基于小型开关电源的设计毕业论文

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1、 . . . 33 / 39摘要随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整围小等缺点。为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85% 以上,稳压围宽,同时还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。本次开关电源的设计采用单端反激式拓扑结构,采用UC3842作为开关电源的主控芯片,逐一对开关电源的研究现状、发展前景以及本次设计的原理和电路结构进行介绍,其中高频变压器的设计和控制电路的设计是

2、论文的主要容,而开关电源的基本原理、特点、发展前景等容简要介绍。由于开关电源的可靠性和安全性是设计的基本原则,文章涉及了电路保护模块的设计和分析。关键词：开关电源；uc3842；高频；变压；单端反激；AbstractAs the global emphasis on energy issues,electronics product of energy dissipation problem will become more and more prominent.How to reduce the standby power consumption, improving the efficie

3、ncy of power supply become a presses for solution of the problem.Although the traditional linear regulated power supply circuit has simple structure, reliable operation, but it there is a low efficiency, large volume, copper iron consumption big, the high working temperature and the adjusting range

4、is small. In order to improve the efficiency, people developed a switch regulated power supply, its efficiency can reach more than 85%, wide voltage range, at the same time also has regulated characteristics such as high precision, do not use the power transformer, stabilized voltage supply is a kin

5、d of ideal. This design of switch power supply with single-ended flyback topology, using UC3842 as main control chip of switch power supply, one by one, research status and development prospects of the switch power and the design principle and circuit structure are introduced, including the design o

6、f high-frequency transformer and the design of control circuit is the main content of paper, and the basic principle of switch power supply, characteristics and development prospect are briefly introduced. Due to the switching power supply reliability and security of the basic principles of design,

7、the article involves the design and analysis of the circuit protection module.Key words: switching power supply; Uc3842. High frequency; Transformer; Single-ended flyback;第一章开关电源概述11.1开关电源简介11.2开关电源的原理和组成特点11.2.1开关电源的原理11.2.2开关电源组成特点21.3开关电源应用及发展前景31.3.1开关电源应用31.3.2开关电源发展前景5第二章开关电源设计方案72.1变换器设计方案论证7

8、2.1.1单端反激式开关电源变换器72.1.2单端正激式开关电源变换器电路：82.1.3 自激式开关电源变换器电路82.1.4 推挽式开关变换器92.1.5半桥式开关电源变换器102.2方案的设计选择112.2.1电源设计指标112.2.2电源设计方案选择11第三章开关电源系统设计123.1 开关电源主电路设计123.1.1输入滤波电路的设计123.1.2输入整流滤波电路的设计133.1.3高频变压器的设计143.1.4输出整流滤波电路设计173.2 控制电路分析设计183.3 反馈电路及保护电路的设计203.3.1反馈电路的设计203.3.2保护电路的设计23第四章单端反激式开关电源电路总结

9、与研究294.1总体电路图分析294.2 单端反激式开关电源的研究31附录34致37第一章 开关电源概述1.1 开关电源简介开关电源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。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。随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电

10、源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。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。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、

11、轻便化。另外,开关电源的发展与应用在安防监控,节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.2 开关电源的原理和组成特点1.2.1 开关电源的原理（1） 一般的开关电源电路包括整流滤波电路、高频变换电路、控制电路pwm/pfm、保护电路等模块。如图1-1所示：图1-1 开关电源基本原理工作框图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关

12、电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。1.2.2开关电源组成特点开关电源大致可由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成,四种电路介绍如下：1、主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电,这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要,提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样,与设定值进行比较,然后去控制逆变器,改变其脉宽或脉频,使输出稳定,另一方

