[优秀毕业设计精品] 12V5A开关电源的原理与设计

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1、毕业设计（论文）中文摘要随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。本论文是通过用电源适配器芯片CR6850C设计并制作12V5A开关电源。论文主要完成的内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计主电路，控制电路，功率因数校正电路，并确定相关器件参数；（3）基于CR6850C对开关电源的控制核心部分进行设计；（4）通过实验和计算对设计中的数据进行验证；（5）进行MATLAB仿真分析。本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了开

2、关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。关键词：开关电源；CR6850C；电路 40 AbstractWith the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable result

3、s. The present paper is through use power control chip design and production CR6850C 12V5A switch power supply. The main content of the papers are: (1)According to the design needs to choose switching power supply circuit; (2)Design main circuit, control circuit, the power factor correction circuit,

4、 and identify the device parameters; (3)Based on CR6850C control core of switch power part design；(4)Through experiment and computing to verify the data design; (5)On MATLAB simulation analysis；In the thesis, the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in det

5、ails. The main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The design process is specified also. Key words: Switch power source; CR6850C；目 录中文摘要IAbstractII1 绪论11.1 开关电源的概念和分类11.1.1 开关电源的概念11.1.2 开关电源的分类31.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展41.2.1 开关电源中存在的问题41.2.2 开关电源

6、的发展趋势41.3 开关电源设计中的开关电源术语52 开关电源设计的设计基础72.1 开关电源的主电路设计72.1.1 主电路设计72.2 控制电路设计92.3 功率因数校正电路设计102.3.1 有源功率因数校正峰值102.4 其它软开关技术应用及发展概况113 开关电源的设计基础133.1 12V5A开关电源适配器芯片CR6850C133.1.1芯片工作原理133.1.2 芯片应用173.2 开关电源电路分析284 开关电源仿真设计294.1 开关电源仿真分析294.1.1仿真分析波形图29结 论31参考文献32致谢331 绪论1.1 开关电源的概念和分类1.1.1 开关电源的概念开关电源

7、是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换

8、时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Converter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成，如图1.1所示。 图1.1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有

9、源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在

10、一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=断开时间所占T的比例称为断开占空比（D）， 开关周期是开关频率的倒数，例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期（微秒）。很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起

11、来具有较多的优点：（1）节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。（2）体积小，重量轻。据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350cm3，而100W的开关电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。（3） 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本

12、身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。（4）改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。（5） 根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。1.1.2 开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关是接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，

13、PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Swit

14、ching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大

15、，目前还没有得到广泛应用。DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是

16、调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Converter）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6种。按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。1.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展1.2.1 开关电源中存在的问题客观上讲，开关

17、电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：(1) 器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。(2) 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。(3) 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，

18、工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。(4) 软件问题。开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。(5) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。1.2.2 开关电源的发展趋势未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频率高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/cm2

19、，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。1.3 开关电源设计中的开关电源术语下面列出一些本书所使用的开关电源术语，并给出解释，以供读者参考。效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载

20、，输入交流电压为标准值。ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。负载调整率：输出电压随负

21、载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mv度量。隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的

22、时间。电磁干扰无线频率干扰：即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。占空比；在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。2 开关电源设计的设计基础2.1 开关电源的主电路设计开关电源的电路拓扑众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型、全桥型，其中正激电路又可以分为单管正激、双管正激等多种。电路形式的最终确定，需要根据设计任务书和电源的实际应用场合的具体情况来确定。一般来说，小功率电源（1100W）的宜

23、采用电路简单成本低的反激电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用半桥或者全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路，如果功率很大，则应采用全桥电路，推挽电路通常用于输入电压很低功率较大的场合。本设计的输出电压电流为12V/5A，功率在1100以内，选用反激电路，如图2.1所示，当功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N1中，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管VT导通断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负

24、载供电，并对变压器进行消磁。图2.1反激开关电源电路2.1.1 主电路设计（1）确定输入直流母线的电压变化范围。随输入的变化范围；每个工频周期内电压变化。（2）设计开关频率，最大占空比。按照要求设定开关频率；根据输入功率，并假定最低电压最大占空比，刚好临界继续，然后确定电感峰值电流。（3）设计反激变压器根据最大峰值电流，确定原边的电感量：根据经验选定磁芯尺寸，计算原边匝数：是磁芯截面积，是设计的最大磁通密度。根据电感量和匝数，设计气隙。根据原边开关管的额定电压选择合适的匝比。为了获得较好的副边交叉调整率，有时候需要调整变压器原边的匝数。（4）开关管选择：功率MOSFET开关管电压应力；开关管电

