【2019年整理】開關(guān)電源設(shè)計(jì)(1)

1、開關(guān)電源設(shè)計(jì)報(bào)告 系統(tǒng)原理與理論分析計(jì)算 本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)一款DC36V60V輸入，DC6.5V/4A 輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、 電流雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)， 因此，增益帶寬乘積得到了提 高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。其電路原理圖如圖 1 所示。 1、簡(jiǎn)要介紹其工作原理： 本電路有三部分組成： 主電路，控制電路和保護(hù)電路。 其中主電路采用的是 單端反激式電路， 它是升降壓變換器的推演并加隔離變壓器而得。 此電路的優(yōu)點(diǎn) 是：電路簡(jiǎn)單， 能高效提供直流輸出， 且它是所有電路拓?fù)渲休斎腚妷悍秶顚?的。

2、這對(duì)于輸入環(huán)境惡劣發(fā)熱負(fù)載時(shí)比較好的。它的缺點(diǎn)是：輸出紋波較大，但 這可以通過(guò)在輸出端增加一級(jí) LC 濾波器來(lái)減小紋波。 這種電路通常適合應(yīng)用在 輸出功率在 250W 以下，電壓和負(fù)載的調(diào)整率在 5%8%左右的電路中。反激式 電路也有電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式， 但值得注意的是反激式電路工作于 電流連續(xù)模式下會(huì)顯著降低磁芯的利用率， 所以本文設(shè)計(jì)電路工作在電流斷續(xù)模 式下。 控制電路 是開關(guān)電源的核心部分，控制的好壞直接影響電路的整體性能， 在這個(gè)電路中采用的是以UC3842為核心的峰值電流型雙閉環(huán)控制模式。即在輸 出電壓閉環(huán)的控制系統(tǒng)中增加直接或間接的電流反饋控制。 電流模式控制可以使

3、系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)， 穩(wěn)定域擴(kuò)大， 改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能， 消除了輸出電壓中由輸 入電壓引入的低頻紋波。 保護(hù)電路 是開關(guān)電源中必不可少的補(bǔ)充，在這個(gè)電路中引入了輸入過(guò)流保 護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。其中輸入 過(guò)流保護(hù) 是通過(guò)在原 邊引入取樣電阻R14,接到UC3842勺3腳，當(dāng)R14的電壓超過(guò)1V,會(huì)關(guān)斷PW的輸 出從而起到保護(hù)作用， 輸出過(guò)壓保護(hù) 是通過(guò)輸出電壓分壓后送到誤差放大器的反 相端，和電壓基準(zhǔn)比較從而來(lái)控制R9的電壓，來(lái)控制UC3842勺輸出占空比，達(dá)到 輸出電壓穩(wěn)壓的作用。C6用來(lái)濾除芯片反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)誤差比較器的輸出端(1腳) 的高頻迭加信號(hào)。R5為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電

4、阻，一般在10100Q取值，本電路取22 Qo R5越大，開關(guān)管導(dǎo)通越慢,開關(guān)管上的損耗也越大。R4取10k Q左右，主要 是防止MO管柵極懸空。C10 R10起對(duì)三端穩(wěn)壓管TL431內(nèi)部放大器進(jìn)行相位補(bǔ) 償?shù)淖饔?。C7 R13是 UC384誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓時(shí)，電路先由啟動(dòng)電阻 R2 (43kQ )提供啟動(dòng)電流后，由自 饋線圈、二極管FR107、C2構(gòu)成輔助電源，使UC3842的7腳電壓達(dá)到16V時(shí)，使 UC3842啟動(dòng)并有輸出,使MOS開關(guān)管導(dǎo)通,能量存貯在變壓器T 1中.此時(shí)，由 于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置，故能量不能傳到T 1的二次側(cè)，T 1的一次側(cè) 電流通過(guò)電

