设备之中作为产品的一部分，也有制 作成为单个独立产品。这里所述的供电电源是针对通信系统设计的，其输出纹波电压要求较 小。通信电源稳定可靠的运行是整个通信系统正常运行的基础，因此，通信电源的配置必须 科学、合理、规范。通信设备直流负荷的容量直接影响到通信电源直流系统的设计，是最重 要的设计依据，它的准确程度，将直接影响到电源系统的可靠性与经济性。在直流系统的设 计中，既要使电源设备保证一定的冗余量，能够应对功率较大的通信场合，又要充分考虑到 建设的经济性，而不是一味地增大电源设备的容量配置。 1.2.2 方案论证 方案一：简单的

11、并联型稳压电源； 并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路 简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流 时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案 方案二：采用 LM317 可调式三端稳压器电源； LM317 可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压. 不过它只能连续可调的正 电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出 调节电路,输出电为:Vo=1.25(1+RP/R)。 LM317 压降过大,导致电源效率过低。所以不采用 此方案。 方案三：由 LM7

12、23 组成的零伏起调电源； LM723 内部设有高精度基准电压源和高增益的放大器，外围电路比较简单，电压稳定度 也比较高，其典型电压调整率为 0.01%，负载调整率为 0.03%，且热稳定性好，输出噪声也 很小，还内设有过电流控制电路，使用安全可靠，具有较高的性价比，为首选方案 1.2.3 设计思路 目前市场上流行的以 78、79 系列三端集成稳压器件为核心的线性稳压电源，其输出电 压是固定的在使用中不能进行调整，W7800 系列三端式稳压器输出正极性电压一般有 5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V、七个档次，输出电流最大可达 1.5A。本设计要求 12 长春工程学院毕业设计（论文

13、） 3 变压器 线圈比 440：48输入 VCC 220V 整流滤波电路7812 稳压模块 Lm723 集成可调稳压模块 调压电路 并联放大电路 输出 到 15V 连续可调集，选择集成稳压电路电压调节器 lm723，采用一个 7812 三端集成稳压器 给专为 lm723 供电，外接 5 个调节管，可完成输出电压 12V 到 15V 连续可调，输出电流高 达30A 的线性稳压电源。系统的设计框架图如下： 图 1-1 系统设计框架图 2 大功率稳压电源主电路设计 2.1 电源主电路设计 在通信设备及其他电子设备中通常都要用到电压稳定的直流电源供电。功率较小的直流 电源大多数是将 50Hz 的交流电

14、经过整流滤波和稳压后获得。大功率线性稳压直流电源还需 要放大调节电路和过压过流预警保护。由于半波整流和全波整流效率低，调整复杂，本设计 采用单相桥式整流电路，电路中采用 4 个二极管，接成电桥形式。滤波电路的好坏一定程度 决定了输出电路纹波的大小，一般采用电抗原件组成。滤波原理是电容电感都是储能原件， 它们能够储存一定的能量（电容储存电厂能，电感储存磁场能） ，由于能量不能突变因此能 量将会逐渐的释放，从而得到比较平滑的电压。稳压电路采用三端固定输出集成稳压器 7812 和集成可调稳压模块 LM723 输出稳定可调电压。放大调整部分使用 5 个调节管并联的方式。 电源输入为 220V 标准交流

15、电，输出为 1215V 连续可调，电流可高达 30A 的直流电 信号，纹波低于 30mA。 2.2 变压器设计 变压器是实现交流点电压之间的变换，本设计变压器原边线圈 440 圈，副边线圈 48 圈， 将 220V 电压变为 24V 电压。 长春工程学院毕业设计（论文） 4 2.3 整流电路 整流电路的任务是将交流电变换直流电，完成这一任务主要是靠二极管的单相导电性来 实现的，因此二极管是构成整流电路的关键元件。 单相半波整流电路结构简单，使用元件少。输出电压 V1=0.45V2 半波整流只能把半个周 期的交流电输送到负载上，所以电源的利用率不高，输出直流电的脉动很大，另外脉动直流 电的直流分

