反激式電源設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 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) (160/5V) 學(xué) 院： 信息與控制工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣12-5班 學(xué)生姓名： 日 期： 2015.7.62015.7.13 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。電源的輸入、輸出電壓有老師指定。我們是160V/5V。可以用萬(wàn)用版手焊，也可以畫(huà)PCB圖制作電路板，根據(jù)焊的或者畫(huà)的結(jié)果進(jìn)行加分。3、 設(shè)計(jì)原理

2、1、 引言電力電子技術(shù)有三大應(yīng)用領(lǐng)域：電力傳動(dòng)、電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設(shè)備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺(tái)設(shè)備的性能。電源可以分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類(lèi)。線性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓，其工作原理是在輸入與輸出之間串聯(lián)一個(gè)可變電阻（功率晶體管），讓功率晶體管工作在線性模式，用線性器件控制其阻值的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的輸出，電路簡(jiǎn)單，但效率低。通常用于低于10W的電路中。通常使用的7805，7815等就屬于線性電源。反激式功率變換器是功率電源中的一種，是一種應(yīng)用非常廣泛的開(kāi)關(guān)電源，本課程設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)反激變換器。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

3、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(lèi)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)橹绷麟妷夯螂娏鳌Ｒ虼?，這類(lèi)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(lèi)型：?jiǎn)味苏な?、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器

4、。2、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：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。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

5、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。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埃琎又導(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

6、過(guò)此時(shí)的增益M變?yōu)椋海梢钥闯?，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、 反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反激式變換器的

7、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。由圖中可以看出，一個(gè)AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五部分構(gòu)成：輸入電路、變壓器、控制電路、輸出電路和吸收電路構(gòu)成。輸入電路主要包括整流和濾波，將輸入的正弦交流電壓變成直流，而輸出電路也是整流和濾波，是將變壓器副邊輸出的方波電壓?jiǎn)蜗蜉敵?，且減少輸出電壓的紋波。吸收電路如圖4所示。所以，反激變換器的關(guān)鍵在于變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)。這也是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖5 反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖5、 反激式變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路 鐵芯的選擇本來(lái)是變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，因涉及到的內(nèi)容較多，而本次設(shè)計(jì)的時(shí)間有限，所以本次設(shè)計(jì)采用的是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo)率為

8、，1000攝氏度時(shí)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，鐵芯的初始磁導(dǎo)率為。 在本次實(shí)習(xí)中提供的變壓器的鐵芯是變壓器選擇的相關(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）根據(jù)輸入的最高直流電壓和開(kāi)關(guān)管Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)：根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)的要求;需要的直流輸出電壓為6V，由器件本身的參數(shù)可以知道開(kāi)關(guān)管Q兩端所承受的最高的關(guān)斷電壓應(yīng)為：，其中是考慮了整流二極管的導(dǎo)通壓降。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，。 這就求出了匝數(shù)比的上限

9、值，匝比只能比這個(gè)值小，不能比起大。在這個(gè)值的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)匝比。就可以求出最大占空比，即最大導(dǎo)通時(shí)間。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 得：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（80.9mm2），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。(3) 副邊匝數(shù)的計(jì)算 根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很容易求出副邊匝數(shù)。（4）氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算在計(jì)算氣隙長(zhǎng)度之前，首先應(yīng)計(jì)算原邊的電感值。假設(shè)變壓器的輸出功率為，效率為，有以下關(guān)系成立：，其物理意義是，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)原

10、邊從電源吸收并存儲(chǔ)的能量恰好等于系統(tǒng)的輸出和損耗的能量。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。把磁路畫(huà)出來(lái)，可以求出氣隙長(zhǎng)度。如圖6所示。圖6功率變換器磁路示意圖氣隙的長(zhǎng)度為 6、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)反激式變換器的控制芯片主要有TOPSwitch系列芯片、UC384X系列芯片等，其中，應(yīng)用比較多的是UC384X系列芯片，屬于高性能固定頻率電流模式集成控制器，該集成芯片的特點(diǎn)是，具有振蕩器，溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?，高增益誤差放大器、電流比較器和大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，并能把占空比限制在50%內(nèi)。其控制對(duì)象是控制流過(guò)功率開(kāi)

