高效率反激開關(guān)電源的設(shè)計

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文18W高效率反激開關(guān)電源的設(shè)計Designof18WEfficientFlybackSwitchingPowerSupply江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEPAGEIV摘要任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，而對于采用電網(wǎng)電源的家用電子設(shè)備，其直流電源必須具有適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化和負(fù)載變化的特性。為此而發(fā)展的的直流穩(wěn)壓電源成為電子設(shè)備電路中的一個非常重要的組成部分。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，以高頻變壓器代替工頻變壓器，采用脈寬調(diào)制技術(shù)的交流-直流的穩(wěn)壓電源，它具有管耗小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬及體積小，重量輕等特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制，軍工設(shè)備，科研設(shè)備，LED照明，工控設(shè)備，通訊設(shè)備，電力設(shè)備，儀器設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，半導(dǎo)體制冷等領(lǐng)域。本文主要內(nèi)容如下：1.了解開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)，閱讀開關(guān)電源相關(guān)文獻(xiàn)，確定畢業(yè)設(shè)計所要做的內(nèi)容；2.對開關(guān)電源的基本工作原理進(jìn)行分析，對電源的buck工作模式，boost工作模式，buck-boost工作模式以及flybuck工作模式進(jìn)行分析比較，最終選擇適用于反激開關(guān)電源的flybuck工作模式；3.查閱資料學(xué)習(xí)了設(shè)計開關(guān)電源的基本方法，以及在設(shè)計過程中所需要掌握的原理，設(shè)計出一款輸出功率為18W，輸出電壓與電流分別為12V，1.5A，文波小于150mV的高效率反激式開關(guān)電源；4.對設(shè)計出的實(shí)物進(jìn)行波形分析。測試其在工作過程中buck電容的電壓電流變化，RCD回路上的電壓吸收情況，MOS管在高壓和斷續(xù)時的Vds和Vgs電壓，空載時的Vcc和Vds電壓以及Sense電阻上的電壓，對實(shí)物的基本特性進(jìn)行測試。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源，脈寬調(diào)制，反激式，高效率

AbstractAnyelectronicdevicecan’tdowithoutreliablepower,Asfortheuseofgridpowerhomeelectronicsequipment,TheDCpowersupplymusthavetoadapttochangesingridvoltageandloadcharacteristics.TothisendthedevelopmentoftheDCpowersupplycircuitinelectronicdevicesbecomeaveryimportantpart.Switchingpowersupplyistheuseofmodernpowerelectronics，Highfrequencytransformersinsteadoffrequencytransformers,UsingpulsewidthmodulationDC-DCpowersupply，Ithasconsumedasmalltube,highefficiency,widevoltagerangeandsmallsize,lightweight,Andiswidelyusedinindustrialautomation,militaryequipment,scientificequipment,LEDlighting,industrialcontrolequipment,communicationsequipment,electricalequipment,apparatusequipment,medicalequipment,semiconductorrefrigerationandotherfields.Thegraduationdesignprocess,mainlyforthefollowing:1.Understandthebasicstructureoftheswitchpowersupply,switchpowersupplyrelatedliterature,todeterminethecontentofthegraduationdesigntodo;2.Analyzethebasicworkingprincipleofswitchpowersupply,thepowerofthebuckmode,boosttheworkmode,buck-boostworkmodelsandflybuckworkcarriesontheanalysiscomparison,thefinalchoiceissuitablefortheflybackswitchingpowersupplyofflybuckworkingmode;3.Tolearnthebasicmethodsofdesignofswitchpowersupply,andtheneedtomastertheprincipleinthedesignprocess,anddesignedApoweroutputof18w,outputvoltageandcurrentrespectivelyfor12V,1.5A,lessthan150mVWenBotheflybacktypeswitchpowersupplywithhighefficiency;4.Thewaveformanalysiswascarriedoutonthedesignofphysicalobjects.Testthebuckintheworkingprocessofthecapacitorvoltagecurrentchanges,RCDcircuitvoltageabsorption.Keywords:Dcregulatedpowersupply,Switchingpowersupply,Pulsewidthmodulation,theflybacktype,Highefficiency目錄第一章緒論 11.1研究背景與發(fā)展?fàn)顩r 11.2開關(guān)電源相關(guān)介紹 21.3本章小結(jié) 3第二章開關(guān)電源的工作原理介紹 42.1基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 42.1.1Buck降壓變換器 42.1.2Boost升壓變換器 62.1.3Buck－Boost降壓或升壓變換器 72.2Flyback模式 