开关电源设计报告

前言

随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。近年来,随着功率电子器件(如IGBT、MOSFET)、PWM技术以及电源理论发展,新一代的电源开始逐步取代传统的电源电路。开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

 开关稳压电源，其系统硬件由三个环节组成，即整流滤波环节、直流-直流升压变换（DC-DC）环节、以及测控与键盘显示环节。

1.开关电源基本组成

     图中DC/DC变换器是开关电源电路的核心部分，其作用是将固定输入的直流电压U1变换成可变的直流电压，也称为直斩波器。开关电源采用功率半导体作为开关器件，通过周期性控制开关通断，调节环路控制信号的占空比来调整输出电压。常用控制方式有脉宽常用控制方式有脉宽调制(PWM )、脉频调制(PFM)PWM 与PFM 混合式, 其中最常用的是PWM。单片开关式DC/DC电源变换器 L4978内含误差放大比较器、脉宽调制器、驱动器等电路,适宜构成高效、小体积的仪器仪表的开关电源。

2.L4978芯片的特性及工作原理

2.1   L4978芯片介绍

    L4978是意－法半导体有限公司生产的单片开关式稳压器，它采用8脚双列直插式DIP-8封装，外形与常见的运放4558相同，它的最大输出电流可达2A，最大输出功率400W，输入电压范围8-55V，输出电压调节范围3.3-50V，内部集成了3.3V基准电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉宽调制器、功率输出级和各种保护电路，在芯片内部集成了一只N沟道DMOS功率开关管，其开关速度极快，可在高频下工作。L4978的引脚排列图如图所示

2.2   L4978芯片特性

   单片开关式集成DC/DC电源变压器L4978是一种新型高效节能稳压电源，它内部集成了3.3V准基电压源、锯齿波信号及时钟信号振荡器、误差放大器、脉冲调制器、功率输出级和各种保护电路。L4978芯片输入电压的允许范围宽，消耗低。此芯片内还集成了高速DMOS

功率开关管、专门驱动开关管以及软启动、禁用等功能，提高了电源的效率和系统安全性。

2.3  L4978工作原理

芯片4脚输出电压UO,经外接取样电阻 R3、R4分压后(见图3),反馈至8脚的误差放大器反相端,与加在同相端的3.3V基准电压相比较, 得到误差电压Ur,由Ur的幅度控制PWM比较器输出的脉冲宽度UPWM , 最后由功率放大器和降压电路,输出稳定直流电压。

3.  L4978开关电源电路

            图3  L4978开关电源原理图

电路原理如下：C1为输入滤波电容，C2为高频滤波电容，R1、C3是振荡电阻与振荡电容，C4为软启动电容，R2和C5构成误差放大器的频率补偿网络，C6是自举电容，VD为续流二极管，采用SB560的肖特基二极管。电感L为储能元件，可选用直径为22mm的高频磁环，用外径为10mm的高强度漆包线沿磁环的圆周方向均匀绕40T左右。电路工作时，功率脉冲调制信号从IC的14脚输出，在信号的正半周时，向负载供电，同时将电能储存在L和C7中，此时VD截止。在功率脉冲调制信号的负半周，VD导通，储存在L中的电能就经过VD所构成的电路继续向负载供电，维持输出电压不变。芯片4脚输出电压U0，经外接取样电阻R3、R4分压后，反馈至8脚的误差放大器反相端，与加在同端的3.3V基准电压相比较，得到误差电压Ut，由Ut的幅度控制PWM比较器输出的脉冲宽度UPWM,最后由功率放大器和降压电路输出稳定直流电压。电阻R1和电容C3决定了系统的工作频率，L4978最高允许频率为500Hz。电阻R3和R4构成电压反馈回路，分压比决定输出电压的高低。R4的阻值为4.7K,调整R3的阻值，可改变输出电压。输出电压与R3阻值关系见下表

4.1整体分析

步骤①分析任务，准备资料。包括原理图分析，元器件资料准备，明确设计要求，例如散热要求、机械防护要求、电磁兼容性要求、电路板尺寸要求、特殊加工要求等；

②建立项目文件夹，明确保存路径；

③准备元器件。

④制作原理图。根据项目规模划分单元，确认是否需要制作层次原理图及其层次划分；

4.2元器件清单

R3和R4：取样电阻，电路输出电压U0由R3和R4的分压比决定。

C6：滤波电容，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。

R1和C3：决定开关频率，其计算公式为:

L1：电感，用来存储能量,储能电感L与所设计的UI、UO、f及纹波电流值IL,有关其计算公式为:

5.电路图分析

5.1电路图布局

   元器件布局时，电流主回路（C1、U1、D1、L1、C7）及控制回路(R1、R2、R3、R4、C3、C4、C5、U1)主次应分明，且满足；布线，电流流向简洁流畅；控制回路要求从输出端单点接地；R2、C3振荡回路及R2、C5补偿回路尽量靠近U1（L4978）相应引脚。

5.2布线导线要求

    由于这是一个开关电源电路，最高频率可达500kHz，为避免电磁干扰，L4978集成电路及其周围辅助元器件，要求单点接地；根据原理图将相应的元件摆放在L4978相应的位置，这样可以减少导线的长度，从而减少电路的损耗；地线的宽度为30mil适宜，输入输出线宽为23mil适宜，其他的线宽为20mil；同时采用实心铜敷铜，这样不仅美观，而且增加的电路的抗干扰的能力。

5.3信号流向

5.4输入信号和输出信号数据分析

电路输出电压U0ut由取样电阻R3和R4的分压比决定，设输出电压为U0ut，取样反馈电压为UFB，则有关系式：            ，则有                  v。由式子可知，调节R4或R3就可以改变输出电压。

5.5输出电压范围

经过多次的调整和测试的数据得出（如表1），我们选择输入电压为30V时，该电源的输出电压大小主要取决于8脚的电压和R3、R4的阻值有关，并且现选定R4为47K，R3为100K，通过（1）的计算可以得出输出电压为10.3V，实际测量电压为10.4V，由于电路和测量仪器存在一定的误差；并且通过多组数据的测量和计算，符合误差的范围。

               表1，测量数据记录表（R4=47K）

根据基于L4978的开关电源电路的设计和元器件的选用,电路实现了小体积、多功能、高效率、低功耗、调节方便、应用灵活等特点。实验测试表明:该电路输入电压可在8~55V变化, 输出电流可达3A,最大输出功率80W, 输出纹波 34 mV,电源效率可达92%。这种电路不仅用于仪器仪表及测试系统的电源, 还可作为3.3V 供电的笔记本电脑的开关电源使用。