開關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)說明

1、 .PAGE34 / NUMPAGES37開關(guān)電源變換器畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要本論文設(shè)計(jì)部分分為四部分：首先對(duì)開關(guān)變換器進(jìn)行了概述，敘述了電力電子技術(shù)領(lǐng)域中功率變換器的發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源和直流變換器進(jìn)行了分類，概述了功率變換器的基本知識(shí)。其次論述了單端反激變換器的工作原理，分析了其三種工作狀態(tài)最后總結(jié)了單端反激變換器的優(yōu)缺點(diǎn)。接下來介紹了按照一定要求設(shè)計(jì)制作一臺(tái)200、有三路不同電壓與功率輸出的開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程，以與如何具體計(jì)算各個(gè)元計(jì)得參數(shù)。 最后簡(jiǎn)述了所設(shè)計(jì)電源的一些技術(shù)性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞: 開關(guān)變換器, 開關(guān)電源, 輸出性能,脈寬調(diào)制器,UC3842,反激式AbstractThis paper is

2、 divided into four parts of the designFirst of a switching converter overview describes the power of electronic power converter technology development, and direct current power converter to switch the classification of power converter outlined the basic knowledge.Then ends with a single anti-violent

3、 converter work theory, the analysis of its three working condition Finally summed up the advantages and disadvantages of single-anti-violent converter.Nextintroduced in the production of a certain design requirements Taiwan 200W, three different routes Voltage and power output switching power suppl

4、y design process, and how a specific calculation of the various parameters of dollars.Best designed power outlined some of the technical performance indicators.KEY WORDS:Switching Power Supply,Pulse，Width Modulation,Flyback,Switching converter,Export performance,UC3842目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l

5、 _Toc1380442801 概述 PAGEREF _Toc138044280 h 1HYPERLINK l _Toc1380442811.1 開關(guān)電源的分類 PAGEREF _Toc138044281 h 2HYPERLINK l _Toc1380442821.2直流變換器的分類 PAGEREF _Toc138044282 h 2HYPERLINK l _Toc1380442831.3基本功率變換器 PAGEREF _Toc138044283 h 3HYPERLINK l _Toc1380442841.4對(duì)直流開關(guān)電源的要求 PAGEREF _Toc138044284 h 6HYPERLI

6、NK l _Toc1380442851.5直流開關(guān)電源的發(fā)展 PAGEREF _Toc138044285 h 7HYPERLINK l _Toc1380442862 單端反激式開關(guān)電源原理 PAGEREF _Toc138044286 h 8HYPERLINK l _Toc1380442872.1 磁化電流臨界狀態(tài) PAGEREF _Toc138044287 h 9HYPERLINK l _Toc1380442882.2 磁化電流不連續(xù)狀態(tài) PAGEREF _Toc138044288 h 10HYPERLINK l _Toc1380442892.3 磁化電流連續(xù)狀態(tài) PAGEREF _Toc13

7、8044289 h 11HYPERLINK l _Toc1380442903 開關(guān)電源的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc138044290 h 14HYPERLINK l _Toc1380442913.1 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc138044291 h 14HYPERLINK l _Toc1380442923.2 電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc138044292 h 16HYPERLINK l _Toc1380442933.2.1 脈寬調(diào)制器的選擇 PAGEREF _Toc138044293 h 16HYPERLINK l _Toc1380442943.2.2 AC220V-DC2

8、8.5V主電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc138044294 h 19HYPERLINK l _Toc1380442954電路輸出性能測(cè)試 PAGEREF _Toc138044295 h 28HYPERLINK l _Toc1380442964.1 AC220V-DC28.5一路輸出性能 PAGEREF _Toc138044296 h 28HYPERLINK l _Toc1380442974.2 8V 2.5A一路輸出性能 PAGEREF _Toc138044297 h 29HYPERLINK l _Toc1380442984.3 24V/2A一路輸出性能 PAGEREF _Toc1380

9、44298 h 30HYPERLINK l _Toc1380442994.4 5V/5A一路輸出性能 PAGEREF _Toc138044299 h 31HYPERLINK l _Toc1380443005 總結(jié) PAGEREF _Toc138044300 h 33HYPERLINK l _Toc138044301致 PAGEREF _Toc138044301 h 34HYPERLINK l _Toc138044302參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc138044302 h 351 概述近年來，電力電子技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，作為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要分支，開關(guān)電源也不斷向著高效率、高可靠性、

10、低成本、小型化方向發(fā)展。開關(guān)電源領(lǐng)域的發(fā)展主要依賴于兩個(gè)方面：一個(gè)是功率器件的發(fā)展，高耐壓、大電流的高速功率器件不斷在市場(chǎng)上推出，給設(shè)計(jì)者在器件的選擇上提供了很大方便；另一個(gè)是開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展完善，控制方法的改進(jìn)，以與新型控制芯片的出現(xiàn)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開關(guān)電源已廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動(dòng)力。標(biāo)志電源特性的參數(shù)有功率、電壓、頻率、噪聲、與帶載時(shí)參數(shù)的變化等，在同一參數(shù)要求下，又有體積、重量、形態(tài)、效率、可靠性等指標(biāo)。眾所周知，要使電能的產(chǎn)生、輸送和利用達(dá)到最佳狀態(tài)，必須對(duì)電能的各

11、項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，而電力電子技術(shù) （功率變換技術(shù)）正是把電能的各項(xiàng)參數(shù) （電壓，電流，頻率，相數(shù)和相位）進(jìn)行變換的技術(shù)。它分為四大類：（1）AC/DC變換器 （整流器），是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電能變換器；（2）DC/AC變換器 （逆變器），是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電能變換器，是交流開關(guān)電源和不間斷電源UPS的主要部件；（3）DC/DC變換器 （斬波器），它是將一種直流電能轉(zhuǎn)換成另一種或多種直流電能的變換器，是直流開關(guān)電源的主要部件：（4）AC/AC變換器 （若頻率一樣稱為交流控制器，若頻率不同稱為變頻器），是將一種頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換為另一種恒定頻率或可變頻率的交流電，或是將變頻交流電直