13、面,根据测试电路提供的数据,经保护电路鉴别,提供控制电路对电源进行各种保护措施。3、检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4、辅助电源实现电源的软件远程启动,为保护电路和控制电路PWM等芯片工作供电。1.3开关电源应用及发展前景1.3.1开关电源应用随着电力电子技术的发展,特别是大功率MOS 管技术的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到150200 kHz,这使得功率损耗更小,电源的效率可达90%95%。用高频变压器取代工频变压器可大大减小体积,降低重量； 同时输出电压纹波降低到0.05%以,稳定度可达0.5%1%,抗干扰能力强而且智能化程度高,因为这些优良的特性,高功率开关

14、电源主要应用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用领域中,电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上,体积和重量只有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要应用于家电、IT 等领域,如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。下面简要介绍几种相关电源：1.通信电源通信业的迅速发展极推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流- 直流变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V 的直流电源。如在程控交换机用

15、的一次电源中,传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代,它通过MOSFET 或IGBT 的高频工作,开关频率一般控制在50100kHz 围,实现了高效率和小型化。近几年,一次电源的功率容量不断扩大,单机容量已从48V/12.5A 扩大到48V/200A、48V/400A。通信设备计算速度的不断提高,使得时钟频率不断提高,所用集成电路的种类繁多,其电源电压要求也各不相同,通常超过10 种,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC- DC 隔离电源模块,从中间母线电压变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要高功率密

16、度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。2.高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流- 直流- 交流- 直流变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题,也是用户最关心的问题

17、。采用微处理器作为脉冲宽度调制 的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压6075V,电流调节围5300A,重量29kg。3.大功率开关型高压直流开关电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等大型设备。电压高达50l59kV,电流达到0.5A 以上,功率可达100kW。自从上个世纪70 年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz 左右的中频,然后升压。进

18、入80 年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz 以上,并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。国对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。4.电力操作电源在上个世纪90 年代之前,电力操作电源几乎全部选用相控电源,即采用可控硅整流充电设备,由于可控硅整流在纹波、效率、体积等

19、方面不尽人意,监控系统也不够完善,尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控,对直流系统的性能和可靠性要求更高,因此90 年代之后更新换代为开关电源。变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的,它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。它的性能优劣直接关系到变电所的正常安全供电,进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后,输出电压精度高,其输出纹波系数从2%提高到0.1%,电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%,能够保证对蓄电池的平稳充放电,延长了电池使用寿命。由于采用模块化结构和N+1 备份方式,可根据实际负载容量的大小,选择合适的整流模块数量。当1 台电源故障时,

20、只需将该模块退出检修,而其它模块仍可继续运行,在保证系统充电容量的前提下,为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统,其备件需要1 个同样大小的硅整流模块,而改用高频开关后,只需备12 个高频开关单元就可以了,减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于0.9,而常规整流功率因数仅为0.7 左右,对同样的负载,采用高频开关模块可节省输入功率30%。1.3.2开关电源发展前景开关电源的发展方向是频率更高、体积更小、电压更低、电流密度更大、效率更高。随着电力电子器件开关频率的不断提高,使得开关电源的频率进一步提高,小功率DCDC 变换器的开关频率已将现在的200500

21、kHz 提高到1MHz 以上。频率的提高使体积进一步缩小,开关电源在封装结构上正朝着薄型,甚至超薄型方向发展,目前薄型封装尺寸已可达到7.5mm、8.5mm 和10 mm。半导体工艺等级在未来十年将从0.18 微米向50 纳米工艺迈进,芯片所需最低电压最终将为0.6V,但输出电流将朝着大电流方向发展。1991 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W,现在输出功率每立方英寸可达数百瓦。日本TDK 公司的分布式隔离型DCDC 转换器,输出电压12V、输出电流27A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸236W。而各种软开关技术的应用及用MOSFET 代替整流二极管都能大提高模块在低输出电压时

22、的效率,即将达到92% 、90%、87.5%。总体来讲可概括为五个方面：1、高频化技术随着开关频率的提高,开关变换器的体积也随之减少,功率密度也得到大幅提升,动态响应得到改善。小功率DC/DC变换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的不断提高,开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI等新的问题也将随之产生。 2、数字化技术在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作。目前,在整个的电子模拟电路系统中,电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化,而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。近年来,数字电源的研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走

