開(kāi)關(guān)電源畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words11 開(kāi)關(guān)電源概述21.1開(kāi)關(guān)電源的定義與分類21.2開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理與組成2開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理2開(kāi)關(guān)電源的組成31.3開(kāi)關(guān)電源待解決的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)3開(kāi)關(guān)電源待解決的問(wèn)題31.3.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)42設(shè)計(jì)方案52.1本課題選題意義52.2方案的設(shè)計(jì)要求52.3選取的設(shè)計(jì)方案53反激式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)63.1高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)及主電路原理圖63.2單端反激式高頻變壓器的設(shè)計(jì)7高頻變壓器設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題7單端反激式變壓器設(shè)計(jì)83.3高頻開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)113.3.1 PWM 集成控制器的工作原理與比較11工作原理

2、12的使用特點(diǎn)143.4反饋電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)15過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路及反饋15過(guò)流保護(hù)電路及反饋153.5變壓器設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)164總結(jié)16致謝17參考文獻(xiàn)17開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生 指導(dǎo)教師 摘要：?jiǎn)味朔醇な介_(kāi)關(guān)電源具有輸出紋波小、輸出穩(wěn)定、體積小、重量輕、效率高以及具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能等許多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中。為此本論文以反激式高頻開(kāi)關(guān)電源為設(shè)計(jì)方向而展開(kāi)，對(duì)高頻變壓器的認(rèn)知及所注意的問(wèn)題，其中包括磁芯損耗、繞組損耗、溫升以及磁芯要求。高頻單端反激式變壓器是本文的中心內(nèi)容，其核心參數(shù)設(shè)計(jì)許多，具體內(nèi)容正文中有詳細(xì)介紹。其次是控制電路的設(shè)計(jì)，首先我們要

3、對(duì)PWM集成控制器原理的有所了解，在此基礎(chǔ)上保護(hù)兩種控制模式分別是電壓模式和電路模式。同時(shí)采用UC3842開(kāi)關(guān)電源集成控制器，其最大優(yōu)點(diǎn)是外接元件少，外電路裝配簡(jiǎn)單等。關(guān)鍵詞：高頻單端反激式變壓器PWM集成控制器UC3842集成控制器保護(hù)電路Switching Power Supply DesignStudent majoring inelectrical engineering and automation YinJiruiTutor KongXiangxinAbstract：Single-ended fly back switching power supply with output r

4、ipple small，stable output，small volume，light weight，high efficiency and good dynamic response performance and many other advantages， is widely used in the design of low power switching power supply. Therefore this thesis design direction for the flyback type high frequency switching power supply，the

5、 cognition of high-frequency transformer and attention problems，including magnetic core loss and winding loss and temperature rise and core requirements. High frequency single-ended flyback transformer is the core content，its core parameter design many，the concrete content of text in detail. Followe

6、d by the design of the control circuit，first we need to know something of the principle of the integrated PWM controller，on the basis of the protection of two control modes，respectively，the voltage model and circuit model. Using UC3842 switching power supply integrated controller at the same time，it

7、s biggest advantage is less external components， simple external circuit assembly， etc.Key words： High frequency single-ended fly back transformerIntegrated PWM controllerIntegration of UC3842 controllerProtection circuit 1 開(kāi)關(guān)電源概述1.1開(kāi)關(guān)電源的定義與分類開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply），因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作而得名

8、。它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管通斷的時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴(kuò)容等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、程控交換機(jī)、攝像機(jī)、VCD、電子游戲機(jī)等電子設(shè)備上。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性，因此，開(kāi)關(guān)電源將逐漸取代使用工頻變壓器的線性穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)一般分類如下：（1）按驅(qū)動(dòng)方式分，有自激式和他激式。（2）按DC/DC變換器的工作方式分：?jiǎn)味苏な胶头醇な健⑼仆焓健?/p>

