多路输出开关电源.doc

程设计名称： 电子技术课程设计 题 目： 多路输出开关电源 学 生 姓 名： 专 业： 学 号： 指 导 教师： 日期：2010年 7 月 2 日多路开关输出电源摘 要：在我们的身边，经常接触到很多关于电子线路的设备。在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。所以直流稳压电源是电子系统中经常应用到的。本设计将通过多路输出直流稳压电源是设计说明稳压电路的工作原理和稳压的电源的指标及其测试方式。在电子线路设计中通常都需要电压稳定的直流电源供电，其往往采用交流电源经过转换得到的，其性能的好坏直接影响整个电子设备，一般电源主要由电源变压器, 整流电路，滤波电路和稳压电路四部分组成。一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。关键词：直流稳压电源, 电源变压器 ，整流电路，滤波电路，稳压电路。Abstract：Around us, often exposed to a lot of equipment on the electronic circuit. Electronic circuits and devices, generally requires a stable DC power supply. Therefore, DC power supply is often applied to the electronic systems. This design will be through a multi-output DC power supply regulator circuit is designed to explain the principle and regulator of the power indicator and test methods. In the design of electronic circuits requiring voltage stability is usually DC power supply, which often use AC power through transform be of, the direct impact of their affect all electronic equipment, general power main You power transformer, rectifier, analog filter and regulator circuit composed of four parts.Keywords：DC regulated power supply ，power transform, rectifying circuit，filter circuit，voltage stabilizing circuit.目 录1前言11.1设计背景11.2设计概述22总体方案设计32.1方案比较32.2方案论证42.3方案选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.2电路参数的计算及元器件的选择83.3特殊器件的介绍83.4各单元模块的联接94软件设计94.1软件设计原理94.2软件结构图104.3工作流程框图115系统调试125.1电源电路的调试126系统功能、指标参数166.1系统能实现的功能166.2系统指标参数测试166.3系统功能及指标参数分析167结论168总结与体会179谢辞1710参考文献18附录！：系统的原理电路图19III1前言直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。直流稳压电源由变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。1.1设计背景 随着电力电子技术的发展，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，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开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.1.1设计相关技术简介 一般电源主要由电源变压器, 整流电路，滤波电路和稳压电路四部分组成。开关电路，采用PWM控制与驱动，主要芯片是TOP261EN,变压器采用的是有抽头的全波整流。控制电路向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。取出部分电压与基准电压比较，输出电路包括了整流滤波电路，有反馈电路。这里采用的是全桥整流，把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。在+12、+15V输出还用到了78、79系列的稳压集成芯片。1.1.2该技术的特点这里介绍的多路开关输出电源，开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关, 开关工作频率在几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻,体积小等特点。另外,由于功耗小,机内温升低,从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V+10%,而开关型稳压电源在电网电压从110V260V范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。