100W雙管正激變換器設(shè)計(共30頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 緒論隨著計算機(jī)、電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，他們對電源的要求也越來越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。11 開關(guān)電源的發(fā)展開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源分為DC/DC和AC/DC兩大類。前者輸出質(zhì)量較高的直流電，后者輸出質(zhì)量較高的交流電。開關(guān)電源的核心是電力電子變換器。按轉(zhuǎn)換電能的種類，可分為直流-直流變換器（DC/DC變換器），是將一種直流電能轉(zhuǎn)換

2、成另一種或多種直流電能的變換器1；逆變器，是將直流電能轉(zhuǎn)換成另一種或多種直流電能的變換器；整流器是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的電能變換器和交交變頻器18四種。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但通常需要體積大而且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有百分之四十五左右16。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整

3、管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源。在近半個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制作的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。到了20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展時期。開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。以功率晶體管為例，當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，集電極和發(fā)射機(jī)兩端的電壓降接近零；當(dāng)開關(guān)管截止時，其集電極電流為零。所以其功率小，效率可

4、高達(dá)百分之七十至九十五。另外功率小，散熱器也隨之減小。開關(guān)型穩(wěn)壓電源直接對電網(wǎng)進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整，然后由開關(guān)調(diào)整管進(jìn)行穩(wěn)壓，不需要電源變壓器。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小，因此開關(guān)電源具有重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。最后，由于功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，而且其對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高，一般串聯(lián)穩(wěn)壓電源允許電網(wǎng)波動范圍為220V，而開關(guān)型穩(wěn)壓電源在電網(wǎng)電壓為11OV-260V范圍內(nèi)變化時，都可獲得穩(wěn)定的輸出電壓5。開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前的小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)

5、領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化14，另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。21世紀(jì)，市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用MOSFET的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實(shí)用化。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高

6、頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用?？傊?，在開關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)，并推動著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性方向發(fā)展。1.2 開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1所示，開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。其中DC/DC變換器用來進(jìn)行功率變換，是開關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動、過流與過壓保護(hù)、噪聲

7、濾波等電路。輸出采樣電路(R1、R2)檢測輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制(PWM)電路，在經(jīng)過驅(qū)動電路控制器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的11。 圖11.3 DC/DC變換器的基本拓?fù)?.2.1 概述直流變換器按輸出與輸入間是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。有隔離的變換器可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，通常采用變壓器隔離，變壓器本身具有變壓的功能，有利于擴(kuò)大變換器的應(yīng)用范圍。變壓器的應(yīng)用還便于實(shí)現(xiàn)多路不同電壓或多路相同電壓的輸出。1.2 .2 電路拓?fù)?變換器的電路拓?fù)涠噙_(dá)上百種，在進(jìn)行變換

8、器的設(shè)計工作之前，首先要選擇電路拓?fù)?。這是一件非常重要的工作，其他所有的設(shè)計選擇元器件選擇、磁芯元件設(shè)計、環(huán)路補(bǔ)償?shù)鹊榷既Q于它。如果電路拓?fù)浒l(fā)生改變，這些也必須隨著改變。(一) 降壓式(Buck)變換器降壓式變換器是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。具有電路簡單，調(diào)整方便，可靠性高；對功率晶體管及續(xù)流二極管耐壓的要求低；電源帶負(fù)載能力強(qiáng)，電壓調(diào)整率好等優(yōu)點(diǎn)。但在這種電路中，功率晶體管和負(fù)載直接與整流電源串聯(lián)，故萬一晶體管被擊穿時，負(fù)載兩端的電壓便升高到整流電源電壓，負(fù)載會因承受過電壓而損壞。(二) 升壓式變換器升壓式變換器是輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流變換器，所用

9、電力電子器件及元件和降壓式變換器相同。(三) 升降壓式變換器這種電路最大的特點(diǎn)就是這個轉(zhuǎn)換是自動完成的。其電壓增益隨占空比變化，可以升壓也可以降壓。同時其缺點(diǎn)也綜合了升壓和降壓式變換器各自的特點(diǎn)。該電路輸入、輸出電流是脈動的，為了滿足濾波要求，在基本電路后還需加一級LC濾波電路。(四) Cuk變換器變換器輸出端和輸入端均有電感，從而顯著地減小了輸入和輸出電流的脈動。它的輸出電壓與輸入電壓的極性相反，輸出電壓也可低于、等于或高于輸入電壓。(五) Zeta變換器該電路和Cuk變換器相似，也有兩個電感，一個能量存儲一個傳輸電容，左半部分類似于升降壓式變換器，右半部分類似于降壓式變換器。(六) Sep