92.2.1Buck-Boost拓?fù)銯lyback 92.2.2工作原理 92.2.3主要關(guān)系推導(dǎo) 122.3本章小結(jié) 13第三章開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)及元器件介紹 143.1開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu) 143.2開關(guān)電源主要器件 153.2.1TL431 153.2.2通嘉LD7531 163.2.3光耦 163.2.4安規(guī)電容 173.3本章小結(jié) 17第四章反激式開關(guān)電源的參數(shù)計算 184.1課題介紹 184.2原理圖和一般工作過程 184.3確定DC電壓范圍和輸入整流濾波電容 194.3.1確定DC電壓范圍 194.3.2確定整流濾波電容 204.4反激式變壓器的設(shè)計 204.5確定次級整流二極管 244.6確定輸出電容 244.7RCD緩沖器的參數(shù)設(shè)計 244.8反饋回路的參數(shù)設(shè)計 274.9Sense電阻大小的確定 284.10安規(guī)電容的參數(shù)確定 284.11提高效率的方法 294.12本章小結(jié) 30第五章反激式開關(guān)電源的產(chǎn)品測試 315.1基本測試 315.2波形分析 315.3本章小結(jié) 36結(jié)論 37致謝 38參考文獻(xiàn) 39江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEPAGE16PAGE1第一章緒論1.1研究背景與發(fā)展?fàn)顩r電源按工作狀態(tài)一般可分為線性電源，開關(guān)電源。線性電源正常工作于放大狀態(tài)，優(yōu)點(diǎn)是輸出的直流電壓上文波小，開關(guān)管工作時產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾小。缺點(diǎn)是發(fā)熱量大，效率低，要加大散熱片進(jìn)行散熱處理，同時需要較大的工頻變壓器，需要多組輸出電壓時要使用龐大的變壓器。開關(guān)電源的正常工作在開關(guān)狀態(tài)，優(yōu)點(diǎn)是發(fā)熱量小，效率高，無需使用很大的變壓器。缺點(diǎn)是在電源輸出的直流電壓上會有比較大的文波，這樣就要在輸出端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管用來改善。另外，開關(guān)管的工作會產(chǎn)生較大的尖峰脈沖。開關(guān)電源用在對電源效率和開關(guān)大小有要求的地方，線性電源用在對電磁波干擾和電源純凈性有要求的地方。另外當(dāng)電路中需要作隔離的時候現(xiàn)在多數(shù)用DC－DC來對隔離部分供電。還有，開關(guān)電源中用到的高頻變壓器可能繞制起來比較麻煩。最早的開關(guān)電源出現(xiàn)在60年代，出現(xiàn)的是串聯(lián)開關(guān)電源，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與線性電源相差不大，但功率管用于開關(guān)狀態(tài)，后來PWM技術(shù)發(fā)展較大，可以控制開關(guān)變換器，得到脈寬調(diào)制開關(guān)電源，1974年研制成了20kHz的開關(guān)電源，在能源危機(jī)的條件下，在20kHZ頻率下工作的開關(guān)電源，可較大限度的節(jié)約能源。PWM技術(shù)是電源史上革命性的開端，這次開關(guān)電源的發(fā)展，將極大限度的推動電源技術(shù)的前進(jìn)。八十年代，PWM開關(guān)電源僅僅在個人電腦、電視機(jī)等設(shè)施上得到采用。因?yàn)殚_關(guān)電源在質(zhì)量、大小、材質(zhì)及功耗等方面都比線性電源有明顯優(yōu)勢，并且對系統(tǒng)的多種指標(biāo)有不錯的影響，從而得到的廣范應(yīng)用?，F(xiàn)在的很多地方，比如軍事、電力、工業(yè)、交通、通信、儀表儀器、等都采用開關(guān)電源，取得的效益也相當(dāng)顯著。九十年代以來，美國、德國等西方國家新建電廠和變電站己全部采用高頻開關(guān)電源，近幾年來，國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，研究、理論、應(yīng)用、生產(chǎn)等的成果都已初具規(guī)模，并采用了有效的軟件開關(guān)和均流技術(shù)。目前，由于水平、材料和電路結(jié)構(gòu)的不斷更新，電源的工作頻率都高于20kHZ，并且每立方英寸的功率密度大于100瓦，滿負(fù)載效率大于90%。開關(guān)電源慢慢滲透到生活生產(chǎn)的每個角落。在21世紀(jì)，電源系統(tǒng)的各部分將強(qiáng)調(diào)“系統(tǒng)模塊集成”、“電子電力封裝”等要求。現(xiàn)在低壓，低能耗的器件已經(jīng)進(jìn)入市場，因而可輕松做到輸出電壓為1V，輸出功率為10毫瓦的開關(guān)電源、并且每立方厘米的功率密度達(dá)5瓦，這類產(chǎn)品的優(yōu)勢即在于可便利攜帶。現(xiàn)在采用的PWM技術(shù)、軟件開關(guān)、PCB制板、三明治繞制變壓器，采用高材質(zhì)的納米合金鐵芯，做成的開關(guān)電源工作效率可超過90個百分點(diǎn)，大功率的開關(guān)電源能達(dá)到95個百分點(diǎn)。目前開關(guān)電源向高可靠、高頻、低噪聲、低耗、抗干擾、模塊化方向靠攏。因?yàn)殚_關(guān)電源小、薄、輕的關(guān)鍵是工作在高頻狀態(tài)下，從而國內(nèi)外電源公司都一致想要使開關(guān)電源的元器件同步，尤其是對二次整流器件損耗的改善，同時在磁芯材質(zhì)上也進(jìn)行不斷的加強(qiáng)與改善，要使開關(guān)電源的電磁性能高，就需要通過改善以上兩點(diǎn)。另外，各電源廠商還需要攻克電容體積的技術(shù)，使之越來越小。1.2開關(guān)電源相關(guān)介紹開關(guān)電源的兩大主要特點(diǎn)就是高頻、小型，正是由于這兩個特點(diǎn)，使開關(guān)電源的應(yīng)用更加廣泛，目前滲透在生活的各個領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用在高新技術(shù)的方面。開關(guān)電源推動了高科技產(chǎn)品的的輕便化和小型化。除此之外，開關(guān)電源在節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境及節(jié)約能源方面都起著舉足輕重的作用。開關(guān)電源中應(yīng)用的電子電力元件主要為二極管、MOS管。開關(guān)電源的三個條件：1．高頻：電力電子元件一般工作在高頻狀態(tài)；2．直流：開關(guān)電源輸出直流電壓；3．開關(guān)：電力電子元件工作在開關(guān)狀態(tài)。開關(guān)電源按輸入方式可分為DC/DC和AC/DC兩種，DC/DC電源技術(shù)已經(jīng)趨于完善，其生產(chǎn)工藝和設(shè)計技術(shù)均已成熟和固定，且絕大多用戶均已認(rèn)可。