單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì).doc

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息與控制工程學(xué)院 1、 課程設(shè)計(jì)目的（1）熟悉Power MosFET的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的使用；（3）增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；2、 課程設(shè)計(jì)的要求與內(nèi)容本課程設(shè)計(jì)要求根據(jù)所提供的元器件設(shè)計(jì)并制作一個(gè)小功率的反激式開(kāi)關(guān)電源。我設(shè)計(jì)的是一個(gè)輸入190V，輸出9V/1.1A的反激式開(kāi)關(guān)電源，要求畫(huà)出必要的設(shè)計(jì)電路圖，進(jìn)行必要的電路參數(shù)計(jì)算,完成電路的焊接任務(wù)。有條件的可以用protel99 SE進(jìn)行PCB電路板的印制。3、 設(shè)計(jì)原理1、開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)（1）按驅(qū)動(dòng)方式分，有自激式和他激式。（2）按DC/DC變換器的工作方式分：?jiǎn)味苏な胶头醇な?、推挽式、半橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。?）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。（4）按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制(PWM)式；脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；PWM與PFM混合式。DC/DC變換器用于開(kāi)關(guān)電源時(shí)，很多情況下要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離。這時(shí)必須采用變壓器進(jìn)行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏?。因此，這類變換器又稱為逆變整流型變換器。DC/DC變換器有5種基本類型：?jiǎn)味苏な健味朔醇な?、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1 電路結(jié)構(gòu)圖電路工作過(guò)程如下：當(dāng)M1導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中存儲(chǔ)能量，與變壓器次級(jí)相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級(jí)無(wú)電流流過(guò)，即沒(méi)有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng)M1截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時(shí)負(fù)載R上也有電流I流過(guò)。M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D2所示。 圖2 M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)?、反激變換器工作原理基本反激變換器如圖3所示。假設(shè)變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作如下：（1） 當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增加，會(huì)產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而在副邊產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖3（a）所示，無(wú)源開(kāi)關(guān)VD1因反偏而截止，輸出由電容C向負(fù)載提供能量，而原邊則從電源吸收能量，儲(chǔ)存于磁路中。（2） 當(dāng)有源開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會(huì)感應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故VD1正偏而導(dǎo)通，如圖3（b）所示，此時(shí)磁路中存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時(shí)補(bǔ)充濾波電容C在前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)給負(fù)載提供能量外，還用來(lái)限制輸出電壓上的開(kāi)關(guān)頻率紋波分量，使之遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。（a）（b）圖3 反激變換器工作狀態(tài)反激變換器的工作過(guò)程大致可以看做是原邊儲(chǔ)能和副邊放電兩個(gè)階段。原邊電流和副邊電流在這兩個(gè)階段中分別起到勵(lì)磁電流的作用。如果在下一次Q導(dǎo)通之前，副邊已將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電流變?yōu)榱?，則稱變換器運(yùn)行于斷續(xù)電流模式（DCM），反之，則在副邊還沒(méi)有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒(méi)有變?yōu)榱阒?，Q又導(dǎo)通，則稱變換器運(yùn)行于連續(xù)電流模式（CCM）。通常反激變換器多設(shè)計(jì)為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當(dāng)變換器工作于CCM下時(shí)，輸出與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：，其中，。當(dāng)變換器工作于DCM下時(shí)，上述關(guān)系式仍然成立，只不過(guò)此時(shí)的增益M變?yōu)椋?，可以看出，改變開(kāi)關(guān)器件Q的占空比和變壓器的匝數(shù)比就可以改變輸出電壓。3、 反激變換器的吸收電路由于在實(shí)際中反激變換器存在各種寄生參數(shù)，如變壓器的漏感，開(kāi)關(guān)管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實(shí)際應(yīng)用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開(kāi)關(guān)Q截止時(shí)，沒(méi)有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個(gè)漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以習(xí)慣上將這種去磁回路稱為吸收電路，目的是將開(kāi)關(guān)Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220VAC輸入的小功率開(kāi)關(guān)電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4吸收電路4、 反激式變換器變壓器的設(shè)計(jì)在本次實(shí)習(xí)中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo)率為，鐵芯的初始磁導(dǎo)率為。變壓器選擇的相關(guān)參數(shù)包括：原副邊匝數(shù)比、原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和氣隙，本次試驗(yàn)中用到的變壓器的繞組的漆包線已經(jīng)給定，無(wú)需選擇。（1）原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)的確定：根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)的要求;需要的直流輸出電壓為7V，由器件本身的參數(shù)可以知道其耐壓。，如果考慮到漏感引起的的電壓尖峰，開(kāi)關(guān)管兩端承受的關(guān)斷電壓為：，一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)管的耐壓需要在這個(gè)基礎(chǔ)之上留下至少30%的裕量。假設(shè)開(kāi)關(guān)管的耐壓極限為，。