基于IR2161的電子變壓器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書

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1、　　　四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 設(shè)計(論文)題目:基于IR2161的電子變壓器設(shè)計 專 業(yè): 通信技術(shù) 班 級: 通技07-1 目　錄 摘　要 1 緒　論 2 第1章　總體方案設(shè)計 3 1.1　方案提出 3 1.2　方案論證 3 第2章　參數(shù)計算和元件選擇 6 2.1　輸入電源整流濾波電路 6 2.2　IR2161芯片電路 6 2.3　變壓電路

2、10 第3章　制作與調(diào)試 12 3.1　印制電路圖 12 3.2　制作調(diào)試注意事項 12 總　結(jié) 13 致　謝 14 參考文獻(xiàn) 15 附錄1　電路原理圖 16 附錄2　PCB版圖 17 附錄3　元器件明細(xì)表 18 II 　　　四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 摘　要 我們身邊的小型電子產(chǎn)品用的變壓器大部分都是電子變壓器，如：手機的充電器、照明光源、電視機、VCD機、DVD機、電磁爐里的電源以及電腦里的電源等等。電子變壓器具有無噪音、自身耗能低、電壓適應(yīng)范圍廣等許多優(yōu)點。電子變壓器的廣泛應(yīng)用得益于科技的進(jìn)步，電子元件成本的降低。在以前無論是直流變壓器還是交

3、流變壓器，都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器，所以以前的電子產(chǎn)品都非常笨重，而現(xiàn)在的家用電器都非常輕巧靈便。根據(jù)產(chǎn)品的更新速度，我借鑒前人的一些知識對電子變壓器進(jìn)行了改進(jìn)，以IR2161芯片為背景設(shè)計出一款功能齊全，成本較低的電子變壓器。 關(guān)鍵詞　變壓；節(jié)能；IR2161芯片 第15頁 緒　論 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變壓器的運用越來越廣泛，電子變壓器的種類和功能越來越齊全。因此，討論電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系：主要討論電源技術(shù)對電子變壓器的要求，像所有作為商品的產(chǎn)品一樣，是在具體使用條件下完成具體的功能中追求最高性價比。有時可能偏重價格和成本，有時可能偏重效率和性能?，F(xiàn)在

4、，“輕、薄、短、小”成為電子變壓器的發(fā)展方向，這幾種發(fā)展方向都是強調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā)，可以對電子變壓器得出四項具體要求，即：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。因此，設(shè)計研制一種電路新穎、安全節(jié)電、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便電子變壓器顯得十分必要。為了達(dá)到以上要求，本設(shè)計采用了基于IR2161芯片電路的電子變壓器，該電子變壓器功能比較齊全。希望自己能對電子變壓器技術(shù)進(jìn)步做一點小小的貢獻(xiàn)。 第1章　總體方案設(shè)計 1.1　方案提出 設(shè)計電子變壓器之前，先考慮以下幾方面的因素： 第一，家用小型電器工作電壓不能直接使用220V市電，必須先經(jīng)過處理才能使用。不同的電器設(shè)備的工作電壓不同，

5、所以需變壓器作適當(dāng)處理。 第二，我們所設(shè)計的變壓器能夠滿足用戶需求，能夠使生產(chǎn)廠家與消費者達(dá)到雙贏的目的。 第三，制作的電路越簡單越好，并要考慮用戶安裝與使用的方便。 第四，應(yīng)考慮電路安全可靠，并且節(jié)約能源。 有鑒于此，自己在前人的基礎(chǔ)上，總結(jié)出如下兩種方案： 1.電子變壓器； 2.基于IR2161芯片的電子變壓器。 1.2　方案論證 1.2.1　方案一 功能描述：本電路輸入端接220V的市電電壓。二極管～構(gòu)成橋式整流電路把市電變成直流電，由振蕩變壓器，三極管、組成的高頻振蕩電路，將脈動直流變成高頻電流，然后由輸出變壓器TR2對高頻高壓脈沖降壓，獲得所需的電壓和功率。為限流電