23、在前面的公司主要有TI和Microchip。 3、软开关技术为提高变换器的变换效率,各种软开关技术应用而生,具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术,主要包括零电压开关/零电流开关谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制技术等。采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力,有助于变换器变换效率的提高。4、功率因数校正技术由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧功率因数仅为0.60.65。采用PFC变换器,网侧功率因数可提高到0.950.99,输入电流THD小于20%。既治理了电网的谐波污染,

24、又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC单相,APFC国外开发较早,技术已较成熟。目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两大类,采用PFC技术可以提高AC/DC变化器输入端功率因数,减少对电网的谐波污染,但还有待继续研究发展。5、模块化技术模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。近年来,有些公司把开关电源的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了智能化功率模块,不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力。为了提高系统的可靠性,有些制造

25、商开发了用户专用功率模块,它把一台整机的所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。第二章 开关电源设计方案2.1变换器设计方案论证2.1.1单端反激式开关电源变换器单端反激式电源变换器如图图2-1所示。图2-1 单端反激式开关电源变换器电路1工作原理：图中Ui是市电AC经过整流滤波后的直流电,反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感,当开关管VT1 导通时,

26、高频变压器初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容滤波后向负载输出,由于开关频率很高,使得输出电压,即滤波电容两端的电压基本维持恒定,从而实现稳压的目的。2特点：电路结构简单,成本低,低耗,输出功率为20100,可以同时输出不同的电压,有较好的电压调整率,但是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。2.1.2单端正激式开关电源变换器电路：单端正激式变换器电路如图2-2所示：图2-2 单端正激式开关电源变换器电路1工作原理：当开关管VT1导通时,原边绕组接向电源

27、Ui,以同名的工作关系,VD2也导通,这时复变绕组能量传递到输出端,同时滤波电感储存能量；当开关管VT1截止时,电感通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量,继续对负载RL供电。注：由于正激变换器的隔离元件T1纯粹是个变压器,因此输出端要加一个电感器L作为能量的储藏及传递元件。变压器的另一个绕组与VD1串联后接到Ui,主要起去磁复位的作用。2特点：输出功率围大,可输出50200 的功率,但变压器结构复杂,体积较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。2.1.3 自激式开关电源变换器电路自激式开关稳压电源变换器如图2-4所示：图2-4 自激式开关电源变换器电路1工作原理：当接入电源后在R1给

28、开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,

29、由变压器的次级绕组向负载输出所需要的电压。2特点：自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。2.1.4 推挽式开关变换器推挽式开关电源变换器电路如图2-5所示：图2-5 推挽式开关电源变换器1工作原理：两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。2特点：两个开关管容易驱动,但是开关管的耐压达到两倍电压峰值,对器件的耐压要求较高。2.1.5半桥式开关电源变换器半桥式开关电源变换器原理图如图六所示：图2-6 半桥式开关电源变换

30、器工作原理：稳态条件下,C1=C2,Tr1导通,C1上的1/2Vs加在原边线圈上,Tr1流过负载电流Io折算至原边电流加上磁化电流,经过占空比所定的时间后,Tr1关断。此时,由于原边绕组和漏电感的作用,电流续流流入原边绕组黑点标示端。但B点摆动到负电位A为0电位。如果原边绕组漏电感储存能量足够大,二极管D4将导通,钳位电压进一步变负。D4导通的过程,把反激能量再生,对C2进行充电。如果Tr2加有导通脉冲,Tr2导通,原边绕组黑点处变为负。Io折算电流加上磁化电流,经原边绕组和Tr2,然后重复以前的过程。当Tr1导通时,副边绕组电压使D1导通,电流通过二极管D1、电感L、负载R构成回路,当Tr1

