1、 背景知識(shí)本實(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)載之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離，提高變換器運(yùn)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(fù)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(gè)二次繞組輸出幾個(gè)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(gè)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(dǎo)通時(shí)電源將能量直接傳送至負(fù)載；
3）反激變換器：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在電感中，當(dāng)開關(guān)管阻斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載；
又因?yàn)榉醇な介_關(guān)電源元器件少，電路簡(jiǎn)單，成本低，體積小，可同時(shí)輸出多路互相隔離的電壓，所以該實(shí)驗(yàn)采用反激式的方式。
1、 背景知識(shí)
2、 設(shè)計(jì)目的
3、 工具/準(zhǔn)備工作
4、 設(shè)計(jì)步驟及原理
步驟1：設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)果及分析
6、 總結(jié)及心得體會(huì)
7、 對(duì)本設(shè)計(jì)過程及方法、手段的改進(jìn)建議
8、 參考文獻(xiàn)
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(diǎn)及引入變換器原因的陳述，最終擬出本實(shí)驗(yàn)題目。
下圖為本實(shí)驗(yàn)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(jì)目的本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)將36V的輸入電壓經(jīng)變壓器后降壓為7V輸出至負(fù)載；觀察、測(cè)量電壓Uds，Ucs，Uo波形及電壓平均值，與理想波形作對(duì)比并對(duì)其誤差進(jìn)行分析。
各測(cè)量電壓理想波形如下：
圖3 各測(cè)量電壓理想波形圖 3、 工具/準(zhǔn)備工作 所需要準(zhǔn)備的工作有：
① 元器件材料的清點(diǎn)；
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(guó)線規(guī)的漆包線及絕緣膠。而繞線則需要NZ-1型手搖電動(dòng)計(jì)數(shù)繞線機(jī)，實(shí)物圖如下：
圖5 NZ-1型手搖電動(dòng)計(jì)數(shù)繞線機(jī)實(shí)物圖 同時(shí)，還需要準(zhǔn)備焊接元器件的電烙鐵，錫條，松香，架臺(tái)，萬(wàn)用表等焊接必需品。
調(diào)試過程，需要準(zhǔn)備以下機(jī)器：LCR數(shù)字電橋，雙輸出穩(wěn)壓電源，電子負(fù)載，雙蹤示波器，實(shí)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(shí)物圖 圖8 電子負(fù)載實(shí)物圖 圖9 雙蹤示波器
4、 設(shè)計(jì)步驟及原理步驟1：設(shè)計(jì)高頻變壓器使用專用的變壓器設(shè)計(jì)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(jì)功率、功率因數(shù)、額定負(fù)載、初級(jí)線圈層數(shù)、次級(jí)線圈匝數(shù)等參數(shù)輸入。
PI軟件會(huì)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)給出一個(gè)合理的變壓器參數(shù)：初級(jí)線圈、反饋線圈、次級(jí)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(hào)、磁芯型號(hào)、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(gè)步驟所得的參數(shù)進(jìn)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(gè)號(hào)碼。將骨架固定于NZ-1型手搖電動(dòng)計(jì)數(shù)繞線機(jī)上，并以左上角為1腳，然后逆時(shí)針遞增至8腳。而本實(shí)驗(yàn)需要繞制一個(gè)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(jí)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(jí)繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行繞制，使繞組均勻分布在整個(gè)骨架上，并在引腳3結(jié)束該繞組。添加1層絕緣膠帶以進(jìn)行絕緣。
次級(jí)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(gè)骨架上，沿與初級(jí)繞組相同的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行繞制，在引腳5結(jié)束該繞組。添加1層絕緣膠帶以進(jìn)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(yùn)用萬(wàn)用表的導(dǎo)通檔分別對(duì)1,2；3,4；5,6腳進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試。測(cè)試前需進(jìn)行萬(wàn)用表兩表頭短接測(cè)試，檢查萬(wàn)用表的導(dǎo)通檔位是否正常。萬(wàn)用表檢查完畢后，可對(duì)各引腳進(jìn)行測(cè)試。若接觸兩引腳時(shí)，萬(wàn)用表有響應(yīng)，則說(shuō)明焊接順利，無(wú)虛焊；若萬(wàn)用表無(wú)響應(yīng)，則需再次進(jìn)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(wú)虛焊時(shí)，則進(jìn)行高頻變壓器繞組電感量的測(cè)試。由于本實(shí)驗(yàn)要求輸出為7V1A，因此，該變壓器理想的額定初級(jí)電感量為100uH（正負(fù)偏差10%）。
該過程需用到LCR數(shù)字電橋，且在調(diào)試前需對(duì)數(shù)字電橋進(jìn)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(zhǔn)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(cè)試初級(jí)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(jí)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(jìn)行測(cè)試，反復(fù)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(diǎn)接地