12、接轉(zhuǎn)換為恒頻交流電的電能變換器。這四種變換器可以是單向變換的，也可以是雙向變換的。單向電能變換器只能將電能從一個(gè)方向輸入，經(jīng)變換后從另一個(gè)方向輸出，而雙向電能變換器可實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)。1.1 開關(guān)電源的分類廣義地說，凡用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一種形態(tài)的主電路都叫做開關(guān)變換器電路：轉(zhuǎn)變時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)環(huán)節(jié)的則稱為開關(guān)電源 （Switching Power Supply）。開關(guān)電源分交流和直流兩類：輸出交流的開關(guān)電源一般來說大多數(shù)作USP使用；直流開關(guān)電源包括DC/DC和AC/DC兩種，是利用功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性進(jìn)行功率的變換和調(diào)節(jié)。開關(guān)電源的調(diào)整管

13、工作在開關(guān)狀態(tài)，功率損耗小，效率可高達(dá)7095 ，穩(wěn)壓器體積小、重量輕，調(diào)整管功率損耗較小，散熱器也隨之減小。此外，開關(guān)頻率工作在幾十kHz或更高，濾波電感、電容可用較小數(shù)值的元件，允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但是，由于調(diào)整元件的控制電路比較復(fù)雜，輸出的紋波電壓較高，瞬態(tài)響應(yīng)較差，所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定限制。開關(guān)電源主要組成部分是DC/DC變換器，它類似于 “斬波”（chop）作用，用一個(gè)半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，使帶有濾波器 （L或和C）的負(fù)載線路與直流電壓一會(huì)相接，一會(huì)斷開，則負(fù)載上也得到另一個(gè)直流電壓。開關(guān)變換器可分為脈寬調(diào)制式 （Pulse Width Modulation ）頻

14、率調(diào)制式（Frequency Modulation）和調(diào)頻、調(diào)寬相結(jié)合的混合調(diào)制式，其中脈寬調(diào)制PWM變換器因工作原理簡(jiǎn)單、易于控制、穩(wěn)定性高而一直處于主導(dǎo)地位。1.2 直流變換器的分類直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。不隔離的直流變換器按所用有源功率器件的個(gè)數(shù)，可分為單管、雙管和四管三類。單管直流變換器有八種，即降壓式 （Buck）變換器、升壓式（Boost）變換器、升降壓式 （Buck-Boost）變換器、Cuk變換器、Zeta變換器、Sepic變換器、正激式 （Forward）和反激式（Flybac

15、k）等，其中降壓式和升壓式變換器是最基本的，另外幾種是從中派生的。雙管直流變換器有推挽式 （Push-pull converter）和半橋式（Half-bridge converter），四管直流變換器就是全橋直流變換器 （Full-bridge converter）有隔離的直流變換器可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，通常采用變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴(kuò)大變換器的應(yīng)用圍。變壓器的應(yīng)用還便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或多路一樣電壓的輸出。直流變換器也可分為自激式和他激式，借助于變換器本身的正反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管自持周期性開關(guān)的變換器叫做自激式變換器，他激式直流變換器中開關(guān)器件控制信號(hào)由專

16、門的控制電路產(chǎn)生。按開關(guān)管的開關(guān)條件，直流變換器可分為硬開關(guān)（Hard switching）和軟開關(guān) （Soft swltching）兩種。硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下接通或斷開電路的，因此在開通或關(guān)斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關(guān)損耗 （Swltching lose）。變換器工作狀態(tài)一定時(shí)，開關(guān)管開通或關(guān)斷一次的損耗也是一定的，因此開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。同時(shí)，開關(guān)過程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來附加損耗，因而硬開關(guān)直流變換器的開關(guān)頻率不能太高。軟開關(guān)直流變換器的開關(guān)管在開通或關(guān)斷過程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關(guān) （ZVS），

17、或是通過器件的電流為零，即零電流開關(guān) （ZCS）。這種開關(guān)方式顯著的減少了開關(guān)損耗和開關(guān)過程中激起的振蕩，可以大幅度地提高開關(guān)頻率，為變換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。1.3 基本功率變換器DC/DC變換器廣泛應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓電源以與直流電動(dòng)機(jī)的控制。圖1.1是DC/DC變換器系統(tǒng)框圖。這類變換器的輸入常是不穩(wěn)定的直流電壓，通常是由工頻電源經(jīng)整流而獲得的，因此，它隨著工頻交流電源幅值變化而波動(dòng)。采用開關(guān) DC/DC變換器把不穩(wěn)定的直流輸入電壓變?yōu)樗蠓€(wěn)定的直流輸出電壓。整理期AC電源單項(xiàng)或三相DC不穩(wěn)壓電容濾波器DC不穩(wěn)壓DC/DC變換器DC穩(wěn)壓負(fù)載電池圖1.1 DC/DC變換器系統(tǒng)框圖基本

18、DC/DC變換器有以下兩種類型：降壓型 buck）變換器；升壓型 （boost）變換器：見圖1.2圖1.2 （a）buck變換器； （）boost變換器；在DC/DC變換器中，P即使輸入電壓寫負(fù)載看瑟家雁菠藺蔽雁麗輸出電壓可控制為所期望的電壓。開關(guān)型 DC/DC變換器是采用一個(gè)或多個(gè)開關(guān)把一種直流電壓變換為另一種直流電壓。如果變換器的輸入直流電壓給定，則可以控制開關(guān)的通斷時(shí)間來控制這個(gè)直流電壓流入負(fù)載的能量。開關(guān)型 DC/DC變換器的基本電路與波形如圖 1.3所示。如果開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間設(shè)為ton，關(guān)斷時(shí)間設(shè)為tore，從波形圖中可看出，輸出的平均電壓Vo大小取決于開關(guān)的通斷時(shí)間（ton和toff）