但AC/DC技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)槠湓O(shè)計生產(chǎn)過程中的可變性因素太多，需要考慮，設(shè)計的參數(shù)比較復(fù)雜，所以AC/DC的生產(chǎn)工藝與設(shè)計技術(shù)還需要慢慢研究。DC/DC變壓器是將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為需求的直流電壓。直流-直流變壓器的有兩種工作方式，一是脈寬調(diào)制，周期不變，改變導(dǎo)通時間，二是頻率調(diào)制，導(dǎo)通時間不變，改變周期。常用的有以下幾種電路結(jié)構(gòu)：1.Buck電路——其平均輸出電壓小于平均輸入電壓，極性一致，稱為降壓斬波器。2.Boost電路——其平均輸出電壓大于輸入電壓，極性一致，稱為升壓斬波器。3.Buck－Boost電路——其平均輸出電壓可以大于也可以小于輸入電壓，極性不一致。4.CUK電路——其平均輸出電壓可以大于也可小于輸入電壓，極性不一致。上述為非隔離型電路，隔離型電路有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。1.3本章小結(jié)根據(jù)以上兩小節(jié)的介紹，我們可以知道開關(guān)電源的發(fā)展歷史以及現(xiàn)狀，并且由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多大功率，低耗能的開關(guān)電源會應(yīng)運(yùn)而生，占據(jù)很大的市場。開關(guān)電源可以說是出現(xiàn)在我們生活的各個角落，稱為生活中的常見的電器產(chǎn)品，因此，在開關(guān)電源的設(shè)計上，設(shè)計師們要更努力的開創(chuàng)新產(chǎn)品，從而與現(xiàn)實(shí)生活中低碳，環(huán)保，節(jié)能的要求相呼應(yīng)。

第二章開關(guān)電源的工作原理介紹2.1基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源有如下幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：1.Buck降壓變換器；2.Boost升壓變換器；3.Buck－Boost降壓或升壓變換器。2.1.1Buck降壓變換器Buck電路的工作原理如圖2-1所示。圖2-1BUCK變換電路電路由開關(guān)管T，二極管D,電感L,負(fù)載R組成。電路完成電源電壓E到U的轉(zhuǎn)化。當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時，如圖2-2(a)所示的電流流過電感線圈L，在線圈未飽和之前，電流線性增加，負(fù)載電阻R上的電流，電壓。此時，二極管D反向截止。(a)開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)(b)開關(guān)管斷開狀態(tài)圖2-2BUCK工作電路當(dāng)開關(guān)管T截止時，如圖(b)所示，由于線圈中的電流不能突變，負(fù)載R上的電壓極性未變，此刻，二極管導(dǎo)通，電流為?？紤]理想情況，開關(guān)管，二極管都是理想組件，在導(dǎo)通時壓降為零，截止時漏電流為零；電感，電容也是理想組件，電感工作在線性區(qū)，寄生電阻，電容的等效串聯(lián)電阻均不計；輸出文波電壓可以忽略。1.開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)()T導(dǎo)通時，二極管D截止，有電路結(jié)構(gòu)，可以列出：(2-1)由于電路工作頻率很高，一個周期內(nèi)，和基本維持不變，可視為恒定值，所以電流變化為線性的，上式化簡為：(2-2)所以，(2-3)（恒定）。(2-4)2.開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)()晶體管關(guān)斷，二極管導(dǎo)通，電感續(xù)流，由電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：(2-5)同樣的，不變，輸出電流線性減小。,(2-6)，(2-7)所以:。(2-8)相關(guān)波形如圖2-3所示。圖2-3BUCK電路波形2.1.2Boost升壓變換器BOOST變換電路如圖2-4所示。圖2-4BOOST變換電路電路由開關(guān)管T，二極管D,電感L,負(fù)載R，C組成。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，如圖2-5(a),電流流過電感線圈L，電流線性增加，電能轉(zhuǎn)化為磁能，儲存在電感線圈中L中。此時，電容C放電，R上電流，電壓上正下負(fù)。由于開關(guān)管導(dǎo)通，二極管陽極接Vs負(fù)極，二極管反向截止。(a)開關(guān)管導(dǎo)通(b)開關(guān)管截止圖2-5開關(guān)管狀態(tài)當(dāng)開關(guān)管截止時，如圖2-5(b)，由于線圈L中的磁場將改變線圈L兩端電壓極性，以保持電流不變，這樣，線圈L磁能轉(zhuǎn)化為電壓VL與電源E串聯(lián)，與高于輸入電壓向電容充電，對電阻R供電?？紤]理想情況，開關(guān)管，二極管都是理想組件，在導(dǎo)通時壓降為零，截止時漏電流為零；電感，電容也是理想組件，電感工作在線性區(qū)，寄生電阻，電容的等效串聯(lián)電阻均不計；輸出文波電壓可以忽略。1.開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)在開關(guān)管導(dǎo)通時，電流經(jīng)電感L，MOS流通，線性上升，電感儲存能量。電容C，通過R放電。二極管的作用是阻斷電容通過開關(guān)管放電。在MOS導(dǎo)通時，(2-9)設(shè)，開關(guān)管的導(dǎo)通時間為，占空比，得：(2-10)2.開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)在開關(guān)管截止時，二極管D導(dǎo)通，電容C在電源E和電感反電動勢的共同作用下，進(jìn)行充電。電感釋放能量，電流從下降，由假設(shè)可知，電容兩端電壓波動不大。由設(shè)，D的導(dǎo)通時間為，占空比，得：(2-11)在t=T時，電路一個周期結(jié)束，設(shè)電流下降到初始值。相關(guān)波形如圖2-6所示。圖2-6BOOST連續(xù)模式2.1.3Buck－Boost降壓或升壓變換器Buck－Boost工作原理如圖2-7所示。圖2-7BUCK-BOOST原理圖1.開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)在開關(guān)管T導(dǎo)通時，如圖2-8(a)所示：電流,由電源E,經(jīng)T和L，電流上升，電感儲能。如果電感是連續(xù)的，則電流從T導(dǎo)通時的上升，如果是斷續(xù)的，電感電流則從0上升，終止到,此狀態(tài)期間，二極管截止，電容對電阻放電[1]。(a)開關(guān)管導(dǎo)通(b)開關(guān)管截止圖2-8BUCK-BOOST工作圖2.