《AC-DC多路直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)》12000字（論文）

AC-DC多路直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)摘要：近年來(lái)，由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)電源的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)如今，出于開關(guān)電源體積小，效率高等特點(diǎn)，越來(lái)越多的用戶開始使用開關(guān)電源。電源的主要作用是進(jìn)行電能變換，許多行業(yè)需要更加節(jié)能、高效的電源。所以為了滿足行業(yè)需求，技術(shù)工作者們不得不繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的探索研究,只有這樣用戶才能獲得更好的產(chǎn)品。開關(guān)電源是近年來(lái)一種全新的電源種類，它已經(jīng)成為了電源行業(yè)的一種可持續(xù)發(fā)展的新生代力量。本次設(shè)計(jì)用PWM控制芯片UC3842，設(shè)計(jì)了一款反激直流穩(wěn)壓電源。文章介紹了所選擇的拓?fù)湟约霸撏負(fù)涞奶攸c(diǎn)，分析了UC3842的原理及其結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)其具體的引腳功能來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片周圍相關(guān)的子電路設(shè)計(jì)。闡述了電源中的具體電路模塊的原理，從系統(tǒng)的啟動(dòng)保護(hù)、整流濾波到反激變壓器的設(shè)計(jì)，包括占空比、匝數(shù)的計(jì)算，具體分析了變壓器的磁芯選擇方法以及UC3842周圍的控制電路的設(shè)計(jì)，電壓反饋具體參數(shù)的計(jì)算，最后仿真出該開關(guān)電源具有輸出電壓穩(wěn)定的特性，是一種性能較好的開關(guān)穩(wěn)壓電源。利用PSIM軟件為此設(shè)計(jì)進(jìn)行建模仿真，分析了在不同輸入電壓范圍下輸出功率的大小，確定該穩(wěn)壓電源的可行性。 關(guān)鍵詞：反激；UC3842；開關(guān)穩(wěn)壓電源目錄1緒論 緒論1.1課題的研究背景和意義現(xiàn)代社會(huì)，各種電子設(shè)備的正常運(yùn)作都離不開電源。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電源的要求也同時(shí)變得越來(lái)越高，許多電子設(shè)備都需要可靠、穩(wěn)定的電源。21世紀(jì)，在凈化生態(tài)，有效節(jié)能的社會(huì)背景下，開關(guān)電源因其高效、體積小、環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，愈發(fā)收到了人們的歡迎，并且也獲得了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著小型電子設(shè)備的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，這就使得可靠的電源成為了其必不可少的一部分。通過(guò)對(duì)其需求的探究，了解到產(chǎn)品的市場(chǎng)需求比較大，并且可以充分的應(yīng)用在相關(guān)工領(lǐng)域之中，有良好的發(fā)展前景。而反激開關(guān)電源是一種便捷、高效的電源產(chǎn)品，響應(yīng)時(shí)間快，無(wú)滯后現(xiàn)象，具有良好的動(dòng)態(tài)特性，簡(jiǎn)單實(shí)用，結(jié)構(gòu)方便，符合市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)查閱相關(guān)的資料對(duì)電源的大致系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更深的了解，并且提高了所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力，為以后從事相關(guān)工作積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。技術(shù)日益更新，社會(huì)對(duì)電源的要求也就越來(lái)越高。電能的質(zhì)量影響設(shè)備的性能和使用成本，所以穩(wěn)定的直流電源在現(xiàn)代設(shè)備中起著不可或缺的作用。高效、輕便使得高頻開關(guān)電源的應(yīng)用范圍日漸上升，各種電子設(shè)備肯定都需要一個(gè)穩(wěn)定、高效的電源。高頻化是以后開關(guān)電源的主要發(fā)展趨勢(shì)，有不錯(cuò)的的發(fā)展前景。在新的時(shí)代背景下，開關(guān)電源也會(huì)向著環(huán)保節(jié)能的方向繼續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況1.2.1國(guó)外研究狀況1950年，第一臺(tái)開關(guān)電源出現(xiàn)在美國(guó)，而1964年一位美國(guó)科學(xué)家提出取消開關(guān)電源中傳統(tǒng)工頻變壓器的想法，這位科學(xué)家的想法標(biāo)志著開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)開始被確立，就是趨向小型化。在1950年之后到2000年這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，開關(guān)電源開始蓬勃發(fā)展，1976年，第一個(gè)PWM控制芯片成功在美國(guó)被研制出來(lái)，使開關(guān)電源的性能在很大程度上得到了提高，已經(jīng)成功應(yīng)用于各種電子設(shè)備之中。