11、關(guān)管的峰值電流。UC3845的控制原理示意圖如圖6所示，它主要由以下四部分構(gòu)成。振蕩器：振蕩器頻率由定時(shí)元件和決定（），振蕩器輸出固定頻率的脈沖信號(hào)，注意：由于UC3845會(huì)每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，所以振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2倍。開(kāi)關(guān)頻率通常取50KHz100KHz左右。 電壓誤差放大器：誤差放大器的作用是放大參考電壓與反饋電壓的差，其輸出電壓經(jīng)兩個(gè)二極管并經(jīng)電阻分壓后作為電流參考。在輸入與輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源中，為減少誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將UC3845內(nèi)部的誤差放大器旁路掉，由外部電壓環(huán)的輸出通過(guò)補(bǔ)償輸入引腳決定電流參考。在后面給出的電壓反饋電路設(shè)計(jì)中會(huì)有更詳細(xì)的說(shuō)明。電流比較器：

12、電流比較器的門(mén)檻值error V 由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)，電流門(mén)檻值就增大，使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一樣。觸發(fā)器&鎖存器脈寬調(diào)制：一方面，由振蕩器輸出的固定頻率的脈沖信號(hào)給鎖存器置位，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，電流sw I 線性增加，當(dāng)電流檢測(cè)電阻s R 上的電壓達(dá)到電流比較器門(mén)檻值error V 時(shí)，電流比較器輸出高電平，給鎖存器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，電流比較器的輸出恢復(fù)低電平;另一方面，振蕩器輸出的脈沖信號(hào)同時(shí)輸入觸發(fā)器，使UC3845 每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，這是UC3845 能把占空比限制在50%內(nèi)的原因 ，并決定了振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的2 倍。 電

13、流型控制的優(yōu)點(diǎn)是本身具有過(guò)流保護(hù)功能，電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逐周限制，屬于一種恒功率過(guò)載保護(hù)方法，即維持供給負(fù)載的恒功率。 整個(gè)控制部分的原理圖如下所示；圖7 UC3845控制原理示意圖7.UC3845的主要外圍電路設(shè)計(jì)（1） 供電UC3845啟動(dòng)時(shí)，變壓器T不工作，電容2 aC 上電壓為0， 1aD 關(guān)斷。g U 通過(guò)電阻1aR 給電容1aC 充電，當(dāng)UC3845的7腳電源電壓VCC的電壓達(dá)到8.5V后，UC3845開(kāi)始工作。此后變壓器工作，輔助繞組開(kāi)始輸出電壓（12V）為芯片供電。輔助繞組按輸出繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。UC3845的啟動(dòng)電流只需1mA，因而限流電阻1aR 只需滿足給芯片提供1mA

14、的啟動(dòng)電流。芯片正常工作后需要的功率由變壓器T的輔助繞組提供。注意考慮1aR 的功率，若超過(guò)1/4W可采用多個(gè)1/4W電阻并聯(lián)來(lái)組成1aR 即可。UC3845的資料：UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專(zhuān)為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖定門(mén)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)

15、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） 電流檢測(cè) 接在功率MOSFET源極上的電流檢測(cè)電阻大概值為在測(cè)試時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)在最小輸入電壓下，電源無(wú)法提供滿載功率，就需要減小該電阻值。（3） 電壓反饋控制電壓反饋環(huán)節(jié)要

16、與輸入電壓和控制IC隔離，常用光隔離器進(jìn)行隔離。光耦的CTR（電流傳送比， ）會(huì)隨溫度而漂移，為了減小光隔離器漂移的影響，要把誤差放大器放在光偶的輸入側(cè)，誤差放大器可以檢測(cè)到光耦的漂移引起的其輸出端的偏移，然后相應(yīng)地去調(diào)整電流，這個(gè)誤差放大器可以用TL431。下圖給出了電壓反饋的拓?fù)?。?）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)

17、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)

18、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4、 參數(shù)的計(jì)算與選擇（1） 匝數(shù)比計(jì)算：U=160V整流橋整流以后=1.2*160=192V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=10，下面計(jì)算最大占空比=，取D=0.18。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=10.08，實(shí)際取到的原邊的匝數(shù)為60，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

19、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=16.303，取9匝。（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，取選取選取用203電位器代替。五、在電路制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方法在此期間我們遇到了一些問(wèn)題和故障，下面將一一介紹出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案。（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）變壓器響聲刺耳原因分析：變壓器繞的不夠緊，故將變壓器重繞。（3）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：輔助繞組匝數(shù)過(guò)少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。（4）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，