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1、装订线毕业设计（论文）报告纸摘要1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。 70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。真正实现直流稳压电源效率高，
2、体积小，重量轻的优点。本课题应用FAN4803芯片实现直流电源的升压、降压或负电源的转换，可以选择一种转换方式进行DC-DC开关电源转换并达到电源要求的各项性能指标。设计并制作设计并制作240W12V直流开关电源，该电路可以应用到各类的电子设备和仪器中。关键字：直流开关电源、DCDC、FAN4803、电源重量轻、电源效率高。Abstract 1955-U.S. scientists that GHRoyer the first successful development of the use of core saturation for self-oscillation of the tra
3、nsistor DC converter. Since then, the use of this technology in various forms of excellence DC converter was continually developing and emerging, which replaced the early use of the short life, poor reliability, efficiency and low rotating mechanical oscillator show converter equipment. After the 19
4、70s, with such technology-related high-frequency, high-pressure power transistor, high-frequency capacitor, switching diodes, switches and other core components of the transformer has been developed and produced, so that no frequency transformer switching regulator Power has been the rapid developme
5、nt and was widely used in computers, telecommunications, space, color television sets, and other fields, so that no frequency transformer switching power supply has become the leader in power. DC power supply to achieve truly high efficiency, small size, light weight advantages. Application of this
6、issue FAN4803 chip DC power boost, buck or negative power conversion, the conversion can choose a form of DC-DC converters and switching power supply to the power requirements of the various performance indicators. Design and production design and production of 240 W/12V DC switching power supply, t
7、he circuit can be applied to all types of electronic equipment and instruments. Keyword: DC switching power supply, DC-DC, FAN4803, the power light weight, high power efficiency.目 录引 言41开关电源的原理及特点41.1工作原理41.2常用电路及其原理51.3特点92.FAN4803的主要特点103.FAN4803的结构原理114.引脚功能和主要参数124.1引脚功能124.2主要参数125直流开关电源电路及其保护1
8、35.1 240W12V直流开关电源电路及电路图135.2开关电源电路保护166.小结197.感谢语198.参考书目20引 言 随着科学技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用，并相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了直流开关电源。同时随着许多高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术的发展，开关电源技术在不断地创新，这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。1 直流开关电源的原理及特点1.
9、1工作原理直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。功率转换部分是开关电源的核心，它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功能。它主要由开关三极管和高频变压器组成。图1.1画出了直流开关电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，直流开关电源的核心部分是一个直流变压器。图1.1直流开关电源原理1.2 下面我重点介绍一下几个经常用到的电路以及其原理1.2.1推挽电路:图1.2 推挽电路图工作过程: 推挽电路中两个开关S1和S2交替导通,在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可
10、以改变输出电压. S1导通时,二极管VD1处于通态,电感L的电流逐渐上升. S2导通时,二极管VD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升. 当两个开关都关断时,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流.S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui. S1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通.1.2.2全桥电路原理图:图1.3全桥电路原理图工作过程: 全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同一侧半桥上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。1.2.3桥电路原理图图1.4桥电路原理图工作过程: S1与S2交替导通,
11、使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压.改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压ud的平均值,也就改变了输出电压Uo. S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态, 当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流. S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui. 由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。1.2.4反激电路原理图1.5反激电路原理图