由于科技日益在進(jìn)步，因此集成化將成為開關(guān)電源逐漸發(fā)展的主要方向。而近年來(lái)，許多中小功率單片電源產(chǎn)品在被研發(fā)出來(lái)，并且有著巨大的應(yīng)用前景。就目前而言，開關(guān)電源發(fā)展迅速，已經(jīng)分化為各種類型的產(chǎn)品分支。當(dāng)單片機(jī)廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源時(shí)，顯示了它獨(dú)特的集成化應(yīng)用前景，并且它成為了一種帶動(dòng)開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)的新產(chǎn)品，得到了廣泛的關(guān)注。

1.2.2國(guó)內(nèi)研究狀況

1976年以前，隨著電子、材料等技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)開始了對(duì)開關(guān)電源的研究。1978年以后，經(jīng)濟(jì)建設(shè)的速度越來(lái)越快，國(guó)內(nèi)電源生產(chǎn)企業(yè)過(guò)百，同年中國(guó)電源技術(shù)交流會(huì)第一次召開。新世紀(jì)以來(lái)，許多機(jī)構(gòu)成功地制造出了各種工作頻率在20kHz左右，輸出功率小于1kW的電源。在這一大發(fā)展階段，鐵路、機(jī)械、軍工系統(tǒng)等各種領(lǐng)域都出現(xiàn)了開關(guān)電源的應(yīng)用，國(guó)外的大量產(chǎn)品也開始進(jìn)入國(guó)內(nèi)，加劇市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。它們被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備領(lǐng)域，而且取得了不錯(cuò)的成績(jī)。新世紀(jì)之后，高頻開關(guān)電源進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。中國(guó)電源行業(yè)到2017年時(shí)的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到兩千多億元，并且這種高速發(fā)展趨勢(shì)在持續(xù)穩(wěn)步前行。現(xiàn)代社會(huì)電力電子設(shè)備之所以與大家的聯(lián)系日益親近，是因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)的快速發(fā)展，而電子設(shè)備都離不開可靠穩(wěn)定的電源。

1.3開關(guān)電源發(fā)展方向

二十一世紀(jì)以來(lái)，模塊電源是新一代的開關(guān)電源商品，模塊化、集成化是今后開關(guān)電源的主要發(fā)展趨勢(shì)。開關(guān)電源的大小和重量由其中的儲(chǔ)能元件決定，在設(shè)計(jì)中，合理選取元器件參數(shù)，既要考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)，也要考慮實(shí)際重量或者體積。一般來(lái)說(shuō)，高頻就意味著小型化，而小型化就會(huì)產(chǎn)生眾多優(yōu)點(diǎn)，從而使開關(guān)電源內(nèi)部的性能得到提高。

改革開放以來(lái)，我們國(guó)家在為人民構(gòu)建美好生活而不斷努力奮斗，電源技術(shù)也是其中之一，獲得了不錯(cuò)的成果。但是眼光得放長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)，正視自己的不足，國(guó)內(nèi)的開關(guān)電源技術(shù)與電源技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家仍然還留有巨大差距，這就需要我們這代人乃至下代人共同去努力。從發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，開關(guān)電源未來(lái)會(huì)向著微型化、集成化的方向發(fā)展，同時(shí)這也對(duì)工藝提出了更高的要求。發(fā)展更先進(jìn)的電壓技術(shù)，離不開對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)和基礎(chǔ)材料的研究，所以它們是開關(guān)電源發(fā)展的先決條件。1.4主要工作與內(nèi)容安排1.4.1主要工作本文設(shè)計(jì)一種3路輸出的直流穩(wěn)壓電源，主要的工作如下：1、針對(duì)開關(guān)電源工作原理進(jìn)行闡述，結(jié)合目標(biāo)需求來(lái)進(jìn)行資料與文獻(xiàn)的搜索，進(jìn)行知識(shí)的擴(kuò)充與整合，為設(shè)計(jì)一個(gè)合格的電源豐富理論基礎(chǔ)。2、從開關(guān)電源設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，選取合理拓?fù)?，?gòu)建系統(tǒng)框圖并對(duì)相關(guān)模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理說(shuō)明。3、按照電源設(shè)計(jì)的整體框架對(duì)相關(guān)模塊的原理進(jìn)行分析，計(jì)算相關(guān)元器件的參數(shù)，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)整體表達(dá)。4、通過(guò)PSIM仿真軟件對(duì)不同輸入電壓下的輸出功率進(jìn)行仿真，得到目標(biāo)波形與參數(shù)，并作出結(jié)果優(yōu)缺點(diǎn)與合理性的判別。