反激式开关电源的电路设计与参数计算陈建林.docx

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1、2023 年第 09期ChinaAU rights reserved.4. P * V反激式开关电源的电路设计与参数计算陈建林王冬剑刘江南中国电子科技集团公司第三十六争论所 浙江力口兴314033Circuit Desig n and Parameter Calculatio n of Flyback Switchi ng Power Supply CHEN Jia n-linWANG Don g-jian LIU Jia ng-nan(The 36th In stitute of Chi na Electro nics Tech no logy Group Corporatio n, Jia

2、xingZhejiang 314033, China【摘要】反激式开关电源以其简洁、轻松、有用等特性，在工程技术中 得到广泛应用。本文在简要介绍开关 电源拓扑构造 的根底上，详细分析脉冲变压器的参数设计和 MOS 管的选型要求，同时介绍掌握 回路和吸取电路的参数计算，并对设计方案进展试验验证。结果表 明，所设计的反激式开关电源性能稳定、牢靠性高。【关键词】反激；开关电源；脉冲变压器；吸取电路ABSTRACT:Due to the characteristic of simple, legerity and utility, flyback switching power supply is w

3、idely used in engineering. This text firstly introduces the topology of switch ing power supply briefly, the n an alyses parameter desig n of pulse tran sformer and performa nee requireme nt of MOSFET in detail, parameter desig n of control and absorber circuit are also introduced. Experiment result

4、s indicate that flyback switch ing power supply desig ned in this text is stable and reliable.Keywords:Flyback; Switchi ng Power Supply; Pulse Tran sformer; Absorber Circuit引言ChinaAll rights reserved.电源枝术注用Publishing Hou 網 /ww.enki. iwl 1994-2023 Aciidcmic Jcumal EJccirunicPOWER SUPPLY TECHNOLOGIES

5、AND APPUCATIONS开关电源具有效率高、体积小、重量轻等特点，成为稳压电源的重要进展方 向之一,获得日益广泛的应用。作为开关电源中的重要 分支,反激式开关电源占据 开关电源中的大局部市场份额，具有很大的争论价值。本文设计了一种用于电动汽车的单端反激式小功率开关电源，输出功率 12W (12V , 1A。 承受ST 公司的UC3842 输出固定频率 65KHz 的 PWM 波,驱动N 沟 道 M OS 管 IRF640,实现电流电压双闭 环掌握,改善输出电压的稳定性和动态特 性。1. 开关电源拓扑简述开关电源主要分为非隔离式和隔离式两大类，非隔离式是指输入与输出之间具 有电气连接，没有

6、相互隔离；隔离式是指输入与输 出之间没有电气连接，通过脉冲变 压器的磁耦合方式传递能量。非隔离式开关电源的拓扑构造主要包括 BUCK 型、BOOST 型和BUCK-BOOST 型;隔离式开关电源的拓扑构造主要包括 正激式和反激式。在目前的开关电源市场中隔离式开关电源占有较大的市 场份额。隔离式开关电源的两种拓扑构造如图 1 和图 2 所示。图 1 所示为单端正激式 开关电源的拓扑构造图，正激式开关电源是指当开关 管导通的时候，能量从脉冲变 压器的原边向副边释放，当开关管关 闭的时候，能量停顿释放。图 2 所示为单端反 激式开关电源的拓扑 构造,反激式开关电源是指当开关管导通的时候，原边储存能

7、量,当开关管关闭的时候，原边释放能量，供给负载所需的功率。由于单端 反激式 开关电源本钱低廉、构造简洁,故在 400W 以下的小功率开 关电源市场中占有主 导地位。图 1 单端正激式开关电源拓扑构造 图 2 单端反激式开关电源拓扑构造2. 主体电路设计本文设计的反激式开关电源额定输入电压 DC 24V ,输出电压DC 12V ,用于为 电动汽车助力转向掌握单元供给稳定牢靠的直流 电压。系统由主回路和掌握回路两大局部组成(如图 3 所示，主回路包括脉冲变压器、M OS 管及其外围电路；掌握 回路主要包括 PWM 产生电路和电流电压反响电路。图 3 反激式开关电源原理图2.1 主回路器件定型主回路

