课程设计说明书
课程名称： 电力电子技术课程设计 设计题目： 开关恒流电源设计 专
业： 电气工程及其自动化班级：电自1103班 学生姓名: 学生填写 学
号: (10位数) 指导教师: 学生填写
20 年 月 日
1 1.引言
电力电子技术课程设计是电气、电子、机电及其相关专业教学中的一个重要组成部分。通过电力电子技术课程设计的训练，可以全面调动学生的主观能动性，融会贯通其所学的电路、电子技术、自动控制和电力电子技术等课程基本原理和基本分析方法，进一步把书本知识与工程实际需要相结合，实现知识向技能的转化。
在电路设计过程中，为了检验所设计的电路性能，必须搭建实际电路，以实验方式检验和联调电路，整体设计过程不仅研制时间长、而且人为因素较大，其设计质量取决于设计者准备工作是否充分，也取决于设计者的经验、技能、信心和耐心。了解、掌握和考核相关应用技术重点和难点就是学习和应用一些工程设计方法和技能，包括了以下几个方面：
（1）技术文献的应用，利用图书、论文和网络资源查找相关和相近的信息，整理和索取所需的资料和参数。
（2）至少掌握一种电路设计辅助软件，本课程设计只要求掌握altium desinger或protel99se，以及相类似电路设计辅助软件。
（3）掌握和使用PCB制板、电路制作工艺，本课程设计对PCB制板和电路制作工艺要求较高，也是课程设计是否成功和达标的关键。
（4）掌握基本测试仪器使用技能，本课程设计要求掌握的仪器有万用表、示波器等。
（5）掌握构建实验和测试条件的方法，课程设计当中往住是分步骤和分测试模块进行的，因此分布构建各步骤和测试模块，成为实验和测试的关键。
（6）掌握一种软件辅助设计软件，如multisim、proteus、matlab或saber等。
2.设计任务
（1）Buck Chopper开关电源设计，要求正确选择控制方案，查阅参考资料。 （2）绘制电气控制原理图，包括主电路图，正确选择或设计元器件，订列元器件目录清单；
（3）设计部分工艺图纸（电气控制图，电器元件布置图，安装接线图）； （4）编制完整的设计说明书。
3.设计要求
设计并制作如图1所示开关稳压电源。
开关稳压电源IINIOUIN隔离U1=220VAC变压器U2=18VAC整流滤波DC-DC变换器UORL
图1
Buck Chopper电源电路的原理分析，定量计算，学习和运用有关的辅助设计工具，进行相关的设计、制作、调试和测试。
2 4.Buck Chopper电源电路设计
（1）Buck Chopper电源电路原理分析，定量计算。 （2）具体设计要求
输入：交流90~130Vac。
输出：电源恒流350mA，工作电压范围40~60V。 开关电源的工作频率为20kHz左右。
采用脉冲宽度调制控制集成电路HV9910。
5.Buck Chopper工作原理
原理如图2和图3所示。
图2
图3 （1）导通状态
IONUUOULt1It1LL
（2）截止状态
UUIOFFLt2Ot2LL
（3）输入输出关系
3 IONIOFFUOUIt1t1t2
ε称为占空比
6．HV9910介绍
HV9910 是 PWM 高效率LED驱动IC。它允许电压从 8VDC 一直到 450VDC而对HB LED有效控制。 HV9910通过一个可升至 300 KHz的频率来控制外部的 MOSFET，该频率可用一个电阻调整。 LED串是受到恒定电流的控制而不是电压, 如此可提供持续稳定的光输出和提高可靠度。输出电流调整范围可从MA级到1.0A。
HV9910 使用了一种高压隔离连接工艺，可经受高达 450V的浪涌输入电压的冲击。对一个LED串的输出电流能被编程设定在0和他的最大值之间的任何值，它由输入到HV9910的线性调光器的外部控制电压所控制。另外，HV9910也提供一个低频的PWM调光功能，能接受一个外部达几KHz的控制信号在0-100％的占空比下进行调光。
器件极限参数
Vin to GND ......................................................................................-0.5V to +470V CS......................................................................................................-0.3V to 0.8V LD, PWM_D to GND.......................................................................-0.3V to (Vdd --0.3V) GATE to GND...................................................................................