畢業(yè)設(shè)計(jì)論文多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、SHANDONG 2012年6月Abstract摘 要.IABSTRACT.II目 錄.III第一章 引 言.11.1 課題研究的背景及意義11.2 開關(guān)電源的技術(shù)動(dòng)態(tài)21.3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容2第二章 開關(guān)電源的原理.42.1 開關(guān)電源的基本原理42.2 開關(guān)電源的組成52.3 單端反激式拓?fù)浞治?2.3.1 工作原理52.3.2 基本關(guān)系式6第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì).93.1 技術(shù)指標(biāo)93.2 黑箱設(shè)計(jì)93.3 開關(guān)電源電路圖103.4 關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計(jì)113.4.1 控制器芯片UC3844113.4.1.1 UC3844的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能123.4.1.2 UC3844的特點(diǎn)143.

2、4.2 線性光耦合器PC817143.4.3 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431153.4.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)163.4.4.1 高頻變壓器作用163.4.4.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)173.4.5 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)193.4.6 功率MOSFET及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)203.4.6.1 功率MOSFET的選擇203.4.6.2 功率MOSFET控制電路及其參數(shù)選擇213.4.7 電壓反饋電路設(shè)計(jì)223.4.7.1 電路圖及原理223.4.7.2 元器件參數(shù)選擇223.4.8 輸入啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)233.4.9 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)243.4.9.1 電路原理圖243.4.9.2 元器件參數(shù)選擇243.4.10

3、 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)253.5 電路工作過程總結(jié)26第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)28參考文獻(xiàn)29致 謝311.1 課題研究的背景及意義1.2 開關(guān)電源的技術(shù)動(dòng)態(tài)高頻方面。許多國家都步入MHz級(jí)別，涌現(xiàn)出眾多新型高頻磁性材料，其寄生參數(shù)和磁損耗減小，散熱性增強(qiáng)，如56µm超薄鈷基非晶態(tài)磁帶，納米結(jié)晶軟磁薄膜也在研究。鐵氧體或其他薄膜材料可集成在硅片上等。高效方面。致力于減小功率器件的通態(tài)電阻、降低漏電流等。如高性能碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體器件，其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬，工作溫度高（可達(dá)600°C），通態(tài)電阻小，導(dǎo)熱性能好，漏電流極小，PN結(jié)耐壓高等等。電磁兼容方面。主要研究典型電路與系統(tǒng)的電磁干擾

4、建模；PCB板和電源EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件；強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體的危害；大功率開關(guān)電源EMC測(cè)量方法的研究等。新型電容器。研發(fā)適合于功率電源的新型電容器和超大電容。要求電容量大、等效電阻ESR小、體積小等。功率因數(shù)校正。許多國家也在研究性價(jià)比較高的功率因數(shù)校正技術(shù)。低壓大電流。微處理器性能的不斷提高，低壓大電流開關(guān)電源也隨之發(fā)展起來。例如電壓低達(dá)1.11.8V，而電流高達(dá)50100A的開關(guān)電源。另外，還有采用波形交錯(cuò)技術(shù)，探尋省略濾波電容的可行性等。開關(guān)電源還朝著模塊化方向發(fā)展。1.3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，然而這么多電子設(shè)備，精密儀器的背后都需要有個(gè)穩(wěn)定

5、輸出的電源做支持。從原有的線性穩(wěn)壓電源到現(xiàn)在的開關(guān)穩(wěn)壓電源，不論從體積、功耗、性能上，都有質(zhì)的飛躍，并且開關(guān)電源更容易實(shí)現(xiàn)多路不對(duì)稱輸出。這使得各種電子設(shè)備不同功能的需要都可以得到滿足。本課題主要研究的是輸出7路隔離電壓的反激式開關(guān)電源，研究?jī)?nèi)容如下：本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是采用全控型電力電子器件MOSFET作為開關(guān)，利用控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整并穩(wěn)定輸出電壓，主電路采用多路輸出單端反激式變換器結(jié)構(gòu)，采用UC3844控制芯片實(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用PC817、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合，作為反饋環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有電壓自我調(diào)節(jié)功能。開關(guān)工作頻率為50kHz，輸出7路隔

