開關(guān)電源課程設(shè)計.

1、目錄一、引言21.1設(shè)計背景21.2設(shè)計基本要求2二、功率開關(guān)管的選擇33、 UC3842簡介.43.1 UC3842的結(jié)構(gòu)43.2 UC3842的功能5四、變壓器設(shè)計64.1估算輸入和輸出功率64.2計算最小和最大輸入電流74.3計算脈沖信號最大占空比84.4磁芯參數(shù)確定方法85、 光耦信號傳輸電路95.1保護采樣電路95.2微機處理芯片電路95.3變頻器的控制方式選擇10六、輸出濾波電路11七、整體電路與實物.12八、心得體會14一、引言1.1設(shè)計背景開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和M

2、OSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設(shè)備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器 有雙管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），雙管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半橋式（Half-Bridge Converter）四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器

3、就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。開關(guān)電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。1.2設(shè)計基本要求（1）設(shè)計一款72V多路輸出的flyback拓撲開關(guān)電源。（2）要求： 輸入電壓：60-85V；（3）輸出：5V/1.5A；15V/1.2A；需與輸入隔離； （3）控制芯片：UC3842；二、功

4、率開關(guān)管的選擇第一步是選用N溝道還是P溝道。這是設(shè)計選擇正確器件的第一步。在典型的功率應用中，當一個場效應管接地，而負載連接到干線電壓上時，該場效應管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應采用N溝道場效應管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當場效應管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道場效應管，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。第二步是選擇場效應管的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計人員必須確保所選的場效應管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在

5、連續(xù)導通模式下，場效應管處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。第三步：確定熱要求。選擇場效應管的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在場效應管的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。第四步：決定開關(guān)性能。選擇場效應管的最后一步是決定場效應管的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、

6、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因為在每次開關(guān)時都要對它們充電。場效應管的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。場效應管開關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guān)性能的影響最大。三、UC3842簡介3.1 UC3842的結(jié)構(gòu)3.2 UC3842的功能各管腳功能簡介如下: 1腳COM是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。 2腳Vfb是反饋電壓輸入端，此腳與

7、內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。 3腳Isen是電流傳感端，在外圍電路中，在功率開關(guān)管(如VMOS管)的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當電源電壓異常時，功率開關(guān)管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率開關(guān)管。 4腳RT/CT是定時端，鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻R的公共端。 5腳GND是接地。 6腳OUT是輸出端，此腳為圖騰柱式輸出，驅(qū)動能力是±lA。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對被驅(qū)動的功率管的關(guān)斷有利，因為當三極管VTl

8、截止時，VT2導通，為功率管關(guān)斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)斷。 7腳VCC是電源。當供電電壓低于 16V時，UC3842不工作，此時耗電在1mA以下，輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓獲得，芯片工作后，輸入電壓可在+10+30V之間波動，低于+10V停止工作。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。 8腳Vref是基準電壓輸出，可輸出精確的+5V基準電壓，電流可達50mA。 四、變壓器設(shè)計4.1估算輸入和輸出功率總的輸出功率：假設(shè)效率為100%，則=25.5W4.2計算最小和最大輸入電流4.3計算脈沖信號最大占空比式中：是二次側(cè)反射電壓。在反激式開關(guān)電源中

9、，固定不變，一般取值范圍85-165V，本設(shè)計計算取=110V。為主開關(guān)導通時D、S間壓降，典型值為10V。通過計算得到：4.4磁芯參數(shù)確定方法4.4.1磁芯材料選擇開關(guān)電源中的高頻變壓器大部分采用EE或者EI型磁芯。它們的外形分別如圖所示。EE型磁芯有形狀簡單、磁芯有效面積較大、可靠性高、熱特性好、小漏感等優(yōu)點，不足的是方形截面不易饒制粗線，磁屏蔽較差。本設(shè)計中使用EE磁芯，常用EE磁芯的尺寸如表所示 EI型 EE型圖3-1磁芯材料型號圖3-2EE型磁芯的規(guī)格本文選取EE型鎳鋅鐵氧體磁芯。4.4.2磁芯尺寸的選擇確定磁芯尺寸有兩種方法，包括讀表法和計算法。其中計算法又包括幾何參數(shù)法和磁芯面積

10、乘法。本次設(shè)計使用磁芯面積乘法。其中為變壓器的視在功率，為波形系數(shù)，取=4。為磁芯的磁感密度，取=2000G=0.2T。是電流密度系數(shù)。X是常數(shù)，通常由磁芯決定，如下圖表所示。圖3-3磁芯種類表經(jīng)過與表中參數(shù)對比，與之最接近的磁芯為EE22。4.4.3變壓器繞組計算（1） 計算變壓器原邊的電感量其中Z是損耗分配因子。如果Z=1，所有的損耗都在次級邊。如果Z=0，所有的損耗都在初級邊。簡單的說，Z就是次級與總的損耗的比率。如果計算沒有給出Z的值，一般取作0.5。計算可得：uH（2） 計算初級繞組匝數(shù).8取=33匝取=17匝（3）5V輸出繞組匝數(shù)：，實取5匝15V輸出繞組匝數(shù)則取15匝。五、光耦信

11、號傳輸電路電路中采用一片TOP104Y三端單片開關(guān)電源集成電路，主輸出繞組電壓經(jīng)過二極管和電容濾波后，得到+5V電壓，二極管采用MBR340T3型40V/3A肖特基二極管，另外一個+15V輸出電流較小，故整流管選擇SF31型50V/3A超快恢復二極管。由線性光耦CNY17-2和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C構(gòu)成光耦反饋式精密開關(guān)電源。由P6KE120型瞬態(tài)電壓抑制器和UF4002型超快恢復二極管構(gòu)成漏極保護電路，能夠吸收尖峰電壓，保護芯片內(nèi)部的功率場效應管MOSFET不受損壞。六、 輸出濾波電路經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的

12、信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。由于正激式開關(guān)電源電路拓撲通過輸出濾波電感平滑了逆變器輸出電流，因此需要輸出整流濾波電容器濾除的交流分量僅為開關(guān)電源額定輸出電流的20%以下，需要電容器的性能要求不是很高；反激式開關(guān)電源要求輸出整流濾波電容器“短路”逆變器輸出電流的所有交流電流成分，因此將流過非常高的有效值電流，要求電容器具有能夠承受這個電流的能力；不僅如此，為了盡可能將

13、所有的交流電流分量“短路”要求輸出濾波電容器均由盡可能低的ESR，因此輸出整流濾波電容器將需要極低ESR的“高頻低阻”鋁電解電容器或低ESR鉭電解電容器以及陶瓷貼片電容器。選擇一般的低阻鋁電解電容器實則需要更多數(shù)量的才能滿性能要求。七、整體電路與實物8、 心得體會親手調(diào)試這樣一個開關(guān)電源，讓我對書本的理論知識有了更深的理解。從最初的原理拓撲圖，到最終實際電路圖，以主干電路，不斷進行豐富和完善，使一個正激電路逐步完善。每一次試驗都是對電力電子知識的不斷深入和探索，這樣的經(jīng)歷讓我印象深刻。還記得一開始一直沒有調(diào)試出來，先是檢查出來穩(wěn)壓管壞了，之后又發(fā)現(xiàn)變壓器繞反了，這些錯誤雖然細小，甚至很難發(fā)現(xiàn)，但對一個電路的正常運行至關(guān)重要，因此需要嚴謹?shù)嘏挪殄e誤，細心地分析每一塊電路出錯的地方，我相信這才是此次課程