開關(guān)電源設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

23/25開關(guān)電源設(shè)計(jì)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。開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多,常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式.本論文是基于芯片UC3842的小功率高頻開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞開關(guān)電源;半橋全橋；高頻變壓器目錄摘要?=1\*ＲOＭＡＮＩＴO(shè)Ｃ＼o”1—3”＼ｈ\z＼uHＹPERLＩＮK\l”_Ｔoc３592３1857"第１章緒論?PAGERＥF_Toc3５9２31８57＼h１ＨYPERLINK＼l"_Toc３５92３1858"1.1課題背景 PAGEＲＥF_Toc35923１8５8＼h1HYPEＲＬINK1。2。１課題研究的目的 ＰＡGEREＦ_Toｃ359231860＼h2HYＰＥＲLIＮＫ＼l”_Toｃ35923186２”1．2.2課題研究的意義?PAGＥRＥF_Toｃ359231862\h2ＨYPEＲLIＮＫ\l＂_Toc3５923１863"第2章開關(guān)電源輸入電路設(shè)計(jì) PAGＥＲＥＦ＿Toc3５9231８６3\h3HＹPERＬＩNK＼l"_Ｔoｃ359231864"２.1電壓倍壓整流技術(shù) PAGＥREF_Ｔｏc35９2３1８64\h3HＹＰERLＩNＫ\l＂_Toc359２3186５”2．1.1交流輸入整流濾波電路原理 ＰAGEＲEF_Tｏc3５9231865\h３ＨＹＰＥＲLINＫ＼l”＿Toc3592３186６”２。1.2倍壓整流技術(shù) PAGＥREF_Toc35９2318６６＼h3HYPＥRＬIＮK\l”＿Toｃ3５923１８６7"２．2輸入保護(hù)器件保護(hù)?PAGERＥF_Toc359231867\h4HYＰEＲLIＮK3．１單端反激式變換器電路的工作原理 PAGＥＲEＦ_Toｃ359２31８72＼h7HYＰＥRLINＫ\l＂_Toc3５9２3187３"３.２開關(guān)晶體管的設(shè)計(jì) PAGEＲＥF＿Toｃ3592３1873＼h８ＨＹＰＥRＬINK第4章開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì) PAGＥREF＿Ｔoc３５9２3１878\h13HＹPERLIＮK\l＂_Toc359２３１８79"4．１芯片簡(jiǎn)介 PＡGERＥＦ_Toｃ359２31８79\h１3HＹPERＬINK\l”_Toc3５９2３１880”４．1。1芯片原理?PAGEREF＿Tｏc359231880＼h13HYPＥRLINK4.2工作描述 PAＧEREF＿Toc3592３18８2\h1４HYＰERLINK\l”_Toc3592３1８83"4．3ＵC38４2常用的電壓反饋電路 ＰAGEＲEＦ_Toc3592３1８83\h18HYPERＬINK\ｌ＂_Ｔoc35９2３1８8４"4.４本章小結(jié)?PAGEREF_Ｔoc3592318８4\ｈ20HYPEＲLINK\l”_Toc3592318８5＂結(jié)論 ＰＡＧEREF_Ｔoc３５９231885＼h21HYPEＲLＩNK\ｌ”＿Ｔoc３59２31886”致謝?ＰAGEＲEF＿Toc3５9231886＼h2２ＨYPEＲＬＩNK\l"_Toc３592318８7”參考文獻(xiàn) ＰAGＥＲEF_Toc359231887\h２3緒論課題背景隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展,特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開發(fā)利用,孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過(guò)時(shí)。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源［１]。開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以歸納以下幾點(diǎn)：1．小型化、薄型化、輕量化、高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。2.提高可靠性，提高集成度，增加保護(hù)功能,拓寬輸入電壓范圍，提高平均無(wú)故障時(shí)間。3.隨著頻率提高，開關(guān)電源的噪聲隨之增大,降低噪聲也是高頻開關(guān)電源的研究方向。4。提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性(EＭＣ)。5．用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與控制，具有高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，可以使開關(guān)電源具有最佳電路結(jié)構(gòu)與最佳工作狀況.開關(guān)電源高頻化的實(shí)現(xiàn)，與磁性元件和半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展?fàn)顩r有著密切的關(guān)系.隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。