一種新型開關電源的設計

1、華東交通大學理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）資料袋題目名稱學生姓名學 號專 業(yè)分 院指導教師姓名職 稱序號資料名稱袋內(nèi)有者劃并寫明份數(shù)序號資料名稱袋內(nèi)有者劃并寫明份數(shù)1任務書7答辯專家評審表2開題報告8答辯評分表3原創(chuàng)性申明9成績匯總表 4畢業(yè)設計（論文）10圖 紙 （ ）張 5指導教師評審表11軟件或程序光盤軟盤 （ ）張 6評閱人評審表12其 它綜合評定成績?nèi)A東交通大學理工學院Institute of Technology. East China Jiaotong University 畢 業(yè) 設 計（論 文） Graduation Design （Thesis）（20 20 年）題 目 一

2、種新型開關電源的設計 分 院： 電信分院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 05電氣（4）班 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起訖日期： 華東交通大學理工學院畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）是本人在導師指導下獨立進行的研究工作所取得的研究成果。設計（論文）中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料，均已在設計（論文）中特別加以標注引用，除此之外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。畢業(yè)設計（論文）作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設

3、計（論文）版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)設計（論文）作者完全了解學院有關保留、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交設計（論文）的復印件和電子版，允許設計（論文）被查閱和借閱。本人授權(quán)華東交通大學理工學院可以將本設計（論文）的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編畢業(yè)設計（論文）。（保密的畢業(yè)設計（論文）在解密后適用本授權(quán)書） 畢業(yè)設計（論文）作者簽名： 指導教師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日摘 要隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系益

4、密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。特別是隨著小型電子設備的應用越來越廣泛，也要求能夠提供穩(wěn)定的電源，以滿足小型電子設備的用電需要。開關電源具有高頻率、高功率密度、高效率等優(yōu)點, 被稱作高效節(jié)能電源。由于開關穩(wěn)壓電源具有這些優(yōu)點，基于這個思想設計了一個12V的低功率開關穩(wěn)壓電源，以滿足小型電子設備的供電需要。 本設計主要介紹了開關電源的發(fā)展歷程，未來發(fā)展趨勢，以及開關電源的優(yōu)缺點。本設計采用典型的反激拓撲開關電源結(jié)構(gòu)設計形式，以UC3842作為控制核心器件。采用場效應管作為開關器件，其導通和截止速度很快，導通損耗小，這就為開關電源的高效性提供保障。其次，控制電路以

5、UC3842芯片為控制核心，采用閉環(huán)控制模式，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)壓和限流。另外，對控制系統(tǒng)的過電流保護、過壓保護、過熱保護電路等保護電路進行了設計。關鍵詞：PWM；UC3842；開關電源；MOSFET AbstractWith the high-speed development of electronic technology, the application of the electronic system is more and more extensive, as well as the variety of the electronic equipment. The relation be

6、tween electronic equipment and our daily life is getting much closer day by day. As we know any kind of can work depending on some kinds of power supply which would have to be improved to meet the need of electronic equipment. Especially the popularization of the small-scale electronic equipment, it

7、 requires the steady power supply in order to meet the demand of small-scale electronic equipment.The switch power supply has such advantages as high frequency rates, strong power, high efficiency, and was called the energy-efficient power. In this way the switch power supply shown here is on 12V, i

8、n order to meet the needs of such power supply for the small-scale electronic equipment.The design of the main switch power supply on the course of development, future development rends, and the advantages and disadvantages of switching power supply. The design of a typical flyback topology switchin

9、g power supply design of the structure to control UC3842 as the core device. MOSFET used as a switching device, and its on-deadline fast, conduction losses small, which is the high efficiency switching power supply to provide protection.Secondly, the control circuit, Its control circuit is centered

10、on UC3842, uses a control that based regulation to realize the function is composed of analog of voltage-stabilization and current-limited. In addition, the safeguard circuit that mainly consists of over current, over heat, over voltage and circuit are studied and designed in the paper.Key words: Pu