開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)在T截止時，如圖2-8(b)所示：電感電流從T關(guān)斷時的下降，并經(jīng)過R，C的并聯(lián)電路和二極管D流通，電感L釋放能量，電容儲能。在穩(wěn)態(tài)，如果C足夠大，負(fù)載電壓不變，在T導(dǎo)通時，,終止電流為，(2-12)在T關(guān)斷時，，終止電流為。(2-13)化簡得：(2-14)波形圖如圖2-8所示。圖2-8BUCK-BOOST波形2.2Flyback模式2.2.1Buck-Boost拓?fù)銯lyback在BUCK-BOOST的電路中加入變壓器隔離，即變?yōu)镕lyback的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。圖2-9FLYBACK的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2-9所示為單端反激變換器的原理電路圖，它是由電感變壓器L、晶體管T、二極管D、濾波電容C組成。2.2.2工作原理反激變換器的原理圖如圖2-10所示。圖2-10反激變換器的原理圖反激變換器工作原理是：開關(guān)閉合，次級二極管不導(dǎo)通，變壓器儲存能量；開關(guān)斷開時，次級二極管導(dǎo)通，變壓器之前儲存的能量釋放到電阻兩端。反激變換器和正激變換器不一樣，正激變換器的的變壓器儲能很少，輔助繞組的功率在一瞬間疊加起來為零，變壓器的作用就是變壓和隔離。比較特殊的是反激變換器中的變壓器，它作用是儲能，作電感用，通常就做儲能變壓器。正常情況下加氣隙在反激變換器的變壓器磁心中，是為防止在負(fù)載電流較大時，磁心達(dá)到飽和狀態(tài)，從而降低磁心的導(dǎo)磁率，設(shè)計這種變壓器是有一定的難度。開關(guān)斷開時，變壓器儲存的能量釋放到電阻中，由于磁心的自身特點(diǎn)，會復(fù)位到原先狀態(tài)，因此，反激變換器沒必要添加措施，使磁芯還原。磁芯能自動復(fù)位要如下條件：開關(guān)斷開和閉合期間，變壓器初級繞組的電壓伏秒值是一樣的。反激電路存在兩種工作模式：電流連續(xù)和電流斷續(xù)模式。與非隔離DC/DC變換電路不同，反激電路電流連續(xù)與否指的是變壓器副邊繞組的電流。當(dāng)S導(dǎo)通時，變壓器副邊繞組中電流未下降到0，則電路工作于電流連續(xù)模式；當(dāng)S導(dǎo)通時，變壓器副邊繞組中電流下降到0，則電路工作于電流斷續(xù)模式；值得注意的是電路工作于電流連續(xù)模式時，其變壓器鐵心利用率顯著降低，因此實(shí)際使用中通常避免電路工作于電流連續(xù)模式。1．電流連續(xù)模式反激電路工作于電流連續(xù)模式時，在一個開關(guān)周期經(jīng)歷S導(dǎo)通，關(guān)斷2個開關(guān)狀態(tài)，如圖2-11所示。對應(yīng)于1個開關(guān)周期T的2個時段：t0-t1和t1-t2，電路中主要的電壓和電流波形如圖2-12所示。t0-t1時段：如圖2-11(a)所示，S導(dǎo)通，根據(jù)繞組間同名端關(guān)系，二極管VD反向偏置而截止，變壓器原邊繞組w1電流線性增加，變壓器儲能增加。t1-t2時段：如圖2-11(b)所示，S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，變壓器原邊繞組w1的電流被切斷，變壓器在t0-t1時段儲存的能量通過變壓器副邊繞組w2和二極管向輸出端釋放。(a)S導(dǎo)通(b)S截止圖2-11反激電路的開關(guān)狀態(tài)圖2-12反激電路電流連續(xù)模式下主要波形Ug為開關(guān)管電壓、UT開關(guān)管兩端電壓、UL2變壓器副邊電壓、IL1變壓器原邊電流IL2變壓器副邊電流。當(dāng)S關(guān)斷后所承受的電壓為：US=Ui+K12U0，式中K12為變壓器原邊與副邊繞組的匝數(shù)比。當(dāng)反擊電路工作于電流連續(xù)模式時，輸入輸出電壓關(guān)系為:(2-15)2．電流斷續(xù)模式反激電路工作于斷續(xù)模式時，在一個開關(guān)周期內(nèi)經(jīng)歷S導(dǎo)通、關(guān)斷和電感電流為0的3個開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)的3個時段分別為t0-t1、t1-t2,t2-t3，電路中主要的電壓和電流波形如圖2-13所示。t0-t1時段：S導(dǎo)通，二極管VD截止，變壓器原邊繞組w1電流線性增長，變壓器儲存的能量也變多。t1-t2時段：S關(guān)斷，二極管VD導(dǎo)通，變壓器原邊繞組電流被切斷，變壓器在t0-t1時段儲存的能量通過變壓器副邊繞組w2和開關(guān)管向輸出端釋放。直到t2時刻，變壓器中沒有能量了，繞組w2中電流為0，二極管關(guān)斷。t2-t3時段：變壓器原邊繞組和輔助繞組電流均為0，這時由電容C向負(fù)載供電。圖2-13反激電路電流斷續(xù)模式下主要波形反激電路電流斷續(xù)工作時，輸出的電壓U0將高于電流連續(xù)時輸出的電壓U0，并且隨著負(fù)載的減小而升高。電流斷續(xù)工作模式下，S關(guān)斷后在t1-t2時間段所承受的電壓為US=Ui+K12U0，t2-t3時間段為Ui，這點(diǎn)與電流連續(xù)工作模式不同[3]。2.2.3主要關(guān)系推導(dǎo)單端反激式功率變換器就是BUCK-BOOST電氣隔離的功率變換器，電路如圖2-7所示。所謂的單端，就是指變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。圖2-9所示為單端反激式變換器的原理圖，它是有由電感變壓器L,開關(guān)管T,二極管D和濾波電容C組成。MOSFET管T受其柵極驅(qū)動信號驅(qū)動，周期性地導(dǎo)通與截止。當(dāng)MOSFET管導(dǎo)通時，在理想情況下，輸入電壓E全部加在電感變壓器的初級N1上。變壓器初級感應(yīng)電勢同名端“·”為負(fù)，次級同名端也為負(fù)，二極管反向截止，因此電感變壓器此時作為電感運(yùn)行。若電感L1是線性的，初級電感電流變化量：=(2-16)線性增長。電源向電感儲能，輸出電容向負(fù)載供電。晶體管T截止時，由于電感能量不能突變，變壓器各線圈感應(yīng)電動勢反向，同名端為正，二極管導(dǎo)通，電感向負(fù)載放電和向電容充電。設(shè)電容電壓變化很小，次級電流變化量：(2-17)變壓器初次級之間的電流關(guān)系為：，(2-18)因此 (2-19)式中N1、N2分別為變壓器初、次級匝數(shù)；L1和L2分別為初、次級電感量。假設(shè)變壓器為理想變壓器，無漏感。則：(2-20)由式(2-16)，(2-17)，(2-18)和式(2-19)得到(2-21)(2-22)式中，為變壓器變比。為占空比，T=。由式(2-22)可見，單端反激式變換器是隔離的升/降式變換器。反激式開關(guān)電源則是這些電路的拓?fù)洹?.3本章小結(jié)本章主要分析了開關(guān)電源的幾種基本結(jié)構(gòu)，通過對其原理的分析，比較，讓讀者了解到開關(guān)電源在不同基本結(jié)構(gòu)下的基本工作的狀態(tài)，從而確定出符合本設(shè)計所需要的基本機(jī)構(gòu)。

