反激式開關(guān)電源調(diào)試與分析—帶隔離變壓器的直流變換器設(shè)計

ID:557153 · 發(fā)表于 2019-6-7 14:10

1、背景知識本實驗所研究的是反激式開關(guān)電源——帶隔離變壓器的直流變換器，以36V輸入電壓，經(jīng)變換器輸出負載電壓為7V。
1、引入變壓器作用：
1）能使變換器的輸入電源與負載之間實現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運行的安全可靠性和電磁兼容性。
2）選擇變壓器的變比還可匹配電源電壓Ud與負載所需的輸出電壓Uo ，能使直流變換器的占空比D數(shù)值適中而不至于接近于零或接近于l。
3）能設(shè)置多個二次繞組輸出幾個電壓大小不同的直流電壓。
2、變換器的分類：
1）單端變換器：變換器只需一個開關(guān)管，變換器中變壓器的磁通只在單方向變化；
2）正激變換器：開關(guān)管導通時電源將能量直接傳送至負載；
3）反激變換器：開關(guān)管導通時電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲存在電感中，當開關(guān)管阻斷時再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截撦d；
又因為反激式開關(guān)電源元器件少，電路簡單，成本低，體積小，可同時輸出多路互相隔離的電壓，所以該實驗采用反激式的方式。

1、背景知識
2、設(shè)計目的
3、工具/準備工作
4、設(shè)計步驟及原理
步驟1：設(shè)計高頻變壓器
步驟2：高頻變壓器的繞制并調(diào)試
步驟3：電路原理圖的布線及焊接
步驟4：電路調(diào)試
5、設(shè)計結(jié)果及分析
6、總結(jié)及心得體會
7、對本設(shè)計過程及方法、手段的改進建議
8、參考文獻

反激式變換器的原理圖及其工作波形如下圖1：

圖1 反激式變換器；（a）工作原理圖；（b）工作波形圖

反激式變換器工作在輸出電流連續(xù)的狀態(tài)下，輸出電壓Uo為：

  一般情況下，反激式變換器的工作占空比D要小于0.5。
  由反激式變換器的優(yōu)點及引入變換器原因的陳述，最終擬出本實驗題目。
  下圖為本實驗的原理圖：

圖2 反激式開關(guān)電源——帶隔離變壓器的直流變換器原理圖

2、設(shè)計目的本實驗的設(shè)計目的是實現(xiàn)將36V的輸入電壓經(jīng)變壓器后降壓為7V輸出至負載；觀察、測量電壓Uds，Ucs，Uo波形及電壓平均值，與理想波形作對比并對其誤差進行分析。
各測量電壓理想波形如下：

圖3 各測量電壓理想波形圖

3、工具/準備工作所需要準備的工作有：
①　元器件材料的清點；
②　焊接工具的配備；
③　調(diào)試裝備及器材；
下圖為元器件的材料清單：

圖4 元器件材料清單

由于需要繞制高壓變壓器繞組，因此還需配備美國線規(guī)的漆包線及絕緣膠。而繞線則需要NZ-1型手搖電動計數(shù)繞線機，實物圖如下：

圖5 NZ-1型手搖電動計數(shù)繞線機實物圖

同時，還需要準備焊接元器件的電烙鐵，錫條，松香，架臺，萬用表等焊接必需品。
調(diào)試過程，需要準備以下機器：LCR數(shù)字電橋，雙輸出穩(wěn)壓電源，電子負載，雙蹤示波器，實物圖如下：

圖6 LCR數(shù)字電橋?qū)嵨飯D

圖7 雙輸出穩(wěn)壓電源實物圖

圖8 電子負載實物圖

圖9 雙蹤示波器

4、設(shè)計步驟及原理步驟1：設(shè)計高頻變壓器使用專用的變壓器設(shè)計軟件PIXls Designer和PI TRANSFORMER Designer，將需要的參數(shù)，如輸入電壓范圍、輸出電壓要求、偏置電壓大小、變壓器估計功率、功率因數(shù)、額定負載、初級線圈層數(shù)、次級線圈匝數(shù)等參數(shù)輸入。