9、半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。（3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。（4）按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制（PWM）式 脈沖頻率調(diào)制（PFM）式PWM與PFM混合式1.2開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理與組成1.2.1開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當(dāng)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(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)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(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半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通

10、過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。如圖1.1所示。圖1.1開(kāi)關(guān)電源的基本組成圖控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過(guò)程與線性形式的控制器很類似。也就是說(shuō)控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計(jì)成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激

11、式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。1.2.2開(kāi)關(guān)電源的組成開(kāi)關(guān)電源由以下4部分構(gòu)成：（1）主電路：從交流電網(wǎng)輸入，到直流輸出的主要電路。主要包括輸入電磁干擾濾波器、輸入整流濾波器、高頻變壓器、功率開(kāi)關(guān)管和輸出整流濾波器。（2）控制電路：包括輸出端取樣電路、反饋電路和脈寬調(diào)制器（或通斷控制電路）。（3）檢測(cè)及保護(hù)電路：檢測(cè)電路有過(guò)電流檢測(cè)、過(guò)電壓檢測(cè)、欠電壓檢測(cè)、過(guò)熱檢測(cè)等；保護(hù)電路可分為過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、箝位保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、自動(dòng)重啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、緩啟動(dòng)等多種類型。（4）其他電路：如鋸齒波發(fā)生器、偏置電路、光耦合器

12、等。1.3開(kāi)關(guān)電源待解決的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)1.3.1開(kāi)關(guān)電源待解決的問(wèn)題客觀上說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展是非?？斓模@是因?yàn)樗哂衅渌娫此鶡o(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。材料之新、用途之廣，是它快速發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α５?，它離人們的要求、應(yīng)用的價(jià)值還差得較遠(yuǎn)，體積、重量、效率、抗干擾能力、電磁兼容性以及使用的安全性都不能說(shuō)是十分完美。目前要解決的問(wèn)題有：器件問(wèn)題。電源控制集成度不高，這就是影響了電源的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)對(duì)電源的體積和效率來(lái)說(shuō)也是一個(gè)大問(wèn)題。材料問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源使用的磁芯、電解電容及整流二極管等都很笨重，也是耗能的主要根源。能源變換問(wèn)題。按照習(xí)慣，變換有這樣幾種形式：AC/DC變換、DC/AC變換以及DC

13、/DC變換等。實(shí)現(xiàn)這些變換都是以頻率為基礎(chǔ)，以改變電壓為目的，工藝復(fù)雜，控制難度大，始終難以形成大規(guī)模生產(chǎn)。軟件問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電源的軟件開(kāi)發(fā)目前只是剛剛起步，例如軟開(kāi)關(guān)，雖然它的損耗低，但難以實(shí)現(xiàn)高頻化和小型化。要做到“軟開(kāi)關(guān)”并實(shí)現(xiàn)程序化，更是有一定的困難。要真正做到功率轉(zhuǎn)換、功率因素改善、全程自動(dòng)檢測(cè)控制實(shí)現(xiàn)軟件操作，目前還存在很大差距。生產(chǎn)工藝問(wèn)題。往往在實(shí)驗(yàn)室中能達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但在生產(chǎn)上會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。這些問(wèn)題大多是焊接問(wèn)題和元器件技術(shù)性能問(wèn)題，還有生產(chǎn)工藝上得檢測(cè)、老化、粘結(jié)、環(huán)境等方面的因素。沒(méi)有先進(jìn)的工藝設(shè)備，怎能生產(chǎn)出一流的產(chǎn)品？1.3.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)目前，開(kāi)關(guān)電源以

14、小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中。而隨著近些年來(lái)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速的發(fā)展，具體的發(fā)展趨勢(shì)可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：（1）高頻化開(kāi)關(guān)頻率的提高有利于開(kāi)關(guān)電源的體積減小，重量減輕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。早期開(kāi)關(guān)電源的頻率僅為幾千赫茲，隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進(jìn)，開(kāi)關(guān)頻率漸漸地提高。在這個(gè)過(guò)程中，IGBT的出現(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)電源的容量不斷增大，在許多中等容量范圍內(nèi)，迅速取代了晶閘管相控電源。并且，IGBT的開(kāi)關(guān)速度很高，通態(tài)壓降低。但是，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，電源的電磁干擾問(wèn)題也變得突出起來(lái)。如何在提高開(kāi)關(guān)頻率的情

