开关稳压电源毕业设计.doc
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1、摘 要 随着全球对绿色环保问题的不断关注和开关电源在电气电子各个领域中的优良 表现, 社会对其的需求量在不断的加大, 开关电源也因为其高效率、小体积、轻重 量等多方面的优势在很多领域逐步取代了传统的连续工作的线性电源,但同时人们 对这种电源的效率、体积、重量、功率因素及可靠性等方面提出了更高的要求。开 关变换器的高频化、集成化、小型化、低噪声化、高可靠性化发展也是当今社会的 不断追求和努力的方向,目前,开关技术的研究热点主要有新型高频高功率半导体 器件开发,外围新器件的开发,同步整流技术优化,电磁兼容优化,高性能数字控 制,拓扑结构和参数的最优化,低电压,大电流电源的开发等方面。随着研究的不
2、断深入和电力电子技术的迅速发展,开关电源的工作频率,效率将不断提高,体积 将不断减小,性能将更加稳定,品种也将越来越多。 近年来开关电源的高频变换器出现了推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激 等多种形式,新型的软开关控制技术也有零电压和零电流两种。本文介绍了一款基 于 UC3825 的小功率移相全桥零电压软开关控制方式的开关稳压电源,采用市电供 电,带隔离变压器,给出了 DC-DC 变换器、PWM 控制及驱动电路的详细设计方法及 设计思路,并使用 ORCAD/Pspice 软件对开关电源主电路系统性能进行了仿真,根据 仿真结果显示,该开关稳压电源效率高,输出电压稳定,电路设计较完善,性能稳 定
3、。1 关键词:开关电源 移相全桥 软开关技术 Abstract With the global keeping attention on the problem of environmental protection and the switching power supply has good performance in all fields of electrical and electronic, the demands of switching power supply keep increasing.Because of its high efficiency, small siz
4、e, light weight, and many other advantages, the switching power supply gradually replace the traditional linear power in many fields. But people need higher requirement for the efficiency, volume, weight, power factor and reliability of the switching power supply. The high frequency, integration, sm
5、all size, low noise, the main research of switching technology focus on development of new high-frequency high-power semiconductor device and new external devices, the optimization of synchronous rectification technology and electromagnetic compatibility, high performance digital control, topology a
6、nd parameter optimization, low-voltage and high-current power supply development and so on. Along with the deepening of the study and the rapid development of power electronics, switching power supplies operating frequency, efficiency will continue to increase, the volume will continue to decrease,
7、the performance will be more stable, the variety will be more and more. In recent years, there are push-pull, full bridge, the new soft-switching control technology has zero voltage and zero current. The thesis describes a switching power supply with low power phase-shift full-bridge zero-voltage so
8、ft-switching control based on UC3825,with electricity supply of 220V and isolation transformers, DC-DC converter, PWM control and drive circuit of the detailed design methods and design ideas is given, and make a simulation on the main circuit switching power supply system performance using ORCAD /
9、Pspice. According to the simulation results: the power supply has high efficiency, stable output voltage.It is a perfect circuit design with stable performance.1 Key words: switching power supply phase-shift full-bridge soft-switching technology 目录 摘要.I Abstract .II 绪论.1 1 开关电源的基本概念与发展.2 1.1 开关电源基本概
10、念.2 1.2 开关电源的发展.2 1.3 设计任务.2 1.4 设计方案.3 2 软开关技术.6 2.1 软开关的定义.6 2.2 全桥控制移相方式.6 3 PWM 控制芯片 UC3825.8 3.1 UC3825 简介.8 3.2 UC3825 的基本特性.8 3.3 UC3825 的工作原理.9 4 主电路的选型与设计.12 4.1 开关电源主电路的结构设计.12 4.2 主电路主要参数的计算.13 4.3 高频变压器的计算与设计.14 4.4 隔离变压器与整流电路的计算与设计.18 4.5 输入滤波电路的计算与设计.19 4.6 输出滤波电路的计算与设计.20 4.7 主开关元件计算与