5、認(rèn)真思考，總結(jié)不足，找準(zhǔn)未來(lái)需要被改進(jìn)的方面。1.4.2內(nèi)容安排文章分為六個(gè)章節(jié)，主要內(nèi)容分別如下：第一章：對(duì)本次設(shè)計(jì)開關(guān)電源的選題背景意義和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹，點(diǎn)明開關(guān)電源的發(fā)展方向。第二章：介紹開關(guān)電源工作的基本原理，并為本文選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建框架圖，同時(shí)簡(jiǎn)述了主要的電路模塊。第三章：介紹控制芯片UC3842的結(jié)構(gòu)和引腳功能，根據(jù)芯片具體引腳功能特性設(shè)計(jì)芯片周圍電路，畫出系統(tǒng)的電路框圖，進(jìn)而描述了其工作過(guò)程。第四章：開關(guān)電源高頻變壓器的設(shè)計(jì)。第五章：在可控電壓范圍內(nèi)輸出功率的測(cè)試仿真。2開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要想設(shè)計(jì)好一個(gè)合理的開關(guān)電源，深刻理解其工作原理是尤為重要的，并且要有一定的理論基礎(chǔ)，比如深刻學(xué)習(xí)、了解開關(guān)電源的工作原理，拓?fù)涞倪x擇以及開關(guān)器件的特征等等，這樣才能有一定的理論基礎(chǔ)來(lái)正確完成開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。2.1開關(guān)電源設(shè)計(jì)指標(biāo)了解電源的性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)電源的先決條件，只有明確指標(biāo)，才能根據(jù)具體的需求去設(shè)計(jì)電源參數(shù)、有的放矢。下面介紹本次設(shè)計(jì)中開關(guān)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo)：1、輸入：AC198～236V,50HZ2、輸出：+24V/1A,+12V/1A,+5V/2A三路獨(dú)立輸出3、開關(guān)頻率：50KHz4、效率：80%5、輸出電壓準(zhǔn)確度：≤3%2.2開關(guān)電源電路中的組成模塊構(gòu)建開關(guān)電源整體結(jié)構(gòu)框圖是合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源的前提條件，本次設(shè)計(jì)中開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。濾波電路輸入整流電路前置濾波電路AC 濾波電路輸入整流電路前置濾波電路功率變換電路高頻變壓器輸出整流濾波電路DC DC功率變換電路高頻變壓器輸出整流濾波電路 脈寬調(diào)制比較器取樣器脈寬調(diào)制比較器取樣器控制電路基準(zhǔn)電壓振蕩器控制電路基準(zhǔn)電壓振蕩器圖2-1開關(guān)電源系統(tǒng)組成框圖開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要由以下部分組成：（1）輸入端整流濾波電路：目的是實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)變，減弱電磁干擾，由于二極管特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它的特性是只能固定一邊而使電流單向流過(guò)，不能反向流通，利用該器件組成的整流橋?qū)⒄?fù)變化的交流電壓變?yōu)閱蜗虻拿}沖。而電容濾波是利用電容隔交通直的特性濾除交流成分。（2）開關(guān)變換器：包括開關(guān)管和變壓器，作用有輸送能量和變換電壓，同時(shí)有電氣隔離的作用。（3）芯片控制電路：依靠從輸出端引出的通路回到特定芯片的引腳，構(gòu)成電壓閉環(huán)反饋，從而以調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法調(diào)節(jié)輸出電壓或者維持輸出電壓基本保持不變。（4）輸出整流濾波電路：把高頻交流電中的交流部分可以過(guò)濾掉，也可以防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載設(shè)備的干擾。2.3開關(guān)電源的工作原理要想明白開關(guān)電源工作原理，其實(shí)就是理解高頻的含義和脈寬改變的原因是什么，高頻就是開關(guān)器件在一定時(shí)間范圍內(nèi)連續(xù)開通或者關(guān)斷，而大多數(shù)開關(guān)電源都以市交流電作為輸入來(lái)源，輸入整流濾波后去給控制芯片供電，芯片得電后根據(jù)芯片特性相應(yīng)的去調(diào)控脈沖，再根據(jù)對(duì)應(yīng)拓?fù)?，通過(guò)電磁感應(yīng)傳送能量給輸出端，從而改變輸出，也可引入反饋回到芯片，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。而開關(guān)電源對(duì)應(yīng)的輸出也同樣多為需要直流電的電子設(shè)備，比如筆記本電腦。開關(guān)電源，是一種高頻化能量裝置，開關(guān)電源就是以電力電子技術(shù)作為基本方法，控制開關(guān)器件以一定頻率不停的進(jìn)行開通或者關(guān)斷，以此來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制。2.4反激拓?fù)涞幕窘榻B開關(guān)電源拓?fù)涞倪x擇對(duì)電路輸出的性能有重要影響，基于本次設(shè)計(jì)要求，本文選擇反激拓?fù)渥鳛橹魍負(fù)洌瑴p少所用元器件材料與空間。