6、阻，電阻、電容和雙向觸發(fā)二極管構(gòu)成啟動觸發(fā)電路。 通過以上分析，總結(jié)出電子變壓器的系統(tǒng)框圖如圖1-1所示。 整流濾波 高頻振蕩 變壓電路 輸出電路 圖1-1　系統(tǒng)方框圖 電子變壓器的電路原理圖如圖1-2所示。 圖1-2　電子變壓器電路原理圖 1.2.2　方案二 功能描述：本電路輸入端接220V的市電電壓。二極管～構(gòu)成整流電路把市電變成直流電，采用集成芯片IR2161，該集成芯片用于代替上面的高頻振蕩電路。它將脈動直流變?yōu)楦哳l直流，然后由輸出變壓器對高頻脈沖降壓，從而獲得所需的電壓和功率。IR2161芯片自身附帶其它的功能，

7、比如運用在鹵素?zé)舻淖儔浩髦?，其?yōu)點有：不需要預(yù)熱和觸發(fā)啟動時間、無需大容量濾波電容、輸出是經(jīng)隔離的高頻低壓、安全性好。 通過以上分析，總結(jié)出基于IR2161芯片的電子變壓器的系統(tǒng)方框圖如圖1-3所示。 整流濾波 IR2161 電路 變壓電路 輸出電源 圖1-3　系統(tǒng)方框圖 基于IR2161芯片的電子變壓器的原理圖如圖1-4所示。 圖1-4　基于IR2161的電子變壓器電路原理圖 1.2.3　方案結(jié)論 方案一的優(yōu)點：本電路做成的電子變壓器容易調(diào)節(jié)，各種元器件也比較普通，能夠變壓。但是電子產(chǎn)品的成本比較高，運用在大型的家用電器中的

8、電源變壓比較合適。缺點：此種電源電路生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不能夠占有市場，消耗金屬材料，沒有滿足節(jié)約成本的要求。 方案二的優(yōu)點：本電路做成的電子變壓器。是基于智能半橋驅(qū)動器芯片IR2161的電子變壓器，無需飽和磁環(huán)變壓器，僅需用少量元器件，則可實現(xiàn)變壓功能。 鑒于兩個方案的比較，為了節(jié)約成本、減小實物體積，本次畢業(yè)設(shè)計選用方案二，即基于IR2161芯片的電子變壓器。 第2章　參數(shù)計算和元件選擇 2.1　輸入電源整流濾波電路 輸入電源220V的交流電壓。電流經(jīng)過的電壓為市電220V，經(jīng)過電感和電容CLF充電，然后經(jīng)過四個二極管組成的橋式整流以后得到直流電源。在輸入電源經(jīng)過整流電路以后得到直流電

9、壓，但是波動較大仍然不能直接作為電源使用，還需進(jìn)行再一次濾波，將其中的交流成分濾掉。 工作原理:當(dāng)電容兩端電壓升至>時二極管、在正向電壓作用下工作。此時經(jīng)、向提供電流，一方面向電容充電。當(dāng)<時二極管又截止電容又向放電，電容周而復(fù)始的充電放電大大的減小了交流分量，達(dá)到了濾波的效果。 在選擇整流二極管時,為了保證工作點足夠穩(wěn)定,應(yīng)滿足下列條件： ≥(1.5-2)I即：A 二極管IN4007的最大整流=1A>0.066A，故～選擇1N4007型二極管。單元電路如圖2-1所示： 圖2-1　橋式整流電路 2.2　IR2161芯片電路 2.2.1　IR2161芯片工作原理 在接通市電電

