24V5A半桥式直流开关电源设计报告

1.课题任务介绍

1.1 技术参数：

装置输入电源为单相工频交流电源（220V+20％），输出电压Vo=24V，输出电流Io=5A，最大输出纹波电压100mV，工作频率f=100kHz。

1.2 设计要求：

1) 设计主电路，建议主电路为：整流部分是桥式二极管整流，大电容滤波，DC/DC 部分采用半桥变换器，主功率管用MOSFET；

2) 选择主电路所有图列元件，并给出清单； 3) 设计MOSFET 驱动电路及控制电路；

4) 绘制装置总体电路原理图，绘制：①单相桥式整流电路各点电压波形；②MOSFET 驱动电压、全桥电路中各元件的电压、电流以及输出电压波形（将①②波形分别汇总绘制，注意对应关系）；

5) 利用仿真软件分析电路的工作过程 6) 编制设计说明书、设计小结。

2.直流开关电源总体认知

2.1开关电源的概念

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。直流开关电源功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的直流电压（精电）。

2.2直流开关电源基本结构

交流输入 220V

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此DC/DC转换器的分类基本上就是

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整流滤波 DC/DC变换器 输出整流 直流输出 驱动器 PWM 取样反馈

直流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离分为隔离式和非隔离式转换器。开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成。

2.3直流开关电源的工作原理

PWM开关电源的工作过程是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在晶体管上的伏安乘积（即功率半导体器件上所产生的损耗）是很小的，通过斩波把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

3.直流开关电源设计流程

3.1输入整流电路设计

3.1.1单相桥式输入整流电路设计

整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。

设计要求主电路为桥式二极管整流，单相桥式整流电路分为单相桥式半控整流电路和单相桥式全波整流电路两种，半控整流电路为了防止失控现象，必须加续流二极管，而单相桥式全控整流电路此电路对每个导电回路进行控制，无须用续流二极管，也不会失控现象，也不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率高，基于以上优点，采用单相桥式全控电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，为全波整流。单相半波整流电路如图（一）所示

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图（一)单相桥式整流滤波电路

3.1.2变压器参数计算：

变压器一次侧输入为交流220V、50Hz，为U1，二次侧为U2，整流后的输出电压平均值为UO，根据单相桥式整流电路经验公式，UO = 1.2 U2。

输出直流电压为24V，输出电流为5A，则输出功率PO= 24 × 5 =120W，设变压器效0.8率为80%，则输入功率Pi = 120 ÷ 0.8 = 150W。

3.1.3整流管参数计算

二极管正向导通电压Ud =0.9×220V=198V 电流Id = Pi ÷ Ud = 0.76A 二极管电流有效值Ivd = Id ÷

2 = 0.54A

二极管最大反向电压Urm =2 × U2 = 311.2V 在考虑安全裕量的情况下，二极管额定电压

UN?(2~3)?Urm? 622.3～933.4V

二极管额定电流

IN?(1.5~2)?Ivd?1.57 0.52～0.69A

根据以上数据，选用1N4004/A型号的整流二极管，最高反向工作电压为400V，额定工作电流为1.0A。

3.1.4滤波电容计算

因为桥式电路整流后的电压是脉动电压，需要滤波。 根据UO = 1.2 U2，可知电容C的取值满足RL?C?(3~5)?150?

?T?C??(3~5)???? 200～333?F 滤波电容的容量为2RL??

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TU，RL?O =

2IO

变压器副边电压有效值为U2?UO = 12.5V

1.2电容的耐压值为U?1.12U2? 19.5V

根据以上数据，实际选取容量为300?F，耐压为25V的电容作为输入滤波电容。

3.2 DC/DC变换器设计

3.2.1 DC/DC变换器总体概述

开关电源是用PWM DC/DC变换器作为开关调节器的，因此PWM DC/DC变换器是开关电源的主要组成部分，是开关电源的控制与功率转换核心。

PWM DC/DC变换器，它是由功率半导体器件（开关管和二极管）和储能元件（电感或电容）组成的，通过对其中开关管的PWM通断控制，讲一种数值的直流电压，转换成所需要的另一种数值的直流电压，并控制输入直流电源与负载之间的功率流动，把具有这种功能的转换器叫做PWM DC/DC转换器。PWM DC/DC转换器的组成有两种方式：一种是由两级转换电路组成的DC/AC/DC转换器，迁移级逆变，实现DC/AC转换，后一级为整流，实现AC/DC转换。另一种是由开关管和二极管开关组合成PWM开关，将输入直流电压经过斩波、滤波后，转换成另一种数值的直流电压输出。

由于本次设计要求DC/DC 变换器为半桥，所以属于隔离型电路。 半桥式PWM DC/DC变换器，是由半桥式逆变器、高频变压器、输出整流器和直流滤波器组成，因此属于直流-交流-直流转换器。

3.2.2 半桥式DC/DC典型电路如下

上图为输出是全波整流电路的半桥式PWM DC/DC转换器的主电路，此电路实

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