反激變換器輔助電源地設(shè)計(jì)

1、輔助電源部分輔助電源設(shè)計(jì)采用UC3842A芯片，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下1、功能指標(biāo)參數(shù)交流輸入電壓范圍： V 90265V電網(wǎng)電壓頻率：fr 40 60 Hz最大輸出功率：Pout 30W輸出電壓：V 15V效率：n=85%開(kāi)關(guān)頻率：fs 60kHz2、電路原理圖圖1反激變換器電路原理圖3、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.1變壓器設(shè)計(jì)(1)根據(jù)AP值選擇磁芯面積乘積AP為繞組窗口面積(Aw )和磁芯橫截面積的乘積(Ae)。同時(shí)，將AP值與輸入功率聯(lián)系在一起，可以得到以下公式:AP1.14311.1 Pn4cm 4 fsB Kp Ku Kt其中，Pin是額定輸入功率；AB為磁通密度變化量，一般為 0.2T;Kp為磁

2、芯窗口有效使用系數(shù)，一般取 0.20.4 ;Ku為繞組填充系數(shù)，一般取 0.40.5 ;Kt為均方電流系數(shù)，等于直流輸入電流與最大原邊電流的比值，一般取0.71.4 ;K 心*心*心為銅有效利用系數(shù)，一般取 0.10.2AP1.14311.1*PnfSB K p KU Kt11.1*3660*103 *0.2*0.32*0.4*0.711.1434=0.318cm經(jīng)過(guò)計(jì)算，AP約為0.318cm 4。為了保證足夠的功率裕量，選擇TDK系列EI33/29/13 磁芯，AP 1.5854cm ， Ae 118.5mm ， A 133.79mm。(2 )原副邊匝數(shù)計(jì)算輸入平均電流:I avRut=3

3、0*Vin(mi n) =0.85*1270.27(A)其中：/(min)為最小直流輸入電壓，Vin(min) 90* 2 1.0 127V ;輸入電流峰值大小:*輸入電流波形示意圖1 pk21av(1k)* Dmax其中：k1 plI p2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)P>40W 時(shí)，K=0.50.6 ;當(dāng) P<40W 時(shí)，K=0.350.45。本設(shè)計(jì)中，P<40W，k取0.4 ;為了保證工作于 DCM模式，占空比最大值取 Dmax =0.4，所以有：I pk2Iav2*0.27(1 0.4)*0.40.96(A)初級(jí)電感量：Lp Vin (min) Dmax127 0.4 3 0.882

4、*10 3(H)pIpk * f0.96*60*10 3(1k)* Dmax最小原邊匝數(shù):叫(mi n)Lppk Vin(min)*Ton(maX)*1084* BA.* BVin (min)：最小直流輸入電壓(V)；TOn(max):最大導(dǎo)通時(shí)間，(S)；B :磁心磁通密度變化量，單位：高斯，一般取值范圍為:10002500 高斯;Ae :磁心有效截面積，選用EI33/29/13 磁芯，其Ae=118mm 2=1.18cm 2Np(mi n)£ (min)* Ton (max)弓0 8 代* B127*0.4* 16.7*101.18*16006-*10845匝副邊匝數(shù):Ns(Vo

5、 Vd)*Np*(1Dmax)Vin (min)* Dmax(15 1)*45*0.6127*0.4Ns :副邊匝數(shù)；Np :原邊匝數(shù)；Dmax :最大占空比；Vd :輸出整流二極管壓降;取Ns=9匝 輔助供電繞組匝數(shù):Vf 1 9 16N輔助Ns帝16 9匝;(3)繞組線徑選擇電流密度取J=500圓密爾/A;由于趨膚效應(yīng)，繞線表面電流大而內(nèi)部電流小,開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)，單根線徑不得超過(guò)趨膚深度的2-3倍;趨膚深度計(jì)算公式:6.6165.5d下f K =f （溫度 T=20 C）帶入?yún)?shù)：f=60kHz，溫度T=20 C,6.6165.5趨膚深度：d f &0右0.267（mm）選用線徑d

6、=0.38mm的銅線作為繞組導(dǎo)線。單根導(dǎo)線的圓密爾數(shù):S E0003 14*0 192FT*1000 224圓密爾）原邊電流峰值為Ipk =0.96A ，平均電流為1 rms乍0.35（A）原邊繞組繞線根數(shù)：Si副邊繞組繞線根數(shù):n2I* I汽廠苛4(根)rms2 * J 2*500其中 I rms2 = 2A綜上可得變壓器參數(shù)，如表(1)所示:表(1):變壓器參數(shù)表繞組單根繞線線徑繞組匝數(shù)繞線根數(shù)原邊0.38mm451副邊0.38mm94輔助輸出0.38mm91磁芯EI33/29/13（ PC40）骨架EE33（ 6+6）3.2保險(xiǎn)絲選擇當(dāng)輸入最低、負(fù)載最重時(shí)，輸入電流有效值為考慮留有一定裕