10、壓后，橋式整流器通過的電流除流入IC腳上的啟動電流外，其余的大部分電流對電容充電。當(dāng)IC腳上的電壓達(dá)到啟動閾值11.8V后，IC開始工作。一旦IC啟動，由、和組成的電荷泵電路為IC腳饋送電流。自舉二極管和電容為IC高側(cè)驅(qū)動器電路供電。齊納二極管的作用為分流IC過剩電流，以防止IC損壞。IR2161提供軟件啟動操作，可以避免浪涌電流產(chǎn)生。IR2161輸出125kHz的高頻。 由于系統(tǒng)中輸出高頻變壓器初級漏感是固定的，在較高的頻率下呈現(xiàn)較高的阻抗，初級繞組上的電壓較低。致使變壓器輸出電壓較低，電流較小，同時也避免了保護電路被觸發(fā)。約經(jīng)1s的時間，電路以較低頻率運行。在此過程中，IC腳3外部電容上

11、的電壓從0V增加到5V。當(dāng)空載時，=0V，振蕩器頻率約60kHz在最大負(fù)載下，=5V，振蕩器頻率約30kHz。當(dāng)輸出短路時，電流流過半橋，被感測。只要IC腳CS上電壓超過1V的門限電平持續(xù)50ms以上的時間，系統(tǒng)將關(guān)閉。如果負(fù)載超過最大負(fù)載的50％，IC腳4上的電壓將超過0.5V較低的門坎電壓，在經(jīng)0.5s之后，系統(tǒng)將關(guān)閉。不論是短路保護還是過載保護，都能自動復(fù)位。IR2161還提供過熱關(guān)閉功能。當(dāng)芯片結(jié)溫超過135℃的過溫度限制值時，半橋開關(guān)將停止工作，以避免MOSFET燒壞。單元電路如圖2－2所示： 圖2-2　IR2161芯片電路 2.2.2　的計算 在半橋中間點上的電壓為DC總

12、線電壓的1/2。DC總線的電壓與AC線路的電壓相同，負(fù)載上的電壓為AC線路的電壓的50％，通過的電流為負(fù)載電流的一半。由于負(fù)載呈電阻性，電流波形為正弦包跡，半橋輸出占空比為50％，在最大負(fù)載上上的峰值電壓=0.4V，通過的電流為　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2-1) 中的峰值電流為 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2-2) 兩端的峰值電壓為 V　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2-3) 從式（2-3）、式（2-4）和式（2-5）得到 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2-4) 對于工作在()=220V交流線路電壓下的PLOA

13、D=100W的電子變壓器，電流感測電阻值為 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2-5） 2.2.2　芯片介紹 IR2161是國際整流器公司（IR）專為電子變壓器而設(shè)計的智能控制集成電路。該器件能驅(qū)動低壓鹵素?zé)?。IR2161把所需功能全部集于單一的8引腳DIP或SOIC封裝內(nèi)，從而可有效減少元件數(shù)量、簡化電路并增強可靠性。 IR2161能適應(yīng)不斷變化的電壓、頻率及燈管狀態(tài)，這一特點有助于設(shè)計時引入高度可靠的鹵素變壓器，同時可簡化設(shè)計和制造過程。該款緊湊的8引腳器件配備IR的強化高壓集成電路技術(shù)，同時揉合了600V半橋驅(qū)動器、先進(jìn)的過載及短路保護電路以及高溫關(guān)閉和自適應(yīng)控制技術(shù)

14、，可成為除傳統(tǒng)的基于自諧振、雙極晶體管半橋電路方案以外的另一可靠選擇。此外,IR2161內(nèi)含以雙向晶閘管為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)移相調(diào)光器，因而能支持外部調(diào)光。相比其它采用分立元件的同類電路，IR2161能節(jié)省兩成組件。自適應(yīng)死區(qū)時間控制也是IR2161的關(guān)鍵性能，可通過持續(xù)軟開關(guān)來增強變壓器的可靠性。IR2161以IR的高壓結(jié)間隔離HVJI集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)。這項專利技術(shù)把高壓電路從低壓電路中分隔出來，將高側(cè)及低側(cè)驅(qū)動功能融合于緊湊的單芯片內(nèi)，從而控制多種開關(guān)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?。由于鹵素照明需配合高、低壓電路才能運作，因此，基于IR HVJI技術(shù)的器件特別適合該種應(yīng)用。 IR2161的引腳排列如圖2-8所示