8、的核心器件包括脉冲变压器和 M OS 管,两者的合理选 型对整个开关电源的性能和使用寿命具有重要影响。依据实际要求，所设计开关电源的输入电压范围为 V Im in =18V, V Im ax =36V, 输出电压 V 0=12V,输出功率 P 0=12W,效率n =80%工作 频率 f =65KHz。在不考虑漏感尖峰的条件下，反射电压 V F 打算 M OS 管的耐压 值,取反射电 压 V F=20V,加上 30V 的安全余量,则 M OS 管的最低耐 压值为 86V。反射电压 VF 与输出电压 V 0共同打算脉冲变压器的匝 数比 n,V F =n (V 0+1(1式(1中，假设快恢复二极管的

9、压降为 1V ,则原副边匝数比n1.54依据伏秒平衡原理,(V Im in -1 T on =(V 0+1 nT r (2 式(2 中，假设 M OS 管和快 恢复二极管的压降均为 1V , T on 和 T r分别表示脉冲变压器的导通时间和复位时间。为保证电路工作于断续模式且 预设20%的安全余量,T on 和T r 需满足如下关系,T on +T r =0.8T (3 故脉冲变压器的最大导通时间 T on6.66u 最大占空比 D m ax 43.34原边电感 L =(V Im in T on 20=(18 6.68 10-6 231.1(uH (4 原边峰值电流 I =V T =18 6

10、86 80-6 3.85(A (5 原边电流有效值I rms =I on 姨=3.85 姨1.46(A (6争论与设计 2932023 年第 09电源啟*应用POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS期副边电流有效值 r rms =I n r姨=3.85 1.54 姨 2.08(A (7 变压器磁芯选择 EE25/19,实效截面面积 A e=40.0mm2,磁感应 强度 B w =0.12T。原边匝数 N =V T e w =18 6.66 X0-6-625.0(8副边匝数 N ”=N =25.0=16.2(9 综上所述,M OS 管选型参数如下:V

11、DS 86V , I D 5A 实际选用 的 M OS 管为FAIRCHILD 公司的IRF640。变压器设计参数如下：磁芯型号EE25/19,原边匝数N =25 匝，线径 =0.6mm 电感量 L =31.1uH ,副边匝数 N ”=17 匝,线径 ”=0. 7mm。2.2 掌握回路设计掌握回路的主要作用是输出 PWM 波，掌握M OS 管的导通和 关断时间,核心芯 片采用 ST 公司的UC3842,该芯片承受固定频率、脉宽可调的掌握方式,实现电压 电流的双闭环掌握。内部振荡器的 工作频率由图 3 中的阻容器件 R 3 和 C 3 打算,f =1.72 R 3 CB (10依据设计要求,系统

12、工作频率 65KHz ,故可取R 3=12K Q , C 3=2.2nF。系统上 电后,电容 C 1 通过电阻R 1 充电，当到达UC3842 的启动 电压 16V 时，电路开头正 常工作。UC3842 内部误差放大器的反向 输入端通过电阻 R 4 接地,误差放大器的 输出端接电压反响光耦 P621 的输出端，经内部二极管降压及电阻分压后，供给电流 比较器的基准电压。在一个开关周期开头时,UC3842 的 6 脚输出高电平,驱动 M OS 管开通,当变压器输出电压或原边电流上升到超过设定 值时,内部电流比较器发 生反转，6 脚输出低电平，M OS 管开通时间 完毕。由此可见，UC3842 输出

