《開關(guān)電源課設(shè)論》word版

1、XX大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)班級學(xué)生姓名課程名稱開關(guān)電源技術(shù)設(shè)計名稱設(shè)計周數(shù)2指導(dǎo)教師設(shè)計任務(wù)主要設(shè)計參數(shù)1、交流輸入電壓AC95270V；2、直流輸出電壓15V；3、輸出電流6A；4、輸出紋波電壓0.2V；5、輸入電壓在95270V之間變化時，輸出電壓誤差0.03V；設(shè)計內(nèi)容設(shè)計要求開關(guān)電源主電路的設(shè)計和參數(shù)選擇IGBT電流、電壓額定的選擇開關(guān)電源驅(qū)動電路的設(shè)計開關(guān)變壓器設(shè)計畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖電路仿真分析和仿真結(jié)果主要參考資 料楊旭 等，開關(guān)電源技術(shù)，機械工業(yè)出版社2004年3月張占松，蔡宣三。開關(guān)電源的原理與設(shè)計，電子工業(yè)出版社，1998學(xué)生提交歸檔文件課程設(shè)計說明書一份

2、注： 可根據(jù)實際內(nèi)容需要續(xù)表，但應(yīng)保持原格式不變。指導(dǎo)教師簽名： 日期：摘要隨著電子科技的不斷發(fā)展，越來越多的電氣設(shè)備走進了千家萬戶。在電源驅(qū)動方面，開關(guān)電源因其高效率、小體積、高可靠性等一系列優(yōu)點而得到了人們的青睞。開關(guān)電源推動了高新技術(shù)的小型化，輕便化，在很多領(lǐng)域有著深遠的意義，也其應(yīng)用到越來越廣泛的領(lǐng)域。本論文設(shè)計的開關(guān)電源是采用UC3842作為集成控制器的典型反激型電路。首先設(shè)計出主電路原理圖，再根據(jù)任務(wù)書的參數(shù)計算選擇合適的配件，比如變壓器的選擇，二極管以及電容的選擇等等，然后在OrCAD里繪制設(shè)計好的電路圖進行仿真，并對比仿真結(jié)果與要求進行參數(shù)調(diào)整，從而實現(xiàn)要求。當(dāng)然整個過程必須建

3、立在安全可靠的前提下，因此安全保障十分關(guān)鍵，必須給電路設(shè)計出安全電路保證其安全可靠地運行。最后完成整個電路的設(shè)計。為了實現(xiàn)電壓穩(wěn)定輸出，同時考慮到各地區(qū)電壓的不同，電路中整合了很多模塊，如EMI濾波器、輸入整流濾波電路、輸出整流濾波電路、反饋回路、RCD緩沖電路等。這樣不僅提高了電路的精度和效率，同時也使得電路穩(wěn)定性和安全性得到提高。該電路具有寬電壓輸入的優(yōu)點。通過不斷地改進與完善，最終結(jié)果滿足任務(wù)書要求，效果比較理想。關(guān)鍵字：UC3842、反激型電路、OrCAD 目錄一、主電路的選擇及參數(shù)計算1 1.1 主電路的選型1 1.2 EMI濾波器的設(shè)計 2 1.3 整流濾波電路的設(shè)計3二、反激式變

4、壓器設(shè)計6電力MOSFET的選擇11四、控制電路的設(shè)計12 4.1 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理12 4.2時鐘電路的設(shè)計12 4.3電壓反饋電路的設(shè)計134.4電流反饋電路的設(shè)計13五、總電路圖15電路仿真分析17 心得體會20 參考文獻21一、主電路的選擇及參數(shù)計算開關(guān)穩(wěn)壓電源基本原理框圖如下： EMI濾 波 電 路整流 濾波 電路 輔助 電路反饋 電路高 頻 變 換 器輸 出整 流濾 波控 制 電 路LN+4-16GND 1.1 主電路的選型開關(guān)電源的電路拓撲結(jié)構(gòu)眾多，其中適合小功率電源使用的有正激型、反激型和半橋型，適合大功率電源的有正激型、半橋型和全橋型。一般來說，小功率電源（11

5、00W）宜采用電路簡單、成本低的反激型電路；電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時，則應(yīng)采用正激型電路；對于功率大于500W，工作條件較好的電源，則采用半橋型或全橋型電路較為合理；如果對成本要求比較嚴，可以采用半橋型電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋型電路；推挽型電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。由于設(shè)計要求直流輸出電壓為15V，輸出電流為6A，輸出功率小于100W，所以使用反激型電路。反激（Flyback）型電路的結(jié)構(gòu)如下圖所示。反激式電路工作有兩種模式，電流斷續(xù)和電流連續(xù)。反激式電路工作于電路連續(xù)狀態(tài)時，其變壓器磁芯利用率會顯著下降，因此實際中避免