25、流应力：计算变压器原边的最大电流。（5）副边二极管的选择快速恢复二极管；计算二极管的耐压：计算二极管的电流（6）输出滤波电容的选择根据电流/电压应力，纹波要求，选择点解电容。（7）RCD吸收电路图2.2 RCD吸收电路考虑问题点： 吸收效果； 损耗尽可能小。吸收效果与损耗之间折衷。损耗估算方法：MOSEFT关断时，当超过RCD缓冲电路中的电容两端的电压时，缓冲二极管导通，尖峰电流被RCD电路吸收时，从而削减了尖峰电流。缓冲电容一定要足够大，才能保证在一个开关周期内电容两端的电压没有显著变化。但是吸收电容太大，也会增加缓冲电路的损耗，必须折中。吸收电路消耗的电能可由下式计算得：2.2 控制电路设

26、计开关电源中，普遍采用负反馈控制，使其输出电压或电流保持稳定，并达到一定的稳压或者稳流精度。因此开关电源的主电路及反馈控制电路构成了一个闭环自动控制系统，其典型结构如下图2.3所示。控制点电路的设计就是围绕这一闭环自动控制系统展开的。- 给定 + 调节器PWM 比较器反馈开关电路输出图2.3闭环控制系统的典型结构2.3 功率因数校正电路设计通常，开关电源的输入及采用二极管构成的不可控容性整流电路，这种电路的优点是结构简单、成本低、可靠性高，但致命的缺点是其输入的正弦波，而是电压峰值附近的脉冲。这种电流波形中含有大量谐波成分，因此该电路的功率因数都很低，通常仅能达到0.50.7，总谐波含量THD

27、可到达100%150%以上，对电网造成严重的污染。解决这一问题的办法就是对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，这一技术称为功率因数校正。根据采取的具体方法不同，可以分成无源功率因数校正和有源功率因数校正俩中。无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管器件，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形就行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波，总谐波含量可以降至5%一下，而功率因数能高达0.995，从而彻底解决整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。本设计准备采用单相有源

28、功率因数校正电路，因为此电路较为成熟，升压型斩波电路是最常见的一种电路形式，该电路容易实现，可靠性也较高。2.3.1 有源功率因数校正峰值图3.4为峰值电流控制法的原理电路图，该电路是实现开关电源和电子镇流器有源功率因数校正的基本电路。开关管采用MOSFET，它的漏极电流Is被检测后转换为电压信号Vg，然后送入比较器Cb，基准电流值z由乘法器M输出提供。乘法器M有2个输入信号，一个是x，另一个是y。输出电压的采样值N0/H与基准电压Vref进行比较后，其差值为x信号；y电压信号是桥式整流输出的脉动电压后得到的Vdc/K信号，与x信号一同进入乘法器M。图3.4 峰值电流控制法的功率因数校正电路2

29、.4 其它软开关技术应用及发展概况（1）半桥不对称PWM变换器与全桥变换器不同，在合适的控制方案下，半桥电路也可以组成不对称ZVS变换器，但无法构成ZVZCS电路。它可以实现开关管的零压切换，且在宽负载和输入电压范围实现恒频PWM调节。（2）有源与无源软开关一般的软开关，分为有源和无源两种。传统的软开关要附加有源器件（如开关）及控制电路，近几年逐步开始开发无源软开关，从而促进了电路的简化和开关电源的成本降低。这项技术的关键是用简单的电路结构来实现dv/dt、di/dt的降低，从而有效地完成ZVS、ZCS控制，以消除电路中的有源部分。（3）DC/DC变换器DC/DC变换器实际上就是前面讲到的各类

30、变换器。只是去掉开关电源的输入电路及部分输出整流器件，形成简单的DC/DC转换模块。这类器件目前取得了较大范围的应用，使得用户可以简单地构件自己的电源系统。（4）软开关逆变器借用软开关的概念，在全桥电路上适当改进，可以构成软开关全桥有源逆变器电路。所以，软开关技术的应用不仅仅限于开关电源本身，其它类似功率变换电路也可以借用这个技术，而实现功率器件的软开关，从而降低损耗，提高效率。典型的如变频器、电机保护器。（5）三电平电路在大功率高电压变换电路中，管子的电压应力必须尽量降低。因此，研发了所谓三电平电路。通过增加“变换电感”和电容器件，达到降低电压应力的目的。这个方案可以使开关管电压应力降低到输

