畢業(yè)設(shè)計(jì)論文小功率電源開關(guān)的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題 題： 小功率電源開關(guān)的設(shè)計(jì) 學(xué) 校： 陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 系 別： 電子工程系 專 業(yè)： 汽車電子技術(shù)班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)老師： 2011年4月 課 題 摘 要隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對(duì)其需求量日益增長(zhǎng), 并且對(duì)電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件igbt和mosfet的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價(jià)比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要

2、用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。本次設(shè)計(jì)采用典型的反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，以u(píng)c3842作為控制核心器件，運(yùn)用脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，有利于增大主電源的輸出功率。采用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開關(guān)電源的高效性提供保障。同時(shí)，電路中輔以過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，為系統(tǒng)的安全工作提供保障，本電路注意改善負(fù)載調(diào)整率,降低了電磁串?dāng)_，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。輸出電壓可調(diào)，使其可適用于不同場(chǎng)合。目次1 引言12 系統(tǒng)方案選擇和論證22.1 設(shè)計(jì)要求22.2系統(tǒng)基本方案22.3方案選

3、擇和論證32.3.1 主電路方案32.3.2 主電路功率模塊62.3.3 控制電路的選擇82.3.3 系統(tǒng)方案確定93 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)103.1系統(tǒng)硬件的基本組成103.2 主要單元的電路設(shè)計(jì)103.2.1 主要電路部分電路設(shè)計(jì)103.2.2 控制回路單元的設(shè)計(jì)154 主要元件介紹174.1 光電耦合器174.2肖特基二極管184.3 基準(zhǔn)電壓194.4 uc3842介紹20結(jié) 論22參考文獻(xiàn)24附錄一 元器件清單25附錄二 總原理圖261 引言電是工業(yè)的動(dòng)力，是人類生活的源泉。電源是生產(chǎn)電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指

4、標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。按照電子理論，所謂ac/dc就是交流轉(zhuǎn)化為直流；ac/ac稱為交流變交流，即為改變頻率；dc/ac稱為逆變；dc/dc為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。 自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（switching power supply）。2 系統(tǒng)方

5、案選擇和論證2.1 設(shè)計(jì)要求在電壓220v、50hz，電壓變化范圍+15% -20%條件下：（1） 輸出電壓可調(diào)范圍： +12v（2） 最大輸出電流： 10a2.2系統(tǒng)基本方案 開關(guān)電源通常由：輸入電路、功率轉(zhuǎn)換、輸出電路、控制電路、頻率振蕩發(fā)生器五大部分組成。如下圖所示：正激式變換器低通濾 波一次整 流電子開 關(guān)高頻變壓 器二次整 流平滑濾 波采樣輸 出基準(zhǔn)電 壓比較器放 大誤 差脈沖驅(qū) 動(dòng)脈 沖調(diào) 制直流輸出v0功率轉(zhuǎn)換輸入電路輸出電路控制電路頻率振動(dòng)發(fā)聲器圖2-1開關(guān)電源系統(tǒng)框架圖2.3方案選擇和論證2.3.1 主電路方案根據(jù)高頻變換器的工作方式，可分為正激式和反激式等多種。高頻變換器工

6、作時(shí)是利用一功率開關(guān)器件的高速通斷，從而使變換器進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為正激式；反之，即電子開關(guān)截止時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為反激式。方案一：采用正激式變換器開關(guān)電源正激式變換器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)，在一些對(duì)輸出電壓參數(shù)要求比較高的場(chǎng)合，經(jīng)常使用。圖2-2正激式變換器工作原理圖正激式變換器開關(guān)電源工作原理：所謂正激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。圖2-2是正激式變換器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖2-2中ui是

7、開關(guān)電源的輸入電壓，t是高頻變壓器，k是控制開關(guān)，l是儲(chǔ)能濾波電感，c是儲(chǔ)能濾波電容，d2是續(xù)流二極管，d3是削反峰二極管，r是負(fù)載電阻。需要特別注意的是高頻變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把高頻變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，圖2-2就不再是正激式變換器開關(guān)電源了。正激式變換器開關(guān)電源有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在控制開關(guān)k關(guān)斷的瞬間開關(guān)高頻變壓器的初、次線圈繞組都會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是由流過(guò)變壓器初線圈繞組的勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖2-2中，為了防止在控制開關(guān)k關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變換器中增加一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈n3繞組，以及增加了