6、電流連續(xù)模式。這里對工作斷續(xù)進行原理介紹。S導(dǎo)通時，原邊繞組電流線性增長，二極管VD處于截止狀態(tài)，變壓器儲能增加；S關(guān)斷時，原邊電流迅速降為零，副邊電流在反激作用下迅速增大到最大值，然后開始線性減小，直到變壓器中的磁場能量釋放完畢，副邊繞組電流下降到零，二極管VD關(guān)斷；VD關(guān)斷后，原副邊繞組電流均為零，電容C向負載提供能量，直到S再次導(dǎo)通。1.2 EMI濾波器設(shè)計電源線是干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備的主要途徑，通過電源線，電網(wǎng)的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作，同樣設(shè)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(shè)備的正常工作。必須在設(shè)備的電源進線出加入EMI濾波器。標準的EMI濾波器通常是由

7、串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波電路，其作用是允許設(shè)備正常工作時的頻率信號進入設(shè)備，而對高頻的干擾信號有較大的阻礙作用。幾乎所有設(shè)備的傳導(dǎo)干擾都包含共模噪音和差模噪音，開關(guān)電源也不例外。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位同向的；而差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，其特點是兩條線上的雜訊電壓是同電位反向的。通常，線路上干擾電壓的這兩種分量是同時存在的。由于線路阻抗的不平衡，兩種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變，情況十分復(fù)雜。典型的EMI濾波器包含了共模雜訊和差模雜訊兩部分的抑制電路，如圖3所示：差模抑制電容C1，C2：差模抑制電感L1，L2：共

8、模抑制電容C3，C4：共模抑制電感L3 ：共模抑制電感亦稱共模扼流圈，包含一對配對的耦合電感，當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈磁通方向相同，經(jīng)過耦合作用后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過。設(shè)計時首先必須考慮共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率要明顯低于開關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10KHz。開關(guān)電源所產(chǎn)生的雜訊以共模干擾為主，在設(shè)計濾波電路時可嘗試去掉差模電感。共模電感L兩個電感繞組因繞制工藝的不同而存在電感差值，共模電感的差值電感與電容C1及C2構(gòu)成了一個型差模濾波器。去掉差模電感的濾波器如下圖所示：共模濾波電感計算式中，取截止頻率，選定共模扼流圈配套電容C=C3

9、=C4=0.1,代入上式有L1=15.9mH。C1C2C3C4L1電容/電感量0.10.10.10.115.9mH耐壓值630V630V630V630V630V型號MKT1822MKT1822MKT1822MKT1822色環(huán)電感1.3 整流濾波電路的設(shè)計（1）輸入整流濾波電路在輸入整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相整流濾波電路，本電路常用于小功率的單相交流輸入的場合。目前大量普及的微機、電視機等家電產(chǎn)品中所采用的開關(guān)電源中，其整流電路就是如下圖所示的單相不可控整流電路。電容濾波的單相不可控整流電路，在空載時，R=，放電時間常數(shù)為無窮大，輸出的電壓最大，。在此后的電路中涉及到選器件型號，故此處電壓取最大值

10、。整流二極管的選取，主要考慮其反向擊穿電壓和所通過的電流額定值，確定方式如下：反向擊穿電壓V留有一定裕量，整流二極管選型為MDA202，耐壓值為710V。濾波電容C選電解電容，電容值為250。（2）輸出整流濾波電路開關(guān)電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過高頻變壓器進行能量的儲存和傳輸，在這個過程中，必然會有高頻的噪聲干擾。此外，功率開關(guān)管在開關(guān)的過程中也會引起高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用型濾波的方式。電路圖如下圖所示 其中C1、C2均為電解電容，C1=，C2=10pF，。整流二極管應(yīng)選擇快速恢復(fù)的肖特基二極管，基于其低壓、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其

11、反向恢復(fù)時間短，有利于減少高頻噪聲。二極管的反向耐壓按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。，選擇二極管型號為MBR1635，其反向耐壓30V，正向平均電流，滿足要求。二、反激式變壓器的設(shè)計變壓器參數(shù)的設(shè)計對電源裝置的性能有至關(guān)重要的作用，變壓器設(shè)計不合理，電路很難正常工作，其設(shè)計要求有：（1）一、二次繞組電壓的變比應(yīng)滿足要求值，當(dāng)輸入電壓降至規(guī)范允許的最低電壓時，輸出電壓仍能滿足規(guī)定的額定值；（2）當(dāng)輸入電壓及占空比最大時，變壓器磁芯不允許出現(xiàn)飽和；（3）當(dāng)輸出功率最大時，變壓器溫升應(yīng)在規(guī)范要求之內(nèi)；（4）變壓器總損耗盡量低，有較高效率；（5）一、二次側(cè)漏感、分布電容應(yīng)限

