开关电源设计 (2)

课 程 设 计

题 目 开关电源设计 学 院 自动化 专 业 自动化 班 级 姓 名 指导教师

朱国荣

年 月 日

学 号：

武汉理工大学《电力电子技术》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名： 专业班级： 自动化班 指导教师： 朱国荣 工作单位： 自动化学院 题 目: 开关电源设计 初始条件：

输入交流电源：单相220V，频率50Hz。

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写

等具体要求）

1、输出两路直流电压：12V，5V。 2、直流最大输出电流1A。 3、完成总电路设计和参数设计。

时间安排：

课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。

第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。

第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

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目录

摘要................................................................................................................................ 2 1方案设计..................................................................................................................... 3

1.1设计要求........................................................................................................... 3 1.2设计方案........................................................................................................... 3 2部分电路设计............................................................................................................. 4

2.1电源变压器单元电路的设计........................................................................... 4 2.2 整流单元电路的设计...................................................................................... 4 2.3滤波单元电路的设计....................................................................................... 5 2.4稳压器单元电路的选择................................................................................... 6 2.5整体电路的参数确定....................................................................................... 7

2.5.1输入电压: ............................................................................................... 7 2.5.2滤波部分................................................................................................. 7 2.5.3稳压部分................................................................................................. 7 2.5.4其他部分................................................................................................. 8 2.6整体电路设计图............................................................................................... 8 结束语............................................................................................................................ 9 参考文献...................................................................................................................... 10

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摘要

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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[4]。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

随着电力电子技术的高速发展，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。

关键词：开关电源 电力电子 PWM MOSFET

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1方案设计

1.1设计要求

初始条件：

输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:

1、输出两路直流电压：12V，5V。 2、直流最大输出电流1A。 3、完成总电路设计和参数设计。

1.2设计方案

要得到12V(5V)、1A的直流稳压电源，首先应使用变压器，将220V的电压降到合适的值。再通过整流电路将正弦波变为稳定的直流电压。再通过滤波及稳压电路，将整流过后的电压进行滤波稳压，最终得到满足要求的直流电源，通过接上负载电阻满足输出电流为1A的要求。

滤波电容C的容量比较大，对于引入的各种高频干扰的抑制能力很差。所以在电容C旁并联小容量电容器C1、C2，来抑制高频干扰。另外，稳压器由于分布参数的影响，有可能产生自激。输出端接入电容器C3、C4、C5、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。

图1.1 开关电源流程图

负载 稳压电路 滤波电路 交流电源 变压器 整理电路 3

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2部分电路设计

2.1电源变压器单元电路的设计

源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA～0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。

图2.1电源变压器

电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。

2.2 整流单元电路的设计

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。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[3]。

图2.2 单相桥式整流电路

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图2.3 单相桥式整流电路电压、电流波形

桥式整流电路的工作原理如下：正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、D1、Rfz 、D3通电回路，在Rfz 上形成上正下负的半波整流电压，负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去，便得到全波整流电压。因此，与全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。

2.3滤波单元电路的设计

滤波电路作用是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑[2]。滤波电路常用于滤去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器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。

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图2.4 C型滤波电路

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类[1]。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ型滤波等)。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。

2.4稳压器单元电路的选择

W7812为三端固定正12V输入的集成稳压器。

7812主要参数有：输出直流电压 U0＝＋12V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围15～17V 。因为一般UI要比 U0大3～5V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。

图2.5 三端稳压器7812引脚图及外形图

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2.5整体电路的参数确定 2.5.1输入电压:

U2太低则稳压器性能将受影响，甚至不能正常工作；U2太高则稳压器功耗增大，会导致电源效率下降，使最大输出电流有所降低。所以U2的选择原则是：在满足稳压器正常工作的前提下，U2越小越好。由任务书技术指标要求可确定U2的值，取变压器输出的U2=16V显然采用整流桥，设计要求中要求最大输出IL为1A 于是：最大允许流经每个二极管的 ID = 0.5 IL = 0.5 *1000 = 500 mA而每个二极管所承受的最大反向电压为：VRM =

负载电压vL的平均值为： VL =

2V2 = 22.63 v

= 0.9V2 （ 2.3.2）

22V2直流电流为： IL =

0.9V2R （2.3.3）

L整流元件参数的计算：在桥式整流电路中，二级管是两两轮流导通，所以流经每个二极管的电流为：

ID = 0.5IL =

0.45V2R

L2.5.2滤波部分：

滤波电容C可由下式估算： C =

VtICIPP

2.5.3稳压部分：

稳压部分采用集成稳压器W7812，最大输出电流Io 1.5 A，最大耗散。

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2.5.4其他部分

为了防止自激振荡，在稳压器的输入端并联了一个大小为0.33uf的电容。 为了消除高频噪声和改善输出的瞬态特性，输出端接了一个1uf的电容。

2.6整体电路设计图

直流电源的输入为220V的电网电压，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压。再通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下是可以将交流分量全部滤掉，但是因为受负载影响，加之滤波电路并不能达到理想效果。还需要加入稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。

图2.6 总电路图

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结束语

随着科学技术发展的日新月异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非常重要的地位，电力电子技术在生活中无处不在。而作为一名自动化的学生掌握电力电子技术十分重要。通过本次课程设计，我巩固和加深所学电力电子基本理论知识。能综合运用相关关课程的基本知识，培养了我的思考能力，认识到了查阅和占有技术资料的重要性，了解了专业工程设计的特点、思路、以及具体的方法和步骤，掌握了专业课程设计中的设计计算、软件编制，硬件设计及整体调试，还有等等。

同时，在设计的过程中我遇到了各种各样的问题，也发现了自己的许多不足之处，在解决这些问题的过程中我也慢慢在改正自己的缺点，发现自己的优点，锻炼了自己的能力。总之，通过本次电力电子的课程设计，我学习到了很多东西，为以后参加工作打下了良好的基础。

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参考文献

[1]王兆安.电力电子技术（第五版）.机械工业出版社.2009 [2]曹丰文.电力电子技术基础.中国电力出版社.2007 [3]唐建新.电力电子技术试验教程.机械工业出版社.2007

[4]沙占友.开关稳压器计算机辅助设计与仿真软件的应用.机械工业出版社.2008年

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本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 性 别 男 自动化学院自动化班 课程设计题目：开关电源设计 课程设计答辩或质疑记录： 1在电容C旁并联一只小容量电容器的作用？ 答：滤波电容C的容量比较大，本身就存在着较大的等效电感，因此对于引入的各种高频干扰的抑制能力很差。为了解决这个问题， 在电容C旁并联一只小容量电容器C1、C2，就可有效地抑制高频干扰。 2输出端接入电容器的作用？ 答：稳压器在开环增益较高、负载较重的状态下时，由于分布参数的影响，有可能产生自激，C1、C2则兼有抑制高频振荡的作用。输出端接入电容器C3、C4、C5、C6，是为了改善瞬态负载响应特性和减小高频输出阻抗。 成绩评定依据： 序号 1 2 3 4 5 6 评定项目 选题合理、目的明确（10分） 设计方案正确，具有可行性、创新性（20分） 设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分） 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分） 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 答辩（20分） 总分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日

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