开关电源电路设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流开关电源电路设计.精品文档.开关电源电路设计 李竫， 沈伟吉， 高伟玲， 顾佳坤， 缪申捷， 蔚兰 （上海工程技术大学 电子电气学院）摘要：本文从单端反激开关电源、单端反激变换器变压器、IGBT驱动电路，这三个方面入手，把开关电源电路细化、分类讨论设计。本文用UC3844芯片设计单端反激开关电源电路，用316J芯片设计IGBT驱动电路。组成了开关电源电路，解决了高频开关电源的控制。关键字： 单端反激开关电源； UC3844； 316J中图分类号： 文献标志码：The switching power circuit design LI jin,

2、 SHEN wei ji, GAO wei ling, GU jia kun, MIAO shen jie, YU lan College of Electronic Engineering, Shanghai University of Engineering ScienceAbstract：This article put emphasis on three aspects-single-ended flyback switching power supply, single-ended flyback transformers and IGBT driver circuit. Which

3、 goes deep into switching power supply circuit and discusses the design in categories. This article says using UC3844 to design single-ended flyback switching power supply circuit, and using 316J to design IGBT driver circuit. Thus build up the switching power supply circuit and solve the problem of

4、 the control of high-frequency switching power supply.Key words: single-end flyback converter switching power; UC3844; 316J0 引言随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的生活、工作有着密不可分的关系，而开关电源是设备中不可或缺的一部分。在工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热等领域都能看到开关电源产品被广泛应用。当1955年美国罗耶（GH.Roger)发明了自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换

5、器，标志着实现高频转换控制电路的开始。随后，在1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这一举动对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。开关电源一般由脉冲宽度调节（PWM）控制和MOSTET构成，它是利用现代电力电子技术，控制开关管关断和导通时间的比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源的发展方向是将其高频化，高频化能使开关电源小型化，并使开关电源能适用在更广泛的领域，尤其是在高新技术领域的应用

6、，推动了高新技术产品的小型化、 轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 基于电流控制型PWM芯片UC3844的单端反激式开关电源是靠改变调整管的导电时间和截止时间的相对长短来改变输出电压的大小，它具有外围电路简单、安装与调试方便、性能优良等。本文利用了选定AP这一参数来确定磁芯的型号，并通过型号所提供的参数从而计算出变压器的原边、副边的匝数和所需要的气隙大小。IGBT对驱动电路有一些特殊要求，本文选用316J芯片可以提供了一个更好的驱动环境，驱动电路性能的优劣是其可靠工作、正常运行的关键所在。1单端反激开关电源的设计1.1.单端反激式开关电源设计

7、图1所示的电路是一个多路输出型单端反激式开关电源, + 18 V用于反馈副边电压，5组+ 18V和-7V分别用于IGBT的驱动电源。 交流电源接通后经过整流得到的直流电压通过电阻R32组成启动电路, 当(C63 + C65)上的充电电压达到启动电压时电路启动。当电容C63上的电压即UC3844的7脚电压高于16 V时为芯片提供大于16 V的启动电压芯片启动后由反馈绕组提供维持芯片正常工作需要的电压。当电路正常工作时,由反馈绕组对UC3844的进行供电。反馈电压不是来自输出电压,而是来自变压器原边侧的电压,因此有较快的响应速度。当输出电压降低时,变压器的反馈绕组上产生的反馈电压也降低,该电压整流

8、后经R29、R27进行分压，然后送入UC3844的引脚2,与基准电压比较后经误差放大器放大,使UC3844引脚6的驱动脉冲占空比增大从而使输出电压升高,以达到稳定输出电压的目的。 此电路具有过电流保护功能，当开关管Q1过电流时，电流取样电阻R38两端的电压经滤波后送入UC3844的脚3。当R38上的电压达到1 V时，电流比较器动作使开关管Q1关断，从而实现过电流保护。 UC3844芯片内部振荡器的振荡频率由引脚8与4脚之间的电阻R31和4 脚到地的电容C59 来决定，即 ： （1） 由于UC3844内部有个分频器,所以驱动MOSFET功率开关管的方波频率为芯片内部振荡频率的一半。图1中变压器原

9、边旁的缓冲电路是由电阻R36、电容C67、二极管D3组成的，它们是用于限制高频变压器漏感造成的尖峰电压。MOSFET功率开关管旁边的电阻R39、电容C68、二极管D4的作用是防止MOSFET在关断过程中承受过大的反向电压。 单端反激式开关电源以MOSFET功率开关管的周期性导通和关断为主要特征。当开关管导通时,变压器原边绕组导通使原边电感线圈内不断储存磁能。当开关管关断时,变压器将原边电感线圈内储存的磁能通过整流二极管向负载释放。此电路结构简单, 容易布线, 成本低。但是UC3844的采样电压不是从输出端取到 图1 单端反激式开关电源 的，因此输出电压稳压精度不高只适合于用在负载较小的场合。2