12、制在最小值。設(shè)計步驟：1.計算原邊繞組的峰值電流每一工作周期能量乘上工作頻率為輸出的功率 （1.1）設(shè)電路工作在電流不連續(xù)（DCM）模式，在時間內(nèi)電流由0增長至 原邊繞組的峰值電流最大值出現(xiàn)在占空比最大的時候 所以有 （1.2）式（1.1）、（1.2）之比為 整理得 （1.3）為求得，應(yīng)以最小值代入得 式中的20V為直流紋波及二極管壓降之和。設(shè)反激式變壓器的最大占空比=0.45，代入式（1.3）得 2.計算原邊繞組電感值由式（1.2）得 代入數(shù)據(jù)，得。3.求最小占空比當(dāng)輸入電壓最大時，有最小占空比。輸入電壓由最大到最小變化時，占空比由最小變化到最大。反激式電路電流斷續(xù)時的電壓比為 其中，分別為

13、原副邊繞組匝數(shù)，為負載，L是從二次側(cè)測得的變壓器的電感量，D為占空比。因為輸出保持不變，則有，代入得。4.確定原邊繞組線徑設(shè)工作于電流斷續(xù)模式，則由面積法計算積分可得原邊電流平均值 為初級脈動電流與峰值電流的比值，對于電流斷續(xù)模式，。代入數(shù)據(jù)，得。根據(jù)電流有效值的定義可得 代入數(shù)據(jù)，得。計算原邊繞組線徑 整理，有 （1.4）其中，電流密度J取，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得。5.選擇磁芯尺寸計算磁芯面積乘積。為（磁芯窗口面積）和（磁芯有效截面積）的乘積。在廠商資料目錄中查出值。根據(jù)客戶要求的尺寸和形狀來決定使用哪一種經(jīng)濟的磁芯及其形狀和大小。原邊繞組的線徑為（cm），帶繞組的磁芯所占的磁芯面積乘積值為，則

14、式中，即工作磁感應(yīng)強度變化值取飽和值的一半。若選用TDKH7CL的材料，EE型的磁芯，時，則。將代入，得 占窗口大部分面積的是副邊繞組和絕緣材料，一般只為值的1/41/3，取，則 查閱相關(guān)資料，選擇PC40材料磁芯，型號EF32，外型尺寸（mm）：32*16*9.2，比較合適。6.計算氣隙長度由于反激式變壓器是單向勵磁，為防止磁飽和應(yīng)加氣隙。氣隙會產(chǎn)生較大的磁阻，而且大多數(shù)變壓器所存儲的能量是在氣隙所構(gòu)成的體積中，故有：式中氣隙磁場強度，； 空氣磁導(dǎo)率； 氣隙體積，。整理上式得 代入數(shù)據(jù)得。因此，應(yīng)在磁芯中心柱打磨出氣隙0.071cm，或在磁芯兩外側(cè)芯柱各打磨出0.035cm，在這個基礎(chǔ)上再進

15、行調(diào)整。7.計算繞組匝數(shù)原邊繞組匝數(shù) 取匝。副邊繞組匝數(shù) 其中為副邊二極管導(dǎo)通壓降，取。計算得匝，考慮到磁路可能產(chǎn)生飽和，是變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此取6匝。副邊繞組的線徑亦可按照式（1.4）來計算，J取,可得。反饋繞組匝數(shù) 反饋電壓為UC3862供電，典型值為16V，。計算得匝，取6匝。變壓器計算各參數(shù)計算值如下表所示：參數(shù)計算值原邊電流峰值3.50A原邊電流平均值0.8A原邊電流有效值1.35A原邊繞組電感0.147mH原邊繞組線徑0.66mm副邊繞組線徑0.98mm磁芯面積乘積0.4572氣隙長度0.071cm原邊繞組匝數(shù)32匝副邊繞組匝數(shù)6匝反饋繞組匝數(shù)6匝三、電力MOSFET的選擇開

16、關(guān)管關(guān)斷后承受的反壓為 由變壓器計算可知，匝，匝。，由于是計算耐壓，應(yīng)取最大值，。代入得。流過開關(guān)管的電流即為變壓器原邊電流，由前面計算有：電流峰值，電流平均值，電流有效值。選擇開關(guān)管的型號為IRFBE30，其反向擊穿電壓，漏極直流電流，漏極脈沖電流幅值。滿足要求并留有合適的裕量。四、控制電路的設(shè)計4.1 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理控制電路以UC3842為核心進行設(shè)計。UC3842是單電源供電，帶電流正向補償，單路調(diào)制輸出的集成芯片，其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5V基準電壓、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路等。UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方

