反激電路設(shè)計DCDC-65V4A

1、開關(guān)電源設(shè)計報告一、 系統(tǒng)原理與理論分析計算本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計一款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變成單極點，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。圖1電路原理圖1、簡要介紹其工作原理：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)點是：電路簡單，能高效提供直流輸出，且它是所有電路拓撲中輸入電壓范圍最寬的。這對于輸入環(huán)境惡劣發(fā)熱

2、負載時比較好的。它的缺點是：輸出紋波較大，但這可以通過在輸出端增加一級LC濾波器來減小紋波。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)模式下會顯著降低磁芯的利用率，所以本文設(shè)計電路工作在電流斷續(xù)模式下?？刂齐娐肥情_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系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，穩(wěn)定域擴大，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，消除了輸出

3、電壓中由輸入電壓引入的低頻紋波。 保護電路是開關(guān)電源中必不可少的補充，在這個電路中引入了輸入過流保護、輸出過流保護、輸出過壓保護、過熱保護等。其中輸入過流保護是通過在原邊引入取樣電阻R14，接到UC3842的3腳，當R14上的電壓超過1V，會關(guān)斷PWM的輸出從而起到保護作用，輸出過壓保護是通過輸出電壓分壓后送到誤差放大器的反相端，和電壓基準比較從而來控制R9的電壓，來控制UC3842的輸出占空比，達到輸出電壓穩(wěn)壓的作用。C6用來濾除芯片反饋網(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。R5為開關(guān)管的驅(qū)動電阻，一般在10100取值，本電路取22。R5越大，開關(guān)管導(dǎo)通越慢,開關(guān)管上的損耗也越大

4、。 R4取10k左右，主要是防止MOS管柵極懸空。C10、R10起對三端穩(wěn)壓管TL431 內(nèi)部放大器進行相位補償?shù)淖饔?。C7、R13是UC3842誤差放大器的補償網(wǎng)絡(luò)。當系統(tǒng)輸入電壓時，電路先由啟動電阻R2（43k）提供啟動電流后，由自饋線圈、二極管FR107、C2構(gòu)成輔助電源, ,使UC3842的7腳電壓達到16V時，使UC3842 啟動并有輸出, 使MOS 開關(guān)管導(dǎo)通, 能量存貯在變壓器T 1中.此時,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)電流通過電阻R14 檢測并與UC3842 內(nèi)部提供的1V 基準電壓進行比較, 當達到這一電平時,開關(guān)管關(guān)斷

5、, 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?。啟動結(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基準電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖寬度, 從而改變輸出電壓以實現(xiàn)對輸出的控制。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 1）、反激變壓器設(shè)計 變壓器的設(shè)計計算是整個電源設(shè)計的關(guān)鍵，它的設(shè)計好壞直接影響電源性能。已知要求輸入電壓：Vmin=36VDC Vmax=60VDC輸出電壓：Vo=6.5V輸出電流：Io=4A（1）工作頻率和最大占空比確定選定開關(guān)頻率f=

6、100kHz，則周期。因為寬輸人范圍，采用電流斷續(xù)模式。在寬電壓輸人時當輸入電壓為最小時取最大占空比,復(fù)位占空比，保證整個輸入電壓范圍下。（2）計算變比：變比可由下式計算得到：式中為變壓器效率，和為變壓器初級電壓和次級電壓；一般變壓器效率=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=0.95。，為輸人電路所有壓降，這里取1V; , 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： （3）次級電感量和初級電感量，式中為變壓器輸出功率。代入數(shù)據(jù)得：根據(jù)變比得到初級電感量為（4）初級峰值電流平均電流 （5）選擇磁芯材料和尺寸選擇Ma

7、gnetics公司P材料，100飽和磁感應(yīng)，查磁芯手冊可知頻率為100k時損耗(mw/cm)與頻率、磁感應(yīng)關(guān)系為：式中：為頻率（kHz）,B為磁感應(yīng)強度（kGs），如果，則解得應(yīng)用經(jīng)驗公式，則（6）磁芯選擇根據(jù)，選擇EI-28,其 （7）計算匝數(shù)次級峰值電流為：次級匝數(shù)：，取3匝，則有：，取13匝。初級匝數(shù)取整對變比影響很小，占空比、初級電流等不必重算。輔助繞組的匝數(shù)根據(jù)UC3842的工作電壓在1016V，通過電壓與匝比的關(guān)系，可以確定副邊繞組的匝數(shù)約為7匝。（8）氣隙長度計算式中 氣隙長度mm ； ； 原邊匝數(shù)； 原邊電感mH ; 磁芯面積。代入數(shù)據(jù)得：（9）計算導(dǎo)線尺寸和線圈結(jié)構(gòu)次級電流有

8、效值為：選取電流密度5A/,導(dǎo)線面積為初級電流總有效值為初級導(dǎo)線截面積為mm m取 m?。?0）變壓器繞組的繞制結(jié)構(gòu)因為變壓器繞制結(jié)構(gòu)的好壞，會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）實測電感值繞完變壓器后，經(jīng)測試一次側(cè)的電感實際值為35.8uH，二次側(cè)的電感值為1.89uH,漏感為3.6uH。2）、開關(guān)管的選擇因為開關(guān)管的工作頻率為100kHz,故選擇MOSFET作為開關(guān)管，選擇管子的漏極電壓應(yīng)滿足：故 （忽略漏感引起的尖峰）取200V漏極電流：對于反激式變換器，選擇開關(guān)管的額定平均電流時，

