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1、目录第一章 引言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21.1 课题背景与研究意义.1.2 开关电源发展历程. 1.3 本论文的主要工作.第二章 开关电源原理及各种拓扑. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1
2、 开关电源一般模型2.2 开关电源分类2.3 开关电源拓扑分析2.4 开关稳压电源中控制、驱动和保护电路第三章 电力电子器件认识和原理图分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1 基本的电力电子器件3.2 UC3843与TOP222Y3.3 磁学变压器学习3.4 整个电路分析第四章 DXP绘制原理图和PCB布线. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3、 . . . . . . . . 54.1 Protel 2004综述4.2 原理图设计 4.2.1原理图绘制结果4.2.2 重要元件及其封装4.2.3生产原理图报表4.3 PCB设计及参数设置第五章 电路调试及分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35.1 5.2 第六章 总结与展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26.1 第一章 引言1.1 课题背景与研究意义随着电力电子技术发展，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，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入电子、电器设备领域，通信、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛使用了开关电源。 近年来世界各国在高精度的速度和位置控制场合，都已经由交流电力传动取代电液和直流传动。交流伺服控制技术有了长足的发展，在交流伺服系统中同样以开关电源作为供电
5、模块。对交流伺服系统硬件的认识首先应从电源模块开始，不管是电机转动、还是控制电路运行，都离不开电源。电源模块是否正常工作、是否长时稳定运行，对整个伺服系统的稳定运作至关重要。学习交流伺服硬件知识开关电源是第一课，但是学好开关电源将能在所有电力电子设备中得到应用。在低压伺服系统中常见的电源模块是：采用Unitrode公司率先开发UC3843芯片，构成宽输入恒压大电流输出有隔离或无隔离的DC-DC开关电源；高压伺服系统中常见的电源模块是：采用美国PI(Power Integration)公司开发的TOPSWitch作为高频开关电源。开关电源具有电路简单、能实现输入输出隔离、电源调节范围宽、反激式拓
6、扑更能实现多路输出，因此开关电源适合电力电子设备内的供电模块。1.2 开关电源发展历程线性电源与开关电源对比：优点缺点线性电源1.电源稳定度较高2.输出纹波电压较小3.瞬态响应速度较快4.线路结构简单5.无高频开关噪声6.成本低7.工作可靠性较高1.转换效率低（45%左右）2.体积大，重量重3.滤波效率低，需大电容4.线性调整率低5.输出电压不能高于输入开关电源1.转换效率高2.体积小，重量轻3.线性调整率高4.滤波效率高，电容小5.电路形式灵活多样1.有开关噪声和干扰2.电路结构复杂3.成本高，可靠性低 开关电源发展1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的磁饱
7、和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，世界各地利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断被研制出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。由于那时的微电子设备和技术十分落后，不能够研制出耐压较高、开关速度较快、功率较大的开关晶体管，因此这个时期的直流交换器只能采用低电压输入，而且转换的速度也不能太高，工作频率仅局限于千赫量级。另外，由于输入电压不能过高，因此当时的直流变换器中还含有工频降压变压器。20世纪60年代末，高反压、大电流的功率开关晶体管出现，工频变压器被省掉，开关稳压电源的体积和重量大幅度减少和降低，开关稳压电源才走上效率高 、体积小、重
