基于UC3842的反激式開關電源的設計

1、目錄1.前言21.1為什么要有開關電源？21.2開關電源背景32.系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖42.1 反激式開關電源的核心原理說明42.2 系統(tǒng)設計構(gòu)成框圖62.3 各部分電路功能概述62.4 總體實現(xiàn)電路圖83.系統(tǒng)硬件設計83.1 EMI濾波電路83.2鉗位電路93.3開關控制電路103.4變壓器參數(shù)設計113.5 輸出濾波電路163.6反饋取樣電路174.開關電源的安全195.致謝20參考文獻21反激式開關電源設計周平（湖北師范學院物理與電子科學學院 湖北 黃石 435002）摘要：在電子信息高速發(fā)展的時代，電源占據(jù)著重要的低位，尤其在弱電領域，人們不斷地追求著低功耗，高效率，環(huán)保的高品質(zhì)生活，這

2、樣對電源的研究就成了其中一個重要的話題，本論文意在學習和設計一種反激式開關電源，并從理論的角度分析高頻變壓器的設計。 關鍵詞：反激，開關電源，高頻變壓器 中圖分類號：TQ351Designing Switching Power SuppliesZhou Ping( College of Physics and Electronic Science, Human Normal University, Huangshi 435002, China )Abstract: In the era of rapid development of electronic information , the p

3、ower to occupy an important low , especially in weak areas , people continue to pursue low-power , high efficiency , environmentally friendly high quality of life , so that the power has become one of the important the topic of this paper is intended to study and design of a flyback switching power

4、supply , high frequency transformer design and analysis from a theoretical point of view .Key words: Flyback ,Switching Power supplies , High-frequency transformer反激式開關電源設計1.前言1.1為什么要有開關電源？電源的優(yōu)劣直接影響到各類電子設備的性能。電源可分為三類: 直流電源、交流電源和特種電源。而開關電源是直流電源中的一種。假如現(xiàn)有一用電設備其額定電壓為5V , 而我們只有一50V 的直流電源。要讓電源給負載供電時可采用兩種方

5、法見圖1、圖2: 圖1通過串聯(lián)可調(diào)電阻的方法來實現(xiàn)在負載上獲得 5V的直流電壓； 圖2 通過開關的通斷使負載上獲得平均電壓為5V 的直流電壓。圖2 中, 當開關合上時, 負載上瞬時電壓大小為50V , 開關斷開時負載上的瞬時電壓為0V。 我們設開關周期為T , 通過某種方法，在一個周期內(nèi)讓開關合上T/ 10, 斷開9T/10, 這樣用方法2 獲得的平均電壓即為所需大小的電壓。兩種方法中方法1 效率只有10%, 而方法2 理想情況下效率為100%，方法2的效率遠遠高于方法1。方法1就是線性電源的實質(zhì)，而方法2就是開關電源的實質(zhì)，我們的目的就是研究和實現(xiàn)這種“開關”的方法。從以上分析可以看出, 開

6、關電源相對于線性電源來說, 顯著的優(yōu)點就是效率高。 我們可以讓功率器件工作于開關狀態(tài), 這樣的話功耗就小, 因而開關源可對市電進行直接整流、濾波、調(diào)整后通過功率開關管進行調(diào)整, 不需工頻變壓器; 隔離式的DC/ DC 變換器使用變壓器時, 由于功率開關管開關頻率高, 所用變壓器為高頻變壓器, 功率相同的前提下,高頻變壓器比工頻變壓器要輕小很多; 同時功率器件功率小, 所需的散熱器件也小; 此外功率開關管開關頻率高, 所需的電感電容數(shù)值較小; 所以開關電源相對于線性電源來說效率高、體積小、重量輕, 這在很多場合下更符合人們對便攜式的需求。1.2開關電源背景在電力電子技術高速發(fā)展的時代，電力電子設

7、備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源。隨著電力電子

8、技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣泛的發(fā)展空間。目前開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。 2.系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖 2.1 反激式開關電源的核心原理說明工作原理：假定開關晶體管、二極管均是理想元件，電感、電容是理想元件，輸出電壓中的紋波電壓與輸入電壓的比值小到允許忽略。圖2-1-1 反激式開關變換器原理圖當PWM控制的N_MOSFET管導

