开关电源毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

超薄型中功率LED显示屏电源系统设计

学院名称： 电气信息工程学院

专 业： 电气工程及其自动化

班 级：

学 号：

姓 名：

指导教师姓名：

指导教师职称： 副教授/工程师

二〇一四 年 六 月

超薄型中功率LED显示屏电源系统设计

摘 要：针对LED显示屏电源系统的厚重等缺点，本文设计了一款超薄型中功率直流稳压开关电源系统。这款电源采用单端正激方式的主电路，主要由输入整流滤波，开关占空比控制，高频变换器，输出整流滤波，稳压电路等模块构成。本文详细地阐述了该款电源的设计思路，并完成硬件系统的组装调试，实现了超薄型中功率LED电源显示系统的设计。

关键词：开关电源；单端正激；高频变换器

Design system of ultra-thin medium-power LED

display power supply

Abstract:The paper designs an ultra-thin medium-power DC switching power supply systems in order to overcome the heavy power system and other shortcomings of the LED display. This power supply uses a single-ended forward way of the main circuit ,which mainly constituted by the input rectifier,switch duty cycle control,high frequency converter,the output rectifier,regulator circuit modules ,etc.This paper expounded in detail the design ideas of the power supply,and complete the assembly debugging of the hardware system to achieve the design of ultra-thin medium-power LED power display system.

Keywords:Switching power supply;Single correct shock;The high frequency converter

目录

第1章 绪论 ................................................................................................ 1

1.1 课题的意义 ......................................................................................................... 1

1.2 课题研究的内容 ................................................................................................. 1

1.3性能指标 .............................................................................................................. 1

第2章 系统方案设计与论证 ..................................................................... 2

2.1 系统方案设计 ..................................................................................................... 2

2.2 系统方案论证 ..................................................................................................... 3

第3章 系统硬件电路设计 ......................................................................... 5

3.1 主电路方案设计与论证 ..................................................................................... 5

3.1.1 主电路方案设计 ...................................................................................... 5

3.1.2 主电路方案论证 ...................................................................................... 8

3.2 输入端整流滤波电路的设计 ............................................................................. 9

3.2.1滤波电路设计 ........................................................................................... 9

3.2.2整流电路设计 ......................................................................................... 10

3.3 开关占空比控制电路的设计 ........................................................................... 10

3.3.1 脉宽调制芯片的选取 ............................................................................ 10

3.3.2 基于NCP1252A的控制电路设计 ....................................................... 12

3.3.3 控制电路的元器件选取 ........................................................................ 12

3.4 高频变压器的设计与绕制 ............................................................................... 15

3.4.1 高频变压器的规格设计 ........................................................................ 15

3.4.2 高频变压器的绕制工艺 ........................................................................ 19

3.5 输出端的电路设计 ........................................................................................... 21

3.5.1 整流滤波电路的设计 ............................................................................ 21

3.5.2 稳压电路的设计 .................................................................................... 22

3.6 硬件电路印刷电路板的绘制 ........................................................................... 23

3.6.1 印刷电路板绘制软件简介 .................................................................... 23

3.6.2 印刷电路板的设计 ................................................................................ 24

3.6.3 印刷电路板设计效果图 ........................................................................ 26

3.7 电源系统的热设计 ........................................................................................... 27

3.7.1 电源热系统的热分析 ............................................................................ 27

3.7.2 电源系统的散热方式选择与设计 ........................................................ 28

第4章 系统调试与数据分析 ................................................................... 30

4.1 测试要求与步骤 ............................................................................................... 30

4.2 调试结果及数据分析 ....................................................................................... 31

第5章 设计总结 ....................................................................................... 36

参考文献 ..................................................................................................... 37

致谢 ............................................................................................................. 39

附录一 硬件原理图 ................................................................................... 40

附录二 元器件清单 ................................................................................... 41

附录三 变压器绕制说明 ........................................................................... 44

附录四 实物图 ........................................................................................... 45

第1章 绪论

1.1 课题的意义

LED显示屏主要有着商品宣传，店面装饰，烘托氛围等作用。LED显示屏能主动发光，且工作电压低，可以通过电流调节LED显示屏的亮度。LED显示屏本身具有耐冲击、寿命长等有点，在大型显示设备中LED显示屏有着无可替代的优势[1]。

电源系统作为LED显示屏的核心，为LED显示屏提供能量，起着至关重要的作用。同时，在电子电气设备日益发展的今天，电源系统不断的改善、创新，以满足不同设备的需求。

1.2 课题研究的内容

本文主要研究LED显示屏电源系统的热分析和设计，重点分析了电源方案的选取、主电路拓扑方式的确定，及各模块电路器件的计算等。本文设计的是一款超薄型AC-DC直流稳压开关电源，详细介绍了高频变压器的设计，变压器磁芯的确定。全面的描述了开关电源的设计流程，并组装调试成功达到预期目标。

1.3性能指标

一、AC输入电压：200～240VAC

二、AC输入频率范围：47～63HZ

三、DC输出电压要求：输出电压下限(通过调节电位器):11.55±0.5(V)

