7路输出单端反激式开关电源设计大学本科毕业论文.doc
7路输出单端反激式开关电源设计7 outputs single-ended flyback switching power supply design thesis a摘 要开关电源是一种采用PWM等技术控制的开关电路构成的电能变换装置，它广泛应用于交直流或直直流电能变换中，通常称其为开关电源（Switched Mode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦不等，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。开关电源因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点而逐渐取代传统的线性稳压电源，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。本课题是设计一个通用的多路输出的反激式开关电源，电源取自220V市电。本题目设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，利用控制开关的导通时间来调整输出电压，主控制芯片采用UC3844实现电压电流双闭环控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。系统工作频率为50kHz，输出7路隔离的电压。关键词：开关电源，反激式变换器，高频变压器，UC3844IIAbstractSwitching power supply using the PWM, control switch circuit of the power conversion device, it is widely used in AC to DC or DC to DC can transform, usually called the switching power supply (Switched Mode Power Supply-S MPS) power from zeroranging from a few watts to tens of kilowatts,is widely used in various fields of life, production, research, and military.The switching power supply because of its small size, light weight,high efficiency, stable performance and other advantages of gradually replacing traditional linear power supply, known as energy efficient power supply,has now become the leading product of the power supply.This project is to design a generic multi-output flyback switching power supply,power supply from the 220V mains. Switching power supply design of this topic is the use of full-controlled power electronic devices MOSFET as a switch, control switch conduction time to adjust the output voltage, the main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedicated chipand compatible with other circuit elements as a feedback circuit,voltage and current double closed loop control,the design ofswitching power supply with automatic voltage regulation function. The systemoperating frequency 50kHZ, the output voltage of 7 road isolation.Keywords: switching power supply, flyback converter, high-frequency