19、。（）基本電路 （）工作波形。圖1.3開關(guān)型DC/DC變換器基本電路與工作波形控制輸出電壓基本有三種方法：（1）保持開關(guān)工作頻率不變，即Ts=ton+toff，保持恒定，控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱為脈沖寬度調(diào)制型，即PWM 型。（2）保持開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不變，改變工作頻率，稱為脈沖頻率調(diào)制型。（3）開關(guān)頻率與導(dǎo)通時(shí)間均改變的控制方式最常用的是 PWM調(diào)制型。因?yàn)椴捎妙l率調(diào)制工作方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且濾波器設(shè)計(jì)比較困難。在PWM方式中，保持開關(guān)頻率恒定，常采用控制電壓信號(hào)Vo。與重復(fù)波形比較來控制開關(guān)通斷狀態(tài)，如圖1.4所示?？刂齐妷盒盘?hào)V通常是實(shí)際輸出電壓與所期望的輸出電壓之差經(jīng)誤差放大器放大

20、的信號(hào)，重復(fù)波形通常是峰值恒定且為設(shè)定的開關(guān)工作頻率的鋸齒波，頻率圍為幾kHZ到幾百kHZ。由圖1.4（b）可知，當(dāng)控制電壓信號(hào)Vc變大，則導(dǎo)通時(shí)間變寬，而Vc變小，則導(dǎo)通時(shí)間變窄。這樣，即可改變開關(guān)時(shí)間占空比可以控制輸出電壓大小。(a)tVsVcvs導(dǎo)通導(dǎo)通關(guān)斷關(guān)斷ton toH(b)圖1.4脈寬調(diào)制方式 （PWM）(a)方框圖；（b）控制波形。1.4 對(duì)直流開關(guān)電源的要求電源是電子設(shè)備正常工作的基本部件，有很高的要求，包括使用要求和電氣性能要求。使用要：高的可靠性、好的可維修性、小的體積重量、低的價(jià)格與使用費(fèi)用和好的電器性能。減小損耗、提高效率和改善散熱條件，從而減小電源的溫度升高，是提高

21、可靠性的基本方法提高開關(guān)頻率是減小開關(guān)電源體積和重量的基本措施，因?yàn)樽儔浩骱碗姼须娙莸葍?chǔ)能濾波元件的體積和重量隨頻率的提高而減小。直流開關(guān)電源的電氣性能包括輸入特性、輸出特性、附加功能、電磁兼容性和噪聲容限。直流開關(guān)電源的輸入電源有兩種：直流輸入和交流輸入。交流輸入時(shí)，交流電壓往往要先經(jīng)過整流濾波變換成直流電壓后，再通過直流變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樗摰闹绷麟妷?。直流輸入時(shí)，必須考慮電源電壓額定值與其變化圍，輸入電流額定值與其變化圍。輸出參數(shù)有額定輸出電壓、電流、輸出電壓可變圍，輸出電流變化圍和輸出電壓的紋波。輸出電壓穩(wěn)壓精度是直流開關(guān)電源的重要技術(shù)指標(biāo)，輸入電壓的變化、負(fù)載電流的變化、工作環(huán)境溫度的變化

22、和工作時(shí)間的增長(zhǎng)都會(huì)使輸出電壓變化。穩(wěn)壓精度包括電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，電壓調(diào)整率是指當(dāng)輸出電流為整定值、電網(wǎng)電壓在規(guī)定的圍變化時(shí)，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值；負(fù)載調(diào)整率是指當(dāng)輸入電壓為整定值、負(fù)載在0-100額定電流圍變化時(shí)，輸出電壓的變化量與輸出電壓整定值的比值。附加功能應(yīng)有輸出過壓、欠壓、過流、開路、短路等保護(hù)功能，以免損壞電源本身與用電設(shè)備。1.5 直流開關(guān)電源的發(fā)展高頻化、小型化、模塊化和智能化是直流開關(guān)電源的發(fā)展方向。高頻化是小型化和模塊化的基礎(chǔ)，目前開關(guān)頻率為數(shù)百kHZ至數(shù)MHz的開關(guān)電源己有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標(biāo)，50的開關(guān)電源早己上

23、市，目前已向 120W發(fā)展。模塊化與小型化分不開，同時(shí)模塊化可顯著提高電源的可靠性和使用靈活性，簡(jiǎn)化生產(chǎn)和使用。模塊電源的并聯(lián)、串聯(lián)和級(jí)聯(lián)既便于用戶使用，也便于生產(chǎn)。智能化是便于使用和維修的基礎(chǔ)，無人值守的電源機(jī)房、航空和航天器電源系統(tǒng)等都要求智能化，以實(shí)現(xiàn)正常、故障應(yīng)急和危急情況下對(duì)電源的自動(dòng)管理 。2 單端反激式開關(guān)電源原理直流開關(guān)電源是具有直流變換器且輸出電壓恒定或按要求變化的直流電源，其輸入為直流電，也可以是交流電。直流開關(guān)電源部分或全部具有以下特征：電源電壓和負(fù)載在規(guī)定的圍變化時(shí)，輸出電壓應(yīng)保持在允許的圍或按要求變化；輸出與輸入間有好的電氣隔離；可以輸出單路或多路電壓，各路之間有電氣