9、通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載。當PWM控制的N_MOSFET管截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導通，給輸出電容C充電，同時負載R上也有電流I流過，變壓器在電路中既起著變壓器的作用，又起著電感儲能的作用。圖2-1-2 開關管導通與截止的等效電路圖當反激式變換器原邊開關管導通時，變壓器原邊繞組的作用相當于一個電感，電壓加在原邊電感上，開關導通期間，原邊電流持續(xù)上升。 (1.1)這里，DC(Duty Cycle)是占空比，f(frequency)是開關頻率，T=1/f

10、是開關周期，L為勵磁電感，此方程適用于變換器工作于電流DCM(斷續(xù)模式)的反激式變壓器，開關管導通期間原邊電流波形如圖2-1-3所示。圖2-1-3斷續(xù)模式下反激式變壓器的電流波形由電路分析中電感存儲能量公式得到： (1.2)式中i(t)表示t時刻電感中的瞬時電流值，L為電感的電感值。E的單位為焦耳，L的單位為亨利，i的單位為安培。當初始儲能為零時： （1.3）設電流的峰值大小為，由上式(1.3)可知，反激式變壓器每次儲存的能量取決于峰值電流的大?。?(1.4)將(1.1)式代入(1.4)式，得 (1.5)因此在理想條件下變壓器傳輸功率即為： (1.6)又因為 , 代入上式，可以得到： （1.7

11、）從式（1.7）可以看出，只要反饋環(huán)保持恒定，即可保持輸出電壓恒定；另外從公式可以知道，當恒定，如果要提高輸出功率，那么只有通過提高開關頻率或者減小電感量來實現(xiàn)。對于開關頻率不變的電路中，由于實際的電感都有一個最小值，所以斷續(xù)模式反激式變換器是有最大輸出功率的限制(通常為50W150W)。2.2 系統(tǒng)設計構(gòu)成框圖圖2-2 系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.3 各部分電路功能概述整體電路可分為主電路和控制電路兩部分：主電路：由交流輸入EMI防電磁干擾電源濾波器、二極管整流與電容濾波、DC/ DC 功率變換器三個部分組成。控制電路：通過反饋信號與給定信號相比較的結(jié)果產(chǎn)生恰當?shù)目刂菩盘? 并對控制信號進行隔離與放大,

12、 以保證能控制與驅(qū)動主電路正常工作, 使得輸出符合要求, 同時也起到對主電路保護的作用。開關穩(wěn)壓電源將來自市電整流濾波不穩(wěn)定的直流電壓變換成交變的電壓，然后又將交變的電壓轉(zhuǎn)換成各種數(shù)值穩(wěn)定的直流電壓輸出，因此開關穩(wěn)壓電源又稱為DC/DC變換器（或稱為直流直流變換器）。DC/DC 變換器是開關電源中最主要的功率變換環(huán)節(jié)。DC/DC 變換器有輸入輸出無隔離即直通型和輸入輸出隔離型兩種類型。 直通型DC/ DC 變換器典型的電路有Buck (降壓)型、 Boost (升壓)型、 BuckBoost(升降壓)式和Cuk 型等幾種類型; 輸入與輸出隔離型的DC/DC 變換器典型的電路有單端正激式、單端反

13、激式、推挽式、半橋式和全橋式等幾種類型。但無論哪種類型的DC/DC 變換器的開關電源其基本原理都是開關管工作于開關狀態(tài)下, 通過改變開關管導通與關斷的時間關系來改變輸出電壓的。輸出電壓的穩(wěn)定依靠電容電感的濾波和反饋電路來實現(xiàn)。本次設計的開關電源為單端反激式，實現(xiàn)的是交流85V265V /50HZ寬范圍輸入，輸出電壓12V最大電流5A。電路中輸入的工頻電通過EMI濾波，能夠?qū)碜噪娋W(wǎng)電源線的外來噪聲進行衰減，減小電磁干擾，防止下級連接的電路或部件以及接于輸出端的設備產(chǎn)生勿動作。橋式全波整流是將交流電變換成紋波較小的脈動直流給DC / DC變換器提供輸入。DC / DC變換器是整個電路的核心，也是