16、量也通过变压器的次级，易使变压器铁芯的导磁率降低，从而降低变压器效率， 所以大功率电源不能使用半波整流。 全波整流 V1=0.9V2全波整流由两个二极管和变压器采用中心抽头的方式，使两个二极管 在正半周和负半周内轮流导通，全波整流大大提高了整流效率，输出电压和电流的脉动也减 小了但是电源变压器需要中心抽头，在制作变压器的时候可能遇到不必要的麻烦，而且两个 次级绕组分别只在电源半个周期内有电流流过，变压器的利用率不够高。 本设计最终采用的是单相桥式整流电路，电路使用一个次级线圈就达到了全波整流的目 的。电路采用 4 个二极管，接成电桥形式，在电源电压正半周期时 D1、D3导通，D2、D4截 止，

17、电流经过电源上端 D1、RL、D3到达电源下端形成回路，输出电压 UO为上正下负；在电 源电压负半周期时 D2、D4导通，D1、D3截止，电流经过电源下端 D2、RL、D4到达电源上 端形成回路，输出电压 UO仍为上正下负。负载上的电压、电流与全波整流完全一样 VL=0.9V2，纹波系数为 0.484，还需要采用滤波电路来减小纹波电压。 图 2-1 单相桥式整流电路结构与波形图 长春工程学院毕业设计（论文） 5 2.4 滤波电路 滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并 联电容 C 或是与伏在串联 L，以及由电容电感组合而成的各种复式滤波电路。由于电路输出

18、电流比较大，采用电感原件虽然可以有效滤除整流电压纹波，但是会浪费大量功率，使得电 源效率变低，所以只采用了电容并联式滤波。电容滤波，电容滤波时间常数（Td=RLC）愈 大，放电过程愈慢，输出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。为了平滑负载电压， 一般取 Td=RLC（35）T/2,负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随 IL的变化关系称 为输出特性或是外特性。当 C 值一定且空载时电压 VL=1.4V2；当 C=0 时，即纯电阻负载时， VL=0.9V2 。在整流电路采用电容滤波后，由于电容 C 充电的瞬时电流很大，容易损坏二极 管，故在选取二极管的最大整流电流参数时还要留有足够的余量

19、，一般都需要 23 倍的 IL。由于负载电流要求比较大，所以选择需要选择大容量电容。 C L R + - + - L C1C2R + - + - （a） （b） C1C2 RL + - + - R （c）滤波电路基本结构图 图 2-2 2.5 稳压电路 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输 出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包 括稳压系数，输出电阻，温度系数等。 稳压系数是负载电流即温度环境不变时，输出电压的相对变化量和输入电压相对变化量 的比值。 UDUDU0UDUO UDUO 长春工程学院毕业设计（论文）

20、6 输出电阻 RO定义为输入电压及环境温度变化时，输出电压的相对变化量和输出电流相 对变化量的比值。输出电阻 RO表明输入电压及环境温度不变时，由于负载电流发生变化而 引起输出电压的变化程度。RO越小，稳压电源的稳定性越好。 温度系数定义为输出电压及输出电流不变时，输出电压的变化量与温度的变化量之比。 温度系数越小，稳压电压电源的稳定性越好。 本设计采用三端固定输出集成稳压器 7812 为集成可调稳压模块 LM723 提供稳定的 12V 电压。 随着集成技术的发展稳压器也实现了集成化。集成稳压器具有体积小，可靠性高等优点， 三端集成稳压器需要的外接原件少内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，

21、它由启动电 路、基准电压，调整管、放大电路、保护电路、取样电路六部分组成。 调整管接在输入端与输出端之间，当电网电压或负载电流波动是，调整自身的集射压 降使输出电压基本保持不变。7812 内部调整管为两个三极管组成的复合管，这种结果只要求 放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流。 放大电路将基准电压与从输出端得到的取样电压进行比较，然后再放大并送到调整管发 基极。比较放大电路的放大倍数愈大，则稳定性能愈好。 启动电路其作用是在刚接入直流输入电压时，使调整管、比较放大电路和基准电压等建 立各自的工作电流；而当稳压电路正常工作时，启动电路则被断开，以免影响稳压电路的性 能。