10、ic變換器該變換器也是正輸出變換器，即輸出電壓極性和輸入電壓相同。它是電感輸入，類似于升壓式變換器，輸出電路類似于升降壓式變換器，但為正極性輸出。其輸出電流脈動很小。(七) 正激變換器正激式變換器實(shí)際上是在降壓式變換器中插入隔離變壓器而成，變壓器的引入，不僅實(shí)現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)間的電氣隔離，也使該變換器的輸出電壓可以高于或低于電源電壓，還可實(shí)現(xiàn)多輸出。而Q的占空比可在比較合理的范圍內(nèi)變化，通常選擇在0.45上下變化，這時在同樣輸出功率下，Q的計算功率較小。這種變換器的優(yōu)點(diǎn)是：可方便地實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)和直流輸出端機(jī)架之間的隔離；能方便的實(shí)現(xiàn)多路輸出。在占空比的變化范圍不能改變的情況下，可方便地通過改

11、變高頻變壓器的匝比，使之滿足交流電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)變化時能穩(wěn)壓的要求。(八) 反激式變換器反激式變換器由于電路簡潔，所用元器件少，適合于多輸出場合使用。它和正激式變換器有本質(zhì)的不同，實(shí)際上是耦合電感，用普通導(dǎo)磁材料鐵芯時必須有氣隙，以保證在最大負(fù)載電流時鐵芯不飽和7。(九) 推挽式變換器推挽變換器變壓器和輸出濾波器的體積均可減小。但會因磁芯飽和出現(xiàn)集電極電流尖峰而導(dǎo)致晶體管損壞，對功率晶體管的耐壓要求高。(十) 半橋式變換器半橋變換器開關(guān)管承受的電壓為電源電壓，故可在電源電壓較高的場合應(yīng)用。該變換器中高頻變壓器利用率高；截止開關(guān)管極間承受的電壓低；抗不平衡能力強(qiáng)。同時由于加到高頻變壓器原邊繞

12、組上的電壓是電容兩端的電壓，當(dāng)電容經(jīng)變壓器原邊放電時，其電壓要逐漸減小，所以輸出脈沖的頂部呈傾斜狀態(tài)；輸出功率小。(十一) 全橋變換器此電路既保持有半橋型變換器中開關(guān)管截止時極間所承受的電壓較推挽型電路低的特點(diǎn)，又具有推挽型電路所具有的輸出電壓高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，因此全橋電路在大功率DC/DC變換器中應(yīng)用比較多。但電路所用功率開關(guān)管多，驅(qū)動電路比較復(fù)雜10。本課題要求研究雙管正激變換器，正激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出電壓隔離、可以多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在中小功率變換場合。單管的正激變換器，開關(guān)管的電壓應(yīng)力較高，這使得單管正激變換器在輸入電壓較高時，很難選擇合適的開關(guān)管。特別是在選擇M

13、OSFET時，其電壓定額較高，通態(tài)電阻較大，這就影響了變壓器的變換效率。而雙管正激變換器就沒有這個缺點(diǎn)，其電壓應(yīng)力等于輸入電源電壓，而且不需要另加磁復(fù)位電路，因此雙管正激變換器在高輸入電壓、大功率的場合得到廣泛應(yīng)用79。雙管正激變換器開關(guān)電壓應(yīng)力低，能夠從結(jié)構(gòu)上徹底消除橋臂直通的危險，提高變換器的可靠性，而可靠性是所有電力電子裝置的生命線。因此雙管正激變換器具有其它變換器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最多的拓?fù)渲?。雙管正激變換器自身也有一些弱點(diǎn)：為了保證變壓器可靠完成磁復(fù)位，變換器的工作占空比只能小于0.5，因此為了獲得更高的輸出電壓，必須依靠提高變壓器的變比，從而使副邊整流電路中的二極管

14、電壓應(yīng)力增大，限制了雙管正激變換器在輸出高壓場合的應(yīng)用；而且由于工作占空比小，變換器輸出電壓和電流脈動幅值大、脈動頻率低，增大了濾波器的體積和重量。另外由于原邊續(xù)流二極管的存在，變壓器的磁芯只能工作在磁化曲線的第一象限6，雖然減小了變壓器的損耗，但是降低了變壓器的利用率增大了變壓器的體積和重量，這限制了雙管正激變換器容量的進(jìn)一步提高該設(shè)計要求輸入直流電：電壓為4815%V；輸出電壓：5V/20A。為小功率輸入輸出，為了驗(yàn)證雙管正激變換器的工作原理，故在本設(shè)計中仍采用雙管正激變換器。2 雙管正激變換器2.1 正激變換器正激變換器變壓器鐵芯的磁復(fù)位有多種方法，在輸入端接復(fù)位繞組是基本的方法，復(fù)位繞

15、組也可接于輸出端，其次還有RCD復(fù)位，LCD復(fù)位和有源箝位等磁復(fù)位方法。2.1.1 主電路拓?fù)浜涂刂品绞秸ぷ儞Q器實(shí)際上是在降壓式變換器中插入隔離變壓器而成，圖2圖3給出了正激變換器的主電路及其主要波形。開關(guān)管Q按PWM方式工作，D1是輸出整流二極管，D2是續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。變壓器有三個繞組，原邊繞組W1，副邊繞組W2，復(fù)位繞組W3，圖中繞組符號“*”號的一端，表示是該繞組的始端。D3是復(fù)位繞組W3的串聯(lián)二極管3。 圖2圖32.2 雙管正激變換器采用雙管正激變換器能有效地降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，雙管正激變換器如圖4所示。雙管正激變換器不需要額外的變壓器磁復(fù)位電路