15、況下，最大限度的減少電磁干擾對(duì)電源的影響，是一個(gè)擺在科研工作者面前的急需解決的問(wèn)題。（2）非隔離DC/DC技術(shù)近年來(lái)，非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。它們基本上可以分成兩大類。一類在內(nèi)部含有功率開(kāi)關(guān)元件，稱DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開(kāi)關(guān)，需要外接功率MOSFET，稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉(zhuǎn)成負(fù)壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相?？刂品绞缴弦訮WM為主，少部分為PFM。目前一套電子設(shè)備或電子系

16、統(tǒng)由于負(fù)載不同，會(huì)要求電源系統(tǒng)提供多個(gè)電壓擋級(jí)。如臺(tái)式PC機(jī)就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機(jī)的+5V電壓，主機(jī)板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開(kāi)發(fā)了很多非隔離的DC/DC。（3）數(shù)字化高頻開(kāi)關(guān)電源的另一發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化。過(guò)去在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展成熟，其優(yōu)點(diǎn)明顯便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾，提高抗干擾能力、便于軟件包的調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入等。這類電源大

17、體上包括兩個(gè)部分，即硬件和軟件。其中，硬件部分包括PWM的邏輯部分、時(shí)鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動(dòng)、同步整流的檢測(cè)和處理等。而在軟件方面可以通過(guò)DSP或熱待機(jī)狀態(tài)有效調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn)，使系統(tǒng)處于最佳效率工作點(diǎn)。比如艾默生網(wǎng)絡(luò)能源公司的通信電源休眠節(jié)能技術(shù)，就是使電源系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況和系統(tǒng)當(dāng)前的工作情況，通過(guò)合理的邏輯判斷和控制，在保證系統(tǒng)冗余安全的條件下，有選擇的打開(kāi)或休眠部分模塊，使系統(tǒng)工作在最佳效率點(diǎn)，節(jié)能效率顯著。通過(guò)采用以上節(jié)能方案優(yōu)化通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可將目前業(yè)界在網(wǎng)應(yīng)用的通信電源的實(shí)際工作效率低載時(shí)提高個(gè)百分點(diǎn)，高載時(shí)提高個(gè)百分點(diǎn)，從而使站內(nèi)通信電源達(dá)到

18、直接節(jié)能與間接節(jié)能的目的。2設(shè)計(jì)方案2.1本課題選題意義本課題研究的是高頻開(kāi)關(guān)電源及其幾個(gè)研究熱點(diǎn)，符合開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向，有助于新技術(shù)在國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用。理論聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)電源的研發(fā)，可以使得理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工程中，同時(shí)也培養(yǎng)了作者的科研能力和創(chuàng)新意識(shí)。高頻開(kāi)關(guān)電源（也稱為開(kāi)關(guān)型整流器SMR）通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作，開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。2.2方案的設(shè)計(jì)要求以下是高頻開(kāi)關(guān)電源的基本功能：（1）通過(guò)MODEM和電話網(wǎng)與監(jiān)控中心通信，從通信口讀取高頻開(kāi)關(guān)電源的信息。（2）測(cè)量模塊的輸出電流和電壓、直流母線電流和電壓、電源的輸出