15、，各引腳功能如表1所列。 IR2161的其它特點包括：250/400的輸出驅(qū)動容量、15.6V齊納二極管鉗位、低于300uA的微功率起動和30kHz～125kHz的內(nèi)置振蕩器等。引腳排列如圖2-8所示，各引腳功能如表1。 圖2-3　IR2161芯片結(jié)構(gòu) 表1-1　IR2161的引腳功能 序號 符號 功能描述 1 VCC 低側(cè)邏輯和驅(qū)動電路的電源電壓 2 COM 集成電路的功率地端和信號地端 3 CSD 關(guān)斷時間控制和補償電容 4 CS 電流感應(yīng)輸入端 5 LO 低側(cè)柵驅(qū)動輸出 6 VS 高側(cè)浮動電源的

16、返回端 7 HO 高側(cè)柵驅(qū)動輸出 8 VB 高側(cè)柵驅(qū)動浮空電源 圖1-4所示是來用IR2161構(gòu)成的電子變壓器電路。當(dāng)電路開始有效工作后，電路通過電阻RS上的電流減去被IR2161吸收的啟動電流來給電容CVCC充電。電阻大小的選取原則是保證它能從直流總線電壓獲取足夠的電流以使IR2161正常工作。由于電路只能在半個周期中給CVCC充電，因此選取CVCC時，必須保證VCC在另一半周期中高于欠壓封鎖閾值，否則會影響整個電路的正常工作。如果僅僅通過RS給內(nèi)部電路供電，那么RS的值不能過大，否則就不能提供芯片內(nèi)部所需的電流，同時還要消耗1W～2W的功耗。通過電荷泵電路可

17、以解決這個問題，圖中由DCP1和DCP2組成了一個電荷泵電路，該電路和CSNUB進(jìn)行連接可以給VCC提供內(nèi)部電路所需的電荷，由于RS只在啟動時候起作用，因此，RS的值可適當(dāng)?shù)厝〈笠稽c，而不會影響電路的功耗。 IR2161的其它特點包括250/400mA的輸出驅(qū)動容量、15．6V齊納二極管鉗位Vcc、低于300uA的微功率起動和30kHz～125kHz的內(nèi)置振蕩器等。由于16V齊納二極管VZ的功耗高達(dá)1.3W，因此，圖2電路中將其外接，以減小芯片的內(nèi)部功耗。這樣，在有大電流出現(xiàn)時，VZ可以對多余電流進(jìn)行旁路，以減小對IR2161的危害。電路中雙向晶閘管上的一個強電壓變化會形成一個大電流，當(dāng)它流

18、過電阻RD和電容CD時可立即將電容CVCC充電到最大值。一旦VCC超過它的啟動閾值，HO和LO將開始振蕩，從而使IR2161開始正常工作。電路中RS、RD和CD的選擇應(yīng)保證鎮(zhèn)流器正常工作時能夠提供足夠的電流。自舉二極管DB和電容CB的作用是給高側(cè)功率管提供電源電壓。為了保證在第一個脈沖到達(dá)HO之前，高側(cè)電源電壓已經(jīng)超過欠壓閾值，輸出驅(qū)動的第一個脈沖應(yīng)該送入LO端。在LO經(jīng)過數(shù)次振蕩以后，如果VB－VS超過欠壓閾值，高側(cè)驅(qū)動器將開始工作。在欠壓封鎖模式下，高低側(cè)驅(qū)動輸出HO和LO都為低電平。 自適應(yīng)死區(qū)時間控制是IR2161的關(guān)鍵性能，可通過持續(xù)軟開關(guān)來增強變壓器的可靠性。IR2161配備有一