16、，相對于半橋變換器或全橋變換器而言，雙管正激變換器的每一個橋臂均由一個開關(guān)管和一個二極管串聯(lián)組成，不存在橋臂直通現(xiàn)象，可靠性高。與開關(guān)管串聯(lián)的二極管將開關(guān)管的電壓箝位在輸入電壓，同時為變壓器的勵磁電流提供回路，以反饋回輸入電源中。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，雙管正激變換器電路拓?fù)湓诠I(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.1 雙管正激變換器的原理雙管正激變換器如圖所示，為了分析其工作原理，作如下假設(shè)：1、變換器已經(jīng)到穩(wěn)態(tài)；2、所有開關(guān)器件均為理想器件；3、在換流過程中電感電流沒有變化，相當(dāng)于一個恒流源4。 圖4 雙管正激變換器其變壓器二次側(cè)電路和單管正激變換器一樣，但一次繞組與S1，S2（兩個開關(guān)晶體管）串聯(lián)，S1，

17、S2在PWM脈沖作用下同時導(dǎo)通或關(guān)斷，在每個晶體開關(guān)管和一次繞組之間，各并聯(lián)一個續(xù)流二極管D3、D4，使得S1，S2關(guān)斷時，變壓器能有一個釋放逆路，經(jīng)過D3、D4回饋到直流輸入電源。因此雙管正激變換器無須另加磁復(fù)位措施。D3、D4還起箝位作用，將S1，S2承受的電壓箝位于輸入電壓U。雙管正激變換器可應(yīng)用于較高電壓輸入，較大功率輸出場合。每個開關(guān)管承受的最大電壓為VI 。和單管正激器相比，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力降低一半。二極管D3、D4可以實(shí)現(xiàn)自復(fù)位，不需要額外的變壓器磁復(fù)位電路。變換器可以分為五個工作過程，當(dāng)雙管正激變換器工作在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式時，在一個開關(guān)周期中雙管正激過程等效電路如圖5所

18、示，變換器的主要波形如圖6所示。工作狀態(tài)1(t0-t1):在t0時刻以前，高頻變壓器T1已經(jīng)復(fù)位完畢，每個開關(guān)管上的電壓為輸入電壓的一半，負(fù)載電流從續(xù)流二極管D4流通。在t0時刻，開關(guān)S1和S2同時獲得觸發(fā)脈沖而開通，流過續(xù)流二極管的電流開始向整流二極管D3換流，換流的速度受變壓器漏感的限制。在t1時刻，整流二極管的電流上升到輸出濾波電感電流，換流結(jié)束。這個換流過程的等效電路如圖5(a)所示，在本狀態(tài)中，輸入端不向輸出端提供能量。 (a) (b) (c) (d) (e) 圖5 雙管正激變換器在一個開關(guān)過程中的等效電路開關(guān)狀態(tài)2(t1-t2):在t1時刻副邊續(xù)流二極管和整流二極管的換流結(jié)束，續(xù)流

19、二極管D4截止，變換器開始向負(fù)載傳遞能量，輸出濾波電感中的電流在輸入、輸出電壓的工作作用下線性上升。本狀態(tài)一直持續(xù)到t2時刻，開關(guān)S1和S2同時關(guān)斷。本狀態(tài)的等效電路如圖5(b) 所示，持續(xù)時間由變換器的工作占空比決定。開關(guān)狀態(tài)3(t2-t3)在t2時刻，開關(guān)S1和S2同時關(guān)斷，原邊的箝位二極管D1和D2導(dǎo)通，開關(guān)管上的電壓保持為輸入電壓，變壓器原邊加上負(fù)電壓，在該負(fù)電壓的作用下，整流二極管D3的電流向續(xù)流二極管D4換流，換流的速度受輸入電壓和變壓器漏感的限制。該狀態(tài)持續(xù)到t3時刻，換流結(jié)束，等效電路如圖5(c)所示開關(guān)狀態(tài)4(t3-t4)在t3時刻，副邊換流結(jié)束，續(xù)流二極管導(dǎo)通負(fù)載電流，整流

