單管反激變換器

1、 課程名稱(chēng) 開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 題目名稱(chēng) 單管反激變換器 學(xué) 院 物理與光電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 10電子科學(xué)與技術(shù)2班 學(xué) 號(hào) 3110008648 姓 名 王圳航 聯(lián)系方式指導(dǎo)教師 潘永雄 20 13 年6月9日引言開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)

2、展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，進(jìn)入80年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開(kāi)關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源，更促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線(xiàn)性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化

3、、輕便化。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在安防監(jiān)控，節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。目錄一. 設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求- 4 -二. 儲(chǔ)能變壓器及開(kāi)關(guān)管等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算- 4 -2.1確定反射電壓UOR 及鉗位電壓Uz(DD吸收回路)或Uclamp(RCD吸收回路)- 4 -2.2計(jì)算匝比- 5 -2.3計(jì)算最大占空比Dmax- 5 -2.4初級(jí)側(cè)電感斜坡中心電流（初級(jí)側(cè)等效電感平均電流）- 5 -2.5.次級(jí)側(cè)電感斜波中心電流- 6 -2.6 計(jì)算初級(jí)側(cè)電感Lp- 6 -2.7估算電感體積- 6 -2.8 計(jì)算匝數(shù)- 7 -2.9 計(jì)算輔助繞組（PWM控制芯片供電繞組）匝數(shù)- 7 -2.

4、10估算繞線(xiàn)窗口能否容納- 7 -2.11估算磁芯氣隙長(zhǎng)度- 7 -2.12估算輸入輸出電容- 7 -三.主要元器件資料- 8 -3.1 UC3842 內(nèi)部工作原理簡(jiǎn)介- 8 -3.2 PC817簡(jiǎn)介- 10 -3.3 TL431ILP原理簡(jiǎn)介- 12 -3.4 EE16磁芯- 14 -四反激變化器設(shè)計(jì)原理- 14 -4.2 振蕩電路設(shè)計(jì)- 15 -4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 16 -4.4啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)- 17 -4.5電流反饋電路設(shè)計(jì)- 18 -五 以下為所用到的元器件清單- 18 -六設(shè)計(jì)個(gè)人總結(jié)- 19 -七實(shí)物圖與PCB原理圖- 20 -八參考文獻(xiàn)- 22 -一. 設(shè)計(jì)任務(wù)和功能要求（1）

5、交流輸入電壓UAC 范圍24 36V；（2） 變換器工作在CCM模式；（3） 輸出電壓為12V,輸出電流為417mA，輸出功率為5W；（4） 效率為85%；（5） 工作頻率為150KHZ；二. 儲(chǔ)能變壓器及開(kāi)關(guān)管等關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算2.1確定反射電壓UOR 及鉗位電壓Uz(DD吸收回路)或Uclamp(RCD吸收回路) 經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到尖脈沖吸收回路消耗的功率Pz=12LlI2Uz/(Uz-Uor)f由此可見(jiàn)：鉗位電壓Uzb必須大于Uor，否則吸收回路將消耗太多的功率，影響變換器的效率，工程上Uz一般取（1.4-1.6）*Uor。顯然，在開(kāi)關(guān)管截止期間開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓Udsmax=Uinmax+

6、(1.4-1.6)*n(Uo+Ud)<Vds-30V在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，次級(jí)回路整流二極管D截止，起承受的最大電壓Udsmax=Uinmax+Uz <Vds-30V;在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間，次級(jí)回路整流二極管D截止，其承受的最大電壓Udrmax=Us+Uo <Vbr根據(jù)等效模型，匝比n=Uor/Uo+Ud,其中Ud為二極管正向壓降。可見(jiàn)，當(dāng)匝比n大時(shí)，整流二極管D承受的最大反向耐壓Udrmax小，MOS管承受的最大電壓Udsmax大；反之,當(dāng)匝比n小時(shí)，整流二極管D承受的最大反向耐壓Udrmax大、MOS管承受的最大電壓Udsmax小。因此，應(yīng)根據(jù)最大輸入電壓Uinmax、輸出電壓Uo

7、大小大致確定匝比n的范圍。 本設(shè)計(jì)最大輸入電壓 Uinmax=2×Uacmax=2×36=50.9V；使用100V耐壓MOS管，截止期間MOS管承受的最大電壓取70V（耐壓留30V余量），即TVS管耐壓 Uz=Vdsmax-Uinmax=70-50.9=19.1V； TVS管Uz一般取1.4-1.5倍的Uor,否則MOS管截止期間，DD吸收回路功耗可能太大，影響效率，如果耐壓允許，Uz可取1.6倍Vor。 Uor=Uz/1.5=19/1.5=12.7V.2.2計(jì)算匝比 假設(shè)次級(jí)整流快恢復(fù)二極管壓降Ud為0.9V，則 N=Uor/(Uo+Ud)=12.7/(12+0.9)=0