22、取样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路的输出 端。 保护电路集成在芯片内部，他们分别为限流保护、过热保护、和过压保护电路。 长春工程学院毕业设计（论文） 7 基准电压 输出控制 安全保护 过热保护 放大器误差放大器 R1 R2 2 UoUi 1 Uc 4 3 GND 图 2-3 7812 内部结构图解 LM723 是作为连续调整电压而设计的，它可以提供 150mA 的输出电流，通过增加一个 外部晶体管输出电流可超 10A，输出电压调整范围 2V 到 37V，也能用作线性或开关调整器。 LM723 的适用温度范围：-55+125，LM723C 的适用温度范围 0+

23、70 输出电压调整范围2V37V 最大输入电压40V 短路保护调整 如果没有外部扩流三极管，输出电流可达150 0.01%线性调整率和 0.03%的负载调整率 LM723 12 11 6 5 10 2 3 4 13 R3 Cref VCC Rsc R1 R2 100pF Vo 图 2-4 封装外形图（管脚朝下） 图 2-5 基本接线图 11 号管脚为输入电压端，12 号管脚接电源 VCC，10 号管脚输出放大管基极驱动电流，4 号管脚为反相输入端，可调节输出电压，5 号管脚为同相输入端，6 号管脚接基准调节电路 长春工程学院毕业设计（论文） 8 2.6 输出电流放大电路 LM723 输出的最大

24、电流为 150mA，用来驱动后续放大电路，线性电源的调整管都工作在 放大区。 2.6.1 集成运放的工作原理 集成电路是利用氧化,光刻,扩散,外延,蒸铝等集成工艺,把晶体管,电阻,导线等集中制作在 一小块半导体(硅)基片上,构成一个完整的电路.按功能可分为模拟集成电路和数字集成电路两 大类,其中集成电路运算放大器(线性集成电路,以下简称集成运放)是模拟集成电路中应用最广 泛的,它实质上是一个高增益的直接耦合多级放大电路. 2.6.2 集成电路的特点 单个元件精度不高,受温度影响也大,但元器件的性能参数比较一致,对称性好.适合于组成 差动电路. 阻值太高或太低的电阻不易制造,在集成电路中管子用得

25、多而电阻用得少.大电容和电感 不易制造,多级放大电路都用直接耦合. 在集成电路中,为了不使工艺复杂,尽量采用单一类型的管子,元件种类也要少所以,集成电 路在形式上和分立元件电路相比有很大的差别和特点.常用二极管和三极管组成的恒流源和电 流源代替大的集电极电阻和提供微小的偏量电流,二极管用三极管的发射结代替 在集成电路中,NPN 管都做成纵向管;PNP 管都做成横向管,而 PN 结耐压高.NPN 管和 PNP 管无法配对使用.对 PNP 管之间差别,往往不能忽略. 2.6.3 集成运放电路的组成及各部分的作 集成运放电路由四部分组成,输入级是一个双端输入的高性能差动放大电阻,要求其高,大, 大,

26、静态电流小,该级的好坏直接影响集成运放的大多数性能参数,所以更新变化最多.中间级的 作用是使集成运放具有较强的放大能力,故多采用复合管做放大管,以电流源做集电极负载.输 出级要求具有线性范围宽,输出电阻小,非线性失真小等特点.偏置电路用于设置集成运放各级 放大电路的静态工作点 2.6.4 集成运放的电压传输特性 同相输入端表示输入电压与输出电压相位相同,反相输入端表示输入电压与输出电压相位 相反, 长春工程学院毕业设计（论文） 9 2.6.5 电压的传输特性 所谓电压传输特性,实际上是一种关系曲线，即输出电压和输入电压 之间的关系曲线.关 系曲线明显地为两个区域,线性放大区和饱和区,斜线反映了