8、量轻而被广泛普及应用的道路。20世纪70年代以后，与这种技术有关的高频率、高反压、大电流的功率开关晶体管，高频率、高温电容，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管，高频变压器磁芯材料等元器件不断被研制、生产出来，使无工频变压器开关稳压电源不断得到完善和快速发展。目前从事开关稳压电源研究的科技人员设计和研制出了谐振式开关稳压电源，从根本上解决了由于功率开关管上的功耗大而导致开关稳压电源转换效率低的问题，同时也从根本上解决了由于功率开关管上的电流和电压应力大而导致开关稳压电源可靠性和稳定性低的问题。另外，从事半导体技术和工艺研究的科技人员几乎在同一时期也设计和研制出来具有零流关断和零压导通的复合功率开
9、关管IGBT。谐振式开关稳压电源电路结构再加上复合功率开关管IGBT，使开关稳压电源可以拓展到大功率和超大功率的应用场合。1.3 本论文的主要工作该论文的主要工作是介绍高低压交流伺服系统电源模块的开关电源设计。开关电源涉及许多学科，原理方面主要了解基本的电力电子器件、对于高频变压器了解基本磁学知识、对于UC3843/TOP管了解芯片内部结构，学习PWM调制知识、从总体上了解开关电源及其各种拓扑结构；对于原理图，深入学习DXP 2004从原理图到PCB布线，把原理做出电路，进行调试；调试电路时了解电源模块输出的对象（DSP、光耦、IPM等），要把电源模块融入到伺服系统中。最后就调试的结果作简单分
10、析，并对本次毕业设计的意义、收获做总结。第二章 开关电源原理及各种拓扑2.1 开关电源一般模型2.2 开关电源分类2.3 开关电源拓扑分析2.4 开关稳压电源中控制、驱动和保护电路2.4.1 控制电路不论是哪中开关稳压电源，要能够保证其正常工作，都需要有相应的、要求严格的控制信号来控制和调节驱动器所产生的驱动信号，从而使电路中的功率开关管能够安全、可靠地按照我们对输出电路的要求所对应的脉冲宽度或脉冲频率来导通或者截至。产生这种控制信号的电路即为开关电源电路中的控制电路。常用的控制电路包括采样、比较、基准源、振荡器、脉宽调制器（PWM）或脉频调制器（PFM）等电路。目前，新型的较为先进的开关稳压
11、电源电路中还包括有误差检测和误差放大电路部分。它们均是把输出端的不稳定因素检测出来并放大后输送给调制电路，最后使调制电路通过调节驱动信号的脉冲宽度或者频率来消除这些不稳定因素的，整个电路形成一个具有自适应能力的自动控制反馈闭合环路，其等效原理框图如图 图P342.4.2 驱动电路开关稳压电源电路中的功率开关管要求在关断时能够迅速关断，并能维持关断期间的漏电流近似等于零；在导通时要能够迅速地导通，并能维持导通期间的管压降近似等于零。功率开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的长短是降低功率开关管损耗功率、提高开关稳压电源转换效率的主要因素。要缩短这两个时间，除选择高反压、高速度、大电流
12、功率开关管以外，主要还取决于加在功率开关管基极的驱动信号。对驱动信号的要求：1）驱动信号波形的上升沿一定要陡，幅度要大，尽量过驱动，以便减少功率开关管趋于导通的上升时间。2）驱动信号要具有一定的驱动功率。在维持导通期间内，要能够保证功率开关管处于饱和导通状态，以减少功率开关管的正向导通管压降，从而降低导通期间功率开关管的集电极功率损耗。3）正向驱动结束时，驱动信号幅度的减少一定要快，以便使功率开关管能够很快脱离饱和区，以减少关闭时间。4）驱动信号波形的下降沿一定要陡，幅度要大，尽量过驱动，以便减少功率开关管趋于截至时的下降时间。5）最为理想的基极驱动信号如图 图 p35 2.4.3 保护电路开
13、关电源能长时、安全给系统供电，就必须有必要的保护处理，即保护电路。一般保护电路有：过电流保护、过压保护、欠压保护等过流保护：当负载电路系统出现故障或短路现象而引起开关稳压电路输出电流超过额定值时，能够在很短的时间内将电源关闭，保证电源电路本身和负载系统电路不受损坏的一种电路称为过流保护电路。目前出现的一些电流控制型PWM集成电路芯片不但具有能够保护开关稳压电源电路本身，而且还具有能够保护负载电路系统，同时保护速度快、无误动作等优点。过压保护电路：过压保护电路是一种由于稳压电源电路本身出现故障或者电路中的某些元器件参数变值或性能变差而导致输出电源超出要求的额定能够输出电压时，就能输出一个控制信号