6、離的電壓。設(shè)計(jì)流程：1熟悉UC3844、PC817、TL431的結(jié)構(gòu)原理及作用。2多繞組高頻變壓器的設(shè)計(jì)。3輸出級(jí)設(shè)計(jì)。4MOSFET開關(guān)管的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。5由PC817、TL431組成的反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)。6輸入整流濾波電路和輸入啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。第二章 開關(guān)電源的原理2.1 開關(guān)電源的基本原理在線性電源中，功率晶體管工作在線性模式，線性電源的穩(wěn)壓是以犧牲調(diào)整管上的耐壓來維持的，因此調(diào)整管的功耗成為了線性穩(wěn)壓電源的主要損耗。與線性穩(wěn)壓電源不同的是，開關(guān)電源的功率開關(guān)管工作在開關(guān)（導(dǎo)通與截至）狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率開關(guān)管上的伏安乘積總是很小（在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，

7、電流?。?。功率器件上的伏安乘積就是功率開關(guān)管上所產(chǎn)生的損耗。不同于線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源更為有效的電壓控制方式是PWM（Pulse Width Modulation）控制方式，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，然后通過濾波電路來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。而開關(guān)電源多為對(duì)等幅脈沖進(jìn)行控制，脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸入電壓被斬成交流方波，其輸出幅值就可以通過高頻變壓器來升高或降低。通過改變高頻變壓器的二次繞組個(gè)數(shù)就可以改變電壓的輸出路數(shù)。最后這些交流脈沖波形經(jīng)過整流濾波后就得到所需的直流輸出電壓。開關(guān)電源的基本工作工程：1、交流輸入經(jīng)

8、整流濾波變成直流；2、控制器輸出高頻PWM信號(hào)控制開關(guān)管，將直流電壓斬波成高頻脈沖電壓加到高頻變壓器初級(jí)繞組上；3、高頻變壓器次級(jí)繞組感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載；4、反饋環(huán)節(jié)從一部分輸出電壓采樣得到誤差電壓，經(jīng)誤差放大后輸入到控制器，控制占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。32.2 開關(guān)電源的組成圖2-1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖AC/DC轉(zhuǎn)換電路是整流濾波電路。DC/DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分，有以下幾種基本類型：buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。因設(shè)計(jì)需求，本設(shè)計(jì)在主電路拓?fù)渖喜捎脝味朔醇な?。下面就?duì)這一結(jié)構(gòu)主電路進(jìn)

9、行討論分析。32.3 單端反激式拓?fù)浞治?工作原理圖2-2 單端反激式變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中變壓器的初級(jí)繞組與次級(jí)繞組同名端相反，為輸入直流電壓，開關(guān)S為功率開關(guān)管，C為輸出濾波電容，R為負(fù)載，為初級(jí)繞組電流，為次級(jí)繞組電流；和為輸出電壓和電流，參考方向如圖中所示。單端反激式變換器又稱電感儲(chǔ)能式變換器，其變壓器兼有儲(chǔ)能、變壓、隔離三重作用。所謂單端，指變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。當(dāng)功率開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，直流輸入電壓加在初級(jí)繞組上，在變壓器初級(jí)電感線圈中儲(chǔ)存能量，由于次級(jí)繞組感應(yīng)電壓為上負(fù)下正，使二極管D反偏截止，次級(jí)繞組中無電流，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)在初級(jí)電感中。當(dāng)S截止時(shí)，初級(jí)感應(yīng)電壓極

10、性反向，使次級(jí)繞組感應(yīng)電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管D導(dǎo)通，儲(chǔ)存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容C，同時(shí)給負(fù)載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流由電容C來提供，同時(shí)變壓器初級(jí)繞組重新儲(chǔ)能，如此反復(fù)。從以上電路分析可以看出，S導(dǎo)通時(shí)，次級(jí)繞組無電流；S截止時(shí)，次級(jí)繞組有電流，這就是“反激”的含義。根據(jù)次級(jí)繞組放電時(shí)間的不同，單端反激式變換器分為3種工作模式：不連續(xù)工作模式（DCM）、連續(xù)工作模式（CCM）和臨界工作模式。 基本關(guān)系式1共同關(guān)系式開關(guān)管S導(dǎo)通期間，流過初級(jí)繞組Np的電流線性增長(zhǎng)，其增量為式中T為開關(guān)周期，D為占空比。開關(guān)管S截止期間，流過次級(jí)繞組Ns的電流線性減小，設(shè)電

