單端反激式開關(guān)電源課程設(shè)計(jì)

1、多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì) 系別：電氣工程與自動(dòng)化 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)：多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)摘 要開關(guān)電源是一種采用PWM等技術(shù)控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，它廣泛應(yīng)用于交直流或直直流電能變換中，通常稱其為開關(guān)電源（Switched Mode Power Supply-SMPS）其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦不等，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。開關(guān)電源因其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，被譽(yù)為高效節(jié)能電源，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)通用的多路輸出的反激式開關(guān)電源，電源取自220V市電。本

2、題目設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是采用全控型電力電子器件MOSFET作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整輸出電壓，主控制芯片采用UC3844實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用PC817、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合作為反饋電路，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能。系統(tǒng)工作頻率為50kHz，輸出7路隔離的電壓。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，反激式變換器，高頻變壓器，UC3844 AbstractSwitching power supply using the PWM, control switch circuit of the power conversion device, it is widely use

3、d in AC to DC or DC to DC can transform, usually called the switching power supply (Switched Mode Power Supply-S MPS) power from zeroranging from a few watts to tens of kilowatts,is widely used in various fields of life, production, research, and military.The switching power supply because of its sm

4、all size, light weight,high efficiency, stable performance and other advantages of gradually replacing traditional linear power supply, known as energy efficient power supply,has now become the leading product of the power supply.This project is to design a generic multi-output flyback switching pow

5、er supply,power supply from the 220V mains. Switching power supply design of this topic is the use of full-controlled power electronic devices MOSFET as a switch, control switch conduction time to adjust the output voltage, the main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedicated chipand compatible wi

6、th other circuit elements as a feedback circuit,voltage and current double closed loop control,the design ofswitching power supply with automatic voltage regulation function. The systemoperating frequency 50kHZ, the output voltage of 7 road isolation.Keywords: switching power supply, flyback convert

7、er, high-frequency transformer, UC38446目錄摘要II第1章 電路設(shè)計(jì)和原理51.1 開關(guān)電源的工作原理51.2 開關(guān)電源的組成5第2章 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)72.1 開關(guān)電源電路圖72.2 電壓反饋電路設(shè)計(jì)82.3 輸入啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)92.4 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)102.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)102.6 電路工作過程總結(jié)11第3章 設(shè)計(jì)總結(jié)13參考文獻(xiàn)14附 錄15 第1章 電路設(shè)計(jì)和原理1.1 開關(guān)電源的工作原理在線性電源中，功率晶體管工作在線性模式，線性電源的穩(wěn)壓是以犧牲調(diào)整管上的耐壓來維持的，因此調(diào)整管的功耗成為了線性穩(wěn)壓電源的主要損耗。與線性穩(wěn)壓電源不同

8、的是，開關(guān)電源的功率開關(guān)管工作在開關(guān)（導(dǎo)通與截至）狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率開關(guān)管上的伏安乘積總是很?。ㄔ趯?dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小）。功率器件上的伏安乘積就是功率開關(guān)管上所產(chǎn)生的損耗。不同于線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源更為有效的電壓控制方式是PWM（Pulse Width Modulation）控制方式，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，然后通過濾波電路來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。而開關(guān)電源多為對(duì)等幅脈沖進(jìn)行控制，脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸入電壓被斬成交流方波，其輸出幅值就可以通過高頻變壓器來升高或降低。通過改

9、變高頻變壓器的二次繞組個(gè)數(shù)就可以改變電壓的輸出路數(shù)。最后這些交流脈沖波形經(jīng)過整流濾波后就得到所需的直流輸出電壓。1.2 開關(guān)電源的組成圖1-1所示為開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖：圖1-1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖AC/DC轉(zhuǎn)換電路是整流濾波電路。DC/DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分，有以下幾種基本類型：buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。因設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)在主電路拓?fù)渖喜捎脝味朔醇な?。下面就?duì)這一結(jié)構(gòu)主電路進(jìn)行討論分析。第2章 系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)2.1 開關(guān)電源電路圖設(shè)計(jì)的完整開關(guān)電源電路圖如下：圖2-1 本設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路圖2.2 電壓反饋