14、使电路中的功率开关管立即停止工作的电路。过压保护电路不但能够保护电源电路中的功率开关管或其他元器件，而且还能够避免由于输出电压过高而使负载系统免遭损坏。实现过压保护的电路很多，最常用的一种电路是采用稳压值与电源输出额定值相符的稳压二极管直接并接于稳压电源的输出端而形成的。这种形式的过压保护电路结构简单、安全可靠、成本较低，但不适用于在输出电压较高和输出功率较大的稳压电源电路中使用。过压保护电路的缺点是不能保护电源电路自身。欠压保护电路：欠压保护电路是一种由于稳压电源电路本身出现故障或者电路中的某些元器件参数变值或性能变差而导致输出电压低于所要求的额定的输出电压值时，就能输出一个控制信号使电源电
15、路中的功率开关管立即停止工作的电路。第三章 电力电子器件认识和原理图分析3.1 基本的电力电子器件3.2 UC3843与TOP222Y3.3 磁学变压器学习3.4 整个电路分析3.4.1 低压伺服系统中的DC-DC开关电源3.4.2 高压伺服系统中的AC-DC开关电源反激式开关电路电路结构简单、输入输出电气隔离、电压调节范围宽、易于多路输出等特点，因而适合于电力电子设备内的辅助开关电源。高压伺服一般采用反激式开关电源作为辅助电源，通过220V交流供电，为系统内控制系统、驱动芯片提供所需的低压电。为保证输出电压的稳定性，采用闭环控制方式；为有效的减少系统体积，缩短设计周期，采用美国PI(Powe
16、r Integration)公司开发的TOPSWitch-II作为高频开关电源；为了提高电源效率，减小变压器内电流尖峰，设计的变压器工作在电流连续模式（CCM）。工作原理单端反激式辅助电源系统的拓扑已经发展非常成熟，在此基础上，系统采用的单端反激电源电路图3.13 辅助电源电路图220V市电经整流和电容滤波后，变成310V的直流电压供给TOPSwitch-II芯片，TOPSwitch-II构成DC/DC变换器，它将输入的直流高压变成脉宽可调的高频脉冲电压，经高频变压器降压后再进行半波整流和滤波，变成所需要的直流电压输出。阻塞二极管D25与瞬态电压抑制器VR1组成吸收电路，吸收功率器件在关断过程
17、中由于变压器漏感产生的尖峰电压，当功率管导通时，初级变压器的电压极性为上端正下端负，使D25截至，钳位电路不起作用；功率管截止时，变压器初级绕组变为下端为正，上端为负，此时D25导通，尖峰电压被VR1吸收。TL432的阴极与阳极之间并联一只软启动电容C99。刚启动时由于电容两端压降不能突变，使得TL431不工作。随输出电压的增大，电容上电压不断升高，TL431逐渐转入正常工作状态。输出电压在延迟时间内缓慢上升，最终达到所需电压稳定值。Ic电流在26mA之间变化时，PWM呈线性变化。top型号的选择表3.3 top型号选择型号单电压输入110V230V宽范围电压输入85265VTOP221Y12
18、W7WTOP222Y25W15WTOP223Y50W30WTOP224Y75W45WTOP225Y100W60WTOP226Y125W75WTOP227Y150W90W输出功率为17.5W，宽输入范围，根据表3.3，选TOP223Y作为该电路的开关电源。电源滤波器的选择电源滤波器作用一方面是滤除由电网传来的杂波电压，净化输入电源，另一方面也阻止高频开关电源的振荡电压窜入电网，干扰其它电器。该辅助电源为小功率的高频开关电源，综合考虑其成本与影响，确定用一只滤波电容实现电源滤波，电容C117选择为104/250VAC普通电容。输出滤波电容的选取C108,C109,C110选用的电解电容，由于对输出
19、纹波要求比较严格，所以再加一级LC滤波以小输出纹波：L选3.3(电流小于1A时，可用有非晶合金磁性材料制成的磁珠；大电流时应选用磁环制成的扼流圈；为减小电感上压降线圈的线径宜大些)。C选220/25V的电解电容。由于偏置输出的电压较低，功率很小，所以选104的陶瓷电容就可满足要求。有极性电容无法吸收加在它两端的高频电流分量，所以需要在调试过程中根据实际情况并联高频特性较好的陶瓷电容，选104。TOPSwitch外围电路设计用于滤除TOP223Y内部MOSFET栅极充电电流的峰值，设置自动重启动频率与环路补偿。选的电解电容,选。接地电容选陶瓷电容104。反馈电路的设计刚启动时防止TL431控制极