10、.单端反激变换器变压器设计2.1标称功率Pt的确定 (2) 2.2 功率容量Ap 的确定 因为反激式变换器的功率较小，所以一般选用铁氧体磁心作为变压器，其功率容量Ap的计算公式如下 (3)式中：是磁心截面积（） 是磁心窗口面积（） 是变压器的标称输出功率（） 是磁心工作的磁感应强度（） 是线圈导体的电流密度，通常取23 （） 是变压器的效率，通常取0.80.9 是窗口的填充系数，通常取0.20.4 是磁心的填充系数，对于铁氧体通常取1.02.3 磁芯型号的确定 根据得出的Ap，选定磁心的型号，EE型大都符合该要求，所以假设所得Ap为2则选定EE40型号的铁心型号。2.4 最大占空比的确定 (4

11、)式中： 是反射电压（V） 是电网最小值（V） 是开关管正向导通平均电压值，通常取10V2.5 原边匝数的确定 根据所得的最大占空比数确定最大导通时间Ton.，以及原边的匝数Np (5)式中：是原边匝数 是原边所加直流电压（V） 是导通时间（）， (6) 是工作频率，通常取30K (7) 是交变工作磁密（mT），为30KHz时通常取234mT 是磁心有效面积（）2.6 副边匝数的确定2.6.1 原边绕组每匝伏数确定 每匝伏安数确定如下 (8) 2.6.2 副边匝数 (9)式中：是副边所需电压，其中包括输出电压，整流二极管压降一般取0.7V，绕组压降和具体的输出电路有关，需自行确定。 因副边匝数

12、由副边所需电压与每匝伏数比值求得，所以通常所计算出的副边匝数为小数，考虑到副边低压大电流，应避免使用半匝线圈又考虑到磁心磁路的饱和（E型易饱和），使得变压器调节性能变差，应此取大的整数。2.6.3 选定占空比下的辅助输出匝数因副边取整的原因，每匝的反激电压发生变化，必须调节占空比维持伏秒值相等。 (10)匝数确定与副边相同2.7 磁心气隙的确定2.7.1 原边电感的确定 (11) 式中：是通过所选取的磁芯材料查表得到 是通过式5所求出的原边匝数2.7.2 磁心气隙的确定 (12) 式中：是气隙长度（mm） 是 是原边匝数 是原边电感（mH）图2 HCPL-316J内部原理图 是磁心面积（）3

13、IGBT驱动电路和芯片选择图3驱动电路 驱动电路它分为：分立插脚式元件的驱动电路；光耦驱动电路；厚膜驱动电路；专用集成块驱动电路。本文设计的驱动电路采用的是光耦驱动电路。驱动电路的主要逻辑部件是芯片，它控制IGBT管的导通、关断并且保护IGBT。市场上有多种芯片如EXB8系列、M579系列和IR21系列等，选择合理的芯片显得很重要，本文选择HCPL-316J。选用HCPL-316J可实现二种功能 （1）欠压锁定功能（UVLO） 当IGBT开始时，芯片供电电压由0V逐渐上升到工作电压（12V15V）。如果此时芯片有输出，那么就会造成IGBT门极电压过低，那么IGBT芯片会工作在线性放大区，可能导

14、致IGBT发热烧毁。316J芯片中的UVLO功能可解决此问题。图2中若输入电压小于12V时，输出电平为低电平使得IGBT关断，达到保护芯片IGBT的功能。（2）过流保护功能由图2可以看出芯片316J中存在内置的7V电平，当检测到由IGBT中C，E两级端输出电压超过7V时，316J芯片输出低电平使得IGBT关断，从而实现过流保护功能。3.2 驱动电路设计整个驱动电路的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J。HCPL-316J左边的VIN+，FAULT和RESET分别与控制器芯片（多为DSP芯片）相连，。引脚3 与6间的电阻起到了对故障信号的放大，3与4之间的电容有滤

15、波作用，当有干扰信号后，能让HCPL-316J正确接受信息。在输出端，Rg和0.1uF关系到IGBT开通的快慢和开关损耗，增加C7可以明显地减小。引脚16与14间的C3是一个非常重要的参数，最主要起充电延时作用。当系统启动，芯片开始工作时，由于IGBT的集电极C端电压还远远大于7V，若没有C3，则会错误地发出短路故障信号，使输出直接关断。当芯片正常工作以后，假使集电极电压瞬间升高，之后立刻恢复正常，若没有C3，则也会发出错误障信号，使IGBT误关断。四、 结论本文根据各电路的不同特点和需求，单端反激开关电源选用了有反馈回路的UC3844芯片，用双环路反馈电路保证电路的稳定性。IGBT驱动电路选用316J芯片，其内置丰富的IGBT检测及保护功能，使驱动电路更安全可靠。组成的开关电源电路解决了高频开关电源的控制。参考文献：1 张占松 蔡宣三编著 开关电源的原理与设计 修订版 北京：电子工业出版社，2004.9 ISBN 7-121-00211-62 刘胜利编著 现代高频开关电源实用技术 北京：电子工业出版社，2001.9 ISBN 7-5053-6929-6