24、隔離。單端反激式 （Flyback）變換器的原理如圖2.1所示。單端是指高頻變壓器的鐵心工作在B-H曲線的一側(cè)。反激是指當(dāng)開關(guān)管BG被PWM脈沖激勵(lì)而導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓U1加在高頻變壓器的原邊上，由于變壓器副邊整流二極管D2反偏，副邊上沒有電流流過，所以能量?jī)?chǔ)存在變壓器原邊的電感L1上，而輸出電壓靠電容Co的放電維持。當(dāng)BG關(guān)斷時(shí)，T副邊上的電壓極性顛倒，使BG導(dǎo)通期間儲(chǔ)存在T中的能量通過D2向負(fù)載和輸出電容Co釋放。圖2.1 單端反激式開關(guān)電源的原理電路在BG導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的磁能究竟在截止期間釋放多少？是tu正好釋放完，還是早已釋放完，還是沒有釋放完，這取決于BG截止時(shí)間toff，的大小，由此可

25、導(dǎo)出單端反激式變換器的三種工作狀態(tài)：2.1 磁化電流臨界狀態(tài)圖2.2 toff=時(shí)的電壓，電流。磁通波形當(dāng)BG 的截止時(shí)間t0和繞組N2中電流i2衰減到零所需的時(shí)間相等時(shí)，即，。為BG截止開始時(shí)副邊流過的電流值。這樣，在BG截止時(shí)間終了時(shí)，繞組N2中的電流i2正好下降到零。在下一個(gè)周期BG重新導(dǎo)通時(shí)，N1中的電流i1也從零開始，按（Vi/L1）t的規(guī)律線性上升這時(shí)磁化電流處于臨界狀態(tài)。2.2 磁化電流不連續(xù)狀態(tài)圖2.3 toff時(shí)的電壓，電流。磁通波形Flyback變換器中間采用的是偶合電感，對(duì)原邊繞組N1的自感L1來講，它的電流不可能連續(xù)，因?yàn)锽G斷開后其電流必然為零，但這時(shí)必在副邊繞組N2

26、的自感L2中引起電流，故對(duì)反激變換器來說，電流連續(xù)是指變壓器兩個(gè)繞組的合成安匝在一個(gè)開關(guān)周期中不為零，而電流不連續(xù)是指合成安匝在BG截止期間有一段時(shí)間為零。當(dāng)BG截止時(shí)間to。比繞組N2中電流I2衰減到零所需的時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，即toff(L2/Vo)I2P時(shí)，次極電流I2與變壓器磁通中在BG截止時(shí)間toff 以前便以衰減到零 （忽略剩磁）。在下一個(gè)周期BG重新導(dǎo)通時(shí)，電流I1與磁通中都從零開始按（Vi/L）t的規(guī)律線性上升。輸出電壓為：Vo=Vi由此可見，輸出電壓Vo與負(fù)載電阻RL有關(guān)，RL愈大則輸出電壓愈高，反之負(fù)載電阻愈小，則輸出電壓愈低，這是反激變換器的一個(gè)特點(diǎn)輸出電壓隨著輸入電壓的增大而增

27、大，也隨著導(dǎo)通時(shí)間的增大而增天，還隨N1繞組電感量L1的減小而增大。在BG截止期間，其集一射極 （或漏一源）間承受的電壓為：由于集一射極 （或漏一源）間承受的電壓與輸出電壓Vo有關(guān)，而 Vo還隨負(fù)載電阻的增大而增大，因此，負(fù)載開路時(shí)，容易造成管子損壞。所以在進(jìn)行開環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不應(yīng)讓負(fù)載開路，必須接入一定的負(fù)載，或者在電路中接入一個(gè)所謂的 “死負(fù)載”。2.3 磁化電流連續(xù)狀態(tài)當(dāng)BG截止時(shí)間()時(shí)，在截止時(shí)間結(jié)束時(shí)電流i2將大于零。在這種狀態(tài)下，下一個(gè)周期開始BG重新導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組的電流i1 也不會(huì)從零開始，而是從，。起按的斜率線性上升。由磁通復(fù)位原則可導(dǎo)出：其中D=為占空比。由上式可見，工作在磁

28、化電流連續(xù)的狀態(tài)下，單端反激式變換器的輸圖2.4 ()時(shí)的電壓，電流，磁通波形出電壓Vo只決定于初極與次極繞組的匝比、脈沖導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間之比以與輸入電壓V1，而和負(fù)載電阻RL無關(guān)。如果輸入電壓變化或者負(fù)載變化，只要控制導(dǎo)通比變化就可以保持輸出電壓的穩(wěn)定。單端反激式變換器是由 Buck和 Boost兩基本變換器拓?fù)浣M合演變成的，具體的說，是由在BuckBoost直流變換器中間插入隔離變壓器而得來的。它具有電路簡(jiǎn)單，所用元件少，輸出與輸入間有電氣隔離，能方便地實(shí)現(xiàn)多路輸出，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，可通過改變高頻變壓器的原、副邊繞組的匝比使占空比D保持在最佳圍從而使電源滿足穩(wěn)壓圍的要求等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，它也

29、有其一定的缺點(diǎn)，比如開關(guān)管截止期間所受反向電壓比較高 （至少兩倍的輸入電壓），導(dǎo)通期間流過開關(guān)管的峰值電流有可能超過其平均電流的兩倍以上，輸入、輸出電流皆有脈動(dòng)，紋波較大等。這些缺點(diǎn)可通過選用具有高耐壓、大電流的高速功率器件，在輸入和輸出端加濾波電路等措施加以解決。3 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)在對(duì)單端反激變換器研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并了一臺(tái)單端反激式開關(guān)電源。進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本思路和部分分析計(jì)算如下：3.1 設(shè)計(jì)要求（1）輸入條件1） 主要輸入供電電源：市電額定電壓：AC220V50Hz波動(dòng)圍：DC187V-242V 2） 備用輸入供電電源：蓄電池額定電壓：DC28.5V波動(dòng)圍：DC21V-31V （2）輸出特