20、和阴极之间电压上升过快，损坏器件，C,K间接电容C99做保护，C99 选取陶瓷电容104。Ic电流应在26mA之间，PWM才会线性变化。 用于设置控制环路总增益；的作用是当输出电压偏低时给TL431提供偏置电流；电路利用输出电压与TL431构成的误差比较器，通过光耦NFC2501线性关系的电流变化控制TOPSwitch的Ic，从而改变PWM宽度，达到稳定输出电压的目的。从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系，如图： 控制脚电流Ic(mA)图3.15 TOPSwitch占空比与控制电流的关系若使PWM线性调节，控制脚电流Ic应在26mA之间，故流过光耦三极管
21、的电流Ice也应在这个范围变化，而Ic是受光耦二极管电流If控制的，由于光耦NEC2501是线性光耦，控制二极管正向电流If即可控制Ic在预定的范围内变化，从TL431的技术参数知，Vk (TL431阳极和阴极之间电压)在2.537V变化时，Ika可以在1100mA内大范围变化，当If最大时也要保证Vk 2.5V, Vk=15-Vf-(IfmaxR131)2.5V, Ifmax 取5A，Vf为光耦二极管的正向压降，典型值为1.2V。 R1312.26 (取R131=2K)TL431要求至少有1mA的工作电流，即使R131电流降为0A,R132回路要提供续流，保证TL431正常工作，R132=1
22、.2K/1mA=1.2K(取R132为200/0.5W)R135的选取，考虑两个因素：1)431参考输入端的电流，一般为2左右，为避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取过流电阻R135为参考电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200=12.5K.2)待机功耗的要求，如果由此要求，在满足R135=12.5K的情况下尽量取大值。取R135=10KRV1的阻值根据输出电压值确定，2.5V,得RV1=50K。第四章 DXP绘制原理图和PCB布线4.1 Protel 2004综述Protel 2004从功能上可分为以下几部分：电子电路原理图（SCH）设计、电子电路原理图（SCH）仿真、
23、印制电路板（PCB）设计、电子电路实现前后的信号完整性分析和可编程逻辑器件（FPGA）设计等。该论文学习讲述Protel 2004的原理图与印制板设计，着重学习原理图设计和印制电路板设计两个系统工具的使用。Protel 2004将原理图编辑、PCB图绘制及打印等功能有机结合在一起，形成了一个集成的开发环境。在这个环境中，所谓的原理图编辑，就是电子电路的原理图设计，是通过原理图编辑器来实现的，原理图编辑器为用户提供高速、智能的原理图编辑手段，由它生成的原理图文件为印制电路板的制作做准备工作。所谓PCB绘制，就是印制电路板的设计，它是通过PCB编辑器来实现的，其生成的PCB文件将直接应用到印制电路
24、板的生产中。4.2 原理图设计电路原理图设计主要是运用Protel 2004提供的原理图编辑器绘制、编辑原理图，目的是为PCB板设计提供网络表等设计参数信息，也可以为其他用途提供标准的电路原理图。原理图的设计流程图，如图4-1所示： 开始进入原理图编辑器设置图纸规则原理图的调整放置元件、导线等相关图件设置原理图编辑器系统参数报表输出文件保存及打印输出结束 图4-1 原理图设计流程图4.2.1原理图绘制结果72-5 DC-DC低压伺服中电源模块，如图220VAC-15VDC 高压伺服辅助电源模块，如图：4.2.2 重要元件及其封装Protel 2004提供了丰富的元件库，几乎覆盖了所有电子元器件
25、厂家的元件种类：提供强大的库元件查询功能。元件库中没有的元器件及其封装制作，截图：如图UC3843元件及封装:低压中变压器元件及封装：高压中变压器元件及封装：4.2.3 生成原理图报表原理图编辑器可以生成的报表主要有网络表、材料清单报表、层次报表、元引用参考报表等，可用于存档、对照、校对及交流。下面是本次毕设中使用的网络报表和材料清单报表。网络表是指电路原理图中元件引脚等电气点互相连接的关系列表。它的主要用途是为PCB制板提供元件信息和线路连接信息，同时它也为仿真提供必要的信息。有原理图生成的网络表进行比较，以检验制作是否正确。材料清单报表也称为元件报表或元件清单，主要报告项目中使用元器件的型
