單端正激式開關(guān)電源-主電路的設(shè)計(jì)

1、摘要：電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠工作。目前，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。本設(shè)計(jì)的單端正激式開關(guān)電源是一種間接直流變流技術(shù)，本設(shè)計(jì)以正激電路為主體，采用以TOPSwitch系列開關(guān)電源集成芯片TOP244Y為核心的脈寬調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)交-直-交-直變流，輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的直流電。關(guān)鍵詞開關(guān)電源；正激電路；變壓器；脈寬調(diào)制；ABSTRACTPowerisanindispensablepartofelectronicequipment,itsperf

2、ormancedirectlyrelatedtoelectronicequipmenttechnicalindicatorsandsafeworkcan.Atpresent,switchingpowersupplyforhastheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,lowcalorificvalueandstableperformanceadvantagesandreplacetraditionaltechnologyofphasedmanostat,andwidelyusedinelectronicequipment.Thede

3、signofthesinglestraightseparate-excitedswitchingpowersupplyisakindofindirectdcconvertertechnology,thisdesignwasadoptedforthemaincircuit,inducedbyTOPSwitchseriesofswitchpowerintegrationchipTOP244Yasthecoreofthepulsewidthmodulationcircuitimplementationdeliveredstraightinto-thevoltageoutputvariableflow

4、straight,dcfrequencystability.KEYWORDSSwitchingpowersupply；Isinducedcircuit；Transformer；Pulsewidthmodulation目錄前言11.開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢(shì)21.1開關(guān)電源的發(fā)展歷史31.2開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)32.開關(guān)電源概念及基本原理42.1開關(guān)電源概念52.1.1基本概念52.1.2開關(guān)電源通常由六大部分組成52.2開關(guān)電源各部分電路基本原理52.2.1脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理52.2.2TOPSwitchGX系列TOP244Y芯片62.2.3單相二極管整流橋72.2.4緩沖電路（吸收電路）8

5、2.2.5正激電路92.2.6開關(guān)電源中的濾波電路113.開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)133.1確定磁心的尺寸133.2正激式變壓器的設(shè)計(jì)153.2.1變壓器匝數(shù)比的確定163.3變壓器的繞線技術(shù)173.3.1繞組符合安全規(guī)程173.3.2低漏感的繞制方法183.3.3變壓器緊密耦合的繞制方法194.單端正激式開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)224.1輸入電路設(shè)計(jì)224.2正激電路的設(shè)計(jì)224.2.1復(fù)位電路224.2.2導(dǎo)向電路和續(xù)流電路234.2.3抑制阻尼振蕩電路234.3正激變壓器設(shè)計(jì)234.4輸出電路的設(shè)計(jì)235.實(shí)驗(yàn)結(jié)果245.1空載試驗(yàn)245.2帶金屬負(fù)載試驗(yàn)254）TOPSwitch漏源極之間電壓U

6、ds波形為255.3試驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題及解決25結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)27-LX.1前言本課題主要是研究基于TOPSwitchGX系列芯片TOP244Y構(gòu)成的，以脈寬調(diào)制PWM為控制方式的高頻單端正激式開關(guān)電源。本人負(fù)責(zé)主電路的設(shè)計(jì)。電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及能否安全可靠工作。目前，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。本設(shè)計(jì)的主要目的是將電網(wǎng)電壓（市電），經(jīng)濾波后進(jìn)入單相二極管整流橋，再經(jīng)大電容濾波得到直流高壓，通過PWM控制，在正激變換器的變壓器二次側(cè)

