简易交换机电源电路设计

简易交换机电源电路设计 题目: 简易交换机电源电路设计 Title: Simple switch power circuit design 摘 要 现在常用的电子设备中大多都是靠直流稳压电源供电，而通过输电线路输送到各 用户的电都是高压交流电，各种电源电路的运用成功的解决了这一问题，通过设计不 同的电源电路，我们可以得到满足各种需要的直流稳压输出，它能保证在电网电压波 动或负载发生变化时，输出稳定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 、 工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。因此，一个电源电路的设计好坏， 直接影响输出电压的稳定性和电能的转化效率，也影响了实际的应用价值。 1 本文将详细介绍电源电路的设计方法，通过对整流模块、滤波模块、变压模块 的设计和各模块功能的具体阐述，掌握电源电路的设计流程，设计出输入220V输出 5V的电源电路，满足简易交换机的电源需求。 关键字:电源电路; 稳压输出; 整流; 滤波 Abstract Abstract: It is now commonly used in electronic devices mostly rely on DC powersupply, while transmission through the transmission lines to each user are thehigh-voltage alternating current electricity, all kinds of power supply circuits using thesuccessful solution to this problem, through the design of a different power circuit, wecan get to meet the various needs of the DC output, it can ensure the power grid voltage fluctuations or load changes, the output voltage stable. A low ripple, high-precision voltage regulator source in the instrumentation, industrial control and measurement field has 2 important practical value. Thus, a power supply circuit design good or bad, a direct impact on the stability of the output voltage and power conversion efficiency, but also affect the actual value. This article details the design method of power supply circuit, through the rectifier module, filter module, transformer module's design and functionality of each module the specific elaboration of master power supply circuit design flow, design input 220V output 5V power supply circuit, to meet the simple the switch's power requirements. Keywords: Power circuit; regulator output; conversion efficiency; filter 目 录 绪论 .....................................................................................................................4 第一章 设计目的与设计任务及其要求 .....................................................................2 1.1设计目的 ........................................................................................................2 1.2 设计任务及要求与注意事项 ........................................................................2 1.3稳压电源的技术指标 ....................................................................................4 第二章 交换机电源电路和所用器件简介 .........................................................6 2.1 电源电路的发展 ...........................................................................................6 2.2简易交换机电源电路的组成 .........................................................................7 3 2.2.1 整流器原理及其简介.................................................................................7 2.2.2 变压器原理及其简介.................................................................................8 2.2.3 滤波器原理及其简介............................................................................... 