输出电压上限(通过调节电位器):12.45±0.5(V)

四、DC输出功率要求:额定功率:180(W)

五、DC输出测试要求:当输入220VAC时:

（1）空载:输出电压: 12±0.5V 空载功耗：＜1.5W

（2）满载:输入电压220VAC时，输出12V,15A时，输出电压下跌不超过0.5V； 输入功率不大于250(W)；输出纹波电压VP-P值≤500mV。

第2章 系统方案设计与论证

在电源的设计之初，了解到常见的直流电源分为线性电源和开关电源。选取电源的类型至关重要，直接影响产品设计的成功与否。经过对线性电源和开关电源的全面了解，以及多方面的综合考虑，我们在本章选取合适的电源设计系统方案。

2.1 系统方案设计

方案一：线性电源

线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后得到脉冲直流电，然后经过滤波得到带有微小纹波电压的直流电压[2]。要达到高精度的直流电压则需要经过文雅电路进行稳压。

线性电源的工作原理框图，如图2-1所示：

图2-1 线性电源工作原理框图 方案二：开关电源

开关电源是通过整流滤波，得到直流电，再经过PWM控制芯片调节占空比，直流斩波后通过高频变压器向输出端传递能量，再次经过整流滤波得到直流输出。开关电源的高频变压器需要经过详细的计算确认，高频变压器有着隔离，传输能量的作用，它的绕制工艺也较为复杂[3]。电源的控制芯片多种多样，也需要经过仔细的筛选。输出端需要

有稳压电路和反馈电路。

开关电源的工作原理框图，如图2-2所示：

图2-2 开关电源工作原理框图 2.2 系统方案论证

一、线性电源的优缺点

线性电源输出为线性直流电，输出电压纹波较小，质量高，大多用在要求较高的场合。另外线性电源的结构简单，设计思路清晰。线性电源的优点显而易见，这也是线性电源一度成为电源市场主力军的原因。当然，线性电源的缺点同样存在，从而制约着线性电源的持续发展。线性电源首先通过工频变压器改变电压幅值，工频变压器体积大、质量重，在很多场合不方便安装使用，这是制约线性电源在更大领域发展的原因之一。线性电源的调整管一直工作在放大状态，这就造成了开关管的发热量变大，在热设计部分会给电源设计者带来不小的麻烦，一般的解决方法是安装大体积的散热器，这就再次增大了线性电源的重量和占用空间[4]。解决了散热问题，我们不得不考虑线性电源的效率了，这么大的发热量导致线性电源的效率一般在40%左右。如果一味的追求输出直流电的质量，那么线性电源无疑会是首选，但在很多需要节约占用空间，有着重量要求，效率要求的场合就需要多加考虑，结合具体方案的利弊决定电源的类型了。

二、开关电源的优缺点

开关电源在电源市场可谓是后起之秀了，在近年的不断创新、改善中在更多的场合得到了充分的利用。开关电源在结构上与线性电源是有着很大区别的，顾名思义开关电源有着开关的动作。首先，开关电源的调整管工作在饱和和截止状态，这就在很大程度上改善了调整管的热量问题，也提高了电源的效率，开关电源的效率一般大于80%。其次，开关电源摆脱了工频变压器体积大、质量高的困扰，采用体积小，质量轻的高频变压器，这使得开关电源在空间和重量上得到了明显的改善[6]。开关电源解决了线性电源许多问题，同时又出现了不少新的缺陷。结构上，开关电源比线性电源更加复杂，高频变压器的绕制工艺也给开关电源的生产带来了难度。输出直流电的纹波相对偏大，适合用在要求不高的场合。

结合我的课题：超薄型中功率LED显示屏电源系统设计，考虑到体积、散热性、价格等多方面因素，开关电源是我毕业设计的最佳选择。

第3章 系统硬件电路设计

电源系统方案的确定决定了我们后续研究设计的方向—开关电源。本章节详细介绍了开关电源的硬件系统设计，包括主电路方案的选取、输入模块的电路设计、控制模块的芯片选取、高频变换器的设计与绕制等。

3.1 主电路方案设计与论证

3.1.1 主电路方案设计

方案一：单端正激电路

正激电路是输入端在开关管导通时向负载传递能量，与反激电路相反。正激开关电源的核心是正激式DC-DC变换器，单端正激变换器原理图，如图3-1所示。正激电路变压器的利用率比较高，工作时占空比小于50%，一般使用的控制芯片为UC3842和NCP1252。正激变换器不需要气隙，但需要复位绕组，开关管关断时将能量反射到交流输入上[7]。

图3-1 单端正激变换器原理图

方案二：单端反激电路

反激式DC-DC变换器是反激电路的核心，单端反激电路工作原理图，如图3-2所示。反激电路一般用于小功率电路以及开关电源的辅助电源。常用的控制芯片有UC3843和UC3842。

图3-2 单端反激电路工作原理图

方案三：推挽电路

推挽电路一般用在中功率电路上，比单端正激电路功率稍高。推挽电路要求输入电压较低，两个开关管的耐压都是输入电压的2倍，一般用在DC-DC中[8]。它的变压器是双向激励的，变压器使用效率高，但是存在磁通不平衡的现象，且开关管存在“直通”的危险。推挽电路原理图，如图3-3所示：