31、入直流电压的一半。（6） 其它电路及发展方向变换器电路实际还有很多问题需要讨论，我们在有限的时间内不可能完全涉及。变换器目前的发展大体有如下两个主要趋势： 朝高功率密度、大电流发展。以满足高功率电源需要。 朝低压发展，以满足低损耗系统的需要。目前在1VDC电源方向展开了一系列研究。3 开关电源的设计基础3.1 12V5A开关电源适配器芯片CR6850C芯片CR6850C特征：低成本、极少的外围元件 PWM&PFM&CRM (周期复位模式)控制 低启动电流 (约 8A)、低工作电流 (约 2mA) 电流模式控制 欠压锁定(UVLO) 内置同步斜坡补偿 PWM频率外部可调 轻载工作无音频噪音 内置

32、前沿消隐 在输入 90V264V的宽电压下可实现恒 定最大输出功率 周期电流限制 GATE 引脚驱动输出高电平钳位 16.8VVDD 引脚过压保护 25.5V SOT-23-6L，SOP8 ，DIP-8 无铅封装应用领域：AC/DC 电源适配器 电池充电器 开放式电源 备用开关电源 机顶盒开关电源 384X 代替 兼容：SG6848J&LD7535&OB2262&OB22633.1.1芯片工作原理（1）功能概述：CR6853 是用于 36W以内离线式开关电源 IC，其高集成度，低功耗的电流模 PWM 控制芯片，该芯片适用于离线式 AC-DC 反激拓扑的小功率电源模块。芯片可以通过外接电阻改变工

33、作频率；在轻载和无负载情况下自动进入 PFM和 CRM，这样可以有效减小电源模块的待机功耗，达到绿色节能的目的。CR6850C 具有很低的启动电流，因此可以采用一个 2MOhm的启动电阻。为了提高系统的稳定性，防止次谐波振荡，CR6850C内置了同步斜坡补偿电路；而动态峰值限制电路减小了在宽电压输入(90V264V)时最大输出功率的变化；内置的前沿消隐电路可以消除开关管每次开启产生的干扰。CR6850C 内置了多种保护功能：过压保护 、逐周期峰值电流限制、欠压锁定（可以用它实现短路和过流保护）以及输出驱动的高电平钳位在 16.8V以下。而驱动输出采用的图腾柱和软驱动有效降低了开关噪声。CR68

34、50C 提供 SOT23-6L，SOT-8 和DIP-8 无铅封装。由于 CR6850C 高度集成，使用外围元件较少。采用CR6850C 可以简化反激式隔离 AC-DC开关电源设计，从而轻松的获得可靠的系统。图3.1 CR6850C 内部框图（2）欠压锁定和启动电路：CR6850C 具有如下两种启动方式： 1) 整流滤波前启动的方式, 其启动电路见图 3.2.1 所示；2) 整流滤波后启动的方式，其启动电路见图3.2.2 所示； 图 3.2.1 整流前启动 图3.2.2整流滤波后启动（3）系统的启动时间：上面两种启动方式当电源上电开机时通过启动电阻给 端的电容 充电,直到 端口电压达到芯片的启

35、动电压 （典型值 15.3V）时芯片才被激活并且驱动整个电源系统正常工作。在图 1.3.2 中系统的最大启动延迟时间满足如下运算关系：其中： ：CR6850C的启动电流 ：系统的启动延迟时间 ：为 R1 与R2 电阻值之和由于芯片具有低启动电流的特性并且考虑到空载的系统损耗，可以取得较大，具体值可在 1.5M3M 范围内选取, 推荐选用 10uF/50V。如果发生保护，输出关断，导致辅助绕组掉电， 端电压开始下降，当 端电压低于芯片的关闭电压 （典型值 10.2V）时，控制电路关断，芯片消耗电流变小，进入再次启动。 图 3. 3.1 典型启动电路需要系统具有更快的启动时间且在系统成本允许的情况

