开关电源课程设计

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1、目录一、引言 21.1 设计背景 21.2 设计基本要求 2二、功率开关管的选择 错误!未定义书签。三、UC3842 简介 .错误 !未定义书签。3.1 UC3842 的结构 错误!未定义书签。3.2 UC3842的功能 错误!未定义书签。四、变压器设计 64.1 估算输入和输出功率 64.2 计算最小和最大输入电流 74.3计算脉冲信号最大占空比 84.4 磁芯参数确定方法 8五、 光耦信号传输电路 95.1 保护采样电路 95.2 微机处理芯片电路 95.3变频器的控制方式选择 10六、 输出滤波电路 11七、整体电路与实物 12八、 心得体会 14一、引言1.1设计背景开关电源是利用现代

2、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MOSFE构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和 高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。单管的DC/DC转换器有正激式(Forward)和反激式(Flyback )两种。双管DC/DC转换器有双管 正激式(DoubleTransistorForward Converter )，双管 反激式(Double TransistrFlyback Converter )、推挽式

3、(Push-PullConverter) 和半桥式(Half-Bridge Converter )四种。四管 DC/DC 转换器就是全桥DC/DC转换器(Full-Bridge Converter )。开关电源 的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性 模式，与线性电源不同的是，PWMf关电源是让功率晶体管工作在导 通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。1.2设计基本要求(1) 设计一款72V多路输出的flyback拓扑开关电源。(2)

4、要求： 输入电压：60-85V ；（3）输出： 5V/1.5A ； 15V/1.2A ；需与输入隔离；（ 3）控制芯片： UC3842；二、功率开关管的选择第一步是选用N沟道还是P沟道。这是设计选择正确器件的第 一步。在典型的功率应用中，当一个场效应管接地，而负载连接到 干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关 中，应采用 N 沟道场效应管，这是出于对关闭或导通器件所需电压 的考虑。当场效应管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开 关。通常会在这个拓扑中采用 P 沟道场效应管，这也是出于对电压 驱动的考虑。第二步是选择场效应管的额定电流。视电路结构而定，该额定 电流应是负载在所

5、有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相 似，设计人员必须确保所选的场效应管能承受这个额定电流，即使 在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖 峰。在连续导通模式下，场效应管处于稳态，此时电流连续通过器 件。脉冲尖峰是指有大量电涌 （或尖峰电流 ）流过器件。一旦确定了 这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件 便可。第三步：确定热要求。选择场效应管的下一步是计算系统的散 热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情 况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的 安全余量，能确保系统不会失效。在场效应管的资料表上还有一些需要注意的

6、测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。第四步：决定开关性能。选择场效应管的最后一步是决定场效应管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损 耗，因为在每次开关时都要对它们充电。场效应管的开关速度因此 被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计 人员必须计算开通过程中的损耗（Eon）和关闭过程中的损耗（Eoff）。 场效应管开关的总功率可用如下方程表达：Psw=（Eo n+Eoff） X开关频率。而栅极电荷（Qgd）对开关性能的影响最大。三、UC3842简介3.1 UC3842

7、的结构2 13丁 曲酬v |_ 冲卜 Ifi VJTHSfff耳V匕电压抵请需内部緇晋8(1445V50 mA菇界匸电压电流捡測PWMR(H)7(11)3.2 UC3842的功能1COMS27畑3InnOUT3RTCTGM)各管脚功能简介如下：1脚COM是内部误差放大器的输出端， 通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频 响。2脚Vfb是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（一般为+2.5V）进行比较，产生控制电压，控制脉 冲的宽度。3脚Isen是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管 （如 VMOS管）的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流

8、转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常 时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。4脚RT/CT是定时端，锯齿波振荡器外接定时电容 C和定时电 阻R的公共端。5脚GND是接地。6脚OUT是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是士 IA。 这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流 回路，加速功率管的关断。7脚VCC是电源。当供电电压低于 + 16V时，UC3842不工作，此时耗电在1mA以下，输入电压可以通过一个大阻值电阻从高 压降压获

9、得，芯片工作后，输入电压可在 +10+30V之间波动，低 于+10V停止工作。工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻 提供。8脚Vref是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。四、变压器设计4.1估算输入和输出功率总的输出功率：P。 Uo1 U02I0215 1.2 5 1.5 25.5W假设效率为100%则pn=R=25.5W4.2计算最小和最大输入电流Iin (mi n) Pin 2550.3AU in (max) 85I in (max) Pjn 2550.425AU in (min) 604.3计算脉冲信号最大占空比ormaxUor(Uin(mi n) Vd

10、s)式中：Uor是二次侧反射电压。在反激式开关电源中，Uor固定不变，一般取 值范围85-165V,本设计计算取Uor=110V。Vds为主开关导通时 D S间压降，典型值为10V。通过计算得到：max110110 (60 10)68.75%4.4磁芯参数确定方法441磁芯材料选择开关电源中的高频变压器大部分采用 EE或者EI型磁芯。它们的外形分别如图所示。EE型磁芯有形状简单、磁芯有效面积较大、可靠性高、热特性好、小漏感等优点，不足的是方形截面不易饶制粗线，磁屏蔽较差。本设计中使用EE磁芯，常用EE磁芯的尺寸如表所示EI型EE型图3-1磁芯材料型号TYPEUTEKIAL九口 1/(w)ApA

11、*LeA B Cc (M* u )PC4O3S*&.7SOh 15904L DO3B. 792100.00拟40HE232ASPC4O23*14. T*ft0.43M3S.80122.00125D.0Q64. $0EE25/19FC4O25, 4*9, 46*6,290.3128如* 007S.202000.DD40.70EE 25. 4PC4O25, 4-9. 06,3S0.31T340, 307SL 732000. CO40.70PC4J20*12. 75*10.6(L囲药B6.9D1033OO 0057. 70PC4O3Qt|3. 15i ID. 70.7596iogPD(i73.邛46