26、号、数量等信息，也可以用作采购。4.3 PCB设计及参数设置4.4.1 印制电路板的结构印制电路板也称做印刷电路板或印制板，就是通常所说PCB。印制板是通过一定的制作工艺，在绝缘非常高的基材上覆盖一层导电性能良好的铜薄膜构成敷铜板，然后根据具体的PCB图要求，在敷铜板上蚀刻出PCB图上的导线，并钻出印制板安装定位孔，以及焊盘和导孔。根据电路板的结构可以分为单面板（Signal Layer PCB）、双面板（Double Layer PCB）和多层板（Multi Layer PCB）三种。单面板只有一面敷铜，只有在敷铜的一面布线和焊接元件。只有电路非常简单是才采用单面板。双面板包括顶层（Top
27、Layer）和底层（Bottom Layer）的电路板。顶层一般为元件面，底层一般为焊接面。PCB中两面都可以走线。多层板就是包含多个工作层面的电路板。最简单的是4层，通常在“Top Layer层”和“Bottom Layer层”中间加上电源层和地线层。这样处理，可以极大程度地解决电磁干扰问题，提高系统的可靠性，同时也可以提高布线率，缩小PCB的面积。通常在印制电路板上布上铜膜导线后，还要在上面印上一层防焊层（Solder Mask），防焊层留出焊点的位置，而将铜膜导线覆盖住。防焊层不粘焊锡，甚至可以排开焊锡，可以防止焊锡溢出造成短路。防焊层有顶层防焊层（Top SOlder Mask）和底层
28、防焊层（Bottom Solder Mask）。 有时在印制电路板的正面或反面印上一些必要的文字，能印文字的一层为丝印层（Silkscreen Overlay），该层又分为顶层丝印层（Top Overlay）和底层丝印层（Bottom Overlay）。4.4.2 从原理图导入PCB 校核4.4.3 PCB布线： P181 PCB板就是把设计好的原理图变成一块实实在在的PCB电路板，这一过程有很多原理上行得通的东西在工程中却难以实现。微电子领域的两大难点在于高频信号和微弱信号的处理，在这方面PCB制作水平显得很重要。做PCB板时是选用双面板还是多面板，要看最高工作频率和电路系统的复杂程度以及对
29、组装密度的要求来决定。在时钟频率超过200MHz时最好选用多层板。如果工作频率超过350MHz，最好选用以聚四氟乙烯作为介质层的印制电路板，因为它的高频损耗要小些，寄生电容要小些，传输速度要快些，还由于阻抗较大而省功耗。一些PCB技巧、要求：1）首先要明确目标，确定是普通的PCB板、高频PCB板、小信号处理PCB板，还是即有高频率又有小信号处理的PCB板。如果是普通的PCB板，只要做到布局布线合理整齐，机械尺寸准确无误即可。2）板中如有中负载和长线，就要采用一定的手段进行处理：减轻负载，长线要加强驱动，重点是防止长线反射。当板上有超过40MHz的信号线时，就要对这些信号线进行特殊的考虑，比如线
30、间串扰等问题。3）所有平行信号线之间尽量留有较大的间隔，以减少串扰。如果有两条相距较近的信号线，最好在两线之间走一条接地线，这样可以起到屏蔽的作用。4）设计信号传输线时要避免拐弯，以防传输线特性阻抗的突变而产生反射，要尽量设计成具有一定尺寸的均匀的圆弧线。电路板上的微带线的特性阻抗一般在50-120（68可以在延迟时间和功率之间达到最佳），当阻抗为50时，分支短线的长度必须限制在2.5cm以内，以免出现很大的振铃。5）对于双面板，电路板两面的线要互相垂直，以防止互相感应产生串扰。6）印制电路板上若装有大电流器件，如继电器、指示灯、喇叭等，他们的地线最好分开单独走，以减少地线上的噪声。7）如果板
31、上有小信号放大器，则放大前的弱信号线要远离强信号线，而且走线要尽可能短，如有可能还要用地线对其进行规则设置。4.4.4 参数设置4.5 整理工程文件，使工作完善项目元件库 pcb元件库第五章 电路调试及分析第六章 总结与展望参考文献1 王水平、贾静等，开关稳压电源原理及设计，北京：人民邮电出版社，2008.72 周志敏、周纪海、纪爱华，高频开关电源设计与应用实例，北京：人民邮电出版社，2008.123 赵同贺 胡军，开关电源，北京：人民邮电出版社，2007.34 谢运祥等译，开关电源入门，北京：人民邮电出版社，2007.95袁鹏平 付刚 罗开玉，Protel DXP电路设计实用教程，北京：化学工业出版社，2006.106谷树忠 闫胜利，Protel 2004使用教程-原理图与PCB设计，北京：电子工业出版社，2005.27郭永贞 龚克西 许其清，数字电子技术，南京：东南大学出版社，2008.28王兆安 黄俊，电力电子技术，北京：机械工业出版社，200091011