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电力电子系统设计及实验 实 践 报 告 专 业：电力电子及电力传动 学 号：S10080804029 报 告 人：龚 钢 小组成员：龚钢 杨夏祎 日 期：2011 年 7 月 12日 1/20 目录 1、产品设计目标：.1 1.1 产品性能指标汇总.1 1.2 产品设计依据.1 2、产品主电路工作原理概述.2 2.1 开关电源主电路.2 2.2 前级 PFC工作原理.2 2.3 PFC 控制芯片 L6561 介绍.4 2.4 后级反激电路工作原理.5 2.5 Flyback控制芯片 LTA705S介绍.5 3、电路参数设计.6 3.1 前级 PFC电路参数设计.6 3.1.1 Boost变换器工作原理及电感电容计算.6 3.1.2 Boost电感设计.9 3.2 后级 Flyback 电路设计.10 4、仿真及实验结果分析.12 5、问题或现象分析.15 6、心得体会.16 附录.18 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素1/20 1、产品设计目标：1.1 产品性能指标汇总 产品参数设计指标：输入电压：90264V AC、3.15A、4763Hz；输出电压：19.2V DC、4.2A；输出功率：70W90W；功率因数：0.95 以上；1.2 产品设计依据 从产品参数设计指标分析，其输入为交流电，输出为直流电，故首先需要设计整流电路，本产品设计是二极管不控整流。整流输出为脉动较大直流电（即交流电半个周期）。此外本产品对电能利用率有要求，功率因数要求高于 0.95，因此需要加入功率因数校正（PFC）环节。从所学知识了解到，Boost 变换器可用作功率因数校正（PFC）。这也是一种常用 PFC拓扑电路。Boost 变换器有三种工作模式，分别为电感电流连续模式、电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式。其中，电感电流临界连续模式下，可以通过有效控制，使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数。综合各种因素考虑本产品设计选择 Boost工作在电感电流临界连续模式。本产品设计要求输入电压范围较宽。最大输入电压峰值2264。为满足这一宽范围输入要求，同时考虑经济合理性，本产品设计 Boost 电路工作正常输出电压为 400V直流电。为了对 Boost 电路有效控制，实现 PFC，本产品设计选用性价比较高芯片 L6561。通过 Boost 电路实现功率因数校正后，输出电压较高。而产品要求输出电压为 19.2V。为此，电路还需要一个 DC/DC降压拓扑电路。可以实现降压拓扑电路有很多。非隔离式变换电路：Buck 变换器、Buck-Boost 变换器、Cuck 变换器；隔离式变换器：单端正激式隔离变换器，单端反激式隔离变换器。由于反激变换器能实现输入输出电气隔离，电压升降范围宽，运行可靠性能高等优点，因此本产品选择反激变换器实现 DC/DC降压。常用高集成反激控制芯片有 SG6742、FAN6754、LTA705S 等。结合实验实际条件，本产品设计选用 LTA705S芯片作为反激电路开关管驱动芯片。综上所述，产品设计总体电路拓扑结构确定为：二极管整流电路，Boost变换器实现 PFC电路、单端反激式隔离变换器实现 DC/DC降压变换电路。产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素2/20 2、产品主电路工作原理概述 2.1 开关电源主电路 产品电路中，输入为 AC90264V电压，经过二极管整流桥把交流电变成直流电，然后利用 Boost 实现功率校正，最后利用单端反激隔离式变换电路进行降压提供稳定直流输出电压。电路前级采用控制芯片为 L6561，后级采用控制芯片为LTA705S，工作频率为 100kHz。为验证产品设计思路可行性，依据设计要求首先进行了仿真。图 1 为本文仿真电路结构图，产品主电路图见附录。refULTDCRUinUoUPILiourefuduKTrTDCR。oU1N2N 图 1 开关电源电路拓扑结构 2.2 前级 PFC 工作原理 有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）电路，是在传统不可控整流电路中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置非线性、改善功率因数一种高频整流电路。