27、线性放大区输入与输出之间的关 系.斜率就是电压放大倍数,输出与输入幅值(或有效值)之比,两端水平线是饱和区的现象,表明 输出电压不随输入而变,而是恒定值,由特性曲线还看出线性区非常窄,这是因为差模开环放大 倍数非常高,可达几十万倍,只有当静态工作点合时时,电路才能正常工作在线性区. 本设计首先采用 TIP120 将电流进行一级放大，以达到驱动后续大功率三极管 2N3055 的 需求。然后采取 5 个功率管并联的方式提高输出电流，由于各个三极管间存在着差异所以每 个 2N3055 都需要串联上均流电阻，是电路稳定。每个 2N3055 能达到的最大电流为 15A，但 这只是理想状态，这里采用了 5

28、 个调整管并联，每个输出 6A，即可实现 30A 的输出电流。 3 元器件参数设计 3.1 变压器设计 本电源需要设计 24V 低频变压器变压器. 变压器的好坏也决定了电源的品质。 3.1.1 电源变压器的铁心 它一般采用硅钢片. 硅钢片越薄,功率损耗越小,效果越好.整个铁心是有许多硅钢片叠 成的,每片之间要绝缘.买来的硅钢片, 表面有一层不导电的氧化膜, 有足够的绝缘能力。 3.12 电源变压器的简易设计 设计一个变压器,主要是根据电功率选择变压器铁心的截面积,计算初次级各线圈的圈数 等.所谓铁心截面积是指硅钢片中间舌的标准尺寸和叠加起来的总厚度 b 的乘积.如果 24V 电源变压器的初级电

29、压是 U1,次级有 n 个组,各组电压分别是 U21,U22,U2n,各组电流分 别是 I21,I22,I2n计算步骤如下: 第一步,计算次级的功率 P2.次级功率等于次级各组功率的和,也就是： 2212122222n2n=+PUIUIUI 第二步, 计算变压器的功率 P.算出 P2后.考虑到变压器的效率是 ,那么初级功率 P1=P2/, 一般在 0.80.9 之间.变压器的功率等于初,次级功率之和的一半,也就是 P=(P1+P2) /2 第三步, 查铁心截面积.根据变压器功率,由式(3.1)计算出铁心截面积,并且从国产 长春工程学院毕业设计（论文） 10 小功率变压器常用的标准铁心片规格表中

30、选择铁心片规格和叠厚. 第四步, 确定每伏圈数 N.根据铁心截面积和铁心的磁通密度 B,由式(3.2)得到初级线 圈的每伏圈数 N.铁心的 B 值可以这样选取: 质量优良的硅钢片,取 11000 高斯;一般硅钢片, 取 10000 高斯;铁片,取 7000 高斯.考到导线电阻的压降, 次级线圈每伏圈数 N应该比 N 增加 5%10%,也就是 N在 1.05N1.1N 之间选取. 第五步,初次级线圈的计算，公式如下： 初级线圈.次级线圈,.11NN U2121NN U2222NN U22nNN U 第六步, 查导线直径.根据各线圈的电流大小和选定的电流密度,由式(3.3)可以得到各 组线圈的导线

31、直径.一般 24V 电源变压器的电流密度可以选用 3 安/毫米 2 第七步, 校核. 根据计算结果,算出线圈每层圈数和层数,再算出线圈的大小,看看窗口 是否放得下.如果放不下,可以加大一号铁心,如果太空,可以减小一号铁心.采用国家标准 GEI 铁心,而且舌宽和叠厚的比在 1:11:1.7 之间, 线圈是放得下的.各参数的计算公式如 下: (3.1)ln=ln+（S）0. 498（P）0. 22 (3.2)ln=-ln-ln+（N ）0. 494（P）0. 317（B）6. 439 （3.3)ln=ln-（D ）0. 503（I ）0. 221 变量说明: P: 变压器的功率. 单位: 瓦(W)