為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲(chǔ)能和放電總時(shí)間應(yīng)該控制在0.8T以內(nèi)，所以,（2）原副邊匝數(shù)的計(jì)算：根據(jù)器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導(dǎo)面積，原邊的匝數(shù)應(yīng)該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化量，固，通常原邊的匝數(shù)取到這個(gè)計(jì)算之的兩倍。副邊匝數(shù)根據(jù)變比可以求出。（3）氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算假設(shè)變壓器的輸出功率為，效率為，有以下關(guān)系成立：，所以可以得到，其中有以下關(guān)系；，則原邊的峰值電流為：，帶入上式可以得到初級(jí)電感。其中，為電感系數(shù)，為磁阻。氣隙的長(zhǎng)度為 5、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）振蕩器：振蕩器的頻率有定時(shí)元件，決定，我的頻率選為90KHZ。（2）電壓誤差放大器：在本次實(shí)習(xí)中在輸入與輸出的隔離開(kāi)關(guān)電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內(nèi)部誤差放大器旁路掉。（3）電流比較器:電流比較器的門檻值有誤差放大器的輸出給定，當(dāng)電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時(shí)，電流的門檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加，反之也一樣。整個(gè)控制部分的原理圖如下所示；圖5控制部分原理圖幾個(gè)重要器件的介紹:（1）UC3845UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達(dá)500千赫輸出開(kāi)關(guān)頻率；在反激式應(yīng)用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時(shí)間從50%70%可調(diào)；自動(dòng)前饋補(bǔ)償；鎖存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動(dòng)及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出/補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓（2.5 V）進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：R T/CT振蕩器的外接電容C和電阻R的公共端。通過(guò)一個(gè)電阻接Vref通過(guò)一個(gè)電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動(dòng)能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50mA.（2）TL431TL431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準(zhǔn)電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，所以可以用來(lái)制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放特性可知，只有當(dāng)REF端的電壓十分接近VI時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管，電流將從1到100mA變化。圖7 TL431的功能模塊示意圖在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過(guò)TL431（可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個(gè)比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中腳1為陽(yáng)極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開(kāi)關(guān)電源中，當(dāng)電流流過(guò)光二極管時(shí)，二極管發(fā)光感應(yīng)三極管，對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整，從而控制UC3842的工作。同時(shí)PC817光電耦合器不但可起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用。 圖8 PC817內(nèi)部框圖 6、總體設(shè)計(jì)電路圖圖9 開(kāi)關(guān)電源總體設(shè)計(jì)原理圖4、 參數(shù)的計(jì)算與選擇（1） 匝數(shù)比計(jì)算：U=140V，經(jīng)過(guò)整流橋整流以后=1.2*190=228V，由于變比的取值要小于計(jì)算值，于是變壓器的變比取到K=5，下面計(jì)算最大占空比=，在電路的設(shè)計(jì)中我們?nèi)〉筋l率f=90KHZ，于是S，于是有得到，實(shí)際取到的原邊的匝數(shù)為，由原邊匝數(shù)及其變壓器的變比得到副邊繞組的匝數(shù)為匝。（2） 原邊電感及其氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算：由，（3） 輔助繞組的計(jì)算輔助繞組的計(jì)算和副邊繞組的計(jì)算方法一樣，只不過(guò)，于是有有關(guān)公式得變比K=3，（4） 電流檢測(cè)參數(shù)計(jì)算電流檢測(cè)電阻，?。?） 電壓反饋控制參數(shù)計(jì)算， 所以：，于是根據(jù)已有的元件取到所以：所以選取選取用503電位器代替。五、在電路制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法（1）電路制作完成，通電不能工作，整流橋無(wú)電壓輸出原因分析：電路焊接不牢，主電路有虛焊的情況發(fā)生。（2）電路制作完成，通電不能工作，整流橋有電壓輸出，12V穩(wěn)壓二極管有電壓，但始終上不去達(dá)不到啟動(dòng)電壓，變壓器不工作。原因分析：輔助繞組回路焊接錯(cuò)誤或者此回路有斷路的情況，使其不能正常使二極管升壓，為芯片供電。 （3）變壓器工作后電壓上不去或電壓過(guò)高不降或其帶載能力差，加載時(shí)電壓下降嚴(yán)重。原因分析：該設(shè)計(jì)具有反饋控制電路，其主要作用是通過(guò)反饋控制穩(wěn)定輸出電壓，提高電源帶載能力。該電源出現(xiàn)上述現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵摲答伩刂苹芈烦霈F(xiàn)問(wèn)題，例如線路連接錯(cuò)誤、斷路、虛焊等問(wèn)題，該問(wèn)題在課程設(shè)計(jì)中比較常見(jiàn)，各種原因也得到了驗(yàn)證。（4）電源工作后，變壓器出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。原因分析：變壓器震動(dòng)主要是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)芯片出現(xiàn)低頻噪音，使變壓器出現(xiàn)人耳可聽(tīng)到的震動(dòng)。主要原因是占空比控制芯片的的輸出有問(wèn)題，對(duì)弱信號(hào)反應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致占空比及頻率輸出出現(xiàn)差錯(cuò)。六、實(shí)習(xí)收獲本次設(shè)計(jì)只有一本課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，剩下的理論分析，方案完善，以及電路制作與調(diào)試全部自己完成，全面提高了自己的方案設(shè)計(jì)與電路調(diào)試能力。課程設(shè)計(jì)中鼓勵(lì)制作PCB板，學(xué)習(xí)一種新的畫(huà)PCB圖的軟件。因?yàn)榇笠皇罴僦形易詫W(xué)過(guò)畫(huà)PCB圖的軟件Protel 99 SE，因此我選用了用該軟件畫(huà)PCB圖，并制作PCB板。我的第一張PCB圖畫(huà)在了頂層，因?yàn)檫@是第一次正式畫(huà)PCB圖，我的布線比較亂，不過(guò)由于制作PCB板時(shí)，我的PCB圖進(jìn)行了鏡像，導(dǎo)致我的PCB板難以焊接，使我得到了第二次制作PCB板的機(jī)會(huì)。制作第二塊PCB板前，我將電路重新手動(dòng)布線，注意到了線路轉(zhuǎn)角及走線線路問(wèn)題，使自己的PCB布局走線能力提高很大。電路焊接完后，進(jìn)行了上電試驗(yàn)，結(jié)果電路工作，但輸出電壓偏低，經(jīng)查找發(fā)