11、选型.20 4.8 吸收电路的设计.21 5 控制电路的设计与计算.22 5.1 控制电路的设计.22 5.2 锯齿波电路的参数计算.23 5.3 电压反馈比较电路的参数计算.23 5.4 过流保护电路的设计.25 5.5 控制输出电路的设计.27 5.6 电路结构总图.28 结论.29 致谢.30 参考文献.31 绪 论 自 20 世纪 50 年代,美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个 开关电源以来,在半个多世纪的发展中,开关电源逐步取代了传统技术制造的相控 稳压电源,并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展,开关电源逐渐向 集成化方向发展,趋于小型化和模块化。近 20
12、年来,集成开关电源沿两个方向发 展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化第二个方向是实现中、小功率 开关电源单片集成化。其属于 AC/DC 电源变换器。单片开关电源具有高集成度、高 性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点,现己成为开发中小功率开关电源、 精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。 传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或增压设备,用水泵高出实际用水高 度的扬程来“提升”水位高度,以保证有足够的用水量,并且控制精度低、能耗大。 随着科学技术的不断发展,自动控制技术在我国的日新月异,继电器控制系统已跟 不上时代的发展要求,而需要一种新型的可编程控制器取而代之。PLC 进入九十
13、年 代后,工业控制领域几乎全被 PLC 占领。运用 PLC 的目的是用来取代继电器、执行 逻辑、记时、计数等顺序控制功能,建立柔性的控制系统。已经被广泛应用于机械 制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业,是工业自动化的主导产品。 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高, 能耗减少,降低了电源周围环境的室温,改善了工作人员的环境。我国邮电通信部 门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是,近两 年来出现的电力系统直流操作电源,是针对国家投资 4000 亿元用于城网、农网的 供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的,它已开始采用开关电源以取代传
14、统 的相控电源。2 1 开关电源的基本概念与发展 1.1 开关电源基本概念 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置,是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置, 用于交流直流或直流直流电能变换,通常称其为开关电源,开关电源的核心为 电力电子开关电路,根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求利用反馈控 制电路,采用占空比控制方法,对开关电路进行控制。开关电源这一技术特点使其 同其他形式的电源,如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体 积小、重量轻和效率高两个明显的优点。2 1.2 开关电源的发展 随着电子技术的高速发展
15、,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电 子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。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 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,开关电源技术进入快速发展期。 1.3 设计任务 本设计做的是
16、一个小功率带变压器隔离的全桥式开关电源,供电电源采用市电。 设计的主要内容是开关电源的主电路和控制电路,和其他的一些辅助电路。开关电 源需要满足下列指标要求: (1) 输出电压 U0可调范围:20V50V; (2) 最大输出电流 I0 max:4A; (3) Io从 0 变到 4A 时,负载调整率 SI5%(U2=40V) ; (4) 输出噪声纹波电压峰-峰值 UOPP1V(U2=36V,Uo=40V,Io=4A) ; (5) DC-DC 变换器的效率 70%(U2=36V,Uo=40V,Io=4A) ; (6) 具有过流保护功能,动作电流 IO(th)=4.50.2A。 根据要求设计出电路图
17、,包括主电路、控制电路以及选用相应的元器件。 1.4 设计方案 开关电源一般是由变压器,整流滤波电路,DC-DC 变换器,控制电路,保护电 路等电路构成。本设计的核心部分,进行功率变换的 DC-DC 变换器,采用全桥式变 换电路,此外还有软启动、过流保护、噪声滤波等电路。通过资料的查阅,设计出 了元器件参数,然后选择合适的器件,设计出完整的电气原理总图,如图 1-1 所示。 图 1-1 开关电源的电气原理总图 (1) 全桥式 DC-DC 变换器。全桥式 DC-DC 变换器的电路结构如图 1-2 所示, 电路中有四个开关管 Q1,Q2,Q3和 Q4,其中,Q1和 Q4同时导通,Q2和 Q3同时导
18、通, 并且两组开关管轮流导通半个周期。这样在高频变压器的副边绕组两端分别形成相 位相反的交流电压,Q1,Q4导通时,二极管 D5处于导通状态,Q2,Q3导通时,二极 管,D6处于导通状态,在负载端形成矩形电压脉冲,因此通过调整 Q1和 Q4,Q2和 Q3两组开关管的的导通时间就可以调整输出电压的占空比,从而调整输出电压的平 均值,达到稳定输出电压的目的。 图 1-2 全桥式 DC-DC 变换器 (2) 隔离变压器和整流滤波电路。本文设计的开关电源变压整流电路如图 1-3 所示,先把 220V 的市电通过隔离变压器转变成 36V 的交流电,对电网中的杂波、 瞬间过电压进行过滤吸收。再通过桥式电路
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