20、二極管截止。在原邊變壓器通過箝位二極管D1和D2復(fù)位，本狀態(tài)一直持續(xù)到t4時刻變壓器復(fù)位完畢。本狀態(tài)的等效電路電路如圖5(d)所示。開關(guān)狀態(tài)5(t4-t5)在t4時刻，變壓器復(fù)位完畢，開光管上的電壓下降到一半的輸入電壓。在副邊，變換器通過續(xù)流二極管導(dǎo)通負(fù)載電流。本狀態(tài)一直持續(xù)到t5時刻，新的開關(guān)周期開始。本狀態(tài)的等效電路如圖5(e)所示12。由于在變壓器復(fù)位的過程中，加在變壓器原邊的電壓幅值與正向能量傳遞時加在變壓器原邊的電壓幅值相等，方向相反，激磁電感貯存能量的回饋時間等于正向能量傳遞時間，所以雙管正激電路的最大導(dǎo)通時間為開關(guān)周期的百分之五十，為可靠起見，導(dǎo)通占空比還應(yīng)小于百分之五十，否則變

21、壓器不能可靠復(fù)位，將引起變壓器的飽和。 圖6 雙管正激變換器在連續(xù)運(yùn)行模式下的主要波形當(dāng)輸出濾波電感很小或者負(fù)載很輕時，變換器將工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式。當(dāng)雙管正激變換器工作在電流不連續(xù)模式時，在一個開關(guān)周期中，變換器要增加一個工作狀態(tài)：當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷，輸出濾波電感的電流減小到零之后，完全由輸出濾波電容C提供輸出所需要的能量。在不連續(xù)模式下，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時不存在整流二極管和續(xù)流二極管的換流過程，變換器的主要波形如圖7所示(圖中忽略了當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時整流二極管和續(xù)流二極管的換流過程)。 在不連續(xù)工作模態(tài)中，雙管正激變換器的輸入輸出增益與負(fù)載電阻有關(guān)，變換器的輸入輸出與占空比的關(guān)系為非線性。圖7 雙管正激變換

22、器在不連續(xù)運(yùn)行模式的主要波形3 UC3525芯片 3.1 UC3525功能介紹隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種大功率全控型器件相繼問世，其中MOS型功率晶體管發(fā)展非常迅速，由于它具有高耐壓、低驅(qū)動功率、良好的頻率響應(yīng)特性和開關(guān)時間短等優(yōu)點(diǎn)，常在開關(guān)穩(wěn)壓電源和直流斬波電路中用作開關(guān)管。開關(guān)管的控制方式采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。PWM控制按照調(diào)節(jié)脈沖寬度的方式，可以分為電壓型PWM集成控制方式和電流型PWM集成控制芯片。電流型PWM不能承受持續(xù)的短路，具有控制精度高，調(diào)節(jié)速度快，保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但也具有不能持續(xù)工作地進(jìn)行短路保護(hù)等缺點(diǎn)。在本設(shè)計中擬采用電壓型PWM集成控制方式

23、。其輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較后得到誤差信號。該誤差信號與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒信號進(jìn)行比較，由PWM比較器輸出占空比變化的矩形波驅(qū)動信號，這就是電壓模式控制技術(shù)。由于該系統(tǒng)是單環(huán)控制系統(tǒng)，其最大的缺點(diǎn)是沒有電流反饋信號。由于開關(guān)電源的電流都要流經(jīng)電感，因此相應(yīng)的電壓信號會有一定的延遲。然而對于穩(wěn)壓電源來說，需要不斷的調(diào)節(jié)輸入電流，以適應(yīng)輸入電壓的變化和負(fù)載的需求，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的13。因此僅采用采樣輸出電壓的方法，其穩(wěn)壓響應(yīng)速度慢，甚至在大信號變化時，會因產(chǎn)生振蕩而造成功率管損壞等故障發(fā)生，這是電壓模式PWM控制技術(shù)最大的不足。3.2 UC3525的芯片介紹SG3525 是美國硅通用半

24、導(dǎo)體公司推出的電流控制型PWM 控制器，所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。UC3525采用16引腳DIP封裝。各引腳功能如左圖所示，結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。(1)反相輸入引腳(引腳1)：誤差放大器反相輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號輸入端(引腳9)相連，可構(gòu)成跟隨器。(2) 同相輸入

25、引腳(引腳2)：誤差放大器同相輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號輸入端(引腳9)之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。(3) 同步端(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。(4) OSC. Output(引腳4)：振蕩器輸出端。(5) CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。(6) RT(引腳6)：振蕩器定時電阻接入端。(7)放電端(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5 之間外接一只放電電阻，構(gòu)成放電回路。(8)軟啟動端(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只100 的軟啟動電容

26、。(9)補(bǔ)償(引腳9)：PWM 比較器補(bǔ)償信號輸入端。在該端與引腳2 之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。(10)閉鎖控制(引腳10)：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)(11)Output A(引腳11)：輸出端A。引腳11 和引腳14 是兩路互補(bǔ)輸出端。(12)Ground(引腳12)：信號地。(13)Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。(14)Output B(引腳14)：輸出端B。引腳14 和引腳11 是兩路互補(bǔ)輸出端。(15)Vs(引腳15）：偏置電源接入端。(16)Vref(引腳16)：基準(zhǔn)