7、得到高頻矩形波電壓，再經(jīng)濾波得到平穩(wěn)的直流輸出；輸出電壓為12V,輸出功率約為30W。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求和給定的條件，分析單端正激式開關(guān)電源是由哪幾部分電路組成，主電路包括哪些部分。在大量查閱了有關(guān)開關(guān)電源資料上的基礎(chǔ)之上選擇相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)。在主電路的設(shè)計(jì)過程中，主要克服的難點(diǎn)是正激式變化器的設(shè)計(jì)和電路中元器件參數(shù)計(jì)算，尤其是變壓器的磁心尺寸選取、變壓器的繞制方法?；诶碚撍胶蜁r(shí)間的局限，并請(qǐng)教指導(dǎo)老師、已畢業(yè)在外從事開關(guān)電源研究開發(fā)的師兄，在本設(shè)計(jì)中有些元器件參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法。1.開關(guān)電源的發(fā)展及趨勢(shì)1.1開關(guān)電源的發(fā)展歷史開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。早期產(chǎn)品的開關(guān)頻率很低，成本昂貴，

8、僅用于衛(wèi)星電源等少數(shù)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)過晶閘管相位控制式開關(guān)電源，70年代由分立元件制成的各種開關(guān)電源，均因效率不夠高、開關(guān)頻率低、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy而難于推廣，使之應(yīng)受到限制。70年代后期以來，隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步，各種開關(guān)電源專用芯片大量面世，這種新型節(jié)能電源才重獲發(fā)展。目前，開關(guān)頻率已從20KHz左右提高到幾百千赫茲至幾兆赫茲。與此同時(shí)，供開關(guān)電源使用的元器件也獲得長(zhǎng)足發(fā)展。MOS功率開關(guān)管（MOSFET）肖特基二極管（SRD）、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）、壓敏電阻器（VSR）、熔斷器電阻器（FR）自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（RF）線性光耦合器、可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器（TL431）、電

9、磁干擾濾波器（EMIFilter）、高導(dǎo)磁率磁性材料等一大批新型器件、新材料正在被廣泛采用。所以這些，都為開關(guān)電源的推廣與普及提供了必要條件1。1.2開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用予以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備中。而隨著近些年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(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）高頻化開關(guān)頻率的提高有利于開關(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)，開關(guān)頻率漸漸地提高。在這個(gè)過程中，IGBT的出現(xiàn)，使得開關(guān)電源的容

10、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的開關(guān)速度很高，通態(tài)壓降低。但是，隨著開關(guān)頻率的提高，電源的電磁干擾問題也變得突出起來。如何在提高開關(guān)頻率的情況下，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題。非隔離DC/DC技術(shù)近年來，非隔離IX；/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)部含有功率開關(guān)元件，稱DC/IX；轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(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

11、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、一12V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，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC。(3)數(shù)字化高頻開關(guān)電源的另一發(fā)展趨勢(shì)是數(shù)字化。過去在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。隨著數(shù)字處理

12、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DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM和PFC的數(shù)字式控制。因此，數(shù)字化是除了上述的三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)之外，開關(guān)電源同一些新興技術(shù)結(jié)合方面的內(nèi)容也成為大家研究的方向，比如軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、低輸出電壓技術(shù)、設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)、模塊化技術(shù)等2。2.開關(guān)電源概念及基本

13、原理2.1開關(guān)電源概念2.1.1基本概念凡是用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另外一形態(tài)的主電路叫做開關(guān)變換器電路；在轉(zhuǎn)變時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源。開關(guān)電源是進(jìn)行AC/DC、DC/DC、DC/AC功率變換的裝置。這些變換由主回路和控制回路兩大部分完成。主回路將輸入的交流電傳遞給負(fù)載，它決定開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式，變換要求，功率大小，負(fù)載能力等?？刂苹芈钒摧斎?、輸出的條件來檢測(cè)、控制回路的工作狀況。2.1.2開關(guān)電源通常由六大部分組成圖2-1開關(guān)電源工作原理框圖2.2開關(guān)電源各部分電路基本原理2.2.1脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基