通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn)，同一級(jí)電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，并且本級(jí)電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該級(jí)接地點(diǎn)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(huì)導(dǎo)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(duì)干擾影響較大，因而采用一點(diǎn)接地，即將電源開關(guān)電流回路 中的幾個(gè)器件的地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個(gè)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(diǎn)時(shí)，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實(shí)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(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)，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(jī)安裝與面板布局要求的前提下)。
(2)設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)≥90度，力求線條簡(jiǎn)單明了。
(3)印刷電路中不允許有交叉電路，對(duì)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(fù)雜，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)也允許用導(dǎo)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(shí)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(dǎo)通性的檢測(cè)
用萬(wàn)用表的導(dǎo)通擋對(duì)實(shí)物圖反面的走錫線路進(jìn)行短路與斷路兩個(gè)方面的檢測(cè)。
測(cè)試是否斷路時(shí)，將萬(wàn)用表兩表筆分別與所連接的錫柱兩端接觸，若萬(wàn)用表有響應(yīng)，則沒有斷路；反之則進(jìn)行補(bǔ)錫。
測(cè)試是否短路時(shí)，將萬(wàn)用表兩表筆分別與期待斷路的錫柱兩端接觸，若萬(wàn)用表無(wú)響應(yīng)，則沒有短路；反之則進(jìn)行錫的隔離。
步驟4：電路調(diào)試一：調(diào)試前準(zhǔn)備
該步驟需要利用雙輸出穩(wěn)壓電源、電子負(fù)載還有測(cè)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(fù)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(wàn)用表的導(dǎo)通擋再次檢測(cè)輸入輸出正負(fù)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(jìn)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(fù)載的正負(fù)極正確的連接至電路板的正負(fù)極。
打開電源，同時(shí)開啟雙蹤示波器。本實(shí)驗(yàn)只需一個(gè)探頭，因此這里只用CH2。將CH2探頭的夾子端夾輸入的負(fù)極；鉤子端分別鉤DPA422PN芯片的C、D腳，以測(cè)Ucs、Uds的波形及平均電壓值。
最后測(cè)量輸出電壓Uo，將示波器CH2探頭的夾子端夾輸出的負(fù)極，鉤子端鉤輸出的正極測(cè)量Uo的波形。同時(shí)觀察測(cè)量期間，負(fù)載電壓為多少。若負(fù)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(rèn)真檢查線路走線是否有誤，是否有缺漏，若線路無(wú)誤，則再次檢測(cè)變壓初級(jí)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(duì)反饋電路電阻值進(jìn)行增減，也可以串聯(lián)一個(gè)電位器，以方便調(diào)試。
5、 設(shè)計(jì)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(fù)載電壓大小 由調(diào)試所得的各波形圖在誤差范圍內(nèi)達(dá)到了預(yù)設(shè)的結(jié)果，因此波形測(cè)試成功。
此時(shí)，所測(cè)得的電壓平均值，Uc=5.95V；Ud=13.2V；Uo=6.05V；
觀察電子負(fù)載，可得此時(shí)輸出負(fù)載電壓為6.242V，在理想負(fù)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(huì)通過對(duì)開關(guān)電源相關(guān)知識(shí)的了解及查閱，我對(duì)其有了相當(dāng)大的知曉，首先可以確認(rèn)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(duì)的還有一種鐵芯變壓器電源，為此我來(lái)將開關(guān)電源與其比較下有些什么優(yōu)點(diǎn)：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(dá)到85%，質(zhì)量好的可以達(dá)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(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)一般家用電器和工業(yè)電氣設(shè)備的單機(jī)能源消耗指數(shù)大于92%。美國(guó)的“能源之星”對(duì)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(xì)的、非常嚴(yán)格的規(guī)章條款。二是體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100W的鐵芯變壓器的重量為1200g左右，體積達(dá)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(hù)功能，不易損壞。而其他的電源由于本身原因或使用不當(dāng)，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(jì)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(jì)使我懂得了理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，從理論中得出結(jié)論，才能提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到的問題可以說(shuō)是困難重重，難免會(huì)遇到各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握的不夠牢固，比如說(shuō)不懂一些元器件的使用方法，對(duì)電路的焊接掌握的不好通過這次設(shè)計(jì)之后，一定把以前所學(xué)過的知識(shí)重新溫故。
7、 對(duì)本設(shè)計(jì)過程及方法、手段的改進(jìn)建議在設(shè)計(jì)布線圖的時(shí)候盡量讓線路整齊一點(diǎn)，這樣在焊接的時(shí)候會(huì)方便很多。由于電路板的空間有限，所以在走線的時(shí)候盡可能密集一點(diǎn)。
8、 參考文獻(xiàn)
【3】百度文庫(kù).高頻變壓器制作流程
【4】百度百科.反激
附加文件
電力電子綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).rar
(12.85 MB, 下載次數(shù): 45)
2019-6-7 14:10 上傳
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