電力電子技術(shù)的小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

劉金華++朱春媚

摘 要 通過(guò)PI Expert軟件對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電路拓?fù)洹⒃骷?shù)、變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)，給出電路原理圖、PCB圖，詳述高頻變壓器的繞制和硬件調(diào)試過(guò)程。通過(guò)這一實(shí)例，學(xué)生完成電力電子電路制作的完整工藝流程，很大程度上提高了硬件制作能力，促進(jìn)本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；開(kāi)關(guān)電源

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）14-0157-03

Low-power Switching Power Design of Power Electronic Tech-nology//LIU Jinhua， ZHU Chunmei

Abstract The circuit topology，Component parameters， transformer parameters of low-power switching power have been designed by PI Expert software in this paper. Detailed electrical schematics and PCB drawings were given.High frequency transformer winding and hardware debugging were reported in detail. The students finish the complete process flow of power electronic circuits implementation by this example. Students ability of hardware manufacture and training talents in the application-oriented universitieshave been fully developed.

Key words experiment of power electronic technology； teaching reform； switching power

電力電子技術(shù)課程是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。結(jié)合電子科技大學(xué)中山學(xué)院現(xiàn)有的硬件條件、應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求及學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，筆者提出“電力電子技術(shù)綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革”，旨在通過(guò)制作一些具體實(shí)例，提高學(xué)生硬件制作能力[1-4]。小功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作能夠很好地滿(mǎn)足要求。

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源具備高效率、體積小、穩(wěn)定性高等多種優(yōu)點(diǎn)，能夠逐漸取代傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源的控制芯片上集成了越來(lái)越多的模塊，這樣一來(lái)，外圍電路更加簡(jiǎn)單，同時(shí)也提高了供電的可靠性和工作效率。開(kāi)關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域使用越來(lái)越廣泛。

本文的小功率開(kāi)關(guān)電源是為小功率家用電器提供電源，設(shè)計(jì)以現(xiàn)在流行的高效率、高節(jié)能的集成開(kāi)關(guān)芯片PI公司TOP系列為基礎(chǔ)，基于PI Expert 8軟件設(shè)計(jì)電路參數(shù)。該電源采用單端反激式的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光耦與TL431的反饋電路設(shè)計(jì)，能夠提供兩路穩(wěn)定直流輸出。

1 PI Expert 8簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)過(guò)程

PI Expert 8是美國(guó)PI公司于2010年推出的新版專(zhuān)家系統(tǒng)，2012年又發(fā)布了升級(jí)版PI Expert 8.5。根據(jù)使用者的要求指標(biāo)，它能夠確定開(kāi)關(guān)電源的最佳拓?fù)潆娐罚ㄔ骷x擇（確定輸入濾波電容器、漏極鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流管等關(guān)鍵元器件的型號(hào)及參考值）和高頻變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能幫使用者完成一款簡(jiǎn)單、實(shí)用的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)[5]。這里使用的是PI Expert 8，下面介紹其設(shè)計(jì)過(guò)程。

打開(kāi)PI Expert8設(shè)計(jì)軟件，單擊新建一個(gè)設(shè)計(jì)文件，運(yùn)行PI Expert8設(shè)計(jì)導(dǎo)向，然后會(huì)彈出設(shè)計(jì)選項(xiàng)界面。該界面有六個(gè)選項(xiàng)，每個(gè)選項(xiàng)都有多種選擇。這里使用的是TOPSwitch-JX，默認(rèn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為反激式，采用EG（eSIP-7C）無(wú)鉛封裝，開(kāi)關(guān)頻率選132 kHz，外形選擇敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，反饋類(lèi)型選擇“TL431”。

單擊“下一個(gè)”，選擇交流默認(rèn)值為通用的85～265 V的輸入范圍。

單擊“下一個(gè)”，進(jìn)入輸出導(dǎo)向界面。首先勾上“峰值負(fù)載”，然后單擊“添加”，這里按照設(shè)計(jì)要求的兩路輸出，分別為24 V、0.5 A，15 V、0.5 A。

單擊“下一個(gè)”，輸入新設(shè)計(jì)文件名“24V和15V家用電氣電源制作”。

單擊“完成”，進(jìn)入解決方案過(guò)濾器界面，選擇磁芯EE25。利用該面板可設(shè)置最佳解決方案的數(shù)目，并且能確定主輸出的匝數(shù)范圍和磁芯的尺寸范圍。

單擊“確定”，即可顯示六種組合方案供用戶(hù)選擇，根據(jù)需要選定一種方案。此外，單擊“打開(kāi)”，通過(guò)下面的選擇，還能顯示印刷電路圖布局建議和變壓器構(gòu)造。

2 開(kāi)關(guān)電源電路原理圖設(shè)計(jì)