transformer, UC3844目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 引 言1第二章 开关电源的原理32.1 开关电源的基本原理32.2 开关电源的组成42.3 单端反激式拓扑分析42.3.1 工作原理4第三章 系统设计63.1 技术指标63.2 开关电源电路图63.3 关键元器件的选择与设计73.3.1 控制器芯片UC384473.3.2 高频变压器的设计83.3.3 输出级的设计83.3.4 功率MOSFET及其驱动电路设计103.3.5 功率MOSFET控制电路及其参数选择113.3.6 电压反馈电路设计113.3.7 输入启动电路的设计123.3.8 输入整流滤波电路的设计143.3.9 保护电路的设计143.4 电路工作过程总结15第四章 设计总结18参考文献19附 录20IV第一章 引 言第一章 引 言随着电子技术的发展, DC/DC 电源已经形成一个庞大的工业, 材料、工艺、外封装的不断改进, 使DC/DC产品普遍被工业界采用, 并在军界、医疗、宇航等领域迅速推广。现已有数家产值达数千万美元的公司生产DC/DC电源, 产品从0.5瓦至上千瓦. 从单输出到多输出。也有的公司把自己的DC/DC模块产品组合设计成用户需要的电源系统。激烈的竞争局面, 导致各厂家积极采用先进技术, 使模块以最小的体积达到最高的功率输出,某些新产品的功率密度已可达每立方英寸10瓦。提高效率和输出功率是大家追求的目标, 场效应开关管、肖特基整流管以及磁性材料的改进, 都是关键因素。计算机工业的发展给DC/DC电源提出了新的目标。以往的TTL 电路逻辑电压为5V , 超大规模集成电路的驱动电流较大, 一个需5A 电流的设计至少要25 瓦输出的电源模块。为节省能源, 新的CMOSIC设计使电压降为3.3V , 同样需5A 电流则可仅用16.5 瓦的模块。目前一些超大规模集成电路生产厂家有意把电压降至2 .9V 、2.1 V ,以节省电力, 因对DC/DC电源产品带来了新的挑战。目前DC/DC模块的设计人员采用同步整流技术在一定程度上使效率有所提高,但最终的改进尚依赖于半导体元件性能的改善。为解决DC/DC模块的控制电路。使用一定规模的集成电路将使DC/DC模块性能得到革命性的进步1。DC/DC模块的外封装的散热也是个关键间题。由于体积的限制,模块外壳需有良好的导热能力, 否则将烧毁内部半导体元件。近几年已有把电路印刷在铝制或陶瓷荃板上的DC/DC产品间世。铝板和陶瓷板导热较好, 给DC/DC模块的发展提供的新的方向。2第二章 开关电源的原理2.1 开关电源的基本原理在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。与线性稳压电源不同的是，开关电源的功率开关管工作在开关（导通与截至）状态。在这两种状态中，加在功率开关管上的伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率开关管上所产生的损耗。不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是PWM（Pulse Width Modulation）控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。而开关电源多为对等幅脉冲进行控制，脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节的。当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。通过改变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。开关电源的基本工作工程：1、交流输入经整流滤波变成直流；2、控制器输出高频PWM信号控制开关管，将直流电压斩波成高频脉冲电压加到高频变压器初级绕组上；3、高频变压器次级绕组感应出高频电压，经整流滤波供给负载；4、反馈环节从一部分输出电压采样得到误差电压，经误差放大后输入到控制器，控制占空比，以达到稳定输出电压的目的。32.2 开关电源的组成图2-1所示为开关电源的结构框图：图2-1 开关电源的结构框图AC/DC转换电路是整流滤波电路。DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以下几种基本类型：buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。因设计需求，本设计在主电路拓扑上采用单端反激式。下面就对这一结构主电路进行讨论分析。