反激式開關電源課程設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 課程設計的目的 2</p><p>　　第二章 課程設計的要求 2</p><p>　　第三章 主電路原理 4</p

2、><p>　　第四章 變壓器的設計 9</p><p>　　第五章 器件選型 15</p><p>　　第六章 仿真及結果 20</p><p>　　總電路圖

3、 28</p><p>　　心得體會 29</p><p>　　參考文獻 30</p><p>　　第一章、課程設計的目的</p><p>　

4、　通過開關電源技術的課程設計達到以下幾個目的：</p><p>　　1、培養(yǎng)學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。</p><p>　　2、培養(yǎng)學生綜合分析問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。</p><p>　　3、培養(yǎng)學生運用知識的能力和工程設計的能力。</p><p>　　4、培養(yǎng)學生運用仿真工具的能力和方法

5、。</p><p>　　5、提高學生課程設計報告撰寫水平。</p><p>　　第二章、課程設計的要求</p><p><b>　　1. 題目</b></p><p>　　題目：反激型開關電源電路設計</p><p><b>　　注意事項：</b></p>&l

6、t;p>　　①學生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它開關電源電路設計。</p><p>　　② 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容。</p><p>　　設計裝置（或電路）的主要技術數(shù)據(jù)</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源基本原理框圖</p><p

7、><b>　　主要技術數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1、交流輸入電壓AC95~270V；</p><p>　　2、直流輸出5V，1A； </p><p>　　3、輸出紋波電壓≤0.2V；</p><p>　　4、輸入電壓在95~270V之間變化時，輸出電壓誤差≤0.03V；</p><p&g

8、t;<b>　　設計內容：</b></p><p>　　開關電源主電路的設計和參數(shù)選擇</p><p>　　IGBT電流、電壓額定的選擇</p><p>　　開關電源驅動電路的設計</p><p><b>　　開關變壓器設計</b></p><p>　　畫出完整的主電路原理圖

9、和控制電路原理圖</p><p>　　電路仿真分析和仿真結果</p><p>　　在整個設計中要注意培養(yǎng)靈活運用所學的電力電子技術知識和創(chuàng)造性的思維方式以及創(chuàng)造能力</p><p>　　要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統(tǒng)的設計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關文獻的基礎

10、上，經(jīng)過剖析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。課程設計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。設計報告最后給出設計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優(yōu)）。</p><p>　　在整個設計中要注意培養(yǎng)獨立分析和獨立解決問題的能力</p><p>　　要求學生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統(tǒng)主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件

11、選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告基本相同，甚至完全一樣。</p><p>　　課題設計的主要內容是</p><p>　　主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件、變壓器的計算和選型，以及控制電路設計。報告最后給出所設計的完整電路圖， </p><p>　　課程設計用紙和格式統(tǒng)一</p><p>　　課程設計用紙在學校印刷廠統(tǒng)一購買和裝訂

12、，封面為學校統(tǒng)一要求。要求圖表規(guī)范，文字通順，邏輯性強。設計報告不少于20頁</p><p><b>　　第三章 主電路原理</b></p><p><b>　　電源設計指標：</b></p><p>　　輸入電壓：AC380 V； 輸入電壓變動范圍：304～456 V； 輸入頻率：50kHz； 輸

13、出電壓：5 V 24V ；　 輸出電流：1A 0.05A</p><p>　　輸出的紋波電壓為0.2V</p><p>　　輸出電壓在20%的變化范圍時，輸出地電壓誤差為0.3</p><p>　　一 反激型電路原理</p><p>　　反激型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，值得注意的是，反激型電路工作于電流連續(xù)模

14、式時，其變壓器磁芯的利用率會顯著下降，因此實際使用中，通常避免該電路工作于電流連續(xù)模式。其電路原理圖如圖3.1：</p><p>　　圖3.1 反激型電路原理圖</p><p>　　工作過程：當S導通時，電源電流流過變壓器原邊，增加，其變化為，而副邊由于二極管VD的作用，為0，變壓器磁心磁感應強度增加，變壓器儲能；當S關斷時，原邊電流迅速降為0，副邊電流在反激作用下迅速增大到最大值，然后