反激拓?fù)浠緳C(jī)構(gòu)如圖2-2所示，該拓?fù)涔ぷ鞯脑硎牵弘娐氛Ｍ?，初?jí)線圈隨著開關(guān)器件的導(dǎo)通而導(dǎo)通，這時(shí)電感儲(chǔ)能充電，其他繞組并不導(dǎo)通。但是當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，次級(jí)繞組導(dǎo)通，次級(jí)線圈放電輸出。圖2-2反激拓?fù)浠窘Y(jié)構(gòu)將輸入輸出相互隔離是反激變換器的一個(gè)重要特點(diǎn)，一般反激拓?fù)鋾r(shí)，輸出端只加一個(gè)電容即可。由于漏感的確存在，在實(shí)際設(shè)計(jì)中就得考慮漏感的影響，會(huì)產(chǎn)生交叉調(diào)節(jié)的復(fù)雜問題。所以在本次設(shè)計(jì)所做的仿真都是基于理想狀況，暫不考慮多路輸出的交叉調(diào)節(jié)問題。綜上可知本次設(shè)計(jì)之所以選擇反激拓?fù)涞脑蚴牵阂苑醇ね負(fù)渥鳛橹魍負(fù)涞拈_關(guān)電源適用功率在一般比較?。?lt;150W）的情況之下，并且這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出端不用加濾波電感，這是該拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，也可以減少用料，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，符合本次設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。2.5開關(guān)電源體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次電源設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示，主要分為四大部分：整流濾波、UC3842芯片控制器、高頻變換電路、直流輸出電路。直流輸出副邊整流濾波反激拓?fù)錁蚴秸鳛V波EMI濾波交流輸入直流輸出副邊整流濾波反激拓?fù)錁蚴秸鳛V波EMI濾波交流輸入輔助電源控制芯片UC3842反饋電路輔助電源控制芯片UC3842反饋電路圖2-3開關(guān)電源總體框圖其具體工作原理是：給電源接入市網(wǎng)交流電，通過(guò)整流濾波后得到高壓直流電，接著要得到高頻低壓脈沖傳送到次級(jí)，這就需要通過(guò)開關(guān)管和高頻變壓器的作用來(lái)進(jìn)行改變，最后通過(guò)輸出端的整流濾波，得到想要的低壓直流電。同時(shí)，在輸出端引出一個(gè)環(huán)路反饋給控制芯片，通過(guò)反饋的方法，控制PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。3開關(guān)電源硬件電路設(shè)計(jì)一個(gè)電源的設(shè)計(jì)完成，離不開硬件電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。本章將對(duì)本次設(shè)計(jì)中開關(guān)電源硬件主要電路模塊進(jìn)行參數(shù)的選取和計(jì)算。3.1控制芯片的選擇UC3842是一種電流型PWM控制芯片，為改變振蕩頻率，可以通過(guò)構(gòu)建阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，UC3842的引腳相比其它大多數(shù)芯片來(lái)說(shuō)比較較少，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜，可以廣泛用于小功率的開關(guān)電源。UC3842的引腳排列如圖3-1所示：引腳1與2號(hào)引腳中間接入RC反饋網(wǎng)絡(luò)，所以它的作用是調(diào)控誤差放大器的增益；引腳2是誤差放大器的反向輸入，此端口是采樣反饋的輸入。通過(guò)輸出端引出的支路對(duì)電壓進(jìn)行采樣并反饋到該端口，與內(nèi)部芯片比較后控制輸出脈沖大?。灰_3為電流傳感端，它將串聯(lián)在開關(guān)管中采樣電阻的電壓進(jìn)行采集，進(jìn)而檢測(cè)出其電壓。當(dāng)采樣電阻的電流升高時(shí)，電壓也隨之升高，當(dāng)達(dá)到1V的時(shí)候芯片關(guān)斷輸出，以此來(lái)保護(hù)元器件和電路；引腳4外接構(gòu)建的阻容網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)此端口來(lái)改變芯片的振蕩頻率。引腳5為公共接地端；引腳6為的作用是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，控制功率開關(guān)管的通斷。引腳7為芯片供電端，接收市電整流之后經(jīng)過(guò)分壓電阻后的電壓和輔助電源過(guò)來(lái)的電壓。引腳8用來(lái)輸出大小為5V的基準(zhǔn)電壓，并且將這5V的基準(zhǔn)電壓提供給其它子電路，用以維持其它電路的正常運(yùn)行。圖3-1UC3842引腳排列鑒于第二章中的反激拓?fù)洌?duì)UC3842功能做了一定了解之后，因此本次設(shè)計(jì)選擇UC3842作為控制芯片。3.2EMI濾波電路越來(lái)越多的電子設(shè)備充斥在我們?nèi)粘５纳钪?，?dāng)高頻電路流過(guò)電路板時(shí)，此條線路就成了向外輻射的天線，如果附近有其它電子設(shè)備，相互之間就會(huì)產(chǎn)生干擾。這就是電磁干擾的由來(lái)。本次設(shè)計(jì)中的電壓來(lái)自220/50Hz的市電電網(wǎng)，當(dāng)其進(jìn)入開關(guān)電源時(shí)，不可避免的產(chǎn)生各式各樣的干擾或者噪聲，所以選用EMI濾波是很有必要的。