14、本原理如圖2-2所示。交流220V輸入電壓經(jīng)過整流濾波后變成直流電壓yl,再由功率開關(guān)管VT（或MOSFET）斬波、高頻變壓器T降壓，得到高頻矩形波電壓，最后通過輸出整流濾波器VD、C2,獲得所需要的直流輸出電壓Uo脈寬調(diào)制器是這類開關(guān)電源的核心，它能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)，來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低,達(dá)到耪壓目的。鋸齒波發(fā)牛器提供時(shí)鐘信早。利用誤勞放大器和PWM比較器構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。假如由于某種原因致使Uo下降，脈寬調(diào)制器就改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度，亦即改變占空比D,使斬波后的平均值電壓升高，導(dǎo)致Uo升高。反之亦然。圖2-2脈寬調(diào)制式開關(guān)電源的基本原理2.2

15、.2TOPSwitchGX系列TOP244Y芯片TOPSwitchGX的引腳排列如圖2-3所示。封裝有6個(gè)引山端，它們分別是控制端C,線路檢測(cè)端L,極限電流設(shè)定端X,源極S,開關(guān)頻率選擇端F，漏極D。利用線路檢測(cè)端(L)可實(shí)現(xiàn)5種功能：過電壓(OV)保護(hù)；欠電壓(uv)保護(hù);電壓前饋(當(dāng)電網(wǎng)電壓過低時(shí)用來降低最大占空比)；遠(yuǎn)程通/斷(ON/OFF)和同步。而利用極限電流設(shè)定瑞(X)，可從外部設(shè)定芯片的極限電流。圖2-3TOPSwitchGX的引腳排列圖223單相二極管整流橋當(dāng)輸入電壓U2為交流電時(shí)，經(jīng)二極管整流橋之后即可得到脈動(dòng)連續(xù)的直流電源Uo，如所示圖2-3和圖2-4為單相橋式整流電路接電

16、阻負(fù)載時(shí)的電路和波形。VD丕5/?.0-+4-T圖2-3單相橋式整流電路（電阻負(fù)載）2云2n53圖2-4單相橋式整流電路電阻負(fù)載波形2.2.4緩沖電路（吸收電路）緩沖電路又稱吸收電路。其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過壓、du/dt、或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di/dt，減小開通損耗。另一種分類方法：緩沖電路中儲(chǔ)能元件能量如果消耗在其吸收電阻上，則稱其為耗能式緩沖電

17、路；如果緩沖電能將其儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源，則稱其為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路。如無特別說明，通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，而將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。圖3-5給出的是一種緩沖電路和di/dt抑制電路的電路圖和開關(guān)過程集電極電壓Uce和集電極電流ic的波形，其中虛線表示無di/dt抑制電路和緩沖電路時(shí)的波形。圖2-5di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形2.2.5正激電路正激電路包含多種不同的拓?fù)?，典型的開關(guān)正激及其工作波形分別如圖2-6和圖2-728圖2-6正激電路的原理圖圖2-7正激電路的理想化波形一、正激電路的工作過程圖2-6中開關(guān)S開通后，變壓器繞

18、組W1兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的W2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VD1處于通態(tài)，VD2為斷態(tài)，電感L的電流逐漸增長(zhǎng)；S關(guān)斷后，電感L通過VD2續(xù)流，VD1關(guān)斷。變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源，所以S關(guān)斷后承受的電壓為u二(1+i)U(2.1)SNi'3二、變壓器的磁心復(fù)位圖2-6中開關(guān)S開通后，變壓器的激磁電流由零開始，隨時(shí)間線性的增長(zhǎng)，直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和，必須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的時(shí)間內(nèi)降回零，這一過程稱為變壓器的磁心復(fù)位。在正激電路中，變壓器的繞組W3和二極管VD3組成復(fù)位電路。工作原理是開關(guān)S關(guān)斷后，變壓器勵(lì)磁電流通過W