5、阻R14檢測(cè)并與UC3842內(nèi)部提供的1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到 這一電平時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，所有變壓器的繞組極性反向，輸出整流二極管正向偏 置，存貯在T 1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦?。啟?dòng)結(jié)束后，反饋線圈的電壓整 流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端（腳2）和UC3842內(nèi)部的2.5V基 準(zhǔn)電壓作比較來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。這 樣，能量周而復(fù)始地存貯釋放，給輸出端提供電壓。 2、電路主要參數(shù)的設(shè)計(jì) 1）、反激變壓器設(shè)計(jì) 變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算是整個(gè)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響電源性能。 已知要求 輸入電壓：Vmi n=36VDCVmax=60VDC 輸出

6、電壓：Vo=6.5V 輸出電流：lo=4A （1）工作頻率和最大占空比確定 選定開關(guān)頻率f=100kHz，貝U周期T =10us。因?yàn)閷捿斎朔秶?，采用電流斷續(xù) 模式。在寬電壓輸人時(shí)當(dāng)輸入電壓為最小時(shí)取最大占空比Dmax=0.42,復(fù)位占空 比Dr =0.45，保證整個(gè)輸入電壓范圍下（D Dr） ：1 （2）計(jì)算變比： 變比可由下式計(jì)算得到: U； D Uo Dr 式中T為變壓器效率，U；和Uo為變壓器初級(jí)電壓和次級(jí)電壓；一般變壓器 效率丁=0.950.98，包含導(dǎo)線銅損耗、磁芯損耗以及漏感引起的籍位損耗，這 里取t=0.95 Uimin二Ut ，5為輸人電路所有壓降，這里取 1V； U。二U。

7、？，5輸出 電路中所有壓降，包括整流器壓降、電流取樣電阻壓降和線路壓降等，這里取 1V。于是有： n= L1 / D、,35 .42、畫=4.36 L2Uo Dr 一 7.5 0.45 (3) 次級(jí)電感量L2和初級(jí)電感量L1 2 UoDr L2- l 2fPo ,式中P為變壓器輸出功率。代入數(shù)據(jù)得: 2 UoDr L2 2fP- 2 5 345)1.9uH 2 100 103 7.5 4 根據(jù)變比得到初級(jí)電感量L1為 J =n 2L4.362 1.9 =36.1uH (4) 初級(jí)峰值電流 U T 35疋 0 4210 =-iT-n = = 4.072A L.36.1 平均電流 |=!1pd =

8、 4.072 0.42 =0.855A Ipav 二仝 2T 222T (5) 選擇磁芯材料和尺寸 選擇Magnetics公司P材料，100C飽和磁感應(yīng)Bs1000.39T，查磁芯手冊(cè) 可知 頻率為100k時(shí)損耗(mw/cm3)與頻率、磁感應(yīng)關(guān)系為: P =0.0434f1.63B2.62(mw/cm3) 式中：f為頻率(kHz),B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(kGs),如果P = 100mw/cm3， f -100kHz，則解得 B -0.109T BmaxK2 ：36.1 漢 10上漢 4.072 漢 0.855 1 _0.109 漢 0.006一 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式，則 Ap 0.11cm4 (6) 磁芯選

9、擇 根據(jù) Ap = 0.11cm4，選擇 EI-28,其 A 0.60cm4 (7) 計(jì)算匝數(shù) 次級(jí)峰值電流l2p為: 2I Dr = =17.8A 0.45 次級(jí)匝數(shù): N2 二戰(zhàn) （読 102-58 取 3 匝則有: 叫=4.36 3=13.08，取13匝。初級(jí)匝數(shù)取整對(duì)變比影響很小，占空比、初 級(jí)電流等不必重算。 輔助繞組的匝數(shù)根據(jù) UC3842的工作電壓在10 16V,通過(guò)電壓與匝比的關(guān) 系，可以確定副邊繞組的匝數(shù)約為 7匝。 （8）氣隙長(zhǎng)度計(jì)算 式中l(wèi)g氣隙長(zhǎng)度 mm； u04二10 ； Np原邊匝數(shù); Lp原邊電感mH ; A磁芯面積mm2。代入數(shù)據(jù)得: lg Np Ae/二仗 1