早在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,集成化的開關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)多種電壓和電流的需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展,高反壓快速開關(guān)晶體管使無(wú)工頻變壓器的開關(guān)電源迅速實(shí)用化.而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開關(guān)電源控制要求的集成開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高,外接組件越來(lái)越少,使得開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡(jiǎn)化,成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關(guān)穩(wěn)壓器系列.近年來(lái)高反壓MOＳ大功率管的迅速發(fā)展，又將開關(guān)電源的工作頻率從20ｋHz提高到1５0－２00ｋHz,其結(jié)果是使整個(gè)開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關(guān)電源的性能價(jià)格比達(dá)到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競(jìng)爭(zhēng)中具有先導(dǎo)之勢(shì)。當(dāng)然開關(guān)電源能被工業(yè)所接受,首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢(shì)。在７０年代后期,功率在1０0Ｗ以上的開關(guān)電源是有競(jìng)爭(zhēng)力的。到1９8０年，功率在50W以上就具有競(jìng)爭(zhēng)力了。隨著開關(guān)電源性能的改善,到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在２0W以上，就要考慮使用開關(guān)電源了。過(guò)去,開關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進(jìn)入９0年代后,其成本下降非常顯著，當(dāng)然這包括了功率組件，控制組件和磁性組件成本的大幅度下降。此外,能源成本的提高也是促進(jìn)開關(guān)電源發(fā)展的因素之一[2]。研究的目的及意義課題研究的目的隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人類已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期,電源是向負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備,是工業(yè)的基礎(chǔ)［３].本論文的目的就是查閱相關(guān)資料，掌握開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)怎樣設(shè)計(jì)小功率開關(guān)電源的方法,這以后從事相關(guān)事業(yè)打下基礎(chǔ),開闊視野，從而提高自身的能力。1。２.2課題研究的意義課題研究的意義在于：當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術(shù)參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，因此，電源技術(shù)不但本身是一種高新技術(shù)，而且還是其評(píng)它多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段,并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來(lái)為深遠(yuǎn)的影響［4]。開關(guān)電源輸入電路設(shè)計(jì)電壓倍壓整流技術(shù)交流輸入整流濾波電路原理在前面已經(jīng)提到，隔離式開關(guān)電源是直接對(duì)輸入的交流電壓進(jìn)行整流，而不需要低頻線性隔離變壓器.現(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國(guó)際市場(chǎng)的需求，所以他們所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是交流90－130V和180—2６0V的范圍.如圖２－1所示.圖2-1輸入濾波、整流電路原理輸入濾波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對(duì)C５充電,由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RＴ１電阻上，一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減?。ǎ遥?是負(fù)溫系數(shù)元件），這時(shí)它消耗的能量非常小，后級(jí)電路可正常工作。倍壓整流技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，要利用倍壓整流技術(shù),如圖2-２所示。在圖中,兩種輸入交流電壓的轉(zhuǎn)換由開關(guān)Ｓ1來(lái)完成,此外，本電路中的壓敏電阻RV和可控硅ＶS具有浪涌電流抑制、瞬間輸入電壓保護(hù)的功能。電路工作過(guò)程如下:當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí).電路在115Ｖ交流輸入電壓下作用.