19、3繞組和VD3留回電源，并逐漸線性的下降為零。變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為(2.2)Nt11rstNon3如圖2-8和圖2-9所示為磁心復(fù)位過程圖2-8H圖2-9正激式變壓器輸出電壓UNt1）輸出濾波電感電流連續(xù)的情況下有u=nt（2.3）i1N2）輸出電感電流不連續(xù)時(shí)有U二2U.（2.4）N12.2.6開關(guān)電源中的濾波電路1在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸出直流電壓的濾波電路，和其他形式的電電源中的濾波電路沒什么大的區(qū)別，也是由電容器、電感器和二極管等電子元件所組成的，由電子元件組成的濾波電路，叫做“濾波器”。一、電容濾波電路電容濾波電路如圖2-10所示(a)電路浪涌屯流(b)電壓、電流波形圖2-10橋式整流

20、電容濾波電路整流電路接入濾波電容后，不僅使輸出電壓變得平滑、紋波顯著減小，同時(shí)輸出電壓的平均值也增大了。輸出電壓的平均值近似為:Uool.U2(2.5)二、DLC型濾波電路DLC型濾波電路的負(fù)載特性比較好，即外特性比較硬。在脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸出直流電壓的濾波器，必須使用DLC型濾波器。圖2-11是DLC型濾波電路在Zeta斬波電路中的應(yīng)用。圖2-11Zeta斬波電路中的DLC型濾波電路在脈寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源中，輸出直流電壓Vo的濾波器如果使用CLC型，其輸出直流電壓Vo的高低，不受脈沖寬度變化控制，因?yàn)檩敵鲋绷麟妷篤o高低不會(huì)有所改變，沒有穩(wěn)壓作用。當(dāng)使用DLC型的濾波電路，它輸出的電壓V

21、o是輸入矩形波峰值電壓Vi的平均值，這樣脈沖寬度變化時(shí)，才能控制輸出直流電壓Vo的改變和電壓的穩(wěn)定。3. 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)3.1確定磁心的尺寸對(duì)于某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合來說，選擇磁心尺寸要考慮五個(gè)主要因數(shù):因數(shù)：影響的參數(shù)輸出功率Ae（磁心橫截面積）磁通是雙限的，還是單限的Ae（磁心橫截面積）輸入電壓Ae（磁心窗口面積）繞組數(shù)目Ae（磁心窗口面積）繞線方式Ae（磁心窗口面積）每個(gè)制造廠商都用自己不同的方法來確定磁心尺寸。有些是用圖表的方法，有些只是簡(jiǎn)單地說明在特定的應(yīng)用場(chǎng)合下各種磁心可以傳遞能量，還有些是用含義模糊的是式子來說明，這些式子采用不同的工程單位，會(huì)使人困惑。下面介紹估計(jì)初始磁心尺寸的兩種

22、方法。磁心尺寸選擇方法一根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，確定功率是在表4-1的哪個(gè)功率范圍內(nèi)。從符合要求的磁心制造廠商中，選擇尺寸最接近或稍大一點(diǎn)的磁心。<5<25<50<25J0JS5CI6）oocfJ.I（30）1.308）z.osi）5CIIJI哪）L觀）S（47）4c（fl>表3-1輸出功率與大致的磁心尺寸的關(guān)系確磁心尺寸選擇方法二這種方法首先假設(shè)變壓器是單繞組。每增加一個(gè)繞組并考慮安全規(guī)則要求,就需要增加繞線面積和磁心尺寸。它將綜合影響磁心的“窗口利用因數(shù)”。在確定基本的單繞組電感磁心尺寸時(shí)，可用這個(gè)窗口利用因數(shù)來調(diào)整。首先，確定單繞組電感的磁心尺寸。這可以通過式（3.1

23、）來求得。WA=0.68Pdx103式中d一一次繞組的導(dǎo)線截面積，單位為cirmil或in2；B工作時(shí)的最大磁通密度，單位為G；P電源的總輸出功率。當(dāng)用MKS（米一千克一秒）制時(shí)，使用下面公式:(3.2)0.68PdWA=outwacBfmax式中d一次繞組的導(dǎo)線截面積，單位為cm2；wB一工作時(shí)的最大磁通密度，單位為T；maxf工作頻率；P電源的總輸出功率，單位為W。out其次，要確定窗口利用因數(shù)，計(jì)算總的窗口利用因數(shù)。窗口利用因數(shù)可以從表3-2中得到。變壓器惰況窗門利用因歎反激式變壓器1.1_個(gè)二次卿MX1禹、14滿足TL或（SA標(biāo)徃法第屏蔽1.1表3-2變壓器窗口利用因數(shù)可以利用下面式子