15、開始線性減小，其變化為，此時原邊由于開關管的關斷，電流為0，變壓器磁心磁感應強度減小，變壓器放能。</p><p>　　二 EMI濾波電路</p><p>　　開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點 而迅速發(fā)展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高 頻率、 di/ dt 和高 du/ dt 使得電磁干擾問題非常突出， 如何減小產(chǎn)品的 EMI ，成為大家關心的重要問題。 開關電源工

16、作時，電磁干擾可分為兩大類： 共模干 擾是載流體與大地之間的干擾，干擾大小和方向一致， 存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間，主要是 由 du/ dt 產(chǎn)生的，di/ dt 也產(chǎn)生一定的共模干擾。差模 干擾是載流體之間的干擾，干擾大小相等，方向相反， 其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。 本設計用 到的電路如圖3.2所示:</p><p>　　圖3.2 EMI濾波電路</p><p&

17、gt;<b>　　三 整流濾波電路</b></p><p>　　在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相整流濾波電路，本電路常用于小功率的單相交流輸入的場合。目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中所采用的開關電源中，其整流電路就是如圖3.3所示的單相不可控整流電路:</p><p>　　圖3.3 電容濾波的單相不可控整流電路</p><p>　　由設計要求

18、可知 AC 輸入值是 380V， 通過整流濾波537V 的直流電壓。</p><p>　　式中 U i—整流前輸入電壓 U i =380V</p><p>　　Uo —整流后輸出電壓</p><p>　　由于濾波過程的其他原因取 U i =310V</p><p>　　二極管承受的壓降為 </p><p><b&

19、gt;　　四 控制芯片</b></p><p>　　本設計采用UC3842芯片控制開關器件的開通與關斷。</p><p>　　UC3842是美國Unitrode公司生產(chǎn)的采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。</p><p>　　UC3842 為雙列 8 腳單端輸出的它激式開關電源驅動集成電路，其內部電

20、路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，如圖3.4所示:</p><p>　　圖3.4 UC3842的內部結構</p><p>　　(1) 5 V 基準電源：內部電源，經(jīng)衰減得到 2.5 V 作為 誤差比較器的比較基準。該電源還可以提供外部 5V/50 mA。 </p><p>　　(2)

21、 振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。T 接在④、 REF⑧腳之間， R V</p><p>　　CT 接④、 GND⑤之間。 頻率 f=1.8/(CTRT), 最大為 500 kHz。</p><p>　　(3) 誤差放大器：由 VFB 端輸入的反饋電壓和 2.5 V 做比較，誤差電壓 COMP 用于調節(jié)脈沖寬度。COMP 端引 出接外部 RC 網(wǎng)絡，以改變增益和頻率特性。</p>&l

22、t;p>　　(4) 輸出電路：圖騰柱輸出結構，電路 1A，驅動 MOS 管及雙極型晶體管。</p><p>　　(5) 電流取樣比較器：③腳 ISENSE 用于檢測開關管電流， 可以用電阻或電流互感器采樣， VISENSE>1 V 時，當關閉輸出脈沖，使開關管關斷。這實際上是一個過流保 護電路。開通閾值 16 V，關閉閾值 10 V，</p><p>　　(6) 欠壓鎖定電路

23、VVLO：具有滯回特性。</p><p>　　(7) PWM 鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，VCC 與GND之間的穩(wěn)壓管用于保護，防止器件損壞。</p><p>　　(8) 圖騰柱輸出電路(Totem Pole)：上晶體管導通下晶體管截止，輸出高電平；下晶體管導通上晶體管截止，輸出低電平；上下兩晶體管均截止，則輸出為高阻態(tài)。</p>

24、<p><b>　　五 反饋電路</b></p><p><b>　　電壓反饋電路</b></p><p>　　圖3.5 電壓反饋電路原理圖</p><p>　　電壓反饋電路如圖3.5所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到UC3842的①腳，調節(jié)R1、 R2的分壓比可設定和調節(jié)輸出電壓，

25、達到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓Uo升高，則集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即UC3842①腳對地的分流變大，UC3842的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓Uo減小。同樣, 如果輸出電壓U減小，則可通過反饋調節(jié)使之升高。</p><p>　　第四章 變壓器的設計</p><p><b>　　一、已知參數(shù)</b></p&