而EMI濾波器有很多類型，如圖3-2所示是本次設(shè)計(jì)中的EMI濾波電路，只要在交流電進(jìn)線端與整流電路之間設(shè)置EMI濾波器，那么它就能消除電源線產(chǎn)生的電磁輻射，同時(shí)也能防止外部傳來(lái)電磁波干擾影響電源內(nèi)部電路的正常運(yùn)行。如圖3-2所示，CX1、CX2是濾波電容，CX1和CX2用來(lái)濾除差模信號(hào)干擾，容量為0.10uf-0.47uf，圖中的L1是鐵氧體線圈。F1是熔斷器。EMI濾波器的參數(shù)沒有特別固定的要求，具體根據(jù)EMI的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取，一般情況下可以估計(jì)大概值，接著通過(guò)一些測(cè)試來(lái)計(jì)算具體的值，進(jìn)而設(shè)計(jì)出來(lái)一個(gè)合乎自己設(shè)計(jì)要求的濾波器。圖3-2EMI濾波電路3.3橋式整流電路本次設(shè)計(jì)是一種從交流到直流的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，所以整流電路肯定發(fā)揮著重要作用，如圖3-3所示，是本次橋式整流的電路圖，因其體積較小，使用方便的特點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源之中。設(shè)計(jì)本次整流橋的時(shí)候，要考慮通過(guò)二極管的電壓電流大小，以此來(lái)選取合理規(guī)格參數(shù)的二極管。圖3-3橋式整流電路3.3.1整流二極管的選擇要設(shè)計(jì)好符合要求的整流二極管，就得考慮它的耐壓值大小和通過(guò)它本身的最大電流，這是設(shè)計(jì)橋式整流二極管必須明確的主要參數(shù)。整流橋反向擊穿電壓UBR的大小設(shè)計(jì)要求如下UBR≥1.252在本次設(shè)計(jì)中，由市網(wǎng)交流電來(lái)進(jìn)行供電，而交流輸入電壓的范圍是198-236V，從式3-1可算得UBR假設(shè)電流的有效值是IRMS，整流橋電流的有效值是IIBR另外：IRMS=P在式3-3中，cosφ是電源功率因數(shù)，通?？梢栽O(shè)置為0.9，在本次設(shè)計(jì)中，輸出功率為46W，最小輸入電壓為198V/AC，效率取80%，最終計(jì)算得到IRMS=0.323A，則IBR3.4功率開關(guān)管的選擇開關(guān)管選擇的型號(hào)不同，所設(shè)計(jì)出的電源質(zhì)量也會(huì)有所不同，因此在本次的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求下，應(yīng)該切合實(shí)際的去選擇開關(guān)器件。此外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，新研發(fā)的器件種類越來(lái)越多，但在開關(guān)電源領(lǐng)域，MOGFET仍然是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的主要開關(guān)器件。1、MOSFET的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓V為了防止開關(guān)管被過(guò)壓擊毀，我們不得不考慮MOSFET的另外一個(gè)重要參數(shù)，它就是漏源擊穿電壓，因?yàn)槁┰磽舸╇妷簺Q定了開關(guān)管所能承受的電壓上限值大小。（2）最大漏極電流I指開關(guān)管正常工作時(shí)漏源間所允許通過(guò)的最大電流2、MOSFET的選擇選擇開關(guān)管時(shí)應(yīng)考慮開關(guān)管的兩個(gè)重要因素是導(dǎo)通壓降和開關(guān)速度。這兩個(gè)因素會(huì)隨著額定電壓的變化而變化。通常情況下，所選擇的開關(guān)管耐壓范圍應(yīng)該處于實(shí)際工作電壓數(shù)值大小120%到150%的范圍內(nèi)。開關(guān)管的最大耐壓應(yīng)力：Vms=式3-4中VMAX為最大交流輸入電壓，原邊匝數(shù)NP數(shù)值為167匝在后文中會(huì)給到計(jì)算，輸出電壓取+5V，此次的V所以由式3-4可得334+167/4×(7.5+1)≈688.9V。因此本電路選擇FQP8N80C作為此次設(shè)計(jì)中開關(guān)管的型號(hào),其耐壓大小為800V，電流8A。3.5UC3842芯片周圍電路設(shè)計(jì)3.5.1啟動(dòng)電路電路工作異常時(shí)，控制芯片會(huì)主動(dòng)停止電路。而控制芯片要想正常運(yùn)行會(huì)經(jīng)過(guò)兩種不同階段:啟動(dòng)階段與正常工作階段。在圖3-4中通過(guò)電容C6和電阻R6來(lái)構(gòu)成該電路，實(shí)現(xiàn)電路的正常運(yùn)行。該電路具體的工作過(guò)程是，啟動(dòng)電路正常啟動(dòng)，電容C6上的電壓充電至16V，此時(shí)流進(jìn)控制芯片的最大工作電流應(yīng)該小于1毫安。而整流之后的電容器CR6市網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)橋式整流后得到的直流電壓大約為USR6圖3-4UC3842啟動(dòng)電路3.5.2電流取樣與限流電路此電路用來(lái)采集開關(guān)管中通過(guò)的電流，而且還有限流的作用。如圖3-5所示，UC3842中的誤差放大器可以控制電阻R15的峰值電壓，對(duì)應(yīng)流過(guò)該電阻的最大電流為I_R11=如圖3-5所示，在電流一個(gè)RC濾波電路來(lái)消除整流管恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的尖峰脈沖。該脈沖持續(xù)的時(shí)間接近RC的時(shí)間常數(shù)，取值為幾百納秒。取常用值R15=1KΩ，C13=470pF，這時(shí)時(shí)間常數(shù)τ=R15C7圖3-5電流取樣與限流電路芯片內(nèi)部放大器的反相輸入電壓一般都必須小于1V。