在交流電的正半周，通過(guò)二極管VＤ1和電容器C１被充電到交流電壓的峰值。即1１５v×1．414≈160ｖ,在交流電的負(fù)半周，電容器C2通過(guò)二極管VＤ4也被充電到160v.這樣，電路輸出的直流電壓應(yīng)該是電容器C1和C2上充電電壓之和．即160Ｖ十1６0Ｖ＝320Ｖ.當(dāng)開關(guān)Ｓ1打開時(shí)，極管Vａl—ＶD４組成了全橋式整流電路，對(duì)輸入的交流230V進(jìn)行整流,也同樣產(chǎn)生32０V的直流電壓[５]。圖2-2倍壓整流電路輸入保護(hù)器件保護(hù)浪涌電流的抑制隔離式開關(guān)電源在加電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流，設(shè)計(jì)者必須在電源的輸入端采取一些限流措施,才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的,在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間,電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下,只是電容的ESR值.如果不采取任何保護(hù)措施，浪涌電流可接近幾百安培.通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是：利用電阻--雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是：采用負(fù)溫度系數(shù)（ＮTC）的熱敏電阻。用以增加對(duì)交流線路的阻抗,把浪捅電流減小到安全值[6］。電阻—雙向可控硅技術(shù):采用此項(xiàng)浪涌電流限制技術(shù)時(shí),將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當(dāng)輸入濾波電容充滿電后。由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路,對(duì)其進(jìn)行分流。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個(gè)觸發(fā)電路,當(dāng)某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通.設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真地選擇雙向可控硅的參數(shù),并加上足夠的散熱片，因?yàn)樵谒鼘?dǎo)通時(shí)，要流過(guò)全部的輸入電流.熱敏電阻技術(shù)分析這種方法是把NTＣ(負(fù)溫度系數(shù)）的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過(guò)橋式整流后的直流線上。用了ＲTＣ熱敏電阻的電阻—溫度特性和溫度系數(shù)的關(guān)系如圖2-3所示。圖2-3熱敏電阻的溫度系數(shù)RTC熱敏電阻的溫度系數(shù),用每度百分比(%／c)表示。當(dāng)開關(guān)電源接通時(shí)，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。這樣，由于阻值較大,它就限制了浪涌電流。當(dāng)電容開始充電時(shí)，充電電流流過(guò)熱敏電阻,開始對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱,其電阻值開始下降,如果熱敏電阻選擇得合適，在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小。這樣，就不會(huì)影響整個(gè)開關(guān)電源的效率。輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備[7］。在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為115v或23０v左右,但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān),暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受嚴(yán)重的雷電影響,電網(wǎng)上的高壓尖峰可達(dá)5kv.另一方面，電感性開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式2－1：（２-１）公式中．L是電感器的漏感,I是通過(guò)線圈的電流.由此可見，雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短，但是它確有足夠的能量使開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞.所以必須要采取措施加以避免。本章小結(jié)本章介紹了電壓倍壓整流技術(shù)以及輸入器件保護(hù)。開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì)單端反激式變換器電路的工作原理單端反激式變換器電路在其輸入和輸出回路之間加入安全隔離措施.一般情況下,隔離式開關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件。在電路中,它是以變壓器的形式出現(xiàn)的，但實(shí)際上它起的作用是扼流圈，所以應(yīng)該稱它為變壓器-—扼流圈。所謂單端，就是指的是變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè).典型的單端隔離反激式變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖３—1隔離單端反激式變換電路及相關(guān)波形從電路的工作狀態(tài)波形可見，電路的工作過(guò)程如下：當(dāng)晶體管VT1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中儲(chǔ)存能量，與變壓器次級(jí)相連接的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止。在變壓器次級(jí)回路無(wú)電流流過(guò)，即沒有能量傳遞給負(fù)載。當(dāng)晶體管ＶＴ1截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái),使得二極管ＶD導(dǎo)通，給輸出電容Ｃ充電，同對(duì)在負(fù)載RＬ上也有了電流ＩＬ.由于隔離變壓器T除了具有初、次級(jí)間安全隔離的作用外,它還有變壓器和扼流圈的作用，所以在反激式變換器的輸出部分一般不需要加電感，但在實(shí)際應(yīng)用中,往往在整流器和濾波電容之間加一個(gè)小的電感線圈,用以降低高頻開關(guān)噪聲的峰值［８]。由于隔離變壓器Ｔ除了具有初、次級(jí)間安全隔離的作用外,它還有變壓器和扼流圈的作用，所以在反激式變換器的輸出部分一般不需要加電感，但在實(shí)際應(yīng)用中，往往在整流器和濾波電容之間加一個(gè)小的電感線圈，用以降低高頻開關(guān)噪聲的峰值，這樣的設(shè)計(jì)便開關(guān)電源工作更安全。開關(guān)晶體管的設(shè)計(jì)如何選擇到性能參數(shù)合適的主開關(guān)與控制電路直接影響到變換器的性能.在這里需要清楚的是作為主開關(guān)的晶體管、MＯＳFＥT、IGＢT或晶閘管的性能均耐壓的上升而下降,因此在選擇耐壓時(shí)并不是超高越好，而是適可而止[9]。合理地選擇開關(guān)管的額定電壓直接影響著變換器的性能,通過(guò)了解主開關(guān)的電壓波形就可以比較準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)出主開關(guān)的電壓峰值。對(duì)于不同的電路拓?fù)浜筒煌目刂品绞剑箝_關(guān)管的額定電壓將不同.其輸入不同的電壓條件下開關(guān)管的額定電壓與電路拓?fù)浜涂刂品绞降年P(guān)系如下:交流電不帶有ＰＦC功能。橋式變換器:400－5０0Ｖ；推挽式變換器:800—900V；單端正/反激式變換器：6０0－700Ｖ;單端正激式變換器帶有有源箝位：600V；交流電帶有ＰFC功能.橋式變換器:５00—６00V；推挽式變換器：900－１000V；單端正/反激式變換器:８00V;單端正激式變換器帶有有源箝位:80０V；直流48Ｖ電壓系統(tǒng)橋式變換器：80Ｖ;推挽式變換器：200Ｖ;單端正/反激式變換器：２00V；反激式開關(guān)電源的開關(guān)管額定電流的選擇：在交流電2２０Ｖ電壓應(yīng)用條件下，如果考慮電源電壓變化范圍在-2０％—－+2０％。選擇開關(guān)管耐壓為600V時(shí)，反激開關(guān)電源的最大占空比可以設(shè)置在0．4，假設(shè)效率為80％,電路工作在電流斷續(xù)模式，在這種工作狀態(tài)下，在開關(guān)管上每流過(guò)１A電流可以輸出30-32W的輸出功率。如果設(shè)置最大占空比為０。37左右，則開關(guān)管上每流過(guò)1A電流可以輸出２８－30W的輸出功率[1０].考慮到開關(guān)管的導(dǎo)通電阻對(duì)效率的影響,應(yīng)該選擇開關(guān)管的額定電流達(dá)到實(shí)際電流峰值的3—4倍,如在沒有PFC時(shí),電源電壓為220*（1±20％)V，這樣設(shè)計(jì)就沒有帶PFＣ時(shí)優(yōu)化。在單端反激式變換器電路中.所使用的開關(guān)晶體管必須符合兩個(gè)條件,即在晶體管截止時(shí),要能承受集電極尖峰電壓，在晶體管導(dǎo)通時(shí),要能承受集電極的尖峰電流。晶體管截止時(shí)所承受的尖峰電壓按下面的公式3-１進(jìn)行計(jì)算：（3－1)公式中,Vｉn是輸入電路整流濾波后的直流電壓，δmａx是最大工作占空比.所謂占空比指的是晶體管導(dǎo)通的時(shí)間與晶體管的一個(gè)工作周期(導(dǎo)通時(shí)間十截止時(shí)間)之比。為了限制晶體管的集電極安全電壓，工作占空比應(yīng)保持在相對(duì)地低一些，一般要低于５0％，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般取0．4左右,這樣它就限制了集電極峰值電壓.因此，在單端反激式變換器電路設(shè)計(jì)中，晶體管的工作電壓一般在800V以上，通常按90０v計(jì)算可安全可靠地工作.按如下粗算考慮：交流輸入電壓180-260V,取26０V,２60ｖ乘以１．414（有效值）,即是整流后的直流電壓Ｖ＊２60×１。4＝354V，３６0Ｖ再乘以2。２得80０V,實(shí)際?。?0V即可。第二個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是必須滿足晶體管在導(dǎo)遏時(shí)的集電極電流的需求,如公式3—２。(3—２）公式中的Ｉｌ是變壓器初級(jí)繞組的峰值電流，而n是變壓器初級(jí)與次級(jí)間的匝數(shù)比。為了導(dǎo)出用變換器輸出功率和輸入電壓表達(dá)集電懾峰值工作電流的公式，變壓器繞組傳遞的能量可用下式3—3表示:(3-3）公式中，η是變換器的效率。略去推導(dǎo)過(guò)程,由輸出功率和輸入電壓表達(dá)的晶體管工作電流的公式為3—４：(3—４)變壓器繞組的設(shè)計(jì)由于在單端反激式變換器電路中，變壓器初級(jí)繞組只在Ｂ-Ｈ待佐曲線［磁滯回線）的一個(gè)方向上被驅(qū)動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)注意不要使其飽和.