8、一個(gè)削反峰二極管d3。方案二：采用反激式變換器開關(guān)電源反激式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變換器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。圖2-3反激式變換器工作原理圖ui是開關(guān)電源的輸入電壓，t是高頻變壓器，k是控制開關(guān)，c是儲(chǔ)能濾波電容，r是負(fù)載電阻。圖2-3（b）是反激式變換器開關(guān)電源的電壓輸出波形。方案三：采用半橋式變換器為了減小開關(guān)三極管的電壓承受電壓，可以采用半橋式變換

9、器，它是開關(guān)電源比較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容c1、c2與開關(guān)晶體管vt1、vt2組成變換器，如圖2-4所示。橋的對(duì)角線接高頻變壓器tr的初級(jí)繞組。如果c1、c2容量、耐壓均相等，在某一只開關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓vin的一半。在穩(wěn)定的條件下，vt1導(dǎo)通，c1上的電壓1/2 vin加在變壓器的初級(jí)線圈上。由于初級(jí)繞組和漏感的作用，電流繼續(xù)流入初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端。如果變壓器初級(jí)繞組漏感儲(chǔ)存的電能足夠大，二極管vd6導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。在vd6導(dǎo)通的過(guò)程中，反激能量對(duì)c2進(jìn)行充電。連結(jié)點(diǎn)a的電壓在阻尼電阻的作用下，以振蕩形式最后回到中間值。如果這時(shí)vt2的基極有觸發(fā)脈沖，則vt2導(dǎo)通

10、，初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端電壓變負(fù)，ip電流加上磁化電流流經(jīng)初級(jí)繞組和vt2，然后重復(fù)前面的過(guò)程。不同的是ip變換了方向。二極管vd5對(duì)三極管vt1的導(dǎo)通鉗位，反激能量再對(duì)電容c1進(jìn)行充電。圖2-4半橋式變換器工作原理圖方案四：采用橋式變換器開關(guān)電源橋式變換器由4只開關(guān)晶體管組成，與半橋式變換器相比多了兩只晶體管，如下圖所示。在一個(gè)電子開關(guān)周期中，4只晶體管中每一條對(duì)角線上的兩只管子為一組。它們的“開”和“關(guān)”與占空比有關(guān)。當(dāng)給vt1、vt3以等量觸發(fā)脈沖時(shí)，兩只晶體管同時(shí)導(dǎo)通，等到觸發(fā)脈沖消失后，兩只晶體管又同時(shí)截止。電源電壓經(jīng)vt1流入變壓器初級(jí)繞組np,并經(jīng)vt3到電源負(fù)極。在這一過(guò)程中，變壓

11、器初級(jí)電流ip逐漸升高。這時(shí)，變壓器的次級(jí)得到感應(yīng)電壓，使整流二極管vd1的電壓上升，vd2的電壓下降。這一變化的快慢是由次級(jí)繞組ns的漏感及二極管vd1、vd2的性能決定的。輸出大電流、低電壓時(shí)，工作頻率的影響更大。由于變壓器初級(jí)電壓增加，次級(jí)繞組的感應(yīng)電流也跟著上升，二極管vd2慢慢進(jìn)入反向偏置狀態(tài)，二極管vd1卻進(jìn)入正向?qū)?，電感l(wèi)的電壓緊跟著上升。l上的電感在反向電勢(shì)的作用下，對(duì)變壓器的初級(jí)繞組進(jìn)行“磁化”，“磁化”的結(jié)果是使vt1、vt3截止。vt2、vt4在vin電壓的作用下趨向?qū)ǎ珠_始了新一輪的“開”和“關(guān)”工作循環(huán)。橋式變換器和正激式變換器的輸出電壓相同。圖2-5橋式變壓器