24、把這些獨(dú)立的窗口利用因數(shù)綜合起來：K二KK（3.3）netab最后，從下面式子可以得到變壓器磁心的估計(jì)尺寸：WA'二KWA（3.3）acnetac在美國(guó)，結(jié)果是用in4來表示的，而對(duì)于一個(gè)使用公制的系統(tǒng)是用m4來表示。這兩鐘單位制的轉(zhuǎn)換如下：1m4=2.402x106in4（3.4）1in4=4.162x10-7in（3.5）有些磁心制造廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)給出了磁心參數(shù)WA，這和上面的計(jì)算公ac式是一致的。要選擇最接近或稍大一點(diǎn)的磁心。也可以根據(jù)磁心制造廠家確定磁心尺寸的方法進(jìn)行變壓器設(shè)計(jì)。其實(shí)本階段變壓器的設(shè)計(jì)只是一個(gè)粗略的估計(jì)。3.2正激式變壓器的設(shè)計(jì)正激式變壓器有兩個(gè)主要的作用：第一

25、，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電隔離；第二，升高或降低經(jīng)脈寬調(diào)制以后的交流電壓幅值。321變壓器匝數(shù)比的確定第一步，確定一次繞組需要的匝數(shù)。這時(shí)，要用到選定的磁心和磁性材料的數(shù)據(jù)手冊(cè)中查到的參數(shù)，同時(shí)，磁通密度的最低值也應(yīng)該確定下來，CGS制時(shí)，一次繞組匝數(shù)可以用下式確定：(3.6)%仙“式屮A（所用磁心的有效橫飆血積，單位為nr?!典型蹄入工作電壓，單位為命號(hào)叩最大的丄作磁通醉度，單位為G皿“曲）。第二步，根據(jù)一次繞組匝數(shù)，確定二次繞組的匝數(shù)。輸出整流器的壓降是不能忽略的，于是二次繞組匝數(shù)用下式確定：Iin%（3.8）ALP%|頊計(jì)的偷出整流器的正向壓降：嘰預(yù)先佔(zhàn)訃的最大片空比巧是比較好的上傾期的輸

26、入電圧最小值。用這個(gè)公式可以算出在預(yù)期的最小輸入電壓值下需要的二次繞組匝數(shù)。如果輸入電壓低于這個(gè)值時(shí)，調(diào)節(jié)器將失去調(diào)節(jié)作用。這樣算得的匝數(shù)通常不是整數(shù)，但大多數(shù)磁心只能繞整數(shù)匝，因此要取最接近的整數(shù)來近似。這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓誤差的增加。我們就要核對(duì)這個(gè)誤差是否會(huì)超出所設(shè)計(jì)的電源容許的范圍。比較原來每匝電壓值與取整后每匝輸出電壓，如果這些輸出電壓誤差太大，首先考慮換一種更高或者更低正向?qū)▔航档恼鳂?。如果這些輸出電壓還不滿足要求，就可以在原來的輸出繞組上增加一匝線圈,并重新計(jì)算加匝后的輸出的電壓值，同時(shí)檢查誤差是否在可以接受的范圍內(nèi)。如果這樣修改，結(jié)果仍無法接受，只好回到最開始的地方，重新增加一