26、gt;<p>　　設計變壓器已知參數(shù):</p><p>　　輸入電壓Uin=537V</p><p>　　兩路輸出電壓和電流：Uo1 =5V，Io1=1A;Uo2 =24V，Io2 =50mA</p><p>　　反饋電壓和電流Uf =20V，If =50mA</p><p><b>　　輸出功率</b>&

27、lt;/p><p><b>　　效率η=0.9</b></p><p>　　開關頻率fs=50kHz</p><p><b>　　三、計算</b></p><p>　　首先應根據(jù)以下公式計算變壓器的電壓比： </p><p>　　式中，是開關工作時允許承受的最高電壓，該電壓

28、值應低于所選開關器件的耐壓值并留有一定裕量，是輸入直流電壓最大值，是變壓器電壓比。</p><p>　　由設計要求可知 AC 輸入值是 380V，通過整流濾波輸出 537V的直流電壓。</p><p>　　由于有波動，輸入的波動是±20%，所以。取2倍的，故取1288。</p><p>　　由于有兩路輸出和一路反饋，所以變壓器變比如下：</p>

29、<p>　　式中：—5的輸出，—24的輸出，—20的反饋</p><p>　　—原邊與輸出5的匝數(shù)比。</p><p>　　—原邊與輸出24的匝數(shù)比。</p><p>　　—原邊與反饋20的匝數(shù)比。</p><p>　　當輸出電流最大、輸入直流電壓為最小值時開關的占空比達到最大，假設這時反激型電路剛好處于電流連續(xù)工作模式，則根據(jù)

30、下式可以計算出電路工作時的最大占空比為</p><p>　　取實際占空比為，計算的值，如下：</p><p>　　初級平均電流可由假定效率，所需輸出總功率及最小總線電壓算出。</p><p><b>　　一次側峰值電流</b></p><p><b>　　計算一次側電感值</b></p>

31、<p>　　可由法求出所需鐵芯：</p><p>　　式中—磁芯窗口面積，單位為cm2</p><p>　　—磁芯截面積單位為cm2 </p><p>　　—磁芯工作磁感應強度，取 =0.3T</p><p>　　— 窗口有效使用系數(shù)，根據(jù)安規(guī)的要求和輸出路數(shù)決定，一般為0.2～0.4，此處取0.4。</p>&l

32、t;p>　　電流密度，一般取395A/cm2 </p><p><b>　　求得的的值為：</b></p><p>　　選擇合適的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時可以減小漏感，即確定選用CL-76。 CL-76的磁芯其具體數(shù)據(jù)為</p><p>　　按如下公式計算原邊匝數(shù)，</p>

33、<p><b>　　即取匝。</b></p><p>　　再根據(jù)原、副邊的匝比關系可以求出副邊的匝數(shù)。若求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應該調整某些參數(shù)，使原、 副邊的匝數(shù)合適。</p><p>　　根據(jù)上述所求得的、、求二次側匝數(shù)，</p><p>　　—輸出為5V的二次側匝數(shù)，取4</p><p>　　—輸出為

34、12V的二次側匝數(shù)，取17</p><p>　　—反饋為20V的二次側匝數(shù)，取14</p><p>　　為了避免磁芯飽和，應該在磁回路中加入一個適當?shù)臍庀?，計算如下?lt;/p><p>　　繞線的選擇有設計方案可知在變壓器上有三部分繞組：</p><p>　　輸入繞組電流 ,由dc=3.95A/mm2 可得繞線的截面積為</p>

35、<p>　　第一路輸出繞組電流 I O1 = 1 A .可得出</p><p>　　第二路輸出繞組電流 I o2= 0.05A,</p><p>　　第二路反饋繞組電流 I o3= 0.05A</p><p>　　表1 AWG導線規(guī)格表</p><p>　　本設計采用AWG導線，根據(jù)表1結合所計算出來的導線截面積，選擇導線型號，結

36、果如下：</p><p>　　輸入繞組選用AWG-35，</p><p>　　5V輸出繞組繞組選用AWG-23,</p><p>　　24V輸出繞組選用AWG-35，</p><p>　　反饋繞組選用AWG-35。</p><p>　　考慮各方面影響因素，變壓器繞制工藝如下，采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再