PI軟件會根據(jù)用戶輸入的參數(shù)給出一個合理的變壓器參數(shù)：初級線圈、反饋線圈、次級線圈的層數(shù)、匝數(shù)、線經(jīng)大小、繞制的方向、氣隙大小、線圈與線圈之間的膠帶的層數(shù)、骨架型號、磁芯型號、浸漆要求等，然后根據(jù)這些參數(shù)繞制變壓器。
步驟2：高頻變壓器的繞制并調(diào)試一：變壓器各繞組的繞制
根據(jù)上個步驟所得的參數(shù)進行變壓器的繞制，在繞制變壓器之前先給骨架的腳編上一個號碼。將骨架固定于NZ-1型手搖電動計數(shù)繞線機上，并以左上角為1腳，然后逆時針遞增至8腳。而本實驗需要繞制一個輸入電壓為36V，輸出電壓為7V的變壓器，而各線圈的繞法如下：
初級繞組的繞制方法：從引腳2開始，使用線徑0.29毫米的漆包線繞骨架29圈，在引腳1結(jié)束，繞完后用絕緣膠布裹兩層。（注：凡是一層繞不完的應(yīng)先裹一層絕緣膠后再繼續(xù)繞完30圈。）
偏置繞組的繞制方法：從引腳4開始，使用線徑0.29毫米的漆包線繞11圈（x 2線）。沿與初級繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進行繞制，使繞組均勻分布在整個骨架上，并在引腳3結(jié)束該繞組。添加1層絕緣膠帶以進行絕緣。
次級繞組的繞制方法：從引腳6開始，使用材料0.4毫米的漆包線繞6圈（x 2線），使繞組均勻分布在整個骨架上，沿與初級繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進行繞制，在引腳5結(jié)束該繞組。添加1層絕緣膠帶以進行絕緣。

二：引腳的焊接
將骨架各引腳處的漆包線與引腳焊上錫，然后運用萬用表的導通檔分別對1,2；3,4；5,6腳進行導通測試。測試前需進行萬用表兩表頭短接測試，檢查萬用表的導通檔位是否正常。萬用表檢查完畢后，可對各引腳進行測試。若接觸兩引腳時，萬用表有響應(yīng)，則說明焊接順利，無虛焊；若萬用表無響應(yīng)，則需再次進行焊接的步驟。
三：高頻變壓器的調(diào)試
焊接檢查完畢并都無虛焊時，則進行高頻變壓器繞組電感量的測試。由于本實驗要求輸出為7V1A，因此，該變壓器理想的額定初級電感量為100uH（正負偏差10%）。
該過程需用到LCR數(shù)字電橋，且在調(diào)試前需對數(shù)字電橋進行開路清零與短路清零以減少誤差。
數(shù)字電橋清零結(jié)束后，再將所繞好的骨架插入配套的鐵芯，然后用絕緣膠將鐵芯兩側(cè)裹緊。（注：鐵芯需緊貼。）
準備工作完成后，將數(shù)字電橋的紅夾頭夾緊1腳，黑夾頭夾緊2腳，以測試初級繞組的電感量。夾頭不能與其他引腳接觸，使其他引腳處于開路狀態(tài)。
若所顯示的初級繞組電感量在理想電感量的誤差范圍內(nèi)，則調(diào)試結(jié)束；若電感量過大，則在鐵芯中心貼絕緣膠增大漏感再進行測試，反復調(diào)試得出最優(yōu)值；若電感量過小，則重新繞制線圈。
步驟3：電路原理圖的布線及焊接一：正確選擇單點接地
通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點耦合到大電流的交流地的唯一連接點，同一級電路的接地點應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級接地點上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因?qū)嶋H流過的線路的阻抗會導致電路各部分地電位的變化而引入干擾。
在本開關(guān)電源中，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而采用一點接地，即將電源開關(guān)電流回路中的幾個器件的地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個器件的地線也同樣接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩(wěn)定，不易自激。做不到單點時，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實接在比較集中的一塊銅箔處就可以。
二：原理圖布線的原則
(1)布線方向:從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產(chǎn)過程中通常需要在焊接面進行各種參數(shù)的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修(注:指在滿足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下)。
(2)設(shè)計布線圖時走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導線拐角應(yīng)≥90度，力求線條簡單明了。
(3)印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如何電路很復雜，為簡化設(shè)計也允許用導線跨接，解決交叉電路問題.因采用單面板，直插元件位于top面，表貼器件位于bottom面，所以在布局的時候直插器件可與表貼器件交疊，但要避免焊盤重疊。