30、性1）285V/6.5A直流輸出，此輸出一方面作為下面三路輸出的輸入電源，另一方面作為給備用蓄電池浮充電的電源 （充電電流小于1A）2）三路直流輸出：eq oac(,1)5V/5A；eq oac(,2)24V/2A；eq oac(,3)28V/2.5A共三組輸出。注：要求既可以在主要供電電源狀態(tài)下工作，也可在備用供電電源狀態(tài)下工作。當(dāng)交流輸入時(shí)，系統(tǒng)中三組直流輸出應(yīng)與交流220V隔離。（3） 電壓穩(wěn)定度 Sv）在輸入電壓波動(dòng)圍（在輸入20-29圍）Sv2（每一路）（4）負(fù)載穩(wěn)定度 （Si）在輸入為額定電壓 （Vin28.5），輸出電流在 10-100變化時(shí)，Si2（5）輸出紋波峰-峰值100m

31、V（5V一路）有效值5mV（6）工作方式 ：連續(xù)（7）功能要求1） 輸出過流保護(hù)：各路輸出均應(yīng)設(shè)置輸出過流保護(hù)，當(dāng)某路輸出電流大于保護(hù)電流設(shè)定值時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作，保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)不影響其它路正常工作。當(dāng)輸出電流小于保護(hù)電流設(shè)定值后，電路自動(dòng)恢復(fù)正常供電，輸出短路為過流保護(hù)的極限狀態(tài)各路輸出過流保護(hù)電流設(shè)定值 Igmi要求如下：5V檔,Igmi5.5A24V檔,Igmi2.5A28V檔,Igmi3A.2） 輸出短路保護(hù)：各路輸出均應(yīng)設(shè)置輸出短路保護(hù)，當(dāng)某路輸出處于短路時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作，保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)不影響其它電路正常工作，當(dāng)輸出電流小于保護(hù)電流設(shè)定值時(shí)，電流自動(dòng)恢復(fù)正常供電。3） 輸出

32、過壓保護(hù)：5V輸出應(yīng)設(shè)置截止式過壓保護(hù)，當(dāng)5V輸出電壓達(dá)到過壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，5V輸出應(yīng)立即截止，5V過壓保護(hù)設(shè)定值5.8士0.2V （可恢復(fù)或不可恢復(fù)都可，只5V一路設(shè)置）。3.2 電路設(shè)計(jì)3.2.1 脈寬調(diào)制器的選擇電流型脈沖寬度調(diào)制集成電路UC2842是一種高性能的、單端輸出的、固定頻率的電流型PWM 控制器，能很好地應(yīng)用在隔離式單端反激開關(guān)電源的設(shè)計(jì)以與直流一直流變換器設(shè)計(jì)之中，它最大的優(yōu)點(diǎn)是外接元件少，外電路裝配簡(jiǎn)單，成本低廉。它的部電路包括如下主要功能：可調(diào)整的充放電振蕩電路，可精確地控制占空比；采用電流型操作，并可在500kHz高頻下工作；具有自動(dòng)補(bǔ)償功能；帶鎖定的PWM，可以進(jìn)行

33、逐個(gè)脈沖的電流限制；具有部可調(diào)整的參考電源，可以進(jìn)行欠壓鎖定；采用圖騰柱輸出電路，提供大電流輸出，輸出電流可達(dá)1A；工作電流低，且能進(jìn)行低電流啟動(dòng)；可直接對(duì)雙極晶體管和MOSFETS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖3.1 UC3842PWM控制器的工作原理圖由圖3.1所示的UC3842PWM控制器的工作原理圖可知，它有兩個(gè)控制閉環(huán)回路，一個(gè)是輸出電壓Vo反饋回誤差放大器，用于同基準(zhǔn)電壓Vref比較之后產(chǎn)生誤差電壓信號(hào)：另一個(gè)是變壓器初級(jí)電感中的電流在電阻 Rs產(chǎn)生的電壓，與誤差放大器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較后產(chǎn)生調(diào)制脈沖寬度的脈沖信號(hào)。由于誤差信號(hào)實(shí)際控制著電感峰值電流的大小，故稱之為電流型脈沖寬度調(diào)制器，這種控

34、制芯片有如下特點(diǎn)：（1）具有良好的電壓調(diào)整率。這是因?yàn)檩斎腚妷篤i的變化立即反映為電感電流的變化，它不經(jīng)過任何誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度，在實(shí)際應(yīng)用中，再增加一級(jí)輸出電壓Vo至誤差放大器的控制，能使電壓調(diào)整率更好。（2）可明顯地改善負(fù)載調(diào)整率。因?yàn)檎`差放大器可專門用于控制由于負(fù)載變化造成的輸出電壓變化，特別是當(dāng)輕負(fù)載時(shí)，負(fù)載調(diào)整率降至8，2/3負(fù)載至滿載，負(fù)載調(diào)整率降至3以下。（3）誤差放大器的外電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)得到簡(jiǎn)化，穩(wěn)定度提高并改善了頻響，具有更大的增益帶寬乘積。（4）電流限制電路得到簡(jiǎn)化。由于電阻Rs上感應(yīng)出電感尖峰電流，故能自然形成逐個(gè)脈沖限制電路，只要Rs上電平達(dá)到，就立