第三章開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)及元器件介紹3.1開關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)開關(guān)電源的框圖結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1開關(guān)電源的方框圖開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、功率變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路[6]。它們的功能是：1.輸入電壓濾波：消除電網(wǎng)傳來的，如電器關(guān)斷、電動機(jī)啟動，發(fā)生雷電活動等產(chǎn)生的干擾，同時也預(yù)防電源自身產(chǎn)生的噪聲向擴(kuò)散到電網(wǎng)。防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生的較高電壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時，可能會損壞零件，此時壓敏電阻、保險絲等元器件將會保護(hù)電路。當(dāng)壓敏電阻兩端的電壓太大，超過承受的范圍，其電阻會變得很小，高壓產(chǎn)生的能量就會消耗在電阻上，如果此時電流偏大，超過保險絲的承受范圍，保險絲就會燒斷，從而起到保護(hù)電路的作用。放電電路：當(dāng)切斷電源時，電容上的能量由次電阻釋放。EMI抑制器件：主要影響傳導(dǎo)的中、低頻段，設(shè)計時必須同時考慮EMI特性及溫升，以同樣尺寸的共模感而言，線圈數(shù)愈多，相對的線徑愈細(xì)，EMI防制效果愈好，但溫升可能較高。2.輸入整流濾波：將電網(wǎng)輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變換器提供直流電壓。交流電壓經(jīng)整流橋整流后，經(jīng)電容濾波后得到較為純凈的直流電壓。若電容容量變小，輸出的交流文波將增大，這對電容的壽命有較大挑戰(zhàn)。3.功率變換電路：通過變壓器和功率MOSFET,通過高頻開關(guān)的控制，得到所需的功率輸出。4.輸出整流濾波：將變壓器輸出的電壓整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，同時也要注意噪聲干擾負(fù)載電器。5.控制電路：檢測輸出端的電壓，并與芯片內(nèi)電壓比較，進(jìn)行放大。來控制開關(guān)的開斷時間，調(diào)整變壓器輸出，得到用戶需要的穩(wěn)定的直流源。6.保護(hù)電路：當(dāng)開關(guān)電源輸出電壓、電流過大，或輸出短路時，保護(hù)電路會讓開關(guān)電源暫停工作，從而保護(hù)電源本身和負(fù)載。3.2開關(guān)電源主要器件開關(guān)電源的主要元器件有：TL431，通嘉LD7531，光耦，其功能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹如下。3.2.1TL431德州儀器公司生產(chǎn)的TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的基準(zhǔn)源，其引腳圖如圖3-2(a)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2(b)所示：(a)外部結(jié)構(gòu) (b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-2TL431結(jié)構(gòu)圖主要參數(shù):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2.5V-30V。TL431的具體功能可以用圖3-2(b)的功能模塊示意。由圖3-2(b)可以看到，VI是一個內(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端的電壓非常接近VI，即2.5V時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。然后通過光耦傳到IC，以控制PWM的輸出。3.2.2通嘉LD7531LD7531是一款高集成度、低功耗的電流模PWM控制芯片，輕載/空載時，PWM頻率線性降頻，減少待機(jī)耗能，其具有低啟動電流，低工作電流。內(nèi)建斜率補(bǔ)償，可工作于連續(xù)模式，增加電源轉(zhuǎn)換效率。外部引腳較少，封裝尺寸小，。適用于離線式AC-DC反激拓?fù)涞刃」β孰娫茨K。其引腳圖[9]如圖3-3(a)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-3(b)所示。圖(a)Pin腳結(jié)構(gòu) 圖(b)內(nèi)部方框圖圖3-3LD7531結(jié)構(gòu)圖3.2.3光耦光耦(opto-coupler)選用817c系列，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4所示：圖3-4光耦外部引腳光耦是開關(guān)電源中的常用器件，作用是隔離輸入、輸出的電信號，光耦合器由以下部分組成：光的發(fā)射、接收、信號放大。發(fā)光二極管由輸入的電信號驅(qū)動，發(fā)出的光波長一定，光探測器接收這部分光，然后產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過后續(xù)的放大，最后輸出。這就是光耦的電—光—電的變化，起輸入、輸出、隔離的作用。因?yàn)楣怦詈掀鬏斎?、輸出之間互相隔離，電信號具有單向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，因而光耦具有很好的抗干擾和電絕緣能力。又因?yàn)楣怦詈掀鞯妮斎攵耸请娏餍凸ぷ鞯牡妥杞M件，所以共模抑制能力很強(qiáng)。在開關(guān)電源中，線性光耦可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。3.2.4安規(guī)電容安規(guī)電容是指在電容器過期或不起作用后，不會使產(chǎn)品產(chǎn)生電擊事件，不危及用戶的安全。常用的安規(guī)電容有X電容和Y電容,如圖3-5(a)與圖3-5(b)所示。(a)X電容(b)Y電容圖3-5安規(guī)電容X電容必須接在火線與零線之間，選用金屬薄膜材質(zhì)；Y電容要分別接在電力線兩線和地之間，通常成對出現(xiàn)。由于會產(chǎn)生漏電流，Y電容不會選擇太大，一般X電容是uF級，Y電容是nF級。其接法如圖3-6所示：圖3-6X電容與Y電容的接法電路中，X電容的作用是抑制差模干擾，Y電容的作用是抑制共模干擾。3.3本章小結(jié)本章主要對開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，具體介紹了其中的電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、功率變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。除此之外，還介紹了設(shè)計中用到的幾種芯片以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其工作的原理。文章中還描述了安規(guī)電容的接法以及安規(guī)電容在電路中的作用。