10 2.3 电源电路功能和组成 ................................................................................. 12 第三章 硬件电路设计 ...................................................................................... 14 3.1 试验设备及元器件 ..................................................................................... 14 3.2 设计步骤 ..................................................................................................... 14 3.3总体设计思路 .............................................................................................. 14 3.4 测试要求 ..................................................................................................... 18 3.5 测设结果及数 ............................................................................................. 19 结 论 ............................................................................................................... 20 参考文献 ........................................................................................................... 21 致 谢 ............................................................................................................... 22 绪论 随着电子工程技术在工农业和国民经济各个部门的广泛应用，电源技术已经发展成为电子工程中的一门专业技术。工科大专院校的电子工程专业相继开设了电源技术的课程，许多从事电子工程的专业人员对各类电源进行了大量的研究和开发工作，并出版了不少专著，对于以电子电路为基础的稳定电源来说，是当今电子技术的基础，电源电路在各领域的应用相当广泛，以电源电路为基础的交换机电源电路是构成交换机的重要组成部分，不只在交换机领域，电源电路还广泛的用于参数型稳压电源，串 4 绪论 联调整型稳压电源，开关稳压电源，软开关电源技术及其电路设计，UPS电源，集成稳压器电源，可控硅稳压电源，稳流电源等各领域，可以说电子技术的发展，离不开电源电路的发展。 近10年来，由于新型功率器件的出现和电力电子变换技术的进步，使电源技术又有了新的发展。其主要发展方向可以归纳为以下几个方面: 1(扩展了电源的功率范围。从几瓦的小功率电源发展到几百千瓦乃至几千千瓦的大功率或超大功率电源。 2(提高了电源的电气性能。如对输出电压(或电流)、输出纹波、负载调整率、电网调整率、输入和负载功率因数、电磁兼容性等提出了更高的要求。 3(提高了电源的节能效果。目前电能经过电源技术处理后的节能效果在15,,20,，期望能达到40,,50,。 4(提高了电源工作的可靠性。在电路优化设计、元器件的选择、可靠性预测和设计及大功率电源的散热设计等方面做了大量的优化。 本设计将对电源电路在交换机领域的应用进行研究，通过查找资料、做实验确定参数、设计电路、制作摸板，完成交换机电源电路的设计。 第一章 设计目的与设计任务及其要求 1.1设计目的 毕业论文的设计是对学生的知识相能力进行一次全面的考核。也是对学生进行科学研究基本功的训练，培养自己综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。 本设计实验主要通过对交换机电源电路的设掌握电源电路的设计方法，对其中的各个模块的设计，掌握各模块的作用，完成毕业论文的设计工作。通过完成毕业论文 2 设计目的与设计任务及其要求 的设计，培养自己的动手和动脑能力，及其分析问题解决问题的能力，由于在平时是学习过程中，我们所掌握的主要是一些理论方面的知识，缺少实践方面的能力，通过对简易交换机电源电路的设计，对培养自己的实践能力也有很大的帮助。为以后工作打下坚实的基础，同时，这也是对我所学的理论知识的一种检验。毕业论文也是学生在校期间十分重要的综合性实践教学环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识和技能，对实际问题进行研究或设计的综合性训练。