在這里,我們只是強(qiáng)調(diào)一下，所選擇的磁芯一定要有足夠大的有效體積,通常應(yīng)用空氣隙來(lái)擴(kuò)大其有效體積,傳輸變壓器有效體積v的計(jì)算公式如下3-5：（3-5）Ｉlaｍｘ：最大負(fù)載電流；L:變壓器次級(jí)繞組的電感量;Ｕ0:空氣的導(dǎo)磁率。其值為1５；Uｅ:所選磁芯的磁性材料的相對(duì)導(dǎo)磁率；Bｍax：磁芯的最大磁通密度。相對(duì)導(dǎo)磁率從應(yīng)盡可能選得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和線徑,以及銅損和鐵損引起磁芯溫升過(guò)高,選擇磁芯的形狀時(shí),需要綜合考慮應(yīng)用要求、磁芯的成本、變壓器的制作成本、工作溫度、電磁干擾。在選擇磁芯尺寸時(shí),通常只能作一個(gè)大致優(yōu)估計(jì)，最終的產(chǎn)品將根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),幾乎每一個(gè)磁芯制造廠都會(huì)給出選擇磁芯尺寸的方法，以方便用戶選擇，選擇磁芯最常用的方法是：圖表法和面積乘積法，這章就不作介紹.本文結(jié)合具體例子，在經(jīng)典書籍基礎(chǔ)上,提供了更簡(jiǎn)潔明了的反激變壓器設(shè)計(jì)方法.并對(duì)較難理解部分做了詳細(xì)解釋。設(shè)計(jì)初始條件：輸入電壓范圍:AC85-26５V項(xiàng)目特色：低成本、高交叉調(diào)整率。實(shí)現(xiàn)該特色關(guān)鍵在于反激變壓器設(shè)計(jì)。在開關(guān)管開通時(shí),原邊電流不斷上升,在Tｏｎ結(jié)束時(shí)至峰值Ip，這個(gè)Ip在開關(guān)斷開的瞬間，會(huì)被傳遞到副邊。最初傳遞到副邊的電流在副邊的分配原則是：大多數(shù)會(huì)傳遞到漏感最小的那一路輸出。如果這一路沒有用做開關(guān)管PWM的反饋控制,它的峰值就會(huì)很高.調(diào)試中通過(guò)對(duì)該路增加副邊小電感來(lái)控制開關(guān)關(guān)斷期間副邊調(diào)整率的變化率，從而實(shí)現(xiàn)了較高的交叉調(diào)整率。變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)前先要確定參數(shù)：磁芯，預(yù)設(shè)頻率,最大占空比，輸入輸出參數(shù),預(yù)估效率（用于估算輸入平均電流）,設(shè)計(jì)中參數(shù)初選如下：磁芯采用NIＣERＡＦEER-28L（詳細(xì)選擇步驟參見），f＝９0kHz,Dｍax=0。45,最小輸入電壓Vｉn＝1１0V,輸出折合到5V電流10A，效率η＝75%.計(jì)算變壓器，一般選擇最低的交流輸入電壓,最大的輸出功率做為工作點(diǎn)，這個(gè)是最苛刻的一個(gè)點(diǎn)。設(shè)計(jì)步驟：根據(jù)法拉第定律,計(jì)算最低輸入電壓,最大負(fù)載條件的原邊乍數(shù)，如公式３－6所示：（３—６）△Ｂac＝kBs（ｋ=0．6～0。８)。在此取k=0．6,Vｓ=11０V，ｔoｎ＝5μS,△Baｃ=0。3７ｍT，Ａｅ＝87mm2。代入得到Ｎp=28．1,取28。根據(jù)輸出輸入電壓計(jì)算副邊乍數(shù)，如公式3-7所示:（3—７）在此，Ｎp=28,Vｏ＝6.3V，D=０.45,Vp=１1０V，代入得：Ｎｓ=1。９６?？紤]實(shí)際線路中,+12V線圈接于5V整流管后，也就是Ｄmax大概為0．36。副邊伏秒值減小，增加了電能傳輸時(shí)間,利于變壓器工作。確定開關(guān)開通工作時(shí)，直流成分Idｃ和交流成分Iaｃ的大小，Ｉdc和Iac的確定.通過(guò)調(diào)節(jié)氣隙大小來(lái)實(shí)現(xiàn).選定原則：變壓器磁通在滿足△Bac+△Bdc＜Bs，?。桑幔爿^小值,保證較小損耗的正常工作。輸入整流器的選擇整流器的作用是將電網(wǎng)的輸入的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,為使整流后直流電平滑,通常輸入整流器輸出端直接并聯(lián)濾波電容器,單向整流器濾波電路與波形的關(guān)系簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入電壓為220＊(1±20％）V，效率為8０%時(shí)，I０為０．006２5P0，整流器的額定電流應(yīng)該為0.01８７5P０－０.06２5Ｐ0。當(dāng)輸入電壓為8５-265＊（1±20%）V，效率為８0％時(shí)，Ｉ0為0。0１39P０，整流器的額定電流應(yīng)該為０．0417P０—0．01３9P0.對(duì)于反激式變換器，在電流斷續(xù)工作的狀態(tài)下,流過(guò)整流器的電流峰值為輸入電流平均值的1.5—2倍，因此在選擇輸出整流器時(shí)，應(yīng)該以輸出電流平均值的３—5倍作為輸出整流器的額定電流。整流器的額定電壓應(yīng)該為最高輸入電壓的效值的3倍以上，其原因是電網(wǎng)中存在瞬態(tài)過(guò)電壓,通常輸入電壓220*（１±２0%）V或是85-265V應(yīng)該選擇60０Ｖ以上電壓的整流器和二極管，輸出濾波電容器的選擇對(duì)于中小輸入功率開關(guān)電源的工作頻率除少數(shù)因價(jià)格原因的限制而仍采用2０－40kHz,大多數(shù)均在50kHz以上，DC/DC電源模塊大多在300kHz以上，大功率開關(guān)電源的開關(guān)頻率受主開關(guān)的開關(guān)速度限制而一般在20－4０ｋHｚ，盡管開關(guān)頻率有所不同，但是開關(guān)電源的輸出整流器濾波電容器的作用基本相同,主要是利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及高次諧波頻率的電流分量，從而濾除其紋波電壓的分量。