7、量， 根據(jù)前面計(jì)算可知，當(dāng)輸入電壓為90V時(shí)，輸入電流峰值為0.96A，故保險(xiǎn)絲的耐壓耐 流為 250V、2A3.3整流橋選取最大交流輸入電壓為265V，整流后電壓約為400V，考慮電壓留有1.52倍裕量，電流留有23倍裕量，選取整流橋型號(hào)為 KBP206，其可承受最大電 壓為600V，最大電流為2A ；3.4選取輸入濾波電容整流橋前端用SR公司生產(chǎn)的0.1uF/275V濾波電容；整流橋后端用Nitsuka公司出產(chǎn)的1uF/630V濾波電容，濾除整流后電網(wǎng)中的高頻紋波干擾；電路輸出功率為30W，般儲(chǔ)能電容的選取原則為1W/(12uF)，為保證足夠裕量，同時(shí)降低輸入電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)，則選擇濾波儲(chǔ)能

8、電容為100uF/450V ；3.5選取開(kāi)關(guān)管由前述可知原邊電流峰值為0.96A，開(kāi)關(guān)管耐壓為500V，考慮一定裕量, 則選取開(kāi)關(guān)管為13N50C，耐壓耐流值為500V、13A。3.6峰值電流檢測(cè)電阻選取考慮成本問(wèn)題選擇電阻檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流，檢測(cè)電阻 r51/1 pk 1/0.96 1 ，檢測(cè)電阻功耗約為1W，選取為1 Q/2W的金屬氧化膜電阻。電流誤差放大器正向輸入端最小反饋電阻受限于誤差放大器的拉電流(0.5mA )，和經(jīng)過(guò)2個(gè)二極管壓降(1.4V)到達(dá)電流誤差放大器反向輸入端的電壓，其中電流誤差放大器反向輸入端的電壓等于穩(wěn)壓二極管鉗位(1.0V ) 3倍,于是有:尺2-13.0V 1.4V

9、0.5mA8.8k實(shí)際過(guò)程中考慮電壓留有一定裕量，取 3腳對(duì)開(kāi)關(guān)管漏極電阻12K3.7副邊二極管選取考慮副邊電流有效值為2A，電流留有一定倍裕量，快恢復(fù)二極管選用FR307，其最大正向流通電流為3A，最大反向耐壓為700V 。3.8輸出電容和輸出小型LC濾波器的選取根據(jù)輸出功率和電壓紋波要求，一般選取紋波電壓為輸出電壓的1%，即0.15V，滿(mǎn)載時(shí)輸出電流l=2A，考慮到電容的ESR所形成的尖峰電壓，取較大的輸出濾波電容可以減小ESR的影響，綜合考慮，選取輸出電容為2200uF/63V ;濾波電感L= 10uH,輸出高頻濾波電容為1uF/63V和0.1uF/63V 并聯(lián)。3.9 RCD鉗位電路設(shè)

10、計(jì)由于鉗位電路中R和C值都比較大，因此鉗位電容在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都不會(huì)有太大變化，用一個(gè)恒定值Vdamp來(lái)表示電容兩端的電壓，則有Vclamp0.9V（br）dss Wmax 0-9 500 311139V，其中 V（br）dss 開(kāi)關(guān)管最大耐壓為500V，Vinmax為最大直流輸入電壓為311V鉗位電阻：2(Vclamp Vor) Vcmp2 (139 75) 139R2216(K)llk (Ip)2 fs20u 0.962 60k其中V°R副邊折射到原邊的電壓，l,變壓器漏感值;鉗位電容：CVclamp1390.052(uF)；Vclamp R fs0.02 139 16K 60K折

11、中考慮鉗位能力和鉗位電阻上的功率損耗，最后確定取值R2=10K/3W的金屬膜電阻，取 C401 =0.1uF/600V 的薄膜電容，二極管選取快恢復(fù)二極管FR307，耐壓700V，能持續(xù)流過(guò)2A電流；3.10芯片供電啟動(dòng)與供電電路如圖 所示，查閱TI公司出產(chǎn)芯片UC3842A，芯片啟動(dòng)電壓大于等于 16V，啟動(dòng)電流大于等于1mA,這里選擇為 2mA，則啟動(dòng)電阻V,、16in(min)R1-132 10 312716膽。16 56K，芯片啟動(dòng)后電路開(kāi)始工乍，這時(shí)候芯片供電就由輔助繞組提供，計(jì)算方法與反激變換器普通輸出計(jì)算方法相同圖(4)啟動(dòng)與供電3.11控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)(1) 反饋采樣電阻設(shè)計(jì)反