毕业论文旨在检验学生独立工作能力、分析和解决问题的能力、创新能力和科学精神。 毕业论文工作使学生在思辨能力、科研方法、学科素质、工作态度、组织纪律和团结写作等方面受到良好的训练，为学生毕业后走向工作岗位做好准备。 本论文的设计目的就运用各方面的知识，设计出简易交换机电源电路，完成对电源电路的设计。撰写毕业论文的过程，同时也是对自身专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，撰写论文是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，让自己在毕业论文写作过程中，能对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的研究，培养自己的学习的志趣，这对于我今后确定具体的专业方向，增强攀登某一领域科学高峰的信心大有裨益。归纳起来主要有以下3点: (1)学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。 (2)学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。 (3)培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。 1.2 设计任务及要求与注意事项 1(设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求: ? 输出电压可调:Uo=+3V,+9V ? 最大输出电流:Iomax=800mA ? 输出电压变化量:ΔUo?15mV ? 稳压系数:SV?0.003 2(设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。 3(自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。 4.批准后，进行模板电路绘制，并测试其主要性能参数。 2 设计目的与设计任务及其要求 本设计的设计任务是设计出简易交换机电源电路，完成模板电路的绘制。要求能通过自己所学的知识独立自主的完成电源电路的设计。 对整流器的设计要求与注意事项有，整流器的性能要求，包括稳压精度、温度一电压补偿、充电限流、并联运行、电磁、兼容等内容。首先第二级电源与第一级电源、第三级电源各形成一个界面，故整流器应满足二个界面的相关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求。再则要作为不间断电源，整流器必须与蓄电池相连，故整流器还应满足蓄电池性能及电池管理的要求。此外，整流器还应满足自身运行的一些要求。 对变压器的设计要求与注意事项有，电源电路电源中的变压器，作为一种商品的产品，总的要求是在具体使用条件下完成具体的功能中，追求性能价格比最高。从总要求出发，提出四点一般要求:使用条件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技术性能，又包括经济指标。电源电路中的变压器的使用条件，包括使用可靠性和使用电磁兼容性。使用可靠性是指在具体的使用条件下，变压器能正常工作到使用寿命为止。使用条件中对变压器影响最大的是环境温度。所以在设计过程中要考虑到温度变化对电压器的影响。变压器的效率是很重要的，它直接关系到能量利用率，同时它还关系到温度的变化，所以要想办法提高变压的效率，减少不必要的能量损失和降低热量的产生。最后最后还要注意一下几点(1) 铁心材料作为变压器铁心的主要性能指标是饱和磁通密度和在一定磁通密度、一定工作频率下的单位重量损耗。作为电感器铁心的主要性能指标是磁导率。导电材料的主要性能指标是允许电流密度和电阻率。(2)铁心材料和导电材料用量对变压器和电感器的主要技术参数都有影响，同时也会影响成本等经济指标。(3)电源中变压器的一般要求是选用铁心材料和导电材料的主要出发点。在具体设计中应当统筹兼顾技术经济指标，千万不要忘记作为一种商品的产品的总要求，是在具体使用条件下完成具体的功能中，追求性能价格比最高。 对滤波器的设计要求与注意事项有，电路图设计技术要求: A,工作状态 滤波器两端的负载电阻，欧姆。通常两端应该一样。 B,通带指标 a,通带频率范围，频率数据要确切。 b,通带内最大反射系数，通常5,,35,. c,通带内最大允许衰耗，dB,一般0.1,10dB.(视滤波器实现元件类型)。 d,通带内衰耗允许最大波动，dB,一般0.1,3dB. C,阻带指标 a,阻带频率可分段描述，频率数据要确切。 b,各阻带频率段的最低衰耗要求，dB,通常10,60dB. D,过渡带 通带截止频率fC 到阻带开始频率fS 之间的频率段。 3 设计目的与设计任务及其要求 2 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 性设计技术要求 A,实现元件。视滤波器工作频段而定。 B,非线性衰耗,。二次，三次谐波衰耗，dB. C,温度特性。工作温度范围，xx C0,yy C0. 二:一些说明 A,指标的提出应该由系统工程师完成，与各部件设计师协商协调，把指标合理地分配给 各部件，要做到指标分配有计算根据，有工艺可实现性根据，而不是想当然。否则，可能会 电路设计出来了却作不出来，不合理的指标还不仅仅是给人以外行的感觉。 B,一般滤波器两端负载电阻要求一样，如果不一样，用外加变量器实现阻抗变换。 C,电抗型阻抗匹配网络也可以在一定程度实现阻抗变换，但必须把滤波功能放在其次， 因为这类网络多为多项式网络，这类网络叫匹配网络而不称其为滤波器。 D,两端负载电阻相差10 倍以上，可考虑不用工作参数实现，用电压或电流传递函数实 现，但是，不能再提反射系数的要求。之外，还可能会因为没有现成的设计工具(数据表) 而变得设计时间很长。 