當(dāng)控制芯片3腳接收電壓發(fā)生過(guò)沖，該電源就會(huì)對(duì)流過(guò)的電流進(jìn)行限制，達(dá)到限流的效果，這就是限流電路。3.6反饋電路設(shè)計(jì)3.6.1元器件介紹1、TL431TL431是一種可控精密穩(wěn)壓源，最大輸入電壓為37V。TL431的輸入電壓可以通過(guò)改變兩個(gè)電阻的分壓比將其大小設(shè)置為2.5V到36V之間的所有值。隨著技術(shù)發(fā)展，TL431已經(jīng)成功應(yīng)用于各種不同需求的電路之中，例如，充電器、適配器、電視機(jī)之中等等。TL431的兩個(gè)分壓電阻R1和R2具有以下計(jì)算公式:U0=U選擇分壓電阻阻值大小時(shí)，應(yīng)計(jì)算好通過(guò)TL431陰極的電流大小，不能小于1mA，必須保證電路的正常運(yùn)行才可以。圖3-6TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TL431的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，主要包括4部分:1.如圖A端，該端口的作用是用來(lái)接收2.5V大小的參考電壓，故此又稱參考端。2.內(nèi)部2.50V的參考電壓源UREF3.晶體管VT用來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小;4.二極管2、光耦PC817在本次設(shè)計(jì)中，采取最常用線性光耦PC817，我們經(jīng)?？梢栽诟呔纫箅娐分锌吹剿鼇?lái)作為耦合設(shè)備使用。這種耦合器件具有前后回路完全隔離的功能，并且相互不影響，從而確保安全。反饋端輸送回來(lái)的電流進(jìn)入到該電路時(shí)，發(fā)光器件就能變亮，同時(shí)光接收器件接受光。而當(dāng)該器件接收到光信號(hào)的時(shí)候，該器件內(nèi)部就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，接著輸出端就會(huì)輸出光電流，完成了“電-光-電”信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。所以我們可以得出以下結(jié)論：PC817光耦合器主要起到兩種重要作用，一是可以進(jìn)行反饋；二是起到隔離的作用。PWM的脈沖寬度可以通過(guò)控制電路對(duì)電壓反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)控，本次設(shè)計(jì)采取的是PC817和TL431進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)的光耦反饋。其主要作用是穩(wěn)定輸出電壓基本不變。圖3-7電壓反饋電路3.6.2反饋電路參數(shù)計(jì)算如圖3-7所示，將+12V繞組的輸出電壓作為反饋電路的輸入端，考慮到該器件有2.5V大小的基準(zhǔn)電壓，因此對(duì)于取樣電阻R13和R17由式（3-5）可得有如下關(guān)系：12=2.5（1+R13對(duì)于R17，又有R17＜2.5V/這里取R17=5K，則R13為19K。再來(lái)計(jì)算R10，光耦PC817有一個(gè)重要參數(shù)就是電流傳輸比CTR，它是用來(lái)說(shuō)明光耦合器特性的一個(gè)參數(shù)，一般在80%和160%之間，本次設(shè)計(jì)CTR取值80%，則對(duì)于R10來(lái)說(shuō)，要求流過(guò)光二極管的最大電流應(yīng)為：6/0.8=7.5mA所以：R10≤（12-2.5-1.2）/7.5=1.1K又因?yàn)椋篟10＞（12-2.5-1.2）/50=166Ω（3-8）則得到：166Ω＜R10≤1.1KΩ50A為光二極管可承受的最大電流，所以此處R10取值為1K。3.7原理圖設(shè)計(jì)圖3-8整體電路原理圖 4高頻變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)高頻變壓器的具體參數(shù)，是成功實(shí)現(xiàn)電源仿真的一個(gè)重要組成部分，它是連接輸入輸出兩端的橋梁。在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中，高頻變壓器起著電壓轉(zhuǎn)換和電氣隔離的重要作用，并根據(jù)不同的匝數(shù)比輸出不同的輸出電壓。在本設(shè)計(jì)中：輸入：AC198-236V,50HZ輸出：+24V/1A，+12V/1A,+5V/2A開關(guān)頻率：50KHz效率：80%4.1求直流輸入電壓VdcminVdcmax4.2確定最大占空比Dmax表4-1輸入電壓范圍和反射電壓的關(guān)系工作范圍MINMAXDCDC初級(jí)反射輸出電壓VVVVV100-120V85V132V94V187V60V85-265V85V265V94V371V135V230-240V195V253V253V354V135V確定在低電網(wǎng)電壓時(shí)的最大占空比DMAX=VorVds根據(jù)公式：則在以上三個(gè)工作范圍內(nèi)的占空比分別算得為0.36-0.4;0.6;0.36-0.4又由于反激拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，取本次Dmax4.3求輸入功率本次設(shè)計(jì)中效率取80%，變壓器輸入功率Pin=即：P4.4AP法選磁芯通常來(lái)說(shuō)，以磁芯有效截面積和其中線圈有效窗口面積的乘積選擇磁芯的這種方法就叫AP法選擇磁芯，此時(shí)為更接近實(shí)際設(shè)計(jì)要求，選擇平方厘米作為單位，那么所算結(jié)果的單位就是cm4AP=AAP是兩種面積的乘積（cm4）；AW是磁芯的窗口面積（cm2）；AC是磁芯的截面積（cm2）；Pin是輸出功率（W），它的數(shù)值大小由（4