19、電流和電壓、電池充放電電流和電壓等。（3）控制電源的輸出電流和穩(wěn)流，控制電源的開(kāi)關(guān)機(jī)等。（4）控制高頻開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池浮充、均充方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。（5）控制硅鏈的自動(dòng)或手動(dòng)投切，保證控制母線的穩(wěn)壓精度，進(jìn)而保證微機(jī)和晶體管保護(hù)用電的可靠性，防止造成保護(hù)誤動(dòng)。（6）調(diào)節(jié)充電限流值和總輸出電流穩(wěn)流值。（7）具有本地和遠(yuǎn)程控制方式，采用密碼允許或禁止方式操作，以增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)可靠性。2.3選取的設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)控制電路形式為反激式，單端反激式電路比正激式開(kāi)關(guān)電源少用一個(gè)大儲(chǔ)能濾波電感以及一個(gè)續(xù)流二極管，因此其體積小，且成本低。此電源設(shè)計(jì)要采用的是反激式的開(kāi)關(guān)管連接方式，并且開(kāi)關(guān)電源的觸發(fā)方式是他激式。

20、設(shè)計(jì)采用了UC3842作為PWM控制電路。電源開(kāi)關(guān)頻率的選擇決定了變換器如開(kāi)關(guān)損耗、門(mén)極驅(qū)動(dòng)損耗、輸出整流管的損耗會(huì)越來(lái)越突出，對(duì)磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)的要求也會(huì)越苛刻。另外，高頻下線路的寄生參數(shù)對(duì)線路的影響程度難以預(yù)料，整個(gè)電路的穩(wěn)定性、運(yùn)行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會(huì)比較困難。開(kāi)關(guān)頻率越高，變壓器、電感器的體積越小，電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也越好。但隨著頻率的提高，諸源中，選定工作頻率為100。3反激式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)參數(shù)及主電路原理圖系統(tǒng)參數(shù)如下：電路形式：?jiǎn)味朔醇な剑唤涣麟娫矗?；開(kāi)關(guān)電源輸出電壓、電流：+5V，1A；12V，1A；+30V，1A。開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率：。主電路設(shè)計(jì)

21、圖如圖3.1所示，其中的控制芯片采用UC3842。電源的輸出電壓等級(jí)有三種：5 V、 12 V、+30V 。該電路的變換器是一個(gè)降壓型開(kāi)關(guān)電路。由單管驅(qū)動(dòng)隔離變壓器TC主繞組N1電流，C2、 R3可以提供變壓器原邊泄放通路。輸出經(jīng)整流、濾波送負(fù)載。芯片所用的電源VCC由R2從整流后電壓提供。VCC同時(shí)也作為輔助反饋繞組N3的反饋電壓。如圖3.1所示。圖3.1 UC3842 構(gòu)成的反激式開(kāi)關(guān)電源電路圖 220V 電由C1、L1濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻限流，再經(jīng)VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器Rw1 降壓后加到UC3842 的供電端（腳），為UC3842 提供啟動(dòng)電壓，電路啟動(dòng)后

22、變壓器的副繞組的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4分壓加到誤差放大器的反相輸入端腳，為UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。腳和腳外接的R6、C8決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)R7、R8分壓后驅(qū)動(dòng)MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組的能量傳遞到副邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻R10用于電流檢測(cè)，經(jīng)R9、C9濾濾后送入U(xiǎn)C3842 的腳形成電流反饋環(huán)。所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓

23、穩(wěn)定度非常高。3.2單端反激式高頻變壓器的設(shè)計(jì)3.2.1高頻變壓器設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題（1）磁芯損耗磁芯損耗取決于磁感應(yīng)增量、頻率和溫度。若不考慮溫度影響， 軟磁鐵氧體鐵芯總損耗通常由三部分構(gòu)成：磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe 和剩余損耗Pr。每種損耗產(chǎn)生的頻率范圍是不同的，鐵芯總損耗為： （3-1） 式（3-1）其中KP為鐵芯損耗系數(shù)，不考慮溫度時(shí)為常數(shù)，V為鐵心體積，f為工作頻率，B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度，m 、n 分別是工作頻率和磁感應(yīng)的指數(shù)，它們與鐵芯的材料有關(guān)，具體數(shù)值可以通過(guò)查表得到。（2）繞組損耗由于諧波的存在，繞組損耗也是變壓器損耗的重要組成部分，對(duì)變壓器來(lái)說(shuō)諧波畸變率越大，損耗也將會(huì)越大。在諧