12、2.3.2 主電路功率模塊功率開關(guān)器的選擇開關(guān)電源中的功率開關(guān)器件是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約60%是功率開關(guān)器件損壞引起的。用作開關(guān)的器件主要有大功率晶體管、mosfet管與igbt等。方案一：mosfet在開關(guān)電源中，用作開關(guān)功率管的mosfet幾乎全部都是n溝道增強(qiáng)型器件。這是因?yàn)閙osfet是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極性器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲(chǔ)存時(shí)間問(wèn)題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關(guān)速度。mosfet在大功率開關(guān)電源中用作開關(guān)，比雙極性功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所有類型的有源功率因數(shù)矯正器都是為驅(qū)動(dòng)功率mosfet而設(shè)計(jì)

13、的。mosfet功率管的特點(diǎn)（1） mosfet 是電壓控制型器件 因此在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)無(wú)需推動(dòng)級(jí)，電路較簡(jiǎn)單；（2） 輸入阻抗高，可達(dá) 108 以上； （3） 工作頻率范圍寬，開關(guān)速度快 ( 開關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百秒 ) 開關(guān)損耗?。?（4） 有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且 mosfet 的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作 hi-fi 音響；（5） 功率 mosfet 可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無(wú)需均流電阻。方案二：絕緣柵雙極性晶體管絕緣柵雙極性晶體管（igbt）是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為

14、6001800v，電流容量為100400a，關(guān)斷時(shí)間低至0.2s，在開關(guān)電源中作功率開關(guān)用，具有mosfet與之不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。igbt的特點(diǎn)：(1)igbt是一種電壓控制的功率開關(guān)器件：igbt等效于用mosfet做驅(qū)動(dòng)級(jí)的一種壓控功率開關(guān)器件。(2)igbt比mosfet的耐壓高，電流容量大：igbt導(dǎo)通時(shí)正載流子從p層流人n型區(qū)并在n型區(qū)積蓄，加強(qiáng)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這就使igbt在導(dǎo)通時(shí) 呈現(xiàn)的電阻比高壓（300v以上）mosfet低得多，因而igbt容易實(shí)現(xiàn)高壓大電流。前級(jí)是個(gè)電流較小的mosfet，允許導(dǎo)通電阻較大，n層可以適當(dāng) 地加厚，耐壓可以提高。(3)開通速度比mosfet快：由

15、于igbt中小電流mosfet的開通速度很快，在開通之初后級(jí)pnp型晶體管的基極電流上升很快，使igbt的開通速度不 但比雙極性晶體管快，而且開通延遲時(shí)間td（on）比同容量的mosfet還短。(4)關(guān)斷速度比mosfet慢：雖然igbt中前級(jí)mosfet的關(guān)斷速度很快，但后級(jí)pnp型晶體管是少子功率的開關(guān)器件，少數(shù)載流子要有復(fù)合、擴(kuò)散和 消失的時(shí)間，在電流迅速下降到約1/3時(shí)，下降速度明顯變慢，俗稱“拖尾”。后級(jí)pnp型管的集一射極之間有基一射極pn結(jié)壓降和mosfet的壓 降，故集一射極不進(jìn)入深飽和狀態(tài)，關(guān)斷速度較快。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，關(guān)斷速度也有明顯的提高。2.3.3 控制電路的選擇方

16、案一：tl494集成控制器 tl494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。 tl494管腳配置及其功能：tl494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖2-6是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器i的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加03.3v電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線懷變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為tl494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為

17、輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時(shí)為推挽輸出方式；14腳為5v基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10ma；15、16腳是誤差放大器ii的反相和同相輸入端。 圖2-6tl494管腳圖方案二：uc3842集成控制器uc3842是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)（unitrodc）公司開發(fā)的新型控制器件。利用uc3842設(shè)計(jì)的電流制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易現(xiàn)實(shí)。該穩(wěn)壓電源是目前實(shí)用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。2.3.3 系統(tǒng)方案確定 經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，決定

18、了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：（1）主電路模塊：采用正激式變壓器開關(guān)電源；（2）主電路功率模塊：功率開關(guān)晶體管的選擇采用功率開關(guān)mosfet；（3）控制電路：脈寬調(diào)制器選擇采用uc3842電源集成控制器。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1系統(tǒng)硬件的基本組成開關(guān)電源是進(jìn)行交流/直流（ac/dc）、直流/直流（dc/dc）、直流/交流（dc/ac）功率交換的裝置。這些變換由主電路和控制回路兩部分完成。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；控制回路按輸入、輸出的條件檢測(cè)、控制主回路的工作狀況。如果將控制回路集成化，就稱之為開關(guān)電源集成控制器；如果將主回路和控制

