開關(guān)電源設(shè)計

1、6.2輔助開關(guān)電源設(shè)計.在各種控制系統(tǒng)中，控制回路、開關(guān)管驅(qū)動電路、電壓（本系統(tǒng)用到電壓、電流檢測）檢測電路以及監(jiān)控電路，都需要電壓等級不同的直流電源（一般有+5v、12v、15v），我們稱之為輔助電源。由于輔助電源路數(shù)多，有的又要求互相隔離，如果用線性電源則有許多點缺點，所以人們常常使用開關(guān)電源。如果要求設(shè)計小功率電源，一般情況下，采用單端反激變換器。反激變換器一般有兩種工作方式：1、“完全能量轉(zhuǎn)換”（電感電流不連續(xù)方式）：變壓器在儲能周期中存儲的能量在反激周期中都轉(zhuǎn)移到輸出端。2、“不完全能量轉(zhuǎn)換”（電感電流連續(xù)方式）：存儲在變壓器中的能一部分能量保留到下一個周期。6.2.1 開關(guān)電源的基

2、本原理反激變換器的原理圖如圖6-3所示。晶體管tr導通時，進入電能存儲的階段，這時可以把變壓器看作一個電感。原邊繞組的電流的變化由決定（=電源電壓，=原邊電流）。磁芯內(nèi)的磁感應(yīng)強度將從增加到工作峰值。當tr關(guān)斷時，初級電流必定降到零。副邊整流二極管d1導通，副邊出現(xiàn)感應(yīng)電流。在反激期間，感應(yīng)電流將逐漸下降到零。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，它們的磁通增量在“導通”周期和“反激”周期內(nèi)的變化量相等。因此有如下公式: （6-1）由上面公式可以看出，當磁通增量相等的工作點建立時，變壓器原邊繞組每匝的伏-秒值等于副邊繞組的每匝伏-秒值。通過改變占空比就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。圖6-3 反激變換器的原理圖6.2.2 uc3

3、844的工作原理及方框圖uc3844是一種單端輸出控制電路芯片。它共有8個引腳。由它的內(nèi)部原理圖6.4可知，可以使用內(nèi)部e/a誤差放大器構(gòu)成電壓閉環(huán)，利用電流測定、電流測定比較器構(gòu)成電流閉環(huán)。使輸出關(guān)閉的方法有兩種，其一是將3腳電壓升高到1v；其而是將1腳電壓降到1v以下。圖6.4 uc3844內(nèi)部方框圖利用uc3844驅(qū)動開關(guān)管構(gòu)成的開關(guān)電源有如下優(yōu)點：1、原邊電壓的微小波動會立即影響電感電流的變化，不需要經(jīng)過輸出電壓反饋到誤差放大器進行電壓調(diào)節(jié)。當發(fā)生連續(xù)波動時，電壓閉環(huán)起作用，從而達到較高的線性調(diào)整率。2、誤差放大器e/a電路簡化。由于檢測到的電感電流峰值反映平均電流，整個電路可以看作一

4、個誤差電壓控制的電流源，所以，變換器的幅頻特性有兩個極點，因此穩(wěn)定幅度大頻率響應(yīng)特性好。3、從r8（mosfet源極d端的采用電阻）檢測的電流峰值信號能快速參與當前工作周波的占空比控制，所以過流限制好,如圖6.5所示。4、當7腳電壓大于34v時，穩(wěn)壓管工作并使內(nèi)部電路在34v以下可靠工作。芯片的開啟閥值為16v，關(guān)閉閥值為10v。開啟閥值和關(guān)閉閥值之間有6v的差值，可以避免芯片發(fā)生在工作點振蕩現(xiàn)象。6.2.3開關(guān)電源的電路圖1、關(guān)于限流電阻的計算： 假設(shè)直流電源的電壓為，通過r2接到uc3844的電源7端，而且可知小于16v時，電路耗電，正常工作后，由感應(yīng)繞組供電，電流上升至。在和的范圍內(nèi)波動