11、lse Wide Moduation；UC3842；Switching Power Supply；MOSFET 目 錄摘 要1Abstract2目 錄3第1章 緒 論11.1 背景11.2 開關電源取代線性穩(wěn)壓電源11.2.1 線性穩(wěn)壓電源11.2.2 開關電源21.3 開關電源的發(fā)展方向41.4 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標51.5 課題簡介61.5.1 本課題的研究思路61.5.2 課題意義61.5.3 研究方法7第2章 開關電源的結(jié)構(gòu)形式82.1 DC/DC變換器82.1.1 非隔離式開關變換器82.1.2 隔離式開關變換器82.2 控制方式132.3 電流型反激式開關電源的控制方法142.3

12、.1 電壓型控制基本原理142.3.2 電流型控制的基本原理15第3章 設計方案173.1 開關電源的基本原理173.2 主電路拓撲的選擇183.3 控制電路的設計193.3.1 模塊的選擇193.3.2 UC3842的功能介紹193.4 反饋電路的設計213.4.1 線性光耦PC817的介紹213.4.2 精密可調(diào)穩(wěn)壓源TL431介紹213.5 電流取樣檢測電路設計223.6 濾波噪聲電路設計233.7 元器件選擇243.7.1 功率管的選擇243.7.2 輸入濾波電容器容量計算243.7.3 輸出整流二極管的選取243.7.4 輸出濾波電容的設計253.7.5 元器件選擇25第4章 電路圖

13、的設計與分析264.1 開關電源電路圖264.2 電路圖的分析274.2.1 啟動電路274.2.2 短路、過壓、欠壓保護電路274.2.3 整流濾波電路284.2.4 反饋電路284.2.5 尖峰電壓的減小294.2.6 仿真結(jié)果與分析29第5章 變壓器的設計315.1 變壓器的概述315.2 變壓器的設計步驟315.3 變壓器設計該注意的幾個問題33結(jié) 語35參考文獻36附錄1 開關電源原理圖38附錄2 元器件清單38后 記39第1章 緒 論1.1 背景隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電

14、源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制晶體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)控制集成芯片和絕緣柵場效應管MOSFET構(gòu)成。開關電源不僅體積小而且損耗低，故幾乎己應用在所有的電子設備中。隨著許多電器尺寸不斷減小，供電電源所占尺寸變得大得多，人們在降低開關電源的體積、重量等方面做了不少工作。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源

15、進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術(shù)領域的應用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關電源經(jīng)歷了三個重要發(fā)展階段。第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件 (SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成

16、電力電子模塊 (IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界函待解決的新問題之一。目前市場上的高頻開關電源大多采用晶閘管驅(qū)動，開關速度低、損耗大、噪聲也大，并且使高頻開關電源的頻率受到限制，從而縮小了它的使用范圍1。電源裝置是電力電子技術(shù)應用的一個重要領域，其中高頻開關式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。1.2 開關電源取代線性穩(wěn)壓電源1.2.1 線性穩(wěn)壓電源介紹開關電源前，先得介紹一下線性穩(wěn)壓電源，因為開關電源技術(shù)是在克服線性穩(wěn)壓電源缺點的基礎上發(fā)展起來的。開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源，由于主要功率調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，固而稱之為線性穩(wěn)壓電源。線性

17、穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。線性穩(wěn)壓電源的工作原理是:將來自電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過工頻變壓器降壓后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓及輸出濾波、反饋電路處理，最后輸出一個紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。線性穩(wěn)壓電源雖然可以滿足所需直流電壓的高低和供電質(zhì)量(精度、紋波等)的要求，但存在嚴重的缺點:(1) 功耗大，效率低，其效率一般只有30%40%。(2) 體積大，重量重，不能微小型化。(3) 濾波必須選用大容量的濾波電容。造成這些缺點的原因是:(1)從圖1-1的線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖可以看到，線性穩(wěn)壓電源使用了50Hz工頻降壓變壓器，這種變壓器效率通常只有80%90%，所以這樣不但增加了電源

18、的體積和重量，而且還大大降低了電源效率。(2)調(diào)整管在電源整個工作過程中一直是工作在晶體管特性曲線的線性放大區(qū)，調(diào)整管本身功率與輸出電流成正比。這樣調(diào)整管本身的功耗就會隨電源的輸出功率的增大而增大，使調(diào)整管急劇發(fā)熱。為了保證管子正常工作，除選用大功率管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。圖1-1線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖(3)線性穩(wěn)壓電源工作頻率較低，為50Hz，所以要降低輸出電壓中紋波電壓的峰值，就必須增大濾波電容的容量。正因為線性穩(wěn)壓電源的效率低、體積大、較笨重等原因，人們需要一種轉(zhuǎn)換效率高，小型輕便的新型電源。特別是在發(fā)生世界性能源危機的年代，如何節(jié)能降耗引起人們廣泛關注。隨著半導體器件的發(fā)