普通電解電容器作為工頻整流濾波是可以完全勝任的，但是隨著開關(guān)電源的開關(guān)頻率的不斷提高，普通電解電容器的ESR和寄生電感將不能很好的適應(yīng)高頻整流濾波的要求?？梢姺醇ら_關(guān)電源的輸出濾波電容器承受的紋波電流最大，因此,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分考慮到這一問題，通常的解決辦法是增加輸出濾波電容器的電容并聯(lián)個(gè)數(shù)，如果受體積的限制，則應(yīng)該盡量選擇較低的EＳR的濾波電容器。所以，從盡可能灑淚輸出濾波電容器的紋波電流角度出發(fā)選擇合適的濾波電容器。本章小結(jié)本章依據(jù)單端反激式變換器電路的工作原理，依次對(duì)開關(guān)晶體管、變壓器繞組、輸入整流器、輸入濾波電容器進(jìn)行了設(shè)計(jì)選擇。開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)芯片簡(jiǎn)介芯片原理UC3８４2芯片是開關(guān)電源用電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。與電壓控制方式相比在負(fù)載響應(yīng)和線性調(diào)整度等方面有很多優(yōu)越之處。該電路主要特點(diǎn)有：內(nèi)含欠電壓鎖定電路；低起動(dòng)電流（典型值為0。12mＡ);穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源；大電流推挽輸出（驅(qū)動(dòng)電流達(dá)1A）;工作頻率可到500kHz;自動(dòng)負(fù)反饋補(bǔ)償電路；較強(qiáng)的負(fù)載響應(yīng)特性.ＵC384２

內(nèi)部工作原理簡(jiǎn)介

圖4—１示出了UC3842

內(nèi)部框圖和引腳圖，UC３8４2采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有８?jìng)€(gè)引腳，各腳功能如下：1.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；2。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；3．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)；4.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；5.腳為公共地端,提供芯片工作參考地端；6。腳為推挽輸出端，上升、下降時(shí)間僅為50nｓ

驅(qū)動(dòng)能力為±1A

，通過(guò)一個(gè)電阻與外部功率管相連;7。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，一路與電源輸出端相連,一路與輔助電源相連；８。腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mＡ

的負(fù)載能力，該電壓源具有極好的溫度穩(wěn)定性.芯片供電分為兩個(gè)階段:啟動(dòng)階段、正常工作階段.啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓必須達(dá)到１6V，電壓小于16Ｖ時(shí)，芯片工作電流小于1mA。

圖4-1UC3８42

內(nèi)部原理框圖

工作描述UC3８42A具有高性能、固定頻率、電流模式控制器,為設(shè)計(jì)者提供使用最少外部組件的高性能價(jià)格比的解決方案。ＵC３８4２A,是專門設(shè)汁用于出線和直流—直流變換器應(yīng)用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設(shè)計(jì)者提供使用最少外部組件的高性能價(jià)格比的解決方案。代表性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖４—2所示:圖4—2UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖振蕩器:振蕩器頻率由定時(shí)組件RT和CT選擇值決定.電容CT由5.0V的參考電壓通過(guò)電阻RT充電，充至約2．8V,再由一個(gè)內(nèi)部的電流宿放電至１．2V.在CT放電期間，振蕩器產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電子,這導(dǎo)致輸出為低狀態(tài)，從而產(chǎn)生丁一個(gè)數(shù)量可控的輸出靜區(qū)時(shí)間.圖4-3顯示輸出靜區(qū)時(shí)間與頻率關(guān)系曲線．它們都是在給定的CT值時(shí)得到的。注意盡管許多的Rt和Ct值都可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率,但只有一種組合可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間。振蕩器門限是溫度補(bǔ)償?shù)?，放電電流在T=25℃叫被微調(diào)并確保在±10％之內(nèi)，這些內(nèi)部電路的優(yōu)點(diǎn)使振蕩器頻率及晨大輸出占空比的變化最小。