图3-3 推挽电路原理图

方案四：半桥电路

半桥电路有两个开关管，通过两个串联的电容器来构成回路，这两个开关管交替导通驱动高频变压器进行能量的传递，变压器是双向激励的。半桥电路同样存在磁通不平衡，会出现“直通”现象[9]。变压器的情况相同，但半桥电路的输出功率大于推挽电路。半桥电路原理图，如图3-4所示：

图3-4 半桥电路原理图

方案五：全桥电路

全桥电路在大功率场合比较常见，它由四个开关管组成两个桥臂，两个桥臂分别导通激励变压器，进行功率转换，存在开关管“直通”的危险。在开关管承受相同峰值电流和电压的情况下，全桥电路的输出功率是半桥电路的两倍，由于全桥变换器变压器承受相当于半桥变换器变压器初级两倍的输入电压，所以其匝数为半桥的两倍。但输出功率和输入电流电压相同时，全桥变换器的初级电流峰值和有效值只有半桥的一半，所以相同功率下两个变换器的变压器是同样大小的[10]。

全桥电路原理图，如图3-5所示：

图3-5 全桥电路原理图

3.1.2 主电路方案论证

单端正激电路适合做功率为120W-200W的开关电源，本文设计的中功率180W电源在其正常设计的功率范围内。单端正激电路输入输出端隔离，属于隔离型电源，电源通过高频变压器向次级传递能量。单端正激电源原理简单，适合开关电源的初学者，选用单端正激方案是我独立完成开关电源的设计比较有保障的选择[11]。

单端正激方案是在开关电源的MOS管闭合时向次级传递能量的，MOS管断开时输出端的能量由输出端储能电感和电容提供。反激电路与正激电路恰恰相反，在MOS管断开时向次级传递能量，正激电路的输出直流电质量相对反击电路要好。正激电路的高频变化器是不需要气隙的，但正激电路的高频变换器需要加复位绕组，在MOS管闭合期间起到磁复位的作用。如果没有复位绕组，高频变化器初级的电流会一直增大，超过MOS管的电流上限从而引起器件的炸裂，是比较危险的，正激电路的复位绕组的线圈数一般与主绕组的线圈数相同[12]。

单端正激电路的输出端要有储能电感，储能电感在MOS管导通期间储存能量，在MOS管断开期间向输出端释放能量。反激电路常出现在输出功率为小于100W的开关电源设计中，这也是本次设计不选用反激电路的原因之一。

结合电路结构、成本、可行性、输出纹波质量等多方面因素，单端正激电路是该开关电源设计的最佳选择。

3.2 输入端整流滤波电路的设计

输入整流滤波电路电路图，如图3-6所示：

图3-6 输入整流滤波电路原理图

3.2.1滤波电路设计

1、输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。

当电源开启瞬间，要对 C01充电，由于瞬间电流大，加RT01（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT01电阻上，一定时间后温度升高后RT01阻值减小（RT01是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作[13]。

2、抑制相线与相线、相线与中线之间的差模干扰及相线、中线与大地之间的共模干扰。工程设计中重点考虑共模干扰的抑制[14]。为了抑制差模和共模干扰，通常的在滤波电路中同时包含有差模和共模电感，但基于以下原因差模电感可去掉：

（1）共模干扰的影响更大，而差模干扰的影响要小得多。一方面同样程度的共模和差模干扰，共模干扰所产生的电磁场辐射高出差模3—4个量级；另一方面，共模干扰信号通过机壳或地阻抗的传导和耦合对其它的电源和系统也会产生干扰。

（2）共模电感中含有差模的成分。共模电感存在漏感且其两线圈不可能完全对称，所以其本身就可起到差模电感的作用，能抑制电路中的差模干扰。

3.2.2整流电路设计

交流电经过BD01整流桥整流后，由C01滤波得到较为纯净的直流电压，若C01容量较小，输出的交流纹波将增大。

3.3 开关占空比控制电路的设计

3.3.1 脉宽调制芯片的选取

脉宽调制芯片的种类繁多，选取合适的脉宽调制芯片对电源的设计至关重要。单端正激电路常用的芯片有UC3842、NCP1252等，根据公司的先例以及产品开发的经验，本次设计选用的脉宽调制芯片为NCP1252A。

NCP1252A能够搭建高可靠性的正激AC—DC变换器，NCP1252A检测输出过载不依赖VCC，Brown-Out功能提供输入过低保护，保证变换器的安全。对于成本敏感的项目，SOIC8的封装可以节省PCB空间[15]。

NCP1252A是一种电流型开关电源集成控制器，其优点有外接元件少，外电路装配简单等。NCP1252A封装外形，如图3-7所示。NCP1252A采用固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度。