1.2设计概述 本设计为多路输出开关电源，基于TOP261EN的PWM开关控制的大功率开关的设计，在PI软件的优化下，得到了较好的方案，从而能继续设计各个模块的电路，仿真电路也验证了设计的电路的比较准确性。1.2.1设计目标设计目标：完成输入：+12VDC或者220VAC；输出: 50V两路，每路输出达4A；15V两路，输出电流无特殊要求；12V两路，输出电流无特殊要求。所有输出电压只有正误差，无负误差，50V误差范围为+5V以内，其他两路的误差范围在+10%以内的设计，用PROTEL 99SE绘制系统电路原理图1.2.2技术路线要实现该设计，就应把整个电路分为几大模块。它们分别是输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。1.2.2实施计划首先就是要理清设计的功能，要求，确定实现设计的框图，在总体框图的指导下，参考模板作出各模块，具体的电路图，由要设计实现的功能，计算出各个电路元件的值，并逐一对各个元件进行选择。最后用仿真软件对设计进行仿真操作，调试软件，并对照出的设计有误的地方进行必要的修正，确保设计的正确。1.2.3必备条件要实现该电路的设计，首要的就是要制定出设计的实现框图，并在老师的指导和参照资料的条件下作出具体电路图，选定实现实现该设计的各种元器件。另外，还应由必要的软件帮助设计的完成。2 总体方案设计2.1方案比较 对同一种目的的实现，可以用不同的方案，下面就着重介绍以下两种方案对同一目的的实现方法。并比较两种方案的优劣。2.1.1方案一原理图如图2.1：工频变压器输出电路取样反馈控制电路整流滤波电路220V 方案一的原理简述：此方案是使用变压器将220v/50HZ的电网电压进行变压器降压调节后，在经过整流、滤波和线性稳压最后输出+50、+12、+15V直流电压。此方案的优点是电源稳定度即负载稳定度较高，输出纹波电压较小，线路结构简单，便于维修，无高频开关噪声，成本低。缺点是内部功耗大，转换效率低，其转换效率一般只有45%，体积大，重量重，不便于小型化，必须有较大的输入和输出滤波电容，发热大。2.1.2方案二开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。根据PI软件优化得到的大概结构 原理图如图2.2方案二的原理简述：所给的图只是一部分，后面接着是滤波，稳压电路。方案二的主要部分是2.2图的结构，电路主要是由电磁干扰滤波器（EMI）、全波整流器、功率变换电路、PWM控制与驱动电路、输出整流滤波电路组成。电路的优点是：1、 功耗小，效率高。2、 体积小，重量轻。3、 稳压范围宽。2.2方案论证方案可行性分析：以上两种方案都是可行的，只是第一种方案电路过于复杂，体积庞大，效率很低。第二种方案就是我们常用的说的高频稳压开关电源，主要难点就是变压器的计算以及电路的设计，但其电路内部功耗小、转换效率高、体积小、重量轻且经济实惠安全。另外借助计算机的强大计算功能使设计过程大大简化，缩短了研发周期。综上所述选择第二方案。2.3方案选择经过上面两个方案的分析，第二个方案的可行性高，所以我选择第二个方案做为设计方案。 AC-DC模块由于高频功率开关，对电源设计的作用突出，不仅使得设计电路内部功耗小、转换效率高、体积小、重量轻而且经济实惠安全。本次设计使用了Power Integrations公司开发的PI软件，大大简化了设计难度。通过在PI软件里输入及选择了基本参数：PI软件系列TOPSwitch-HX、封装EN（Esip-7C），然后再添加所需要的的设计目标直流电压就的到了此软件优化的结构方框图。3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1变压器变压器这一模块，是整个设计中比较复杂繁琐的，它关系到大量的计算，要考虑到各种漏感，磁圈的匝数磁芯的选择等等，在PI软件优化的结构图3.1（1）和图3.1（2）： 图3.1（1）电路1的变压器优化结构图 图3.1（2）电路2的变压器优化结构图 变压器是整个设计的核心部分，他关系到功率变化，是实现设计的必不可少的部分，变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能，主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。EMI滤波电路模块：模块的功能主要是对输入电压的滤波和整流作用， EMI滤波是本电路中比较重要的。其电路图如下： EMI滤波电路模块箝位电路：钳位电路主要作用就是起到保护作用，其主要组成是阻断二极管Db3，箝位电容，箝位电阻和一个稳压管P6KE200A， 3.1.2整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1KW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波，全波，桥式和倍压整流电路。本设计主要研究单向桥式整流电路。图3.12单相桥式整流电路原理图图3.12所示是单相桥式整流电路原理图。这里每半波的电流要流过两只整流器二极管。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正，负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。