-4）已經(jīng)算出為57.5W；F是頻率（Hz）；Bm是磁感應(yīng)強(qiáng)度（T），一般大小在0.1-0.3之間；J是電流密度（A/mm2），一般取值大小為4；Ku即：AP=查表4-2選取磁芯型號(hào)為EE25，Le為48.7mm,Ae為40表4-2磁芯AP值表格TYPEMATERIALDimensions(mm)AP(cmAe(mm2Aw(mm2Le(mm)EE20/20/5PC4020.15*10*5.10.157231.0050.7043.00EE22PC4022*9.35*5.750.159041.0038.7939.40EE2329SPC4023*14.7*60.436835.80122.0064.90EE25/19PC4025.4*9.46*6.290.312840.0078.2048.70EE25.4PC4025.4*9.66*6.350.317340.3078.7348.70EE2825PC4028*12.15*10.60.852586.9098.1057.704.5原邊繞組峰值電流和初級(jí)電流有效值Ipk式中：K=1.4（Buck、推挽和全橋電路）K=2.8（半橋和正激電路）K=5.5（Boost、Buck-Boost和反激電路）Pout在上面已經(jīng)算出，大小為46W，Vdcmin為最小直流輸入電壓，則：

Ipk=(5.5×46)/280≈0.903AIrms=Ip×√(Dmax×((Krp^2/3?Krp+1))（4-7）此處Krp取值為0.6，Dmax為最大占空比，取值為0.45，得Irms約為4.6計(jì)算一次電感最小值LpriLpri=(Vmin×Dmax)/(F×Ipk)（4-8）即：Lpri=(280×0.45)/(50×1000×0.903)≈2.8mhV_min：最小直流輸入電壓，大小為280V。D_max：最大占空比，本次設(shè)計(jì)數(shù)值大小取0.45。F：頻率(Hz)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取值為50KHz。L_pri:初級(jí)電感量，也叫一次電感最小值。4.7確定初、次級(jí)繞組圈數(shù)選好磁芯之后，就可以根據(jù)所選磁芯找到對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，以此來(lái)計(jì)算繞組的匝數(shù)。4.7.1初級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算Np=E得：Np=334×F：頻率（Hz）Bm：磁感應(yīng)強(qiáng)度Ae：磁芯截面積（cm4.7.2次級(jí)繞組匝數(shù)計(jì)算匝數(shù)比的計(jì)算公式為n=DmaxNs=(1)輔助繞組Ns1的計(jì)算：nNs1=這里取Ns1為(2)+24V繞組的計(jì)算：nNs2=這里取Ns2為(3)+12V繞組的計(jì)算：nNs3=167這里取Ns3為(4)+5V繞組的計(jì)算：nNs4=167這里取Ns4為4.8計(jì)算磁芯氣隙LgapLgap即：LgapAe：磁芯截面積（cmNpLpri：4.9計(jì)算線徑DpDsJ：電流密度（4A/mm2I1I2：次級(jí)電流有效值1、計(jì)算DpD2、次級(jí)峰值電流Isp可得IS次級(jí)有效電流：Isrms（1）輔助繞組峰值電流、有效電流和線徑的計(jì)算：IIsrms1=13.71×√((1?0.45)×(D（2）+24V繞組的峰值電流、有效電流和線徑的計(jì)算：IID（3）+12V繞組的峰值電流、有效電流和線徑的計(jì)算：IID（4）+5V繞組的峰值電流、有效電流和線徑的計(jì)算：IID5輸出仿真結(jié)果分析科技不斷的在發(fā)展，電源技術(shù)也就隨之越來(lái)越成熟，伴隨著的是相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展。本章針對(duì)前面所設(shè)計(jì)的反激電源用PSIM軟件進(jìn)行仿真，作出相關(guān)分析。5.1PSIM建模首先，PSIM是一種仿真軟件，應(yīng)用于電力電子電機(jī)傳動(dòng)的仿真領(lǐng)域。PSIM全稱PowerSimulation。SIMCAD和SIMVIEM是該軟件的兩個(gè)組成部分。選擇PSIM最重要的原因就是因?yàn)镻SIM仿真速度快、可以解析多種波形，它在電力電子領(lǐng)域?yàn)榭梢詾槭褂谜咛峁┮环N高效、便捷的仿真環(huán)境，方便人們的使用。圖5-1PSIM仿真模型本次設(shè)計(jì)利用PSIM軟件，對(duì)設(shè)計(jì)中的電源輸出功率以及相關(guān)電路運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。建模仿真整體的模型如圖5-1所示，有幾個(gè)要點(diǎn)需要進(jìn)行說(shuō)明：（1）本次設(shè)計(jì)選用的變壓器是5-windingtransformer。一個(gè)原邊，四個(gè)副邊，其中副邊的一個(gè)作為輔助電源反饋回來(lái)和市電整流分壓后的電壓共同給芯片供電。所以實(shí)際是4路輸出，但是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際功率的考慮，輔助繞組不再算作為一路輸出，故此選擇此變壓器。（2）變壓器中的線電阻和漏感是由于實(shí)際工程來(lái)測(cè)量的，所以設(shè)置其參數(shù)時(shí)采取默認(rèn)值。變壓器中匝數(shù)設(shè)置是經(jīng)過(guò)測(cè)試來(lái)得出的，跟第四章中計(jì)算的匝數(shù)比有所出入，由于在實(shí)際工程中存在誤差，故此在此仿真中采用的匝數(shù)比為測(cè)量匝數(shù)比，數(shù)值為138:16:8:4:8。（3）PSIM軟件中，部分元件沒有過(guò)多分類，只需設(shè)置其阻值即可，所以采用通用元件。