5、。所以有下式： (6-2) (6-3)圖6.5 開關(guān)電源電路圖2、關(guān)于r4、c10的選擇：如果電流采樣電阻r8的電壓采樣濾波電路的時間常數(shù)r4c7過大，則電流閉環(huán)不能起到快速響應(yīng)的效果。所以應(yīng)該有下式： (6-4)3、rc振蕩頻率的計算：uc3844的8端是5v基準電源，接一個rc振蕩電路，從而產(chǎn)生芯片正常工作所需要的振蕩頻率，其計算公式為： (6-5)4、關(guān)于mosfet開關(guān)管的選擇mosfet開關(guān)管的漏極電壓一般要能承受基本電壓的2倍以上，按原邊額定電壓設(shè)計，并充分考慮過壓倍數(shù)，這里選擇了耐壓為900v的ks962，電流的選擇要根據(jù)設(shè)計變壓器的功率，可由下式計算最大電流： (6-6)當電流

6、的采樣3端的值大于1.0v時，開關(guān)電源會由于過流而保護，為開關(guān)管的采樣電阻。6.2.4 開關(guān)電源的尖峰電壓以及尖峰電流分析1、二極管反向恢復時間引起的尖峰電流 二極管的高頻見等效電路如圖6.6所示。假設(shè)為方波，幅值為。在電路圖6.3中，功率管vf截止時，vd1導通。但當vf導通時，極性反轉(zhuǎn)。由于二極管的反向恢復特性，vd1不能立即截止，而是在電容、vd1和原邊繞組回路中激起一個很大的電流尖峰。vd1反向恢復前期等效電路如圖6.7所示。其中為次級繞線電阻，引線電阻及二極管導通電阻之和；為變壓器漏感和引線電感之和；為副邊濾波電容。 圖6.6二極管等效電路 圖6.7副邊等效電路 由于電容c很大，可以

7、看作恒壓源，根據(jù)等效電路可得公式（6-7），由此可以看出在很短的時間內(nèi)會發(fā)生很大的尖峰電流。 (6-7)2、實驗中遇到的問題及解決方法在調(diào)試開關(guān)電源時，遇到過這樣的問題。電源在輕載時，輸出電壓正常，但是一旦帶大負載時，快恢復二極管fr107很快發(fā)熱并燒掉。分析原因，應(yīng)該是二極管反向恢復時間引起的尖峰電流造成的。有兩種簡單的解決途徑：可以減小開關(guān)頻率；或者使用超快恢復二極管。6.2.5 高頻變壓器的繞制及磁路中的氣隙設(shè)計高頻變壓器兼有儲能、隔離、限流的作用。磁芯大小，原邊電感、氣隙大小、原邊繞組的匝數(shù)的選擇互相影響，設(shè)計好變壓器是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵，電源的性能和功率管工作狀態(tài)的優(yōu)劣很大程度上取決

8、于變壓器的設(shè)計。1、變壓器中氣隙的作用從圖6.8可以看出,雖然b/h回線的導磁率是隨氣隙的大小而變化的,但有無氣隙時磁芯的飽和磁感應(yīng)強度是一樣的.有氣隙時,磁場強度h明顯增大,而剩余磁感應(yīng)強度則明顯減小,這對反激變換器是十分有利的。圖6.8 有無氣隙時鐵氧體變壓器磁滯回環(huán)有氣隙時，b-h特性斜率減小，特性曲線向橫軸靠攏，如果在沒有氣隙時一個直流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為，那么在有氣隙時要加比大得多的才能產(chǎn)生。氣隙對防止磁芯飽和是十分有效的。變壓器-扼流圈鐵芯的磁通只在磁滯回線的第一象限工作，或者說電流和磁通不會向負的方向轉(zhuǎn)換。要使磁芯不飽和，在選擇時要保證在任何時候都要滿足： (6-8)為剩余磁感應(yīng)強度，為運行時最大磁感應(yīng)強度，為飽和磁感應(yīng)強度。2、變壓器參數(shù)計算計算導通時間 開關(guān)管的最大導通時間應(yīng)該發(fā)生在輸入電壓最低負載最大時，設(shè)工作頻率為30khz，占空比為0.3。則=10。 計算 所選取的鐵心材料在時的飽和磁感應(yīng)強度為360mt。當工作在30khz時，取。 計算變壓器的原邊匝數(shù) 原邊匝數(shù)可用下式計算： (6-9) 式中：為原邊匝數(shù)；為原邊直流電壓；為磁芯有效面積。對于所選的鐵心