11、流減小的時(shí)間是，則流過Ns的電流增量為開關(guān)管S截止期間，Np上感應(yīng)電壓與電源電壓一起加在開關(guān)管S的DS級(jí)上，DS級(jí)承受的電壓為2連續(xù)工作模式如果電流連續(xù)，輸出電壓的表達(dá)式為3斷續(xù)工作模式S導(dǎo)通期間，變壓器初級(jí)繞組儲(chǔ)存的能量，所以電源輸入功率為如果電流斷續(xù)，S導(dǎo)通時(shí)起始電流為0，則，假設(shè)電路沒有損耗，輸入功率應(yīng)與輸出功率相等，設(shè)輸出負(fù)載電阻為，則有從而可以得到斷續(xù)模式輸出電壓的表達(dá)式為由式（2-7）可知，在斷續(xù)模式下，輸出電壓與輸入電壓和導(dǎo)通時(shí)間成正比，與負(fù)載電阻的平方根成正比。因此，斷續(xù)模式下負(fù)載不能開路。4第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 技術(shù)指標(biāo)本課題是針對(duì)現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)供電電源的需求，以220V市

12、電為能源供應(yīng)，經(jīng)整流濾波、高頻變壓器、再經(jīng)過輸出整流濾波，得到電子設(shè)備所需的5V、12V、+24V等電壓。本課題設(shè)計(jì)的電源主電路拓?fù)洳捎脝味朔醇な阶儞Q器結(jié)構(gòu)，采用UC3844作為PWM主控IC，以實(shí)現(xiàn)電壓和電流的雙閉環(huán)控制，從而提高負(fù)載調(diào)整率，電壓調(diào)整率，以達(dá)到電子設(shè)備對(duì)電源電壓穩(wěn)定性的要求，本電源開關(guān)頻率設(shè)定在50kHz，同時(shí)輸出7路相互隔離的電壓。技術(shù)指標(biāo)如下：1輸入：AC185250V，50/60Hz2輸出：5V/0.5A（4路），12V/1A，+24V/1A3開關(guān)頻率：50kHz4效率：大于80%5輸出文波：最大100mV（峰峰值）6輸出精度：5V，12V：最大5%24V：最大10%7

13、最大占空比：45%3.2 黑箱設(shè)計(jì)1總輸出功率：=58W2估算輸入功率：=72.5W3直流輸入電壓：=V=V4平均輸入電流：a最大平均輸入電流：=0.28Ab最小平均輸入電流：=0.21A5估算峰值電流：=5.5=1.22A6散熱：根據(jù)MOSFET反激式變換器經(jīng)驗(yàn)方法：損耗的35%是由MOSFET產(chǎn)生的，損耗的60%是由整流部分產(chǎn)生的，5%是由其他部分產(chǎn)生的。 效率80%時(shí)的損耗為14.5W。aMOSFET：=6.7Wb整流部分：=0.375W =1.8W =3.6W3.3 開關(guān)電源電路圖設(shè)計(jì)的完整開關(guān)電源電路圖如下：圖3-1 本設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路圖3.4 關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計(jì) 控制器芯片UC

14、3844UC3844 PWM控制IC是高性能頻率固定的電流型PWM控制器，它為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了一種電路簡(jiǎn)單、外圍元件少、帶負(fù)載能力強(qiáng)而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。這種控制IC的特點(diǎn)是：有一個(gè)可微調(diào)的振蕩器，用來精確地控制占空比；有一個(gè)經(jīng)過高溫補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓；一個(gè)高增益誤差放大器和一個(gè)電流感應(yīng)比較器；一個(gè)適用于功率MOSFET的圖騰柱大電流推挽輸出以及過壓過流保護(hù)功能。圖3-2 UC3844的引腳圖該芯片雖然只有8個(gè)管腳，但是卻有兩個(gè)閉環(huán)控制回路，一個(gè)為內(nèi)部誤差放大器所構(gòu)成的電壓閉環(huán)控制回路，它將輸出電壓反饋到第2管腳，同2.5V基準(zhǔn)電壓比較，形成誤差電壓。另一個(gè)為內(nèi)部電流感應(yīng)比較器所構(gòu)成的電流閉環(huán)控制回路