E,通带指标里a,b,两项是必要的，要求反射系数过低会使滤波器复杂性激增，反而实现 困难。5,都是高指标了。 F,通带平坦度要求很高时应该考虑用幅度均衡器解决。 G,阻带提过高的衰耗要求也是不必要的，实际制作时，过高衰耗也上不去。 H,流行的一些硬件滤波器设计软件只能解决多项式滤波器类的设计，用途有限。 1.3稳压电源的技术指标 1(额定指标 额定指标用以说明电源能提供的功率、电压和电流的范围等，此外，还有额定工作条件，包括环境温度、湿度和气压等。 2(质量指标 (1)稳定度:用来说明在各种不稳定因素变化时，对输出直流电压的影响，用输出电压变化的百分率来表示。 电压稳定度Su，又称电压调整率，它表征当输入电压UI，变化时稳压器输出电 4 设计目的与设计任务及其要求 压Uo。的稳定程度，指在负载电阻RL不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即在市电电压变动?1O,的情况下测出输出电压的变化量。 SU=(?Uo/UO)/ (?UI/UI ) |RL=常数 (1-1) 负载稳定度SI，又称负载调整率，它表征当输入电压不变时，稳压器对由于负载电流(输出电流)变化而引起的输出电压脉动的抑制能力。在规定的负载电流变化值条件下，s，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分率表示，或以输出电压变化的绝对值表示，即 SI=( ?Uo/Uo)×100,，或SI=|?Uo| (1-2) 电源内阻R。，是指在输入电压不变的情况下，输出电压的变化量ΔU与负载电流的变化量ΔI之比，即 RO=-(?Uo/?Io ) (1-3) 式中，负号表示输出电压的变化和负载电流的变化方向相反，即当Io增大时，Uo将减小。 由式(1 ,3)可知，电源内阻越大，当负载电流增大时，在内阻上的压降增大，输出电压就要明显地下降，这样，电源带负载的能力就越弱。因此，要求电源的内阻越小越好。 纹波电压ΔUoP-P，是指叠加在输出电压,上的交流分量，常采用峰,峰值表示，一般为毫伏级，也可以用有效值表示。 (2)动态性能:用来说明当输入电压和输出电流突然变化时，输出电压是否能很快地恢复到正常值。 (3)保护性能:这里主要是指对输出端的保护，包括是否具有自动限制过电流的性能，是否具有过电压自动切断电源的性能等。 此外，还有干扰电平及抗干扰能力、机械噪声的大小和可靠性等。 3(自动化程度 自动化程度用来说明维护人员离开时电源设备的自动控制和故障检测能力，如是否具有自动开机、停机性能，是否具有各种信号、故障检测功能等。 4(经济指标 经济指标主要有效率和功率因数等。 5 设计目的与设计任务及其要求 第二章 交换机电源电路和所用器件简介 2.1 电源电路的发展 1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大 6 交换机电源电路和所用器件简介 功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的电源。 目前，电源电路以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的,,,kHz、用,,,,,,,制成的,,,kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为电源电路高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。 2.2简易交换机电源电路的组成 简易交换机电源电路主要由整流器、变压器、滤波器三个部分组成。 2.2.1 整流器原理及其简介 在以大功率二极管或晶闸管为基础的两种基本类型的整流器中，电网的高压交流功率通过变压器变换为直流功率。提到未来(不久的或遥远的)的其它类型整流器: 以不可控二极管前沿产品为基础的斩波器、斩波直流/直流变换器或电流源逆变型有源整流器。显然，这种最新型的整流器在技术上包含较多要开发的内容，但是它能显示出优点，例如它以非常小的谐波干扰和1的功率因数加载于电网。 二极管整流器 所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中，二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况，有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。通常有载抽头变换器与串联在整流器输出电路中的饱和电抗器结合使用。通过在电抗器中 7 引入直流电流，使线路中产生一个可变的阻抗。因此，通过控制电抗器两端的电压降，输出值可以在比较窄的范围内控制。 晶闸管整流器 在设计上非常接近二极管整流器的是晶闸管整流器。因为晶闸管整流器的电参数是可控的，所以不需要有载抽头变换器和饱和电抗器。 因为晶闸管整流器不包含运动部件，所以晶闸管整流器系统的维修减少了。注意到的一个优点是晶闸管整流器的调节速度较二极管整流器快。在过程特性的阶跃期间，晶闸管整流器常常调节很快，以致能够避免过电流。其结果是晶闸管系统的过载能力能够设计得比二极管系统小。 2.2.2 变压器原理及其简介 变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压(或电流)。 变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 一、分类 按冷却方式分类:干式(自冷)变压器、油浸(自冷)变压器、氟化物(蒸发冷却)变压器。 按防潮方式分类:开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。 