10、32 83.6 “49mm Lp 0.0361 （9）計(jì)算導(dǎo)線尺寸和線圈結(jié)構(gòu) 次級(jí)電流有效值l2為: l2rms “2p.:=17.8 . 0 = 6.89A 選取電流密度5A/mm2,導(dǎo)線面積A為 6.892 A21.378mm 5 I prms M.072匯怦 初級(jí)電流總有效值l1為 =1.52A 初級(jí)導(dǎo)線截面積A為 = 0.2 10 m wireA2 =0.314 10 Jm2 4 1.52 5 106 = 0.304 10-6 1 prms J wireA 0.304 10-6 037 9.68 取 Snp =10 二沁=1.378 106 m2 J c wireA 取 Sns =44

11、 （10）變壓器繞組的繞制結(jié)構(gòu) 因?yàn)樽儔浩骼@制結(jié)構(gòu)的好壞，會(huì)直接影響電源輸出的紋波的大小，因而在本 電路采用三明治繞法：首先將一次側(cè)繞組并繞于第一層上； 然后繞二次側(cè)，最后 將輔助供電繞組繞于最上層。 （11）實(shí)測(cè)電感值 繞完變壓器后，經(jīng)測(cè)試一次側(cè)的電感實(shí)際值為35.8uH，二次側(cè)的電感值為 1.89uH,漏感為 3.6uH。 2）、開關(guān)管的選擇 因?yàn)殚_關(guān)管的工作頻率為100kHz,故選擇MOSFE祚為開關(guān)管，選擇管子的漏 極電壓應(yīng)滿足： U ds (min) uoN i (max) Ugax) =60VdC 故 UDS(min) J。吐* Uigax)7.5 6 92.5V (忽略漏感引起的

12、尖峰) N 23 取 200V 漏極電流I d :對(duì)于反激式變換器，選擇開關(guān)管的額定平均電流時(shí)，大約取最大輸入平均電流的1.5倍是比較理想的。 ID =1.5 0.855 二 1.28A 可以選用管子IRF610 ( UDs=200V , Id=3.3A )(實(shí)際因沒買到IFR610的 開關(guān)管，采用了 IRF630( Uds =200V，I9A, Ron) =0.12)代替 3) 、箝位電路的設(shè)計(jì) RCD箝位電路的工作原理是：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量存儲(chǔ)在Lp和漏感Llk 中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，Lp中的能量將轉(zhuǎn)移到副邊輸出，但漏感Llk中的能量將不 會(huì)傳遞到副邊。如果沒有 RCD箝位電路，Llk中的

13、能量將會(huì)在開關(guān)管關(guān)斷瞬間 轉(zhuǎn)移到開關(guān)管的漏源極間電容和電路中的其它雜散電容中，此時(shí)開關(guān)管的漏極將 會(huì)承受較高的開關(guān)應(yīng)力。若加上 RCD箝位電路，Llk中的大部分能量將在開關(guān) 管關(guān)斷瞬間轉(zhuǎn)移到箝位電路的箝位電容上，然后這部分能量被箝位電阻Rc消耗。 這樣就大大減少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。 b s 圖2 RCD箝位電路 (1)由于開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏感儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電容 G上.，所以 1 2 C 1 U ds max -Ui 1 1 -嚴(yán)二Lleakl 其中，Udsmax為開關(guān)管S所能承受的最大漏一源電壓,Ui為初級(jí)電壓，U：為 電容初始電壓(常設(shè)為零),Lieak為變壓器的漏感值，Ip為初級(jí)電流峰值。

14、所以, 可得出Ci的表達(dá)式： I | 2 leak p Ci =2 U dsmax _ U i _ U : I I 2 leak p Ci 二2 U dsmax _ U i _ U : 般情況下，常將U :設(shè)計(jì)為零，這里假設(shè)變壓器的漏感Leak=2uH,所以 2x10_6 x4 0722卄 二.2=3.32nF，取 G=3.3nF，調(diào)試時(shí)取 (200100 ) C =2.2 nF (2)箝位電路的損耗為: _12 RampLeak1 p fs p 2p 其中，fs為開關(guān)頻率，電阻R1上的損耗可表示為 2 U dsmax 一 U i R 箝位的損耗主要由R|造成，所以PCamp = Fri ,.