TOPSwitch-JX以經(jīng)濟(jì)高效的方式將一個(gè)725 V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護(hù)電路、故障保護(hù)電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內(nèi)。TOP264采用多模式PWM控制技術(shù)，可充分提高所有負(fù)載條件下的效率，132 kHz工作頻率可減小變壓器及電源的尺寸。

以TOP264為核心的開(kāi)關(guān)電源原理圖如圖1所示。圖2是開(kāi)關(guān)電源的PCB圖。

3 高頻變壓器制作

高頻變壓器是構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源的核心部件，它實(shí)現(xiàn)能量的傳輸、變換和電氣隔離。高頻變壓器的優(yōu)劣對(duì)開(kāi)關(guān)電源的性能影響很大，因此，設(shè)計(jì)出一個(gè)好的高頻變壓器很重要。影響高頻變壓器的指標(biāo)有很多，磁芯和導(dǎo)線(xiàn)材料的選擇、磁芯截面積的大小、磁芯的氣隙寬度和變壓器的繞制方式等都有關(guān)系。endprint

變壓器骨架和鐵氧體磁芯選用EE25型號(hào)，初級(jí)繞組和偏置繞組選用漆包線(xiàn)，線(xiàn)徑都為0.45 mm，次級(jí)繞組則選用三層絕緣線(xiàn)，因其絕緣強(qiáng)度大、容易卷制的優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，線(xiàn)徑選用0.35 mm。

在變壓器骨架上共有10個(gè)引腳，分兩排，從一端的左邊設(shè)定為1號(hào)引腳，然后按順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)定為2～10號(hào)。

由于同名端的存在，從初級(jí)繞組哪個(gè)腳開(kāi)始繞制就決定了其他繞組哪個(gè)腳開(kāi)始繞制。這里從2號(hào)腳開(kāi)始繞制，其中2，4，6，8為同名端。

1）初級(jí)繞組。從引腳2開(kāi)始，使用線(xiàn)徑為0.45 mm的漆包線(xiàn)繞38圈，由于圈數(shù)比較多，要分兩到三層繞制：在第一層，從左向右繞制；第一層結(jié)束時(shí)，在第二層從右向左繼續(xù)繞制，方向一致。最后該繞組結(jié)束于引腳1。加上一層絕緣膠帶。

2）偏置繞組。從引腳4開(kāi)始，同樣線(xiàn)徑為0.45 mm的漆包線(xiàn)繞六圈。這里是雙線(xiàn)并繞，繞制方向與初級(jí)繞組繞制的方向相同。最后該繞組結(jié)束于引腳3。加上三層絕緣膠帶。

3）次級(jí)繞組。從引腳6開(kāi)始，使用線(xiàn)徑為0.35 mm的三層絕緣線(xiàn)繞七圈。這是也是雙線(xiàn)并繞，繞制方向與初級(jí)繞組繞制的方向相同。最后該繞組結(jié)束于引腳7。加上一層絕緣膠帶。

再者，從引腳8開(kāi)始，同樣使用線(xiàn)徑為0.35 mm的三層絕緣線(xiàn)繞六圈。這里是單線(xiàn)繞組，繞制方向與初級(jí)繞組繞制的方向相同。最后該繞組結(jié)束于引腳6。加上兩層絕緣膠帶。

4）磁芯裝配和浸漬。裝配并用膠水固定兩個(gè)半磁芯，然后浸漬在絕緣油中。

4 電路調(diào)試

在最初的測(cè)試過(guò)程中，存在一個(gè)比較普遍的問(wèn)題：對(duì)于多路輸出的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，有反饋的那一路能夠穩(wěn)定輸出電壓，而另外一路則不穩(wěn)定。在調(diào)試過(guò)程之中，15 V輸出由于帶反饋所以電壓穩(wěn)定，而24 V那路輸出則會(huì)一直升到30多伏，是虛壓，通過(guò)帶上一個(gè)假負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓。

5 結(jié)論

本文通過(guò)PI Expert軟件對(duì)小功率開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電路拓?fù)?、元器件參?shù)、變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)，電路采用單端反激式拓?fù)?，輸出兩路分別為24 V、15 V的直流電壓，輸出功率為19.5 W。

通過(guò)制作小功率開(kāi)關(guān)電源這一實(shí)例，學(xué)生熟練掌握了電力電子設(shè)計(jì)軟件的使用、常用的元器件及選型、高頻變壓器的繞制，熟悉電路原理圖繪制、電路板布線(xiàn)及制作，掌握常用的硬件電路調(diào)試方法，最后完成電力電子電路制作的完整工藝流程，很大程度上提高了學(xué)生的硬件制作能力，促進(jìn)本校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

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