15、，變壓器初級(jí)繞組中的電流在反饋電阻Rs上產(chǎn)生的壓降，通過第3腳，與誤差電壓進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)PWM波的占空比。這兩個(gè)控制回路都是在固定頻率下工作的。1腳為補(bǔ)償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。2腳為電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2.5V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓。3腳為電流檢測(cè)輸入腳，外接電流檢測(cè)電阻，將流過初級(jí)繞組上的電流實(shí)時(shí)反饋到控制器，當(dāng)3腳電壓等于或高于1V時(shí)，電流檢測(cè)比較器輸出高電平，復(fù)位PWM 鎖存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，起到過流保護(hù)作用。4腳外接定時(shí)RC網(wǎng)絡(luò)，用以確定振蕩器的工作頻率，其頻率通過式確定。5腳是地，是控制電

16、路和電源的公共地。6腳為輸出端，采用圖騰柱式輸出，最大峰值電流為1A，能直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的柵極。7腳為集成電路的正電源，其開啟電壓為16V，關(guān)閉閥值為10V。一旦芯片開始工作，該芯片就能在10-16V之間波動(dòng)的電源供電條件下正常工作，6V的差值電壓可有效地防止電路在給定工作電壓附近振蕩。當(dāng)開關(guān)電源通電瞬間，高壓直流電通過一個(gè)大阻值的電阻降壓供給UC3844，當(dāng)7腳的電壓大于16V時(shí)，芯片立即啟動(dòng)，此時(shí)啟動(dòng)電流小于1mA，此時(shí)無輸出，6腳輸出正脈沖，使變壓器也啟動(dòng)工作，變壓器一路輸出繞組專門給UC3844供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時(shí)的工作電流約為15mA。在第7腳設(shè)有一個(gè) 34V的

17、齊納管穩(wěn)壓管，用于保證其內(nèi)部電路絕對(duì)工作在34V以下，防止高壓可能帶來的損壞。8腳為基準(zhǔn)電壓輸出，產(chǎn)生精確的+5V基準(zhǔn)電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達(dá)50mA。通常我們通過測(cè)量該腳是否有穩(wěn)定的+5V輸出來判斷該IC是否正常工作。UC3844的最大的優(yōu)點(diǎn)就是外圍元件少，外電路裝配簡(jiǎn)單，且成本低，適用于20100W小功率開關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。3.4.1.2 UC3844的特點(diǎn)UC3844具有如下特點(diǎn)：(1)電壓調(diào)整率(抗電壓波動(dòng)能力)非常好(2)有很好的負(fù)載調(diào)整率(3)頻響特性好，穩(wěn)定幅度大(4)過流限制特性好(5)具有過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能。(6)UC3844控制的開關(guān)電源工作占空比D

18、<50%5 線性光耦合器PC817光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號(hào)的器件。通常是把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)如圖3-4。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器（發(fā)光二極管）發(fā)出強(qiáng)弱光線，照射在受光器（光敏晶體管）上，受光器接受強(qiáng)弱不同的光線后導(dǎo)通程度也不同，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流從輸出端輸出，實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦只能傳輸開關(guān)信號(hào)，不能傳輸模擬信號(hào)。線性光電耦是一種與普通光耦不同的新型光電轉(zhuǎn)換器件，它可以傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，輸入信號(hào)的強(qiáng)弱不同，發(fā)光器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)弱的光信號(hào)，從而使受光器的導(dǎo)通程度也隨光信號(hào)強(qiáng)弱的不同而輸出的電壓或電流強(qiáng)度也隨之不同

19、并具有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 PC817屬于線性光電耦合器，可以傳輸模擬信號(hào)。7PC817內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4所示：圖3-4 PC817內(nèi)部框圖圖3-5為PC817集電極發(fā)射極電壓V 與發(fā)光二極管正向電流的關(guān)系：3.4.3 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431本課題所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用三端穩(wěn)壓器TL431構(gòu)成。在反饋電路中用TL431與輸出采樣電壓進(jìn)行比較，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到UC3844的電壓反饋端。TL431是2.536V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其價(jià)格低廉，可廣泛應(yīng)用于精密線性穩(wěn)壓電源和單片精密開關(guān)電源中。它可以輸出2.536V連續(xù)可調(diào)電壓，工作電流范圍寬達(dá)0.1100mA，動(dòng)態(tài)

20、電阻典型值為0.22歐，輸出雜波低。TL431的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖3-6所示。圖3-6 TL431的電氣符號(hào)圖和等效電路圖圖中，A為陽極，需接地使用；K為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源；是輸出電壓的設(shè)定端，根據(jù) ，外接電阻分壓器選擇不同的和的值可以得到從2.536V范圍內(nèi)連續(xù)輸出電壓。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證陰極電流要大于1mA，以保證TL431正常工作。6 高頻變壓器的設(shè)計(jì).1 高頻變壓器作用高頻變壓器是開關(guān)電源的重要組成部件，它不僅是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹饕骷夷軌驅(qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的電器隔離。其性能的好壞不僅影響變壓器本身的效率和發(fā)熱量，而且還會(huì)對(duì)開關(guān)電源的整體性能和可靠性產(chǎn)