19、展，計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功率越來越強而它們的體積卻越來越小，這就是人們對效率高、小型輕便、性能良好的新型電源需求更加迫切，這些需求成了開關電源技術(shù)發(fā)展的源源不斷的動力2。1.2.2 開關電源開關電源是應用功率半導體器件，在一個電路拓撲中運行于“開關狀態(tài)，按一定規(guī)律控制開通和關斷，對電能進行處理變換而構(gòu)成的電源。典型開關電源的基本電路框圖如圖1-2所示。開關電源工作原理不同于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源，它是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性開通和關斷，通過控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對輸出電

20、壓進行采樣，并把所采樣信號送到控制電路進行比較放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的PWM脈沖占空比，最終輸出一個紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓2。圖1-2開關電源的基本結(jié)構(gòu)框圖與線性電源相比開關電源有如下優(yōu)點:(1)功耗小，效率高由圖1-2知，功率半導體器件在激勵控制信號的激勵下交替工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率高。這使開關器件功耗很小，電源效率大幅度提高，其效率可達80%以上。(2)體積小，重量輕從開關電源基本結(jié)構(gòu)框圖可以清楚看到，這里沒有采用笨重的工頻變壓器，再加上調(diào)整管上耗散功率大幅度降低以后又省去了較大的散熱片。因此開關電源的體積小，重量輕。(3)濾波的效率大為提

21、高，濾波電容的體積和容量大為減小開關電源工作頻率目前基本上是在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的1000倍，這使整流后濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波，效率也提高了500倍，在相同紋波輸出電壓的要求下，采用開關電源時的濾波電容容量只有線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量的1/10001/5000。(4)穩(wěn)壓范圍寬開關電源的輸出電壓是由激勵控制信號的占空比來調(diào)節(jié)的。輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能保證穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型（PWM）和頻率調(diào)制型(PFM)兩種。所以

22、開關電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓方法也較多。(5)電路形式靈活多樣比如:有自激式和他激式；單端式和雙端式；隔離型和非隔離型。設計者可發(fā)揮各種電路特長，設計出能滿足不同場合所需的開關電源。1.3 開關電源的發(fā)展方向1955年美國羅耶(GH.Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端，1957年美國查賽(Jensen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復時間的縮短等元器件改善，終于做成了

23、25千赫的開關電源。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等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。高頻開關電源自問世至今，已經(jīng)經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展，高頻化、小型化、模塊化、集成化、智能化、環(huán)?；允?1世紀開關電源的發(fā)展方向。（1）高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的主流電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變化技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。開關電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從10kHZ發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關頻率達到兆赫級的高頻開關電源。為高頻變換提供了物質(zhì)基礎，促進了現(xiàn)代電

24、源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。高頻化帶來了最直接的好處是降低原材料消耗、電源裝置小型化、加快系統(tǒng)的動態(tài)反應，進一步提高電源進入更廣闊的領域特別是高新技術(shù)領域，進一步擴展了它的應用范圍。（2）高效率作為電源，效率是重要的關鍵指標之一。高頻化的結(jié)果，使開關損耗顯著增加。因此，80年代后期以來，軟開關變換技術(shù)始終是電源技術(shù)研究的熱門課題。軟開關技術(shù)理論上可使開關損耗降為零。實際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由80%提高到90%以上，達到高頻率、高效率的功率變換。（3）電源電路的模塊化、集成化電源技術(shù)發(fā)展的特點是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術(shù)簡化了電源的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)在

25、通訊、電力獲得廣泛的應用，并且派生出新的供電體制分布式供電，是集中供電單一體制走向多元化。（4）電源設備的標準規(guī)范電源設備要進入市場，今天的市場意識超越區(qū)域融貫全球的一體化市場，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準則，電源設備生產(chǎn)廠家必須接受安全、EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等種種標準規(guī)范的認證3。1.4 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標衡量一臺穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來看，即容量大小(輸出電壓和輸出電流)、調(diào)節(jié)范圍大小、效率高低等，人們稱其為使用指標或性能指標；另一方面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來看，這些稱為電氣指標；更重要的是要看它的質(zhì)量高低，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)