27、電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓13。采用UC3525作為該設(shè)計控制部分的核心芯片，下圖是UC3525的結(jié)構(gòu)框圖，主要有基準(zhǔn)穩(wěn)壓源、振蕩器、誤差放大器，PWM比較器和鎖存器、分箱器、或非門電路和圖騰輸出電路等幾大部分組成2。UC3525是在UC3524的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，它克服了后者的不足，成為第二代集成電路脈沖寬度調(diào)制器，其獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)主要有以下四點(diǎn)：(1)欠壓鎖定功能；(2)軟啟動功能；(3)系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能；(4)死區(qū)時間可調(diào)功能11。 圖8內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4 100W雙管正激變換器設(shè)計4.1 電路設(shè)計4.1.1 主電路設(shè)計及相關(guān)器件的選擇（一）主電路如圖9所示 圖9以芯片

28、UC3525為核心的控制電路部分其引腳11和14輸出頻率為100KHZ，占空比一定的脈沖，但相位互差1800。在此處只要用到引腳11，通過該引腳輸出的脈沖再經(jīng)過隔離變壓器T2分別驅(qū)動開關(guān)管同時開通和關(guān)斷。為了加快開關(guān)管的導(dǎo)通時間，在開關(guān)管和變壓器之間加一10K的電阻。開關(guān)管Q1、Q3,二極管D3、D4,以及變壓器T1和變壓器副邊的電路共同構(gòu)成了雙管正激變換器的基本電路。負(fù)載滑線變阻器的兩端即為輸出的電壓，要求達(dá)到24V，輸入電壓是通過直流電源S1提供的，為48V，在3675V之間波動。當(dāng)新的周期來的時候，開關(guān)管Q1和Q3同時導(dǎo)通同時關(guān)斷，當(dāng)Q1,Q3同時導(dǎo)通前，變壓器剛剛復(fù)位結(jié)束，負(fù)載電流從續(xù)

29、流二極管D10流通，開關(guān)管同時導(dǎo)通時，流過D10的電流開始向整流二極管D9換流，當(dāng)D9和D10換流結(jié)束后，D10截止，變壓器向負(fù)載傳遞能量。開關(guān)管同時關(guān)斷，則原邊的箝位電容D3、D4導(dǎo)通，Q1、Q3上電壓保持為輸入電壓，此時變壓器原邊為負(fù)電壓，副邊D9向D10換流。換流結(jié)束后，D10導(dǎo)通負(fù)載，D9截止，變壓器通過箝位電容復(fù)位。在開關(guān)管Q1、Q3的兩端加RC回路可吸收開關(guān)管接通和斷開瞬間產(chǎn)生的較高浪涌尖峰電壓，降低開關(guān)管的干擾。在二級管的兩端并聯(lián)一個由電阻和電容串聯(lián)構(gòu)成的回路的作用是為了防止二極管電路中的電流變化太大，燒壞二極管，當(dāng)電路中雙向電流突然變大時，電容可以起到緩沖作用，RC電路的頻率比

30、實(shí)際電路慢半周期，可以抵消原電路中的電流。隔離變壓器的磁復(fù)位電路是采用RCD箝位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。如圖10所示是RCD箝位技術(shù)實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位的電路圖。該技術(shù)具有電路簡單、占空比大于0.5、功率開關(guān)電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)。磁復(fù)位的基本思路是：變壓器的原邊繞組上的正向電壓伏秒面積等于負(fù)向電壓伏秒面積。當(dāng)脈沖來時，開通開關(guān)管Q2，Q2的結(jié)電容上的能量全消耗在其內(nèi)部。因此Q2是硬開通，存在開通損耗。Q2開通后，變壓器T2的原邊電壓保持不變，勵磁電流線性上升。Q2關(guān)斷后，此時，T2副邊折算到原邊的電流和勵磁電流同時給Q2中的結(jié)電容充電。使開關(guān)管Q2兩端的電壓不斷的上升，T2兩端的電壓為負(fù)向電壓，副邊電壓也為負(fù)，原邊電

31、流為勵磁電流。此時，勵磁電感和Q2中的結(jié)電容諧振工作，勵磁電流開始減少。Q2兩端的電壓繼續(xù)上升。在這段時間內(nèi)，勵磁電流經(jīng)箝位二極管D2，結(jié)電容電壓被箝在某一值。勵磁電流線性減少至零。D2自然截止。Q2中的結(jié)電容開始放電，勵磁電流開始反向增加到負(fù)向最大值。結(jié)電容電壓繼續(xù)下降，原邊繞組電壓轉(zhuǎn)正，由于原邊的電流較小，不足提供負(fù)載電流。變壓器勵磁電流保持不變，原邊繞組電流為零，下一刻開始另一周期。其中電路中二極管D5是為了保證隔離變壓器能實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位，沒有該二極管，隔離變壓器將不能實(shí)現(xiàn)磁復(fù)位，從而影響變壓器的工作。圖10(二) 器件選擇在選擇器件之前首先分析一下線圈電流的有效值。在開關(guān)電源中最常見的電流