12、90.00S7.70EE 30/30/7PC40ULitiitr db0. 74E659,70late?3100.DO臥铀EE 3528PC4O34. 6*t4. 3*9. 31. 339884. BO156. 002600. 0069-70HE4DPC4O4Q17*10l 72. 3000127.00113.2341B0.Q07T,00EEU33PC4O4L5*L7*I2.72.A2S0157.001日山00420Q. 00HEI3/2L/L5K4O42ai.3*L5L7G.D0216.003800.0097.0EE42/21/20PC4O42-21.2*206.462b235.00215,

13、 005000.00軒.80EE 47/39PC4D47. L2*19. 63*15.634.7529242.00L9L40fieeo. oo9X60EEBQPC4O5OML 3*H. 65r734322S. DO253, 73ngHQQ9B. 80图3-2EE型磁芯的规格本文选取EE型镍锌铁氧体磁芯。磁芯尺寸的选择确定磁芯尺寸有两种方法，包括读表法和计算法。其中计算法又包括Kg几何参数法和Ap磁芯面积乘法。本次设计使用 Ap磁芯面积乘法Ap(Pt 104K0Kf fsBwKj1fx51 104)0.4 4 50 103 0.2 366)11 0.120.114cm41其中Pt为变压器的视在功

14、率，Pt Po(1) 25.5 (1 1) 51Kf为波形系数，取Kf=4。Bw为磁芯的磁感密度，取 Bw =2000G=0.2TKj是电流密度系数。X是常数，通常由磁芯决定，如下图表所示。峋231XKsK.wKv433QI74814.5机对楼芯厂403t0J23235B,KI3J尸N366-0.12413憾219.7匕型铁足：323糾.2I7.-92500,1350,9K2,325图3-3磁芯种类表经过与表中参数对比，与之最接近的磁芯为EE22变压器绕组计算(1)计算变压器原边的电感量Lp.PoZ(1) 106LpK|2pkKRpfs (12其中Z是损耗分配因子。如果Z=1，所有的损耗都在次

15、级边。如果 Z=0,所有的 损耗都在初级边。简单的说，Z就是次级与总的损耗的比率。如果计算没有给出 Z的值，一般取作0.5。计算可得：Lp627.5 1 10230.651.5962 0.65 90 103(1)2307.58 uH(2)计算初级绕组匝数8Vn(max) 104fsBmA100 10834 90 102000 0.4133.8取NP1=33匝V(mi n) 1084fsBmAe40 1084 90 103 2000 0.4116.6取Np2=17匝(3) 5V输出绕组匝数：2(1 0)叫幕7%h 4.44，实取5匝15V输出绕组匝数则取15匝五、光耦信号传输电路电路中采用一片T

16、OP104丫三端单片开关电源集成电路，主输出 绕组电压经过二极管和电容滤波后，得到 +5V电压，二极管采用 MBR340T3型40V/3A肖特基二极管，另外一个+15V输出电流较 小，故整流管选择SF31型50V/3A超快恢复二极管。由线性光耦 CNY17-2和可调式精密并联稳压器 TL431C构成光耦反馈式精密开 关电源。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极 管构成漏极保护电路，能够吸收尖峰电压，保护芯片内部的功率场 效应管MOSFET不受损坏。棣根射电 12 3 44 3PCB17內韶框图与弓I脚图六、输出滤波电路经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程

17、概 念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被 看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同 频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做 信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成 分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波 器或滤波电路。由于正激式开关电源电路拓扑通过输出滤波电感平 滑了逆变器输出电流，因此需要输出整流滤波电容器滤除的交流分 量仅为开关电源额定输出电流的 20%以下，需要电容器的性能要求 不是很高；反激式开关电源要求输出整流滤波电容器“短路”逆变器输出 电流的所有交流电流成分，因此将流过非常高的有效

18、值电流，要求 电容器具有能够承受这个电流的能力；不仅如此，为了尽可能将所有的交流电流分量“短路”要求输出滤波电容器均由尽可能 低的ESR,因此输出整流滤波电容器将需要极低 ESR的“高频低阻”铝电解电容器或低ESR钽电解电容器以及陶瓷贴片电容器。选择一般的低阻铝电解电容器实则需要更多数量的才能满性能要求。七、整体电路与实物八、心得体会亲手调试这样一个开关电源，让我对书本的理论知识有了更深的 理解。从最初的原理拓扑图，到最终实际电路图，以主干电路，不断 进行丰富和完善，使一个正激电路逐步完善。每一次试验都是对电力 电子知识的不断深入和探索，这样的经历让我印象深刻。还记得一开 始一直没有调试出来，先是检查出来稳压管坏了，之后又发现变压器 绕反了，这些错误虽然细小，甚至很难发现，但对一个电路的正常运 行至关重要，因此需要严谨地排查错误，细心地分析每一块电路出错 的地方，我相信这才是此次课程设计的目的所在。参考文献1 马洪涛，沙占友开关电源制作与调试中国电力出版社20092 杨荫福。段善旭，朝泽云电力电子装置及系统清华大学出版社，20063 王兆安，刘进军电力电子技术机械工业出版社，20084 张小林 冉建桥 李贤云我国开关电源发展的思考微电子学 2004郑国川李洪英实用开关电源技术 福建科学技术出版社 20042008 王水平 贾静 方海燕等开关稳压电源的原理及设计人民邮电出版社