按铁芯或线圈结构分类:芯式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、壳式变压器(插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯)、环型变压器、金属箔变压器。 按电源相数分类:单相变压器、三相变压器、多相变压器。 按用途分类:电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。 二、电源变压器的特性参数 1工作频率 变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。 2额定功率 在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。 3额定电压 指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。 4电压比 初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。 5空载电流 变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载 8 电流由磁化电流(产生磁通)和铁损电流(由铁芯损耗引起)组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。 6空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗(铜损)，这部分损耗很小。 7效率 指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。 8绝缘电阻 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。 三、音频变压器和高频变压器特性参数 1频率响应 指变压器次级输出电压随工作频率变化的特性。 2通频带 如果变压器在中间频率的输出电压为U0，当输出电压(输入电压保持不变)下降到0.707U0时的频率范围，称为变压器的通频带B。 3初、次级阻抗比 变压器初、次级接入适当的阻抗Ro和Ri,使变压器初、次级阻抗匹配，则Ro和Ri的比值称为初、次级阻抗比。在阻抗匹配的情况下，变压器工作在最佳状态，传输效率最高。 四、原理演示 [align=center][/align] 变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理(如上图):当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为:E=4.44fNØm。 式中:E--感应电势有效值 f--频率 N--匝数 Øm--主磁通最大值 由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。 当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流(Í0)，这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过 9 两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。 上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。 2.2.3 滤波器原理及其简介 电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许直流或50Hz电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。 电源滤波器的主要指标: 当我们选用电源滤波器时，应主要考虑三个方面的指标;首先是电压/电流，其次是插入损耗，最后是结构尺寸。由于滤波器内部一般是经过灌封处理的，因此环境特性不是主要问题。但是所有的灌封材料和滤波电容器的温度特性对电源滤波器的环境特性有一定的影响。 电压、电流对使用效果的影响，电源有交流直流之分，与此相对应，许多厂家的电源滤波器也分为交流和直流两种。从原理上讲，交流电源滤波器既可用在交流电源上，也可在直流电源上使用;但直流电源滤波器不能用在交流的场合，这主要因为直流滤波器中的电容器的耐压较低，并且有可能其交流损耗较大，导致过热。即使直流滤波器耐压没有问题，由于直流滤波器中使用了容量较大的共模滤波电容器，如果在交流的场合会产生漏电流超标的问题。因此，直流电源滤波器绝对不能用在交流的场合。交流滤波器用在直流场合，从安全的角度看没有问题，但要付出成本和体积的代价;在样机阶段，如果手头正好有交流滤波器，可以代替直流滤波器。 当电源滤波器的工作电流超过额定电流时，不仅会造成滤波器过热，而且会导致滤波器的低频滤波性能降低。这是因为滤波器中的电感在较大电流的情况下，磁芯会发生饱和现象，使实际电感量减小。因此，确定滤波器的额定工作电流时，要以设备的最大工作电流为准，确保滤波器在最大电流状态下具有良好的性能，否则当干扰在最大工作电流状态下出现时，设备会受到干扰或传导发射超标。 在确定滤波器的额定电流时，要留有一定的余量;特别是人们习惯上对交流电称“有效值”，而不是交流电的“峰值”，留有一定余量是非常有必要的。一般滤波器的额定电流值应取实际电流值的1.5倍。 b) 插入损耗对使用效果的影响: 从抑制干扰的角度考虑，插入损耗是最重要的指标。插入损耗分为差模插入损耗和共模插入损耗。 10 选用电源滤波器是怎样确定所需要的插入损耗 首先在设备的电源入口处不安装滤波器，对设备进行传导发射和传导敏感度的测量，并与要满足的标准进行比较，看两者之间相差多少分贝，滤波器的作用是弥补上这个差距。以抑制设备的传导发射为例，给出了确定滤波器插入损耗的过程。首先将设备的传导发射值最大包络线(a)与标准给出的限制值线(b)相比较，计算其差值得到需要的插入损耗值(c)。