正很多噪聲敏感應(yīng)用中，可能希望將變換器頻率鎖定至外部系統(tǒng)時(shí)鐘上。為了可靠的鎖定,振蕩器自振應(yīng)頻率設(shè)為比叫鐘頻率低1０%左右.圖4—3所示為多單元同步的一種方法。通過(guò)修整時(shí)鐘波形,可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸出占空比箝位.圖4—３輸出靜區(qū)時(shí)間與頻率關(guān)系曲線誤差放大器：提供一個(gè)有可訪問反相輸入和輸出的全補(bǔ)償誤差放大器.此放大器從有90ｄB的典刮自流電流增益和只有５7度相位余量的1。0MHｚ的增益為1帶寬同相輸入在內(nèi)部偏置于2.5V而不經(jīng)管腳引出。典刑情況下變換揣輸出電壓通過(guò)一個(gè)電阻分壓器分壓，并由反向輸入監(jiān)視。最大輸入偏置電流為2.０ｕA，它將引起輸出電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。誤差放大器輸出(管腳1)用于外部回路補(bǔ)償.輸出電壓因兩個(gè)二極管壓降而失調(diào)(≈1。４V)并在連接至電流取樣比較器的反相輸入之前被三分,這將在管腳l處于其最低狀態(tài)時(shí)（V０ｌ)，保證在輸出（管腳6)不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖。這發(fā)生在電源正在工作并且負(fù)載被取消時(shí)，或者在軟啟動(dòng)過(guò)程的開始。最小誤差放大器反饋電阻受限于放大器的拉電流（0。５ｍA)和到達(dá)比較器的1．0V箝位電子所需的輸出電壓（Ｖ０Ｈ）如4－1公式所示:(４－1）電流取樣比較器和脈寬調(diào)制鎖存器：ＵＣ384２A作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)導(dǎo)通山振蕩器起始，當(dāng)峰值電感電流到達(dá)誤差放大甜輸出／補(bǔ)償(管腳1）建立的門限電平時(shí)中止.這樣在逐周基礎(chǔ)上差信號(hào)控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器—脈寬調(diào)制鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內(nèi),僅有一個(gè)單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通過(guò)插入一個(gè)與輸出開關(guān)Q1的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻Reｓt轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取洋輸入（管腳3)監(jiān)視并與來(lái)自誤差放大器的輸出電平相比較。在正常的工作條件下,峰值電感電流由管腳1上的電壓控制，其中公式4—２：(４—2)當(dāng)電源輸出過(guò)載或者輸出電壓取樣丟失時(shí),異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條件下,電流取樣比較器門限將被內(nèi)部箝位至１。０Ｖ。因此最大峰值開關(guān)電流為公式4—3:(4-３）當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)大功串開關(guān)穩(wěn)壓揣時(shí)為了保持RS的功耗在——個(gè)合理的水平上希望降低內(nèi)部嵌位電壓,使用丁兩個(gè)外部二極管來(lái)補(bǔ)償內(nèi)部二極管,以便在溫度范田內(nèi)有固定箝位電壓.如果Ｉpk(maｘ）箝位電壓降低過(guò)多將導(dǎo)致由于噪聲拾取而產(chǎn)生的不誤操作。通常正電流波形的前沿可以觀察到一個(gè)窄尖脈沖，當(dāng)輸出負(fù)載較輕時(shí)，它可能會(huì)引起電源不穩(wěn)定.這個(gè)尖脈沖的產(chǎn)生是由于電源變壓器匝間電容和輸出整流管恢復(fù)時(shí)間造成的.在電流取樣輸入端增加一個(gè)ＲC濾波器，使它的時(shí)間常數(shù)接近尖脈沖的持續(xù)時(shí)間,通常將消除不穩(wěn)定性。欠壓鎖定:采用兩個(gè)欠壓鎖定比較器來(lái)保證在輸出級(jí)被驅(qū)動(dòng)之前，集成電路已完全可用.正電源端(Ｖcｃ)和參考輸出(Vrｅf）各由分離的比較器監(jiān)視。每個(gè)都具有內(nèi)部的滯后，以防止在通過(guò)它們各自的門限時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出動(dòng)作。Vcc比較器上下門限分別為：ＵＣX84２A1６V／10Ｖ。Vｒｅf比較器高低門限為3。6Ｖ/3.4Ｖ。大滯后和小啟動(dòng)電流使得UCＸ842A特別適合干需要有效的自舉啟動(dòng)技術(shù)的離線變換器應(yīng)用中。最小工作電壓:UCX８4２A為１1V，輸出這些器件有一個(gè)單圖騰柱輸出級(jí),是專門設(shè)計(jì)用來(lái)自接驅(qū)動(dòng)功率MOSFEＴ的，在1。0ｎF負(fù)載下時(shí)，它能提供高達(dá)±1.0a的峰值驅(qū)動(dòng)電流和典型值為5０ｎs的上升、下降時(shí)間.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口,是實(shí)現(xiàn)主電路中的電力電子器件按照預(yù)定設(shè)想運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)是將控制電路發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或者關(guān)斷的信號(hào)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通常還具有電氣隔離及電力電子器件的保護(hù)等功能。