第四章反激式開關(guān)電源的參數(shù)計算4.1課題介紹1.要求：設(shè)計一款高效率的反激式開關(guān)電源，了解反激式開關(guān)電源的工作原理與模態(tài)分析，熟悉各開關(guān)組件，同時制作出完整樣機(jī)。2.具體指標(biāo)如下：輸入電壓（交流）：Vin=90Vac~264Vac；輸出電壓（直流）：Vout=12V；輸出電流：Iout=1.5A；效率：η>78%；文波范圍：0~150mV；負(fù)載調(diào)整率：±5%；4.2原理圖和一般工作過程反激式電路原理圖如圖4-1所示：圖4-1電路圖如圖4-1所示的電路結(jié)構(gòu)，主要由以下幾部分組成：1.全橋整流電路；2.單端反激變換器；3.控制電路；4．反饋電路；5.緩沖電路。開關(guān)電源的一般工作過程如圖4-1原理圖所示,輸入電壓經(jīng)過電網(wǎng)濾波器濾波后，再經(jīng)過整流器整流，和BUCK電容的濾波得到了一個較為平滑的直流電壓。當(dāng)BUCK電容上有電壓時，而此時IC的VCC電容還沒有充電，所以由IC自帶的啟動電壓，會先給IC提供工作電流，輸出PWM波，VCC電壓迅速建立并達(dá)到IC工作電壓上限，則此時IC由VCC供電，高壓啟動自動關(guān)閉，從而降低IC損耗。因?yàn)榇薎C為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，與MOS管串聯(lián)的檢測電阻R，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，和次級反饋的電流，用比較器進(jìn)行比較,輸出PWM波。輸出PWM波的上升沿由內(nèi)部振蕩器的下降沿決定，而PWM波的下降沿則由檢測電壓和反饋電流共同決定。所以當(dāng)輸出電壓增大時，輸出PWM波的占空比就小。當(dāng)輸出電壓減小時，輸出PWM波的占空比增大。由此達(dá)到穩(wěn)壓的作用[13]。4.3確定DC電壓范圍和輸入整流濾波電容4.3.1確定DC電壓范圍最大DC電壓文波可由式(4-1)得出：(4-1)式中，Dch為規(guī)定的輸入整流濾波電容的充電占空比，其典型值為0.2。對于全電壓型輸入，一般將設(shè)定為的10~30%。這里選擇25%，則=31.8V利用求得的最大電壓文波，可由下式計算最小和最大整流輸入電壓：=95.5V(4-2)373V(4-3)4.3.2確定整流濾波電容橋式整流電路可以由四個二極管構(gòu)成，可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電經(jīng)過濾波電容，單端反激變換器輸入端的直流電壓。因?yàn)槭窃谌妷悍秶哉鳂虻哪蛪阂笥?373V。本樣品采用的是IN5397的整流橋。整流濾波電容在單端反激式開關(guān)電源中通常稱之為BUCK電容。BUCK電容主要是為后面的電路供電的。若選的太小則供電不足且文波較大，若選的太大則是一種浪費(fèi)。所以在全電壓范圍內(nèi)，通常根據(jù)1.5~3uF/watt來選擇電容。本次設(shè)計為18W則通常選擇27-54的電容。電容不僅有容量大小還有其耐壓大小，工作溫度等一系列參數(shù)。本樣品選用105℃。電容的耐壓要大于且還要有一定的裕量，所以選用400V，33uF的電容。4.4反激式變壓器的設(shè)計開關(guān)功率變換器中的關(guān)鍵元件是開關(guān)電源的變壓器，其作用為電氣隔離、磁能轉(zhuǎn)換以及電壓變換。在MOS管的開斷作用下，將市電轉(zhuǎn)變成方波，加到開關(guān)電源變壓器上，由于變壓器具有電磁轉(zhuǎn)換的能力，將輸入功率傳到負(fù)載，得到負(fù)載所需電壓，因?yàn)殚_關(guān)變壓器工作頻率較大，從而它的重量與大小比工頻變壓器減少很多。開關(guān)電源變壓器的使用性能，不僅僅會對變壓器本身的效率和發(fā)熱有影響，而且還會對開關(guān)電源的可靠性和技術(shù)性有影響，所以在平時設(shè)計的時候，對線圈和磁芯的結(jié)構(gòu)，磁芯材料的選擇，制作工藝等都必須要嚴(yán)格要求[15]。在反激開關(guān)電源中，因?yàn)樽儔浩鞴ぷ髟诖艤鼐€的單象限，磁滯損耗較小。為了降低剩磁，一般的方法是在磁路中加氣隙使磁化曲線傾斜。而為了減小漏電感，通常采取的辦法是采用三明治繞法，但是這樣會增加變壓器的分布電容，但同時減小變壓器的分布電容和漏感是困難的，所以在應(yīng)用時我們視情況而定。本樣品選用耐壓為650V的MOS管。根據(jù)MOS管的應(yīng)力確定最大匝比，以此保證MOS管不被擊穿，則：(4-4)同樣，選取次級二極管的反向耐壓為100V。根據(jù)次級二極管的應(yīng)力確定最小匝比，以此保證次級二極管不被擊穿，則：(4-5)由以上兩式，可得：(4-6)其中：為MOS管的耐壓值為650V；：二極管壓降為0.7；:snubber尖峰，取120V；：二極管反向耐壓為100V;：次級尖峰電壓，可以忽略不計。代入數(shù)據(jù)：(4-7)可得：。取n=7，計算最大占空比：(4-8)得到：=0.474對于CCM（連續(xù)電流模式），將設(shè)定0.5以下，以免發(fā)生諧波震蕩，本例結(jié)果小于0.5，基本符合要求。=23.077W，確定變壓器的電感值：(4-9)此電路工作在CCM模式，所以取0.8。代入數(shù)據(jù)，得到=1.513mHMOS管的最大峰值電流和RMS電流計算公式：(4-10)其中(4-11)代入數(shù)據(jù)得：=0.383A(4-12)代入數(shù)據(jù)得：=0.613A=0.538+0.43/2=0.753A(4-13)代入數(shù)據(jù)得：=0.29A選擇變壓器的鐵芯，通常有兩種方法AP法和Kg法。本論文采用AP法。(4-14)(4-15)窗口利用系數(shù)Ku一般取0.5，ΔB=0.25，取電流密度J=(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)代入數(shù)值得：=4.6cm4(4-20)通過AP值查表，可以合適的磁芯，這里可以選取Ae值為54.9775mm2的LM-6的磁芯。計算變壓器初級繞組匝數(shù)，(4-21)(4-22)(4-23)為了防止變壓器飽和，(4-24)(4-25)代入數(shù)值得：51.6，所以選取=52，因?yàn)樵驯葹?，所以取=7。確定輔助繞組na的匝數(shù)，輔助繞組給IC的供電。一般給供電電壓為16V。因?yàn)榇碳だ@組對輔助繞組鉗位，則(4-26)式中為的供電電壓，為二極管的正向壓降為0.5V。由于隨輸出負(fù)載的增加而增加，因此，將設(shè)定為的初始電壓，以避免正常工作期間出現(xiàn)過電壓保護(hù)。代入數(shù)值得：na=8.96，取na=9。確定初次級導(dǎo)線線徑：根據(jù)每個輸出的電流來確定每個繞線的直徑，電流密度一般取。初級電流有效值為：=0.348A，則：(4-27)R=0.149mm，則初級繞組的線徑為D=2*R=0.272mm，一般取0.28mm。次級電流有效值：I0=1.5A，則次級繞組的線徑為：(4-28)結(jié)果取0.5mm。