31、关断,两个绕组电压变为零。Tr2导通时,D2导通,负载上的电流与电压方向没有发生改变,由此形成的方波电压,经过D和C3构成的滤波环节产生稳定的输出电压Vo。特点：晶闸管导通时,绕组电压为电源电压一半,关闭后开关管承受一半的电压,但会出现偏磁现象,控制较为复杂。同时,因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半,与推挽式电路相比,欲输出相同的功率,则开关晶体管必须流过2倍的电流。2.2方案的设计选择2.2.1电源设计指标本设计电源设计参数如下：输入电压：AC220V；输入电压变化的围：120v240v；输入频率：50HZ；输出电压：24v；输出电流：5A；输出效率按80%计算；2.2.2电源

32、设计方案选择综合以上开关电源变换器的拓扑结构和特点可知：单端正激开关电源由于变压器结构复杂,绕制方法困难,并且变压器体积较大,每组输出都需要额外加一个大的电感组成LC滤波来消除纹波,在开关电源设计中很少运用,所以本次设计不采用该拓扑结构。自激式开光电源结构复杂,但是设计过程中涉及自激振荡电路,脉冲宽度调制的控制系统,取样系统等,电路参数难易确定。推挽式开关电源两个开关器件需要很高的耐压,其耐压必须大于工作电压的两倍。因此,推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。而半桥式变换器虽然初级绕组只用一个,结构简单,但是两个开关管可能会出现同时导通的状态,并且电源利用率比较低,这里也不选用此变换

33、器。又根据电源设计指标可得：输出功率：P=U*I=24V*5A=120W；0150w属于小型开关电源类型,这里选择单端反激式拓扑结构,主电路结构简单,易控制,采用UC3842做主回路的主控芯片产生PWM控制开关管。由于开关电源的体积的大小很大一部分取决于开关频率,开关频率越大,所用的电容和变压器体积越小,UC3842的开关频率选择100k。由于此次设计电路元件不完全是按照计算出的数据,电路保护模块添加单片机AD模块,检测保护电路电压,反馈主控芯片或直接将掉电、报警等保护方式。第三章 开关电源系统设计3.1 开关电源主电路设计3.1.1输入滤波电路的设计随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现,

34、电磁干扰成为一种公害,这种干扰可能导致电子设备无常工作,特别是瞬间电磁干扰,其电压幅度高、上升速率快、持续时间短、随机性强容易对数字电路产生严重干扰,这引起国外电子界的高度重视。1电磁干扰滤波器的设计,如图3-1所示：图3-1 电磁干扰滤波器以上电路是简易EMI滤波电路,电路中包含共模扼流圈或共模电感L,滤波电容器C1C4,L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后,电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,食指不易通过。他的两个线圈分别绕在低损耗、高磁导率的氧化体磁环上。当有共模电流通过时,两个线圈产生的磁感就会相互增强。其中,L的电感量与EMI滤波

35、器的额定电流有关,参考下表3-1：额定电流IA136101215电感量围L823240.40.80.20.30.10.150.00.08图3-1 电感量围与额定电流关系C1C2采用薄膜电容器,容量的大致围是0.010.47uf,主要用来滤除串模干扰。C3C4跨接在输出端,并将电容器的中点接通,能有效的抑制共模干扰,围2200PF0.1UF,耐压值600v以上。3.1.2输入整流滤波电路的设计此次设计采用成品整流桥KBPC610,它是将四只硅整流管接成桥路形式,再用塑料封装成半导体器件,它具有体积小使用方便,各整流管的参数一致性好等优点,可广泛用于开关电源整流电路。整流桥共有四个输出端,交流输出

36、端和直流输出端各两个。其最大耐压可达1000v,允许通过电流10A。如图3-2所示：图3-2 KBPC610整流桥工作状态时,交流电经过共模电感的滤波后,输入整流桥的1端和3端,2端和4端输出直流,经过滤波电容后,变为直流电。3.1.3高频变压器的设计1单端反激式开关电源变换器如下图所示：单端反激式变压器又称电感储能式变压器,当高压开关管VT1 被脉宽调制Pulse Width Modulation,PWM脉冲信号激励而导通时,直流输入电压施加到高频变压器T 的原边绕组上,在变压器次级绕组上感应出的电压使整流管VD1 反向偏置而阻断,此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中；当开关管VT1 截止