37、繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小。該方法是通過變壓器繞制工藝設計，控制變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。其次，反激變壓器采用次級繞組反向繞制，有如下好處：1.操作工藝相對簡單2.同向繞制必須要加套管，而反向則不必3.同向進出會交叉，反向就不會。</p><p><b>　　第五章 器件選型</b></p>&

38、lt;p>　　一、 EMI濾波電路</p><p>　　需要L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關。需要指出,當額定電流較大時,共模扼流圈的線徑也要相應增大,以便能承受較大的電流。此外,適當增加電感量,可改善低頻衰減特性。Ca采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.01μF～0.47μF,主要用來濾除差模干擾。Cb跨接在輸出端,并將電容器的中點接地,能有效地抑制共模干擾。Cb亦可并聯(lián)在輸入端,仍選用陶瓷電容,容

39、量范圍是2200pF～0.1μF。為減小漏電流,電容量不得超過0.1μF,并且電容器中點應與大地接通。C1～C4的耐壓值均為630VDC或250VAC。</p><p>　　因此，最后選取個元件參數(shù)如下：</p><p>　　差模干擾抑制電容Ca選取</p><p>　　共模干擾抑制電感T=20mH</p><p><b>　　共模

40、干擾抑制電容</b></p><p><b>　　二、 整流電路</b></p><p>　　由設計要求可知AC輸入值是380V通過整流濾波輸出537.4V的直流電壓。</p><p>　　試中 -----整流電路輸入側電壓</p><p>　　-----整流輸出直流電壓</p><p&g

41、t;<b>　　考慮10%余量取</b></p><p>　　選取整流二極管由上式知二極管承受的管壓降為</p><p>　　所以選取二極管型號為IN4005，其最高反響峰值電壓為600V</p><p><b>　　三、 反激型電路</b></p><p>　　已知輸入?yún)?shù)為輸入直流</p&

42、gt;<p><b>　　輸出電壓：</b></p><p><b>　　輸出總功率為: </b></p><p><b>　　效率：</b></p><p><b>　　開關頻率：</b></p><p><b>　　線路主開關管

43、的耐壓</b></p><p>　　其變壓器計算選取見第四章。</p><p><b>　　輸出側元器件選取：</b></p><p>　　變壓器輸出側電路如下圖：</p><p>　　圖5.1 輸出濾波電路</p><p>　　計算輸出濾波電容： 由課設的要求輸出紋波電壓 ≤ 0.

44、2V，即輸出紋波電壓的峰峰 ，可根據(jù)輸出誤差估算出：</p><p>　　為了更好的保證輸出地波形使紋波減小到最小，保證供電質量，由圖 可知采用的是雙濾波環(huán)節(jié)，計算二次濾波電容：</p><p>　　即選擇一個和 C4 一樣的電容。根據(jù)查詢得知選擇電解電容，選擇 KEMET 公司生產(chǎn)的電容型號 T510X337MO10AS 330</p><p>　?。?）計算

45、輸出濾波電感 L1 參考導磁率與直流偏置曲線。在可能的直流偏置下所選的磁導率不能過低。這里選擇磁場強度為 400E 時，相對磁導率大于 60 的磁芯：</p><p><b>　　取整則N=48匝</b></p><p><b>　?。?）選擇二極管V</b></p><p>　　輸出整流二極管耐壓為</p>

46、<p>　　故選取IN4001型二極管</p><p>　　同理由以上計算第二路輸出24V，50mA的電容電感值及二極管</p><p>　　輸出整流二極管耐壓為</p><p>　　選取IN4001型二極管</p><p><b>　　四 反饋電路</b></p><p><b

47、>　　1．基準</b></p><p>　　本設計基準電壓用的是德州公司的 TL431，其管腳極外形見圖所示，參數(shù)如下：</p><p>　　a.最大輸入電壓為 37V</p><p>　　b.最大工作電流 150mA</p><p>　　c.內基準電壓為 2.5V</p><p>　　d.輸出電壓范