9、大約取最大輸入平均電流的1.5倍是比較理想的?？梢赃x用管子IRF610（，）（實際因沒買到IFR610的開關(guān)管，采用了IRF630（，,）代替。3）、箝位電路的設(shè)計RCD箝位電路的工作原理是：當開關(guān)管導(dǎo)通時，能量存儲在Lp和漏感Llk中，當開關(guān)管關(guān)閉時，Lp中的能量將轉(zhuǎn)移到副邊輸出,但漏感Llk中的能量將不會傳遞到副邊。如果沒有RCD箝位電路，Llk 中的能量將會在開關(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，此時開關(guān)管的漏極將會承受較高的開關(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

10、樣就大大減少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。圖2 RCD箝位電路（1）由于開關(guān)管關(guān)斷時，漏感儲存的能量轉(zhuǎn)移到電容上.，所以其中，為開關(guān)管S所能承受的最大漏一源電壓, 為初級電壓，為電容初始電壓(常設(shè)為零), 為變壓器的漏感值，為初級電流峰值。所以，可得出的表達式： 一般情況下，常將設(shè)計為零，這里假設(shè)變壓器的漏感=2uH，所以，取=，調(diào)試時取=（2）箝位電路的損耗為：其中，為開關(guān)頻率，電阻上的損耗可表示為箝位的損耗主要由造成，所以=, .于是可得，取=，經(jīng)調(diào)試后取=二極管所承受的反向峰值電壓為：故可選管子FR1054）、輸出濾波電容的選型輸出濾波電容的值可以用下式確定。式中 輸出端的電流的最大值，單位為A;

11、 在高輸入電壓和輕載下所估計的最小占空比（因估計值為0.3是比較合適的，故下面計算時采用0.3）； 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，額定電壓為10V?？蛇x用3個，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可以使用肖特基二極管MBR2530(25A,30V)，實際采用的整流管是（B20100G）其參數(shù)為（IF（av）=20A,VR=100V）6）、UC3842 芯片簡介及振蕩頻率設(shè)計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)計的。其主要優(yōu)點是電壓調(diào)整率可達0. 01 %,工作頻率高達500 kHz ,啟動電流小

12、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 ,最高輸入電壓為30 V ,最大輸出電流為1 A ,能驅(qū)動雙極型功率管或MOS 管。UC3842采用DIP - 8 封裝,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。圖4、UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖設(shè)計要求的工作頻率100 kHz。振蕩頻率由電阻R15及電容C9決定，取C9=2.2nF，按下式計算，則有取R13為20 K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TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(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

13、輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時，取樣電壓VR9也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準電壓(TL431的基準電壓為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，當輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比較器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。 圖3 電壓反饋電路圖 反饋電路參數(shù)確定如下：確定電阻R7, R8 阻值，由圖3知 式中，Uf為光耦二

14、極管的正向壓降,典型值取1. 2 V；If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= 470，R8= 154；實取：R7=470，R8= 150。 誤差檢測由分壓電阻R6、R9完成，參數(shù)值計算如下： 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= 10k，R6為20 k的電位器，以方便輸出電壓可調(diào)。二、測試結(jié)果與分析1、測試主要儀器：a、TDS2012B 數(shù)字示波器b、Fluke 87III數(shù)字萬用表2、測試數(shù)據(jù)： 測試數(shù)據(jù)見附錄。3、測試結(jié)果分析根據(jù)設(shè)計電路原理圖做出實物圖

15、，調(diào)試后進行了實驗，測得樣機的所有功能指標，均基本能達到題目的要求：a、實現(xiàn)輸入電壓可調(diào)范圍：36Vdc-60Vdcb、滿載時輸入電壓從36Vdc 變到60Vdc時，電源調(diào)整率為0.15%c、額定輸入電壓時Io從輕載0.65A變到4A時，負載調(diào)整率為0.15%d、輸出紋波最大為62mVe、輸入與輸出通過光耦來實現(xiàn)電氣隔離4、測試波形 用示波器測輸出紋波時為防止外界的干擾竄進，在探頭上并一個1uF的電解電容和一個0.1uF的瓷片電容，測得的輸出紋波如圖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（a）48V輸入電壓下滿載4A的輸出紋波圖4 輸出紋波波形(a)48V輸入電壓

16、輕載時的開關(guān)管波形(b)48V輸入電壓滿載時的開關(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、存在問題及改進方法A、輸出的效率偏低。原因是變壓器的漏感太大，二次測整流二極管的壓降太大，以及開關(guān)損耗嚴重。改進的方法，減小變壓器的漏感，繞線時采用三明治結(jié)構(gòu)，盡量緊密繞制；將二次測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，布線時未考慮到地線回路造成的電磁干擾。改進方法，加大濾波電容，減小地線回路，測量時為防止外界干擾可在探頭上并一個1uF的電解電容和一個0.1uF的瓷片電容。附件 反激變換器（6.5V 4A）測試數(shù)據(jù)1、穩(wěn)壓精度&紋波測量數(shù)據(jù)負載標 定電流（A）電源輸入值（Un=3660VDC）輸入電流（A）輸出電壓測量值（V）負載電流測量值（A）紋波測量值（mV）穩(wěn)壓精度（%） 紋波系數(shù)（%）滿載4A361056.534.0032負載調(diào)整率0.15%電壓調(diào)整率0.15%0.49480.806.534.00400.61600.626.534.00480.74輕載0.65A360.176.540.65500.77480.136.540.65540.83600.106