32、波形是梯形波，如圖11所示。高電平持續(xù)時間定義為，周期為T，峰值電流為,脈動分量為,梯形波中值,電流波形的表達(dá)式為 圖11電流平均值，即直流分量：電流總有效值I：根據(jù)有效值定義令，一般滿載時，0.2，代入上式，近似得到交流分量的有效值其中本設(shè)計要求輸入為直流48V，輸出為直流24V/4A，由此可得I0=4A。因此可得出1 變壓器在開關(guān)電源中的變壓器其主要的目的是傳輸功率，將一個將電源的能量瞬時地傳輸?shù)截?fù)載。此外，變壓器還提供其他重要的功能：(1)通過改變初級與次級匝比，獲得所需要的輸出電壓；(2)增加多個不同的匝數(shù)次級，獲得不同的多路輸出電壓；(3)為了安全，要求離線供電或高壓和低壓不能共地，

33、變壓器方便地提供安全隔離。在正激變換器中，變壓器的主要作用不是儲存能量而是純粹的變壓功能(即對輸入電壓進(jìn)行升壓或降壓)。需要綜合考慮占空比和匝比來進(jìn)行設(shè)計。雖然儲能能力常常是選擇電感器的主要依據(jù)，但變壓器儲能僅是單純的勵磁能量，與負(fù)載電流無關(guān)，只隨輸入電壓的變化而變化。確保變壓器復(fù)位也是一個問題，它限制了變壓器的占空比要保持低于0.5。本設(shè)計要求輸入電壓為直流48V,波動值為36V-75V,輸出電壓為24V，功率要求為100W，開關(guān)頻率為100KHZ。容易得到，輸出電流為。 變壓器輸入輸出電壓關(guān)系式為：一般選擇占空比D為0.5，因此有.則N=3:4.所以為了使變壓器在輸入電壓波動范圍內(nèi)都保持工

34、作，因此變壓器的匝比希望選擇3:4。下面計算變壓器的參數(shù)：(1)確定最大磁感應(yīng)強(qiáng)度考慮高溫時飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS會下降，同時為降低高頻工作時磁芯損耗，工作最大磁感應(yīng)一般為2000-2500GS17。(2)根據(jù)輸出功率選擇磁芯代入公式的cm3查表選擇ETD39的磁芯，Ae125mm219，le=92.2mm , Ve=11.50 cm3.(3)計算副邊匝數(shù)周期S,最大占空比為0.5，S計算輸出電壓加上滿載時二極管和次級IR壓降：由電磁感應(yīng)定律可得：(4)計算原邊匝數(shù)由變壓器的性質(zhì)的則如果取9匝，將大大增加了伏/匝、磁感應(yīng)變化量和磁芯損耗。如果取10匝，減少了磁芯損耗，但是增加了線圈損耗。因?yàn)橐陨辖Y(jié)

35、果接近10匝，選取10匝。此時由,=0.38ETD的中柱直徑11 mm，邊柱內(nèi)徑25.6 mm,骨架及絕緣占1.1 mm的窗口高度，因此線圈的內(nèi)徑為mm,平均匝長為cm5.(5)副邊電流有效值為：(6)原邊電流有效值為：8(7)選擇線徑：根據(jù)一平方毫米橫截面積可以承受5A，口訣就是10平方線以下橫截面積的乘5 ，10平方線以上的乘3 根據(jù)電流A的大小來選擇線徑，所以原邊、副邊繞組所選截面積約為0.56,0.16 mm22 電感電感常為儲能元件，其特點(diǎn)是流過其上的電流有很大的慣性，換句話說，由于磁通連續(xù)性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。它是磁性元件，存在磁飽和的問題。在開

36、關(guān)電源中有一個不可忽視的問題，電感的繞線所引起兩個分布參數(shù)的現(xiàn)象。其一是繞線電阻，這是不可避免的，其二是分布式雜散電容，隨繞制工藝、材料而定。由于是直流電感，MPP或者鐵粉芯是比較適合的。為了做到小體積，選擇MPP， 其中, IC=因此L=9.電感值為35.3，直流電流為4A，儲能為查圖找到300U的磁芯型號為55280，則AL=127,為了方便設(shè)計的一個參數(shù)，通過AL可以知道某類磁芯繞制1000匝，所對應(yīng)電感量，則35.3的電感量，需要的匝數(shù)為:匝。根據(jù)電流有效值選擇導(dǎo)線的線徑，因?yàn)?，所以選擇導(dǎo)線的截面積約為0.256 mm2，電流較大時，仍需采用多股并繞，但由于電感中的交流成分較小，必要時