21、生極大的影響。因此，全面分析設(shè)計(jì)變壓器的材料、損耗、磁通密度、制造工藝就顯得尤為重要。當(dāng)控制IC輸出一個(gè)導(dǎo)通脈沖到MOSFET的柵極時(shí)，MOSFET飽和導(dǎo)通，變壓器初級(jí)繞組中電流逐漸增加，而此時(shí)初級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使輸出回路的整流二極管截止，次級(jí)繞組中無電流，能量以磁能的形式存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中。當(dāng)截止脈沖到來時(shí)，根據(jù)楞次定律，次級(jí)產(chǎn)生與之前方向相反的感應(yīng)電壓，使整流二極管立即導(dǎo)通，次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓向輸出濾波電容充電，即把能量從初級(jí)繞組傳遞到次級(jí)的輸出電容中，并給負(fù)載供電。變壓器周而復(fù)始的經(jīng)歷上述能量的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換過程，從而實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。.2 高頻變壓器的設(shè)計(jì)1、選擇變壓器的磁芯及材料用于

22、開關(guān)電源的高頻變壓器磁芯都是鐵磁合金，實(shí)際應(yīng)用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等。選擇磁芯時(shí)最重要的考慮因素是在工作頻率點(diǎn)處的損耗和磁密，因此正確的選擇高頻變壓器磁芯，對(duì)變壓器性能發(fā)揮至關(guān)重要?？紤]到價(jià)格的因素，本設(shè)計(jì)選用國產(chǎn) NCDLPZ材料的鐵氧體磁芯。確定磁芯規(guī)格可以根據(jù)制造廠提供的圖表，按輸出功率來選擇磁芯，例如下表：輸出功率/WMPP環(huán)形磁芯直徑/（in/mm)E-E、E-L等磁芯(每邊)/(in/mm)<50.65(16)0.5(11)<250.80(20)1.1(30)<501.1(30)1.4(35)<1001.5(38)1.8(47)<2502.0

23、(51)2.4(60)表3-1 輸出功率與大致的磁芯尺寸的關(guān)系58W可選用每邊約35mm的EE35/35/10材料為PC30磁芯，磁芯有效截面積=100，=188， 磁芯重量W=40.6g。1.計(jì)算初級(jí)臨界電感2.計(jì)算磁芯氣隙其中，為磁芯有效截面積，單位為最大工作磁通密度，單位G為最小初級(jí)電感，單位H3.計(jì)算一次繞組最大匝數(shù)查表可知，EE35/35/10磁芯的=120nH/N2為方便次級(jí)繞組設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)取=111砸4.計(jì)算二次主繞組匝數(shù)VD采用肖特基二極管，典型值為0.6V5.計(jì)算其他次級(jí)繞組匝數(shù)DC12V繞組：6.75取7匝DC+24V繞組：13.2取13匝6.檢測(cè)輸出電壓誤差電壓誤差均符合

24、設(shè)計(jì)要求7.計(jì)算和選取繞組導(dǎo)線規(guī)格式中： 為相應(yīng)繞組直徑，單位為；為相應(yīng)繞組額定電流，單位為A；為電流密度，單位為A/，AWG標(biāo)準(zhǔn)J=1.98A/；初級(jí)繞組最大電流有效值為：初級(jí)繞組線徑：=0.55mmDC5V繞組：=0.568mmDC12V繞組：=0.803mmDC+24V繞組：= 0.803mm初級(jí)繞組：#23 AWG，單股DC5V繞組：#23AWG，2股DC12V和DC+24V繞組：#22AWG，2股 輸出級(jí)的設(shè)計(jì)由于本課題設(shè)計(jì)的是離線式開關(guān)電源，并且考慮成本原因，采用無源輸出級(jí)。無源輸出級(jí)就是基于傳統(tǒng)的無源半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的。它在電源效率為72%84%之間是可以接受的。輸出整流電路原理圖