19、回路集成一起，就稱之為開關(guān)電源模塊化。開關(guān)電源集成控制器中一般包含有振蕩器、誤差放大器、pwm觸發(fā)器、狀態(tài)控制器，高品質(zhì)的還有高功率開關(guān)管、電流比較器以及各種功能保護(hù)電路等。3.2 主要單元的電路設(shè)計(jì)3.2.1 主要電路部分電路設(shè)計(jì)（1） emi濾波器及橋式整流電路餓的設(shè)計(jì)交流電壓由c1、l1、c2以及c3、c4進(jìn)行低通濾波。c1、c2組成抗干擾電路，用以仰制正態(tài)噪聲；c3、c4、l1組成抗共模干擾電路，用于仰制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)vd1至vd4橋式整流以及電解電容c5濾波后變成310v的脈動(dòng)直流電壓。圖3-1 濾波及整流電路（2） 高

20、頻變壓器的設(shè)計(jì)正激式變換器的占空比不得大于0.5，工作頻率應(yīng)低于100khz，這對(duì)高頻變壓器的和開關(guān)功率管來(lái)說(shuō)比較有利。輸入：85v265v，ac,50hz。輸出：12v/10a，dc。 工作頻率的確定工作頻率的確定，輸出電壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場(chǎng)效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大?，F(xiàn)選用100khz，電源效率取80%。工作周期為： 最大導(dǎo)通時(shí)間ton（max）的確定正激式變壓器的占空比d（max）應(yīng)該低于0.5 ，現(xiàn)選用d（max）=0.45 ，d（min）=0.2，得： 變壓器次級(jí)輸出電壓（vs）的計(jì)算這公式中vo為肖特基二極管的正向壓降，取值0.6v，vl為

21、濾波電感器的壓降，取值為0.4v。 變壓器匝數(shù)比（n）的計(jì)算變壓器初級(jí)的最低直流電壓為，一般設(shè)。 輸入功率的計(jì)算 表1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系尺寸磁芯型號(hào)a/h（max）b/h（max）c（max）d（max）有效截面積（mm2）輸出功率po（w）窗口面積be（mm2）50khz100khz150khz200khzee1616/812/644.51881216189ee1919/714/645201520304012.5ee2222/1119/866362030508019.5ee2525/1719/13764240559013018ee2828/1720/87.510.2785090140

22、20031.9ee3038/2121/171110.51159513021026052.9ee3535/2028/18111011012017030044042.5ee4040/2735/211211.513819029042055066.15ee4545/3038/23131215622035051065075根據(jù)輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系（見表1），選用ee35，其有效截面積。 變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算bm為磁通密度，實(shí)際應(yīng)用磁芯的最高溫度為100，可以選用0.3t以下。對(duì)于正激式變壓器，它是單向勵(lì)磁。考慮到剩磁問(wèn)題和工作頻率，現(xiàn)選用為0.2t。 反饋繞組的計(jì)算的最低啟動(dòng)電壓為16v，正常工作電

23、壓為20v，加上整流二極管的管壓降0.6v，所以反饋繞組的供電電壓為20.8v。 重新確定是否達(dá)到要求占空比： 占空比符合要求，未超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，匝數(shù)成立，假設(shè)可行。 扼流圈電感的計(jì)算扼流圈在電路中起著平滑濾波的作用，它的大小對(duì)輸出波紋電壓的大小似乎起不到很大的作用，但它對(duì)于維持負(fù)載最小電流卻起著很大的作用。中的電流在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下工作，不論哪種模式，只要輸入輸出電壓不變，電流波形的斜率不會(huì)因負(fù)載電流的增大或減小的改變。 實(shí)踐表明，在不連續(xù)工作狀態(tài)下，為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，占空比調(diào)節(jié)量的大小是由負(fù)載和輸入電壓變化量的大小同決定的。 當(dāng)輸出電流因負(fù)載變化而降低時(shí)，占空比較小，調(diào)節(jié)輸出電壓不變；

