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1、信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目:基于IR2161的电子变压器设计专 业: 通信技术 班 级: 通技07-1 学 号: 姓 名: 指导教师: 二九年十二月二十四日目录摘要1绪论2第1章总体方案设计31.1方案提出31.2方案论证3第2章参数计算和元件选择62.1输入电源整流滤波电路62.2IR2161芯片电路62.3变压电路10第3章制作与调试123.1印制电路图123.2制作调试注意事项12总结13致谢14参考文献15附录1电路原理图16附录2PCB版图17附录3元器件明细表18摘要我们身边的小型电子产品用的变压器大部分都是电子变压器，如：手机的充电器、照明光源、电视机
2、、VCD机、DVD机、电磁炉里的电源以及电脑里的电源等等。电子变压器具有无噪音、自身耗能低、电压适应范围广等许多优点。电子变压器的广泛应用得益于科技的进步，电子元件成本的降低。在以前无论是直流变压器还是交流变压器，都要使用由软磁磁芯制成的电子变压器，所以以前的电子产品都非常笨重，而现在的家用电器都非常轻巧灵便。根据产品的更新速度，我借鉴前人的一些知识对电子变压器进行了改进，以IR2161芯片为背景设计出一款功能齐全，成本较低的电子变压器。关键词变压；节能；IR2161芯片绪论随着电子技术的飞速发展，变压器的运用越来越广泛，电子变压器的种类和功能越来越齐全。因此，讨论电源技术与电子变压器之间的关
3、系：主要讨论电源技术对电子变压器的要求，像所有作为商品的产品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求最高性价比。有时可能偏重价格和成本，有时可能偏重效率和性能。现在，“轻、薄、短、小”成为电子变压器的发展方向，这几种发展方向都是强调降低成本。从总的要求出发，可以对电子变压器得出四项具体要求，即：使用条件、完成功能、提高效率、降低成本。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便电子变压器显得十分必要。为了达到以上要求，本设计采用了基于IR2161芯片电路的电子变压器，该电子变压器功能比较齐全。希望自己能对电子变压器技术进步做一点小小的贡献。第1章总体方案设计1.1方案提出设计电
4、子变压器之前，先考虑以下几方面的因素：第一，家用小型电器工作电压不能直接使用220V市电，必须先经过处理才能使用。不同的电器设备的工作电压不同，所以需变压器作适当处理。第二，我们所设计的变压器能够满足用户需求，能够使生产厂家与消费者达到双赢的目的。第三，制作的电路越简单越好，并要考虑用户安装与使用的方便。第四，应考虑电路安全可靠，并且节约能源。有鉴于此，自己在前人的基础上，总结出如下两种方案：1.电子变压器；2.基于IR2161芯片的电子变压器。1.2方案论证1.2.1方案一功能描述：本电路输入端接220V的市电电压。二极管构成桥式整流电路把市电变成直流电，由振荡变压器，三极管、组成的高频振荡
5、电路，将脉动直流变成高频电流，然后由输出变压器TR2对高频高压脉冲降压，获得所需的电压和功率。为限流电阻，电阻、电容和双向触发二极管构成启动触发电路。通过以上分析，总结出电子变压器的系统框图如图1-1所示。整流滤波高频振荡变压电路输出电路图1-1系统方框图电子变压器的电路原理图如图1-2所示。图1-2电子变压器电路原理图1.2.2方案二功能描述：本电路输入端接220V的市电电压。二极管构成整流电路把市电变成直流电，采用集成芯片IR2161，该集成芯片用于代替上面的高频振荡电路。它将脉动直流变为高频直流，然后由输出变压器对高频脉冲降压，从而获得所需的电压和功率。IR2161芯片自身附带其它的功能