32、 B: 硅钢片的工作磁通密度. 单位: 高斯(Gs) S: 铁心的截面积. 单位: 平方厘米(cm2） N: 线圈的每伏圈数. 单位: 圈每伏(N/V) I: 使用电流. 单位: 安(A) D: 导线直径. 单位: 毫米(mm) 长春工程学院毕业设计（论文） 11 3.1.3 GEB 铁心规格 表 3-1 铁心片规格表 铁心规格全长全宽窗高窗宽舌宽边宽 GE103631186.5106.5 GE124438228128 GE145043259149 GE16564828101610 GEB196757.533.5121912 GEB22786739142214 GEB2694814717261

33、7 GEB301069153193019 GEB35123105.561.5223522 GEB4014412472264026 3.1.4 变压器的铁心与绕组 为减小交变磁通在铁心中所引起的涡流损耗,铁心一般用厚为 0.35-0.5mm 的硅钢片叠装 而成;并且在硅钢片两面涂以绝缘漆。信号变压器还采用坡莫合金作铁心。硅钢片有热轧和 冷轧两种。 热轧硅钢片的工作磁通密度一般取 0.9-1.2T,钢片常冲成“III“形,叠装成铁心.绕组套在 中间的铁心柱上。冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好,它的工作磁通密度允许达到 1.8T,所以铁 心体积可以缩小。它的导磁有方向性, 顺着辗轧方向的导磁性能好,故通

34、常将冷轧硅钢片卷 成环形铁心,然后切成两 半 C 形, 将绕组分别套在铁心柱上以后, 再将两半铁心粘成整体。 变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成。原边绕组接输入电压,副边绕组接负载，原 边绕组只有一个,副边绕组为一个或多个，原副边绕组套装在同一铁心柱上。套在两个铁心 柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。 变压器原副边绕组要套在同一铁心柱上。把原副边绕组套在同一铁心柱上时,由于原副 边绕组紧挨在一起(间隙实际上很小,它等于原副边绕组之间绝缘纸的厚度)部分漏磁通在空 气中的路径大受限制,因此漏磁通小.而边绕组没有套在原边绕组上时,漏磁通在空气中可以 长春工程学院毕业设计（论文） 12

35、自由经过,无空间限制,因此在同样的磁势下漏磁通就大。 将原副边绕组套在一起的合理之处即在于漏抗压降小,对变压 器运行有利。因为变压器 副边电压是随副边电流变化而变化的,减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化。为了使变 压器副边电压比较稳定,总是设法减小变压器的漏抗。 如果把变压器的原副边绕组分开放置,则漏抗将大大增加,以致负载变动时副边电压变化 很大,这样的变压器就不能满足使用上的要求。 使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据,以避免因使用不当而不能充 分利用,甚至损坏。变压器铭牌上的主要额定数据有: 3.1.5 额定电压 U1和 U2 原边额定电压 U1是指原边绕组上应加的电源电压

36、(或输入电压),副边额定输出电压 U2通常 是指原边加 U1时副边绕组的开路电压。使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额 定值允许变化5%)。考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压 U2应较负 载所需的额定电压高 5-10%.对于负载是固定的 24V 电源变压器，副边额定电压 U2有时是指 负载下的输出电压。 输入电压不能超过额定电压。变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁心的磁化曲线, 它是一条具有饱和特性的非线性曲线。当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时, 磁化曲线 近似为线形;超过此值后,主磁通就逐渐趋向饱和.此时,如果再增加磁通, 即增加 U1,则电流 就会急剧增

37、加,这样变压器就会因过热而马上烧毁.因此,在使用变压器时,必须注意变压器的 额定电压和电源电压要一致。 3.16 额定电流 I1和 I2 额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行 时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的。由于铜耗,电流会 发热。电流越大,发热越厉害,温度就越高。在额定电流下,材料老化比较慢.但如果实际的电 流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压器的寿命就要大大缩短。 额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积。它不是变压器运行 时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关.所