24、如果電路負(fù)載恒定，占空比下降，這時(shí)輸出電壓也會(huì)下降。這種現(xiàn)象是非常不好的，這是因?yàn)橹鬏敵龆罅魅﹄姼胁皇翘幱谶B續(xù)狀態(tài)。 增大扼流圈的電感，輸出回路雖然可以在工作連續(xù)模式下，但對(duì)電源的效率、體積以及安裝都會(huì)帶來(lái)限制，同時(shí)輸出電流變化率將出現(xiàn)較大的變化。認(rèn)真計(jì)算和調(diào)試選用扼流圈非常重要。流經(jīng)扼流圈的電流一般是輸出電流的20% 扼流圈的電感量l為要求輸出紋波電壓應(yīng)小于輸出電壓的1%。 計(jì)算變壓器初級(jí)電感量初級(jí)有效電流： 初級(jí)最大電流： 初級(jí)電感量： 求磁芯氣隙（3） 正激式變換電路設(shè)計(jì)所謂正激式是指變壓器的初級(jí)與次級(jí)同相位。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)是銅損低，因?yàn)槭褂脽o(wú)氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比

25、較小，輸出電壓紋波低；缺點(diǎn)是電路較為復(fù)雜，所用元器件多，如果有假負(fù)載存在，效率將降低。它適用于低電壓、大電流的開關(guān)電源，多用于150w以下的小功率場(chǎng)合。它還具有多臺(tái)電源并聯(lián)使用而互不受影響的特點(diǎn)，而且可以自動(dòng)均衡，而反激式卻不能做到這點(diǎn)。c13、vd7、r12是開關(guān)晶體管鉗位消噪電路；vd8是肖特基整流二極管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗損失在整流二極管上；rf是自動(dòng)恢復(fù)開工，它的功能是自動(dòng)恢復(fù)電阻，在電路中起著過(guò)流、短路保護(hù)作用。 圖3-2正激式變換電路原理圖3.2.2 控制回路單元的設(shè)計(jì)（1） 控制電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)是以u(píng)c3842為核心設(shè)計(jì)控制部件，根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)ac為220

26、v輸入、dc為12v輸出的單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。uc3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特點(diǎn)：固定頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比去控制輸出電壓。：工作頻率可高到500khz而不發(fā)生磁飽和，電壓調(diào)整率可達(dá)到0.01%，啟動(dòng)電流小于1ma。：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，調(diào)試容易，性價(jià)比高。：具有欠壓、過(guò)流、過(guò)壓等多種保護(hù)功能。是由uc3842構(gòu)成的開關(guān)電源電路，220v 市電由c1、l1 濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻rt1 限流，再經(jīng)vc 整流、c2 濾波，電阻r1、電位器rp1 降壓后加到uc3842 的供電端（腳），為uc3842 提供啟動(dòng)電

27、壓，電路啟動(dòng)后變壓器的副繞組的整流濾波電壓一方面為uc3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)r3、r4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端腳，為uc3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。腳和腳外接的r6、c8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500khz。r5、c6用于改善增益和頻率特性。腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)r7、r8 分壓后驅(qū)動(dòng)mosfef 功率管，變壓器原邊繞組的能量傳遞到副邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻r10 用于電流檢測(cè)，經(jīng)r9、c9 濾濾后送入uc3842 的腳形成電流反饋環(huán). 所以由uc3842 構(gòu)成的

28、電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)uc3842 的腳電壓高于1v 時(shí)振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過(guò)流而損壞。 圖3-3 uc3842構(gòu)成的開關(guān)電源(2) 反饋電路的設(shè)計(jì)關(guān)電耦合反饋控制是這樣的：ic2是關(guān)電耦合器，型號(hào)是nec2501。ic3是精密穩(wěn)壓源，型號(hào)是tl431。由ic3、r11、r12組成外部誤差放大器。誤差放大器的頻率響應(yīng)由c12、r10、r11決定。當(dāng)輸出負(fù)載變小時(shí)，r9用于提高輸出電壓的穩(wěn)定性。當(dāng)12v輸出電壓由于負(fù)載減輕而升高時(shí)，經(jīng)電阻r11、r12分壓后所得到的取樣電壓與精密穩(wěn)壓源的2.5v標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值必然增大，使ic3的陰極k的電位降低，發(fā)射二極管的