26、量指標。下面重點介紹質(zhì)量指標。（1）穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)有絕對穩(wěn)壓系數(shù)和相對穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對穩(wěn)壓系數(shù)表示負載不變而輸入交流電壓變化時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓變化量U。與輸入交流電壓變化量Ui之比，即 （1-1）它表示輸入交流電壓變化Ui引起輸出電壓變化U。越小輸出電壓就越穩(wěn)定。這種表示方法在工程中常常用到相對穩(wěn)壓系數(shù)表示負載不變時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓U。的相對變化量Uo/U。與輸入交流電壓Ui的相對變化量Ui/Ui之比，即： （1-2）（2）電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率表示負載電流為額定值時輸入交流電壓在額定值上下變化10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量(百分數(shù))，即 （1-3）一般直流穩(wěn)壓電源的電壓

27、調(diào)整率為1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用絕對值表示。（3）負載調(diào)整率(也稱電流調(diào)整率)在交流電源額定電壓的條件下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，用百分數(shù)表示 （1-4）（4）輸出電阻(也稱內(nèi)阻)在額定輸出電壓的條件下，負載電流變化IL引起輸出電壓變化U。，則輸出電阻為 （1-5）（5）最大紋波電壓在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波(包括噪聲)電壓的絕對值大小，通常以峰值或有效值表示。（6）紋波系數(shù)Y在額定輸出電壓和額定電流條件下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓U。之比，即： （1-6）（7）溫度漂移和溫度系數(shù)環(huán)境溫度的變化會影響元器件參數(shù)的

28、變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化，稱為溫度漂移。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小，溫度每變化1所引起輸出電壓值的變化UoT稱為絕對溫度系數(shù)，單位是V/或mV/。溫度每變化1所引起的輸出電壓相對變化UoT/UoT稱為相對溫度系數(shù)。（8）漂移穩(wěn)壓電源在輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，經(jīng)過一定的工作時間后元器件參數(shù)的不穩(wěn)定也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫做漂移，快變化叫噪聲。在一般使用中只考慮漂移就可以了。表示漂移的方法有兩種，一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓值的變化Uot來表示；另一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓的相對變化Uot/Uot來表示?？疾炱茣r間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小

29、時或更長4。1.5 課題簡介1.5.1 本課題的研究思路基本思路是采用變頻技術(shù)和功率轉(zhuǎn)換電路，將工頻電壓整流并濾波后，經(jīng)輸入功率轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l方波交流電壓 (20kHz以上)后，再經(jīng)高頻變壓器降壓后根據(jù)反饋電壓實現(xiàn)直流電壓的恒定。利用UC3842模塊作為控制電路，反激電路為主電路拓撲，再加些保護環(huán)節(jié)，設計一個電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高的輸入為交流85V265V,輸出為直流12V的新型開關電源。1.5.2 課題意義隨著微型電子設備的發(fā)展，現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢是小型化、輕量化，而濾波電感、電容和變壓器在電力電子裝置的體積和重量占很大比例，提高開關頻率，可以相應地提高濾

30、波器的截止頻率，從而可以選用較小的電感和電容使得濾波器的體積減小。可見，電力電子裝置小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關頻率，實現(xiàn)開關電源的高頻化。本設計通過提高電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性，提高高頻開關電源的性能。研究開發(fā)低成本的各項性能優(yōu)良的高頻開關電源，適應微型電子設備的發(fā)展方向，符合節(jié)約能源、可持續(xù)發(fā)展的基本國情，對加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.5.3 研究方法在本課題中，先對開關電源的基本原理進行分析介紹，再對開關電源主電路的各個基本拓撲進行分析對比，和介紹了UC3842模塊的功能， 最后根據(jù)本次設計的技術(shù)參數(shù)選擇反激電路為主電路拓撲。采用的是PWM控制方式，

31、利用UC3842作為控制保護電路，精密可調(diào)穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817作為反饋電路，設計出性能優(yōu)良的開關電源。然后通過用Matalable對系統(tǒng)輸出的動態(tài)性能進行仿真分析。 第2章 開關電源的結(jié)構(gòu)形式2.1 DC/DC變換器DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。按輸入與輸出是否隔離可分為非隔離式開關變換器和隔離式開關變換器。2.1.1 非隔離式開關變換器非隔離式開關變換器在電氣上輸入與輸出不隔離的。可分為Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk電路、Zeta電路、Sepic電路。(1)Buck電路：降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于