27、次繞組匝數(shù),然后重新計(jì)算二次繞組匝數(shù)。下一步要考慮怎樣安排二次繞組。也就是二次側(cè)是否需要隔離，用中間抽頭還是不用中間抽頭，是否要用自耦變壓器式的二次側(cè)。在自耦變壓器中較低的電壓輸出端的繞組是共用的。3.3變壓器的繞線技術(shù)開關(guān)電源變壓器的物理繞制方法是很重要的，它會(huì)使電源性能差別很大。好的繞線方法是可以使電源性能變得非常好，反之也使電源噪聲很大，性能變差。開關(guān)電源變壓器與50/60Hz的工頻變壓器相比，設(shè)計(jì)要求更為苛刻。變壓器的繞制，主要有三個(gè)方面的因素要考慮：1）電源是否必須符合所有的安全規(guī)范。2）繞組之間耦合要好。3）所有繞組的漏感應(yīng)盡可能小。這些因數(shù)有些是相互影響的，所有需要采取折中辦法。

28、3.3.1繞組符合安全規(guī)程如果開關(guān)電源的輸入電壓峰值高于40V,就要受到一個(gè)或多個(gè)國(guó)際安全規(guī)程組織所制訂的規(guī)程約束。這些組織一般相互借鑒對(duì)方的安全規(guī)程，但設(shè)計(jì)者仍要再查看自己的產(chǎn)品所銷往的市場(chǎng)對(duì)這方面的要求。國(guó)際電工委員會(huì)IEC是這些標(biāo)準(zhǔn)的主要制訂者,其標(biāo)準(zhǔn)為歐共體的安全規(guī)程組織所采用。其余的安全規(guī)程組織，如美國(guó)UL、加拿大標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)CAS和日本的VCCI起努力，在IEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一的安全規(guī)程。這將使同一套標(biāo)準(zhǔn)在全世界范圍都可使用。但在這套協(xié)調(diào)好后的標(biāo)準(zhǔn)被采用之前，世界上各個(gè)國(guó)家的這些標(biāo)準(zhǔn)還是存在差別的。在每個(gè)國(guó)家，不同的市場(chǎng)也有不同的標(biāo)準(zhǔn)。例如，電信市場(chǎng)與病人相關(guān)的醫(yī)療市場(chǎng)就有不同的安

29、全規(guī)程要求。所以，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程開始之前，確定產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是非常重要的。市場(chǎng)的不同，也是IEC標(biāo)準(zhǔn)也努力協(xié)調(diào)的一部分。在“離線式”或輸入交流電壓90-260V的開關(guān)電源中，通常使用的磁心是E-E磁心和E-E磁芯派生出來的一些磁芯。這些磁心都有骨架，這使得它們制造比較容易。爬線距離或輸入繞組和輸出繞組表面的距離不能小于4mm。因此，在繞制變壓器時(shí)可以在骨架中繞線區(qū)的兩端放置2mm厚的絕緣帶，把繞線繞在邊沿的帶子之間。這些邊沿的帶子在絕緣的繞組之間總共增加了4mm的距離。常見的符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的變壓器如圖3-1。2肉燒琳/：況斟焜她1峯酪倉眾常圖3-1導(dǎo)線從骨架中引出的時(shí)候也要繞上絕緣帶，這也是由

30、于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定導(dǎo)線通過這4mm空間時(shí)的要求。輸入和輸出端也要有4mm的距離。3.3.2低漏感的繞制方法漏感是指沒有耦合到磁心或其他繞組的可測(cè)量的電感量。它的影響就像一個(gè)獨(dú)立的電感串接在繞組的引線上一樣。它是導(dǎo)致功率開關(guān)管漏極或集電極和輸出二極管陽極上的尖峰的原因。這是由于它的磁通無法被二次繞組所匝鏈。對(duì)于已選定的磁心和計(jì)算好的繞組，可以根據(jù)以下公式估算漏感。(3.9)式中K取3Lmt整根繞線線繞在骨架上平均每匝的長(zhǎng)度，單位為innx繞組所包含的匝數(shù)W1繞組的寬度，單位為inTins繞線的絕緣厚度，單位為inbw制作好的變壓器所有繞組的厚度，單位為in公式給出了影響繞組漏感的主要因素。變壓器設(shè)計(jì)者能

