開關電源課程設計.doc

目錄一、引言21.1設計背景21.2設計基本要求2二、功率開關管的選擇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設計背景開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、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)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器（Full-Bridge Converter）。開關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開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(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設計基本要求（1）設計一款72V多路輸出的flyback拓撲開關電源。（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、功率開關管的選擇第一步是選用N溝道還是P溝道。這是設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。在低壓側(cè)開關中，應采用N溝道場效應管，這是出于對關閉或?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。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：決定開關性能。選擇場效應管的最后一步是決定場效應管的開關性能。影響開關性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。場效應管的開關速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。場效應管開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。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，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)動的功率管的關斷有利，因為當三極管VTl截止時，VT2導通，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關斷。 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、變壓器設計4.1估算輸入和輸出功率總的輸出功率：假設效率為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。在反激式開關電源中，固定不變，一般取值范圍85-165V，本設計計算取=110V。為主開關導通時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)法和磁芯面積乘法。本次設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、光耦信號傳輸電路電路中采用一片TOP104Y三端單片開關電源集成電路，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設