8、.984 即整流二極管D承受最大反向電壓Udmax=Uinmax/n+Uo=50.9/0.984 +12=63.88V,即選擇70V-100V耐壓快恢復(fù)二極管即可。2.3計(jì)算最大占空比Dmax由于back-boost變換器在輸入電壓最小時(shí)，電感電流峰值Ilpk最大，因此必須在輸入電壓為最小值時(shí)，設(shè)計(jì)變換器有關(guān)參數(shù)。在二極管整流、電容濾波電路中，當(dāng)濾波電容C容量適中時(shí)，最小輸入電壓Uinmax=2×1.2×Uinac-2×Uinac=2×1.2×24-2×24=24VDmax=Uor/Uor+Uinmin×n=n(Uo+Ud)

9、/n(Uo+Ud)+Uinmin×n=0.984(12+0.9)/0.984(12+0.9)+24×0.85=0.3842.4初級(jí)側(cè)電感斜坡中心電流（初級(jí)側(cè)等效電感平均電流）Ilp=Ior/(1-D)=Io/n(1-D)=0.417/0.984(1-0.384)=0.688A初級(jí)側(cè)電感峰值電流Ilpk=Ilp(1+r/2) =0.688(1+0.5/2) =0.86A為減小變壓器體積，電流紋波比r取0.5，則初級(jí)側(cè)電感電流有效值Ilpram=Iswram=Ilp D(1+r2/12) =0.688 0.384×(1+0.52/12)=0.432A在80°

10、C時(shí)，兩倍趨膚深度 2=2×7.4/ f =2×7.4/ 150×103=0.3842mm d =2 Ilpram/n××J=2 0.294/n×3.14×4.5 顯然，當(dāng)n=1時(shí)，d=0.349<2。對(duì)于初級(jí)，可用單股標(biāo)稱(chēng)直徑0.35mm、外皮直徑為0.34mm的漆包線(xiàn)繞制。 為減少導(dǎo)通損耗，所選MOS電流大于等于4倍Ilppk,即選用4A100V功率MOS管。2.5.次級(jí)側(cè)電感斜波中心電流 Ils=Io/(1-D)=0.417/(1-0.384)=0.677A 次級(jí)側(cè)電感電流有效值Ilpsk=Ils(1+r/2)=

11、0.6877(1+0.5/2)=0.846A次級(jí)側(cè)電感電流有效值Ilsms =Idram =Ils (1-D)(1+r2/12) =0.677 (1-0.384) ×(1+0.52/12) =0.537Ad=2 Ilsram/n××J= 2 0.537/n×3.14×4.5, 當(dāng)n=2時(shí)，d=0.276<2。對(duì)于次級(jí)，可用兩股標(biāo)稱(chēng)直徑0.27mm,外皮直徑為0.31mm的漆包線(xiàn)繞制。2.6 計(jì)算初級(jí)側(cè)電感LpTon=D/F=0.384/0.15=2.56us而導(dǎo)通電壓Uon=Uin-Usw=24V伏秒積 Et=Uon×Ton=6

12、1.44us則初級(jí)電感Lp=Et/(Ilp×r)=61.44/0.688×0.5=178.6uh2.7估算電感體積輸入功率 Pin=Po/n=5/0.85=5.89W。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值Bpk取0.3T（接近飽和值）時(shí)，頻率f取KHZ、輸入功率Pin單位為W時(shí)。儲(chǔ)能變壓器磁芯有效體積 Ve=0.314×Ue/B2×(2+r)2/r×Pin/f =1.712ue(mm3)Ue一般取100-300之間，當(dāng)Ue取200時(shí)，變壓器磁芯有效體積Ve=732mm3,初步考慮用EE16磁芯（PC40材質(zhì)），該磁芯體積 Ve=Ae×Le=19.2

13、15;35.0=672mm3繞線(xiàn)窗口有效面積Aw為39.85mm2,無(wú)氣隙電感系數(shù)Al=1140uh/N2。2.8 計(jì)算匝數(shù)Np =LpIlppk/AeBpk =178.6×0.86/19.2×0.3=27.2(最小匝數(shù))。Ns=Np/N=27.2/0.984=28,即Np=nNs=0.984×28=282.9 計(jì)算輔助繞組（PWM控制芯片供電繞組）匝數(shù)設(shè)輔助繞組輸出電壓為16V，則輔助繞組匝數(shù)Nss=Uo+Ud1/Uo+Ud × Ns =16+0.7/12+0.7 ×28=35。 由于輔助繞組電流輸出電流小，整流二極管可使用1N4148，因此