基本单相 APFC电路，在单相桥式不可控整流电路和负载电阻之间增加一个DC-DC 功率变换电路，通常采用Boost变换器。通过适当控制 Boost 电路中开关管通断，将整流器输入电流校正成为及电网电压同相位正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因素提高到近似为 1，其电路拓扑结构如图 2 所示。LTDCRUinUoU 图 2 APFC拓扑结构图 假定开关频率足够高，保证电感 L 电流连续；输出电容足够大，输出电压可产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素3/20 以认为是恒定直流输出电压。电网电压iu为理想正弦电压，即有tUusinmi，则不可控整流桥输出电压inu为正弦半波，tUuusinmiin。当开关管 T导通时，inu对电感充电，电感电流Li增加，电容 C向负载放电；当 T 关断时，二极管 D导通，电感两端电压Lu反向，inu和Lu对电容充电，电感电流Li减小。电感电流满足下列关系式。skonkomonkkmL-sinsinddTttttutUtttttUutiL，(1)通过控制开关管 T通断，即调节 T占空比 D，可以控制电流Li。若能控制Li近似为正弦半波电流，且及inu相同相位，则整流桥交流侧电流也近似为正弦电流，且及电网电压iu同相位，即可达到功率因数校正目。这也是 APFC基本原理。为实现这一控制目，需要引入闭环控制。控制器必须实现两个基本要求：1、实现输出直流电压ou调节，使其达到给定值；2、保证电网侧电流正弦化，其功率因数近似为 1。为此采用电压外环电流内环单相 PFC双环控制。如图 3 所示。LTDCRUinUoUPILioUrefUinUK 图 3 APFC控制原理图 电压外环作用是实现控制目标电感电流指令值Li。给定输出电压ou减去测量到实际输出电压ou差值，经 PI 调节器作用，输出电感电流幅值指令LI。测得到整流桥输出电压inu除以其幅值后，得到单位半正弦量。该值及得到电感电流幅值指令相乘得到电感电流指令值Li。Li为及inu同相位正弦半波电流，其幅值可控制直流电压ou大小。电流内环任务是控制开关管 T通断，使实际电感电流Li跟踪其产生指令值Li。为仿真方便，此处采用了电流滞环控制。通过滞环控制可以保证实际电感电流Li在其指令电流Li附近波动，波动大小及滞环宽度有关。在实际电路中此处采用是 L6561 芯片控制。L6561 采用是电流峰值控制方法和电流检测控制方法结合。其控制原理为：当芯片 5 管脚（ZCD）检测到 Boost电感电流为零时，L6561 会驱动开关管导通，此时电感电流基本呈线性上升；当产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素4/20 芯片 4 管脚（CS）检测到流过开关管电流（此时也是流过电感电流）到达规定上限（即电流峰值）时，开关管会关断，直到下一次 ZCD检测到过零电流时才开通。图 4 L6561 控制电感电流波形 2.3 PFC控制芯片 L6561介绍 L6561 主要特点：1.具磁滞欠电压锁住功能。2.低启动电流（典型值：50uA；保证 90uA 以下），可减低功率损失。3.内部参考电压于 25时只有 1以内误差率。4.除能（Disable）功能，可将系统关闭，降低损耗。5.两级过电压保护。6.内部启动及零电流检测功能。7.具乘法器，对于宽范围输入电压，有较佳 THD 值。8.在电流检测功能，具备内部 RC滤波器。9.高容量图腾级输出，可以直接驱动 MOSFET。INV51234678VccGDGNDZCDCSMULTCOMP 图 5 L6561 封装图 表1 L6561 接脚功能 PIN脚 名称 功能 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素5/20 1 INV 误差放大器反相端输入 2 COMP 误差放大器输出 3 MULT 乘法器输入 4 CS 电流检测输入 5 ZCD 零电流侦测 6 GND 接地 7 GD 为 MOSFET栅极驱动输入 8 VCC L6561工作电源接口 2.4 后级反激电路工作原理 本产品后级电路选用电流断续模式（DCM）单端反激拓扑电路。单端反激隔离式变换器是一种成本较低电源电路，小功率电一般选此拓扑结构。