由于电源滤波器是低通滤波器将插入损耗线(c)变换为低通滤波器插入损耗的形式(d)，(d)就是滤波器需要的插入损耗值。 注意: (d)并不是低频滤波器的特性，而是一个带阻滤波器的特性，这是考虑到实际滤波器的非理想性(见下一节)。 但如果从厂家的产品样本上选择插入损耗值满足(d)的滤波器，十有八九会失败。因为厂家产品样本上的数据是在滤波器两端阻抗为50Ω的条件下测得的，而实际使用条件并不是这样。因此在实际使用条件下，滤波器的插入损耗会有所降低。为了保险起见，在从产品样本中选择滤波器时，应加20dB的余量，这就得到了(e)。从样本上选择滤波器，其插入损耗应满足(e)的要求。 实际电源滤波器与理想滤波器的差距 造成这种差别的原因是电容器和电感器的非理想性。 电容器的引线是有电感的，而电感线圈上又存在着寄生电容，尽管这些电感、电容很小，但当频率较高时，它们的影响是不能忽略的。因此由实际电感、电容器构成的低通滤波器电路在频率较高时，就变成了一个带阻滤波器电路。 此外，高频时器件之间的耦合也是造成滤波器在高频区间插入损耗减小的一个原因。从图可以看到，器件之间的距离对滤波器的高频性能有很大的影响。这种影响在1MHz时就已经很明显了。 因此，即使滤波器的电路结构完全相同，由于器件的特性不同、器件的安装方式的不同、内部结构的不同，它们的高频性能会差很多。滤波器的电路结构仅决定了滤波器的低频特性。要想提高滤波器的高频性能，生产时需要从许多方面注意制作工艺，如选用电感小的电容器、制作寄生电容小的电感、焊接时电容器的引线尽量短、在内部采取适当的隔离等。 电源滤波器高频插入损耗的重要性 许多人认为，既然传导发射极限值的频率上限30MHz，那么就没有必要对滤波器的高频衰减提出要求。这是一个误解，也正是存在这种错误的概念让许多人在使设备满足电磁兼容标准的过程中走了很长弯路，浪费了大量的时间和经费。 由于设备上的电缆是高效的辐射天线，当电缆上有高频传导电流时，会产生强烈的辐射，使设备不能满足辐射发射极限值的要求。因此，当电源线上有高频干扰电流时，同样也会产生辐射，使设备的辐射发射超标。对于一个没有电磁兼 11 容经验的人来说，这个问题是很难发现的;因为当他所开发的设备辐射发射超标时，它会从机箱、信号电缆等环节检查(这是许多教科书和 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 班中所介绍的)，而根本想不到会是电源线的问题。 特别是设备的电源线传导发射已经满足了标准要求时，它绝想不到应再次检查电源线是否有问题，所以，电源滤波器的高频特性是十分重要的。 特别提示:当设备的辐射发射不合格时，别忘记检查电源线的共模传导发射，很多场合辐射发射的超标时由于电源线上的共模电流造成的。 2.3 电源电路功能和组成 每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换(蓄电池则要经常充电)的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。 电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器。 交变整滤不稳压 流压流波直流 稳 稳压 压直 流 图1 12 13 硬件电路设计 第三章 硬件电路设计 本主要介绍硬件电路的设计，其中包括整流电路、变压电路、滤波电路的设计，通过对三种电路的设计，设计出交换机电源电路的大体模型，完成毕业论文的设计工作。 3.1 试验设备及元器件 1.万用表 2.示波器 3.交流毫伏表 4.三端可调的稳压器 LM317一片 3.2 设计步骤 1(电路图设计 (1)确定目标:设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。 (2)系统分析:根据系统功能，选择各模块所用电路形式。 (3)参数选择:根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。 (4)总电路图:连接各模块电路。 2(电路安装、调试 (1)在每个模块电路的输入端加一信号，测试输出端信号，以验证每个模块能否达到所规定的指标。 (2)重点测试稳压电路的稳压系数。 (3)将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。 3.3总体设计思路 设计并制作串联型直流稳压电源，其输出电压UO=10V，输出调整范围为8,12V，额定输出电流IL=100 mA，电网电源波动?10,，稳压系数Sr<0.05，输出电阻RO=0.05。工作温度为25,40?。 1(直流稳压电源设计思路 (1)电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必 14 硬件电路设计 须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。 (2)降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大(即脉动大)。 (3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。 (4)滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。 2(直流稳压电源原理 直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，如图3,1所示。 T 整 滤 稳 负 载 流 波 压 工频交流 脉动直流 直流 图3,1直流稳压电源方框图 其中: (1)电源变压器:是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。 (2)整流电路:利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电 (3)滤波电路:可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。 (4)稳压电路:稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。 整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3,2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止;u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻R，且方向是一致的。电路的L 输出波形如图3,3所示。 2U2 2,3,,t ,4,0 u o 2U 2 ,t, 2,3,4,0 图3-2整流电图3-3输出波形 路 图 15 硬件电路设计 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极 1管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管I,Ifo12 承受的最大反向电压为(U是变压器副边电压有效值)。 22U2 在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压:U=(1.1,1.2)U，直o12I2,Io1流输出电流: (I是变压器副边电流的有效值。)，稳压电路可选集成2，，1.5~2 三端稳压器电路。总体原理电路见图3-4。 图3-4 稳压电路原理图 3(设计方法简介 (1)根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。 因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、IOmax 不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和lM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图3-5和图3-6。 图3-5 引脚图 图3-6典型电路 输出电压表达式为: 16 硬件电路设计 RP1,, U,1.251，,,oR1,, 式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于VREF给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常RRRP111 取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小RP1120,~240, 输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放 电倒灌入三端稳压器而被损坏。 LM317其特性参数: 输出电压可调范围:1.2V,37V 输出负载电流:1.5A 输入与输出工作压差ΔU=U-U:3,40V io 能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。 (2)选择电源变压器 1)确定副边电压U: 2 根据性能指标要求:U=3V U=9V ominomax 又 ? U-U?(U-U)U-U?(U-U)iomaxiomin ioiniomax 其中:(U-U)=3V，(U-U)=40V ioinminiomax ? 12V?U?43V i 此范围中可任选 :U=14V=U io1 根据 U=(1.1,1.2)Uo12 UO1可得变压的副边电压: U,,12V21.15 2)确定变压器副边电流I 2 ? I=I o1o 又副边电流I=(1.5,2)I 取I=I=800mA 2O1OOmax 则I=1.5,0.8A=1.2A 2 3)选择变压器的功率 变压器的输出功率:Po>IU=14.4W 22 (3)选择整流电路中的二极管 ? 变压器的副边电压U=12V 2 ? 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为: 2U,17V2 I0.8o桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为: ,,0.4A22 查手册选整流二极管IN4001，其参数为:反向击穿电压U=50V>17V BR 最大整流电流I=1A>0.4A F 17 硬件电路设计 (4)滤波电路中滤波电容的选择 Ito滤波电容的大小可用式 求得。 C,,Ui 1)求ΔU: i 根据稳压电路的的稳压系数的定义: ,Uo U设计要求ΔU?15mV ，S?0.003 oVoS,V,Ui U=+3V,+9V oUi U=14V i 代入上式，则可求得ΔUi 2)滤波电容C 设定I=I=0.8A，t=0.01S oomax 则可求得C。 电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。2U,17V23.4 测试要求 1(测试并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 电路中的输出波形。 2U2 2,3,,t,4, 0 uo 2U2 ,t,2,3,4,0 2(测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。 输出电压可调范围:1.2V,37V 最大输出电流:1.3A 3(测量输出电阻R。 o 输出电阻:R0=0.05 4(测量稳压系数。 用改变输入交流电压的方法，模拟U的变化，测出对应的输出直流电压的i变化，则可算出稳压系数S. (注意 用调压器使220V交流改变?10,。