新型反激式开关电源的设计.docx

学校代码： 10184学号： 2114163112延边大学本科毕业论文题目：新型反激式开关电源的设计学生姓名：老王学院：工学院专业：电子信息工程班级：2012级指导教师：老老王讲师二一六年六月摘要现今的时代是科技迅速发展的时代，电源作为各种科技的基础已经有着关键性的地位。因此，开关电源作为电源方面的主要科技，已经朝着高频化与集成化的方向迅速发展。开关电源在设计方面可能较为复杂，但是，与线性稳压器相比，其有着自身体积较小、质量较轻、效率较高和性能稳定等优势。因此被大量的应用在现场中。基于UC3842并根据反激式变压器的固有特点，本文设计了一个多端反激式开关电源系统，该系统能够五路的电压输出。现场中的输出电压不够稳定，此系统也能够稳定输出电压通过改变PWM脉冲。论文选择合理的电路结构，同时对选择的反激式变换电路结构进行了细致的分析，以电流反馈控制模式作为开关电源反馈控制。介绍了PWM控制芯片UC3842的原理和结构，详细介绍了主要芯片UC3842系统和外围子电路的设计，并对系统工作过程进行了分析。介绍了高频变压器工作原理并选择合适的方法。通过设计和计算得出变压器的参数，例如占空比、匝数等。关键词：开关电源；反激式；高频变压器AbstractTodays era is the era of rapid development of science and technology, as the basis for a variety of power supply technology has been a key position. Therefore, the switching power supply as the main power in the science and technology, it has been the rapid development towards the direction of high-frequency integrated with flower. In the switching power supply design may be more complex, However, compared with linear regulators, It has its own smaller, lighter quality, high efficiency and stable performance advantages. So it is the large number of applications in the field.Based on UC3842 and according to the inherent characteristics of the flyback transformer, This paper presents a multi-terminal flyback switching power supply system, The system is capable of five branch voltage output, Field output voltage is not stable enough, This system is also capable of stabilizing the output voltage by varying the PWM ulse. Thesis choose the right circuit structure, While the choice of a flyback converter circuit structure for a detailed analysis, A current feedback control mode as a switching power supply feedback control.PWM control chip UC3842 introduces the principle and structure, Details of the design of the main chip UC3842 system and peripheral sub-circuit, The working process of the system is analyzed. It introduces the principle of high-frequency transformer and select the appropriate method. Derived parameters of the transformer through the design and calculations, such as the duty cycle, the number of turns and the like.KeyWords: Switching power supply; Flyback ; High-frequency transformer目录摘要 IAbstract II引言 1第一章绪论 21.1 课题背景及意义 21.2 国内外研究现状 21.3 主要研究内容 3第二章系统结构设计 42.1 开关电源的基本工作原理 42.2 反激式变换器的基本工作原理 52.3 反激式开关电源反馈模式 6第三章系统硬件电路设计 73.1多端输出反激式开关电源设计 73.2 开关电源总体设计 73.2.1 控制芯片选型 73.2.2 开关电源总体设计框图 73.3 芯片外围电路设计 83.4 输入整流电路 113.5 MOS管缓冲吸收电路的设计 123.6 电路总图及工作过程 123.7反激式高频变压器参数设计 14结论 17参考文献 18谢辞 20引言随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。