10、電路設(shè)計(jì)考慮到控制器的安全性，一般都采用光耦隔離反饋電壓。為了減小光耦合器的漂移，二次側(cè)需要一個(gè)誤差放大器，本設(shè)計(jì)采用TL431構(gòu)成誤差放大器。對(duì)于多路輸出的電源來講，輸出端的交叉調(diào)整性能是個(gè)不可忽視的問題。若只對(duì)一路輸出進(jìn)行反饋，則當(dāng)未檢測(cè)輸出端負(fù)載變化時(shí)，被檢測(cè)的輸出端電壓波動(dòng)很小，但未檢測(cè)的輸出端電壓的變化并不能完全通過變壓器耦合到反饋端，因此不能對(duì)其有效調(diào)節(jié)，導(dǎo)致其他輸出端電壓波動(dòng)較大。多路輸出檢測(cè)通常是把上臂檢測(cè)電阻用多個(gè)并聯(lián)電阻代替，分別接到不同的輸出端。每個(gè)輸出端被檢測(cè)的電流百分比，即表示了該輸出端被調(diào)節(jié)的程度。圖2-2 電壓反饋電路2.3 輸入啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電路圖如下：圖2-3

11、 啟動(dòng)電路圖電源通過啟動(dòng)電阻給電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到UC3844的啟動(dòng)電壓門限值（+16V）時(shí)，UC3844開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由6 端輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作。隨著UC3844的啟動(dòng)，的工作也就基本結(jié)束，7腳電壓可以小于16V，余下的任務(wù)交給輸出繞組Ns12V，由輸出繞組Ns12V來為UC3844 供電，由于UC3844穩(wěn)定工作后。由于輸入電壓超過了UC3844 的工作電壓，為了避免意外，用穩(wěn)壓管限定UC3844 的輸入電壓，取的穩(wěn)定電壓為18V，可以選擇IN4746穩(wěn)壓二極管。 2.4 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)對(duì)于市電供電的開關(guān)穩(wěn)壓電源，輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)是必須的，但是相對(duì)于其他電路部分，輸

12、入整流電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于電源的可靠性和對(duì)電網(wǎng)的影響也有較大的影響。輸入整流濾波電路通常由：EMI濾波器、浪涌電壓電流抑制器、整流器和濾波電容組成。許多交流輸入的場(chǎng)合有些電源還帶有PFC功率因數(shù)校正電路，以減小電源對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。 圖2-4 輸入整流濾波電路2.5保護(hù)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保護(hù)電路包括過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠壓鎖定、尖峰沖擊電壓保護(hù)等。以下將就幾種保護(hù)電路做介紹。1輸入保護(hù)a一般在輸入端加熔絲管，這里用2A的熔絲管較為合理。b負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTCR。其特性為其阻值隨溫度升高而降低。它能有效減小電源接通瞬間，電流對(duì)電路的沖擊。這里選擇8-101NTCR，標(biāo)

13、稱阻值為10，額定電流為1A。c壓敏電阻VSR。其特點(diǎn)是，工作電壓寬，耐沖擊電流能力強(qiáng)，漏電流小，電阻溫度系數(shù)低，價(jià)格低廉，體積小。壓敏電阻對(duì)沖擊電壓有較好的鉗位作用。這里選取MY31-270/3，標(biāo)稱值220V。2、過流保護(hù)過流保護(hù)電路主要通過檢測(cè)上流過的電流并通過和濾波后，反饋回UC3844，與其內(nèi)部的1V基準(zhǔn)電壓比較，使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3844停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)MOSFET和電路的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作。3、MOSFET尖峰電壓沖擊保護(hù)由于場(chǎng)效應(yīng)管在由飽和導(dǎo)通進(jìn)入截止的瞬間，急劇變化的漏極電流會(huì)在高頻變壓器初級(jí)繞

14、組上感應(yīng)出反向電動(dòng)勢(shì)，加上變壓器漏感產(chǎn)生的浪涌尖脈沖直接加在MOSFET漏極，其峰值可達(dá)到直流輸入電壓的數(shù)倍，它們與直流輸入電壓疊加，MOSFET很容易因此擊穿。通常的做法是在MOSFET漏源級(jí)之間加二極管RC網(wǎng)絡(luò)鉗位或吸收尖峰電壓。本設(shè)計(jì)中，和，共同組成了尖峰電壓鉗位電路。以，為例，其作用是通過給充電，把尖峰電壓鉗位在安全值以下，然后通過將吸收的浪涌尖峰電壓以熱量形式釋放掉，從而保護(hù)了功率MOSFET。2.6 電路工作過程總結(jié)1、電路的啟動(dòng)過程交流市電經(jīng)過整流電路得到的直流電壓分成兩路：一路經(jīng)高頻變壓器初級(jí)繞組Np直接加到MOSFET的漏極；另一路經(jīng)啟動(dòng)電阻向C8充電，為UC3844提供啟動(dòng)