25、如圖所示 圖3-7 輸出整流電路輸出整流管宜采用正向壓降小的肖特基二極管，這樣可以減少損耗，其反向恢復(fù)時(shí)間短，不僅可以降低損耗，并且可以減小噪聲干擾。對(duì)電源效率的提高也是很有幫助的。對(duì)于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：DC5V：=15V ，采用2GWJ42DC12V：=35V，采用2GWJ42DC+24V：=66V，采用HRP34第一級(jí)濾波電容的選擇由下式確定：其中： 是輸出端的額定電流，單位為A；是在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比（估計(jì)值為0.3是比較合適的）；是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV。第二級(jí)經(jīng)LC濾波使不滿足文波要求的電壓再次濾波。通常濾波電感可以選擇0.3H，輸出濾波電容器不僅要考慮

26、輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負(fù)載電流的變化，在這里可以選擇100F。16 功率MOSFET及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)功率MOSFET的主要作用是將直流輸入電壓斬波成PWM電壓。為了完成此功能，功率MOSFET需要工作在導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，這樣可降低功率器件損耗。忽略變壓器漏感尖峰電壓，功率MOSFET的最小電壓應(yīng)力為：考慮到變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，并留有裕量，取VDSS為800V或者1000V的管子，本設(shè)計(jì)中Ipk=1.22A選用800V/1.8A IRFBE20。圖3-8 控制電路及MOSFET電路圖UC3844的8腳的+5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過給充電，再經(jīng)過芯片內(nèi)部電路放電，于是在第4腳就得到鋸

27、齒波電壓，其頻率為開關(guān)頻率、構(gòu)成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用于改善誤差放大器的頻率特性。為MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電阻，一般取1020，這里選用1514 電壓反饋電路設(shè)計(jì)考慮到控制器的安全性，一般都采用光耦隔離反饋電壓。為了減小光耦合器的漂移，二次側(cè)需要一個(gè)誤差放大器，本設(shè)計(jì)采用TL431構(gòu)成誤差放大器。對(duì)于多路輸出的電源來講，輸出端的交叉調(diào)整性能是個(gè)不可忽視的問題。若只對(duì)一路輸出進(jìn)行反饋，則當(dāng)未檢測(cè)輸出端負(fù)載變化時(shí)，被檢測(cè)的輸出端電壓波動(dòng)很小，但未檢測(cè)的輸出端電壓的變化并不能完全通過變壓器耦合到反饋端，因此不能對(duì)其有效調(diào)節(jié)，導(dǎo)致其他輸出端電壓波動(dòng)較大。多路輸出檢測(cè)通常是把上臂檢測(cè)電阻用多個(gè)并聯(lián)電阻代替，分別接

28、到不同的輸出端。每個(gè)輸出端被檢測(cè)的電流百分比，即表示了該輸出端被調(diào)節(jié)的程度。圖3-9 電壓反饋電路由于本設(shè)計(jì)對(duì)5V電壓要求較高，所以5V輸出端被檢測(cè)電流占60%，12V和24V各占20%。取R10為1%精度的電阻，其值為2.49，則實(shí)際檢測(cè)電流為Is=2.5V/2.49=1.004mA。則取4.12 （3-9）取47.5 （3-10）取107 （3-11）取=470，TL431的=20mA，PC817的=3mA，則上的壓降為由PC817芯片資料可知，其發(fā)光二極管的正向?qū)▔航档湫椭禐?.2V，則上的壓降，又知流過的電流，因此的值為3.4.8 輸入啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電路圖如下：圖3-10 啟動(dòng)電路圖

29、電源通過啟動(dòng)電阻給電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到UC3844的啟動(dòng)電壓門限值（+16V）時(shí)，UC3844開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由6 端輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作。隨著UC3844的啟動(dòng)，的工作也就基本結(jié)束，7腳電壓可以小于16V，余下的任務(wù)交給輸出繞組Ns12V，由輸出繞組Ns12V來為UC3844 供電，由于UC3844穩(wěn)定工作后。由于輸入電壓超過了UC3844 的工作電壓，為了避免意外，用穩(wěn)壓管限定UC3844 的輸入電壓，取的穩(wěn)定電壓為18V，可以選擇IN4746穩(wěn)壓二極管。阻值的計(jì)算：穩(wěn)壓管IN4746的穩(wěn)定電流為UC3844的啟動(dòng)電流小于1mA，按1mA計(jì)算，則3.4.9 輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)對(duì)于