2.3 单端反激式拓扑分析2.3.1 工作原理图2-2为单端反激式变换器拓扑结构：图2-2 单端反激式变换器拓扑结构图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，为输入直流电压，开关S为功率开关管，C为输出滤波电容，R为负载，为初级绕组电流，为次级绕组电流；和为输出电压和电流，参考方向如图中所示。单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开关管S导通时，直流输入电压加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。根据次级绕组放电时间的不同，单端反激式变换器分为3种工作模式：不连续工作模式（DCM）、连续工作模式（CCM）和临界工作模式。第三章 系统设计3.1 技术指标本课题是针对现代电子设备对供电电源的需求，以220V市电为能源供应，经整流滤波、高频变压器、再经过输出整流滤波，得到电子设备所需的5V、12V、+24V等电压。本课题设计的电源主电路拓扑采用单端反激式变换器结构，采用UC3844作为PWM主控IC，以实现电压和电流的双闭环控制，从而提高负载调整率，电压调整率，以达到电子设备对电源电压稳定性的要求，本电源开关频率设定在50kHz，同时输出7路相互隔离的电压。技术指标如下：1输入：AC185250V，50/60Hz2输出：5V/0.5A（4路），12V/1A，+24V/1A3开关频率：50kHz4效率：大于80%5输出文波：最大100mV（峰峰值）6输出精度：5V，12V：最大5%24V：最大10%7最大占空比：45%3.2 开关电源电路图设计的完整开关电源电路图如下：图3-1 本设计开关电源电路图3.3 关键元器件的选择与设计3.3.1 控制器芯片UC3844UC3844 PWM控制IC是高性能频率固定的电流型PWM控制器，它为实际设计提供了一种电路简单、外围元件少、带负载能力强而又经济的解决方案。这种控制IC的特点是：有一个可微调的振荡器，用来精确地控制占空比；有一个经过高温补偿的基准电压；一个高增益误差放大器和一个电流感应比较器；一个适用于功率MOSFET的图腾柱大电流推挽输出以及过压过流保护功能。3.3.2 高频变压器的设计高频变压器是开关电源的重要组成部件，它不仅是能量转换和传输的主要器件，而且能够实现输入与输出的电器隔离。其性能的好坏不仅影响变压器本身的效率和发热量，而且还会对开关电源的整体性能和可靠性产生极大的影响。因此，全面分析设计变压器的材料、损耗、磁通密度、制造工艺就显得尤为重要。当控制IC输出一个导通脉冲到MOSFET的栅极时，MOSFET饱和导通，变压器初级绕组中电流逐渐增加，而此时初级绕组产生的感应电压使输出回路的整流二极管截止，次级绕组中无电流，能量以磁能的形式存储在初级绕组中。当截止脉冲到来时，根据楞次定律，次级产生与之前方向相反的感应电压，使整流二极管立即导通，次级线圈产生的感应电压向输出滤波电容充电，即把能量从初级绕组传递到次级的输出电容中，并给负载供电。变压器周而复始的经历上述能量的存储转换过程，从而实现了能量的传输。3.3.3 输出级的设计由于本课题设计的是离线式开关电源，并且考虑成本原因，采用无源输出级。无源输出级就是基于传统的无源半导体器件设计的。它在电源效率为72%84%之间是可以接受的。输出整流电路原理图如图所示 图3-7 输出整流电路输出整流管宜采用正向压降小的肖特基二极管，这样可以减少损耗，其反向恢复时间短，不仅可以降低损耗，并且可以减小噪声干扰。对电源效率的提高也是很有帮助的。对于反激式拓扑结构：DC5V：=15V ，采用2GWJ42DC12V：=35V，采用2GWJ42DC+24V：=66V，采用HRP34第一级滤波电容的选择由下式确定： （3-7）其中： 是输出端的额定电流，单位为A；是在高输入电压和轻载下所估计的最小占空比（估计值为0.3是比较合适的）；是最大的输出电压纹波峰峰值，单位为mV。DC5V： 这里取100DC12V+24V ： 这里取220第二级经LC滤波使不满足文波要求的电压再次滤波。通常滤波电感可以选择0.3H，输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里可以选择100F。123.3.4 功率MOSFET及其驱动电路设计功率MOSFET的主要作用是将直流输入电压斩波成PWM电压。为了完成此功能，功率MOSFET需要工作在导通与截止状态，这样可降低功率器件损耗。3.4.6.1 功率MOSFET的选择忽略变压器漏感尖峰电压，功率MOSFET的最小电压应力为：（3-8）考虑到变压器漏感产生的尖峰电压，并留有裕量，取VDSS为800V或者1000V的管子，本设计中Ipk=1.22A选用800V/1.8A IRFBE20。