其输出功率为20W 100W，可以同时输出不同电压，且有较好电压调整率。在输入电压和负载电流变化较大时，具有更快动态响应速度。其补偿电路结构简单。反激式变压器开关电源，是在变压器初级线圈利用直流电流激励后，变压器次级线圈没有功率输出；当变压器初级线圈激励电路被关断，初级线圈和二次线圈通过磁耦合，释放磁能，转换为电能，向负载提供电能。单端反激开关电源采用了稳定性很好双环路反馈控制系统(输出直流电压隔离取样反馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路)。通过反馈回路产生 PWM 信号，有效控制开关管通断。从而实现对初级线圈充磁电流峰值有效调节，达到稳定输出电压目。2.5 Flyback 控制芯片 LTA705S 介绍 反激控制芯片 LTA705S 是一款专门为控制单端反激隔离式变换器而设计芯片。LTA705S集成了高压自启动，低功率绿色模式，过流保护，Vdd 过压保护，Vdd欠压锁定，同步斜坡补偿等功能。各管脚功能见表 2。产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素6/20 GND51234678GATEVDDSENSERTHVNCFB 图 6 LTA705S 封装图 表 2 LTA705S 管脚功能：管脚 名称 功能 1 GND 接地 2 FB 反馈信号通过外部补偿电路流入此管脚。3 NC 无需连接 4 HV 高压自启动管脚 5 RT 可编程保护端。一般用作过热保护。6 SENSE 电流检测端。用于限制峰值电流以及功率控制 7 VDD 芯片电源 8 GATE 图腾柱型开关管驱动。具有软启动功能。3、电路参数设计 3.1 前级 PFC 电路参数设计 3.1.1 Boost 变换器工作原理及电感电容计算 Boost变换器是一种输出电压等于或高于输入电压单管非隔离直流变换器。合理控制开关管 T 导通比，可控制升压变换器电压稳定输出。Boost 变换器有三种工作模式，分别为连续导电模式、临界导电模式和不联系导电模式。在本设计有源功率因数校正（APFC）中，Boost 变换器工作在临界导电模式。针对这种情况分析 Boost 电路，计算设计其电感和电容值。产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素7/20 LinUTDCR 图 6 Boost变换器电路拓扑 假设电路中各个元件都是理想器件。一个开关周期内，Boost变换器有两种工况。如图所示。LinURLiTiCoU（a）Boost 电路开关管导通状态 LinURLiTiCoU（b）Boost 电路开关管截止状态 图 7 Boost变换器电感电流连续时两种工作状态（1）当开关管导通时，电路拓扑如图 7（a）所示，二极管承受反向电压而截止。电容C向负载R供电，极性上正下负。电源电压inU全部加到电感两端inLUu，在该电压作用下电感电流Li线性增长，储存磁场能量也逐渐增加。在一个开关周期ST内，开关管 T导通时间为ont。开关管 T导通期间，电感电流增量为：SCin1in0inLd1TDLUtLUtLUit (2)（2）当开关管 T 截止时，电路拓扑如图 7（b）所示，Li经过二极管流向输出侧，电感L中磁场将改变L两端电压极性，以保持Li不变，这样电源电压inU及电感电压Lu串联，总电压高于电容C两端电压，此时电源和电感共同为电容C和电阻R供电，负载电阻R端电压0U极性仍然是上正下负。电感上电压为0-0inUU，电感电流Li线性减小。在一个开关周期ST内，开关管断开时间为onS-tT。到ST时刻，Li到达最小值2LI。在开关管截止期间，电感电流减小量绝对值为：Scin0in0-L1d21TDLUUtLUUitt (3)当稳态工作时，开关管 T导通期间电感电流增长量Li等于开关管截止期间减小量Li。即电感电流净增量为零。有式（2）和式（3）可得电压增益为 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素8/20 CDUUM-11in0 (4)由式（3）可知，1CD，故输出电压及输入电压比值始终大于或等于 1，即输出电压高于输入电压。这就是 Boost 变换器升压原理。本设计中，Boost 变换器工作在电感电流临界连续模式。此时有：in2IiL (5)Boost 变换器输入功率及输出功率分别为：inininIUP 和oooIUP 如果忽略电路中损耗，则有oinPP，于是有：oinooinC11-UIIIUD (6)联立式（2）、式（5）以及式（6）可得临界模式电感值为：S2CC-12TDDRL (7)依据输出电压纹波系数设计 Boost 电容。