12、饋采樣部分電路如圖 所示，TL431基準(zhǔn)電壓為2.5V，則分壓到TL431參考端的電壓應(yīng)為2.5V左右，由TL431數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，只要流入 TL431參考端的最大電流小于2uA，則不影響電路正常工作，經(jīng)分析知只要I1大小為250uA到幾毫安范圍內(nèi)，則不會(huì)影響結(jié)果的正確性，這里經(jīng)過(guò)計(jì)算取R110_仁10K Q,2 8KRp1=5K Q, R17=2K Q,此時(shí) I1 大小為 15/(17K) P.88mA, 15V 出仝 2.5V，17K滿(mǎn)足要求TL4311圖(5)采樣電路(2) 光耦隔離部分參數(shù)設(shè)計(jì)光耦隔離電路如圖 所示，光耦部分與uc3842補(bǔ)償部分一起構(gòu)成整個(gè)電路控制器部分，這里選取 R1

13、7為1KQ,圖中，R10和R11的作用是給TL431提供工作電流并能確保光耦原副邊有適當(dāng)電流，即 Vfb有適當(dāng)電壓，為2.5V左 右(因?yàn)閡c3842的參考電壓為2.5V)，以保證電路正常工作；由 TL431數(shù)據(jù)手 冊(cè)可知，其最小陰極電壓和工作電流分別為 2.5V和1mA ,因此R10和R11的 設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足一下條件：FBV V 2.5R10 匕1mA R11式中，Vd為光耦二極管正向壓降(通常為1V)，Ifb*R17為Vfb提供適當(dāng)電壓，這里 Ifb 取 1mA，則可得到 R10 W1.5K Q,R11 <1K Q,這里取 R10=470 Q,R11=1KQ;圖中C12與Rupper形成

14、一個(gè)零點(diǎn)，零點(diǎn)頻率比所設(shè)計(jì)的剪切頻率小，控制 電路中剪切頻率取為開(kāi)關(guān)頻率的1/101/20，這里取開(kāi)關(guān)頻率1.5KHZ，零點(diǎn)頻率趣取為 1KHZ，即 1/(2 *C12* Rupper) 1K，Rupper=14.2K Q,則可計(jì)算得 C12 為 10nF。RjpperRlower圖(6)光耦隔離電路(3) 振蕩電路參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)TI公司給出的UC3842A 芯片資料，考慮CT值不宜過(guò)大取CT=4700PF，選取SR公司出產(chǎn)的 WIMA 電容，電阻RT=5.6K，即就是R7=5.6K， 1 75C9=4700PF由fs -得出振蕩頻率fs 66.5kHZ，符合設(shè)計(jì)要求。CtRt(4) 控制器參數(shù)

15、設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，可以判斷該系統(tǒng)是否穩(wěn)定。一般情況下，只要設(shè) 計(jì)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)閉環(huán)回路增益的相位裕量為45度以上，并以-20dB/dec的斜率穿過(guò)剪切頻率，就可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型由系統(tǒng) 的傳遞函數(shù)和補(bǔ)償要求來(lái)決定，采用峰值電流控制的flyback變換器的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖(8)所示。圖(8)反激變換器閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖圖中Gveo(s)包括了調(diào)制器和占空比到輸出部分的傳遞函數(shù)，H(s)是采樣部分傳遞函數(shù)，各個(gè)傳遞函數(shù)的表達(dá)式如下:Gveo(s)Vn J(Ro fs/(2LP) Lp/M 艮)Vceo(S)H(s)R-OWERRlower&PPER控

16、制框圖中，將UC3842補(bǔ)償部分和光耦隔離部分作為控制器部分，在交流小信號(hào)分析中，這里將采樣部分也歸入控制器設(shè)計(jì)中，則補(bǔ)償前回路增益函數(shù)為:Gveo(S)V°(s)VCEO(S)Vin,(Rofs/(2Lp) Lp /(V. Rs)/3Resr COS1127 站5 64KV 2 82u82U/ 3 Resr C°S 1127 0.25Ro Co彳S 1 2127 站5 64KV 2 82u82u127 0.25/3665 10 s 14.125 10 3s 1其極點(diǎn)頻率為fp=38Hz,零點(diǎn)頻率為fz=2.5KHz,由Gveo(s)可知： Gveo(s)的低頻段直流增益偏