32、輸入電壓Ui，極性相同。(2)Boost電路：升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。(3)Buck-Boost電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。(4)Cuk電路：降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。2.1.2 隔離式開關變換器隔離式開關變換器是高頻變壓器將變換器的一次側(cè)（輸入）與二次側(cè)（輸出）隔離。隔離式直流開關變換器分為如下的幾種:1、單端反激型開關電源變換器圖 2-1所示為單端反激型開關電源的主回路，當功率晶體管VT導通時，高頻變壓器的原邊電壓等于輸入電源電壓Ui ，其極性為

33、上正下負。與之對應的高頻變壓器副邊電壓為上負下正，此時整流二極管VD1承受的是反向偏置電壓，故不導通。負載RL流過的電流是靠輸出電容Co的放電電流來提供，此時，高頻變壓器將電能變?yōu)榇拍軆Υ嫫饋?。而在晶體管受控截止時，高頻變壓器原、副邊電壓極性改變，整流二極管VD1(和反相型開關電源中的續(xù)流二極管相對應)由反偏變?yōu)檎珜?，高頻變壓器就將原先儲存的磁能變?yōu)殡娔?，通過整流二極管向負載供電和向輸出電容CO充電。此電路的整流二極管VD1是在功率晶體管截止時才導通的。故稱此電路為反激型電路。單端反激式變換器輸出波紋電壓大，電壓和電流調(diào)整率低。要提高性能指標，可以增大濾波電容和輔助LC濾波器，或者在其二次

34、測再串聯(lián)一線性集成穩(wěn)壓器，這樣勢必增大體積和成本，消弱了本來具有的優(yōu)點。因此，單端反激變換器多用于100W左右的小功率電源，且對電源性能指標要求不嚴格的場合。圖2-1 單端反激型開關電源主回路2、單端正激型開關電源變換器圖2-2所示為單端正激型開關電源的主回路，當功率晶體管VT導通時，整流二極管VD1也同時導通。輸入電能通過整流二極管VD1傳遞給負載，同時將部分能量儲存在輸出回路(即高頻變壓器副邊回路)中的儲能電感L中，故這種開關電源稱為單端正激型開關電源。當功率晶體管VT截止時，電感L中的儲能流經(jīng)負載并通過二極管VD2續(xù)流釋放。VD1為整流二極管，VD2是續(xù)流二極管，L為儲能濾波電感，C0為

35、輸出濾波電容。繞組W3和VD3構(gòu)成磁復位電路，反激時將磁化能量返回至電源。圖2-2 單端正激型開關電源主回路3 、多端式變換器多端式變換器的主要回路最基本的有以下三種:推挽、半橋、全橋。（1）推挽電路如圖2-3所示。變壓器是具有中間抽頭的變壓器，原邊繞組W11和W12匝數(shù)相等，均為N1 ；副邊繞組W21和W22匝數(shù)也相等，均為N2 ，繞組間同名端如圖2-3所示。開關VT1和VT2均采用PWM控制方式，且開關VT1和VT2交替導通。變壓器右側(cè)的整流電路采用由二極管VD1和VD2構(gòu)成的全波整流電路，L2為輸出濾波電感，C為輸出濾波電容。推挽電路可看成是兩個正激電路的組合，這兩個正激電路的開關VT1

36、和VT2交替導通，故變壓器磁芯是交變磁化的。推挽電路中，開關VT1和VT2交替導通，在原邊繞組W11和W12兩端分別形成幅值為Ui的交流電壓。改變開關VT1和VT2的占空比，就可改變二次整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo 。開關VT1導通時，二極管VD1導通，開關VT2導通時，二極管VD2導通；當開關VT1和VT2都關斷時，二極管VD1和VD2都導通，各分擔電感電流的1/2。開關VT1或VT2導通時，輸出濾波電感L的電流逐漸上升；開關VT1和VT2都關斷時，電感L的電流逐漸下降。開關VT1或VT2關斷時承受的峰值電壓均為2Ui 。圖2-3 推挽式開關電源主回路（2）半橋電路如圖2-4