当电感电流处于连续状态时，考虑二极管电流会全部流入电容器，如图 7（b）所示，在每一个开关周期电容充电或者放电能量为Q，则有：SC0TDIQ (8)由Q形成纹波电压可表述为：RCTDUCTDICQUSC0SC00 (9)由此可计算得电感电流连续模式下，按照要求纹波电压限值，可求得需要电容值为：oS00SC0UTDIURTDUCC (10)已知输入交流电压为 90-264V，输出直流电压约为 400V，主电路输出功率为85W，按效率为 95%计算，可以得出输入功率为 90W。Boost 电路工作在临界连续状态，且为开关频率不固定变频控制。则最大输入电流 A19090minmaxiiniUPI (11)电感中最大峰值电流 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素9/20 A8.222maxmaxipII (12)Boost 功率开关零电流导通，电感电流线性上升，可得 SiDTILV (13)电感电流出现最大峰值时占空比为 68.0400902400minoioVVVD (14)设此时开关频率kHzfs100，则 Boost电感值为 HIfDVLpsi3098.21010068.09023maxmin (15)3.1.2 Boost 电感设计 根据实际条件，选择 RM8型磁芯。其结构图如下图所示：图 8 磁芯规格图 表 3 磁芯 PC40RM8Z-12 技术参数 TYPE MATERIAL Dimensions(mm)Ap Ae Aw AL A*B*C cm4 mm2 mm2 nH/N2 RM8 PC40 22.75*8.2*10.8 0.3130 64.00 48.90 1950.0 Le Ve Wt PCL 100kHz 200mT Pt 100kHz 可配合 BOBBIN mm mm3 g 100(W)Watts 幅寬 PIN 形狀 38.00 2430.00 13.00 0.97 67 9.15 8-12 V 由磁芯参数表可以查得2mm64Ae，所以可以求得需要匝数为 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素10/20 546425.08.2309max1AeBLiNp (16)另外可求需要加入气隙为 22671061N5464 104100 7309 10egAlmmL.(17)PFC 环节中电流互感器工作原理和变压器相似，一次线圈串联在电路中，一次线圈中电流完全取决于被测电路负荷电流，而及二次电流无关。由 L6561 芯片资料可以知道ZCDV钳位电压为 6V左右，所以取二次线圈最低电压约为 7V。所以可取一次线圈和二次线圈匝比为79021NNn。合理计算，取原边电感匝数为311N，则可以得出二次线圈匝数为 4.231907112 NnN (18)实际试验取二次线圈匝数为 4 匝。表 4 铜线技术参数 AGW 铜直径 mm 铜面积 mm2 绝缘直径 mm 带绝缘面积 mm2/m 20/m 100 A J=4.5A/mm2 30 0.25 0.0509 0.30 0.0704 0.3385 0.4523 0.229 由表 4 绕线参数可以求得一次线圈所需绕线股数 40509.0510509.0max1jIni (19)为防止上电后电感发热现象严重，本实验原边线圈选取 6 股线，由于二次线圈电流很小，本实验取绕线股数为 2 股。3.2 后级 Flyback 电路设计 后级反激电路工作原理在上文中已经详述，再次不再赘述。本节内容主要设计 Flyback 变压器。前级 PFC输出为 400V直流电压，故在开关管导通瞬间反激变压器原边承受电压为 400V左右。后级输出电压要求为 19.2V，由于二极管 D200有一定管压降约为 0.7V 左右，变压器副边电压设定为 20V。此外，由输出电流为 4.2A，可以得出输出功率约为 85W。反激电路工作在电感电流断续状态，工作频率为100kHz，原边电压V400inV，副边电压V20oV，负载功率为W80oP左右。