37、可選用較粗的導(dǎo)線繞制。3 二極管D3、D4是主電路原邊的箝位二極管。在任何工作條件下，為使兩個調(diào)整管所承受的電壓不會超過 (為輸入電壓；為箝位二極管的正向壓降)，D3、D4必須是快恢復(fù)管。這類二極管反向恢復(fù)時間小于，用于高頻整流、斬波和逆變。D3、D4在關(guān)斷時所承受的電壓為輸入電壓的一半，為24V。D9為整流二極管，D10為續(xù)流二極管。必須也選用快恢復(fù)管。在開關(guān)管導(dǎo)通時，續(xù)流二極管D10上的電壓為： 在開關(guān)管截止時，整流二極管上的電壓為：開關(guān)管導(dǎo)通時，流過續(xù)流二極管上的電流為開關(guān)管截止時，流過整流二極管上的電流為可得出二極管可選用FR301FR307類型的二極管。4 開關(guān)管開關(guān)電源中所出現(xiàn)的故

38、障中約百分之六十是功率開關(guān)管損壞引起的。開關(guān)電源中采用的開關(guān)管是MOSFET管，有些還采用IGBT管以及GTO管。IGBT 主要用在高功率大輸出的場合，GTO主要用于中功率較小輸出的場合，而MOSFET主要用于小功率小輸出的場合，該設(shè)計是100W雙管正激變換器的設(shè)計，輸出功率只有100W，輸入電壓為48伏，輸出電壓為24伏，為小功率小輸入小輸出，因此在此處采用MOSFET管已經(jīng)足夠。MOSFET是一種電壓控制的單極型器件。具有驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小；開關(guān)速度快，工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。分為P型、N型，在此處采用N型MOSFET管20。設(shè)頻率為100KHZ，占空比為0.5

39、，開關(guān)管Q2、Q4的開通和關(guān)斷時間為 開關(guān)管關(guān)斷時所承受的電壓保持在輸入電壓不變，為48V。線圈電流即為變壓器副邊的電流，由上面對變壓器的計算中得出變壓器的變比為3:4,根據(jù)變壓器的關(guān)系可知：因此由于占空比D=0.5，開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時線圈的電流均為2.8A，歸算到變壓器原邊上的電流相同。因此開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷時的電流值均為2.1A。(三) 器件清單如表1所示器件數(shù)值個數(shù)UC3525A芯片1變壓器1原邊10匝，副邊10匝1變壓器21齊納二極管2滑線變阻器0,610.10K1MOSFET管4直流電源48V115V1電容100PF2390PF24700PF2220F41nF1100F10.1F1電

40、阻75210k752101501250025k1電感35.31 表14.1.2 控制電路如圖12所示腳8接不同的對地電容時軟啟動的時間不同，例如10F的電容所對應(yīng)的軟啟動時間為0.58s，22F的電容對應(yīng)的軟啟動時間為1.26s。該電容由內(nèi)部5.1V基準(zhǔn)電壓的50A恒流源充電，使占空比由小到大變化4。UC3525電路的定時電容CT放電電路與充電電源分開，單設(shè)一引腳7。CT放電通過外接電阻RD至7腳，改變RD就可以改變CT的放電時間，也改變了死區(qū)時間。而CT的充電電流則由RT規(guī)定的電流源決定的19。在CT的兩端可得到一個從0.6V到3.5V變化的鋸齒波，振蕩頻率可達(dá)350，可直接帶負(fù)載。振蕩器的

41、振蕩頻率由下式?jīng)Q定：本電路中選擇,，283K.腳9是PWM比較器補(bǔ)償信號輸入端，在該端與引腳2之間接不用類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。在該電路中接入由10K的電阻和0.1F的電容構(gòu)成的一階微分電路。UC3525的振蕩器通過外接時基電容和電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩，同時產(chǎn)生時鐘脈沖信號，該信號的脈沖寬度與鋸齒波的下降沿相對應(yīng)。時鐘脈沖作為由T觸發(fā)器組成的分相器的觸發(fā)信號，用來產(chǎn)生相位差為180度的一對方波信號。誤差放大器是一個差分放大器，其功能是保證閉環(huán)反饋系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。經(jīng)差分放大的信號與振蕩器輸出的鋸齒波電壓分別加至PWM比較器的反相輸入端和同相輸入端，比較器輸出的調(diào)制信

42、號經(jīng)鎖存后作為或非門電路的輸入信號。通過腳11，腳14輸出兩路互差180度的PWM信號。接到主電路中用于控制主電路中開關(guān)管的開通和關(guān)斷。 圖124.1.3 總電路如圖13所示為100W雙管正激變換器的總的電路設(shè)計圖，主電路采用雙管正激變換器的基本拓?fù)洌刂齐娐肥且孕酒琔C3525為核心的電路。當(dāng)反饋信號進(jìn)入控制電路的引腳9，與控制電路芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差信號，同時UC3525的振蕩器通過外接時基電容和電阻產(chǎn)生鋸齒波振蕩，并產(chǎn)生時鐘脈沖信號，該時鐘脈沖觸發(fā)芯片內(nèi)部的T觸發(fā)器，產(chǎn)生相位差為180度的一對方波信號。經(jīng)差分放大的信號與振蕩器輸出的鋸齒波電壓相比較，比較器輸出的調(diào)制信號經(jīng)鎖存