36、下，可参考图3.3.2 电路中 可以取得较小(但需要考虑系统的稳定性)， 的取值可以取得较大，这样既可缩短系统的启动时间同时也可降低系统空载时的待机功耗。图 3.3.2 快速启动电路（4）启动电阻 上最大损耗：其中， 是最大输入整流后电压。对于一个通用输入（90Vac264Vac），=374V（5）正常工作频率 CR6850C 允许设计者根据系统的使用环境需要自行调整系统的工作频率,其 PWM 频率为：50K100K；CR6850C 的典型工作频率为 67kHz，其应用电路如图 3.4，RI的取值决定了系统的工作频率，工作频率的设定可分别由以下公式计算出来。图3.4 频率设置电路虽然 CR68

37、50C 推荐系统 PWM 的工作频率范围可为 50k100kHz，但是芯片系统性能优化主要是被设计在 50KHz67KHz 的应用范围，在应用时请注意。在 PCB layout时应尽可能使 RI 的接地端靠近芯片的 GND 端，以便减少干扰。 6.FB 输入端CR6850C FB 端口各电压阈值相对应的系统工作状态可通过图3.5表示。图3.5 FB 端电压对应系统工作状态0.9V1.4V 为系统在空载或轻载时工作在 CRM 工作模式下的 FB 端电压；1.2V4.7V 为系统在常态工作模式下的 FB 端电压；4.7V 为系统开环状态时FB端电压，FB端的短路电流典型值为 2.2mA。 CR68

38、50C 采用传统的电流模式结构设计，其关断时间根据峰值电流调整，通过与主开关管 MOSFET 源极相连接的电流反馈电阻 Rs转化成电压反馈到 CR6850C的 SENSE端来实现控制。在正常工作时，这个峰值电流与 FB 具有如下关系式：FB端的电压。：与主开关管 MOSFET 源极相连接的电流反馈电阻阻值。3.1.2 芯片应用图 3.6 所示为采用CR6850C 的反激式隔离 AC-DC 转换器的基本电路原理图，以该电路作为参考，来说明变压器设计、输出滤波器设计、元件选择和反馈环路设计的方法。图 3.6 采用 CR6850C 的反激式隔离AC- - -DC 转换器的基本电路原理图（1）确定系统

39、规格 最小 AC 输入电压：=242，单位：伏特。 最大 AC 输入电压：=200，单位：伏特。 输入电压频率：，50Hz 输出电压：=12，单位：伏特。 最大负载电流：，单位：安培。 输出功率：，单位：瓦特。 电源效率：，如无数据可供参考，对于低电压输出（低于 6V）应用和高电压输出应用，应分别将设定为 0.70.75 和0.80.85。 计算最大输入功率：，单位：瓦特。（2）确定输入整流滤波电容（）和直流电压范围（、） 输入整流电容选择 对于 AC 90264V 宽范围输入， 按 23uF/Watt输出功率选取；对于 AC 230V 或者 115V倍压整流输入，按 1uF/Watt 输出功

40、率选取。最小直流输入电压 其中，为输入交流电压频率50Hz；为桥式整流大额导通时间，如无数据可供参考，则取 3ms；所有单位分别为伏特、瓦特、赫兹、秒、法拉第。最大直流输入电压 （3）相应工作模式和定义电流波形参数 a)连续模式电流波形，1b)非连续模式电流波形，1图 3.7 电流波形与工作模式当 1，连续模式，如图 3.7a；其中： 为初级绕组脉动电流， 为初级峰值电流。 当 1，非连续模式,如图 3.7b；在连续模式设计中，宽电压输入时，设定 =0.4；230V 单电压或者115V 倍压整流输入时，设定=0.6。在非连续模式设计中，设定 =1。 （4）确定反射的输出电压 和最大占空比 。反

41、射电压 设定在 60V80V。使得 CCM 模式下，最大占空比不超过 0.5，避免发生次谐波振荡。连续模式时计算 ：非连续模式时计算 ：其中，设定 CR6850C外接功率 MOSFET 漏极和源极 =10V。（5）用产品手册选择磁芯材料，确定选择有磁芯材料应该考虑高，低损耗及高 材料，还要结合成本考量；建议用 PC40 以上的材质。为了防止出现瞬态饱和效应以低B设计：；式中： 为最大磁通密度摆幅， 为饱和磁通密度， 为剩磁, 为最大磁通密度,一般取在 0.20.3范围之内,若 0.3T，需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数 ，范围之内。如 0.2T，就应选择尺寸较小的磁芯或减小初级匝数 值。（6