12、反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感. 工作过程: S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加; S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2 反激电路的工作模式: 电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零. 输出电压关系:Uo/Ui=N2*ton/N1*toff 电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零. 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下, ,因此反激电路不应工作于负载开路状态.电路的工作过程: 开关
13、S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长; S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为. 变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位.图1.6变压器的磁心复位变压器的磁心复位时间为: Tist=N3*Ton/N1 输出电压:输出滤波电感电流连续的
14、情况下: Uo/Ui=N2*Ton/N1*T 磁心复位过程: 图1.7磁心复位过程1.3特点为了适应用户的需求，国内外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是通过改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，同时SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。因此直流开关电源的发展趋势是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。直流开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰，适应恶劣环境和突发故障的能力较弱。由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材
15、料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因此直流开关电源的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高，FAN4803是为大功率直流开关电源应用而设计的控制芯片，该芯片将功率因数校正（PFC）和脉冲宽度调制PWM功能集成在一起，同时具有功能多、效率高、谐波失真小以及欠压锁定、过压保护、峰值电流限制等功能，并可最大限度地减小EMI电磁干扰。这里着重介绍FAN4803的主要特点、引脚功能和内部结构，并给出了一个用PFC和PWM组合控制的 240W12V直流开关电源的实用电路。 2.FAN4803的主要特点 FAN4803是的带有PFC和PWM功能的组合控制器。利用该芯片设计的直流大功率开关电源的启动和操
16、作电流都非常小。因为通过功率因数校正（PFC）技术可以使用户在设计较低电压的直流大功率开关电源时使用小型低成本的滤波电容以减少电源纹波，更重要的是可以使用开关型场效应管来设计完全符合IEC100032标准的开关电源。FAN4803控制器的内部电路在其前沿采用平均电流引导型PFC操作，而在其后沿则执行PWM功能操作模式。FAN4803控制器有两种型号，分别为FAN48031和FAN48032。其中FAN48031芯片中的PFC和PWM采用67kHz的相同频率进行操作，而FAN48032则自动将其PFC操作频率设置在PWM操作频率134kHz的一半。也就是说，FAN48032的PWM操作频率是FA
17、N48031的2倍。这种较高频率的PWM操作可以使设计者通过较小的PWM电路成本来满足最优化的PFC频率操作。由于FAN4803内部带有过压比较器，它能在外部负载突然减小时关断器件内的PFC电路。同时，由于FAN4803内部PFC电路中也包含有电流峰值限制电路，因此， FAN4803具有很高的可靠性。FAN4803的工作温度范围为070，具有8脚PDIP和SOIC两种封装形式。其主要特点如下：将同步的PFC和PWM功能集成在一个8引脚芯片内；采用独特的专利型“单脚电压型差分放大器”和先进的输入电流波形技术；可用峰值电流或平均电流两种形式连续推动前沿PFC（即输入电流波形技术）； 采用高频后沿电
18、流型PWM模式；具有较低的电源电流，FAN4803的启动电流典型值为150A，操作电流典型值为2mA； 具有同步的前、后沿调制方式；器件工作时，在器件的PFC和PWM两部分之间，具有一定的存储电容，而且这部分存储电容可用于减小电路的纹波电流； 内含过压、欠压关断保护电路；可通过PFC软启动实现PFC电源的过压保护。 3. FAN4803的结构原理FAN4803的内部结构原理如图3.1所示。由图可见，该器件主要由单端误差放大电路、前沿PFC电路和后沿PWM电路等三部分组成。图3.1FAN4803的内部结构原理图单端误差放大器是FAN4803控制器的一大特点，该部分电路的主要作用是将PFC输出的反
19、馈信号通过PFC关断比较器进行比较处理，然后将处理后的信号送到PFC控制逻辑电路以保证PFC输出的稳定，同时，该部分电路还可用来完成过压保护并为PFC限流比较器提供参考信号。前沿PFC电路部分主要由PFC限流比较器、PFCPWM欠压锁定保护电路、过压比较器、PFC控制逻辑电路和电压参考电路等组成。该部分电路的作用除完成电路的欠压、过压保护和限流控制以外，其最主要的作用是为FAN4803组成的整个PFC电路提供稳定的功率因数校正输出。后沿PWM电路主要由PWM控制逻辑电路、器件软启动电路、直流限流比较器、PWM比较器、振荡器和占空比限制电路等组成。该部分电路除主要完成 PWM输出以外，同时还为整
20、个器件提供PFC和PWM振荡时钟及占空比控制。另外，FAN4803的软启动功能也是由该部分中的软启动电路来完成的。 4.引脚功能和主要参数41引脚功能 FAN4803的各引脚的功能说明如下：PFCOUT（1脚）：大电流PFC驱动输出，能够以大于1A的峰值电流直接驱动外部功率MOSFET管。当为器件所提供的电源VCC低于欠压锁定门限电平时，该端输出为低。GND（2脚）：接地端。需要说明的是：该端应可靠地接到低阻抗地电平上，并应采用高频接地技术。ISENSE（3脚）：器件内部PFC限流比较器的电流检测输入。此端通常外接一个电阻或电流检测变压器以检测PFC的输入电流。考虑到FAN4803的接地问题，
21、此端一般应为负极信号。VEAO（4脚）：PFC输出电压反馈输入，内部接到单端误差放大器的输入端，以用于将PFC输出调整到电路的设计值。通常在外部用一个电阻与电路的PFC输出相连。 VDC（5脚）：PWM电压反馈输入。ILIMIT（6脚）：器件内部PWM限流比较器输入，可通过一个外接限流检测电阻与PWM输出端所驱动的MOSFET管的源极相连。VCC（7脚）：器件电源。PWMOUT：PWM驱动输出，能够以大于1A的峰值电流直接驱动功率MOSFET管。当器件电源VCC低于欠压锁定门限时，该端输出为低电平。42主要参数 FAN4803的主要参数如下： 平均电源电流ICC：40mA器件最高电源电压VCC
22、：183V 流检测脚电压范围：5V1V PFC输出电流：1A PWM输出电流：1A 器件过压保护门限电压典型值：163V PFC限流比较门限电压典型值：1V 直流限流比较门限电压：15V 片内振荡器振荡频率：67kHz PFC的占空比：095 PFC低电平输出电压：小于08V PFC高电平输出电压：大于145V PWM占空比范围：050 器件电源钳位电压：175V软启动电流：02mA 操作电流：25mA 欠压锁定输出极限电压：12V欠压锁定输出延迟电压：29V5直流开关电源电路及其保护5.1 240W12V直流开关电源电路及电路图图3所示是由FAN4803组成的一个 12V240W直流开关电源