图3-7 NCP1252A封装外形

NCP1252A内部功能图，如图3-8所示：

图3-8 NCP1252A内部功能图

NCP1252A引脚功能，如表3-1所示：

表3-1 NCP1252A引脚功能

3.3.2 基于NCP1252A的控制电路设计

脉宽控制电路原理图，如图3-9所示：

图3-9 脉宽控制电路原理图

如图3-7所示，NCP1252A的7脚VCC由变压器次级绕组提供，芯片启动工作，6脚输出驱动MOS管工作，输出信号为高电压脉冲。高电压脉冲期间，MOS管导通，电流通过变压器原边向副边传递能量，整流滤波输出直流电压；低电压脉冲期间，MOS管关闭，电流截止，输出端由储能电感和电容提供能量，维持直流电压输出。1脚接反馈，调节占空比得到额定直流输出电压。3脚为电流检测脚，提供过流、短路保护。4脚接电阻后接地，调节MOS管的开关频率。8脚接电容接地，关闭软开关功能。

3.3.3 控制电路的元器件选取

一、Rt的选取

电阻Rt用于选择开关频率，NCP1252A开关频率在50KHZ到500HKZ之间。假定选择开关频率为100KHZ，则：

1.95*109*VRtRt=FSW

1.95*109*2.2.............................................(3-1) =100K

=42.9KΩ

其中，VRt是Rt引脚上呈现的内部电压参考（2.2V）。

Rt阻值与开关频率关系图，如图3-10所示：

图3-10 Rt阻值与开关频率关系图

二、感测电阻

NCP1252A的最大峰值电流感测电压达1V。感测电阻（Rsense）以初级峰值电流的20%余量来计算，其中10%为励磁电流，10%为总公差：

Rsense=Fcs1==333mΩ.....................(3-2) Ip_pk⋅(1+20%)2.5*1.2

三、斜坡补偿

斜坡补偿指在防止频率为开关频率一半时出现次斜坡振荡，这时转换器工作在CCM，占空比接近或高于50%。由于是正激拓扑结构，重要的是考虑由励磁电感所致的自然补偿。根据所要求的斜坡补偿（通常为50%至100%），仅能够外部增加斜坡补偿与自然补偿之间的差值。

目标斜坡补偿等级为100%。相关计算等式如下：

内部斜坡：

VrampFswDCmax

3.5=100K.............................................(3-3) 0.45

=777mV/μSS=

初级自然斜坡：

VbulkRsenseLmag

280=0.333........................................(3-4) -35.04⋅10

=18.33mV/μsSnatural=

次级向下斜坡：

(Vout+Vf)NsRsenseLoutNp

(12+0.5)=0.133⨯0.33...............................(3-5) =27.43mV/μsSsense=

自然斜坡补偿：

δnatural_comp=

18.33

27.43

=66.8%=SnaturalSsense........................................(3-6)

由于自然斜坡补偿低于100%的目标斜坡补偿，我们需要计算约33%的补偿：

Ssense(δcomp-δnatural_comp)

Sint

27.43(1-0.668).........................(3-7) =875

=0.0104

RatioRcomp=Rramp1-Ratio

0.0104=26.5⨯103......................................(3-8) 1-0.0104

=278ΩRatio=

由于RcompCcs网络滤波需要约220ns的时间常数，故：

Ccs=τRC

Rcomp=220n=791pF.............................(3-9) 278

四、输入欠压电阻

输入欠压（BO）引脚电压低于VBO参考时连接IBO电流源，从而产生BO磁滞。

VBOVbulkon-VBO(-1)IBOVbulkoff-VBO

1280-1=(-1)..............................(3-10) 10μ260-1

=7722Ω

Vbulkon-VbulkoffRBOup=IBO

280-260.........................................(3-11) =10μ

=2.0MΩRBOlo=

3.4 高频变压器的设计与绕制

3.4.1 高频变压器的规格设计

一、相关规格参数

输入：AC 200--240V 50Hz

输出：DC 12V 15A

Pout：180W

η≥80%

fs:100Hz

二、选择core材质，决定∆B

选择PC40材质core，取∆B=0.25T

三、确定coreAP值，决定core规格型号

AP=Aw⨯Ae

4(Ps⨯10)=.................(3-12)

2⨯∆B⨯fs⨯J⨯Ku)

Ps=+Po=+180..............................................(3-13) .8

=405(W)

J为电流密度，取400A/cm2，Ku取0.2。

4(405⨯10)AP=2⨯0.25⨯100⨯103⨯400⨯0.2)......(3-14)

=1.0125cm4

选用EQ41 PC40。其参数为：

AP=2.3262cm4 Ae=260mm2 AL=4690±25%

四、计算Np,Ns

（1）计算匝比n

n=Np

=......................(3-15) =[Vin(min)⨯DVo+Vf)

Vf：二极管正向压降，取1V。

Vin(min)=200⨯0.9⨯2-20

=234.56VDC

Vin(max)=240⨯2

=339.41VDC......................(3-16) .....................................(3-17)

将公式（3-16）和（3-17）计算结果代入（3-15）得： n=(234⨯0.4)

=7.212+1)......................................(3-18)

n取7.5。 检验Dmax:

Dmax=n(Vo+Vf)

=7.5(12+1)

=0.417

Dmin=n(Vo+Vf)

=7.5(12+1)