Flyback变换器电压增益为 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素11/20 1Lino2LTRDVVMS (20)将各个参数代入上式，得 16210105.440020LDM 解得关系式：321109 DL (21)开关管闭合期间变压器原边存储功率为 2max11in21iLTPS (22)当开关管关断时，原边电流为零；当开关管开通时，原边电流上升到max1i，由能量守恒得：inoPP (23)当占空比是25.0D时，原边电感为 H5601025.09321L 原边峰值电流为.8A1105601010040025.063max1i 可得原边电流有效值 A9.021max11 iIs max2DI (24)变压器原副边匝比为 3149.02.41221ssIINN (25)原边匝数为 3411825.08.1560max111AeBiLN (26)由表 3 查得参数25.0 B，2118mmAe 则副边匝数为 8.6341432N，实验产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素12/20 中取值 6 匝。依据原副边电流大小，结合表 4 参数，求得变压器原边铜线为 4 股，副边铜线为 8 股，LTA705S供电侧铜线为 2 股。4、仿真及实验结果分析 实验过程分两次调试，首先调试是前级 PFC电路。确保其正常工作后，将后级 Flyback 及前级 PFC电路连接起来，构成完整开关电源电路。前级 PFC仿真结果及调试结果如下列组图。在下列组图中左侧（a）图都为前级 PFC 仿真波形图，右侧（b）图都为实验波形图。为分析方便，将仿真波形和实验波形对照。（a）输入 AC电源 （b）输入 AC电源 图 9 供电电源电压波形 图 9 是供电电源电压波形，实验中从调压器侧取得电压有效值为 102V，仿真为较好地模拟实验，取供电电源电压有效值为 102V （a）整流桥输出电压 （b）整流桥输出电压 图 10 L6561 正常工作时整流桥输出电压波形 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素13/20 （a）整流桥输出电压 （b）整流桥输出电压 图 11 L6561 间歇式工作时整流桥输出电压波形 在测量整流桥输出电压时，仿真结果是图 10（a）所示。然而实际电路测量结果是图 11（b）。从图 11（b）可以看出整流输出电压开始是连续半周期正弦波，经过一段时间后电压维持在一个较高水准。从这一时间段可以看出电压变化有点类似于整流桥带容性负载时输出电压变化趋势。即，开始电容电压低于电源电压，电容充电，输出电压上升直至一个较高值；在电源电压下降时，电容电压高于电源电压，电容放电，电压值减小。如果电容足够大，电容电压还没放完全，电源电压又上升到高于电容电压，再次给电容充电。当电容电压充放电进入稳态时，电压就会维持在一个较高水准，变化波形如图 11（b）波形后半部分。按照这种分析，推测可能是芯片 L6561 有一时间段没有工作，因此导致整流桥输出波形如图 11（b）。为验证这一分析，仿真时设定开关管驱动信号周期性地间歇式工作，仿真结果如图 11（a）所示。及理论分析基本一致。所以推理正确。图 10（b）所抓波形是图 11（b）前面部分。分析实际电路产生图 11（b）波形原因，应该是芯片工作一段时间后由于过压保护作用使 L6561 停止工作，此时开关管关断。Boost 输出电容对负载放电，且电感电流维持二极管导通，这样就有可能构成整流桥输出侧带容性负载电路，由于电感电流维持二极管导通，此时 Boost 输出侧电容对整流桥输出电压有箝位作用，致使电压在一个较高值波动。只有这样才能够解释图 11（b）波形。（a）Boost 电感电压 产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素14/20 （b）L6561ZCD管脚信号 图 12 Boost电感电压信号及 ZCD管脚信号对比图 图 12（a）是仿真中 Boost 升压电感两端电压信号，图（b）是 L6561 芯片过零检测管脚信号。从电路结构来看，L101 原边作为 Boost 升压电感，其副边经过电阻 R107及 L6561 芯片 ZCD管脚连接起来。因此二者电信号通过磁耦合在一起，其变化趋势应该是基本一致。从仿真图和实验图可以看出结论基本正确。（a）Boost 电感电压局部放大 （b）ZCD管脚信号局部放大 图 13 Boost电感电压信号及 ZCD管脚信号局部放大比较图 （a）PFC输出电压 （b）PFC输出电压波形 图 14 前级 PFC输出电压仿真波形及实验波形对比 图 13 是对图 12 波形局部放大，可以验证两者变化趋势基本一致。