輔助繞組的線徑通常沒有太多的關(guān)注，一般能繞下即可，則在本例中選用線徑為0.2mm的銅線即可。綜上所述，設(shè)計出變壓器的初級，次級，輔助繞組匝數(shù)依次為：52匝，7匝，9匝；初級，次級，輔助繞組線徑依次為：0.28mm，0.5mm，0.2mm。為了減少漏感，采用三明治繞法。4.5確定次級整流二極管(4-29)由于管子的應(yīng)力需求選用100V的二極管，考慮到二極管的散熱和次級二極管的反向恢復(fù)電流，我們選用一個100V20A的二極管。4.6確定輸出電容論文中要求的文波小于150mV，是輸出的負(fù)載電流，該電流文波值應(yīng)小于電容的文波電流的規(guī)格值，防止電流過熱，以便延長電容的壽命，保護(hù)電容。輸出上的電壓文波：(4-30)式中和是輸出電容器的電容值和有效串聯(lián)電阻ESR.由于電容器具有較高的ESR,所以有時候用一個電容是不能滿足文波要求的。所以選擇兩個電容并聯(lián)來滿足輸出端的文波要求。4.7RCD緩沖器的參數(shù)設(shè)計1．RCD緩沖原理如圖4-2所示：圖4-2RCD緩沖器圖4-2中：Vin輸入電壓，Lm初級電感，Lik為初級的漏感。當(dāng)MOS管開通時變壓器的Lm和Lik開始存儲能量，由于變壓器為異名端，且次級有二極管，變壓器的能量不會耦合到次級，但當(dāng)MOS管關(guān)斷時，初級電感的能量會傳遞到次級，但漏感的能量不會傳遞到次級，如果沒有RCD緩沖回路，在關(guān)斷瞬間，漏感會對MOS管的寄生電容和其他寄生電容進(jìn)行充電，MOS管將承受較高的電壓應(yīng)力，有可能使MOS擊穿。若加上RCD回路，當(dāng)MOS管關(guān)斷時，漏感會對MOS管的寄生電容充電，由于次級的導(dǎo)通，會對初級的電壓進(jìn)行鉗位，鉗位電壓為。漏感和主感同時對充電，當(dāng)上的電壓大于電壓時漏感將對RCD電容充電和電阻構(gòu)成回路，等放電完畢，這部分能量將消耗在RCD回路上。這就大大減小了MOS管的應(yīng)力[16]。確定RCD緩沖器的參數(shù)：RCD緩沖器的開關(guān)管漏極電壓如圖4-3所示：圖4-3RCD緩沖器的開關(guān)管的漏極電壓圖4-3中為次級反射到初級的電壓；為鉗位電容C兩端的鉗位電壓；為MOS管的擊穿電壓；為最大輸入直流電壓。2．確定鉗位電壓箝位電壓與開關(guān)管的及最高的輸入電壓有關(guān)，一般情況下考慮0.9降額系數(shù)，如下確定的值：=212V(4-31)3．測定初級繞組漏感一般通過測試得到初級繞組的漏感量，測量方法是：將各次級繞組短路，用儀器測此時初級繞組的感量，這個值既是初級繞組漏感。注意的地方在于測電感的頻率應(yīng)與芯片的工作頻率一致。經(jīng)過測試，初級漏感為154.確定RCD回路電阻RCD回路電容C兩端的電壓用表示，消耗在電阻R上的功率如下：(4-32)式中：：電阻消耗在RCD回路的功率。由能量守恒原則：(4-33)式中：：RCD電阻消耗的功率；W1：初級繞組漏感中的能量；將能量轉(zhuǎn)換為平均功率上式可變?yōu)椋?4-34)式中：為IC的工作頻率；：初級繞組的漏感量。這樣就可以得到RCD回路電阻的計算公式：89.5K(4-35)故選擇兩個51K的串聯(lián)。5．確定RCD回路電容RCD回路電容C的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感時自身的脈動電壓足夠小，通常取這個脈動電壓的為鉗位電壓的5%~10%，可通過下式來確定C的最小值。(4-36)代入數(shù)據(jù)：C>3.017*10-10F，這里選擇102pF的陶片電容。4.8反饋回路的參數(shù)設(shè)計1．反饋回路原理反饋回路的原理圖如圖4-4所示：圖4-4反饋示意圖2．確定反饋電阻因?yàn)?31的工作電流一般為100,所以在取反饋時的電路中的電流一般為1~5mA為431的工作電流的10倍，差不多能滿足要求。且反饋電阻上的電壓要和431內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓做比較，所以選取的電壓在=2.5V左右，以便取樣更加精準(zhǔn)，使得輸出電壓更穩(wěn)定。由此可以列出以下方程：=2.5mA(4-37)(4-38)可解得：=3.9，=1。3．確定光耦電阻光耦電阻應(yīng)被設(shè)計成能保證光耦正常工作，并切實(shí)反映次級電壓的變化，有前文所述，光耦的工作電流在1~100,較為理想的狀況為1。TL431的輸出電壓在2.5V-37V之間。由此可得出：(4-39)QUOTE(4-40)其中，為光耦的發(fā)光二極管的正向壓降（1V），為431輸出電壓為9V。代入數(shù)據(jù)可得：=0.51 ，=2.4。4.9Sense電阻大小的確定Sense電阻就是將流過MOS管的電流以電壓的形式體現(xiàn)，并與反饋回路構(gòu)成雙閉環(huán)，此電阻與反饋回路上的電壓通過比較器生成PWM波。另一方面，SENSE電阻也起到了過電流保護(hù)的功能，因?yàn)镮C中內(nèi)置了一個比較器，當(dāng)sense電阻上的電壓超過0.85V時，系統(tǒng)進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，IC將關(guān)閉。Sense電阻后的濾波電容和IC自帶的前沿消影技術(shù)，是消除MOS開通時產(chǎn)生的尖峰，防止IC誤觸發(fā)。所以確定sense電阻的大小時，是看系統(tǒng)正常工作時的最大尖峰電壓[18]。則：(4-41)代入數(shù)據(jù)可得：<1。Sense電阻也不可取得太小，防止當(dāng)過電流時，電路不保護(hù)。這里R的值取0.91。4.10安規(guī)電容的參數(shù)確定X電容和Y電容都屬于安規(guī)電容，X電容可以消除差模干擾，Y電容可以消除共模干擾，但當(dāng)斷開電源時，X電容上的能量無法快速釋放，可能會對人有一定的傷害，所以要有一個回路來將這部份能量消耗掉。本例中X電容規(guī)格為0.1uF，275V。Y電容規(guī)格為222pF，250V。4.11提高效率的方法1.提高待機(jī)效率的方法要提高待機(jī)效率，減小開關(guān)電源待機(jī)損耗，應(yīng)先分析開關(guān)電源中的損耗由哪些部分構(gòu)成。在反激電源中，工作損耗具體有：變壓器損耗，箝位保護(hù)電路損耗，開關(guān)損耗，MOS管的寄生電容損耗，MOS管導(dǎo)通損耗，反饋電路損耗，啟動電阻損耗，脈寬調(diào)制控制器損耗以及輸出整流管損耗。待機(jī)時，MOSFET導(dǎo)通時間較小，電路工作在斷續(xù)模式，主電路電流很小，所以次級整流管損耗，導(dǎo)通損耗等較小，此時的損耗大多數(shù)是由啟動電阻損耗，開關(guān)損耗和寄生電容損耗構(gòu)成。由以上的損耗分析可了解到，降低開關(guān)次數(shù)，減小開關(guān)頻率，切斷啟動電阻可適當(dāng)提高待機(jī)效率，減小待機(jī)損耗。具體可采用的的方法如下：(1)降低時鐘頻率時鐘頻率可平滑下降。平滑下降即當(dāng)反饋量超過一定的值后，通過系統(tǒng)特定的模塊，使時鐘頻率能夠線性下降。(2)切換工作模式開關(guān)電源工作在高頻工作模式時，在待機(jī)狀態(tài)下切換到低頻工作模式，能夠減小待機(jī)損耗。對于準(zhǔn)諧振式開關(guān)電源，可在待機(jī)時切換至低頻的脈寬調(diào)制控制模式PWM（幾十kHz）。