19、個動態(tài)死區(qū)時間電路，當(dāng)半橋結(jié)構(gòu)中的直流母線電壓降到0V轉(zhuǎn)換點時，該電路的監(jiān)測功能電路會調(diào)高低側(cè)驅(qū)動器(LO輸出)。當(dāng)LO變低時，其內(nèi)置取樣和保持具有大致相同的延遲，因而可在LO轉(zhuǎn)低后把高側(cè)驅(qū)動器(HO輸出)調(diào)高。自適應(yīng)死區(qū)時間控制可按振蕩器周期作出反應(yīng)，并可在需要時調(diào)節(jié)死區(qū)時間。 設(shè)計者時無需考慮功率管的寄生電容或者輸出變壓器的漏磁。為了滿足電子變壓器功率管寄生電容和輸出變壓器漏磁的需要，整個系統(tǒng)的最小死區(qū)時間設(shè)置為300ns。 在該電路的初級變壓器上加一個緩沖電容可以提高轉(zhuǎn)換速率。但是如果緩沖電容過大，又會阻止VS電壓向反方向變化，從而使死區(qū)時間控制失效。IR2161的缺省死區(qū)時間為1.

20、2us~1.4us。緩沖電容的典型值為幾百pF。 2.3　變壓電路 初級繞組最少匝數(shù)可根據(jù)公式計算 （2-6） 式中：為最高峰值總線電壓，可取其為400V；最大導(dǎo)通時間，其值可選取18μs；為最大磁通密度，單位為T，其值可從制造者提供的鐵氧體材料工作在100℃時的曲線獲得；為磁芯有效截面積，單位為㎡。 計算次級需要的匝數(shù)。次級繞組匝數(shù)NS可按公式計算。 （2-7） 式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220V。

21、在設(shè)計中采用環(huán)形磁芯，初級繞組78匝，次級繞組8匝，初級與次級繞組之間利用壓塑分離器隔離。單元電路如圖2-4示。 圖2-4　變壓電路 第3章　制作與調(diào)試 3.1　印制電路圖 為了驗證本次畢業(yè)設(shè)計的準(zhǔn)確性和節(jié)能開關(guān)的實用性，在Protel99Se環(huán)境下，按照“繪制電路原理圖→電氣規(guī)則檢查→生成網(wǎng)絡(luò)表→規(guī)劃電路板→導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表→元件布局與調(diào)整→布線”等步驟設(shè)計印制電路板底圖，然后，用專門儀器或手工制作相應(yīng)印制板。最后，根據(jù)所設(shè)計的印制電路板組裝電路。注意，元件裝配過程中應(yīng)遵循“先里后外，先小后大，先輕后重”的原則。 3.2　制作調(diào)試注意事項 1.首先檢查印刷電路是否設(shè)計正確，

22、元器件位置是否安裝正確，二極管、電解電容等極性不要裝錯。 2.焊接質(zhì)量尤其重要，焊接時間較長易損壞元器件，焊點處理是否合理，有沒有焊接點短路、虛焊、多余管腳是否剪去。 3.制作過程中注意用電安全，按照正常規(guī)程進(jìn)行操作。 4.在不明確情況下，可以不通交流電，檢查各個元件工作特性；安裝正確后，再通入市電220V檢測。(以上各項測試是正常工作時的電壓變化情況，如實際制作好后不能實現(xiàn)設(shè)計的功能，按照單元電路的分析方法，逐步查找原因。 總　結(jié) 在我的畢業(yè)設(shè)計中，主要對IR2161電子變壓器進(jìn)行了簡單的設(shè)計與闡述。電子變壓器在以后的領(lǐng)域中有很好的發(fā)展，我們身邊的小型電子產(chǎn)品里面用的大部分是電子變