38、以输出功率在数值上比额定容量 小。 长春工程学院毕业设计（论文） 13 3.1.7 额定频率 使用变压器时,还要注意它对 24V 电源频率的要求。因为在变压器中,在设计变压器时, 是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的。如果乱用频率, 就有可能变 压器损坏。例如一台设计用 50Hz,220V 电源的变压器,若用 25Hz,220V 电源,则磁通将要增加 一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁。所以在降频使用时,电源电压必须与频 率成正比地下降。另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到 400Hz,1600V 的电源上。此时 虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和

39、铁耗却变成了主要矛盾。因为铁耗与频率 成 1.5-2 次方的关系。频率增大时, 铁耗增加很多。由于这个原因, 一般对于铁心采用 0.35mm 厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz 时的磁通密度可达 0.9-1T,而 400Hz 时的磁通密度只 能取到 0.4T。此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不 超过 300-500V. 所以在升频使用时,24V 电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地 增加。 3.2 散热片设计 一个好的大功率电源还需要好的散热片来支持它工作，本设计所使用的放大管 2N3055 最大可支持 15A 电流。具体使用额定 6A 电流当电压为

40、12V 时单个放大管功率为 72W，所以发 热非常严重。需要将放大管固定在散热片上，才能使其工作稳定。 利用散热片来增加散热的面积是热管理技术中最常见也是最基本的方式，随着电子器件 发热密度增加的趋势，散热的需求日益增加，散热设计的困难度越来越高，所花费的成本也 越来越多。虽然新制程及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐 渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可 能用来解决散热问题。尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此提升散热片 的效率成了很重要。 3.2.1 散热片的种类 许多的散热片设计由于忽略了制造的概念，使得研

41、发产品的可靠度及成本成为最后批量供应 的障碍。由制造方式来看，气冷的散热片可分为下面几种，如图一所示，表一则为制程性能 参数的整理。 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状。此种制程成本低，适合批量供应，可用于低热 长春工程学院毕业设计（论文） 14 密度的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。 挤型(Extrusion)散热片 挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连 续长条。挤形是散热片制造中最广泛使用的方式，设备投资的经额中等。可经由横切的方式 产生矩形的针状散热片，可产生锯齿状的鳍片以增加 1020%的效能，但会降低挤型

42、的速度。 挤型的高宽比限制可高到 6，使用特殊模具设计时则可到 10 的高宽比。 铸造(Casting)散热片 将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的器件。此技术可产生高密度的针状散 热片。高的治具费用是最大的成本投资，但适合大量生产的低器件成本可补回此部分。铸造 散热片的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。 接着(Bonding)散热片 接着散热片将鳍片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当， 会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工，因此会使 得成本较高，但由于制造技术的提升，以及接着剂的改良，如热导性的铝填充胶等，使得

43、接 着散热片的成本降低。此种制程方式可制造高宽比高的散热片，在不增加体积需求下可大量 增加冷却效率。 折迭(Folding)散热片 折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方 式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻。在制作上的步骤增加，使得成本提升。 而制造小间距的鳍片也是困难点。由于增加散热面积，因此散热效率不错。 改良式的铸造(Modified die-casting) 散热片此种制造方式是传统铸造方式的延伸，首先将相当薄的压印鳍片数组以间格物隔 开，然后以夹具固定，使散热片的底部铸造时将鳍片固定于底部，而形成散热片。此种方式 消除了鳍片及底部材料

44、的接口热阻，此种制程可提供高的高宽比。 锻造(Forging)散热片 锻造散热片是用非常高的压力敲击（punch）方式将金属材料压入模中使鳍片成形，可 能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中，使得高度不均一，热锻造比较容易，而冷锻 造可制造较密及较强的鳍片。锻造方式的优点包括高强度、较小的表面粗糙度以及材料的均 长春工程学院毕业设计（论文） 15 一性等。锻造方式的散热片具有较高的高宽比。 切削(Skiving)散热片 这是一种新的散热片制程方式，鳍片用特殊的刀具加工，使得弧状的精密薄片由金属块 削出，由于鳍片和金属块是相同材料，因此没有接着散热片或是折迭散热片的缺点。由于制 程技术的增进，