14、本設計的重難點，它是實現(xiàn)開關電源高效率、小體積的關鍵。輸出濾波電路是為了將開關電源產(chǎn)生的傳導噪聲或輻射噪聲進行衰減，不至于對其他電子設備產(chǎn)生電磁干擾。閉環(huán)反饋是選用的是電壓負反饋，因為負反饋可以實現(xiàn)穩(wěn)壓的作用，電壓反饋可以降低輸出阻抗，提高帶負載的能力。2.4 總體實現(xiàn)電路圖系統(tǒng)總體簡化圖3.系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)的硬件設計分幾個模塊，從輸入到輸出方向來看，分別為EMI濾波電路的設計，鉗位電路的設計，開關控制電路的設計，變壓器參數(shù)設計，輸出濾波電路設計，反饋取樣電路設計等構(gòu)成。3.1 EMI濾波電路EMI為電磁干擾的簡寫，EMI濾波器作用是防止電磁干擾，標準的EMI濾波器通常由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器

15、組成的低通濾波電路，其作用是允許設備正常工作時的頻率信號進入設備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。通常電源線是干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作，同樣設備產(chǎn)生的干擾也可能通過電源線傳到電網(wǎng)上，干擾其他設備的正常工作。因此必須在設備的電源進線處要加入EMI濾波器。本系統(tǒng)EMI濾波電路采用上圖所示電路，因為設計輸出的最大功率為60W，屬于中大型功率電路，宜采用上圖所示濾波電路。3.2鉗位電路單端反激式開關電源具有結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓升降范圍寬、易于多路輸出、可靠性高、造價低等優(yōu)點，廣泛應用于小功率場合。然而，反激變換器在功率開關

16、管關斷的瞬間，由于變壓器漏感的存在，會產(chǎn)生較大的尖峰電壓，這個電壓可能會超過開關管的額定值，從而給變換器帶來嚴重危害，同時在開關管上產(chǎn)生較大的關斷損耗及電磁干擾。為了消除這些隱患，需要在變壓器原邊側(cè)采用箝位電路和在開關管上并聯(lián)緩沖電路，這里采用RCD網(wǎng)絡作為反激電路的箝位電路和開關管的緩沖電路。具體參數(shù)的設計要等變壓器的參數(shù)確定以后才可以確定，后面會講怎樣計算R1，C1和D1參數(shù)的計算。3.3開關控制電路本設計的開關信號由UC3842芯片的第6引腳提供，它產(chǎn)生PWM控制信號給N-MOSFET管。UC3842是一種高性能的固定頻率電流模式控制器，專門為離線和直流至直流變換器應用而設計，為設計人員

17、提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動功率MOSFET的理想器件。UC3842管腳圖：芯片功能說明：UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端， 當檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)部

18、振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.72/(RT×CT)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns 驅(qū)動能力為±1A ；腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；腳為5V 基準電壓輸出端，有50mA 的負載能力。 3.4變壓器參數(shù)設計開關電源比較核心的問題就是高頻變壓器的參數(shù)設計，現(xiàn)在針對設計要求我們來一步步設計每個參數(shù)3.4.1工作頻率和最大占空比的確定選定開關頻率f=100kHz，則周期。因為寬輸人范圍，若電路工作于連續(xù)模式將發(fā)生振蕩，因此必須讓它工作于電流斷續(xù)模式，為了保證電路工作于電流斷續(xù)模式，需要保

19、證整個輸入電壓范圍下，其中是在寬輸入電壓為最小值時取的最大占空比，表示復位占空比；采用電流斷續(xù)模式時，復位占空比，留出0.15的裕度，保持輸出電壓恒定輸出。3.4.2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=0.800.95，包含導線銅損耗、磁芯損耗以及漏感引起的籍位損耗，這里取=0.80。，為開關管壓降，這里取1V; , 為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：3.4.3 次級電感量和初級電感量由上面推導得：，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：3.4.4初級峰值電流平

20、均電流3.4.5磁芯材料的選擇和尺寸的計算選擇Magnetics公司P材料，100飽和磁感應，查磁芯手冊可知頻率為100kHz時損耗(mw/cm)與頻率、磁感應關系為：式中：為頻率（kHz）,B為磁感應強度（kGs），如果，則解得應用經(jīng)驗公式，則：3.4.6磁芯選擇根據(jù) 選擇EI-28,其3.4.7計算匝數(shù)次級峰值電流為：次級匝數(shù)： 取4匝， 則有：，取22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，其中為磁芯有效截面積。3.4.8氣隙長度計算氣隙長度計算公式：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：3.4.9計算導線尺寸次級電流有效值為