图 14 是前级 PFC输出电压仿真图及实验图对比。从仿真波形来看输出电压纹波系数较大。而从实验抓到波形来看其波动很小，这种直观感觉是错误。仔细观测可以看出，产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素15/20 实验中示波器每格时间才 2.5ms，而仿真波形每格 20ms。如果将示波器每格时间做调整，也会明显第看到输出电压文波。图 15 芯片 VCC管脚电压 图 16 前级开关管栅极驱动电压 图 17 L6561 反馈电压信号 图 18 Flyback输出电压信号 图 15 至图 17 是前级电路几个主要测试点信号波形。图 18 是 Flyback 输出端电压波形其值为 19.4V，符合要求。5、问题或现象分析 为了避免后级电路因焊接错误对前级电路产生影响，在调试过程中我们分两步调试。先调试前级，确保前级能正常工作。然后将跳线 Jp6 和 R052焊接上，再调节后级。由于我们采用分级调试方案，在调试前级时没有接上后级电路，相当于 Boost电路处于开路状态。然而 Boost 电路不能开路上电，为此我们在 Boost 输出电容侧并联一个假负载（150K），确保电路安全。这是上电之前处理工作。在第一次上电时，调节调压器输出电压有效值为 25V，在测量整流桥输出电压时没有出现预期连续半周期正弦波形。针对现象分析，得出结论：给定供电电压较低，致使芯片驱动电压也较低，不能驱动 L6561 芯片。为此调节输入电压至50V，在整流桥输出侧检测到预期波形，说明 L6561 芯片开始工作。之后我们将电压调升到 102V，进行前级各个测试点测量和波形采样。产品设计目标产品性能指标汇总产品设计依据产品主电路工作原理概述开关电源主电路前级工作原理控制芯片介绍后级反激电路工作原理控制芯片介绍电路参数设计前级电路参数设计变换器工作原理及电感电容计算电感设计后级电电压输出电压输出功率功率因数以上产品设计依据从产品参数设计指标分析其输入为交流电输出为直流电故首先需要设计整流电路本产品设计是二极管不控整流整流输出为脉动较大直流电即交流电半个周期此外本产品对电能利用率种常用拓扑电路变换器有三种工作模式分别为电感电流连续模式电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式其中电感电流临界连续模式下可以通过有效控制使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数综合各种因素16/20 从采样波形分析，整流桥波形并不是连续馒头波，而是如图 11（b）所示间断性馒头波波形。分析实际电路产生图 11（b）波形原因，应该是芯片工作一段时间后由于过压保护作用使芯片 L6561 停止工作，此时开关管关断。Boost 输出电容对负载放电，且电感电流维持二极管导通，这样就有可能构成整流桥输出侧带容性负载电路，由于电感电流维持二极管导通，此时 Boost 输出侧电容对整流桥输出电压有箝位作用，致使电压在一个较高值波动。只有这样才能够解释图 11（b）波形。而且通过仿真也验证了整流输出维持高电平确实是由于 MOSFET 一段时间没有开通造成缘故。也即芯片 L6561 在这段时间确实没有工作。在后级调试时，我们方案是：先测量输出电压，如果有期望 19.2V 左右波形出现，我们就开始采样各个测试点波形；如果没有预期 19.2V 左右波形出现，我们再对各个可能出问题测试点进行检测逐一排查。调试结果，开始有输出，但是后来一直没有输出。为排除障碍，我组花费课余时间排查了 3 个晚上，测得现象有：1、Flyback 控制芯片 LTA705S高压启动管脚 4 电压为 320V高压电；2、芯片工作电源 VDD 电压为零；3、开关管驱动引脚 8（GATE）电压为零；4、MOSFET 漏源极电压保持在400V。依据这几点我们推测MOSFET没有被击穿。芯片 LTA705S不能工作，很有可能坏掉了。最重要一个现象是，用万用表测短路方式检测电容 C055 和 C054 以及 R062并联支路时，用表笔点触电路两端时，万用表会持续作响。为确认这几个器件有问题，我们测试了一下其他组情况。他们现象是第一次点触时万用表作响，之后就不再响。我们分析是电阻没问题，电容有问题，万用表发响，是应为电容瞬间充电缘故。如果电容电没有释放，则再次点触时万用表不会发响。电容如果充放电过快就会产生这种效果。6、心得体会 首先感谢郑老师，在实验课上热忱、耐心地指导我们工作。其次感谢光宝公司为我们提供实验机会。最后感谢我队友