≈0.288

（2）计算Np (min)..........................(3-19) (max).............................(3-20) ton为MOS管的导通时间:

ton=Dfs

取15Ts

（3）计算NS

（4）验算

以Ns验算Np

取Np=15Ts

（5）确定NR

NR=NP=15Ts

（6）检验∆B选择的合理性五、计算线径

（1）求初级线径dwp

=0.⨯103................................................(3-21) =4.17μsNp=(234⨯4.17)0.25⨯260).........................(3-22) =15.012Ns=Np=.5.......................................................(3-23) =2Np=Ns⨯n=2⨯7.5.....................................................(3-24) =15[Vin(max)⨯Dmax∆B=]Np⨯Ae=234⨯4.1715⨯260...........................(3-25) =0.2502TIp==η⨯Dmax⨯Vin).....................................(3-26) =0.80⨯0.4⨯234)=2.4A

Iprms=Ip⨯D

2）求NR绕组线径dwr

NR=15Ts

3）求绕组NS的线径dws

=2.4⨯0.4...............................................(3-27) =1.52AAwp=I=1......................................................(3-28) =0.304mm2dwp=(4Awp)=4⨯0..14...........................................(3-29) =0.622mmL=N2⨯AL=152⨯4690⨯0.75............................................(3-30) =3.83mHIm=Vin(min)⨯ton=234⨯4.(3.83⨯103)....................................(3-31) =0.255AAwn=0....................................................(3-32) =0.051mm2dwn=4⨯0.051⨯3.14=0.255mm.....................................(3-33) I=15⨯0.35=8.87A....................................................(3-34) Aws=I=8.........................................................(3-35) =1.774mm2（ （

dws=4=4⨯1.................................................(3-36) .14

=1.503mm

3.4.2 高频变压器的绕制工艺

一、绕线

1.确定BOBBIN的参数；

2. 所有绕线要求平整不重叠为原则 ；

3.单组绕线以单色线即可,双组绕线必需以双色线来分脚位,以免绕错 ；

4.横跨线必需贴胶带隔离 ；

5.疏绕完全均匀疏开；

6.密绕排线均匀紧密 ；

7.线圈两边与绕线槽边缘保持足够的安全距离；

8.套管长度必须足够,一端伸入绕线管的安全胶带以内,另一端伸出BOBBIN上沿面,

但不得靠近PIN ；

9.最外层胶带切割在铁芯组合面,切割处必须被铁芯覆盖；

10.胶带边缘与绕线槽平齐,胶带不歪斜,不反摺不破损；

11.跨越线底下须贴胶带,保持跨越线与底下线圈绝缘。

二、缠线

1.立式BOBBIN ：粗线:：0.8φ以上缠线1圈；细线0.2-0.8φ缠线1.5圈；极细线

0.2φ以下缠线圈。

立式BOBBIN缠法之原则：缠线尽量压到底以不超过凸点为原则。

2.卧式BOBBIN ：约缠2-3圈,疏绕不要压到底,以免焊锡时烫伤BOBBIN,如果有宽

度限制且规格严格时才用此方式，将缠线压到底后焊锡，再剪边PIN，以减少整个变压

器的宽度。

3.横式（卧式，BOBBIN之缠法：约缠2-3圈疏绕，不要压到底以免焊锡时烫伤

BOBBIN。

注：如果产品有宽度限制且规格紧必须将缠线部分剪短时为特例，此时即必须将缠线尽量压到底。

三、套管

一般套管之位置规则：

外部：套管未端与PIN之距离愈短愈好，但切记绝对不可将套管缠在PIN上会造成空焊现象。

内部：无边墙配合，平贴BOBBIN约1/2L的长度；b.有边墙配合，套管一定要在档墙内。

档墙胶带（margin tape）其宽度及材料不可任意更换，因为在设计变压器时其宽度及材质都是涉及安规需特别注意[16]。

档墙胶带之宽度：一般需与绕线绕组的高度等高，以防止在绕线时铜线叠在假墙上，但如果因装core困难时有时会包约1/2-3/4的高度,但以绕线不叠在假墙为原则.

技巧: 有时因出入线粗又有套管时如果会影响其厚度时可采用跳过引出线的做法,此时要特别注意套管的位置,一定要有足够安全距离(深入假墙之宽度)

此点一定要深入假墙内有时因假墙缺口较大时或铜箔与M/F并绕时,无明显判别是否深入假墙或线上M/T时必须选用与M/T同宽度的安全棒,每颗进行测量.