23、壓器 。如手機的充電器，照明光源，電視機VCD機DVD機以及電磁爐里的電源還有電腦里的電源等等， 電子變壓器具有無噪音，自身耗能低，電壓適應(yīng)范圍廣等許多優(yōu)點。也使得電子變壓器在各種領(lǐng)域的運用廣泛。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，我對電子變壓器的原理﹑功能和應(yīng)用領(lǐng)域有了更深刻的認(rèn)識，對已學(xué)過的專業(yè)知識進(jìn)行了鞏固和提高，達(dá)到理論聯(lián)系實際的效果。電子領(lǐng)域正以驚人的速度發(fā)展，只有不斷地學(xué)習(xí)才能適應(yīng)社會的發(fā)展需要。我也明白了：活到老學(xué)到老才是硬道理。 致　謝 在這三個多月的畢業(yè)設(shè)計中，我真誠地感謝楊老師和同學(xué)們的幫助，在他們的幫助下我順利的完成了此次畢業(yè)設(shè)計。 首先我要衷心地感謝我的輔導(dǎo)老師楊波，在本次設(shè)計

24、過程中他始終給予了我無私的熱情和幫助。開始他細(xì)心指導(dǎo)我的選題工作，在做開題報告的過程中，又反復(fù)而耐心地給我指出問題的所在，并幫助我糾正了許多不妥之處。在做系統(tǒng)設(shè)計這一過程中，也給我提出了許多意見和建議，并交給我許多解決問題的技巧和方法。在寫畢業(yè)設(shè)計論文的過程中，我也遇到了許多的困難，之所以能堅持完成，這都離不開我的指導(dǎo)老師和同學(xué)們的幫助。 通過短暫的畢業(yè)設(shè)計，從而提高了我的理論水平，真正做到學(xué)有所用，雖然在其過程中我遇到了很多困難，但是從中我也得到了很多的幫助，沒有半途而廢，沒有灰心喪氣，在楊老師的嚴(yán)格指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)問題并加以改正，這些都是一種收獲。特別感謝楊老師的幫助，他對我的系統(tǒng)提出了很多

25、改進(jìn)的意見，對我的論文中的一些不足的地方也一一地指出。沒有他的幫助，我也不可能很好的完成這次畢業(yè)設(shè)計，我再次衷心地對楊老師表示感謝。 參考文獻(xiàn) [1]　鄭應(yīng)光．模擬電子線路技術(shù)．東南大學(xué)出版社，2005 [2]　陳有卿．實用IR2161時基電路．中國電力出版社，2005 [3]　陳永甫．常用半導(dǎo)體器件及模擬電路．人民郵電出版社，2006 [4]　方大千，朱麗寧．電子控制裝置制作入門．國防工業(yè)出版社，2006 [5]　朱鴻彪．實用電子制作—電子節(jié)能開關(guān)．2006 [6]　嚴(yán)飛，姜源，楊碧石．妙用電子模塊222例．中國電力出版社，2006 [7]　王昊，李昕，鄭鳳翼．通用電子元器件

26、的選用與檢測．電子工業(yè)出版社，2006 附錄1　電路原理圖 第 17 頁 附錄2　PCB版圖 　　　四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 附錄3　元器件明細(xì)表 名稱 標(biāo)號 取值(或型號） 數(shù)量 電阻 RD 270/3W 1 RS 270/3W 1 RL 1K 1 RB1、RB2 22 2 RCS 0.33／０.５W 1 R1、R2 470K/1W 2 電容 CLF 100nF/275V 1 CD 330nF/400V 1 CVC C1 220nF/50V 1 CVC C2 100nF/25V 1 C SD、C CS 1nF/50V 2 CB 100nF 1 C SNUB 150pF/50V 1 C1、C2 100nF/400V 2 C3、C4 1.5nF/400V 2 變壓器 T1 TRABS 4 1 二極管 D1、D2、D3、D4、DS IN4007 5 VZ 16V/1W 1 DB IN3947 1 DCP1、DCP2 IN4148 2 電感 LF 3mH 1 場效應(yīng)管 Q1、Q2 IRF740 2 芯片 IR2161 IR2161 1 第1８頁