17、式，共有8個引腳。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有：（1）5V基準源：內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得到2.5V作為誤差比較器的比較基準。該電源還可以提供外部5V/50mA。（2）振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。振蕩器的頻率由外接電阻和電容確定。（3）誤差放大器：由VBF端輸入的反饋電壓和2.5V做比較，誤差電壓COMP用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。COMP端引出接外部RC網(wǎng)絡(luò)，以改變增益和頻率特性。（4）輸出電路為圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)，電流1A，驅(qū)動MOS管及雙極型晶體管。（5）電流取樣比較器： ISENSE引腳用于檢測開關(guān)管的電流，可以用電阻或電流互感器采樣，當(dāng)時，關(guān)閉輸出脈沖，使開關(guān)管關(guān)斷，作為過流保護。（6）欠電壓鎖定電路：開通閾值16V，關(guān)

18、閉閾值10V。具有滯回特性。（7）PWM鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。（8）圖騰柱輸出電路(TotemPole)：輸出極采用一個上電阻接一個NPN型晶體管的集電極，這個晶體管的發(fā)射極接下面管子的集電極同時輸出；下晶體管的發(fā)射極接地。兩晶體管的基極分別接前級的控制。就是上下兩個輸出晶體管，從直流角度看是串聯(lián)，兩晶體管聯(lián)接處為輸出端。上晶體管導(dǎo)通下晶體管截止，輸出高電平；下晶體管導(dǎo)通上晶體管截止，輸出低電平；上下兩晶體管均截止，則輸出為高阻態(tài)。4.2 時鐘電路的設(shè)計UC3842時鐘電路如下圖所示：振蕩器的振蕩頻率由外接的電阻和電容決定，而外接電容同時還決定死

19、區(qū)時間長短。死區(qū)時間、開關(guān)頻率同選取開關(guān)頻率和電容的關(guān)系如下所示： 式中 時鐘頻率（）； 死區(qū)時間（）； 外接電阻的值（）； 外接電容的值（）。開關(guān)頻率，開關(guān)周期，取死區(qū)時間，求得。4.3 電壓反饋電路的設(shè)計 電壓反饋電路如下圖所示： 在變壓器的計算部分已經(jīng)算出，反饋繞組的匝數(shù)為6匝。反饋回來的電壓為16V，同時接到UC3842的引腳和電壓反饋端。在軟啟動過程結(jié)束之后，為UC3842供電，同時接到反饋端使輸出電壓穩(wěn)定。電流反饋電路的設(shè)計 電流反饋電路如下： UC3842采用峰值電流模式控制，電流反饋電路由R2、R3以及C1組成，R3上的電壓反映了流過電力MOSFET的電流瞬時值，電流反饋引入U

20、C3842內(nèi)部的峰值電流比較器。此外，此電路也有過流保護的功能。當(dāng)開關(guān)電源發(fā)生過流時，開關(guān)管漏極電流會增大，增大，當(dāng)增大到一定數(shù)值（典型值為1V），UC3842芯片的輸出脈沖將關(guān)斷，實現(xiàn)對電路的保護。變壓器原邊峰值電流，UC3842輸出電流200mA，所以功率管漏極電流為3.7A。取，濾波電容C1=470p，流過R3的電流，R3=。五、總電路圖總電路原理圖如下所示：電路原理分析：如圖所示，輸入交流電由C1、L1、C2以及C3、C4進行低通濾波，其中C1、C2組成差模干擾抑制電路，C3、C4、L1組成共模干擾抑制電路。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾有很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)橋式整流及電解

21、電容C5濾波后變成脈動直流電壓，此電壓經(jīng)R1給電容C10充電，當(dāng)C10的電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值時，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由引腳6輸出推動開關(guān)管工作。啟動結(jié)束后，R1的工作基本結(jié)束，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。當(dāng)輸出電壓升高時，單端反激變壓器反饋繞組上的反饋電壓也升高，該電壓經(jīng)R3和R4組成大分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓后送入UC3842的2引腳，與基準電壓比較后，經(jīng)誤差放大器放大，使UC3842輸出引腳的驅(qū)動脈沖占空比減小，從而使輸入電壓降低，達到穩(wěn)壓的目的。輸出電壓降低時，原理亦然。如果電路發(fā)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R8兩端電壓上升，UC3842的3引腳電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V時，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出，從而保護了電路。如果供電電壓發(fā)生過壓，UC3842無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842的7引腳和2引腳電壓也急劇上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的1引腳電壓下降，當(dāng)下降到低于正常值3.4