37、所示。變壓器是具有中間抽頭的變壓器，原邊繞組W1的匝數(shù)為N1 ；副邊繞組W21和W22匝數(shù)相等，均為N2 ，繞組間同名端如圖2-4所示。兩個容量相等的電容C1和C2構(gòu)成一個橋臂，由于電容C1和C2的容量大，故Uc1=Uc2=U2/2。開關VT1和VT2構(gòu)成另一個橋臂，VT1和VT2均采用PWM控制方式，且開關VT1和VT2交替導通。變壓器右側(cè)的整流電路仍采用由二極管VD1和VD2構(gòu)成的全波整流電路，L為輸出濾波電感，C4為輸出濾波電容。電容器C3用于隔直流成分，防止磁飽和的發(fā)生。在半橋型電路中，變壓器原邊繞組兩端分別連接在開關VT1和VT2的連接點和電容C1和C2的連接點。電容C1和C2的電壓

38、分別為Ui/2。開關VT1和VT2交替導通，使變壓器原側(cè)形成幅值為Ui/2的交流電壓。改變開關VT1和VT2的占空比，就可改變二次整流電壓Ud的平均值，也就改變了輸出電壓Uo 。開關VT1和VT2關斷時承受的峰值電壓均為Ui ，是推挽電路的1/2。故半橋電路適用于在輸入電壓較高的場合。圖2-4 半橋式開關電源主回路（3）全橋電路如圖2-5所示。變壓器原邊繞組W1的匝數(shù)為N1 ，副邊繞組W2匝數(shù)為N2 ，繞組間同名端如圖所示。開關VT1 、VT2和開關VT3 、VT4分別構(gòu)成一個橋臂，VT1 、VT2 、VT3 、VT4均采用PWM控制方式?；閷堑?個開關VT1 、VT4和VT2 、VT3同

39、時導通，同一橋臂上、下2個開關VT1 、VT2和VT3 、VT4交替導通。變壓器右側(cè)的整流電路采用，由二級管VD1 、VD2 、VD3 、VD4構(gòu)成的全橋整流電路，L為輸出電感，C2為輸出濾波電容。串接在變壓器一次繞組的電容器C1 ，和半橋電路的作用相同，用于隔直流成分，防止磁飽和發(fā)生。在全橋電路中，變壓器原邊繞組W1兩端分別連接在開關VT1 、VT2和開關VT3 、VT4的連接點。由于互為對角的2個開關同時導通，而同一橋臂上、下2開關交替導通，輸入電壓將逆變成為幅值為Ui的交流電壓，加在變壓器原邊。改變開關VT1 、VT4和VT2 、VT3的占空比，就可以改變二次整流電壓Ud的平均值，也就改

40、變了輸出電壓Uo 。每個開關斷態(tài)時承受的峰值電壓均為Ui ，是推挽電路的1/2。故全橋電路也適應在輸入電壓較高的場合。圖2-5 全橋式電路正激、反激式的占空比為： (2-1)全橋、半橋、推挽式的占空比為： (2-2)綜上所述,各種不同的隔離DC/DC變換電路有著各自不同的特點，應用場合也各不相同，表2-1給出了它們的比較。表2-1 各種不同的隔離DC-DC變換器的比較6電路類型主要特點輸入-輸出電壓關系S承受的最高電壓應用領域正激優(yōu)點：電路較簡單，成本低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單缺點：變壓器單向激磁，利用率低各種中、小功率開關電源反激優(yōu)點：電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單缺點：難以

41、達到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低小功率電子設備、計算機設備、消費電子設備電源全橋優(yōu)點：變壓器雙向激磁，容易達到大功率缺點：結(jié)構(gòu)復雜成本高，有直通問題，可靠性低，需要復雜的多組隔離驅(qū)動電路大功率工業(yè)用開關電源、焊接電源、電解電源半橋優(yōu)點：變壓器雙向激磁，沒有變壓器偏磁問題，開關較少，成本低缺點：有直通問題，可靠性低，需要隔離驅(qū)動電路各種工業(yè)用開關電源，計算機設備用電源等推挽優(yōu)點：變壓器雙向激磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個開關，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單缺點：有偏磁問題低輸入電壓的開關電源綜合以上各電路特點，結(jié)合此次設計的技術(shù)要求，決定選用隔離式中的反激電路作為主電路拓撲。2.2 控制方式