24、波影響下，變壓器的繞組損耗將隨著諧波電流的增大而增大。由于非全相整流負(fù)荷的原因，變壓器中會(huì)存在直流分量，它會(huì)使變壓器產(chǎn)生偏磁。因此，如果考慮直流分量的影響，繞組損耗的計(jì)算公式為： （3-2） 式（3-2）中：為繞組損耗，h 為諧波次數(shù)，（1）為第h次諧波下原邊繞組的電阻， （2）為第h次諧波下副邊繞組的電阻，（1）為流過(guò)原邊繞組的諧波電流的有效值，（2）為流過(guò)副邊繞組的諧波電流的有效值。（3）溫升高頻變壓器的溫升對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和輸出功率會(huì)有影響， 而溫升與能量損耗一般成正比關(guān)系，即： （3-3）其中比例常數(shù)，即熱阻 溫升 損耗功率由上式（3-3）可知，為了降低溫升，必須減少能量的損耗。而能量

25、的損耗又直接與鐵芯損耗和繞組損耗有關(guān)，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮降低它們的損耗量。（4）磁芯要求高頻變壓器與50Hz的工頻變壓器相比，頻率提高了幾百倍，繞組匝數(shù)大大減少， 銅耗及調(diào)整率減小，但鐵芯中的損耗將隨頻率的提高大大增加。一般開(kāi)關(guān)電源中使用的鐵芯有如下要求：（1）盡可能高的磁感應(yīng)強(qiáng)度（但注意在最大輸出功率時(shí)，不能達(dá)到飽和，以免產(chǎn)生失真） ；（2）盡可能高的導(dǎo)磁率：（3）要求磁損較小：（4）要求線包加工及裝配容易：（5）磁特性隨溫度變化要小，即要求較穩(wěn)定的溫度系數(shù)。3.2.2單端反激式變壓器設(shè)計(jì)單端反激式變壓器又稱電感儲(chǔ)能式變壓器，當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)管Q1被脈寬調(diào)制（Pulse Width Modula

26、tion， PWM）脈沖信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓施加到高頻變壓器T 的原邊繞組上，在變壓器次級(jí)繞組上感應(yīng)出的電壓使整流管D1 反向偏置而阻斷，此時(shí)電源能量以磁能形式存儲(chǔ)在初級(jí)電感中；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1 截止時(shí)，原邊繞組兩端電壓極性反向，副邊繞組上的電壓極性顛倒，使D1導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量釋放給負(fù)載。如圖3.2所示。圖3.2 單端反激式變壓器工作原理圖變壓器磁芯的選擇開(kāi)關(guān)電源輸出功率：（3-4）磁芯材料選用錳-鋅鐵氧體，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為：5000Gs，相對(duì)磁導(dǎo)率：，取最大磁通密度：。當(dāng)磁芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度小于時(shí)，磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率可?。海判敬艑?dǎo)率為： （3-5）開(kāi)關(guān)電源效率取，則所需要的變壓

27、器面積乘積為： = （3-6） 式（3-6）中：窗口利用系數(shù)取0.3，繞組電流密度取3。由于骨架需要，選擇EI40磁芯，其磁芯截面積為： 窗口面積為： 磁路長(zhǎng)度： 面積乘積為： （3-7） 所以綜上計(jì)算 EI40滿足功率輸出能力要求。原邊繞組匝數(shù)的選取 原邊直流電壓范圍： 取：電源電壓最低、負(fù)載最大時(shí)，最大占空比為50%，由上可得原邊匝數(shù)： （3-8）原邊電流最大值的計(jì)算： （3-9） 各副邊繞組匝數(shù)計(jì)算： 根據(jù)原邊電流峰值，考慮損耗因素，選擇開(kāi)關(guān)管，選用大功率三極管，其，取主輸出整流管導(dǎo)通壓降，安全裕量。 （1）主輸出繞組匝數(shù)為：（匝） （3-10） 即只要主輸出繞組匝數(shù)大于上式的計(jì)算值，開(kāi)

