基于IR2161的電子變壓器設計畢業(yè)設計說明書

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1、四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書（論文）四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文)設計(論文)題目:基于IR2161的電子變壓器設計專 業(yè): 通信技術 班 級: 通技07-1 目錄摘要1緒論2第1章總體方案設計31.1方案提出31.2方案論證3第2章參數(shù)計算和元件選擇62.1輸入電源整流濾波電路62.2IR2161芯片電路62.3變壓電路10第3章制作與調試123.1印制電路圖123.2制作調試注意事項12總結13致謝14參考文獻15附錄1電路原理圖16附錄2PCB版圖17附錄3元器件明細表18II四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書（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

2、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、電壓適應范圍廣等許多優(yōu)點。電子變壓器的廣泛應用得益于科技的進步，電子元件成本的降低。在以前無論是直流變壓器還是交流變壓器，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行了改進，以IR2161芯片為背景設計出一款功能齊全，成本較低的電子變壓器。關鍵詞變壓；節(jié)能；IR2161芯片第15頁緒論隨著電子技術的飛速發(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

3、來越齊全。因此，討論電源技術與電子變壓器之間的關系：主要討論電源技術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。現(xiàn)在，“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，設計研制一種電路新穎、安全節(jié)電、結構簡單、安裝方便電子變壓器顯得十分必要。為了達到以上要求，本設計采用了基于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進步做一點小

4、小的貢獻。第1章總體方案設計1.1方案提出設計電子變壓器之前，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。不同的電器設備的工作電壓不同，所以需變壓器作適當處理。第二，我們所設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，自己在前人的基礎上，總結出如下兩種方案：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。二極管構成橋式整流電路把市電

5、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。為限流電阻，電阻、電容和雙向觸發(fā)二極管構成啟動觸發(fā)電路。通過以上分析，總結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

6、的電壓和功率。IR2161芯片自身附帶其它的功能，比如運用在鹵素燈的變壓器中，其優(yōu)點有：不需要預熱和觸發(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方案結論方案一的優(yōu)點：本電路做成的電子變壓器容易調節(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電源變壓比較合適。缺點：此種電源電路生產(chǎn)出來

7、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壓，但是波動較大仍然不能直接作為電源使用，還需進行再一次濾波，將其中

8、的交流成分濾掉。工作原理:當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2.2IR2161芯片電路2.2.1IR2161芯片工作原理在接通市電電壓后，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IC腳上的電壓達到啟動閾值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高側驅動器電路供電。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

9、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外部電容上的電壓從0V增加到5V。當空載時，=0V，振蕩器頻率約60kHz在最大負載下，=5V，振蕩器頻率約30kHz。當輸出短路時，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)將關閉。如果負載超過最大負載的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)將關閉。不論是

10、短路保護還是過載保護，都能自動復位。IR2161還提供過熱關閉功能。當芯片結溫超過135的過溫度限制值時，半橋開關將停止工作，以避免MOSFET燒壞。單元電路如圖22所示：圖2-2IR2161芯片電路2.2.2的計算在半橋中間點上的電壓為DC總線電壓的1/2。DC總線的電壓與AC線路的電壓相同，負載上的電壓為AC線路的電壓的50，通過的電流為負載電流的一半。由于負載呈電阻性，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()

11、=220V交流線路電壓下的PLOAD=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計的智能控制集成電路。該器件能驅動低壓鹵素燈。IR2161把所需功能全部集于單一的8引腳DIP或SOIC封裝內，從而可有效減少元件數(shù)量、簡化電路并增強可靠性。IR2161能適應不斷變化的電壓、頻率及燈管狀態(tài)，這一特點有助于設計時引入高度可靠的鹵素變壓器，同時可簡化設計和制造過程。該款緊湊的8引腳器件配備IR的強化高壓集成電路技術，同時揉合了600V半橋驅動器、先進的過載及短路保護電路以及高溫關閉和自適應控制技術，可成為除傳統(tǒng)的基于自諧振、

12、雙極晶體管半橋電路方案以外的另一可靠選擇。此外,IR2161內含以雙向晶閘管為基礎的標準移相調光器，因而能支持外部調光。相比其它采用分立元件的同類電路，IR2161能節(jié)省兩成組件。自適應死區(qū)時間控制也是IR2161的關鍵性能，可通過持續(xù)軟開關來增強變壓器的可靠性。IR2161以IR的高壓結間隔離HVJI集成電路技術為基礎。這項專利技術把高壓電路從低壓電路中分隔出來，將高側及低側驅動功能融合于緊湊的單芯片內，從而控制多種開關轉換器的拓撲。由于鹵素照明需配合高、低壓電路才能運作，因此，基于IR HVJI技術的器件特別適合該種應用。IR2161的引腳排列如圖2-8所示，各引腳功能如表1所列。IR21

13、61的其它特點包括：250/400的輸出驅動容量、15.6V齊納二極管鉗位、低于300uA的微功率起動和30kHz125kHz的內置振蕩器等。引腳排列如圖2-8所示，各引腳功能如表1。圖2-3IR2161芯片結構表1-1IR2161的引腳功能序號符號功能描述1 VCC 低側邏輯和驅動電路的電源電壓 2 COM 集成電路的功率地端和信號地端 3 CSD 關斷時間控制和補償電容 4 CS 電流感應輸入端 5 LO 低側柵驅動輸出 6 VS 高側浮動電源的返回端 7 HO 高側柵驅動輸出 8 VB 高側柵驅動浮空電源 圖1-4所示是來用IR2161構成的電子變壓器電路。當電路開始有效工作后，電路通過