43、后作為或非門電路的輸入信號，通過腳11，腳14輸出兩路占空比相同，但相位互差180度的PWM信號。本設(shè)計中只要用到一路，故將腳14通過一個電阻接地。腳11輸出的信號接至隔離變壓器，通過該變壓器的作用驅(qū)動開關(guān)管同時導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)腳11中產(chǎn)生脈沖信號后，先經(jīng)過一個大約為50歐姆的電阻限流，并通過一個開關(guān)管接至隔離變壓器原邊的一端。該開關(guān)管是必不可少的，主要起到邏輯變換的作用。原邊的另一端通過一個約為10歐姆的電阻接至約為15V的直流電源。該電阻起限流作用，否則變壓器會由于電壓過大而燒掉。隔離變壓器的副邊由兩組繞組組成。 圖13當(dāng)脈沖信號到來時，經(jīng)變壓器變壓后，一組繞組主要是和隔離變壓器的磁復(fù)位電路

44、相連，以保證變壓器在一次工作以后及時的磁復(fù)位，防止變壓器磁飽和，使隔離變壓器燒壞。另一組繞組上的電壓經(jīng)過一個齊納二極管穩(wěn)壓，一個二極管濾波，以消除諧波分量，產(chǎn)生規(guī)則矩形脈沖，來控制開關(guān)管Q1、Q3,使其同時導(dǎo)通和關(guān)斷，使其主電路正常工作，于是主電路的負(fù)載端工作，輸出電壓即反饋電壓，經(jīng)過限流后接至控制電路。這就是本設(shè)計的總的工作原理。4.2 Protel原理圖制作1在Protel中選擇進(jìn)入一個新的設(shè)計項(xiàng)目，然后進(jìn)入原理圖編輯器編輯原理圖2進(jìn)行元件的封裝：電阻選用AXIAL0.3，電容選擇 RB.2/.4，二極管選用DIODE0.4，電位器選用VR1，芯片UC3525選用DIP16，開關(guān)管選用和三

45、極管一樣的封裝TO-5，電源選用polar0.8，由于兩個變壓器是自己設(shè)計的，必須自己設(shè)計封裝，T2是隔離變壓器，擬選用EE13，查手冊有EE13，材質(zhì)PBT，針粗0.6mm，2+2pin，針距10mm，排距8.5mm，方孔尺寸3.1*6.4mm，總高度12，根據(jù)這畫出相關(guān)的封裝形式，而T1采用ETD型號。畫出相應(yīng)的封裝。3建立新的PCB文件，點(diǎn)擊KEEPOUT進(jìn)入禁止布線層，在編輯區(qū)中確定PCB板的尺寸。4在PCB中建立網(wǎng)絡(luò)表，檢查無錯后，點(diǎn)擊Execute按鈕，將網(wǎng)絡(luò)表與元件加載到電路板上。5自動布局，自動布局完后可手動適當(dāng)?shù)恼{(diào)整元件的位置,調(diào)整元件的標(biāo)注使其美觀。6按照設(shè)計的各種參數(shù)在規(guī)

46、定的布線區(qū)內(nèi)布線電路板。該處設(shè)置在工作層中布線采用以水平為主。自動布線完后，可手工的調(diào)整布線使其美觀,PCB板即設(shè)計完成。結(jié)論 本文著重于100W雙管正激變換器的研究，在正激變換器的基礎(chǔ)上分析了雙管正激變換器的基本拓?fù)浜凸ぷ髟?，分析了雙管正激變換器的幾種工作模態(tài)。參考有關(guān)于UC3525的芯片的相關(guān)資料，得到了以UC3525為核心的控制電路，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計該芯片的外圍電路，最后得出了100W雙管正激變換器的設(shè)計。并根據(jù)做仿真的同學(xué)的結(jié)論選擇合適的器件，得出完整的電路設(shè)計圖。在此基礎(chǔ)上利用PROTEL軟件畫出了原理圖，并得出了PCB圖。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于本人知

47、識欠缺，資料匱乏，未能焊出電路，無法進(jìn)行調(diào)試并得出調(diào)試結(jié)果。 由于時間和條件的限制，該課題的研究不太完善，采用硬開關(guān)技術(shù)設(shè)計，開關(guān)的損耗較大，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。同時由于單個雙管正激變化器作用時存在很多的不足，可以進(jìn)一步研究雙管正激變換器的組合技術(shù)，克服其自身的不足。 致 謝經(jīng)過幾個月的努力，終于完成了本課題的設(shè)計。本課題的完成很大一部分歸功于指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)。陳萬老師嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，陳老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。老師寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我的影響深遠(yuǎn)。經(jīng)常詢問我設(shè)計的情況，并及時的解決我