45、目前也可制造出高密度的鳍片。目前采用的是 6063 铝，铜的切削还在实验 阶段。由于切削深度可以相当低，鳍片的厚度可以较薄，可以设计较轻性能较高的散热片。 机械加工(Machining)散热片 藉由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成鳍片的形状。最常用的方式是在 CNC 机器上采用一组切割锯，锯子之间有精密的距离，以切割出鳍片几何形状。由于加工时容易 造成鳍片的破坏或卷曲，因此需二次加工。优点是容易自动化，因此未来仍有使用空间。 3.2.2 散热片的应用方式 散热片的选用，最简单的方式是利用热阻的概念来设计，热阻是电子热管理技术中很重要的 设计参数，定义为： T R P 其中 T 为温度差

46、，P 为芯片之热消耗。热阻代表器件热传的难易度，热阻越大，器件得散 热效果越差，如果热阻越小，则代表器件越容易散热。IC 封装加装散热片之后会使得芯片 产生的热大部分的热向上经由散热片传递，由热阻所构成之网络来看，共包括了由热由芯片 到封装外壳之热阻 Rjc，热由封装表面到散热片底部经由接口材料到散热片底部之热阻 Rcs， 以及热由散热片底部传到大气中之热阻 Rsa 三个部分。 Rjc 为封装本身的特性，与封装设计有关，在封装完成后此值就固定，须由封装设计厂提供。 jc jc - =R P T T Tj为芯片接口温度，一般在微电子的应用为 115180，而在特定及军事的应用上则为 6580。T

47、a 的值在提供外界空气时为 3545，而在密闭空间或是接近其它热源时则可 定为 5060。 Rcs为接口材料之热阻，与接口材料本身特性有关，而散热片设计者则须提供 Rsa的参数。 长春工程学院毕业设计（论文） 16 cs cs - = T T R P sa sa - = T T R P Rcs 和表面光滑度、接口材料的材料特性以及安装压力以及材料厚度有关，由于一般设计时 常会忽略接口材料的特性，因此需特别注意。由热阻网络来看，可以得到热阻的关系为： ja jajccssa -T =R +R +R = T R P 散热片的作用即是如何使用适当的散热片使得芯片的温度 Tj 保持在设定值以下。然而散

48、热 设计时必须考虑器件的成本，图三则为几种传统散热片及器件的成本和性能估算，由图中可 知，性能佳的散热片成本一般较高，如果散热量较小的设计，就可以不必用到高性能高成本 的散热器件。散热设计时必须了解散热片的制作成本及性能的搭配，才能使散热片发挥最大 效益。 3.2.3 散热片的材料 传统散热片材料为铝，铝的热传导性可达 209W/m-K，加工特性佳，成本低，因此应用非 常广。而由于散热片性能要求越来越高，因此对于散热片材料热传导特性的要求也更为殷切， 各种高传导性材料的需求也越来越高。铜的热传导率 390W/m-K，比起铝的传导增加 70%，而 缺点是重量三倍于铝，每磅的价格和铝相同，而更难加

49、工。由于受限于高温的成型限制，无 法和铝同样挤型成形，而铜的机械加工花更多时间，使加工机具更易损毁。然而当应用的场 合受限于传导特性为重点时，铜通常可作为替代之用，此外利用铜做为散热片的底部可提升 热传扩散的效率，降低热阻值。 一些增进散热的材料如高导热的高分子聚合物、碳为基材的化合物，金属粉沫烧结，化 合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。然而最需要的性质是什么？控制的传导 性、高加工性、低重量、低热膨胀系数、低毒性以及更重要的是成本必须低于铝。许多新材 料的物理特性高于铝，但价格也多了许多倍。 碳铝化硅是目前最新的材料，混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，控制的热膨胀、 高传导性以及显著的强度使得碳铝化硅更有吸引力，由于成本的关系，这种材料一般用在底 部及作为功率模块底部和芯片直接接触的基板。 长春工程学院毕业设计（论文） 17 表 3-2 各种不同散热片的材料比较 热膨胀系数温度 K Pprm