-0.3V to (Vdd + 0.3V) Continuous Power Diipation (TA = +25°C) (Note 1) 16-Pin SO (derate 7.5mW/°C above +25°C) ................................750mW 8-Pin DIP (derate 9mW/°C above +25°C) ....................................900mW 8-Pin SO (derate 6.3mW/°C above +25°C) ...................................630mW Operating Temperature Range ............................................................-40°C to +85°C Junction Temperature..........................................................................+125°C Storage Temperature Range................................................................-65°C to +150°C
封装信息
4 典型应用及工作原理
AC/DC 交流输入应用
HV9910 是一个低成本的可降压, 升压, 升降压的控制芯片特别适合设计驱动多串LED或LED阵列.该芯片既适用于全球通用的AC交流输入, 也适用于8－450V的直流输入. 交流输入时, 为提高功率因素, 通过由EN 61000-3-2 Cla C所规定的照明设备的交流谐波的限制,在输入功率小于25W, 可很容易的在线路中加入无源功率因素校正电路得以实现.HV9910可驱动上百个高亮度的LED串联或数串高亮度的LED, 这些LED能被设计成一串或串并联结合的方式, HV9910通过调节恒流值可确保LED亮度和光谱并延长寿命.HV9910的特色是使能脚PWM_D可采用脉宽调制(PWM)的方法调节LED亮度, 同时兼作使能端，该端悬空时芯片无输出控制。HV9910也可通过LD端线性调压的方式连续调节LED的输出电流从而控制亮度(也叫线性调光).
HV9910内部包含了一个高压线性电源,它向内部所有线路提供能量,也可以提供给外部低压电路.
LED 驱动控制
HV9910可控制包括隔离/非隔离, 连续/非连续等类所有的转换器. 当GATE端输出高电平驱动外部的功率MOSFET时, LED驱动器将储存到电感或变压器原边电感的输入能量,依赖不同的转换器类型,可能储能和将部分能量直接传LED串，当功率MOSFET关断时, 储存在磁性元件上的能量转换为LED串的驱动电流.(工作在Flyback 模式).当 VDD电压大于UVLO时，GATE端可以输出高电平.此时输出电流通过限制外部功率MOSFET的峰值电流的方式工作.外部电流采样电阻与功率MOSFET的源 极 串 联 , 此采样电阻的电压反馈到HV9910的CS pin脚, 当CS pin脚的电压超过峰值电流的设 定的阈值电压时, GATE的驱动信号结束, 功率管关断.此峰值电流比较仪的阈值电压 在内部设定值为 250mV, 亦可通过LD pin在外部设定 .当需要软启动时, 在LD pin连接一个电容,从而允许电压按期望的的速率上升, 因此,确保LED的输出电流是逐渐上升的.很明显,一个简单的无源功率因素校正电路, 由 3 二极管和 2 电容组成,应用线路显示如图1.
5 供电电流
HV9910 需 要 1mA 的启动电流.如框图所示, 此电流由 HV9910的内部产生,无需象其它的电路中需加一个大的启动电阻.此外,在 HV9910的应用中,它能用内部的线性电源连续的向内部的所有线路提供7.5V的电压.
设定输出电流
如图1, 选择降压拓扑时, LED中的平均电流是 CS 的峰值电压的一个好的表现. 然而,运用这种电流采样方法,有一个相关连的误差需要被计算进去
.此误差的提出是因为电感中的平均电流和峰值电流是不同的.例如电感纹波电流的峰峰值是150mA,要得到500mA的LED电流, 该采样电阻应为 : 250mV/(500mA+ 0.5*150mA) = 0.43Ω.
调光
有两种方式可以实现调光,取决不同的应用,可以单独调节也可组合调节. LED 的输出电流能被控制, 也能被线性调节改变, 或通过控制电流的开关来维持电流的不变. 第二种调光方式(叫PWM 调光)通过改变输出电流的占空比来控制LED的亮度.