风力发电并网系统、光伏发电并网系统成为研究热点。而这些并网系统的正常工作往往需要给其主控系统、通信系统等功能模块提供多路稳定的隔离直流电源。另外在变频器、适配器、医疗仪器等精密电子系统，各类电器及仪表中的直流电源等功率等级较小的场合，也广泛使用了小功率电源。开关电源由于具有效率高、体积小等诸多优点，近年来在这些领域得到了越来越多的应用。由于反激变换器的电路拓扑简单，输出与输入电气隔离，能高效提供多组直流输出，升降压范围宽，因此在中小功率场合得到广泛应用。本文利用反激变换器的特点，基于UC3842设计了一种新型多功能隔离型反激式开关电源，能提供5路工作电源，还能自适应输入电压波动，随着输入电压的变化能自动调节PWM输出来保证输出电压的稳定。第一章绪论1.1 课题背景及意义在全球能源危机、环境严重污染等大背景下，人类对可再生能源的需求迫在眉睫。可再生能源中目前研究比较热点的话题是风能光能发电并网系统。而稳定的隔离直流电源可以为这些系统的通信、控制芯片和其他需要电源供电的模块提供一路或多路电源1。此外在小功率电源在适配器、稳压器、变频器和医疗仪器等对小功率电源的需求越来越大，同时功率等级较小的小功率电源在精密的电子系统、电器仪表等领域使用广泛。开关电源凭借其独有的轻重量、小体积、高效率的自身优点，近些年在需要稳定的开关电源领域得到诸多的应用。如今开关电源是主要运用在电子方面，调控开关管的导通和关闭时间的百分比，就能够保障输入电压的稳定，并能够提供电流持续的电源2。开关电源一般使用脉冲宽度调节的方法。就目前电子电力技术飞速发展技术水平不断地创新，开关电源的发展逐渐转向高频技术，而此时集成化也迅速发展，在二者的共同作用下，电源开关体积越来越小，重量越来越轻，效率越来越高，因此对高效率、高品质的开关电源的制作越来越重要，尤其在节约能源和环境保护等问题十分严峻的前提下3。这对日后开关电源的和研究和发展具有特别大的促进作用。1.2 国内外研究现状从二十世纪五十年代，小体积高效率轻质量的开关电源在美国首次被宇航局作认可作为搭载火箭研发利用以来，开关电源在多年的研发和演变过程中，日益代替了传统的相控稳压电源的地位，从而在电子设备市场中得以广泛应用4。开关电源同集成技术一样发展方向越来越小型化、集成化和模块化5。最近几十年，集成化的开关电源的发展方向主要有两个。一个是努力做到使开关电源控制的电路越来越集成化。二十世纪七十年代美国研制出PWM控制器集成度相对较高的电路，美国摩托罗拉公司、通用公司、Unitrode公司等推出了各种各样的PWM芯片6。进入二十一世纪一来，国外研制出的高速PWM、PFM芯片的开关频率可达1MHz。另一个方向是实现单片集成化的中、小功率开关电源。1994年，Power Integrations公司率先在美国制造出了领先世界的三端隔离式开关电源，这种开关电源属于交流到直流电源变换器。一段时间之后又推出了TOPSwitch系列、PeakSwitch系列以及LinkSwitch系列的产品7。同时意法半导体公司出品的中、小功率单片电源系列产品VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等，并取得广泛应用8。现在，单片开关电源已经形成数十个系列的数百种产品。单片开关电源凭借其高集成度、不复杂的电路、低廉的价格和优越的性能指标，现己成为开关电源模块、精密开关电源和小功率开关电源的优质首选选集成电路。同国外开关电源发展技术的发展比较，国内开关电源起步较晚、技术也比较落后，从20世纪70年代才开始进入发展期。目前国内的模块化开关电源市场主要被其他国家有优势的品牌所占据，这些品牌覆盖了中、小、大功率等模块电源大半壁江山。目前我国的开关电源技术正在飞速发展、国内开关电源的生产规模和技术日臻完善，国产开关电源产品正在与进口的开关电源中的中、小功率模块电源激励的竞争。二十世纪以来，我国在开关电源的技术研究领域不断创新不断努力也取得了突破性的进展同时与国外也存在着较大的差距9。1.3 主要研究内容本设计基于UC3842和反激式变压器固有的特性，设计了可以提供五路输出电压的反激式开关电源，并且可以根据对输入电压占空比的控制来保证PWM输出稳定的电压。本文的设计主要针对电子设备对稳定的开关电源的需求。本文分为三章，论文的研究内容为阐述开关电源基本工作原理。介绍了所反激式开关电源的变换结构和开关电源的电流反馈控制模式，以及讲述了以UC3842为主控芯片对PWM的控制原理和芯片结构，同时给出UC3842芯片的外围电路和系统电路的总体框图。第二章系统结构设计2.1 开关电源的基本工作原理一般来说，开关电源是以半导体器件为开关，将电源的状态由一种变成另外一种状态的电路。开关电源是在转变时具有自动闭环控制和稳定输出同时还具备相应的保护电路。