30、市電供電的開關(guān)穩(wěn)壓電源，輸入整流濾波電路的設(shè)計(jì)是必須的，但是相對(duì)于其他電路部分，輸入整流電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于電源的可靠性和對(duì)電網(wǎng)的影響也有較大的影響。輸入整流濾波電路通常由：EMI濾波器、浪涌電壓電流抑制器、整流器和濾波電容組成。許多交流輸入的場(chǎng)合有些電源還帶有PFC功率因數(shù)校正電路，以減小電源對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。圖3-11 輸入整流濾波電路C1、C2為抑制串模干擾，其容值不需要很大，一般取0.010.47薄膜電容，這里取0.1/400V的薄膜電容。共模扼流圈L，對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的阻抗，他通常由線圈繞在高磁導(dǎo)率、低損耗的鐵氧體磁環(huán)上制作完成的。其電感通常取幾毫亨至十幾微亨

31、，視額定電流而定。這里選擇L值為8mH。C3、C4跨接在輸出端接地，能有效抑制共模干擾。一般采用陶瓷電容，電容量在22004200pF之間。這里取3300pF。為了降低500kHz以下的傳導(dǎo)噪聲，一般VD1、VD3采用快恢復(fù)二極管，這里取FR156，VD2、VD4取1N4007.輸入濾波電容C5的選取可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：在AC85265V輸入時(shí)，一般（23）/W。這里取220/400V鋁電解電容。 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保護(hù)電路包括過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠壓鎖定、尖峰沖擊電壓保護(hù)等。以下將就幾種保護(hù)電路做個(gè)詳細(xì)的介紹。1輸入保護(hù)a一般在輸入端加熔絲管，這里用2A的熔絲管較為合理。b負(fù)溫度系數(shù)熱敏

32、電阻NTCR。其特性為其阻值隨溫度升高而降低。它能有效減小電源接通瞬間，電流對(duì)電路的沖擊。這里選擇8-101NTCR，標(biāo)稱阻值為10，額定電流為1A。c壓敏電阻VSR。其特點(diǎn)是，工作電壓寬，耐沖擊電流能力強(qiáng)，漏電流小，電阻溫度系數(shù)低，價(jià)格低廉，體積小。壓敏電阻對(duì)沖擊電壓有較好的鉗位作用。這里選取MY31-270/3，標(biāo)稱值220V。2、過流保護(hù)過流保護(hù)電路主要通過檢測(cè)上流過的電流并通過和濾波后，反饋回UC3844，與其內(nèi)部的1V基準(zhǔn)電壓比較，使導(dǎo)通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3844停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場(chǎng)效應(yīng)管截止，達(dá)到保護(hù)MOSFET和電路的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動(dòng)恢復(fù)

33、正常工作。因?yàn)镮pk=1.22A，因此。3、MOSFET尖峰電壓沖擊保護(hù)由于場(chǎng)效應(yīng)管在由飽和導(dǎo)通進(jìn)入截止的瞬間，急劇變化的漏極電流會(huì)在高頻變壓器初級(jí)繞組上感應(yīng)出反向電動(dòng)勢(shì)，加上變壓器漏感產(chǎn)生的浪涌尖脈沖直接加在MOSFET漏極，其峰值可達(dá)到直流輸入電壓的數(shù)倍，它們與直流輸入電壓疊加，MOSFET很容易因此擊穿。通常的做法是在MOSFET漏源級(jí)之間加二極管RC網(wǎng)絡(luò)鉗位或吸收尖峰電壓。本設(shè)計(jì)中，和，共同組成了尖峰電壓鉗位電路。以，為例，其作用是通過給充電，把尖峰電壓鉗位在安全值以下，然后通過將吸收的浪涌尖峰電壓以熱量形式釋放掉，從而保護(hù)了功率MOSFET。17183.5 電路工作過程總結(jié)1、電路的

34、啟動(dòng)過程交流市電經(jīng)過整流電路得到的直流電壓分成兩路：一路經(jīng)高頻變壓器初級(jí)繞組Np直接加到MOSFET的漏極；另一路經(jīng)啟動(dòng)電阻向C8充電，為UC3844提供啟動(dòng)電壓，加到控制芯片UC3844的第7腳，當(dāng)?shù)某潆娭颠_(dá)到16V時(shí)，控制芯片啟動(dòng)工作，此過程稱為電源的“軟啟動(dòng)”。為防止沖擊電壓對(duì)UC3844造成損壞，在其第7腳和地之間加入一個(gè)18V穩(wěn)壓管。其中，8腳產(chǎn)生的5V基準(zhǔn)電壓通過對(duì)進(jìn)行充電，在第4腳上形成鋸齒波電壓信號(hào)，其頻率就是電源的工作頻率。鋸齒波信號(hào)進(jìn)入U(xiǎn)C3844內(nèi)部振蕩器，產(chǎn)生頻率固定的振蕩信號(hào)，經(jīng)脈寬調(diào)制和推挽式輸出級(jí)放大后，在第6腳輸出柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使MOSFET導(dǎo)通，開關(guān)電源+12