15、于是可得 2 2 U dsmax - 5 Ri2 I | 2 f leak p s 2 2(200 -100 ) 210 上 X4.0722X100X103 _6.03K ，取 R=6K，經(jīng) 調(diào)試后取R=5KC 二極管Di所承受的反向峰值電壓為：Uin 叢山貿(mào) N2 ,N113 故 VRgin) U 山(max)。貿(mào)=60 6.5 = 88.2V 可選管子FR105 4) 、輸出濾波電容的選型 輸出濾波電容的值可以用下式確定 C out(mi n) 1 out (max) (1 - Dmin ) fsVripple (pk _pk) 式中l(wèi)out（ma 輸出端的電流的最大值，單位為 A； Dm

16、in在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比（因估計(jì)值為0.3 是比較合適的，故下面計(jì)算時(shí)采用0.3）； Vripple （pk M 期望輸出電壓紋波峰峰值，單位為 V 將相應(yīng)的數(shù)值代入上式得 out(m in) Cout =3115uF，額定電壓為10乂可選用3個(gè)100（UF，額定電壓為16V的電 解電容并聯(lián)。 5）、輸出整流二極管的選型 N23 VR（min） * Vout -（-Vjn（max）= 6.W，60 /V = 20.討 N113 I F （min） 2p T7.8A 可以使用肖特基二極管 MBR2530（25A,30V，實(shí)際采用的整流管是（B20100G 其參數(shù)為（IF（ av

17、） =20A,VR=100V 6）、UC3842芯片簡(jiǎn)介及振蕩頻率設(shè)計(jì) UC3842是一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片，是專為離線式 直流變換電路設(shè)計(jì)的。其主要優(yōu)點(diǎn)是電壓調(diào)整率可達(dá)0. 01 %，工作頻率高達(dá)500 kHz ,啟動(dòng)電流小于1 mA，外圍元件少。它適用于2080 W的小功率開關(guān)電源。其 工作溫度為070 C,最高輸入電壓為30 V，最大輸出電流為1 A，能驅(qū)動(dòng)雙極型功 率管或MOS管。UC3842采用DIP- 8封裝,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。 置 R 參考穩(wěn) 壓器 XL $36 V 1 O+ 2； I O+- 1. i3 3,6 V l.D mA M RO 25.0V 脈

18、寬調(diào)制 鎖存 電流檢測(cè)比較器 地孑 圖4、UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)要求的工作頻率100 kHz。振蕩頻率由電阻 R15及電容C9決定，取 C9=2.2 nF,按下式計(jì)算，則有 1.8 1 8 R158.18k1.1 f *C9100 x103x2.2x109 取R13為20 K Q的電位器 7）、反饋電路 反饋電路采用精密穩(wěn)壓源 TL431和線性光耦PC817。利用TL431可調(diào)式精 密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過(guò)線性光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。 如圖2所示，R6、R9是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的 高低，和TL431 一并組成外部誤差放大器。 當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓

19、VR9也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓 （TL431的基準(zhǔn)電壓為2.5V），使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片 內(nèi)驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反 之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降， 當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時(shí)，誤差放大器 的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1 的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對(duì) PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá) 到穩(wěn)壓的目的。 F18 T15C (調(diào)至:農(nóng)左右 接u心帶的璋卩 pcai-? CIO 2.7K2 2nF CU | D2I R13 ik lOOpF TL431 圖3電壓反饋電

20、路圖 反饋電路參數(shù)確定如下：確定電阻 R7, R8阻值，由圖3知 R7 If Uf =(lka If ) R8 式中，Uf為光耦二極管的正向壓降,典型值取1.2 V；f為二極管正向電流，取3 mA; Ika為TL431陰極工作電流，取20 mA。為滿足上式，可取R7= 470Q , R8= 154Q; 實(shí)取：R7=470Q , R8= 150Q。 誤差檢測(cè)由分壓電阻R6、R9完成，參數(shù)值計(jì)算如下： R6 Vo =(1) Vref R9 式中，Uref為TL431參考端電壓，取2. 5 V; Uo為輸出端電壓，取6.5 V。為滿足上 式，可取R9= 10kQ，R6為20 kQ的電位器，以方便輸出