28、關(guān)管就不會(huì)過(guò)壓。故取主輸出繞組匝數(shù)為： （2）輸出繞組匝數(shù)：考慮到輸出作為運(yùn)算放大器電源，需要較高的電壓精度，整流濾波后采用三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，故取：（匝） 其反激電壓為： （3-11） （3）+30V輸出繞組匝數(shù)： +30V輸出用于觸發(fā)電源，精度要求不高，其匝數(shù)為： （3-12） 考慮到內(nèi)阻壓降，故+30V輸出繞組取：（匝）磁路間隙計(jì)算： （3-13）原邊繞組電感計(jì)算： （3-14）各繞組線徑的計(jì)算： （1）原邊繞組：匝數(shù)73匝；額定電流選用： ，截面積；最大電流密度： （3-15） （2）主輸出繞組：匝數(shù)匝； 額定電流： 選用： ，截面積 最大電流密度： （3-16） （3）輸出繞組：匝數(shù)匝；

29、 額定電流： 選用： ，截面積： 最大電流密度： （3-17）（4）+30V輸出繞組：匝數(shù)匝額定電流： 窗口的驗(yàn)算：繞組截面積和： （3-18） ET40磁芯窗口面積為，實(shí)際窗口利用系數(shù)：（3-19）則窗口符合要求。3.3高頻開(kāi)關(guān)電源控制電路的設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號(hào)，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開(kāi)關(guān)器件的工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴(yán)重后果，使整個(gè)電源停止工作或損壞。電源的很多指標(biāo)，如穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、紋波、輸出特性等也都同控制電路相關(guān)。因此，控制電路的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)電源的性能至關(guān)重要。3.3.1 PWM 集成控制器的工作原理與比較PWM 集成控制器通常分為

30、電壓控制模式和電流控制模式。電流控制模式優(yōu)點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，補(bǔ)償及保護(hù)電路簡(jiǎn)單，增益帶寬大，易于均流及可防止偏磁等。電流控制模式又分為峰值電流模式和平均電流模式，本論文采用峰值電流控制模式。如圖3.3所示。圖3.3 電壓控制模式圖3.3 電流控制模式電壓電流兩種控制模式的工作原理如圖（1）為電壓控制模式的PWM 原理圖。由圖可以看出電壓控制模式只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法。它工作的基本原理是：當(dāng)恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器時(shí)，輸出電壓與參考電壓經(jīng)誤差放大器EA 放大后得到了一個(gè)誤差電壓信號(hào)，再與振蕩電路產(chǎn)生的固定鋸齒波電壓經(jīng)PWM 比較器COM比較，由鎖存器輸出占空比隨誤差電壓信號(hào)變化的具有

31、一定占空比的一系列脈沖。如圖（2）為峰值電流控制模式的PWM 原理圖。由圖可以看出，它在原有的電壓環(huán)上增加了電流反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制。它工作的基本原理是：輸出電壓與參考電壓經(jīng)誤差放大器EA 放大后得到一個(gè)誤差電壓信號(hào)，再與變壓器初級(jí)電感線圈中電流的采樣電壓比較，產(chǎn)生調(diào)制脈沖的寬度，由恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖，使得誤差信號(hào)對(duì)電感電流的峰值起控制作用。當(dāng)幅度達(dá)到電平時(shí)，PWM 比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)撤除，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電路逐個(gè)地檢測(cè)和調(diào)節(jié)電感電流脈沖，由此控制電源的輸出電壓。若輸入電壓下降，整流后的直流電壓下降，經(jīng)電感延遲使輸出電壓下降，經(jīng)誤差放大器延遲，電壓不變，在電