37、时,原边绕组两端电压极性反向,副边绕组上的电压极性颠倒,使D1 导通,储存在变压器中的能量释放给负载。1变压器磁芯的选择：开关电源输出功率：3-1磁芯材料选用锰-锌铁氧体,其饱和磁感应强度为：5000Gs,相对磁导率：,取最大磁通密度：。当磁芯中磁感应强度小于时,磁芯的相对磁导率可取：,磁芯磁导率为：3-2其中开关管最大占空比：3-3其中, Vor是副边折射到原边的反射电压大小为135v；Vdcmin为最小输入直流电压,大小为120v；Vds是开关管漏源极电压,大小为10v；将以上数据代入后,得到输入占空比为50%；开关电源效率=80%；则所需要变压器面积乘积：3-4这里取窗口面积利用系数Kw

38、=0.4；电流密度J=400A/cm2；磁感应强度Bm=0.25；脉动电流和峰值电流比例系数为Krp=0.7；由于骨架需要,这里选择EI40磁芯,EI40参数：A=40mm ,B=26.8mm ,C=11.8mm,D=11.8mm, E=20.3mm, F=27.3mm；其磁芯截面积为：Ac=1.2*1.2=1.44cm2；窗口面积为：Am=0.8*2.03=1.62cm2；磁路长度为：L=9.2*10-2m磁芯面积乘积：App=Ac*Am=1.44*1.62=2.33cm2；综合以上计算,EI40型铁芯满足设计要求。2原边绕组匝数Np的计算根据公式 , 3-5代入计算可得Np=48.4匝,实

39、际取值为50匝；3输出绕组匝数的计算有公式 3-6其中,Uf是整流管的电压,大小取0.4V；代入公式可得：N2=9.76匝 ,这里取10匝。4反馈绕组匝数的计算根据公式3-6可得,反馈绕组匝数N2=8.5匝,这里取N2=9匝。5磁芯气隙宽度的计算：在单端反激式开关电源中,高频变压器磁芯的气隙对电源性能影响较大。为防止变压器磁芯发生磁饱和现象,要在磁芯中留有气隙。原边电感计算公式为：, 3-7其中Emin这里取300v,Pin=150w,Dmax=0.5；代入公式可得,Lp=750uH；其中,原边电流最大值为： 3-8将Lp,代入公式可得,Ip=2A；根据公式： 3-9其中,Ae是有效磁芯面积,

40、大小为1.44cm2,将Lp代入得,=0.06cm。6绕组线径的计算：A初级电流有效值Irms： 3-10将数据代入公式等于：Irms=0.818A；初级线径大小为:； 3-11其中,j是导线的电流密度,大小为2A/mm2；将值代入公式可得： d=0.94mm；B.二次侧电流有效值根据一二次侧电流关系式子： 3-12Np=50,Ns=10；将数据代入公式可得：Isp=10A. 根据公式： 3-13可得二次电流有效值:Isrms=4.7A。又有得：d=1.68mm。根据以上数据分析可得：原边绕组 N1 用 0.5mm 线径绕 50 匝；输出绕组 N2 用0.8mm 线径双线,并绕10 匝；反馈绕

41、组N3用0.5 线径绕9 匝。3.1.4输出整流滤波电路设计输出整流滤波电路见图3-3所示：图3-3 整流滤波电路开关变压器次级输出的低压脉冲经过 D3、D4整流,得到脉动直流电,经C13,C14电容滤波,输出稳定的复合要求的直流电源给负载。有根据输出电流5A的要求,此次选择肖特基二极管MBR745,相关参数如下表3-2所示：二极管型号反向电压值工作电流制造厂家MBR74545V7.5AMOTOROLA表3-2肖特基二极管参数表3.2 控制电路分析设计此次设计控制芯片采用功能完善的单端输出驱动集成电路UC3842芯片,其特点是除部PWM 系统外,还设有多路保护输入和稳定的基准电压发生器,同时还