14、其導(dǎo)通壓降取0.7V不產(chǎn)出太大誤差。也因?yàn)槠潆娏髫?fù)載小，對(duì)繞線(xiàn)直徑?jīng)]有要求，可用小一點(diǎn)的漆包線(xiàn)繞制。2.10估算繞線(xiàn)窗口能否容納0.35mm漆包線(xiàn)外皮直徑為0.39,0.25漆包線(xiàn)外皮直徑為0.31，則繞線(xiàn)窗口利用率N×Acu/Wa=0.23<0.3肯定可以使用EE16磁芯繞線(xiàn)沒(méi)有問(wèn)題。2.11估算磁芯氣隙長(zhǎng)度在反激變換器中，為減少漏感，提高效率，磁芯氣隙不能大（盡量控制在0.1mm-2.0mm之間），因此近似認(rèn)為Ae=A, = u0A(Np2/Lp-1/Al) =4 ×3.14Ae(N2p/Lp-1/Al) ×10-4=0.11mm其中Ae取2.12估算輸

15、入輸出電容選擇輸入電容： Irms =Il×Dmax×(1-Dmax+r2/12) =0.688×0.384×(1-0.384+0.252/12) =0.347A又因?yàn)檩斎胱畲箅妷簽?1V，所以可以選擇100V耐壓470uf容量的電解電容。選擇輸出電容：紋波電流I=Voff×Ton/L =(Vo+Vd)(1-Dmax)/(Ls×f) =0.27AESR150KHZ=（I120/I150K）2×ESR120hz=(0.5/1)2×0.35=0.09因?yàn)檩敵鲭妷簽?2V，最大紋波電流為0.27A，所以根據(jù)電容參數(shù)可以選

16、擇25V耐壓470uf容量的電解電容。三.主要元器件資料3.1 UC3842 內(nèi)部工作原理簡(jiǎn)介 圖1 示出了UC3842 內(nèi)部框圖和引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；腳為公共地端；腳為推挽輸

17、出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。圖1 UC3842 內(nèi)部原理框圖 3.2 PC817簡(jiǎn)介817是常用的線(xiàn)性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當(dāng)作耦合器件，具有上下級(jí)電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器發(fā)出光線(xiàn)，照射在受光器上，受光器接受光線(xiàn)后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號(hào)（開(kāi)關(guān)信號(hào)），不適合傳輸模擬信號(hào)。線(xiàn)性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件

18、，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同,817光電耦合器不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。3.3 TL431ILP原理簡(jiǎn)介介紹: TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等主要參數(shù)三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源可編程輸出電壓:2.5V36V電壓參考誤差：±

19、0.4% ，典型值25（TL431B）低動(dòng)態(tài)輸出阻抗:0.22(典型值)穩(wěn)壓值送從2.5-36V連續(xù)可調(diào)，參考電壓原誤差+-1.0%，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值為0.22歐姆，輸出電流1.0-100毫安。低輸出電壓噪聲。最大輸入電壓為37V最大工作電流150mA內(nèi)基準(zhǔn)電壓為2.5V輸出電壓范圍為2.536VTL431的具體功能可以用圖c的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V的基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反向輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同向端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管圖1的電流將從1到10

20、0mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但可用于分析理解電路。TL431可等效為一只穩(wěn)壓二極管，其基本連接方法如下圖所示。下圖a可作2.5V基準(zhǔn)源，下圖b作可調(diào)基準(zhǔn)源，電阻R2和R3與輸出電壓的關(guān)系為U0=(1+R2/R3)2.5V3.4 EE16磁芯本設(shè)計(jì)選擇的EE16型。四反激變化器設(shè)計(jì)原理4.1工作原理簡(jiǎn)介 反激變換器本質(zhì)上屬于back-boost變換器，輸入回路與輸出回路隔離，可以升壓、也可以降壓，在100W以?xún)?nèi)隔離式開(kāi)關(guān)電源中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)輸入、輸出電壓范圍，可選擇單管反激或雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 單管反激變換器原理電路如圖所示，初級(jí)回路主要輸入濾波電容Ci、PWM控

21、制器、啟動(dòng)電路及PWM控制器供電電路、反激變壓器T主繞組Np、開(kāi)關(guān)管Q、漏感引起的尖脈沖吸收電路等部分組成；而次級(jí)回路主要由反激變壓器T、次級(jí)繞組Ns、整流二極管D、輸出濾波電容Co以及為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的輸出電壓取樣電壓取樣電路、基準(zhǔn)電壓、誤差放大、光電耦合等部分組成。4.2 振蕩電路設(shè)計(jì)UC3842的4腳和8腳構(gòu)成RC振蕩電路，可采用下面近似公式計(jì)算：F=1.8/(Ct×Rt)4.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.4啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)參數(shù)選擇：UC3842啟動(dòng)電流約為1MA，正常工作時(shí)供電電流約為30Ma。啟動(dòng)電流1MA時(shí)為使UC3842能正常啟動(dòng)，啟動(dòng)電阻應(yīng)符合：R1<Vin-Vcc/Istart=(Vin-Vcc)由上式可知。R1必須小于8k歐姆，則選擇5.1k和1k的電阻串聯(lián)，啟動(dòng)電容選擇68uf/50V的電解電容。4.5電流反饋電路設(shè)計(jì)五