35、刻關(guān)閉，而且這種峰值電感電流感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)可以靈敏地限制輸出的最大電流。（5）UC3842PWM控制器設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟閥值設(shè)在16V，關(guān)閉閥值設(shè)在10V。在輸入電壓Vi小于16V時(shí)，整個(gè)電路的電流消耗僅1mA，這樣，高壓可直接由輸入電阻Rin降壓后為芯片供電，而由輸入電容Cin儲(chǔ)能推動(dòng)輸出建立電壓。自饋電后整個(gè)電路的電流消耗達(dá)15mA。由于啟動(dòng)閥值電壓和關(guān)閉閥值電壓的差值僅為6V，故可以有效地防止電路在閥值電壓附近工作時(shí)的振蕩。由于啟動(dòng)電流小于1mA，所以Rin上的功耗很小。（6）UC3842的振蕩器工作頻率f由下式進(jìn)行設(shè)定： F=1.8/(RtCt)。（7）UC3842的輸出級(jí)為圖騰柱

36、式輸出電路，輸出晶體管的平均電流為土200mA，最大峰值電流可達(dá)1A，由于電路有峰值電流自我限制的功能，所以不必串入電流限制電阻（8）UC3842部設(shè)置有PWM鎖存器，加入鎖存器可以保證每個(gè)振蕩周期僅輸出一個(gè)控制脈沖，防止了噪聲干擾和功率管的超功耗。（9）UC3842的關(guān)閉技術(shù)：UC3842提供了兩種關(guān)閉技術(shù)，第一種是將腳電壓升高超過1V，引起過流保護(hù)開關(guān)關(guān)閉電路輸出；第二種是將腳電壓降到1V以下，使PWM 比較器輸出高電平，PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來，將PWM鎖存器置位，電路才能從新啟動(dòng)。(10）UC3842的輸出能給出足夠的漏電流和灌電流，所以非常適合驅(qū)動(dòng)N溝道MO

37、S功率晶體管。UC3842使用注意事項(xiàng)：圖3.2 UC3842的腳外接的濾波網(wǎng)絡(luò)i當(dāng)從開關(guān)管與地之間所接采樣電阻Rs取樣給UC3842的eq oac(,3)腳電感電流取樣檢測(cè)信號(hào)輸入端時(shí)，在開關(guān)管接通時(shí)所產(chǎn)生的電流尖峰會(huì)使UC3842部的電流檢測(cè)比較器在開關(guān)管剛一接通時(shí)就輸出高電平使觸發(fā)器復(fù)位，從而造成無占空比輸出，開關(guān)管馬上關(guān)斷，造成誤動(dòng)作，以至形成不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以有必要在取樣電阻到UC3842eq oac(,3)腳之間加一濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除電流尖峰。常用值為R=1K，C=0.001f。ii要保證電流采樣放大器的輸入信號(hào)幅度不大于Liviii振蕩頻率：R取值1k-100k,C取值大于100pfi

38、v占空比最好控制在0.5以下，否則容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，也可通過增加斜波補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法使系統(tǒng)穩(wěn)定。v在芯片供電端Vcc和參考電源Vref端分別對(duì)地接一瓷介電容，并注意布線，可免除噪聲干擾。3.2.2 AC220V-DC28.5V主電路的設(shè)計(jì)（1）原理框圖，見圖3.3浪涌電流限制與輸入濾波電路橋式整流誤差放大器電流取樣電流檢測(cè)比較器PWM調(diào)節(jié)器高頻整流與濾波器變壓器主變開關(guān)驅(qū)動(dòng)光耦合平滑濾波檢測(cè)圖3.3 AC220V-DC28.5V主電路原理框圖（2）輸入部分電路的設(shè)計(jì)輸入部分是由整流橋和輸入濾波電容構(gòu)成的。當(dāng)輸入220V，50Hz的交流電時(shí)，整流濾波后大約得到300高壓供給后面的電路作為直流輸入V

39、in。整流橋的選擇：考慮到濾波電容C中產(chǎn)生的沖擊電流，整流橋的電流耐量應(yīng)大于額定整流電流的7-10倍，故選擇7A的整流橋。如KBL07。整流后濾波電容的選擇：輸入電壓為 AC187-242V，整流濾波后的空載電壓為DC250-342V，設(shè)該電源效率為80%，交流電流頻率為50Hz，則交流電源每個(gè)周期供出的能量Ein為；Ein=5（焦耳）式中Pout為輸出功率，為效率，f為交流頻率其中Pout為整流濾波電路需要提供的功率?？紤]當(dāng)主電路輸出28.5V/5A 時(shí)，因?yàn)檩敵鲭妷簽?8.5V考慮輸出整流二極管與線路壓降，設(shè)變壓器副邊繞組輸出電壓為30V，則變壓器輸出功率Pout30V6.5A195W，取

40、Pout為200W。若考慮紋波電壓限制，應(yīng)使最小輸入交流電壓Vinmin保持200V以上。公式中，Ein為半個(gè)周期中電源供給負(fù)載的能量，即Ein=2Ein;Vpk為輸入最低交流電壓經(jīng)整流后的直流峰值電壓，Vinmin。為最低工作直流電壓值。則（uf）取Cin的標(biāo)稱值為220uf，耐壓為400v以上。（3）啟動(dòng)電阻和電容的確定在圖3.4電路中，R1為啟動(dòng)電阻，C2為啟動(dòng)電容。當(dāng)直流輸入電壓達(dá)到 250V以上時(shí)，UC3842應(yīng)啟動(dòng)開始工作，啟動(dòng)電阻應(yīng)由線路直流電壓和啟動(dòng)所需電流來確定。當(dāng)Vcc小于16V時(shí)，UC3842的整個(gè)電路僅消耗1mA電流，考慮到外圍電路消耗約為0.8mA電流， 即整個(gè)電路啟