15、電壓，加到控制芯片UC3844的第7腳，當(dāng)?shù)某潆娭颠_(dá)到16V時(shí)，控制芯片啟動(dòng)工作，此過程稱為電源的“軟啟動(dòng)”。為防止沖擊電壓對(duì)UC3844造成損壞，在其第7腳和地之間加入一個(gè)18V穩(wěn)壓管。其中，8腳產(chǎn)生的5V基準(zhǔn)電壓通過對(duì)進(jìn)行充電，在第4腳上形成鋸齒波電壓信號(hào)，其頻率就是電源的工作頻率。鋸齒波信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)C3844內(nèi)部振蕩器，產(chǎn)生頻率固定的振蕩信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制和推挽式輸出級(jí)放大后，在第6腳輸出柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使MOSFET導(dǎo)通，開關(guān)電源+12V的輸出繞組，由+12V輸出電壓給UC3844提供工作電壓。Error! Reference source not found.2、開關(guān)電源儲(chǔ)能過程當(dāng)MOSF

16、ET導(dǎo)通以后，直流電壓經(jīng)高頻變壓器的初級(jí)繞組、MOSFET的漏極源極、電流檢測(cè)電阻、地電流回路，在初級(jí)繞組上產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)同名端的定義，變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為負(fù)，輸出整流二極管均反偏截止，高頻變壓器將電能以磁能的形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組之中，這樣便完成了儲(chǔ)能過程。3、開關(guān)電源釋能過程當(dāng)UC3844鎖存器翻轉(zhuǎn)，6管腳輸出脈沖停止，MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂＿@時(shí)，變壓器初級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓變?yōu)橄抡县?fù)，次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為正向電壓，輸出整流二極管導(dǎo)通，初級(jí)繞組將存儲(chǔ)的能量釋放，傳遞到次級(jí)繞組中，經(jīng)整流濾波電路，得到需要的輸出電壓。在UC3844的控制下，周而復(fù)始的重復(fù)

17、上述過程，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換傳輸。4、開關(guān)電源穩(wěn)壓過程一路+5V、+12V、+24V輸出電壓經(jīng)、分壓后與TL431的基準(zhǔn)電壓值2.5V進(jìn)行比較，與輸出電壓的變化產(chǎn)生誤差電壓，并通過光耦PC817把誤差傳遞給UC3844，由UC3844控制MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓得到的采樣電壓也升高，流過PC817發(fā)光二極管的電流增大，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增大，光電三極管導(dǎo)通程度加深，集射極電壓減小，UC3844的6腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比減小，于是輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。當(dāng)開關(guān)電源輸出的電壓下降時(shí)，上述控制過程正好相反。15第3章 設(shè)計(jì)總結(jié)本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)多路輸出

18、單端反激式開關(guān)電源，主要工作概括如下：了解了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)了目前廣泛使用的幾種拓?fù)漕愋?，主要?duì)反激式拓?fù)溥M(jìn)行了分析研究。采用UC3844作為控制芯片，充分使用了UC3844電壓電流雙閉環(huán)反饋功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓保護(hù)與調(diào)節(jié)。由于UC3844的功能高度集成，其性能優(yōu)良、管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為本課題設(shè)計(jì)降低了難度。由UC3844構(gòu)成的開關(guān)電源控制性能好，功能完善，可靠性高。電壓采樣及反饋電路由光電耦合器PC817、三端可調(diào)穩(wěn)壓管TL431組成。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外接元件少，負(fù)載調(diào)整率好，具有良好的穩(wěn)壓效果。并采用多路反饋，控制更加有效，可以適用于各種負(fù)載。本設(shè)計(jì)采用單個(gè)高頻變壓器完成7路電壓輸出，由于本設(shè)計(jì)是基于單端反激式變換器結(jié)構(gòu)，因此電源的容量取決于高頻變壓器的性能。由于高頻變壓器的設(shè)計(jì)是比較困難的，因此可以采用多個(gè)變壓器分擔(dān)不同輸出，將功