42、開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負載提供能量是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量提供，開關穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。改變接通時間Ton和工作周期T的比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”TRC。按TRC控制原理，有三種方式:(1)脈寬調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫為PWM)式。其特點是固定開關頻率，通過

43、改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。因開關周期也是固定的，這就為設計濾波電路提供了方便。其特點是受功率開關最小導通時間的限制，對輸出電源不能做寬范圍的調(diào)節(jié)；另外輸出端一般要接假負載，以防止空載時輸出高電壓。目前，集成開關電源大多采用PWM方式。(2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制(Pulse Frequency Modulation,縮寫為PFM)式。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比的。在電路設計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓頻率轉(zhuǎn)換器(例如壓控振蕩器VCO)改變頻率。其穩(wěn)壓原理是:當輸出電壓Uo升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減

44、小，Uo降低。PFM式開關電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接假負載。(3)混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。由于Ton和T均可調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合供實驗室使用的輸出電壓可以寬度范圍調(diào)節(jié)的開關電源。綜上所述各種控制方式有著不同的特點和應用場合，表2-2給出了它們的比較。表2-2 各種控制方式的比較控制方式PWM調(diào)制PFM調(diào)制混合調(diào)制特點重載時效率高電感電流波動較小輸出紋波小對電感要求不高低負載時效率高電感電流波動較大輸出紋波大對電感要求高結(jié)合了PWM和PFM調(diào)制的特點，可以在重載和輕載之間轉(zhuǎn)換適應場合重載輕載較寬

45、范圍采用現(xiàn)有的器件和電路技術(shù)，一般可使PWM開關電源工作在幾十kHz至于百kHz的開關頻率，電源裝置在重量、效率、可靠性、價格和外形尺寸方面可認為是最佳的，適合于中、大功率的應用場合。而且，采用一般的PWM調(diào)制方式，對元器件的要求也不會太高，很適合于實現(xiàn)設備的高性價比。所以本次設計采用PWM調(diào)制方式。PWM變換器由功率開關管、整流二極管及濾波電容等元器件組成。輸入輸出間需要進行電氣隔離時，可采用變壓器進行隔離和升（降）壓。PWM變換器的工作原理如圖2-6所示。由于開關工作頻率的提高，濾波電感L，變壓器T等磁性元件以及濾波電容C等都可以小型化。圖2-6 PWM變換器的基本工作原理脈寬調(diào)制(PWM

46、)控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，如圖2-7所示，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率7。圖2-7 PWM工作原理圖2.3 電流型反激式開關電源的控制方法開關電源的控制方法主要有電壓型和電流型兩種，由于本設計采用電流型控制，因此主要介紹電流型控制方法。在介紹之前，先簡單回顧電壓型控制，以突出電流型控制的優(yōu)點。2.3.1 電壓型控制基本原理早期的PWM開關電源的控

47、制系統(tǒng)采用電壓型控制。電壓型控制的基本原理，如圖2-8所示。它將對主輸出電壓的采樣信號KVo作為反饋信號與給定參考電壓Vref經(jīng)誤差放大器EA比較放大產(chǎn)生誤差電壓Vea，再經(jīng)PWM比較器與鋸齒波信號Vst進行比較，由驅(qū)動邏輯電路輸出占空比隨Vea可調(diào)的一系列脈沖信號，驅(qū)動控制開關功率管，從而達到穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出電壓Vo的目的。由圖2-8可知，在電壓型控制中，只有輸出電壓一個狀態(tài)變量作為反饋信號來實現(xiàn)閉環(huán)控制，屬于單閉環(huán)控制系統(tǒng)。它最大的缺點是開關電源電路中的電流未參與控制、作為獨立狀態(tài)變量存在著，因此功率變換器有兩個狀態(tài)變量，是一個二階系統(tǒng)。二階系統(tǒng)是一個條件穩(wěn)定系統(tǒng)，只有精心的設計控制電路，才能