铜片之绕制原则,一般有以下几种方式：

1.一圈不接引线,头尾不可短路,头尾之间有绝缘材料隔离；

2. 一圈接引线,胶带宽度必需大于铜片的宽度；

3.一圈以上之铜片两根引线；

4. 中间抽拓型之铜片,三根引线[17]。

四、理线

1. 直立式理线标准

（1）细线，粗线均需理满一圈以上，理线位置介于底座与凸台的2/3高处（不足者增加理线圈数）；

（2）线头长不可超过相邻两脚距离的一半且最长不可超过1mm；

（3）多组线并绕理线，细线放在最上层且不可理完一股再理另外一股；

（4）如有套管时，套管的长度不低于底座；

（5）同槽不同脚理线时，同向而绕则[18]。

2. 卧式理线标准

（1）理线平均分布在脚上，线头至少要超过线脚的一半（不足者增加理线圈数补足，但最多不可超过线脚长）；

（2）理线自脚根部理起螺旋向上且最少理满一圈以上；

（3）线头长不可超过相邻两脚距离的一半且最长不可超过1mm；

（4）多组线并绕理线，细线放在最上层且不可理完一股再理另外一股；

（5）同槽不同脚理线时，同向而绕则可以且套管的长度不低于底座，不靠近PIN[18]。

五、焊锡

1.焊锡后PIN脚平整光滑，不沾异物；

2.线头不高于凸点；

3.焊锡后BOBBIN完整，无容损及脚短现象；

4.焊油残留少，无沾锡，无短路；

5.胶带无容损；

6.焊锡最少焊满一圈；

7.焊锡后不能有横向锡尖。

六、组合

1.铁芯组合面平整，无歪斜；

2.BOBBIN，CORE，接线脚保持整洁，无沾附杂质及胶类；

3.认清有GAP的CORE放在哪个方向；

4. EE，EI，UU型CORE最大歪斜不可大于0.5mm或1/10CORE宽度。

3.5 输出端的电路设计

3.5.1 整流滤波电路的设计

输出端整流滤波电路原理图，如图3-11所示：

图3-11 输出端整流滤波电路原理图

电流经过高频变换器后先经过肖特基二极管的整流，得到近似直流电的纹波，再经过电感和电容的滤波得到平滑的直流输出电压。电感有储能的作用，在开关管闭合期间提供能量[19]。

储能电感的感量计算：

Lo=Vo⨯(1-Dmin)÷(0.2⨯Io⨯Fs)

=12⨯(1-0.288)÷(0.2⨯15⨯100⨯103).......................(3-37)

=28.48μH

3.5.2 稳压电路的设计

输出端稳压电路原理图,如图3-12所示：

图3-12 输出端稳压电路原理图

稳压管的型号是AZ431，AZ431管脚图,如图3-13所示：

图3-13 AZ431管脚图

AZ431的应用原理图，如图3-14所示：

图3-14 AZ431的应用原理图

电阻的计算：

其中Vref=2.5V,

=-12...........................................(3-38) =-1.5

=3.8RR1取10KΩ，R2取2KΩ，在R2端串联一个最大阻值为1KΩ的电位器。

3.6 硬件电路印刷电路板的绘制

3.6.1 印刷电路板绘制软件简介

本文采用Prote 99SE作为绘制印刷电路板的软件，Protel 99SE是protel公司致力于Windows平台开发十年的结晶，具有高度的集成性和扩展性，是使用最广的电子设计软件。Prote 99SE分为五个模块：原理图设计模块；PCB设计模块；自动布线模块；原理

图混合信号仿真模块；PLD设计模块[20]。

Protel 99SE开发软件界面，如图3-15 所示：

图3-15 Protel 99SE 开发界面

3.6.2 印刷电路板的设计

一、布局规则

1. 距板边距离应大于5mm。

2. 先放置与结构关系密切的元件，如接插件、开关、电源插座等。

3. 优先摆放电路功能块的核心元件及体积较大的元器件，再以核心元件为中心摆放周围电路元器件[21]。控制芯片布局图，如图3-16所示：

图3-16 控制芯片布局图

4. 功率大的元件摆放在利于散热的位置上。MOS管发热量大，MOS管布局图，如图3-17所示：

图3-17 MOS管布局图

5. 质量较大的元器件应避免摆放在板子中心，应靠近板在机箱中的固定边位置。

6. 有高频连线的元件尽可能的靠近，以减少高频信号的分布参数和电磁干扰。

7. 输入、输出元件尽量远离。

8. 热敏元件应远离发热元件。

9. 可调元件的布局应便于调节。如跳线、可变电容、电容器等。

10. 布局应均匀、整齐、紧凑。

11.去耦电容应在电源输入端就近放置。

二、布线规则

1. 线应避免锐角、直角。采用45度走线。PCB弯角布线图，如图3-18所示：

图3-18 PCB弯角布线图

2. 相邻层信号线为正交方向。

3. 高频信号尽可能短。

4. 输入、输出信号尽量避免相邻平行走线，最好在线间加地线，以防反馈耦合[22]。

5. 双面板电源线、地线的走向最后与数据流向一致，以增强抗噪声能力。

6.整块电路板布线、打孔要均匀，避免出现明显的疏密不均的情况。

3.6.3 印刷电路板设计效果图

印刷电路板效果图，如图3-19所示：

图3-19 印刷电路板效果图

3.7 电源系统的热设计

3.7.1 电源热系统的热分析

高效率、高集成度、高功率密度是电源发展的重要方向，但是电源系统的热设计是系统设计不可或缺的一部分。本文设计的开关电源额定功率为180W，效率85%左右，有大约27W的发热量需要通过热设计环节得以解决。电源系统的热设计直接影响电源的整体性能，散热性较差会引起局部的高温，影响元器件的正常工作，严重的可能会导致电源的炸裂[23]。