三：線路導通性的檢測
用萬用表的導通擋對實物圖反面的走錫線路進行短路與斷路兩個方面的檢測。
測試是否斷路時，將萬用表兩表筆分別與所連接的錫柱兩端接觸，若萬用表有響應(yīng)，則沒有斷路；反之則進行補錫。
測試是否短路時，將萬用表兩表筆分別與期待斷路的錫柱兩端接觸，若萬用表無響應(yīng)，則沒有短路；反之則進行錫的隔離。
步驟4：電路調(diào)試一：調(diào)試前準備
   該步驟需要利用雙輸出穩(wěn)壓電源、電子負載還有測波形所用的雙蹤示波器。
雙輸出穩(wěn)壓電源每端輸出最大值為30V，因此，可以將兩路各調(diào)18V相連，合并成36V的穩(wěn)壓輸出電源。
電子負載調(diào)至100歐姆。
雙蹤示波器兩探頭調(diào)至10倍衰減擋。
用萬用表的導通擋再次檢測輸入輸出正負極是否短路，確保電路的安全性。
二：調(diào)試開始
以上工作完成后，開始進行電路的調(diào)試。在電源斷開的狀態(tài)下，分別將穩(wěn)壓電源和電子負載的正負極正確的連接至電路板的正負極。
打開電源，同時開啟雙蹤示波器。本實驗只需一個探頭，因此這里只用CH2。將CH2探頭的夾子端夾輸入的負極；鉤子端分別鉤DPA422PN芯片的C、D腳，以測Ucs、Uds的波形及平均電壓值。
最后測量輸出電壓Uo，將示波器CH2探頭的夾子端夾輸出的負極，鉤子端鉤輸出的正極測量Uo的波形。同時觀察測量期間，負載電壓為多少。若負載電壓在7V誤差允許的范圍內(nèi)，則調(diào)試結(jié)束；反之則認真檢查線路走線是否有誤，是否有缺漏，若線路無誤，則再次檢測變壓初級電感量是否在誤差允許范圍內(nèi)。若以上都沒問題，則可在反饋電路處著手，對反饋電路電阻值進行增減，也可以串聯(lián)一個電位器，以方便調(diào)試。

5、設(shè)計結(jié)果及分析經(jīng)過步驟四電路的調(diào)試，可得如下波形圖及電壓數(shù)值：

（b）

（a）

（c）

圖11 調(diào)試波形圖及電壓大小；（a）Uc的波形圖及電壓大小；（b）Ud的波形圖及電壓大小；（c）Uo的波形圖及電壓大小；（d）輸出負載電壓大小

由調(diào)試所得的各波形圖在誤差范圍內(nèi)達到了預設(shè)的結(jié)果，因此波形測試成功。
此時，所測得的電壓平均值，Uc=5.95V；Ud=13.2V；Uo=6.05V；
觀察電子負載，可得此時輸出負載電壓為6.242V，在理想負載輸出電壓6V的誤差允許范圍內(nèi)，因此，調(diào)試結(jié)束。
6、總結(jié)及心得體會通過對開關(guān)電源相關(guān)知識的了解及查閱，我對其有了相當大的知曉，首先可以確認的是，開關(guān)電源在我們生活中必不可少，其應(yīng)用的范圍很廣。與其相對的還有一種鐵芯變壓器電源，為此我來將開關(guān)電源與其比較下有些什么優(yōu)點：一是節(jié)能。綠色電源是開關(guān)電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可達到85%，質(zhì)量好的可以達到95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有70%或者更少。最近歐盟和美國消費者協(xié)會統(tǒng)計，美國一般家用電器和工業(yè)電氣設(shè)備的單機能源消耗指數(shù)大于92%。美國的“能源之星”對電子鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源以及家用電器的效率都制定有很仔細的、非常嚴格的規(guī)章條款。二是體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計，100W的鐵芯變壓器的重量為1200g左右，體積達350，而100W的開關(guān)電源的重量只有250g，而且敞開式的電源更輕，體積不大鐵芯變壓器的1/4。三是開關(guān)電源具有各種保護功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當，發(fā)生短路或斷路的事故較多。四是改變輸出電流，電壓比較容易，且穩(wěn)定、可控。五是根據(jù)人們的要求，可設(shè)計出各種具有特殊功能的電源，以滿足人們的需要。
通過這次設(shè)計使我懂得了理論知識與實踐相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實際動手能力和獨立思考能力。在設(shè)計的過程中遇到的問題可以說是困難重重，難免會遇到各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握的不夠牢固，比如說不懂一些元器件的使用方法，對電路的焊接掌握的不好通過這次設(shè)計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。

7、對本設(shè)計過程及方法、手段的改進建議在設(shè)計布線圖的時候盡量讓線路整齊一點，這樣在焊接的時候會方便很多。由于電路板的空間有限，所以在走線的時候盡可能密集一點。
8、參考文獻
【3】百度文庫.高頻變壓器制作流程
【4】百度百科.反激

附加文件

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反激式開關(guān)電源調(diào)試與分析—帶隔離變壓器的直流變換器設(shè)計