3.1.3滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般有电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，一级由电容，电感组合而成的各种复式滤波电路 滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容接在最前面）和电感输入式（电感接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中。本设计主要用到的是电容滤波。 a图电容滤波 b图型滤波或叫C-L-C滤波 总之，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场3.1.3稳压电路当电网电压波动或负载的变动会导致负载上得到的直流电不稳定，影响电子设备的性能，用稳压管，即采用一些负反馈方式的稳压电路，使之自动调节不稳定因素，从而得到稳定电压。集成稳压器是一种集成化的串联型稳压器。目前常用的是能够输出正或负电压的三端集成稳压器，又分固定输出和输出可调的两类。常用的是1. 三端固定输出正电压的集成稳压器 w78xx系列2. 三端固定输出负电压的集成稳压器 w79xx系列3. 三端电压可调正电压集成稳压器 w317,w1174. 三端电压可调负电压集成稳压器 w337,w137其中w78xx 和w79xx系列型号中的“xx”是两个数字，表示输出的固定电压Uxx，“xx”一般有05（5v）,06(6v),08(8v),12(12v),15(15v),18(18v),24(24v)等几种，每一种系列的稳压器其输出电流又有：100mA(78LXX),0.5A(78MXX),及1.5A(78XX)3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.1变压器可根据PI软件,把需要达到的要求输入，然后根据优化的方案，知道了输入电路，变压器各部分的详细电路图，还有各元器件的大小和型号，然后画电路图。3.2.2整流电路整流电路不需对电路参数进行计算，只需对其进行选择即可。桥式整流中 的二极管应选择IN4007。3.2.3滤波与稳压电路 正负12V的滤波与稳压电路涉及到的C1，C2,C3,C4，分别是470uF,470uF,1000uF,1000uF.二极管D1是一般的二极管，电阻R1为50K。还用到7812和7912稳压管。正负15V的滤波与稳压电路涉及到的C5,C6,C7,C8分别为470uF,4.7uF,47uF,47uF,还用到了7815和7915稳压管。3.3特殊器件的介绍肖基特二极管（SBD）： N型半导体器件，工作在低电压、大电流状态、反向恢复时间极短，只有几纳秒，正向导通压降0.4v，整流电流达数百安。TL431精密稳压源：TL431为美国莫托罗拉公司的产品，称为可控精密稳压源。这种三端集成电路在功能上相当于一只低温度系数的可变稳压值的稳压二极管。由于其内部有一个2.5V的精密参考电压源，再借助两只外接电阻，其稳压值可在2.536V间连续可调且输出电流较大，这使得它在许多电路中得到了广泛的应用。 光电耦合器的选择：它其实是发光体、实际上是一只发光二极管手输入电流控制，发出不同强度的光，另一部分是受光器，受光器接收光照以后，产生光电流并从输出端输出。主要参数：电流输出比CTR（100%），绝缘电压Vdc（>1550v）、最大正向电流Ifm（>60mA）、反向击穿电压Vbrceo（>30v）、饱和压降Vces（<0.3v）。选择光耦型号PC817A。3.4各单元模块的联接详见附录4软件设计4.1软件设计原理Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel 设计系统是一套建立在IBM兼容PC环境下的EDA电路集成设计系统，由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件。 从Protel 98开始，Protel公司将所有应用程序代码从16位升级为32位，使性能大大提高。1999年初，Protel公司推出了Protel 99，其最大的改变是引入了设计数据库文件和设计团队的概念，而后又推出了Protel 99的改进版-Protel 99 SE。Protel 99 SE（Second Edition）在原理图设计和电路仿真方面增加了许多小的功能，而其最主要的改进体现在电路板设计系统方面。使用Protel 99 SE，你将赞叹其强大的功能和应用的弹性。据说Protel99SE的部分最新功能将兼容举世瞩目的图形制作，编辑和处理软件COREL DRAW。当初欧元硬币的设计解决方案由Corel DRAW来完成，COREL DRAW图形套件中，它集位图编辑处理，网页动画，网页发布，页面布局，向量动画等各种必要功能于一身。将会使您"大大地"提高专业创作的效率。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。 以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中； 同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络 既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；专家导航帮您解决信号完整性问题4.2软件结构图Advanced Integrity99Protel Advanced Route 99SEProtel Advanced PLD99SEAdvanced SIM99Protel Advanced Schimatic 99SEProtel Advanced PCB 99SEProtel 99SES 图4.2 软件结构图4.3工作流程框图建一数据库建一原理图文件建一PCB文件元件制作元件制作建一原理图文件建一PCB元件库文件特殊元件设计特殊元件设计原理图设计原理图设计否否检查并生成网络文件元件布局布线检查并生成网络文件文件的保存图4.3 工作流程框图5系统调试5.1电源电路的调试5.1.1调试目的测试电源电路的输出是否满足设计要求，输出恒定的12V的直流电压。