當(dāng)電源處于待機(jī)或輕載時候，輔助繞組上的電壓偏小，Q1關(guān)斷，F(xiàn)B端不能接收到諧振信號，IC內(nèi)部的門限電壓大于FB端的電壓，準(zhǔn)諧振模式不能夠觸發(fā)，此時電路工作在更低頻的PWM控制模式。(3)切斷啟動電阻對于反激開關(guān)電源，啟動后控制芯片由輔助繞組供電，啟動電阻上壓降為300V左右。取啟動電阻47kΩ，消耗功率為2W。若提高待機(jī)效率，需要在啟動后切斷該電阻的通道?，F(xiàn)在的IC內(nèi)部有專門用于啟動的電路，可以在啟動后切斷該電阻的通道。若IC沒有專門的電路啟動，可以在串接電容在啟動電阻上，在啟動后，電阻損耗慢慢會下降到零。其缺點(diǎn)是電源不能自動重新啟動，如要再次啟動電路，必須斷開輸入端電壓，讓電容放完電后方可。(4)可控脈沖模式可控脈沖模式的另一個叫法是跳周期控制模式。是指當(dāng)電源在待機(jī)或輕載情況下，電路的一個部分由周期比脈寬調(diào)制控制器的周期大的信號控制，使脈寬調(diào)制的輸出脈沖呈周期性的失效或有效。這樣可以在頻率恒定的情況下，通過增大占空比，降低開關(guān)次數(shù)來提高待機(jī)和輕載的效率[19]。以上介紹的可控脈沖模式和降頻方法在提高待機(jī)效率的同時，當(dāng)然也會帶來其他問題。第一點(diǎn)是頻率降低后會導(dǎo)致輸出電壓文波的增加，其次如果頻率低于20kHz，可能會產(chǎn)生一部分的噪音。而在可控脈沖模式在關(guān)斷時期內(nèi)，若負(fù)載快速增長，輸出的電壓必然會較大幅度降低；如果輸出端電容值較小，電壓有可能會變成零。若使輸出端電容變大，從而使輸出端電壓文波變小，則成本會增加，而且系統(tǒng)動態(tài)性能也會收到影響。因此必須綜合考慮。2.提高產(chǎn)品負(fù)載效率的方法通常設(shè)計產(chǎn)品時，都會考慮到減少產(chǎn)品的負(fù)載損耗，從而達(dá)到高效、環(huán)保、節(jié)能的目的。設(shè)計師在考慮產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)以及選擇元器件的時候，會從以下幾點(diǎn)入手：(1)盡量采用高效MOS管；(2)讓電源的工作狀態(tài)處于CCM模式；(3)設(shè)計采用專利生產(chǎn)的變壓器；(4)整流管使用肖特器二極管。4.12本章小結(jié)這一節(jié)重點(diǎn)是介紹了怎么設(shè)計開關(guān)電源中的變壓器部分，以及其他重要元器件的選擇，在實(shí)際設(shè)計中，會用到mathcad軟件輔助計算。本節(jié)最后的提高效率部分，本應(yīng)該涉及計算以及比較部分，但由于時間問題，在此進(jìn)行了理論的分析。

第五章反激式開關(guān)電源的產(chǎn)品測試5.1基本測試根據(jù)前面的設(shè)計計算，和原理圖選擇有相應(yīng)特性的電子零件。然后進(jìn)行零件加工，焊接在PCB板的相應(yīng)位置便成成品的組裝。在檢查確認(rèn)無誤后首先加直流源CV模式下初步確定電源是否有電氣特性上的錯誤，測試輸出正常后方可在交流源上進(jìn)行各項(xiàng)測試。產(chǎn)品基本特性測試報告表5-1所示。表5-1產(chǎn)品特性測試報告TESTCONDITIONSampleNo.1INPUTVOLTAGE90VAC115VAC230VAC264VACNo-loadOutputVoltage(V)12.612.612.2612.2OutputVoltage(V)12.012.012.011.9InputCurrentatloadA(mA)401320202179Ripple&Noise(mV)100.8100.3101.998.5Efficiency(%)80.882.383.382.9OverLoad&ShortProtectionOKOKOKOKHi-pot4242VDC/3.5mA/1minuteOKOKOKOK依據(jù)表格，繪出輸入電壓與效率的曲線圖，如圖5-1所示。圖5-1電壓與效率關(guān)系圖由圖5-1可知，當(dāng)輸入電壓在220V左右的時候，效率最高。5.2波形分析1．Buck電容上的電壓和電流圖5-2BUCK電容上的電壓和電流從圖5-2可以看出，輸入電壓經(jīng)整流橋整流，再經(jīng)過Buck電容濾波后，得到了一個較為平滑的電壓波形。用電流探棒測出流過Buck電容的電流波形，并進(jìn)行局部放大，可以看出電容的電流在電壓波形的每個周期的上升時間充電，并且同時對后面的電路進(jìn)行供電。2.初級RCD回路上的電壓波形圖5-3RCD回路上的電壓波形由圖5-3可以看出當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，有一個尖峰電壓在RCD回路上產(chǎn)生，并且產(chǎn)生了一些震蕩，這個震蕩是二極管的寄生電容和RCD回路上的電容與變壓器的漏感產(chǎn)生的震蕩，在震蕩結(jié)束后，波形就變的很平滑，這就是典型的RC回路放電圖形。3．264V時MOS管上的Vds和Vgs波形圖5-4MOS管GS和DS上的電壓由圖5-4可知，=582V，小于MOS管的最高耐壓。所以MOS管的選擇是合理的。如圖所示在電壓上升的過程中有一個小拐點(diǎn)，這是因?yàn)镮C在給充電當(dāng)達(dá)到時，MOS管開始導(dǎo)通，MOS管的DS電流增加，電容在此時因DS電容的放電而放電，對電容的充電影響不大，當(dāng)MOS管的DS電壓下降至與相同的電壓時，電容大大增加，外部驅(qū)動對電容進(jìn)行充電，電容的電壓不變，電容上的電壓增加，而DS電容上的電壓繼續(xù)減小。當(dāng)MOS管的電壓降至飽和導(dǎo)通時的電壓時，電容減小并和GS電容一起由外部驅(qū)動充電，電容上的電壓上升至最大，DS電壓也達(dá)到最小，即穩(wěn)定的通態(tài)壓降。4．?dāng)嗬m(xù)模式時的Vds和Vgs圖5-5斷續(xù)時MOS管上DS和GS上的電壓如圖5-5所示，輕載時，電路將進(jìn)入斷續(xù)模式，即當(dāng)變壓器初級電感的能量釋放完，下一個周期還沒有到。這時如圖將會發(fā)生震蕩。其產(chǎn)生的原因是當(dāng)主感能量釋放完時，MOS管的寄生電容所存儲的能量將會變壓器初級電感發(fā)生LC震蕩。5.空載時的VCC電壓和Vds電壓圖5-6空載時VCC和Vds波形如圖5-6所示，當(dāng)空載時，為了維持輸出端的電壓，當(dāng)次級電壓下降時，IC通常會打幾個脈沖，對次級電容充電，以維持次級電壓，這通常就是我們所說的空載損耗。在給次級充電的同時同樣也給電容充電以維持IC的正常工作。6．Sense電阻上的電壓圖5-7Sense電阻上的電壓波形Sense電阻上的電壓實(shí)質(zhì)上是反映的Sense電阻上的電流的變化，如圖5-7所示，在MOS開通的瞬間，會有一個尖峰電壓，這就需要使用濾波器和IC自帶的前沿消影技術(shù)將這個尖峰去掉，防止出現(xiàn)在正常時出現(xiàn)過電流保護(hù)的誤動作。7.設(shè)計實(shí)物本次畢業(yè)設(shè)計所做出的實(shí)物如圖5-8所示。圖5-8硬件實(shí)物8．輸出的文波圖5-9輸出文波的波形如圖5-9所示，輸出電流的文波為96mV，滿足所要設(shè)計的要求。9.實(shí)測輸出電壓輸出電壓