42、具有小电流启动功能,性能可靠,目前广泛被各种普通电源采用,还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。1UC3842的介绍UC3842 是美国Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。UC3842 为8 脚双列直插式封装,主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM 锁存器、高增益 E/A 误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。端1为COMP 端；端2 为反馈端；端3 为电流测定端；端4 接Rt 、Ct 确定锯齿波频率；端5 接地；端6 为推挽输出端,有拉、灌电流的能力；端 7 为集成

43、块工作电源电压端,可以工作在8 40V ；端8 为部供外用的基准电压 5V,带载能力50mA 。其部原理结构如图3-4：图3-4 UC3842部原理结构其引脚介绍如下：1 脚为部误差放大器输出端,外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性；2 脚为误差放大器的取样电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的 2.5V 基准电压进行比较,产生误差电压,而控制脉冲宽度；3 脚为PWM 比较器的另一输入端,当检测电压超过 lV 时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态；4 脚为定时电容CT端,部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定,频率为：f=1.8 ；5 脚为接地端。6 脚为推挽输出端 ,部为图腾柱式

44、,上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为lA；7 脚为启动/工作电压输入端脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW 。8 脚为部5V 基准电压输出端,有50mA 的负载能力。2UC3842特点介绍UC3842在设计中的电路图如图3-5所示：图3-5 UC3842应用电路1采用单端图腾柱式 PWM 脉冲输出,输出驱动电流为200mA,峰值可达1A。2启动电压大于 16 V,启动电流仅 1mA 即可进入工作状态。处于正常工作状态时,工作电压在 1034 V 之间,负载电流为 15 mA。超出此限制,开关电源呈欠电压或过电压保护状态,无驱动脉冲输出。3. 设 5V基准电压源,经2

45、 1 分压后作为取样基准电压。4输出电流为 200 mA,峰值为1A,既可驱动双极型三极管也可驱动 MOSFET 管。若驱动双极型三极管,应加入开关管截止加速RC电路,同时将部振荡器的频率限制在40 kHz以下。若驱动MOSFET管,振荡频率由外接RC电路设定,工作频率最高可达 500 kHz。5设过流保护输入和误差放大输入两个 PWM 控制端。误差放大器输入构成主 PWM 控制系统,可使负载变动在30100 时输出负载调整率在8 以下,负载变动在70100 时负载调整率在3以下。6过流检测输入端可对每个脉冲进行控制,直接控制每个周期的脉宽,使输出电压调整率达到0.01% /V 。如果3脚电压

46、大于 1 V 或1脚电压小于 1 V,PWM 比较器输出高电平使锁存器复位,直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用1脚和3脚的电平关系,在外电路控制锁存器的开/闭,使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。因此,电路的抗干扰性极强,开关管不会误触发,提高了可靠性。7部振荡器的频率由4脚外接电阻与8脚外接电容设定。集成电路部基准电压通过4脚引入外同步。4脚和8脚外接RT、CT构成定时电路,CT的充电与放电过程构成一个振荡周期,其振荡频率可由下式近似得出：3.3 反馈电路及保护电路的设计3.3.1反馈电路的设计1电压反馈电路如图3-6所示：图3-6 电压反馈电路上图中,out端是输出电压24v端,输出电压

47、通过集成稳压器 TL431 和光电耦合器反馈到UC3842 的1脚,调节R10、R11 的分压比可设定和调节输出电压,达到较高的稳压精度。如果输出电压Uo 升高,集成稳压器TL431 的阴极到阳极的电流增大,使光电耦合器输出的三极管电流增大,即UC3842的2脚 电压升高,UC3842 的输出脉宽相应变窄,输出电压 Uo 减小。同样如果输出电压Uo减小,可通过反馈调节使之升高。1. TL431介绍TL431是由仪器公司TI 生产的一个具有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf2.5V到36V围的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2,在很多应用中