35、V的輸出繞組，由+12V輸出電壓給UC3844提供工作電壓。212、開關(guān)電源儲(chǔ)能過程當(dāng)MOSFET導(dǎo)通以后，直流電壓經(jīng)高頻變壓器的初級(jí)繞組、MOSFET的漏極源極、電流檢測(cè)電阻、地電流回路，在初級(jí)繞組上產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)同名端的定義，變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為負(fù)，輸出整流二極管均反偏截止，高頻變壓器將電能以磁能的形式儲(chǔ)存在初級(jí)繞組之中，這樣便完成了儲(chǔ)能過程。3、開關(guān)電源釋能過程當(dāng)UC3844鎖存器翻轉(zhuǎn)，6管腳輸出脈沖停止，MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂＿@時(shí)，變壓器初級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓變?yōu)橄抡县?fù)，次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為正向電壓，輸出整流二極管導(dǎo)通，初級(jí)繞組將存儲(chǔ)的能量釋放

36、，傳遞到次級(jí)繞組中，經(jīng)整流濾波電路，得到需要的輸出電壓。在UC3844的控制下，周而復(fù)始的重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換傳輸。4、開關(guān)電源穩(wěn)壓過程一路+5V、+12V、+24V輸出電壓經(jīng)、分壓后與TL431的基準(zhǔn)電壓值2.5V進(jìn)行比較，與輸出電壓的變化產(chǎn)生誤差電壓，并通過光耦PC817把誤差傳遞給UC3844，由UC3844控制MOSFET的占空比以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓得到的采樣電壓也升高，流過PC817發(fā)光二極管的電流增大，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增大，光電三極管導(dǎo)通程度加深，集射極電壓減小，UC3844的6腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比減小，于是輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

37、當(dāng)開關(guān)電源輸出的電壓下降時(shí)，上述控制過程正好相反。17第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)多路輸出單端反激式開關(guān)電源，主要工作概括如下：了解了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)了目前廣泛使用的幾種拓?fù)漕愋停饕獙?duì)反激式拓?fù)溥M(jìn)行了分析研究。采用UC3844作為控制芯片，充分使用了UC3844電壓電流雙閉環(huán)反饋功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電壓保護(hù)與調(diào)節(jié)。由于UC3844的功能高度集成，其性能優(yōu)良、管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，為本課題設(shè)計(jì)降低了難度。由UC3844構(gòu)成的開關(guān)電源控制性能好，功能完善，可靠性高。詳細(xì)介紹了高頻變壓器的設(shè)計(jì)流程，包括磁芯選擇、匝數(shù)計(jì)算、導(dǎo)線選擇等。電壓采樣及反饋電路由光電耦合器

38、PC817、三端可調(diào)穩(wěn)壓管TL431組成。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外接元件少，負(fù)載調(diào)整率好，具有良好的穩(wěn)壓效果。并采用多路反饋，控制更加有效，可以適用于各種負(fù)載。本設(shè)計(jì)采用單個(gè)高頻變壓器完成7路電壓輸出，由于本設(shè)計(jì)是基于單端反激式變換器結(jié)構(gòu)，因此電源的容量取決于高頻變壓器的性能。由于高頻變壓器的設(shè)計(jì)是比較困難的，因此可以采用多個(gè)變壓器分擔(dān)不同輸出，將功率進(jìn)行合理的分配。.本論文并沒有對(duì)PCB板進(jìn)行最終設(shè)計(jì)，也沒有對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，這些需要在進(jìn)一步的工作中完成。參考文獻(xiàn)1 蔡宣三，開關(guān)電源的發(fā)展軌跡，電子產(chǎn)品世界，2000，4：42432 徐九玲，謝運(yùn)詳，彭軍，開關(guān)電源的新技術(shù)與發(fā)展前景，電氣時(shí)代，200

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