6、，比如运用在卤素灯的变压器中，其优点有：不需要预热和触发启动时间、无需大容量滤波电容、输出是经隔离的高频低压、安全性好。通过以上分析，总结出基于IR2161芯片的电子变压器的系统方框图如图1-3所示。整流滤波IR2161 电路变压电路输出电源图1-3系统方框图基于IR2161芯片的电子变压器的原理图如图1-4所示。图1-4基于IR2161的电子变压器电路原理图1.2.3方案结论方案一的优点：本电路做成的电子变压器容易调节，各种元器件也比较普通，能够变压。但是电子产品的成本比较高，运用在大型的家用电器中的电源变压比较合适。缺点：此种电源电路生产出来的产品不能够占有市场，消耗金属材料，没有满足节约
7、成本的要求。方案二的优点：本电路做成的电子变压器。是基于智能半桥驱动器芯片IR2161的电子变压器，无需饱和磁环变压器，仅需用少量元器件，则可实现变压功能。鉴于两个方案的比较，为了节约成本、减小实物体积，本次毕业设计选用方案二，即基于IR2161芯片的电子变压器。第2章参数计算和元件选择2.1输入电源整流滤波电路输入电源220V的交流电压。电流经过的电压为市电220V，经过电感和电容CLF充电，然后经过四个二极管组成的桥式整流以后得到直流电源。在输入电源经过整流电路以后得到直流电压，但是波动较大仍然不能直接作为电源使用，还需进行再一次滤波，将其中的交流成分滤掉。工作原理:当电容两端电压升至时二
8、极管、在正向电压作用下工作。此时经、向提供电流，一方面向电容充电。当0.066A，故选择1N4007型二极管。单元电路如图2-1所示：图2-1桥式整流电路2.2IR2161芯片电路2.2.1IR2161芯片工作原理在接通市电电压后，桥式整流器通过的电流除流入IC脚上的启动电流外，其余的大部分电流对电容充电。当IC脚上的电压达到启动阈值11.8V后，IC开始工作。一旦IC启动，由、和组成的电荷泵电路为IC脚馈送电流。自举二极管和电容为IC高侧驱动器电路供电。齐纳二极管的作用为分流IC过剩电流，以防止IC损坏。IR2161提供软件启动操作，可以避免浪涌电流产生。IR2161输出125kHz的高频。
9、由于系统中输出高频变压器初级漏感是固定的，在较高的频率下呈现较高的阻抗，初级绕组上的电压较低。致使变压器输出电压较低，电流较小，同时也避免了保护电路被触发。约经1s的时间，电路以较低频率运行。在此过程中，IC脚3外部电容上的电压从0V增加到5V。当空载时，=0V，振荡器频率约60kHz在最大负载下，=5V，振荡器频率约30kHz。当输出短路时，电流流过半桥，被感测。只要IC脚CS上电压超过1V的门限电平持续50ms以上的时间，系统将关闭。如果负载超过最大负载的50，IC脚4上的电压将超过0.5V较低的门坎电压，在经0.5s之后，系统将关闭。不论是短路保护还是过载保护，都能自动复位。IR2161
10、还提供过热关闭功能。当芯片结温超过135的过温度限制值时，半桥开关将停止工作，以避免MOSFET烧坏。单元电路如图22所示：图2-2IR2161芯片电路2.2.2的计算在半桥中间点上的电压为DC总线电压的1/2。DC总线的电压与AC线路的电压相同，负载上的电压为AC线路的电压的50，通过的电流为负载电流的一半。由于负载呈电阻性，电流波形为正弦包迹，半桥输出占空比为50，在最大负载上上的峰值电压=0.4V，通过的电流为(2-1)中的峰值电流为(2-2)两端的峰值电压为V(2-3)从式（2-3）、式（2-4）和式（2-5）得到(2-4)对于工作在()=220V交流线路电压下的PLOAD=100W的
11、电子变压器，电流感测电阻值为（2-5）2.2.2芯片介绍IR2161是国际整流器公司（IR）专为电子变压器而设计的智能控制集成电路。该器件能驱动低压卤素灯。IR2161把所需功能全部集于单一的8引脚DIP或SOIC封装内，从而可有效减少元件数量、简化电路并增强可靠性。IR2161能适应不断变化的电压、频率及灯管状态，这一特点有助于设计时引入高度可靠的卤素变压器，同时可简化设计和制造过程。该款紧凑的8引脚器件配备IR的强化高压集成电路技术，同时揉合了600V半桥驱动器、先进的过载及短路保护电路以及高温关闭和自适应控制技术，可成为除传统的基于自谐振、双极晶体管半桥电路方案以外的另一可靠选择。此外,