42、）确定合适的磁芯实际上，磁芯的初始选择肯定是很粗略的，因为变量太多了。选择合适磁芯的方法之一是查阅制造商提供的磁芯选择指南。如果没有可参考资料，可采用下面作为参考。传递功率： 电流密度：绕组系数：式中，单位为，为窗口面积， 为磁芯的截面积， 为正常操作状态下的最大磁通密度（单位：特拉斯（T）。为了防止磁芯因高温而瞬间出现磁饱和，对于大多数功率铁氧体磁芯的尺寸越大，越高，所做的功率就越大。（7）估算 DCM/CCM临界电流（8）计算初级绕组与次级绕组匝数比 或 其中， 和 分别为初级侧和次级侧匝数。 为输出电压， 为二极管正向电压：对超快速PN结二极管选取0.7V，肖特基二极管选取0.5V。 为

43、最小输入直流电压， 为设置的最大占空比, 为反射电压。（9）计算 DCM/CCM临界时副边峰值电流：（10）计算 CCM 状态下副边峰值电流：（11）计算 CCM 状态时原边峰值电流：（12）计算副边电感 及原边电感 ：由于此电感值为临界电感，若需要电路工作于 CCM 则可增大此电感值，若需要工作于 DCM 则可适当调小此电感值。（13）确定原边最小 匝数与副边 匝数：其中单位分别为特拉斯、安培、微亨、平方厘米,，如无参考数据，则使用=0.200.25,以特拉斯(T)为单位。 （14）次级绕组和辅助绕组初级绕组与次级绕组匝数比：其中， 和 分别为初级侧和次级侧匝数。 为输出电压， 为二极管正向

44、电压：对超快速PN结二极管选取0.7V，肖特基二极管选取0.5V。 然后确定正确的，使得最终的 不得小于。有的时候最终的 比 大得多，这就需要更换一个大的磁芯，或者在无法更换磁芯时，则通过增加 值来减小，这样，最终的初级侧匝数也会减小。辅助绕组匝数：其中， 为辅助绕组整流后的电压， 为偏置绕组整流管正向电压；考虑到系统在满载和空载转变瞬间，由于能量瞬间导致 下冲误触发UVLO，在系统允许的输入电压范围内且输出为空载时，建议 11.5V。确定磁芯气隙长度：其中，单位为毫米，单位为平方厘米，为无间隙情况下的 值，单位为 ()， 单位为(微亨)。通常不推荐对中心柱气隙磁芯使用小于0.1 mm的值，因

45、为这样会导致初级电感量容差增大。如果您需要使用小于0.1 mm的值，请咨询变压器供应商以获得指导。（15）根据有效值电流来确定每个绕组的导线直径。当导线很长时（1m），电流密度可以取 5。当导线较短且匝数较少时，610的电流密度也是可取的。应避免使用直径大于 1mm的导线，防止产生严重的涡流损耗并使绕线更加容易。对于大电流输出，最好采用多股细线并绕的方式绕制，减小集肤效应的影响。 检查一下磁芯的绕组窗口面积是否足以容纳导线。所需的窗口面积由以下公式给出：式中， 为实际的导体面积， 为填充系数。填充系数通常为0.20.3。 （16）确定输出电容的纹波电流 输出电容的纹波电流：其中， 为输出直流电

46、流。（17）确定次级及辅助绕组最大峰值反向电压，：次级绕组最大峰值反向电压：辅助绕组最大峰值反向电压：（18）选择输出整流管 1.25， 为整流二极管的反向额定电压；3， 为二极管的直流电流额定值，实际中需注意温升、反压、即实际测得的最大电流。表 4.1 部分输出整流二极管选型表肖 特 基 二 极 管整流二极管（V）（A）封装1N5819401轴向SB140401轴向SB160601轴向MBR160601轴向11DQ06601.1轴向1N5822403轴向SB340403轴向MBR340403轴向SB360603轴向MBR360603轴向SB540405轴向SB560605轴向MBR74545

47、7.5TO-220MBR760607.5TO-220MBR10454510TO-220MBR10606010TO-220MBR1010010010TO-220MBR16454516TO-220MBR16606016TO-220MBR2045CT4520TO-220MBR2060CT6020TO-220MBR2010010020TO-220超快速二极管整流二极管（V）（A）封装UF40021001轴向UF40032001轴向MUR1202001轴向EGP20D2002轴向UF54011003轴向UF54022003轴向EGP30D2003轴向BYV28-2002003.5轴向MUR4202004

