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开关稳压电源设计说明书

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2020年4月19日
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开关稳压电源设计说明书

学 生 姓 名：
学 号：
专 业 班 级： 物电学院电子2班
报告提交日期： 5月20日

湖 南 理 工 学 院 物 电 学 院

目 录

一、设计任务及要求………………………………………………………………….2
1、设计任务………………………………………………………………………..2
2、设计要求………………………………………………………………………..2
二、基本原理与分析………………………………………………………………….2
三、方案设计………………………………………………………………………….5
1、开关器件的选择………………………………………………………………..5
2、参数的设定……………………………………………………………………..5
四、电路设计………………………………………………………………………….5
1、电路整体设计…………………………………………………………………..5
2、电路工作原理…………………………………………………………………..5
五、总结……………………………………………………………………………….7
六、参考文献………………………………………………………………………….7

一、设计任务及要求
1、设计任务
设计一手机开关型电池充电器，满足：
（1）开关电源型充电；
（2）输入电压220V，输出直流电压自定；
（3）恒流恒压；
（4）最大输出电流为:Imax＝1.0 A;

2、设计要求
（1）合理选择开关器件；
（2）完成全电路理论设计、绘制电路图；
（3）撰写设计报告。

二、基本原理与分析
随着电子技术和集成电路的飞速发展，开关稳压电源的类型越来越多，分类方法也各不相同，如果按照开关管与负载的连接方式分类，开关电源能够分为串联型、并联型和变压器耦合（并联）型3种类型。下面分别对这三种类型的开关电源做一些简单的介绍。
（1） 串联型。
图1所示的开关电源是串联型开关电源，其特点是开关调整管VT与负载RL串联。因此，开关管和续流二极管的耐压要求较低。且滤波电容在开关管导通和截止时均有电流，故滤波性能好，输出电压U0的纹波系数小，要求储能电感铁心截面积也较小。其缺点是：输出直流电压与电网电压之间没有隔离变压器，即所谓“热地盘”，不够安全；若开关管内部短路，则全部输入直流电压直接加到负载上，会引起负载过压或过流，损坏元件。因此，输出端一般需加稳压管加以保护。
根据稳压条件可得：（Ui-U0）T1/L=U0T2/L
即
U0=U1T1/（T1+T2）=（T1/T）Ui， σ=T1/T
由上式可见，能够经过控制开关管激励脉冲的占空比σ来调整开关电源的输出电压U0。

-
+
+
-
σ控制
ID
Ui
U0

图1 串联型开关电源基本电路

（2） 并联型。
并联型开关稳压电源基本电路如图2所示，其工作波形与串联电路基本相同，因开关管VT与负载RL并联而称为并联型。另外，二极管VD一般称为脉冲整流管，C为滤波电容。
当开关管基极输入开关控制脉冲时，开关管周期性地导通与截止。当开关管饱和导通时，输入电压Ui加在储能电感L两端，此时电感中的电流线性上升，二极管VD反偏二截止，电感L储存能量，此时负载RL所需的电流由前一段时间电容上所充的电压供给。当开关管截止时，VD导通，经过电感上的电流线性下降，感应电压为左负右正，输入电压Ui和电感L上的感应电压同极性串联，电源Ui和电感L所释放的能量同时给负载RL提供电流，并向电容C充电。同样，达到动态平衡时，电感L在开关管饱和时增加的电流量（能量）与开关管截止时减少的电流量（能量）相等。即电感上能量保持一个恒量，故有
（Ui/L）T1=（U0-Ui）T2/L
因此有 U0= Ui/（1-σ） 其中σ=T1/(T1+T2)
可见，并联型开关稳压电源同样可经过控制σ来稳定或调整输出电压，同时还能够看出，由于σ<1，这种并联型开关电源属于升压型电源，开关管所承受的最大反向电压Uce max=U0。而图1所示的串联型开关电源属于降压型电源，开关管所承受的最大反向电压Uce max=Ui。

+
IL
+
Ui
U0
-
-
+
UB

图2 并联型开关电源基本电路

（3）脉冲变压器耦合（并联）型。
变压器耦合（并联）型开关电源（自激式）基本电路如图3所示。开关器件能够是双极型晶体管，也能够是场效应管，T为开关（脉冲）变压器，VD为脉冲整流二极管，C为滤波电容。这里脉冲变压器的初级绕组起储能电感作用，脉冲变压器经过电感耦合传输能量，可使输入端与稳压输出端之间互相隔离，实现机壳不带电，同时还能够便利地得到多种直流电压，给制作和维修带来方便。
如果将脉冲变压器视为初、次级匝数比为n:1的理想变压器，把次级参数等效至初级，可画成图2所示并联型的电路形式，只是用nU0代替图2中的U0。对图3电路，可得
U0=Uiσ/n(1-σ)=UiN2T1/N1T2
由于n>1,变压器型开关电源一般均为降压输出。开关电源中开关管所承受的最大脉冲电压Uce max=Ui+nU0。
变压器耦合（并联）型开关电源的优点是：1）经过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实现电源隔离，使主电源电路与交流电网隔离，即所谓“冷地盘”电路；2）若开关管内部短路，不会引起负载的过压或过流；3）容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载，辅助电源仍可从主电源中得到。其缺点是：1）对开关管和续流二级管的耐压要求高；2）输出电压纹波系数较高；3）要求储能电感量较大。