5.1.2调试电路在proteus中按电源电路画出的电路如图所示：5.1.2（1），图5.1.2（2）所示：电路说明如下：1.在电源两端加入交流信号2.运行proteus仿真。图5.1.2(1) 图5.1.2(2)对升降压电路仿真如图下所示。 图5.1.2(3)调试结果开启仿真按钮以后，可观察到如下结果：1.仿真开启，输出的两折现分别表示测试两端波形。2.仿真出来的波形如下图所示图5.1.2(1)的仿真波形 图5.1.2(2)的仿真波形 图5.1.2(3)的仿真波形 结论：从示波器的图形可看出，稳压过后的波形较平稳，基本达到要求6 系统功能、指标参数本节主要介绍的是实现设计的电路。6.1系统能实现的功能该系统能够实现输出为+，-12V的电压；+，-15V的电压；+，-50V的电压，且误差较小。可以根据自己的需要来选择所需的电源6.2系统指标参数测试 对于本设计系统的参数测试，总共分两步。第一步就是将我们的电路的各部分分开进行仿真。对此部分仿真可用到仿真软件proteus。直到修改达到所需要求为止。第二步将自己设计的电路用软件protel作出具体的线路图，用protel自带的检测功能检测线路是否连接有误， 经过仿真证明我设计的电路电源部分工作正常6.3系统功能及指标参数分析输入电路与变压器： 根据PI优化的方案，从设计结果中可以看到各部分的具体电路，还有，各元器件的型号和大小。整流电路：4个二极管为IN4007构成桥式整流电路，滤波和稳压电路：正负12V的滤波与稳压电路涉及到的C1，C2,C3,C4，分别是470uF,470uF,1000uF,1000uF.二极管D1是一般的二极管，电阻R1为50K。还用到7812和7912稳压管。正负15V的滤波与稳压电路涉及到的C5,C6,C7,C8分别为470uF,4.7uF,47uF,47uF,还用到了7815和7915稳压管。7 结论该设计用仿真软件proteus完美的验证了理论分析结果。多路输出开关电源电路是一个用途非常广泛的电路，在很多地方都可以见到它们的身影， 通过这次课程设计，我收获颇多。首先，这次设计过程中我查阅了很多资料，通过查阅各种资料，加深了我对更多理论知识的理解，尤其是对很多元器件、模拟电路和数字电路的理解。通过这次设计进一步加深了我的团队意识，团队协作是非常重要的。更重要的是通过这次课程设计，我的自学能力、解决问题的能力得到了深化以及怎样用最有效率的方法让陌生的东西变得熟悉。不过，这个设计还是有它的不足之处。首先就是电路设计有些复杂，元器件种类有点多，它们会耗费掉一定的电力。8总结与体会在这两周的电子设计实习中，我们做的设计课题是“多路开关电源输出设计”。设计要求能输出多路电源，有+，-12V；+，-15V;+,-50V.在电源设计中要根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠，廉价，有效益。本次的多路开关电源输出的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了我对模拟电路的设计，让我们在设计的实践中获得了更多的知识，同时锻炼了我们的动手能力。学习了理论知识和实践操作，我们不仅仅得到的事课本上的东西，更重要的是我们通过自己的亲自动手，还有老师和同学的耐心指导，让我们知道了分析电路、设计电路的步骤以及计算机软件辅助作图等。在实验中用到了多种元器件的使用，加深了我对模拟电路的理解，同时加深了我对几种元件的使用的认识。设计一开始不知道如何下手，经过广泛的查阅资料，我找到了很多有用的信息，为我的设计带来了很多方便。通过这个设计让我得到了很多，很多事情做不做得好是回事，关键是自己要亲自去实践，亲自动手做，要善于思考总结。我自知这次的设计有很多不足之处，尽管我们很努力，但效果却不是很好，平时很多 东西学得也不是很透彻，我觉得做课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。通过这次课程设计，我收获颇多，我8 谢辞在这里，我对我们的指导老师表示衷心的感谢。老师在这次课程设计过程中对我们的全方位的指导，是我们这次课程设计取得成功的根本保证。老师对这次课程设计抱着认真负责的态度，他极力做好安排、指导、答辩等各个环节，只为我们能通过这两周的课程设计学到更多知识，更快地提高我们的能力。在龙老师的指导下，我学到了很多平时没有学到的东西，尤其是学到了很多依托我们的专业知识在实际生活中广泛应用的东西。另外，我还要感谢学校能安排这次课程设计，为我们熟悉我们的专业相关提供了平台。当然，这次课程设计能取得成功，还少不了我们组几个同学的通力合作，大家在设计中献言献策，不积极发挥着个人的聪明与才智。10 参考文献1 张瑾等Protel 99SE入门与提高M北京：人民邮电出版社，20072 电子技术基础模拟部分（第5版）M北京：清华大学出版社，20063 华成英.电子技术北京.中央广播电视大学出版社，20064赵淑范等.电子技术实验与课程设计.北京：清华大学出版社，2006，085贾更新.电子技术基础实验设计与仿真.郑州：郑州大学出版社，2006，106杨旭东等.实用电子电路精选.北京：化学工业出版社，20077朱清慧等Proteus教程电子线路设计、制版与仿真M北京：清华大学出版社，2008附录1：系统的电路原理图第 21 页