21、電壓可調(diào)。 二、測(cè)試結(jié)果與分析 1、測(cè)試主要儀器： a、TDS2012B數(shù)字示波器 b、Fluke 87III數(shù)字萬(wàn)用表 2、測(cè)試數(shù)據(jù)： 測(cè)試數(shù)據(jù)見附錄。 3、測(cè)試結(jié)果分析 根據(jù)設(shè)計(jì)電路原理圖做出實(shí)物圖，調(diào)試后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得樣機(jī)的所有功能 指標(biāo)，均基本能達(dá)到題目的要求： a實(shí)現(xiàn)輸入電壓可調(diào)范圍：36Vdc-60Vdc b、滿載時(shí)輸入電壓從36Vdc變到60Vdc時(shí)，電源調(diào)整率為0.15% c、額定輸入電壓時(shí)Io從輕載0.65A變到4A時(shí)，負(fù)載調(diào)整率為0.15% d、輸出紋波最大為62mV e、輸入與輸出通過(guò)光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離 4、測(cè)試波形 用示波器測(cè)輸出紋波時(shí)為防止外界的干擾竄進(jìn)，在探頭上并

22、一個(gè)1uF 的電解電容和一個(gè)0.1uF的瓷片電容，測(cè)得的輸出紋波如圖 4,圖5為開關(guān)管波 形 (a) 48V輸入電壓下的輕載0.65A的輸出紋波 RIGOL STOPft ._ - _ _ -_ - . . -f Qi0iftU CurR=-28.0niU CurBi f 血0 A +Wid(l)=,2eus Fre(il = 164 kHz M：WB SS.BbU 13 Time0+595.Sus (a) 48V輸入電壓下滿載4A的輸出紋波 圖4輸出紋波波形 RIGQIL STOPf Q 252nnV +Wid(l) = U46us Fre=i(l)= 167畑 CH 1*10.au IMM

23、3 50,0U a Timm 2.0*763*5us： (a)48V輸入電壓輕載時(shí)的開關(guān)管波形 JtoR. A RIQOL STOP 0U 圖 期宓 50.0U13 Time 200us 0+765.2us *Wid(l)=3,40us Fireqll) = 110 kHz (b)48V輸入電壓滿載時(shí)的開關(guān)管波形 圖5開關(guān)管波形 (圖中CH1為Ugs兩端的波形，CH2為Uds兩端的波形) 5、存在問(wèn)題及改進(jìn)方法 A、輸出的效率偏低。原因是變壓器的漏感太大，二次測(cè)整流二極管的壓降 太大，以及開關(guān)損耗嚴(yán)重。改進(jìn)的方法，減小變壓器的漏感，繞線時(shí)采用三明治 結(jié)構(gòu)，盡量緊密繞制；將二次測(cè)得整流二極管改用通態(tài)壓降較小的 肖特基二極管; 在開關(guān)管加一 RCD緩沖器以減小開關(guān)損耗。 B、輸出電壓的紋波偏大。原因是濾波電容不夠大，布線時(shí)未考慮到地線回 路造成的電磁干擾。改進(jìn)方法，加大濾波電容，減小地線回路，測(cè)量時(shí)為防止外 界干擾可在探頭上并一個(gè)1uF的電解電容和一個(gè)O.luF的瓷片電容。 反激變換器（65V 4A ）測(cè)試數(shù)據(jù) 1、穩(wěn)壓精度&紋波測(cè)量數(shù)據(jù) 負(fù)載標(biāo) 定電流 （A） 電源輸入值 （Un=3660VDC） 輸入 電流（A） 輸出電 壓測(cè)量 值 （V） 負(fù)載電 流測(cè)量 值（A） 紋波測(cè)量 值（mV） 穩(wěn)壓精度 （%） 紋波系