電氣隔離是實(shí)現(xiàn)主電路及控制電路之間電量的隔離,在含有多個(gè)開關(guān)器件的電路中，電氣隔離通常是保證電路正常工作的必要環(huán)節(jié),同時(shí)電氣隔離可以減少主電路噪聲對(duì)控制電路的影響，并提高控制電路的安全性。通常,PWM型開關(guān)電源把輸出電壓的采樣作為ＰWＭ控制器的反饋電壓，該反饋電壓經(jīng)PＷM控制器內(nèi)部的誤差放大器后,調(diào)整開關(guān)信號(hào)的占空比以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定.但不同的電壓反饋電路，其輸出電壓的穩(wěn)定精度是不同的。本文首先對(duì)電流型脈寬控制器UC384２常用的三種穩(wěn)定輸出電壓電路作了介紹，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn).UC3842常用的電壓反饋電路輸出電壓直接分壓作為誤差放大器的輸入,如圖4-4所示,輸出電壓Vo經(jīng)R２及Ｒ4分壓后作為采樣信號(hào),輸入ＵC3842腳2(誤差放大器的反向輸入端)。誤差放大器的正向輸入端接UＣ３８４2內(nèi)部的2.５V的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)采樣電壓小于2.５V時(shí)，誤差放大器正向和反向輸出端之間的電壓差經(jīng)放大器放大后，調(diào)節(jié)輸出電壓，使得ＵC３842的輸出信號(hào)的占空比變大，輸出電壓上升，最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的電壓值.R3與C1并聯(lián)構(gòu)成電流型反饋。圖4-４輔助電源輸出電壓分壓作為誤差放大器的輸入當(dāng)輸出電壓升高時(shí),單端反激式變壓器T的輔助繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也升高，該電壓經(jīng)過(guò)Ｄ2，Ｄ3，Ｃ1５，C１4,C13和R1５組成的整流、濾波和穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)后得到一直流電壓，給ＵC３8４2供電.同時(shí)該電壓經(jīng)R2及R4分壓后作為采樣電壓，送入U(xiǎn)C3842的腳2，在與基準(zhǔn)電壓比較后,經(jīng)誤差放大器放大，使腳6輸出脈沖的占空比變小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。同樣，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，使腳６輸出脈沖的占空比變大,輸出電壓上升,最終使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定的值。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是采樣電路簡(jiǎn)單，副邊繞組、原邊繞組和輔助繞組之間沒有任何的電氣通路，容易布線。缺點(diǎn)是并非從副邊繞組直接得到采樣電壓,穩(wěn)壓效果不好，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)當(dāng)電源的負(fù)載變化較大時(shí)，基本上不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓.該電路適用于針對(duì)某種固定負(fù)載的情況。如圖４—5所示，該開關(guān)電源的電壓采樣電路有兩路：一是輔助繞組的電壓經(jīng)D1，Ｄ2,C1，C2，C3，R9組成的整流、濾波和穩(wěn)壓后得到16Ｖ的直流電壓給ＵC３842

圖4－5采樣電路的綜合供電，另外,該電壓經(jīng)Ｒ2及R４分壓后得到一采樣電壓，該路采樣電壓主要反映了直流母線電壓的變化;另一路是光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管Z和R４，R5,R6，R7,R8組成的電壓采樣電路，該路電壓反映了輸出電壓的變化;當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)電阻Ｒ7及Ｒ8分壓后輸入Ｚ的參考電壓也升高，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值升高,流過(guò)光耦中發(fā)光二極管的電流減小,流過(guò)光耦中的光電三極管的電流也相應(yīng)的減小,誤差放大器的輸入反饋電壓降低,導(dǎo)致UＣ38４２腳6輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比變小，于是輸出電壓下降,達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該電路因?yàn)椴捎昧斯怆婑詈掀?，?shí)現(xiàn)了輸出和輸入的隔離，弱電和強(qiáng)電的隔離,減少了電磁干擾，抗干擾能力較強(qiáng)，而且是對(duì)輸出電壓采樣，有很好的穩(wěn)壓性能。缺點(diǎn)是外接元器件增多,增加了布線的困難，增加了電源的成本。該電壓采樣及反饋電路由R２，R5,R6,R７，R8，Ｃ1,光電耦合器、三端可調(diào)穩(wěn)壓管Z組成。當(dāng)輸出電壓升高時(shí),輸出電壓經(jīng)R７及R８分壓得到的采樣電壓(即Ｚ