稳定直流电压
脉冲直流电压
取样电路
基准电路
比较放大器
启动
电路
开关器件

脉冲调整电路

光耦隔离

图3 变压器耦合型开关电源基本电路

三、方案设计
根据本次设计的要求，本设计的方案如下：
1、开关器件的选择
因为脉冲变压器耦合型开关电源具有如下优点：1）经过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实现电源隔离，使主电源电路与交流电网隔离，即所谓“冷地盘”电路，实现机壳不带电，给制作和维修带来方便；2）若开关管内部短路，不会引起负载的过压或过流；3）容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载，辅助电源仍可从主电源中得到。因此本次设计使用的开关电源是变压器耦合（并联）型开关电源。
2、参数的设定
（1）输入电压220V，输出直流电压为5.5V；
（2）最大输出电流为:Imax＝1.0 A；

四、电路设计
1、电路整体设计
本设计电路图如图4所示。该电源具有恒流/恒压输出的特性，空载时的功耗低于100mw，能给手机中的镍氢（NiMH）电池或镍镉（NiCd）电池、锂离子（Li-Ion）电池进行恒流充电。其主要技术指标为：交流输入电压u=220V,输出电压U0=5.5V，最大输出电流Iom=1.0A，输出功率P0=5.5W。

2、电路工作原理

交流电压u经过VD1~VD4，进行桥式整流和C1，C2滤波后，产生直流高压。FR为熔融电阻器，可代替保险丝管。由C1，L1，C2构成∏型滤波器，用于减小交流纹波。R1为阻尼电阻，能抑制由L1引起的高频自激振荡。C7为安全电容。漏极钳位保护电路由R2，C4和VD6组成。输出整流滤波电路由VD5，C5，L2和C6组成。输出电流的途径如下：正半周时从次级电压u2的正端→VD5→L2→负载RL→返回端RTN→R6→R4→u2的负端。VDZ采用1N5230B型4.7V稳压管。R7为LED的限流电阻，R8是VDZ的限流电阻。由于LED的正向电流IF<1mA，使UR7<0.1V,因此R7上的压降能够忽略不计这样U0值就等于Uz与UF之和。R4是过流检测电阻。实现恒流的电路特点是用晶体管VT的发射结压降UBE，去检测输出电流I0返回时在R4上形成的压降UR4.常态下VT截止而不起作用，I0为恒定值。当发生过流故障时，I0增大，使得UR4=I0R4>UBE,VT立即导通，并取代控制环路直接驱动光耦合器，维持I0不变。R6上形成的压降可使控制环路在U0约等于0V的状态下仍能正常工作。R3为基极限流电阻。
R4用来设定输出电流的极限值Iolimit，取R4=0.7Ω时，Iolimit=UBE/R4=1.0A.R4的额定功率应满足下述条件：P=2*R4=1.4W，实选1.4W电阻。VD5采用FR201型3A/200V的快恢复二极管，要求其反向恢复时间trr<150ns,平均整流电流ID=3Iolimit;为了提高电源效率，有条件者可选用肖特基二极管，VD6为1A/600V快恢复二极管。

220V
0.7Ω
1.4W
+5.5V
1.0A

图4 5.5W手机电池充电器电路

五、总结
在本次课程设计过程中，感觉自己确实学到了一些知识。特别是在电路的设计方面、增加了不少的知识。
刚开始拿到这个设计题目时，我确实有点心虚，生怕自己做不好，完成不了任务了。因为平时接触的少，而且也没有开关电源方面实践的经验，因此于我来说，开关电源确实是一个比较陌生的概念，有的都是一知半解的，因此难免会有一些担心和不自信什么的。不过，在看到别的同学都在热火朝天的做，积极地讨论解决问题时，我也撇下一切的担心，全心投入到电路的分析设计当中了。在遇到问题时，我会和同学积极讨论，解决不了时，我便会到一些资料书上、或者网上查找答案。在这之中，我不但增加了自信，增加了解决问题的能力，而且，我们还坚信了一个道理，就是凡事只要自己想去做、认真去做，而且坚持下去，就一定能够将事情做好。因此，我一点一点认真地做设计报告，最后终于成功地完成了。
本次课程设计虽然做得系统不是很复杂、做得时间也不是很长，但我却真正学到了一些东西。以前我总觉得，一些课程学起来很枯燥，而且感觉离现实很远，因此我在学习那些知识时往往心不在焉，敷衍了事。可是当我在做设计的过程中要用到那些知识时，我突然感到有些后悔，后悔自己没有早些掌握，以致遇到一些问题时感到特别的茫然。不过，在一心渴望早些解决问题的想法的激励下，我潜心学习以前漏掉的知识，迅速掌握其中的方法，并应用到实际的课程设计当中。这之中，我实实在在地感受到了一种解决问题后的那种愉悦感。这也让我认识到，在教学和学习中，如果多注重理论和实践的结合，利用理论指导实践，利用实践加深理论认识，如此不断融合，我们的学习效率一定会成倍提高，学习热情也会高涨。

六、参考文献
[1]康华光．电子技术基础．（模拟部分）．北京：高等教育出版社，
[2]谭博学，苗慧静．集成电路原理及应用．第2版．北京：电子工业出版社，