48、用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路,可调压电源,开关电源等。TL431工作原理：首先,Vout通过R会给TL431提供一电流Ika1mA,使得TL431工作起来,当TL431工作了以后,部就会产生一个2.5V的基准电压,这样R10和R11产生的分压就会和这个基准比较,而它两的比较直接影响了Ika的大小,譬如输出建立过程,输出刚开始没有,所以输出为低电平,这样Ika就很小,可以认为为零,而此时,R10,R11和限流电阻开始分压,一旦R11处的分压大于2.5V,这样Ika就会变大,这样R10、R11上的电流就会变小,从而得到的Vo就会降低,如果R11的分压一旦低于2.5V,Ika又会减

49、小,这样流过R10,R11支路的电流增加,从而达到稳定电压的目的。在此次设计电路中,若是Ika变大,则光耦就会导通,反馈至控制芯片UC3842上面,使得UC3842输出端PWM的占空比减小,输出电压减小,R11的分压就会减小,Ika输出电流减小,光耦反馈至主控芯片,从而形成反馈。2 . PC817介绍PC817是日本夏普的一款电子元器件的光电耦合器,广泛用在电脑终端机,可控硅系统设备,测量仪器,影印机,自动售票,家用电器,如风扇,加热器等电路之间的信号传输,使之前端与负载完全隔离,目的在于增加安全性,减小电路干扰,简化电路设计。部连接图见3-7图如下：图3-7 PC817光耦电路部结构图耦合器

50、以光为媒介传输电信号,它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管LED,使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大提高计算机工作的可靠

51、性。（2） 电流反馈电路的介绍电流反馈保护电路图见图3-8所示：图3-8 电流反馈保护电路图中,MOS管极电流通过R7 反馈到3842的3脚,当峰值电流超过设定值时, ISEN 脚电压会导致芯片部电流比较器翻转,3842调节输出占空比,MOSFET电流下降,如检测到过流电压远超过预设值,将会关闭输出脉冲,系统关闭,系统自动进入间歇启动阶段,短路故障排除后,电流恢复正常,系统恢复输出。其中,电阻R7的取之大小根据：又：；其中,Ur=1.0v,是ISEN 的部比较电压,Umin=120v,代入可得,R7=0.22,这里选择大功率电阻,功率为1w。3.3.2保护电路的设计由于在设计过程中,由于在主控

52、芯片UC3842的电流、电压反馈不太稳定,因为电阻电压都是通过计算得来的,没有仿真等测试,在实际过程中,电路的安全性是电路设计过程中最基本的原则,所以加上了测试部分,即：用单片机检测R7两端的电阻电压,当电阻电压大于1v时,就启动报警程,其中AD芯片选择AD0809,下面对芯片和相关电路介绍。1AT89s52的单片机介绍单片机原理图见图3-9所示：图3-9 单片机原理图51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flash rom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是

53、ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出,今后很长的一段时间将占有大量市场。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash,256字节RAM, 32

54、 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位 定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口, 片晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。2单片机电源电路设计电源设计电路见图3-10图3-10 单片机电源电路其中,OUT端是24v电压输出端,7805输入电压耐压值是36v,输出5v电压,供保护电路供电。3单片机晶振及复位电路晶振及复位电路见图3-

55、11图3-11 晶振电路左 复位电路右图单片机工作时,是一条一条地从RoM中取指令,然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间,称之为一个机器周期,这是一个时间基准。一个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz晶振,它的时钟周期是1/12us,它的一个机器周期是121/12us,也就是1us。机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义,而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了12MHz晶振,那么当定时器的数值加1时,实际经过的时间就是1us,这就是单片机的定时原理。简单地说,没有晶振,就没有时钟周期,没有时钟周期,就无法执行程序代码,单片机就无法工