3.3.5 功率MOSFET控制电路及其参数选择图3-8 控制电路及MOSFET电路图UC3844的8脚的+5V基准电压经过给充电，再经过芯片内部电路放电，于是在第4脚就得到锯齿波电压，其频率为开关频率，取=则。、构成补偿网络，用于改善误差放大器的频率特性。为MOSFET的栅极驱动电阻，一般取1020，这里选用15。103.3.6 电压反馈电路设计考虑到控制器的安全性，一般都采用光耦隔离反馈电压。为了减小光耦合器的漂移，二次侧需要一个误差放大器，本设计采用TL431构成误差放大器。对于多路输出的电源来讲，输出端的交叉调整性能是个不可忽视的问题。若只对一路输出进行反馈，则当未检测输出端负载变化时，被检测的输出端电压波动很小，但未检测的输出端电压的变化并不能完全通过变压器耦合到反馈端，因此不能对其有效调节，导致其他输出端电压波动较大。多路输出检测通常是把上臂检测电阻用多个并联电阻代替，分别接到不同的输出端。每个输出端被检测的电流百分比，即表示了该输出端被调节的程度。图3-9 电压反馈电路3.3.7 输入启动电路的设计电路图如下：图3-10 启动电路图电源通过启动电阻给电容充电，当电压达到UC3844的启动电压门限值（+16V）时，UC3844开始工作并提供驱动脉冲，由6 端输出驱动开关管工作。随着UC3844的启动，的工作也就基本结束，7脚电压可以小于16V，余下的任务交给输出绕组Ns12V，由输出绕组Ns12V来为UC3844 供电，由于UC3844稳定工作后。由于输入电压超过了UC3844 的工作电压，为了避免意外，用稳压管限定UC3844 的输入电压，取的稳定电压为18V，可以选择IN4746稳压二极管。阻值的计算：稳压管IN4746的稳定电流为UC3844的启动电流小于1mA，按1mA计算，则 （3-14）3.3.8 输入整流滤波电路的设计对于市电供电的开关稳压电源，输入整流滤波电路的设计是必须的，但是相对于其他电路部分，输入整流电路的设计相对简单，但其设计的好坏对于电源的可靠性和对电网的影响也有较大的影响。输入整流滤波电路通常由：EMI滤波器、浪涌电压电流抑制器、整流器和滤波电容组成。许多交流输入的场合有些电源还带有PFC功率因数校正电路，以减小电源对电网供电质量的影响。 图3-11 输入整流滤波电路3.3.9 保护电路的设计系统的保护电路包括过电流保护、过电压保护、欠压锁定、尖峰冲击电压保护等。以下将就几种保护电路做个详细的介绍。1输入保护a一般在输入端加熔丝管，这里用2A的熔丝管较为合理。b负温度系数热敏电阻NTCR。其特性为其阻值随温度升高而降低。它能有效减小电源接通瞬间，电流对电路的冲击。这里选择8-101NTCR，标称阻值为10，额定电流为1A。c压敏电阻VSR。其特点是，工作电压宽，耐冲击电流能力强，漏电流小，电阻温度系数低，价格低廉，体积小。压敏电阻对冲击电压有较好的钳位作用。这里选取MY31-270/3，标称值220V。2、过流保护过流保护电路主要通过检测上流过的电流并通过和滤波后，反馈回UC3844，与其内部的1V基准电压比较，使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3844停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护MOSFET和电路的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。因为Ipk=1.22A，因此。3、MOSFET尖峰电压冲击保护由于场效应管在由饱和导通进入截止的瞬间，急剧变化的漏极电流会在高频变压器初级绕组上感应出反向电动势，加上变压器漏感产生的浪涌尖脉冲直接加在MOSFET漏极，其峰值可达到直流输入电压的数倍，它们与直流输入电压叠加，MOSFET很容易因此击穿。通常的做法是在MOSFET漏源级之间加二极管RC网络钳位或吸收尖峰电压。本设计中，和，共同组成了尖峰电压钳位电路。以，为例，其作用是通过给充电，把尖峰电压钳位在安全值以下，然后通过将吸收的浪涌尖峰电压以热量形式释放掉，从而保护了功率MOSFET。13Error! Reference source not found.3.4 电路工作过程总结1、电路的启动过程交流市电经过整流电路得到的直流电压分成两路：一路经高频变压器初级绕组Np直接加到MOSFET的漏极；另一路经启动电阻向C8充电，为UC3844提供启动电压，加到控制芯片UC3844的第7脚，当的充电值达到16V时，控制芯片启动工作，此过程称为电源的“软启动”。为防止冲击电压对UC3844造成损坏，在其第7脚和地之间加入一个18V稳压管。其中，8脚产生的5V基准电压通过对进行充电，在第4脚上形成锯齿波电压信号，其频率就是电源的工作频率。