23、的实用电路。其中FAN4803的电源电压VCC由R26、R27、R31、CR9、R21组成的分压稳压电路和C6、 C27、C28组成的旁路滤波电路来提供，该网络中的稳压管CR9可为FAN4803提供175V的稳定电压。由于该直流开关电源电路的功率较大，因此，电路中的限流检测电阻R3的额定功率应大于3W。同时，电路中还增加了一个限流电阻R4以保证电路和器件的安全。FAN4803控制器的PWM输出中的一路经R7、C7、T2以及Q1和Q4所构成的网络驱动后，与经过L3和Q2、Q5复合驱动后的PFC输出一起组成PFC和PWM复合输出。PWM输出中的另一路则经过Q3、T1及其后边的整流滤波电路处理后完成
24、12V的大功率直流开关输出。FAN4803的限流控制信号直接通过R11从Q3的源极提取。而FAN4803的PWM电压反馈信号则通过U2开关控制器（RC431A）、U3光耦及其它元器件组成的反馈网络后由R32馈入FAN4803的VDC 脚。电路中的PFC反馈信号通过R12和R13取自电路的PFC输出，同时在经过C15、R25、C8和一个70V的稳压二极管所组成的电路处理后由 VEAO脚馈入FAN4803内部的单端运算放大器的输入端。图5.1电路中的PFC启动电路由C23、CR16、R29、R19和C22等元件组成。PFC电路的软启动功能主要由C16来完成。通过改变C16电容值的大小可以对电路的P
25、F软启动时间进行设定。图5.1带有功率因数校正的12V/240W直流开关电源电路由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差，在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全，根据了直流开关电源的原理和特点，设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启动保护电路。基于直流开关电源的特点和实际的电气状况，为使直流开关电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，本文根据不同的情况设计了多种保护电路。5.2开关电源电路保护5.2.1过电流保护电路在直流开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是，当输出电流超过某一值时，调
26、整管处于反向偏置状态，从而截止，自动切断电路电流。如图1所示，过电流保护电路由三极管BG2 和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时，通过R4与R5的压作用，使得BG2 的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压。于是BG2 处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2 的发射极相当于接地，则BG2 处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管BG1 基极和发射极近于短路，而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护目的。图5.2输入过电流保护电路5.2.2过电压保护电路直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。如果开关稳压器
27、所使用的未稳压直流电源（诸如蓄电池和整流器）的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用输入过电压保护电路。图5.3为用晶体管和继电器所组成的保护电路，在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电阻R，使晶体管T导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。图5.3输入过电压保护电路5.2.3 软启动保护电路开关稳压电源的电路比较复杂，开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌
28、电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电，这种电路称之谓直流开关电源的“软启动”电路 。如图5.4(a)所示，在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（D1D4）和限流电阻R1对电容器C充电，限制浪涌电流。当电容器C充电到约80额定电压时，逆变器正常工作。经主变压
29、器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限流电阻R1，开关电源处于正常运行状态。为了提高延迟时间的准确性及防止继电器动作抖动振荡，延迟电路可采用图5.4(b)所示电路替代RC延迟电路。图5.4软启动保护电路5.2.4过热保护电路直流开关电源中开关稳压器的高集成化和轻量小体积，使其单位体积内的功率密度大大提高，因此如果电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求没有相应提高，必然会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率直流开关电源中应该设过热保护电路。图5.5过热保护电路本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时，温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状
30、态，实现对电源的过热保护。如图5.5(a)所示，在保护电路中将P型控制栅热晶闸管放置在功率开关三极管附近，根据TT102的特性（由Rr值确定该器件的导通温度，Rr越大，导通温度越低），当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关电源。该电路还可以设计成如图5.5(b)所示，用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极电流被N型控制栅热晶闸管TT201旁路，开关管截止，切断集电极电流,防止过热。6小结文中主要讨论了直流开关电源的工作原理以及电路的各种保护方式,并介绍了一些具体电路。开关电源的发展方向是高
31、频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对一个给定的直流开关电源来说，保护电路是否完善并
32、按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。因为开关电源的保护方案和电路结构具有多样性，所以对具体电源装置而言，应选择合理的保护方案和电路结构。在实际应用中，通常选用几种保护方式加以组合的方式构成完善的保护系统，确保直流开关电源的正常工作。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。7.感谢语 非常感谢老师这几天认真负责的教导，没有老师的指导，就没有这篇论文的成型，也感谢老师在百忙中抽出时间让我们答辩，让我们的知识层面提升一个档次。为此，祝老师身
33、体健康，工作顺利，万事如意！8.参考文献 1 何希才.新型开关电源设计与应用M. 北京：北京科学技术出版社，2001 2 曹香凝，汪东旭，严利民. 直流开关电源的研究J. 微计算机信息， 2005,25(3) 3 刘华珠，戴文进. 一种新型低压直流开关电源的研制J. 南昌大学学报，1999,21(1) 4 罗萍，李强，熊富贵等.新型开关电源的关键技术J. 微电子学，2005,35(1) 5薛永毅 王淑英新型电源电路应用实例M，电子工业出版社 6杨铮 电工、电子技术实习与课程设计M，中国水利出版社 7邢增平 Protel 99 se设计专家指导M，中国铁道出版版 8余家春Protel 99 se 电路设计实用教程M，中国铁道出版社共 20 页 第 20 页