29、工作電流if上升，發(fā)光強(qiáng)度增大，通過(guò)光電耦合使光電接收三極管的電流ic升高。這樣使得開光電源控制集成電路ic1的腳的補(bǔ)充輸入電流增大，促使片內(nèi)對(duì)pwm比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使占空比減小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖3-4 反饋電路的設(shè)計(jì)4 主要元件介紹4.1 光電耦合器光電耦合器（optical coupler,oc）也叫光電隔離器（optical isolation,oi）,簡(jiǎn)稱光耦。它是一種以紅外光進(jìn)行信號(hào)傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實(shí)際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流控制，發(fā)出不同強(qiáng)度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光電反應(yīng)也是隨著光的

30、強(qiáng)弱改變而變化的。這就實(shí)現(xiàn)了“電光電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號(hào)傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向信號(hào)傳輸，輸入端和輸出端完全實(shí)現(xiàn)了隔離。不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。因?yàn)樗且环N發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高，而且體積小。可廣泛用于級(jí)間耦合、信號(hào)傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋回路，通過(guò)光電耦合器來(lái)調(diào)整、控制輸出電壓。達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過(guò)光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)本次開關(guān)電源時(shí)，對(duì)光耦的選取原則是：電流傳輸比ctr的允許選取范圍是80%250%。當(dāng)ctr為80%時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光

31、二極管需要較大的工作工作電流（>5.0ma）才能控制電路的占空比。這樣做的結(jié)果是增加了光電耦合器的功耗。當(dāng)ctr>250%時(shí)，若啟動(dòng)電流或輸出負(fù)載發(fā)生突變，有可能發(fā)生誤觸發(fā)，即誤關(guān)斷，影響正常工作。要采用線性良好的光電耦合器。因?yàn)楣怆婑詈掀骶哂辛己玫木€性時(shí)，電源控制調(diào)整十分有序，輸出穩(wěn)定可靠。因此，本設(shè)計(jì)中對(duì)光電耦合器的采用為：光耦nec2501。光耦nec2501參數(shù)如下：型號(hào)：nec2501；電流傳輸比ctr：80%160%；反向擊穿電壓v（br）ceo：40v；生產(chǎn)廠商：nec；封裝形式：dip44.2肖特基二極管肖特基二極管sbd（schottky bsrrier diod

32、e）是一種n型半導(dǎo)體器件，工作在低電壓、大電流狀態(tài)下，反向恢復(fù)時(shí)間短，只有納秒，正向?qū)▔航禐?.4v，而整流電流達(dá)數(shù)百安。它是最近在開關(guān)電源中應(yīng)用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和超快速恢復(fù)二極的方法是二者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降為0.3v，超快速恢復(fù)二極管的正向壓降啊0.6v。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過(guò)100v，它適合用在低電壓、大電流的開關(guān)電源中。因此，在本設(shè)計(jì)中肖特基二極管的采用為mbr1045。肖特基二極管mbr1045參數(shù)如下：型號(hào)：mbr1045；反向峰值電壓vrm：45；平均整流電流id：10a；反向恢復(fù)時(shí)間trr：<10ns；

33、生產(chǎn)廠商：motorola4.3 基準(zhǔn)電壓德州儀器公司（ti）生產(chǎn)的tl431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從vref（2.5v）到36v范圍內(nèi)的任何值，典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。 圖4-1該器件的電路符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（cathode）、陽(yáng)極（anode）和參考端（ref）。圖4-1 tl431電路符號(hào)和等效電路由圖4-2可以看到，vi是一個(gè)內(nèi)部的2.5v基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)ref端（同相端）的電壓非常接近vi

34、（2.5v）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著ref端電壓的微小變化，通過(guò)三極管圖4-2的電流將從1ma到100ma變化。當(dāng)然，該圖絕不是tl431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用tl431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路，理解電路都是很有幫助的。 圖4-2 tl431 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.4 uc3842介紹uc3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5v 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1v時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(rt×ct)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1a ；腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mw；腳為5v 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50ma 的負(fù)載能力。如圖4-3圖4-3 uc3842簡(jiǎn)化方框圖圖4-4 uc3842外部引腳圖結(jié) 論本次12v/10a開關(guān)電源設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)期間翻閱許多開關(guān)電源的相關(guān)資料，對(duì)開關(guān)電源主電路、功率開關(guān)