12、IR2161内含以双向晶闸管为基础的标准移相调光器，因而能支持外部调光。相比其它采用分立元件的同类电路，IR2161能节省两成组件。自适应死区时间控制也是IR2161的关键性能，可通过持续软开关来增强变压器的可靠性。IR2161以IR的高压结间隔离HVJI集成电路技术为基础。这项专利技术把高压电路从低压电路中分隔出来，将高侧及低侧驱动功能融合于紧凑的单芯片内，从而控制多种开关转换器的拓扑。由于卤素照明需配合高、低压电路才能运作，因此，基于IR HVJI技术的器件特别适合该种应用。IR2161的引脚排列如图2-8所示，各引脚功能如表1所列。IR2161的其它特点包括：250/400的输出驱动容量
13、、15.6V齐纳二极管钳位、低于300uA的微功率起动和30kHz125kHz的内置振荡器等。引脚排列如图2-8所示，各引脚功能如表1。图2-3IR2161芯片结构表1-1IR2161的引脚功能序号符号功能描述1 VCC 低侧逻辑和驱动电路的电源电压 2 COM 集成电路的功率地端和信号地端 3 CSD 关断时间控制和补偿电容 4 CS 电流感应输入端 5 LO 低侧栅驱动输出 6 VS 高侧浮动电源的返回端 7 HO 高侧栅驱动输出 8 VB 高侧栅驱动浮空电源 图1-4所示是来用IR2161构成的电子变压器电路。当电路开始有效工作后，电路通过电阻RS上的电流减去被IR2161吸收的启动电流
14、来给电容CVCC充电。电阻大小的选取原则是保证它能从直流总线电压获取足够的电流以使IR2161正常工作。由于电路只能在半个周期中给CVCC充电，因此选取CVCC时，必须保证VCC在另一半周期中高于欠压封锁阈值，否则会影响整个电路的正常工作。如果仅仅通过RS给内部电路供电，那么RS的值不能过大，否则就不能提供芯片内部所需的电流，同时还要消耗1W2W的功耗。通过电荷泵电路可以解决这个问题，图中由DCP1和DCP2组成了一个电荷泵电路，该电路和CSNUB进行连接可以给VCC提供内部电路所需的电荷，由于RS只在启动时候起作用，因此，RS的值可适当地取大一点，而不会影响电路的功耗。IR2161的其它特点
15、包括250/400mA的输出驱动容量、156V齐纳二极管钳位Vcc、低于300uA的微功率起动和30kHz125kHz的内置振荡器等。由于16V齐纳二极管VZ的功耗高达1.3W，因此，图2电路中将其外接，以减小芯片的内部功耗。这样，在有大电流出现时，VZ可以对多余电流进行旁路，以减小对IR2161的危害。电路中双向晶闸管上的一个强电压变化会形成一个大电流，当它流过电阻RD和电容CD时可立即将电容CVCC充电到最大值。一旦VCC超过它的启动阈值，HO和LO将开始振荡，从而使IR2161开始正常工作。电路中RS、RD和CD的选择应保证镇流器正常工作时能够提供足够的电流。自举二极管DB和电容CB的作
16、用是给高侧功率管提供电源电压。为了保证在第一个脉冲到达HO之前，高侧电源电压已经超过欠压阈值，输出驱动的第一个脉冲应该送入LO端。在LO经过数次振荡以后，如果VBVS超过欠压阈值，高侧驱动器将开始工作。在欠压封锁模式下，高低侧驱动输出HO和LO都为低电平。自适应死区时间控制是IR2161的关键性能，可通过持续软开关来增强变压器的可靠性。IR2161配备有一个动态死区时间电路，当半桥结构中的直流母线电压降到0V转换点时，该电路的监测功能电路会调高低侧驱动器(LO输出)。当LO变低时，其内置取样和保持具有大致相同的延迟，因而可在LO转低后把高侧驱动器(HO输出)调高。自适应死区时间控制可按振荡器周
17、期作出反应，并可在需要时调节死区时间。设计者时无需考虑功率管的寄生电容或者输出变压器的漏磁。为了满足电子变压器功率管寄生电容和输出变压器漏磁的需要，整个系统的最小死区时间设置为300ns。在该电路的初级变压器上加一个缓冲电容可以提高转换速率。但是如果缓冲电容过大，又会阻止VS电压向反方向变化，从而使死区时间控制失效。IR2161的缺省死区时间为1.2us1.4us。缓冲电容的典型值为几百pF。2.3变压电路初级绕组最少匝数可根据公式计算 （2-6）式中：为最高峰值总线电压，可取其为400V；最大导通时间，其值可选取18s；为最大磁通密度，单位为T，其值可从制造者提供的铁氧体材料工作在100时的