5.2仿真結(jié)果分析5.2.1漏極電壓波形本次設(shè)計(jì)的反激電源在工作時(shí)，變壓器原邊一側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的漏極電壓，若電壓過(guò)大，一會(huì)影響電源的穩(wěn)定性能，甚至癱瘓；二會(huì)直接損壞功率管，使得電源無(wú)法正常運(yùn)行。如圖5-2為本次設(shè)計(jì)中漏極電壓的波形。圖5-2漏極電壓波形漏極電壓大部分都在700V至750V左右，變壓器原邊依靠鉗位電路來(lái)限制電壓過(guò)沖，可靠穩(wěn)定的向副邊傳遞能量。所以本次設(shè)計(jì)中選用的耐壓值為800V的FQP8N80C基本符合設(shè)計(jì)要求。5.2.2輔助電源電壓波形圖5-2輔助電源電壓波形當(dāng)芯片啟動(dòng)后，輔助電源也需要給控制芯片提供電壓，若輔助電源提供的電壓不充足，電路就會(huì)出現(xiàn)打嗝的現(xiàn)象。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輔助電源的電壓最好不要超過(guò)17V，一般13-17V之間為最好，太大或者太小都會(huì)影響輸出電壓和占空比的大小。從圖5-2中可以看出輔助電源的電壓波形大小從剛開始0.002S左右的15V出頭到后面0.006S之后逐漸小于15V，漸漸穩(wěn)定在14V左右，符合設(shè)計(jì)要求。5.2.3輸出電壓波形圖5-3低限交流輸出電壓波形如圖5-3是該電源在低限交流280V電壓仿真的輸出電壓波形及數(shù)值大小，圖中交流電源數(shù)值大小是幅值，所以數(shù)值應(yīng)為280×1.4=392V，從圖可知三路輸出電壓波形基本穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。圖5-4高限交流輸出電壓波形如圖5-4是該電源在高限交流334V電壓仿真的輸出電壓波形及數(shù)值大小，圖中交流電源數(shù)值大小是幅值，所以數(shù)值應(yīng)為334×1.4=467.6V，從圖可知三路輸出電壓波形基本穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)壓性能。5.2.4輸出電壓準(zhǔn)確度的測(cè)試從圖5-5中可以看出來(lái)三組直流輸出電壓大小分別為24.16V、11.96V、5.02V。輸出電壓準(zhǔn)確度可以根據(jù)式5-1來(lái)計(jì)算。x=│(U_1?U_O用x代表電壓準(zhǔn)確度，U1代表測(cè)量的輸出電壓，U0（1）對(duì)于+24V繞組，有：x=│(24.16（1）對(duì)于+12V繞組，有：x=│(11.96（1）對(duì)于+5V繞組，有：x=│(5.02從上面計(jì)算得到的結(jié)果可以看出，三路輸出電壓準(zhǔn)確度均小于2%，表面在此次設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)反饋回路調(diào)整的輸出電壓符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了準(zhǔn)確調(diào)整的目的。圖5-5輸出電壓波形5.2.5輸出電流波形圖5-6輸出電流波形根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電流應(yīng)分別為兩路1A和一路2A。從圖可知，誤差較小，基本符合指標(biāo)要求。總結(jié)與展望1、論文總結(jié)社會(huì)發(fā)展愈加迅速，開關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。此次設(shè)計(jì)應(yīng)用UC3842作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了+24V/1A、+12V/1A、+5V/2A三路輸出的直流穩(wěn)壓電源，通過(guò)Altium軟件進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)，PSIM進(jìn)行仿真建模，并且對(duì)高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)作了大量計(jì)算，同時(shí)對(duì)某些具體的波形圖進(jìn)行了分析。本次設(shè)計(jì)完成的主要工作和取得的成果主要如下：（1）對(duì)開關(guān)電源發(fā)展的背景和意義進(jìn)行闡述，介紹其發(fā)展趨勢(shì)。（2）簡(jiǎn)述開關(guān)電源工作的基本原理，并選擇反激拓?fù)渥鳛橹魍負(fù)?，以現(xiàn)有知識(shí)體系為基礎(chǔ)對(duì)整體結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行構(gòu)建。（3）簡(jiǎn)述芯片引腳功能，對(duì)芯片外圍電路進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和設(shè)計(jì)，接著對(duì)EMI濾波進(jìn)行簡(jiǎn)述和整流二極管的參數(shù)計(jì)算與選型，完成相關(guān)子電路的設(shè)計(jì)，最終搭建電路的原理圖。（4）詳細(xì)地設(shè)計(jì)高頻變壓器，通過(guò)AP法進(jìn)行磁芯選型，并以此為依據(jù)進(jìn)行匝數(shù)比的計(jì)算，計(jì)算了高頻變壓器的原副邊匝數(shù)和磁芯氣隙等主要參數(shù)。（5）應(yīng)用PSIM軟件進(jìn)行仿真建模，完成模型搭建，仿真出主要電路的波形，比如MOS管的漏極電壓，以此來(lái)驗(yàn)證MOS管的選型是否正確。交流電壓輸出220V，通過(guò)對(duì)輸出電壓的波形分析，得出該電源的輸出電壓比較穩(wěn)定的結(jié)論，誤差小于1%，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。2、論文展望在完成設(shè)計(jì)期間，從