14、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給內部電路供電，那么RS的值不能過大，否則就不能提供芯片內部所需的電流，同時還要消耗1W2W的功耗。通過電荷泵電路可以解決這個問題，圖中由DCP1和DCP2組成了一個電荷泵電路，該電路和CSNUB進行連接可以給VCC提供內部電路所需的電荷，由于RS只在啟動時候起作用，因此，RS的值可適當?shù)厝〈笠?/p>

15、點，而不會影響電路的功耗。IR2161的其它特點包括250/400mA的輸出驅動容量、156V齊納二極管鉗位Vcc、低于300uA的微功率起動和30kHz125kHz的內置振蕩器等。由于16V齊納二極管VZ的功耗高達1.3W，因此，圖2電路中將其外接，以減小芯片的內部功耗。這樣，在有大電流出現(xiàn)時，VZ可以對多余電流進行旁路，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，當它流過電阻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的選擇應保證鎮(zhèn)流器正常工作時

16、能夠提供足夠的電流。自舉二極管DB和電容CB的作用是給高側功率管提供電源電壓。為了保證在第一個脈沖到達HO之前，高側電源電壓已經(jīng)超過欠壓閾值，輸出驅動的第一個脈沖應該送入LO端。在LO經(jīng)過數(shù)次振蕩以后，如果VBVS超過欠壓閾值，高側驅動器將開始工作。在欠壓封鎖模式下，高低側驅動輸出HO和LO都為低電平。自適應死區(qū)時間控制是IR2161的關鍵性能，可通過持續(xù)軟開關來增強變壓器的可靠性。IR2161配備有一個動態(tài)死區(qū)時間電路，當半橋結構中的直流母線電壓降到0V轉換點時，該電路的監(jiān)測功能電路會調高低側驅動器(LO輸出)。當LO變低時，其內置取樣和保持具有大致相同的延遲，因而可在LO轉低后把高側驅動器

17、(HO輸出)調高。自適應死區(qū)時間控制可按振蕩器周期作出反應，并可在需要時調節(jié)死區(qū)時間。設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1.2us1.4us。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；最大導通時間，其值可選取18s；為最大磁通密度，單位為T

18、，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。在設計中采用環(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章制作與調試3.1印制電路圖為了驗證本次畢業(yè)設計的準確性和節(jié)能開關的實用性，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)絡表規(guī)劃電路板導入網(wǎng)絡表元件布局與調整布線”等步驟設計印制電路板底圖，然后，用專門儀器或手工制作相應印制板。最后，根據(jù)所

19、設計的印制電路板組裝電路。注意，元件裝配過程中應遵循“先里后外，先小后大，先輕后重”的原則。3.2制作調試注意事項1.首先檢查印刷電路是否設計正確，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)設計的功能，按照單元電路的分析方法，逐步查找原因。總結在我的畢業(yè)設計中，主要對I

20、R2161電子變壓器進行了簡單的設計與闡述。電子變壓器在以后的領域中有很好的發(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，電壓適應范圍廣等許多優(yōu)點。也使得電子變壓器在各種領域的運用廣泛。通過本次畢業(yè)設計，我對電子變壓器的原理功能和應用領域有了更深刻的認識，對已學過的專業(yè)知識進行了鞏固和提高，達到理論聯(lián)系實際的效果。電子領域正以驚人的速度發(fā)展，只有不斷地學習才能適應社會的發(fā)展需要。我也明白了：活到老學到老才是硬道理。致謝在這三個多月的畢業(yè)設計中，我真誠地感謝楊老

21、師和同學們的幫助，在他們的幫助下我順利的完成了此次畢業(yè)設計。首先我要衷心地感謝我的輔導老師楊波，在本次設計過程中他始終給予了我無私的熱情和幫助。開始他細心指導我的選題工作，在做開題報告的過程中，又反復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老師和同學們的幫助。通過短暫的畢業(yè)設計，從而提高了我的理論水平，真正做到學有所用，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

22、楊老師的嚴格指導下，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)提出了很多改進的意見，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)設計，我再次衷心地對楊老師表示感謝。參考文獻1鄭應光模擬電子線路技術東南大學出版社，20052陳有卿實用IR2161時基電路中國電力出版社，20053陳永甫常用半導體器件及模擬電路人民郵電出版社，20064方大千，朱麗寧電子控制裝置制作入門國防工業(yè)出版社，20065朱鴻彪實用電子制作電子節(jié)能開關20066嚴飛，姜源，楊碧石妙用電子模塊222例中國電力出版社，20067王昊，李昕，鄭鳳翼通用電子元器件

23、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2PCB版圖四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書（論文）附錄3元器件明細表名稱標號取值(或型號）數(shù)量電阻RD270/3W1RS270/3W1RL1K1RB1、RB2222RCS0.33.W1R1、R2470K/1W2電容CLF100nF/275V1CD330nF/400V1CVC C1220nF/50V1CVC C2100nF/25V1C SD、C CS1nF/50V2CB100nF1C SNUB150pF/50V1C1、C2100nF/400V2C3、C41.5nF/400V2變壓器T1TRABS 41二極管D1、D2、D3、D4、DSIN40075VZ16V/1W1DBIN39471DCP1、DCP2IN41482電感LF3mH1場效應管Q1、Q2IRF7402芯片IR2161IR21611第1頁