21、： 選取電流密度5A/,導線面積為 初級電流總有效值為 初級導線截面積為 3.4.10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，因而在本電路中采用三明治繞法：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。開關管的選擇因為開關管的工作頻率為100kHz,故選擇MOSFET作為開關管，選擇管子的漏極電壓應滿足：故 （忽略漏感引起的尖峰）,實際取值400V漏極電流：對于反激式變換器，選擇開關管的額定平均電流時，大約取最大輸入平均電流的1.5倍是比較理想的：通過查找三極管大全，可以知道應該選用管子IRF730(,)能達到設計要求?，F(xiàn)在我

22、們可以來對RCD鉗位電路的參數(shù)進行設計了：電阻R1的選擇：箝位電路的損耗為：箝位的損耗主要由造成，假設變壓器的漏感=20uH 取80二極管D1的選擇：二極管所承受的反向峰值電壓為：故可選用管子HER60電容C1的選擇： 取1uF。3.5 輸出濾波電路輸出濾波電路中，C1是電容值較大的電解電容，以減小紋波信號，平滑輸出直流電壓，C2一般取較大的高壓陶瓷電容，經(jīng)驗值取0.1uF/1KV的大電容，電阻R取2K左右即可，電容C3取0.1uF/100V 即可。其中輸出濾波電容C1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； 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

23、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，取40mv。將相應的數(shù)值代入上式得：因為這么大的電容一般比較貴，為了減小成本，我們實際當中可以用4個1000uF/16V規(guī)格的大電容并聯(lián)使用也可以滿足設計要求。3.6反饋取樣電路器件說明：BT169：BT169（微觸發(fā)塑封單向可控硅）：工作原理:晶閘管T在工作過程中，它的陽極（A）和陰極（K）與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。它具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關、逆變及變

24、頻等電子電路中。 晶閘管的工作條件： 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài) 2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài),這就是晶閘管的閘流特性,即可控特性. 3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用 4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。TL431：TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf（2.5V）到36

25、V范圍內(nèi)的任何值?；緫秒娐稰C817：PC817為四端口單通道集成光電耦合器，用來隔離輸入與輸出信號，在此電路中用來隔離輸出與反饋之間的信號，目的在于增加安全性，減小電路干擾。說明： 端口2通過一電阻從原邊繞組輸入端取得門控電壓，來控制BT169導通，這樣原邊電源端可以通過穩(wěn)壓管、電阻、端口1、光耦與地之間形成一個回路，并在取樣電阻上面產(chǎn)生一個取樣電壓，此電壓通過電阻到端口3并輸入到UC3842的1腳（誤差放大器的輸出端）和2腳（反饋電壓輸入端）從而來控制UC3842的輸出占空比，從而來控制輸出電壓，輸出電壓之所以能穩(wěn)定，一方面是通過TL431，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使得輸出穩(wěn)定在12V；另一方面當

26、輸出電壓高于12V時光耦導通加強，使得占空比減小，從而使得輸出電壓穩(wěn)定在12V，當輸出電壓低于12V時，光耦導通減弱，從而控制占空比增大，輸出電壓增大，最終穩(wěn)壓在12V。 其中占空比的穩(wěn)壓控制方面，是在變壓器已經(jīng)確定的時候，即最大效率已經(jīng)確定的時候的自動反饋控制，它的穩(wěn)壓控制機制不影響整機的效率，而TL431控制的穩(wěn)壓方面會使得功率點稍稍偏移最大功率點的穩(wěn)壓控制。4.開關電源的安全設計開關電源，要考慮以下六個安全方面的問題：(1)防漏電如冷熱地之間的爬電距離必須大于6mm，兩輸入引腳端的爬電距離必須大于3mm。(2)防過熱起火對開關MOSFET要采取適當?shù)纳岽胧悦膺^熱燒壞或起火；高頻變壓器必須有合適的空間散熱，以保持其傳輸效率。(3)防爆特別是電解電容，通常電解電容耐壓值應大于1.25倍輸入電壓；同時還應當注意電解電容的容值會隨著溫度的升高而降低，并