31、夠控制的主要因素是選擇磁心中柱長(zhǎng)的磁心。繞組越寬，漏感越小。一次二次耦合的好壞對(duì)一次漏感也有很大的影響。這點(diǎn)可以從把一次繞組分成兩半，二次繞組夾在中間或交錯(cuò)在中間的繞法中看出來。另外一個(gè)比較麻煩的變壓器寄生參數(shù)是線圈的匝間電容，這可以分布在整個(gè)繞組各個(gè)線圈之間的小電容來表示。一次輸入電壓較高的變壓器，繞線間的分布電容是一個(gè)問題。特別是離線式或高輸入電壓的開關(guān)電源中，這個(gè)問題就更突出了。這個(gè)寄生電容是由于同一繞組鄰近線圈的電位不同而引起的。式2表示的就是一個(gè)繞組中兩匝之間存儲(chǔ)的能量，并且這個(gè)公式說明了這些電容產(chǎn)生的原因。在開工轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)能量就以尖峰的形式釋放。九“-.i2sluwJ/、(3.1

32、0)式中S繞組之間的距離，單位為md一導(dǎo)線直徑，單位為m如果線圈一層接著一層來回繞，分布電容存儲(chǔ)的能量就很大。最后，線圈間的電壓差也很大，甚至有可能接近絕緣擊穿電壓。這會(huì)得到很糟的結(jié)果。圖3-2所示的就是三種不同的繞制方法。圖3筑吐小I聞間電容的繞戈方法El)艮撓扭法累述豳t4分JHf豎胸/并丄：隹、(.W1如圖3-2這些減小分布電容的繞制方法可以極大地減小導(dǎo)線間的絕緣壓力，減小了相鄰線圈間由于絕緣被擊穿而產(chǎn)生電弧的可能性。本設(shè)計(jì)所采用的是三明治繞法，所謂三明治繞法是指繞組先繞一半，再繞另一繞組，繞完第二個(gè)繞組后把前面?zhèn)€繞組剩下的再繞完，即一組線圈內(nèi)外都有包住另一組線圈。這種繞法可以減少漏感。

33、3.3.3變壓器緊密耦合的繞制方法一次與二次，二次與二次繞組的緊密耦合，是變壓器設(shè)計(jì)者最理想的目標(biāo)。F面有幾種緊密耦合的繞法:一，絞合繞法這種方法是通過一對(duì)絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合。就是把兩根或更多的導(dǎo)線絞合在一起，然后把它們同時(shí)繞到骨架上。絞得太緊，容易損壞絕緣層。這種方法保證所有的線繞在相鄰近的位置，所有可以提供最好的耦合效果。即使繞組的匝數(shù)不一樣，繞組只有部分是絞合在一起的，這種方法也有助于提高繞組間的耦合因數(shù)。二，多線繞組法這種繞線技術(shù)就是把兩根或多根導(dǎo)線放在一起同時(shí)繞，不過并沒有把這些導(dǎo)線絞合在一起。大部分時(shí)候是把它們緊挨在一起的。當(dāng)然，如果一次電壓峰值高于40V時(shí)，不能用多線繞

34、組或絞合繞組的繞制方法來同時(shí)繞一次和二次繞組。輸入電壓低于AC206V時(shí)，安全規(guī)程機(jī)構(gòu)要求一次、二次繞組之間放三層1mil的聚酯薄膜。這會(huì)破壞這兩個(gè)繞組間的耦合。為了提高一次、二次繞組之間的耦合，可以把這兩個(gè)繞組交叉在一起（見圖4-1）。這種繞法比起只是簡(jiǎn)單地把二次繞組繞在一次繞組上的繞法，所花的勞動(dòng)量更大。因此，在一次、二次繞組匝數(shù)比超過15-20:1時(shí)候，推薦使用這種交錯(cuò)繞法。這就包括輸入電壓為AC240V或比這高而輸出電壓不高于DC+5V的電源。從圖4-3就可以看出，交叉繞法在輸入電壓AC480V的離線反激式電路中的效果。文贈(zèng)制）脫注組:辦:盞亂W3-27在海熾反激A變換辭中交更繞制方法