即ΔV Ui=44V) 稳压系数Sr<0.05 5(用毫伏表可测量输出直流电压中的交流纹波电压大小，并用示波器观察、记录其波 型。 18 硬件电路设计 3.5 测设结果及数据 通过实验完成上面的步骤，得出实验结果，并记录数据如下。 输入电压:U=220V 输出电压:UO=9.72V 输出电压可调范围:1.2V,37V 输出电阻:R0=0.05 稳压系数:Sr=0.03 输出负载电流:I2=1.2A 19 结论 结 论 电源电路理论经过几十年的进步和发展，电源电路的技术理论已经成熟。已经广泛应用于各个领域，电源电路技术无论是在理论还是在实际电路中都已经非常的重要。一个安全可靠电源电路，是电路系统的重要组成部分，它对保证输出电压的稳定性和提高电能的利用效率有着很大的作用，在另一方面，由于用户对用电电压的需求是不一定的，这也必须使用电源电路来进行电压的转变，因此电 源电路的产生，是电力系统的一次重要革命，现在各国都投入大量资金在电源电 路的开发应用领域，可以遇见伴随着电力电子技术的发展，电源电路将有巨大的发展前景。 本论文主要研究的电源电路在交换机领域的应用，通过利用各种资源，初步设计出了可满足交换机电源需求的电源电路，测试了出了各个部分的参数，对交换机电路的发展有重要的参考意义～ 20 参考文献 参考文献 [1] 周志敏周纪海开关电源实用技术设计与应用.北京人民邮政出版社2003; [2] 黄刚.开关电源及其功率材料的市场与技术动向.磁材商情网，2004.5; [3] 王国华等.便携式电子设备电源管理技术.西安:西安电子科技大学出版社.2004.l~5.43-122; [4] 李玉山等.电子系统集成设计技术.北京:2002，1~5.31~48; [5] 周志敏，周纪海，纪爱华模块化DC-DC实用电路北京电子工业出版社2004; [6] 周嘉农等.DC-DC开关变换器的建模与分析的动态评述.华南理工大学学报[自然科学版]2000年.111; [7] 张占松等.开关电源的原理与设计(修订版)[M].北京，电子工业出版社，2004年; [8] 叶治政等.开关稳压电源[M].高等教育出版社，1989年10; [9] R.Weriekson,D.Maksimovie.Fundamental of Power Eleetronies(Seeond Edition)[M].USA，Springer，2002; [10] 赵辉(一种新型PWM双向变换器(山东工业大学学报,1995,25(3); [11] 李靖(中国开关电源市场的分析(电工技术杂志，2000,2:44-45; [12] G.W.Wester and R.D.Middleborok.Low frequency characterization of switched DC-to-DC converters.IEEE Trans.AES.1973，9(5):376~385; [13] Raymond B.Ridley.“A New Continuous-Time Model For Current-Mode Control”.IEEETRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS.1991，APRIL，VOL.6，NO.2; [14] DiLorenzo del Casale，M.，Femia，N.，Lmaberti，.P，Mainardi，.V，SPagnuolo，G，Vitelli，M.，“Nmoinal and Tolernace Desing of Closed-LooP Conrtollesr for DC-DC;Voltage Regulatosr”[J]，IEEE Intemational Symposium on Cieruits and Systems.Proeeedings，2002;Vol.4，P747-750; [15] Marghertia Di Loernzo del Casale，Nieola Femia，Patrizia Lmaberti，and VirginiaMainardi，“Selection of Optimal Closed-Loop Contorllers for DC-DC Voltgae Regulators Based on Nominal and Tolenarce Desing”[J]，IEEE Tnarsactions on Indusrtial Eleetronies，August 2004;Vol.sl:NO.4; [16] Karwasa，S.，Krongkitsiri，W.，Prapanavarat，C.，Yangyuen，U，“An Improved ZVT-PWMDC-DC Converter using Additional Circuit”[J]，IEEE Region l0 Conference，2004:VOI.4，201~04; [17] Yingqi Zhnag，Sen，P.C，“A New Sotf Switching Technique for Buck，Boost and Buck-Boost Convertesr”[J]，Coneference Record of the 2002 IEEE Industry APPlications Conference，37th IAS Annual Meeting(Cat.No.02CH37344)，2002:vol.4，P2343-2350. 21 致谢 致 谢 本人的论文是在导师、悉心指导下完成的，她的严谨的治学态度，敏锐的洞察力，以及平易近人的工作风格，是我终身受益。 感谢、全体同学的关心和支持，感谢电子与电气工程系老师所给予我的热情帮助。 四年的求学生涯是艰苦的，离不开我的亲人、朋友和许许多多的人对我的关心和支持，在此对他们表示谢意。 22