17、低，為了提高直流增益，可以在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中 引入一個(gè)積分環(huán)節(jié)； Gveo(s)含有一個(gè)極點(diǎn)，它會(huì)引起相位滯后。因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該一個(gè)零點(diǎn)， 用來(lái)抵消極點(diǎn)對(duì)相位滯后的影響。 為了使補(bǔ)償后系統(tǒng)的高頻增益迅速衰減，要求補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)除含有一個(gè)零極 點(diǎn)外，至少還要含有一個(gè)非零極點(diǎn)。綜上分析，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需包含一個(gè)零點(diǎn)，一個(gè)零極點(diǎn)和一個(gè)非零極點(diǎn)，等效電路如 圖(9)所示，對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)為VCEO(S)GcVO(S)R2R1R2 Gs 1R2 C1sR2 C2s 1圖(9)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等效電路圖由于在本設(shè)計(jì)中UC3842的補(bǔ)償部分和光耦隔離部分組合形成PI調(diào)節(jié)器，光耦部分的傳遞函數(shù)(電路如圖所示)為:Gc1(s)Vfb(s)

18、V°(s)R17 Rjpper C12s 1R10Rjpper C12s這里CTR是光耦電流傳輸比，PC817C的CTR=24，這里取值為3，則Gc1 (s)Vfb(S)Vo(s)CTRR17 RjpperC12s 1R10KjpperC12s30.47142 10 6s 1142 106s(1)系統(tǒng)補(bǔ)償前回路增益函數(shù)的BODE圖如圖(10)所示；根據(jù)采樣定理，為了保證系 統(tǒng)穩(wěn)定，補(bǔ)償后截止頻率fc必須小于開(kāi)關(guān)頻率fs的一半。實(shí)際上為了更好地消除 開(kāi)關(guān)頻率上的紋波，通常將fc取為開(kāi)關(guān)頻率的1 /101 /20 ,由圖(9)可知，在f=1K2.5K段內(nèi)，增益斜率為-20dB /dec，

19、為補(bǔ)償方便，故選取截止頻率 fc=1.5kHz。由于uc3842的補(bǔ)償部分和光耦隔離部分共同組成PI調(diào)節(jié)器，又由(1)式和圖(9)可得，UC3842的補(bǔ)償部分只需要一個(gè)直流增益為1的單極點(diǎn)，電路如圖(11)所示，其傳遞函數(shù)為:Gc2( s)VCEO (S)Vfb(s)R4 1R18 R4 C8s 1R1OO-WQ kDOTenCTMLnaaML-System: gFrequency (Hz): 1.52e+003 M agnitude (dB): -18r-' i r it3 Ir i ir riBode DiagramGm = Inf , P m = 107 deg (at 157

20、Hz)x-a-HOTesanp-"-s-p-”*、7ur iir i!1 Jiir r r r i II嚴(yán)-一 一 I r 1 r e* Li 1ii * r i r r i R1ir i r i i h10102103Frequency (Hz)10410圖(10)補(bǔ)償前的BODE圖R4FBR18C8V CEOVref圖(11) UC3842 補(bǔ)償電路這里，選取R18=100K Q,極點(diǎn)頻率只要比f(wàn)c大，比開(kāi)關(guān)頻率的1/2小就行,這里選取為極點(diǎn)頻率為10KHZ，則由此可得C8=150PF，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等效傳遞函數(shù)Gc(s)Gd(s) Gc2(s)VcEO ( s)Vo(s)6142 1

21、0 s 1142 10 6s1150 10 9s 110Freque ncy (H圖(12)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償前后系統(tǒng) BODE圖Bode D iagram圖(12)繪出了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償前后系統(tǒng)的波特圖由圖可見(jiàn)，補(bǔ)償后系統(tǒng)的低頻增益提高，中頻帶變寬，高頻增益迅速衰減；并且以20dB /dec的斜率穿越剪切頻率，與設(shè)計(jì)期望一致；同時(shí)相位裕量為78度左右，達(dá)到了系統(tǒng)的穩(wěn)定要求元件清單:CommentDescriptionDesignatorFootprintLibRefQuantity104/1000VC31RAD0.3CAP1Cap PollPolarized Capacitor(Radial)C3

22、2RB5.0/10Cap Pol110.1U/630VC33RAD0.4CAP11uF/630VC34RAD0.4CAP1100uF/450VC35RB10/22ELECTOR11CapCapacitorC36RAD-0.3Cap1CapCapacitorC37RAD-0.4Cap10.1U/275VC38, C39RAD0.4CAP2104C40RAD0.4CAP1Cap Pol1Polarized Capacitor(Radial)C41RB2.0/5Cap Pol11104/275VC42MPF191408-104V400CAP1102C43RAD0.2CAP1104C44RAD0.2CAP1CapCapacitorC45RAD-0.2Cap11uFC46RAD0.4CAP1472C47RAD0.2CAP1FR2