41、動(dòng)電流總和為1.8mA。R1的取值應(yīng)為：功耗： (取為1W）啟動(dòng)完成后，UC3842的消耗電流增至100mA左右，該電流由電容C2在啟動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存的電荷量來提供。這時(shí)C2上的電壓會(huì)發(fā)生跌落，當(dāng)電容上的電壓跌落到10V以上時(shí)，UC3842仍能保持工作。L3繞組實(shí)現(xiàn)自饋電的時(shí)間Ton根據(jù)開關(guān)周期決定，一般20kHz以上都在5ms以，于是電容C2的容量可由下式確定。取標(biāo)稱值電容C2=100uf/25V（4）UC3842振蕩部分Rt和Ct的確定UC3842的振蕩器工作頻率f由下式進(jìn)行設(shè)定：其中Rt的取值圍為1k-100k；Ct的取值圍為300pf-0.1uf。本設(shè)計(jì)取Rt=56K，Ct=0.001uf則振

42、蕩周期 T34us，振蕩頻率f=33kHz（5）高頻變壓器的設(shè)計(jì)在單端反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是核心工作，設(shè)計(jì)時(shí)，要保證電源的調(diào)整率和對(duì)線圈的漏感要求，還要對(duì)高頻變壓器的外形尺寸與系統(tǒng)成本進(jìn)行整體考慮。可以在輸入電壓為 AC220V的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，得出數(shù)據(jù)后再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，主要方法是通過調(diào)整氣隙和變壓器的初級(jí)匝數(shù)，使工作在交流220V電壓下的電感初級(jí)線圈數(shù)較原來計(jì)算值增加1.5-1.7倍，總電感量較原計(jì)算值增加1.5-1.8倍。1） 計(jì)算初級(jí)電感峰值電流因?yàn)檩敵鲭妷簽?8.5V，考慮輸出整流二極管與線路壓降，設(shè)變壓器副邊繞組輸出電壓為30V，則變壓器輸出功率 Pout=

43、30V6.5A=195W，設(shè)此變換器的效率為80，則由Pout=Pin=IinVin輸入平均電流 IinPout/( Vin)=195/(2550.8)=0.956A取為 1A。設(shè)正常工作時(shí)占空比為0.4，在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間的平均電流1av(on)=Iin/=1/0.4=2.5A。在連續(xù)電流工作方式時(shí) （不完全能量傳遞方式），較好的輸入電流波形為其紋波峰峰值為其最大峰值的一半，即2)計(jì)算變壓器初級(jí)電感量在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間，變壓器初級(jí)電感上電流紋波的峰峰值mh其總電感量取此值的1.8倍，則L1取值為4.08mh。3） 選擇變壓器磁芯與確定骨架尺寸用幾何尺寸參數(shù)Kg來設(shè)計(jì)，設(shè)定變壓器銅損Pcu

44、4W。根據(jù)給定參數(shù)L=4.08mh,I=2.5A,B=0.4T,Pcu=4W,=1.724m,k=0.3可得其中Ac為磁芯截面積，W為窗口截面積，t為每匝平均長(zhǎng)度，k為窗口利用系數(shù)。選擇PQ35/35型磁芯，其，,t=7.52cm4） 確定變壓器各組線圈匝數(shù)與線徑eq oac(,1)初級(jí)線圈匝數(shù)N1，次級(jí)線圈匝數(shù)N2，輔助線圈匝數(shù)N3取整數(shù)N1=137匝初級(jí)線圈導(dǎo)線截面積初級(jí)線圈導(dǎo)線直徑deq oac(,2)由公式可得 取整數(shù)N220匝。次級(jí)線圈導(dǎo)線截面積次級(jí)線圈導(dǎo)線直徑d2=，取d2=為1.24mm設(shè)定UC3842穩(wěn)定工作時(shí)的電源電壓火為13V，則取整數(shù)N39匝。取輔助線圈導(dǎo)線直徑d3=0.

45、4mm（6）功率開關(guān)管的選擇由變壓器初級(jí)電感電流紋波峰峰值=3.3A，峰值漏極電感電壓Vdss，最大值=在單端反激式開關(guān)電源中，由于鐵芯帶有氣隙，因此存在較大的漏感Le，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，漏感會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電壓。一般取保險(xiǎn)系數(shù)為0.7，即取其Vdss548/0.7=783V。另外，開關(guān)管的開啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間要盡量小，飽和壓降要小，以降低漏源極間的功耗。本設(shè)計(jì)中選用VDMOS管的型號(hào)為MTP4N90，即其Id=4A，Vdss=900V，可以滿足要求。（7）緩沖保護(hù)電路的選擇本電路中，由R，C，D組成一個(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)主要用于限制高頻變壓器漏感引起的尖峰電壓，它產(chǎn)生在開關(guān)管VT1由飽和轉(zhuǎn)向截止

46、的過程中，漏感中的能量通過D向D充電，充電電流為凡，。電容上的電壓通過二極管D被充電到（），這樣功率開關(guān)管漏極電流有了分路，漏極電流能較快地減小。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，C通過電阻R和VT1放電。圖3.4 緩沖保護(hù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于參數(shù)的選擇，可按經(jīng)驗(yàn)公式求得。在關(guān)斷時(shí)，能量可寫成：式中 Id 最大的漏極電流（A）；Vds最大的漏極一源極電壓（v）；最大的漏極電壓上升時(shí)間（us）tf最大的漏極電壓下降時(shí)間（us）解得電容C的表示式為：由Id=3.3A，Vdss=548V，=0.2us，tf=0.05us，可得C=1.5n在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，電容通過電阻和開關(guān)管的漏源極放電，放電的時(shí)間常數(shù)：RC。為了減輕開