锯齿波信号进入UC3844内部振荡器，产生频率固定的振荡信号，经脉宽调制和推挽式输出级放大后，在第6脚输出栅极驱动信号，使MOSFET导通，开关电源+12V的输出绕组，由+12V输出电压给UC3844提供工作电压。Error! Reference source not found.2、开关电源储能过程当MOSFET导通以后，直流电压经高频变压器的初级绕组、MOSFET的漏极源极、电流检测电阻、地电流回路，在初级绕组上产生上正下负的感应电动势，根据同名端的定义，变压器次级绕组产生的感应电动势均为负，输出整流二极管均反偏截止，高频变压器将电能以磁能的形式储存在初级绕组之中，这样便完成了储能过程。3、开关电源释能过程当UC3844锁存器翻转，6管脚输出脉冲停止，MOSFET由导通变为截止。这时，变压器初级绕组产生的感应电压变为下正上负，次级绕组产生的感应电压为正向电压，输出整流二极管导通，初级绕组将存储的能量释放，传递到次级绕组中，经整流滤波电路，得到需要的输出电压。在UC3844的控制下，周而复始的重复上述过程，实现能量的转换传输。4、开关电源稳压过程一路+5V、+12V、+24V输出电压经、分压后与TL431的基准电压值2.5V进行比较，与输出电压的变化产生误差电压，并通过光耦PC817把误差传递给UC3844，由UC3844控制MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，输出电压经分压电阻分压得到的采样电压也升高，流过PC817发光二极管的电流增大，发光二极管发光强度增大，光电三极管导通程度加深，集射极电压减小，UC3844的6脚输出驱动信号的占空比减小，于是输出电压下降，达到稳压的目的。当开关电源输出的电压下降时，上述控制过程正好相反。1717第四章 设计总结本课题设计了一个多路输出单端反激式开关电源，主要工作概括如下：了解了开关电源技术的发展现状，认识了目前广泛使用的几种拓扑类型，主要对反激式拓扑进行了分析研究。采用UC3844作为控制芯片，充分使用了UC3844电压电流双闭环反馈功能，实现了对输出电压保护与调节。由于UC3844的功能高度集成，其性能优良、管脚数量少、外围电路简单、价格低廉等优点，为本课题设计降低了难度。由UC3844构成的开关电源控制性能好，功能完善，可靠性高。详细介绍了高频变压器的设计流程，包括磁芯选择、匝数计算、导线选择等。电压采样及反馈电路由光电耦合器PC817、三端可调稳压管TL431组成。这种拓扑结构外接元件少，负载调整率好，具有良好的稳压效果。并采用多路反馈，控制更加有效，可以适用于各种负载。本设计采用单个高频变压器完成7路电压输出，由于本设计是基于单端反激式变换器结构，因此电源的容量取决于高频变压器的性能。由于高频变压器的设计是比较困难的，因此可以采用多个变压器分担不同输出，将功率进行合理的分配。.本论文并没有对PCB板进行最终设计，也没有对功率因数进行校正，这些需要在进一步的工作中完成。21参考文献1 辛伊波，陈文清.开关电源基础与应用.西安：西安电子科技大学出版社20092 徐九玲，谢运详，彭军，开关电源的新技术与发展前景，电气时代，2003，6：52553 张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计，北京：电子工业出版社，1998，781124 杨荫福，段善旭，朝泽云，电力电子装置及系统，北京：清华大学出版社，2006，25435 周志敏，周纪海，开关电源实用技术设计与应用，北京：人民邮电出版社，2005：4475096 李京民，王柏盛，开关电源中开关变压器的设计，河北煤炭建筑工程学院学报，1995，2：26317 张占松，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2001，1：2332418 王京梅，兰中文，余忠，王豪才，高频开关电源变压器的优化设计，电子科技大学学报，2002，4：3623659 王兆安，黄俊，电力电子技术第4版，北京：机械工业出版社，2005，1：4311110 Marty Brown，开关电源设计指南，北京：机械工业出版社，12913311 杨旭，裴云庆，王兆安，开关电源技术，机械工业出版社，2004；110，22122412 何希才，新型开关电源设计与应用，科学出版社，2001：767913 赵效敏，开关电源的设计与应用，上海：上海科学普及出版社，1995，16922214 王守三，PCB的电磁兼容设计技术、技巧和工艺，北京：机械工业出版社，2007，859015 杨成明，车载逆变电源的研究与设计：硕士学位论文，大连，大连海事大学，2039附 录整体电气原理图：