32、流環(huán)中電感的峰值電流也隨輸入電壓下降，電感電流的斜率下降，導(dǎo)致斜坡電壓推遲到達(dá) ，使PWM占空比增大，起到調(diào)整輸出電壓的作用。3.3.2UC3842工作原理UC3842是高性能固定頻率電流模式控制器，專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一種型性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場(chǎng)效應(yīng)管。其主要優(yōu)點(diǎn)是其管腳效應(yīng)少，外圍電路簡(jiǎn)單，電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%，工作頻率最高達(dá)500KHz，啟動(dòng)電流小于1mA，正常工作電流為5mA，并可利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有高溫補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測(cè)比較器、圖騰柱輸出電流、輸入和基準(zhǔn)

33、欠電壓鎖定電路以及PWM鎖存器電路。主要特點(diǎn)如下：（1）微調(diào)的振蕩器放電電流，可精確控制占空比；（2）電流模式工作到500kHZ：（3）自動(dòng)前饋補(bǔ)償；（4）鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流；（5）內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定；（6）大電流圖騰柱輸出；（7）欠壓鎖定，帶滯后。UC3842為雙列8腳單端輸出的它激式開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)集成電路，如圖3.4所示。其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準(zhǔn)電壓、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等。圖2-3 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：圖

34、3.4UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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 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。

35、的使用特點(diǎn)（1）采用單端圖騰柱式PWM脈沖輸出，輸出驅(qū)動(dòng)電流為±200，峰值可達(dá)±1 A。（2）啟動(dòng)電壓大于16 V，啟動(dòng)電流僅1即可進(jìn)入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時(shí)，工作電壓在1034 V之間，負(fù)載電流為15。超出此限制，開(kāi)關(guān)電源呈欠電壓或過(guò)電壓保護(hù)狀態(tài)，無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 （3）內(nèi)設(shè)5 V（50）基準(zhǔn)電壓源，經(jīng)21分壓后作為取樣基準(zhǔn)電壓。 （4）輸出電流為200，峰值為1A，既可驅(qū)動(dòng)雙極型三極管也可驅(qū)動(dòng)MOSFET管。若驅(qū)動(dòng)雙極型三極管，應(yīng)加入開(kāi)關(guān)管截止加速RC電路，同時(shí)將內(nèi)部振蕩器的頻率限制在40以下。若驅(qū)動(dòng)MOSFET管，振蕩頻率由外接RC電路設(shè)定，工作頻率最高可達(dá)5

36、00 。 （5）內(nèi)設(shè)過(guò)流保護(hù)輸入（腳）和誤差放大輸入（腳）兩個(gè)PWM控制端。誤差放大器輸入構(gòu)成主PWM控制系統(tǒng)，可使負(fù)載變動(dòng)在30100時(shí)輸出負(fù)載調(diào)整率在8以下，負(fù)載變動(dòng)在70100時(shí)負(fù)載調(diào)整率在3以下。 （6）過(guò)流檢測(cè)輸入端可對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行控制，直接控制每個(gè)周期的脈寬，使輸出電壓調(diào)整率達(dá)到0.01%V。如果腳電壓大于1 V或腳電壓小于1 V，PWM比較器輸出高電平使鎖存器復(fù)位，直到下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)才重新置位。利用腳和腳的電平關(guān)系，在外電路控制鎖存器的開(kāi)/閉，使鎖存器每個(gè)周期只輸出一次觸發(fā)脈沖。因此，電路的抗干擾性極強(qiáng)，開(kāi)關(guān)管不會(huì)誤觸發(fā)，提高了可靠性。 （7）內(nèi)部振蕩器的頻率由腳外接電阻與腳外