48、TO-220BYW29-2002008TO-220BYW32-20020018TO-220（19）选择辅助绕组整流管1.25； 为整流二极管的反向电压额定值。表4.2 部分辅助整流二极管选型表整流管（V）整流管（V）整流管（V）FR104400UF40032001N414875（20）确定 SENSE电阻 限制最大输出功率时，SENSE 电阻选择：SENSE电阻额定功率（21）输出电容的选择在 105及50KHz 频率下纹波电流的规格：必须大于 。ESR 规格：使用低 ESR 的电解电容。输出开关纹波电压等于。 由于电解电容具有较高的ESR，所以有的时候只使用一个输出电容是不能满足纹波规格要求

49、的。此时，可以附加一个 LC 滤波器。在使用附加 LC滤波器时，不要把截至频率设置得过低。截至频率过低可能导致系统不稳定或者限制控制带宽。将滤波器的截至频率设定在开关频率的 1/101/5左右比较合适。为减少大电流输出时的纹波电流 IRI，可将几只滤波电容并联使用，以降低电容的 r0值和等效电感。电感L：2.2uH4.7uH，对于低电流（1A）的输出使用磁珠是可以的。而较高电流输出可以使用非定制的标准电感。如有必要，可以增大电感的电流额定值从而避免电感上的损耗。电容C：其容量与最大输出电流 有关,为了减小电容的ESR见可以用几个电容并并联。（22）输入整流桥的选择1.25；为输入整流二极管的反

50、向额定电压；2；其中 为整流桥的电流额定值。（23）确定 RCD 箝位电路元件参数 图3.8为系统所采用的典型的 RCD 箝位电路。图 3.8 RCD 箝位电路测量变压器初级漏电感 ；在测量初级漏电感时应谨慎。如果只是简单地在其他输出被短路的情况选进行初级侧电感测量，则测得的漏电感会稍大，因为每个输出都被反射至初级侧。确定 CR6850C 外置功率 MOSFET所允许的总电压，并根据以下公式计算 ：建议至少应维持低于 MOSFET 的 BVDSS 50V 的电压裕量，并另外留出 30V50V的电压裕量以满足瞬态电压要求。对于宽范围输入设计，建议 200V。不应小于 1.5。 确定箝位电路的电压

51、纹波，根据以下公式计算箝位电路的最小电压：根据以下公式计算箝位电路的平均电压 ：计算漏感中贮存的能量：并非所有的漏感能量都会转移到箝位。因此，在计算箝位所耗散的真实能量时应使用以上公式，同时将峰值初级电流 替代仅流入箝位的电流。流入箝位的电流难以计算或者测量，我们将根据已知的比例因数调整 ，从而估算箝位中的能量耗散 ：输出功率范围1.5W可不使用箝位电路1.5W 50W50 W90 W90 W对于 CR6850C 系列产品设计的系统：确定箝位电阻：箝位电阻的功率额定值应大于：确定箝位电容：箝位电容的电压额定值应大于：箝位电路中的阻断二极管：应使用快速或者超快恢复二极管。在有些情况下，使用标准恢

52、复二极管有助于提高电源效率及EMI 性能。作此用途的标准恢复二极管必须列明指定的反向恢复时间。使用这种二极管时应特别注意，确保其反向恢复时间低于可接受的限值。如果未经全面评估，不建议基于标准恢复二极管的设计。 阻断二极管的最大反向电压应大于：阻断二极管的正向反复峰值电流额定值应大于 ，如果数据手册中未提供该参数，则平均正向电流额定值应大于0.5 （注意：二极管的平均正向电流额定值可指定为较低值，它主要受热性能的约束。应在稳态工作期间及最低输入电压条件下测量阻断二极管的温度，以确定其额定值是否正确。散热性能、元件方位以及最终产品外壳都会影响到二极管的工作温度。） 确定阻尼电阻： 3.2 开关电源

53、电路分析开关电源主要由主回路和控制回路俩大部分组成，主回路是将交流电网的电能传递给负载的回路，控制回路是按输入输出条件控制主回路的工作状态的回路，将控制回路集成化即成为开关电源集成控制器。开关电源集成控制器多为脉宽调制型（PWM），早起PWM多为电压型，缺点是瞬时响应不好。电流控制型PWM的性能和功能均优于电压控制型，国外新生产的电流控制型PWM控制器种类和数量最多，有完全取代电压控制型的趋势。在高于500KHz频率下提高变换频率的攻更有效办法是采用谐振变换器，使用零电流和零电压开关技术，目前国外厂家已生产谐振集成控制器使开关电源的工作频率达到1MHz。开关电源集成控制器的功能决定了开关电源整