高温对电源的影响：

绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落； 器件之间的机械应力增大。

开关电源热分析的作用：

⑴能精确计算元器件的温升，为电源寿命计算提供依据；

⑵通过对系统的整体温升分析与计算，为器件的选型与降额设计提供依据；

⑶通过对元器件热分析与计算，为散热方式与散热器件的选择提供依据；

⑷能有效控制整体温升，降低元器件的早期失效率，大大提升可靠性[24]。

3.7.2 电源系统的散热方式选择与设计

一、开关电源中的发热量较大的元件

功率开关管：开通损耗，导通损耗，关断损耗

整流二极管：正向导通损耗，反向恢复损耗

变压器、电感：铁损，铜损

电容、功率电阻等无源元件：欧姆热损耗

二、散热的常用方式与器件

常用的方式：热传导，热辐射，热对流，蒸发散热

散热器件：PCB铜箔，散热器（铜，铝，铁），风扇冷却，水冷，油冷，半导体制冷，热管。

三、散热器选择注意事项

（1）一般来说，能满足散热要求的散热器不止一种，应该根据器件与散热器的安装尺寸和为散热器余留的空间尺寸决定散热器的类型：单肋，双肋或异型。对于自冷散热器，如果条件许可的话，采用双肋散热器，散热效率比较高；

（2）尽可能单个器件或模块配单独的散热器，这样散热效率高，总用铝量少，而且可以降低成本；

（3）尽可能采用长度和宽度相近的散热器，这样热效率高，避免采用“狭长”的散热器，即肋片的长向比宽向大很多；这样的散热器散热效率低下；

（4）当采用肋片密度很大的密齿类散热器时，必须强制风冷，而且肋片的方向要与风道一致，否则散热效果极差，散热效率极低。这类散热器在有效风冷条件下，有很高的散热效率；

（5）整机设计中器件散热器的选择，应根据器件在整机中工作的实际冷却条件(冷却介质温度和流量)和稳、瞬态负载情况，并适当考虑安全系数应有的余量，按稳态不超过最高工作结温并留有一定裕量来选取[25]。

四、散热器的紧固与安装

（1） 螺丝紧固散热片：这种方法由于安装或拆卸快速、简便，所以被广泛使用。在该安装方法中，确定合适的紧固螺丝扭矩是非常重要。如扭矩小了，热接触电阻就会

因接触压力不足造成热接触不良而增加。当扭矩大了，则会产生变形，造成热接触不良和增大热阻；

（2）散热器要跟功率器件保持好良好的绝缘，一般使用云母片，矽胶片，绝缘橡胶等，在要求较高的场合可以使用软性导热硅胶垫[26]；

（3）散热器表面不会是理想的平滑面，所以跟功率器件的接触面会存在一些空隙，空隙中填充的是空气，而空气的热阻较大，所以需要在接触面涂覆一层导热硅脂，以减少外壳到散热片的热阻。硅脂层越薄越好；

（4）功率器件尽量安装在散热器的中部，这样可以让散热片均匀散热[27]。

第4章 系统调试与数据分析

电源系统的硬件系统设计完成后，我们需要实物电路的组装和测试，以证实理论研究的正确性，确保电源系统的实际工作能力。本章节主要记录了电源系统硬件电路测试的各项数据，并对相关参数进行分析和说明。

4.1 测试要求与步骤

⑴AC输入电压：200～240VAC.

⑵AC输入频率范围：47～63HZ.

⑶DC输出电压要求：

输出电压下限(通过调节电位器):11.5±0.05(V)

输出电压上限(通过调节电位器):12.5±0.05(V)

⑷DC输出功率要求:额定功率:180(W)

⑸DC输出测试要求：

当输入220VAC时：

①.空载: 输出电压：12.0±0.05V 空载功耗：＜1.5W

②.满载(输出:12.0V/15.0A)：调节电位器使输出电压在12±0.5(V)内

输入功率≤220(W)

输出最大噪声:≤500mV

③.短路保护：输出V+与V-间短路,电源处于打嗝状态，输入功率小于5W.

⑹过压保护：无

⑺负载调整率： ≤1%

⑻电压调整率： ≤0. 5%

⑼耐压测试要求：AC输入端L、N对DC输出端：1.5KVAC，AC输入端L、N对FG：1.5KVAC，时间为1分钟。

⑽输出纹波电压测试要求：

AC输入电压分别在110/220 VAC，带额负载，输出纹波电压VP-P值≤500mV(输出端并联47uF电解电和0.1uF独石电容)

⑾开机时间要求：

电源冷机，在AC输入220 VAC时，5秒内必须正常开机，输出电压满足要求。 ⑿冲击测试要求：

AC输入电压220V，接通关断电源数次，输出电压满足要求。

⒀老化测试要求：

电源在35±5℃条件下，带额定负载，老化2小时，输入电压220VAC各半，负载如下所示：

记录以下器件的温度D04、D06、Q01、T01、C07。

⒁具体测试步骤：

①. DC输出电压要求：调节电位器，要求输出电压范围大于：11.65V～12.45V.