48、圍為 2.5~30V 滿足電路要求</p><p>　　R1、R2 都取 1.5kΩ，在TL431的K極的到一個2.5 的基準電壓，輸出電 壓變化時，加在光耦合器上的電壓發(fā)生 </p><p>　　變化，反饋到 UC3842 的電壓也發(fā)生變化，通過調節(jié)占空比便可調節(jié)輸出的變化。</p><p><b>　

49、　2.光耦合</b></p><p>　　電流放大系數(shù)傳輸比（CTR）：通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流 IC 與直流輸入電流 IF 的百分比，有公式：</p><p>　　CTR=IC/ IF×100%</p><p>　　在此選用摩托羅拉系列光耦合器 4N25,A ， 其 CTR=20％，直流輸入電流 I

50、F=10mA，于是</p><p><b>　　五、控制電路</b></p><p>　　振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻和電容決定，而外接電容同時還決定死區(qū)時間長短。死區(qū)時間、開關頻率同選取開關頻率和電容的關系如下所示：</p><p>　　死區(qū)時間，開關頻率 ，</p><p><b>　　求得， 。</

51、b></p><p>　　第六章 仿真及結果</p><p><b>　　一、EMI濾波電路</b></p><p><b>　　其仿真電路如下圖：</b></p><p>　　6-1 EMI濾波電路</p><p>　　輸入交流電壓及濾波輸出電壓波形如下圖:<

52、/p><p>　　6-2 輸入輸出波形</p><p>　　如果輸入有高頻電壓干擾，通過EMI濾波電路其將會被濾掉，結果輸出波形仍是50Hz的交流正弦電壓波。</p><p><b>　　二、 整流電路</b></p><p><b>　　仿真電路如下圖：</b></p><p>

53、;<b>　　圖6-3 整流電路</b></p><p><b>　　交流輸入電壓波形：</b></p><p>　　整流后輸出直流電壓波形：</p><p>　　輸入為380的交流電，整流輸出</p><p>　　輸出波形符合計算值結果。</p><p>　　三 反激型電

54、路仿真及結果</p><p><b>　　圖6.4</b></p><p>　　圖6.5 輸出直流波形</p><p>　　UC3842是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應用而設計，這些集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率MOS

55、FET的理想器件。</p><p>　　在ORCAD仿真中的電路原理圖見圖6.6</p><p><b>　　圖 6.6</b></p><p>　　UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：</p><p>　　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

56、特性；</p><p>　　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 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；</p><p>　?、勰_為電流檢測輸入端，當檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)。本次仿真暫不使用此引腳，將其直接接地；</p><p>　　④腳為定時端，內部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.7

57、2/(RT×CT)；波形見上圖</p><p><b>　　⑤腳為公共地端；</b></p><p>　?、弈_為推挽輸出端，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅動能力為±1A ；輸出高電平為20V的方波，輸出波形見圖6.7（下圖）</p><p>　?、吣_是直流電源供電端，本次仿真采用20V直流電壓供電，具有欠、過

58、壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；</p><p>　?、嗄_為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。</p><p><b>　　圖 6.7</b></p><p>　　在ORCAD仿真中，在6引腳能夠得到用來控制MOSFET的方波，但由于仿真庫兼容性問題，并沒能得到完整反激電路的波形。因此，采取了以下電路原理圖</p>&

59、lt;p><b>　　圖 6.8</b></p><p>　　本電路采取180V直流電作為電源，變壓器由兩個電感和K元件組成，MOSFET由Sbreak元件代替，Sbreak無開關損耗，因此被用在理論仿真中非常合適。R1、D2構成續(xù)流回路，R1消耗Sbreak關斷后一次側電感的儲能，電路中增加了負反饋，用以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電壓波形見圖6.9，可以看出輸出電壓是穩(wěn)定的5V左右。<

60、/p><p><b>　　圖 6.9</b></p><p>　　反饋電路采取采樣電壓和固定頻率的單極性三角波比較的方式，當三角波高于輸出采樣電壓時TABLE元件輸出高電壓，當三角波低于輸出采樣電壓時TABLE元件輸出低電壓。當輸出采樣電壓升高時，TABLE元件輸出的電壓占空比減小，此電壓加在Sbreak上，控制其開斷，使輸出電壓降低，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的作用。<