54、机使用元器件的多少，电路设计的复杂程度，直接影响着开关电源的可靠性及性能。SG1524B为电压型PWM集成电源控制器。该芯片具有完整的PWM功率控制功能，输出工作频率大于100KHz，集成极和发射极开路输出，并采用双列直插式16管脚封装。 芯片中包括基准电源，软启动，振荡器，检测与反馈电路，误差放大器（EA）,V/W变换，分频与控制，双端输出级，限流保护（CL），防干扰补偿等。4 开关电源仿真设计4.1 开关电源仿真分析4.1.1仿真分析波形图图4.1 12V5A开关电源仿真图开关电源仿真如图1.1，该仿真图由220V交流电源输入，经过一次整流、LC电路滤波、再经过逆变、高频变压器，然后二次整

55、流，可以通过滤波输出得到12V/5A的电源。仿真结果如图4.2和4.3。图4.2 输出电压波形图图4.3 输出电流波形图结 论本论文通过用12V5A电源适配器芯片CR6850C完成了12V5A开关电源电路设计，主要完成的内容如下：1各类拓扑结构电源的分析；2开关电源主电路的选择；3输入、输出电路的设计，并确定了相关器件的参数；4基于电源适配器芯片CR6850C完成了12V5A开关电源的核心部分的设计；5进行开关电源的仿真分析。开关电源替代传统的铁芯变压器电源，是时代的进步、科学的发展。要求所有的电子设备体积小、重量轻、节省电能是众望所求，而开关电源在很多方面都具有优势，因此，开关电源必将会有更

56、加长远的发展。参考文献1 李维波. MATLAB在电气工程中的应用. 中国电力出版社. 2007年.2 刘豹. 现代控制理论. 机械工业出版社. 2006年.3 周克定. 电磁场与电磁波. 机械工业出版社. 2006年.4 廖常初.可编程序控制器应用技术. 重庆大学出版社. 2007年.5 李朝青. 单片机原理及其应用. 北京航空航天大学出版社. 2006.6 王志强. 开关电源设计. 电子工业出版社.2010年.7 裴云庆. 开关稳压电源的设计和应用. 机械工业出版社. 2010年.8 何希才. 新型开关电源设计与应用. 科学出版社.2001.9 杨贵恒. 直流稳定电源. 化学工业出版社.

57、2010年.10 沙占友. 新型单片开关电源的设计与应用. 中国电力出版社.2003.11 刘凤君. 现代高频开关电源实用技术及应用. 电子工业出版社. 2008年.12 周志敏. 开关电源实用技术设计与应用. 北京人民邮电出版社. 2003年.13 沙占友. 开关电源外围元器件选择与检测.中国电力出版社.2009年.14 赵广林.新型开关电源集成电路应用手册.电子工业出版社.2006年.15 张建生.现代仪器电源原理技术设计.北京科学出版社.2005年.16 李定宣.开关稳压电源设计与应用.中国电力出版社.2006年.17 赵同贺.新型开关电源典型电路设计与应用.机械工业出版社.2010年.

58、18 （日）原田耕介.开关电源手册机械.工业出版社.2005年.19 高增辉. 单端反激式高频高压开关电源的数字仿真研究J.西南民族学院学报.1998.致谢在论文完成之际，借此机会，我谨向所有关心、帮助、鼓励和支持过我的所有老师、同学和朋友表示衷心地感谢!我的这篇论文的完成与导师刘家芳老师的悉心指导和教诲是分不开的。在毕业设计过程中，自始至终都得到了导师刘家芳老师的悉心指导和关心。导师深厚的学术造诣、严谨的治学态度、平易近人的为师风范和孜孜不倦的工作精神使我深受启发和感染，获益良多，这必将使我终生受益。 在短短的毕业设计期间，导师在学习上给了我极大的帮助，使我得以顺利完成学业。师恩似海，终身不忘。在此，我对尊敬的导师刘家芳老师表示衷心的感谢。最后我要感谢在此次设计中给与我极大帮助的其他老师及同学，如果没有老师及同学的帮助、交流与协作，论文也不可能如此顺利的完成，再一次深表敬意及感谢。CR6850 12V/5A 开关电源一、电路原理图二、PCB123二、元器件清单三、变压器示意图及参数