②. 满载:输入电压220VAC时，输出12V/15A时，输出电压下跌不超过0.2V；输入功率不大于220(W)；输出纹波电压VP-P值≤500mV（抽检10%）。

③. 短路保护：输出V+与V-间短路，电源处于打嗝状态，短路功耗小于5W，短路状态解除后，输出空载时，电源恢复正常。

4.2 调试结果及数据分析

⑴空载测试图，如图4-1所示：

图4-1 空载测试图

如图4-1所示，开关电源空载输出电压为12.13V，空载功率为1.17W

（2）满载测试图，如图4-2所示：

图4-2 满载测试图

满载输入功率为208.2W80%。输出电压显示为11.69V，由于电流较大，输出线存在压差，经过万用表测试输出端得电压值为12.02V，达到目标值。

⑶MOS管及肖特基二极管波形图：

图4-3 MOS管驱动波形图

图4-4

图4-4 MOS管漏极源级波形图

图4-5 肖特基二极管波形图

如图4-3、4-4、4-5所示，依次为MOS管栅极，漏极波形图，肖特基二极管波形图。由图得，MOS管的开关频率为98KHZ近似目标频率100KHZ。开关占空比约为0.35，满足设计要求。

另外，由图4-4得MOS管D极和S极的电压峰峰值约450V，测试时注意示波器的探头的选择，应使用衰减100倍的红色探头，对应示波器设置衰减100倍，不然电压值过高，可能烧坏示波器。

（4）测试数据及分析

表4-1 电源测试数据

电源测试数据，如表4-1所示。输入电压范围AC200-240，最大输出电流15A，经测试都达到预期目标；输出电压要求稳压12V，测试结果误差在 0.5V内，满足误差要求；输出电流在0-15A变化要求输出电压变化小于0.2V，结果显示最大电压变化约0.06V≤0.2V。

第5章 设计总结

作为“卓越工程师班”的一员，在红光无线电有限公司实习了近一年，期间我们的毕业设计也是在公司完成。在研发部经过四个多月的学习，利用空闲时间，终于完成了开关电源的设计和调试。

首先，从确定电源的类型开始，经过优缺点的比较，开关电源是我完成毕业设计的最佳选择。确定了电源的类型后，具体的参数要求也是要认真考虑的，比如要达到中功率的要求又不能把输出电流定的太高，否则较难实现，增添了设计的难度。

其次，一个合适的开关电源方案决定了设计成功率的大小，比如我选定的是180W的开关电源，采用单端正激式拓扑。开关电源主要分正激式拓扑和反激式拓扑，经过公司多年设计生产的经验得知反激式在小功率的开关电源中比较普及，中功率及大功率采用正激式较易实现。

然后，就是电路设计的主要部分了：各功能模块的设计，元器件的选取，线路板的绘制等。硬件电路的设计是需要投入较多时间的，一方面内容较多，另一方面元件的选型及PCB板的布线规则都需要向工程师反复询问和确认，很多细节问题也都在这一环节体现了出来。尽管遇到了许多难题，但在队友的支持，工程师的帮助，老师的督促以及自我的努力下都一一解决了。硬件电路的设计是我收获最大的一个环节，很多相关知识都是从零学起，一次次的学习，我也逐渐改善了学习的方法，提高了学习的效率。比如对PWM控制芯片的学习，不再是盲目的英文翻译，而是学会了抓住重点，了解芯片的应用信息，参数要求等。

接着就是电路的安装调试，这一部分我进行的较为顺利，但这与前期的准备和设计中大家的帮助是分不开的。经过简单的调试，电源的数据都达到了预期的要求。

最后，我想提出我完成的开关电源的一些不足及改进方案。电源的不足：一，电源的满载效率86%左右，有待提高；二：电源的输出纹波较大；三，电源的实际应用能力较差。改进方案：一，改善开关管的选型和变压器的设计，增加PFC单元；二，重新计算输出端储能电感和电容的大小，熟练储能电感的绕制工艺；三，重新设计电源的外壳，增加灌胶等工艺流程使电源达到防雨水的要求，以提高电源的应用范围。

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[27]张新德，刘淑华.开关电源维修一线资料速查用.机械工业出版社，2011.

致谢

首先，非常感谢刘晓杰老师和刘文明工程师的指导与帮助。我的毕业设计在红光无线电有限公司完成，从开题报告到安装调试，刘老师和刘工给了我很多宝贵的意见，刘工对我毕业设计方案的推荐和讲解，刘老师对我毕业设计全程任务的安排和监督等等。

其次，作为在公司实习的“卓越工程师班”成员之一，我们相互帮助，共同前进的团队精神也为我增添了克服困难的信心，坚定了完成任务的决心。

最后，再次感谢刘老师和刘工，从对开关电源完全不了解到自主完成开关电源的设计，刘工和刘老师的热心帮助是我成功完成毕业设计的不可或缺的因素。

附录一 硬件原理图

附录二 元器件清单

附录三 变压器绕制说明

附录四 实物图