37、接電容設(shè)定。集成電路內(nèi)部基準(zhǔn)電壓通過(guò)腳引入外同步。腳和腳外接RT、 CT構(gòu)成定時(shí)電路，CT的充電與放電過(guò)程構(gòu)成一個(gè)振蕩周期，其振蕩頻率可由下式近似得出： （3-20）3.4反饋電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)3.4.1過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路及反饋圖3.5 輸出電壓反饋及保護(hù)電路啟動(dòng)后變壓器的付繞組的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4分壓加到誤差放大器的反相輸入端腳，為UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。過(guò)流保護(hù)電路及反饋如圖3.6所示。圖3.6 過(guò)流保護(hù)電路及輸出反饋過(guò)流保護(hù)電路是由R10、R9以及C9組成。R9上的電

38、壓反映了電流瞬時(shí)值，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電流時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1漏極的電流會(huì)增大，會(huì)增大，接入U(xiǎn)C3842的保護(hù)輸入端腳，當(dāng)=1V時(shí)，UC3842芯片的輸出脈沖將關(guān)斷。通過(guò)調(diào)節(jié)R10和R9的分壓比可以改變開(kāi)關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期保護(hù)比較，屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，屬于截流式保護(hù)。原邊輸出電流，UC3842輸出電流，所以三極管漏極電流 。假設(shè)，濾波電容。所以流過(guò)R9的電流： （3-21）所以： （3-22）3.5變壓器設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)（1） 首先要確定變壓器應(yīng)用的電路結(jié)構(gòu)，再采用正確的計(jì)算方法選擇最優(yōu)磁芯。（2） 在通過(guò)窗口充填系數(shù)核算磁芯窗口面積時(shí)，如果窗口的利用

39、率過(guò)大或過(guò)小都必須重新選擇磁芯，重新開(kāi)始設(shè)計(jì)。（3） 由于磁芯的磁通量越大磁芯體積越小，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可先根據(jù)窗口面積選擇最小的鐵芯體積，再根據(jù)工作頻率選擇合適的磁芯頻率和磁通量。因此，為了降低損耗要綜合上述兩個(gè)方面的因素來(lái)合理地選擇磁芯。（4） 為了減少繞組的損耗，可從如下三個(gè)方面綜合考慮：第一，要減少電路中的諧波分量； 第二, 繞組導(dǎo)線要細(xì)化； 第三，選擇合適的繞線方式。（5） 設(shè)計(jì)中要根據(jù)損耗的大小考慮溫升問(wèn)題并留有余地，以保證變壓器能夠正常工作。（6） 設(shè)計(jì)中，在最大輸出功率時(shí)，磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)達(dá)到飽和，以免在大信號(hào)時(shí)產(chǎn)生失真。（7） AP法對(duì)于已形成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的鐵氧體磁心非常

40、有效，卻不適用于目前尚無(wú)統(tǒng)一形狀及尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)的非晶及納米晶軟磁合金。因此，對(duì)于采用納米晶軟磁合金材料的變壓器，其磁心參數(shù)需采取其它設(shè)計(jì)方法。4總結(jié)忙忙碌碌了許久，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源相關(guān)知識(shí)的了解及查閱，我對(duì)其有了相當(dāng)大的知曉，首先可以確認(rèn)的是，開(kāi)關(guān)電源在我們生活中必不可少，其應(yīng)用的范圍很廣。與其相對(duì)的還有一種鐵芯變壓器電源，為此我來(lái)將開(kāi)關(guān)電源與其比較下有些什么優(yōu)點(diǎn)：一是節(jié)能。綠色電源是開(kāi)關(guān)電源中用途最為廣泛的電源，它的效率一般可達(dá)到85%，質(zhì)量好的可以達(dá)到95%甚至更高，而鐵芯變壓器的效率只有70%或者更少。最近歐盟和美國(guó)消費(fèi)者協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)一般家用電器和工業(yè)電氣設(shè)備的單機(jī)能源消耗指數(shù)大于92%。美國(guó)的“能源之星”對(duì)電子鎮(zhèn)流器、開(kāi)關(guān)電源以及家用電器的效率都制定有很仔細(xì)的、非常嚴(yán)格的規(guī)章條款。二是體積小，重量輕。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100W的鐵芯