18、曲线获得；为磁芯有效截面积，单位为。计算次级需要的匝数。次级绕组匝数NS可按公式计算。 （2-7）式中：VO(RMS)=12V，VAC(RMS)=220V。在设计中采用环形磁芯，初级绕组78匝，次级绕组8匝，初级与次级绕组之间利用压塑分离器隔离。单元电路如图2-4示。图2-4变压电路第3章制作与调试3.1印制电路图为了验证本次毕业设计的准确性和节能开关的实用性，在Protel99Se环境下，按照“绘制电路原理图电气规则检查生成网络表规划电路板导入网络表元件布局与调整布线”等步骤设计印制电路板底图，然后，用专门仪器或手工制作相应印制板。最后，根据所设计的印制电路板组装电路。注意，元件装配过程中应
19、遵循“先里后外，先小后大，先轻后重”的原则。3.2制作调试注意事项1.首先检查印刷电路是否设计正确，元器件位置是否安装正确，二极管、电解电容等极性不要装错。2.焊接质量尤其重要，焊接时间较长易损坏元器件，焊点处理是否合理，有没有焊接点短路、虚焊、多余管脚是否剪去。3.制作过程中注意用电安全，按照正常规程进行操作。4.在不明确情况下，可以不通交流电，检查各个元件工作特性；安装正确后，再通入市电220V检测。(以上各项测试是正常工作时的电压变化情况，如实际制作好后不能实现设计的功能，按照单元电路的分析方法，逐步查找原因。总结在我的毕业设计中，主要对IR2161电子变压器进行了简单的设计与阐述。电子
20、变压器在以后的领域中有很好的发展，我们身边的小型电子产品里面用的大部分是电子变压器 。如手机的充电器，照明光源，电视机VCD机DVD机以及电磁炉里的电源还有电脑里的电源等等， 电子变压器具有无噪音，自身耗能低，电压适应范围广等许多优点。也使得电子变压器在各种领域的运用广泛。通过本次毕业设计，我对电子变压器的原理功能和应用领域有了更深刻的认识，对已学过的专业知识进行了巩固和提高，达到理论联系实际的效果。电子领域正以惊人的速度发展，只有不断地学习才能适应社会的发展需要。我也明白了：活到老学到老才是硬道理。致谢在这三个多月的毕业设计中，我真诚地感谢杨老师和同学们的帮助，在他们的帮助下我顺利的完成了此
21、次毕业设计。首先我要衷心地感谢我的辅导老师杨波，在本次设计过程中他始终给予了我无私的热情和帮助。开始他细心指导我的选题工作，在做开题报告的过程中，又反复而耐心地给我指出问题的所在，并帮助我纠正了许多不妥之处。在做系统设计这一过程中，也给我提出了许多意见和建议，并交给我许多解决问题的技巧和方法。在写毕业设计论文的过程中，我也遇到了许多的困难，之所以能坚持完成，这都离不开我的指导老师和同学们的帮助。通过短暂的毕业设计，从而提高了我的理论水平，真正做到学有所用，虽然在其过程中我遇到了很多困难，但是从中我也得到了很多的帮助，没有半途而废，没有灰心丧气，在杨老师的严格指导下，发现问题并加以改正，这些都是
22、一种收获。特别感谢杨老师的帮助，他对我的系统提出了很多改进的意见，对我的论文中的一些不足的地方也一一地指出。没有他的帮助，我也不可能很好的完成这次毕业设计，我再次衷心地对杨老师表示感谢。参考文献1郑应光模拟电子线路技术东南大学出版社，20052陈有卿实用IR2161时基电路中国电力出版社，20053陈永甫常用半导体器件及模拟电路人民邮电出版社，20064方大千，朱丽宁电子控制装置制作入门国防工业出版社，20065朱鸿彪实用电子制作电子节能开关20066严飞，姜源，杨碧石妙用电子模块222例中国电力出版社，20067王昊，李昕，郑凤翼通用电子元器件的选用与检测电子工业出版社，2006附录1电路原
23、理图附录2PCB版图附录3元器件明细表名称标号取值(或型号）数量电阻RD270/3W1RS270/3W1RL1K1RB1、RB2222RCS0.33.W1R1、R2470K/1W2电容CLF100nF/275V1CD330nF/400V1CVC C1220nF/50V1CVC C2100nF/25V1C SD、C CS1nF/50V2CB100nF1C SNUB150pF/50V1C1、C2100nF/400V2C3、C41.5nF/400V2变压器T1TRABS 41二极管D1、D2、D3、D4、DSIN40075VZ16V/1W1DBIN39471DCP1、DCP2IN41482电感LF3mH1场效应管Q1、Q2IRF7402芯片IR2161IR21611