35、X械形的般響弊蝕峰的幅値和柱個(gè)振窗的程股）圖3-3從這兩張波形圖中，容易看出它們之間的尖峰能量的區(qū)別。通常這些能量消耗在一次側(cè)的鉗位或吸收電路中。采用上述變壓器繞線技術(shù)，盡管會(huì)增加變壓器的成本，但是效果比較好，可以提高整個(gè)電源的性能。對(duì)于整個(gè)電源的長(zhǎng)期運(yùn)行來說，可以節(jié)省資金。4. 單端正激式開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)好的單端正激式開關(guān)電源電路如圖4-12XM1：15J4KFV47L.£1222DL.-2WDOP244YiN4DO7XSGSDR922X2M.'RTISfk-522MVIAD5羽DTnnTT-JN1nzMNrCIOI皿I蝦NpZiav山5(5NnfltlP丄£

36、;F匸1丄ikT3D12VZ1-EDI守L-N3圖4-14.1輸入電路設(shè)計(jì)輸入電路主要包括保險(xiǎn)絲F1、一次整流和低通濾波兩部分組成。一次整流部分采用單相橋式整流電路，選用的元器件為二極管，如圖所示為D5、D7、D8、D10。此四個(gè)二極管集成于整流橋，如4-2所示。4.2正激電路的設(shè)計(jì)正激電路部分主要由變壓器T1,二極管D3,D4,D6,變壓器T2的一次繞組（相當(dāng)于續(xù)流電感），C7,C8和C5,C6,R6,R7所連接的電路構(gòu)成。構(gòu)成各種電路如下：4.2.1復(fù)位電路二極管D3,D4變壓器繞組Nr構(gòu)成復(fù)位電路，防止變壓器的激磁電感飽和。4.2.2導(dǎo)向電路和續(xù)流電路在圖4-1中，D6是有兩個(gè)彼此反向的

37、二極管串聯(lián)而成的。與變壓器同名端相連接二極管是導(dǎo)向二極管，與非同名端連接的是續(xù)流二極管，變壓器T1副邊的兩個(gè)二極管與變壓器T2次繞組可構(gòu)成TOP管開通后的二次整流電路（由二極管導(dǎo)向）和TOP管關(guān)斷后的續(xù)流電路。設(shè)計(jì)中選擇的D6型號(hào)為MBR20100。4.2.3 抑制阻尼振蕩電路如圖4-1所示，C5、R6，C6、R7相串聯(lián)，其中C5、R6相串聯(lián)后再與輸出整流管D6相并聯(lián)，此構(gòu)成的電路能夠抑制阻尼振蕩。4.3 正激變壓器設(shè)計(jì)變壓器T1主要參數(shù)和繞制方法如下：1）骨架磁心為EI33；磁心有效橫截面積Ae=1.18cmA2o2）匝數(shù)比為n=100/6，其中Np=25匝,Nr=75匝,Nm=6匝*3（6匝，每匝3股）。3）采用三明治繞法，不需要?dú)庀?。變壓器T2主要參數(shù)如下：1）骨架磁心為EI25，磁心有效橫截面積Ae=0.4cmA2。2）匝數(shù)比為n=15/12，其中N1=15匝*4（15匝，每匝4股），N2=12匝。3）一般繞法。4.4 輸出電路的設(shè)計(jì)輸出電路主要由電容C7，C8,R17和D12構(gòu)成，起到的作用如下：1）C7,C8相并聯(lián)，起到平滑濾波作用，使得輸出能夠到平滑的直流電壓。2）R17和發(fā)光二極管D12相串聯(lián)后接入電路去起到指示作用，方便于調(diào)試工作和檢查。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1空載試驗(yàn)在試驗(yàn)前，在電路的交流輸入端串聯(lián)了個(gè)40W的燈泡，這