13、 PWM 的占空比是由误差放大器的输 出电压及变压 器原边电流取样信号共同打算。误差放大器的输出电压由电压反响回路打算，电压反响回路包 含三端稳压器TL431、光耦 P621 及相关外围电路,如图 3 所示。当变压器输出电压增大时,光 耦原边电流增大，光耦副边等效电阻减 小,输出电流在该等效电阻上产生的压降减 小，从而输出占空比减 小，到达稳压的目的。变压器原边电流取样信号用于实现系统的短路保护，通过串接于主回路中的取样电阻 R 8,将原边电流信号转换为电压信号送入 UC3842 的 3 脚，利用 3 脚电压到达 1V 后关闭输出来实现系统的 短路保护，实际电路中R 8 取值为 0.39 Q

14、峰值电流限 制在2.56A 以内。2.3 吸取电路设计反激式开关电源在开关管的关断瞬间将变压器原边电感中的能量转移到副边输出，但因变压器漏感的存在和其他分布参数的影响,能量不能实现完全传递，因而在开关管关断的瞬间会产生很高 的尖峰电压，这个尖峰电压严峻威逼着开关管的正常工作,必需实行措施加以抑制。电压尖峰的吸取电路有多种，本文承受简洁有用 的 RC无损吸取，获得较好的吸取效果。由于吸取电路用于改善变压器漏感和寄生参数引起的波形变异,故应在实际电路设计装配完成之后进展设计，即从已确定的印制板、变压器、MOS 管、整流 器等的参数来构建吸取电路，在理论计算的根底上进展阅历设计，以期获得最正确的 吸

15、取效果。RC 吸取电路的设计步骤如下：(1 通过示波器测量未接吸取电路时的振荡信号周期T 0=129.2 nS ;(2 将高频电容跨接在变压器一次绕组的两端，使振荡周期变 为原来的 3 倍，确 定此时的高频电容值 C 0=2.0nF ,振荡周期 T 0”=388.1 nS ; (3 确定与电容串联的电阻 阻 值：R 0=1 2 n f 0C 0 =10.3( Q (11试验说明，有多种R C 组合均可产生较为满足的吸取效果，但上述组合理论上 能够产生最小的损耗，越大的电阻和越小的电容产 生的损耗就越小。实际电路中 取如下 RC 参数时，吸取效果最好：R 0=27Q , C 0=2.2nF。3.

16、 试验验证图 4图 7 是本文设计的反激式开关电源在带载 0.6A 时的示波器实测波形，由 图可知,电源启动时间 10.5mS , PWM 波占空比为 40.7%,电压尖峰值为 25V ,变压 器反射电压 20V , M OS 管承受的最 高开关应力为 70V ,电流采样电阻反响的电压 值为 0.7V。通过上述数据分析可知，本文所设计的反激式开关电源到达设计预期， 满足全部的参数设计要求，具有肯定的有用价值。图 4 启动过程动态响应曲线 图 5MOS 管栅极驱动电压波形图 6MOS 管漏源极电压波形 图 7 电流采样电阻电压波形 完毕语反激式开关电源以其简洁性、轻松性和有用性，在工程领域得到了

17、广泛的应 用,带来了很高的经济效益。本文以反激式开关电源 为争论对象,主要完成以下 4 项工作:脉冲变压器和 M OS 管定型;开关电源掌握回路设计；电压尖峰吸 收电路设计；对所设计的电路进展试验验证和参数分析 。结果说明，本文设计 的反激式电源技术窓用POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPUCATIONS电源技求注用POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPUCATIONS开关电源在电动汽车助力转向掌握单元的实际使用过程中电POWER SUPPLY各项指标均能满足设计要求，具有良好的性能和较高的牢靠性。参考文献：1 房绪鹏,郭良兵等基于 UC3842 的反激式开关电源设计J.山东科技大学 学报(自然科学版,2023,30(4:99-104.2 詹艳军,杨笔锋,涂永生.基于 UC3842 反激式开关电源的设 计J.电源技术,2023, 3(1:130-131.3 王志强，肖文勋，虞龙等译.开关电源设计M.第三版.北京：电子工业出版社，2023.4 徐德鸿等译.开关电源设计指南M.其次版.北京：机械工业 出版社，2023.5 龚绍文译.变压器与电感器设计手册M.第三版.北京：中国电力出版社，2023.电争论与设计