47、關(guān)管在完全導(dǎo)通時(shí)所承受的電流，應(yīng)在開關(guān)管開啟時(shí)間放掉電容C上的大部分能量，一般?。?0.5,是開關(guān)管的開啟時(shí)間，則算得的電阻值，必須限制放電電流Idis，只是漏極電流Id的1/4，則0.25Id如果Idis0.251，則必須按R=重選電阻R的值。驗(yàn)證放電電流I=,大于Ic/4=3.3/4=0.825A。需重選R值，R=，取 值為670。電阻的功率為取值為7W式中f變換器的工作頻率。（8）低壓輸出電路的設(shè)計(jì)1） 整流二極管的選擇因?yàn)檎鞫O管D存在著反向恢復(fù)時(shí)間，在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間會(huì)引起較大的尖峰電流，它不僅增加了整流二極管本身的損耗，而且使開關(guān)管流過過大的電流，增加了開通瞬間的損耗。一般采用快恢

48、復(fù)二極管或肖特基二極管作為整流二極管，D的電流平均值1，（3V）應(yīng)大于等于輸出電流值。在高頻變壓器次級(jí)的整流濾波電路中，選擇整流二極管時(shí)，如果此二極管的工作屬于低反向電壓、大導(dǎo)通電流，應(yīng)選擇肖特基整流二極管：如果屬于較高的反向電壓、較小的導(dǎo)通電流，可以選用快恢復(fù)二極管。本例屬于前例。在低電壓、大電流輸出的開關(guān)電源中，整流二極管的功耗是其主要損耗之一 而肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)是其導(dǎo)通管壓降Von為0.4-0.6，為一般PN結(jié)的一半，反向恢復(fù)快而且有足夠的反向電壓。故本例選用肖特基管16TCQ100，其由二個(gè)陰極相連的二極管組成，每管允許通過的最大電流為8A，兩管并用可允許通過16A電流；其允許的最大

49、截止電壓為100V。在輸入電壓為最高值342V時(shí)，整流二極管所承受的最大反向截止電壓為：其值小于100V，所以可以選用型號(hào)為16TCQ100的肖特基管。2） 濾波電容的選擇濾波電容可視輸出對(duì)紋波電壓的要求來確定，并盡可能選擇無感電容，也可用多個(gè)容量小的電容并聯(lián)達(dá)到較高的容量。輸出濾波電容的選擇與電源變換器的類型、最大輸出工作電流和開關(guān)頻率等因素有關(guān)，大多使用低ESP的電解電容。濾波電解電容的值對(duì)電源輸出電壓紋波有直接影響，而且它還影響電容器本身的壽命。最小的輸出電容可用下式計(jì)算公式中，Io設(shè)計(jì)的輸出電流；允許的輸出電壓紋波的峰一峰值；f 工作頻率。為了確保輸出電壓符合最小的電壓紋波的要求，濾波

50、電容器的值可由下列公式確定：由Io6.5A，f33kHz，可得(F)實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該取大一些的電容，才能完成設(shè)計(jì)指標(biāo)。一般按每安培電流10000uf電解電容的容量來進(jìn)行選擇,在此采用6個(gè)10000uf電解電容。4 電路輸出性能測(cè)試4.1 AC220V-DC28.5一路輸出性能（1） 電壓調(diào)整率負(fù)載電流為6.5A時(shí)：Vin(V)25260270280290300310320Vo(V)28.628.628.628.628.628.6310320電壓調(diào)整率=02%（2） 負(fù)載調(diào)整率輸入電壓為Vin=280V (AC220V,50Hz）時(shí)：Io(A)6.55.54.53.52.51.50.50Vo(V)

51、28.628.628.628.628.628.628.628.9負(fù)載調(diào)整率=1.05%2%（3）效率當(dāng)Io6.5A,Vo28.6V時(shí)，Iin0.9A，Vin=280V。此時(shí)的效率為：=（4）空載開機(jī)、短路開機(jī)、短路保護(hù)空載開機(jī)時(shí)，輸出電壓仍保持在額定輸出28.9V。短路開機(jī)時(shí)，電路能實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。（5）過流保護(hù)取樣電阻Rs為0.30時(shí)，在6.8A處保護(hù)。（6）紋波紋波Vpp為60mV，小于所要求的100mV值。4.2 8V 2.5A一路輸出性能1）電壓調(diào)整率負(fù)載電流為2.5A時(shí)：Vin(V)28.32726252423222120Vo(V)28.028.028.028.028.028.027.

52、927.927.8電壓調(diào)整率（28.0-27.8）/28.0=0.7%2%2）負(fù)載調(diào)整率輸入電壓為28.2V時(shí)：Io（A）0.250.40.60.81.01.21.41.61.82.02.32.5Vo（V）28.428.428.328.328.328.328.228.128.128.128.028.0負(fù)載調(diào)整率2%3）效率當(dāng)Io2.5A， Vo28.0v時(shí)，Iin3.05A，Vin28.2V。此時(shí)的效率為：=4）空載開機(jī)、短路開機(jī)、短路保護(hù)空載開機(jī)時(shí)，輸出電壓仍保持在額定輸出28V短路開機(jī)時(shí)，電路能實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。5）過流保護(hù)取樣電阻Rs為0.05時(shí)，在3A處保護(hù)。6）紋波紋波Vpp為50mV，小于所要求的100mV值。4.3 24V/2A一路輸出性能（1）電壓調(diào)整率負(fù)載電流為額定值2A時(shí)：Vin(V)20212223242526272829Vo(V)24.024.024.024.024.024.024.024.024.024.0電壓調(diào)整率2%（2）負(fù)載調(diào)整率在輸入電壓為28.2V時(shí)：Io(A)0.20.40.60.81.01.21.41.64.82.0Vo（A）24.324.324.324.224.224.124.124.124.124.1負(fù)載調(diào)整率=0.83%2%在輸入電壓為24V時(shí)：Io(A)0.20.40.60.81.01.21.41.64.82.0V