线性调光通过调节LD pin脚电压从0到250mV而实现，该控制电压优先于内部CS pin设定值250mV , 从而可输出电流实现编程. 例如, 在 VDD和地之间接一个分压器,设定CS pin 的控制电压. 当分压器设定的控制电压超过250mV将不会改变输出电流. 如希望更大的输出电流, 可以选择一个更小的采样电阻.
PWM 调光通过外部PWM信号加在PWM_D pin 端而实现.该PWM 信号可由微控制器或由脉冲发生器按希望的LED的亮度以一定的占空比来实现.在此PWM 方式下, 以该信号的有效和失效转换来调节LED的电流.在此模式,LED的电流处在这两种状态之一: 零或由采样电阻设定的正常电流.它不可能用这个方法去达到比HV9910用采样电阻设定的水平更高的平均亮度 .HV9910 用 这 种 PWM控制方法,这灯的输出只能在零到100%之间调整.此PWM调光方法的精度仅仅取决于GATE的最小脉宽的限制, 即此频率的占空比的百分比.这里有一些由应用线路图1,给出的典型的波形阐明PWM 调光方法如下.CH1是指MOSFET的漏极电压, CH2是给PWM_D脚的
PWM 信号和CH4是LED灯串的电流.
工作频率设定
振荡器的工作频率能被用一个外部电阻ROSC在25kHz到300 kHz之间设定: FOSC =25000/(ROSC [kΩ] + 22) [kHz] 功率因数校正LED驱动器的输入功率不超过25W时, 为了通过标准EN61000-3-2 Cla C 的AC谐波的限制, 如 HV9910 的应用线路图1, 可以加一个简单的被动功率因数校正电路.这个典型的应用电路线图表示怎样加这个线路而不影响电路的其它部分.一个由3个二极管和 2个电容器的简单电路被加在ac整流输入的后面去改善输入电流的谐波失真和达到功率因数大于 0.85.
电感设计
提及典型的应用电路 ,可以从电感中计算得到希望的 LED波纹电流的峰峰值.但在典 型的应用,这样的波纹电流被选取为正常的LED电流的30%.在这个例子中正常电流ILED是350mA.下一步是得出
LED灯串上的总电压降.例如, 当灯串由10高亮度
6 的LED组成每个二极管在它的额定电流的正向压降为3.0V; 则LED串的总电压VLEDS是30V.可以知道正常的整流后的输入电流Vin=120V*1.41=169V,由此可以决定开关的占空比：D=VLED/VIN=30/169=0.177.然后，给出开关频率，fOSC =50KHz,这样需要计算功率管MOSFET的导通时间：TON=D/FOSC =3.5微秒由此这些必需的值，可以计算出电感: L=(VIN - VLEDS)*TCN/(0.3*ILED)= 4.6 mH
输入大电容
输入滤波电容应该设计在能保持整个AC线电压周期被整流后的电压高于LED串电压的两倍。假定15%的相关电压的纹波穿过电容器，一个简单的公式能给出此输入大电容器的最小值：CMIN=ILED*VLEDS*0.06/VIN^2
CMIN=22UF,这里选用22UF/250V.在被动的PFC电路中需要在输入端使用两个容值为计算出的CMIN的电容串联。这两个电容中的每一个应为输入电压的1/2和容量的两倍
使能控制
HV9910能被关断当PWM_D pin连接到地，此时，HV9910所消耗的静态电流小于1mA 7.参数设计
电容的参数：
C1=22UF C2=0.01UF
C3=0.1F
电感的参数： L1=3.3mH 电阻的参数:
R11=100K Ω
R2=0.62 Ω R13=15K Ω R14=15K Ω
8.原理图设计
7
9.PCB设计
10.波形测试
11.总结
（要求：说明你通过这几天学习和实践学到什么基本技能，另外说明你对这此课程设计真实感言）
×××××××××（小4号宋体，20磅行距）×××××××××××××××××××××××××
注：1．正文中表格与插图的字体一律用5号宋体；
2．正文各页的格式请以此页为标准复制。