48、保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。眾所周知，開關電源的電流都要流經(jīng)電感，故使輸出濾波電容上電壓信號對相應的電流信號產(chǎn)生90的時間延遲。而對于開關穩(wěn)壓電源來說，穩(wěn)壓過程實質(zhì)上是一個動態(tài)變化的過程，需要不斷地調(diào)節(jié)輸入電流以適應輸入電壓和負載變化的要求，進而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。因此，電壓型僅采用監(jiān)控輸出電壓的方法穩(wěn)壓，其瞬態(tài)響應速度緩慢，穩(wěn)定性能較差，甚至在大信號變動時會產(chǎn)生振蕩，從而造成功率開關器件的損壞等嚴重故障。輸出LC 濾波器對控制環(huán)增加了兩個極點，為了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，需要增加一個零點補償，使輸入反饋網(wǎng)絡復雜。另外，由于閉環(huán)回路開環(huán)增益隨輸入電壓而變，使得整個閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性補償問題更加困難。圖2

49、-8 電壓型控制的基本原理圖2.3.2 電流型控制的基本原理圖2-9所示為電流型控制的工作原理圖。它是一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在電壓外反饋控制環(huán)的基礎上，增加一電流控制內(nèi)反饋環(huán)節(jié)。不僅監(jiān)控主輸出電壓信號，也監(jiān)控原邊電感電流(或輸出電感電流)信號。因此電路中的電流不再以獨立的狀態(tài)變量存在，功率變換器由二階條件穩(wěn)定系統(tǒng)降為一階無條件穩(wěn)定系統(tǒng)。下面介紹其工作原理:電壓外環(huán)將采樣的主輸出直流電壓KVo通過誤差放大器EA與給定的參考電壓信號Vref相比較，得到放大了的誤差電壓信號Vea，然后送至PWM比較器倒相端直接與電流內(nèi)環(huán)采樣的原邊電感電流(或輸出電感電流)信號Vs，進行比較，由恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸

50、出脈沖信號，驅(qū)動控制功率開關管通斷。當電源回路的電流增大，電流采樣電阻上的電流信號電壓幅值Vs達到誤差門限電壓Von時，脈寬比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器置位，驅(qū)動撤除，功率管關斷。電路逐個檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，使檢測的峰值電流信號逐脈沖跟隨輸出誤差電壓信號的變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓的目的。這種控制方式改善了整個電源的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，提高了反饋系統(tǒng)的抗干擾能力，改善整個系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特性。圖2-9 電流型控制的工作原理圖綜上所述，本設計采用電流型控制。 第3章 設計方案3.1 開關電源的基本原理開關電源是將交流輸入(單相或三相)電壓變成所需的直流電壓的裝置?；镜母綦x式高頻開關電源的原理框圖

51、如圖3-1所示，高頻開關電源主要由輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護電路、輔助電源等幾部分組成。其基本原理是:交流輸入電壓經(jīng)電網(wǎng)濾波、整流濾波得到一直流電壓，通過高頻變換器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)過高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓。通過取樣、比較放大及控制驅(qū)動電路，控制變換器中功率開關管的占空比，便能得到穩(wěn)定的直流輸出電壓8。輔助電源PWM調(diào)制器誤差比較放大器電壓電流取樣電路標準電壓保護電路高頻整流濾波輸出高頻變換器高頻變壓器整流濾波EMI濾波器交流輸入 直流輸出圖3-1 開關電源基本原理設開關管的開關周期為T，在一個周期內(nèi)導通的時間為To

52、n，則占空比定義為Ton/T。在脈沖寬度控制中，保持開關頻率不變。通過改變Ton來改變占空比D，從而達到改變輸出電壓的目的。如圖3-2所示，如果占空比D越大，則經(jīng)濾波后的輸出電壓也就越高。圖3-2 PWM占空比的控制高頻開關電源由以下幾個部分組成：(1)主電路從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括： 輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。 整流濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。高頻開關變換器(DCAC):它把直流電壓變換成高頻交流電，經(jīng)過高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、

53、重量與輸出功率之比越小。輸出整流濾波:將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓。同時還防止高頻噪音對負載的干擾。電路原理與輸入濾波器相同。（2）控制電路:檢測輸出直流電壓，與基準電壓比較，進行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。一般控制電路還包括啟動及禁止電路。（3）保護電路:在開關電源發(fā)生過電壓、過電流或短路時，保護電路使開關電源停止工作以保護負載和開關電源本身。有的還有發(fā)出報警信號的功能。（4）輔助電源:為控制電路和保護電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源，以保證它們工作穩(wěn)定可靠。輔助電源可以是獨立的，也可以由開關電源本身產(chǎn)生。3.2 主電路拓撲的選擇我們知道PWM開關變換器按工作方式可分為:1、單端反激變