56、作。复位电路是利用电容的充放电来复位,上电瞬间复位端的点位与VCC相同,随着充电电流的减少,RST的电位下降,最后被钳位在0v。4AD0809的介绍AD0809引脚见图3-12所示：图3-12 AD0809引脚图ADC0809是8位逐次逼近型A/D 转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成见图3-13。多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量,当OE端为高电平时,才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3-13 AD0809部结构图引脚介绍如下：IN0IN7：8

57、条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性,电压围是05V,若信号太小,必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变,如若模拟量变化太快,则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当ALE线为高电平时,地址锁存与译码器将A, B,C三条地址线的地址信号进行锁存,经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A,B和C为地址输入线,用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时,所有部寄存器清零；下跳沿时,开始进行A/D 转换；在转换期间,ST应保持低电平。EO

58、C为转换结束信号。当EOC为高电平时,表明转换结束；否则,表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号,用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1,输出转换得到的数据；OE0,输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的部没有时钟电路,所需时钟信号必须由外界提供 VREF,VREF-为参考电压输入。通道选择见表格3-3：CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表3-3 AD0809通道选择编码表此次设计电路中,采用51单片机与AD芯片直接相连,输入通道选择IN0通道,

59、即：C,B,A分别取0,电路原理图见图3-14：图3-14 AD电压转换显示电路AD芯片使用说明：1 .ADC0809部带有输出锁存器,可以与AT89S51单片机直接相连。 2 .初始化时,使ST和OE信号全为低电平。 3 .送要转换的哪一通道的地址到A,B,C端口上。 4 .在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5 .是否转换完毕,我们根据EOC信号来判断。 6.当EOC变为高电平时,这时给OE为高电平,转换的数据就输出给单片机了。电压检测仿真见图3-15：图3-15 AD电压检测仿真图上图中的检测电压是根据需要加上去的,实际电路中,IN0口接的是R7两端的电压,当R7两端的电压

60、大于1v时,电路进行报警,蜂鸣器和报警灯会闪烁,提醒工作人员进行相关操作。AD程序见附录。第四章 单端反激式开关电源电路总结与研究4.1总体电路图分析此次设计的总体思想是：交流电源经过整流滤波输出直流电压,在控制芯片的作用下,经过高频变压器后,电源电压的波形成为方波,经过蒸馏滤波后,输出24v稳定电压。开关电源主原理图见图4-1：图4-1 主电路原理图本设计采用常用电流控制模式芯片 UC3842 做为主控芯片组成AC220V通用输入反激式开关电源,设计功率为 120W ,AC输入电压通过L/C2、C3、C4构成的简单EMI 滤波器滤除外电网输入的共模,经过整流全桥P1整流为脉动直流电,通过C5

61、滤波,提供相对稳定的直流310V 电源,R、C15 提供UC3842启动电压,系统启动后,由UC3842第6 脚输出PWM 脉冲信号,推动Q1工作于开关状态,变压器 T 原边受开关电流影响,在 Q1导通时,将电能以磁能方式存储于磁性中,Q1截止时,存储于 T 中的磁能转化为电能通过D3、D4整流,经过C13 、C14 滤波,提供给负载,快速二极管 D2 和瞬态抑制二极管D1,构成关断尖峰吸收回路,将 Q1关断时,因为变压器漏感造成的反向电压尖峰钳制在允许 200V,以保护Q1不被击穿,R4、 R7构成过电流检测电路,当原边电流超过允许值时,UC3842部电流比较器翻转,拉低脉冲占空比,电流下降,以保护系统过流烧毁,R3、C8是芯片部RC振荡器定时电容和定时电阻,确定系统工作在100kHz,R10、 R11等电路构成24V 稳压反馈电路,当输出电压因负载变化引起输出电压变化时自动调节输出电压。图4-2 AD电压检测原理图单片机经过AD0809检测R7两端电压