开关电源根据电容和电感可以存储能量的特性，通过不断地导通开关管和关断开关管，使开关管中电压波动特别大的直流电流以磁场能的形式暂时的储存在电感元件当中，而后流经滤波器的能量传递给负载，这样得到的直流电压脉动很小，同时实现电压转换10。通过输入交流到输出直流的变换，就能产生稳定的直流电压。开关电源结构比较简单，如下图2.1所示由四个重要部分构成11。1.输入交流的整流滤波电路。该部分电路由输入交流电和输入整流滤波器组成，主要起到减小来自电网干扰的作用，同时避免高频噪声会污染电网，也实现对输入的交流电进行整流和滤波，同时给开关变换器较小纹波的直流电压。2.开关变换器。该部分是开关电源最重要的部分，由功率开关管和高频变压器两部分构成，起到将直流电压转化成频率较高的交流电压然后由高频变压器转输出可用的隔离交流电压12。3.PWM控制电路。该部分分为振荡器、基准电压、误差放大器和比较器四部分，控制电路产生PWM信号，反馈电路的作用是实现对PWM信号占空比的控制。4.输出的直流的整流滤波电路。该电路通过对高频交流电压由开关变换器输出的进行滤波就可获得期望的直流电压，为了防止高频噪声干扰给负载，该部分的基本原理与输入交流的滤波电路基本相同。图2.1 开关电源的基本构成2.2 反激式变换器的基本工作原理反激式变换器(Flyback Converter)是开关电源的一种，广泛应用于交流直流（AC/DC）和直流直流（DC/DC）转换，并在输入级和输出级之间提供绝缘隔离13。反激式变换器的工作原理如图2.2所示：反激式变换器的工作分为两个阶段，开关闭合和开关断开阶段。在开关闭合阶段，变压器的初级线圈（Primary Coil）直接连接在输入电压上。初级线圈中的电流和变压器磁芯中的磁场增加，在磁性中储存能量。在次级线圈（Secondary Coil）中产生的电压是反向的，使得二极管处于反偏状态而不能导通。此时，由电容向负载提供电压和电流。在开关断开阶段，初级线圈中的电流为0。同时磁芯中的磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压。此时二极管处于正偏状态，导通的电流流入电容和负载。磁芯中存储的能量转移至电容和负载中。图2.2 反激式变换器原理图反激式变换器主要拥有下面一些特点：（1）高频变压器一二次绕组同名端的极性相反，一次绕组同名端与U1正端相连，非同名端与开关管驱动端相连14。（2）高频变压器类似于储能电感，开关管在导通时向变压器存储能量，开关管截止时将能量传送给二次侧。（3）可通过高频变压器匝数比实现对输出电压大小的控制。（4）想得到多路输出可以通过增加二次侧绕组及相应电路的方式。（5）反激式变换器的输出电压U0表达式为2-1：（2-1）其中：占空比是D，开关管的工作周期是T，反激式变换器的输出阻抗是U0/U1，一次侧绕组的电感是* MERGEFORMAT。2.3 反激式开关电源反馈模式反激式开关电源主要有电压和电流两种控制，各有优缺点，必须根据实际情况选择最优的。本论文选取电流控制模式作为PWM控制电路。电流控制模式原理如图2.3所示：图2.3 电流控制模式原理图在电压控制环上又加电流控制环。电流控制模式的工作原理是在电流检测比较器的输入端对误差放大器输出信号与电流采样信号Up进行比较来调节输出脉冲的占空比，误差电压的变化引起输出峰值电流的改变。电流控制模式通过电阻R1周期性地检测开关管上通过的电流，达到过流保护的目的。首先通过频率一定的时钟脉冲置位PWM锁存器，然后高电平驱动信号在Q端输出，此时开关管导通，电路中电流逐渐开始增大，当电流检测电阻R1的电压降落UP大于等于基准电压Uref和取样电压UF比较形成的误差信号时，就会导致电流检测比较器进行翻转，同时输出的高电平复位锁存器，Q端输出驱动信号由高变低，促使开关管被关断。如此往复直到下一个时钟脉冲到来置位PWM锁存器。因此电流控制模式与电压控制模式相比增益宽带更大，输出电压更稳定，电压调整率更高，对输入电压发生改变时的响应更快。又因为电流控制模式带有限流的保护电路，改变R1就可以精确设定限流阀值。所以本论文选择属于双闭环控制系统的电流控制模式控制PWM。第三章系统硬件电路设计3.1多端输出反激式开关电源设计当前有关于电子设备的种类逐步增加，同时电子设备工作要求更加精确，因此，对被用作供电电源的开关电源性能要求也更加严格15。本文所设计的电源主要应用于电子设备，实现功能如下：1.宽输入电压范围,2.高精度输出电压,3.良好的电压调整率,4.纹波小,5.效率较高。3.2 开关电源总体设计3.2.1 控制芯片选型多功能反激式开关电源系统，最主要的就是控制器，芯片UC3842是由美国Unitrode公司制造的一种高性能的单端输出式电流控制型脉宽调制器，它的内部结构如图3.1所示。有些系统会令占空比适应负载的变化，而这种变化会带来输出电压的变化，而UC3842芯片可用于此。同时，该芯片具有电流反馈和电压反馈的双环控制，还能够输入过压保护和输出过流保护。因此，具有可靠稳定性，是其适用于电源现场的最大优势。图3.1 UC3842的内部结构图3.2.2 开关电源总体设计框图本文设计的反激式开关电源的总结构框图如图3.2所示16。图3.2 开关电源总体设计反激式开关电源的总体结构包括5部分组成：变换器、控制电路、EMI滤波电路、输入整流滤波电路、输出滤波电路。变换器由缓冲吸收回路、功率开关管、高频变压器构成；控制电路由芯片启动供电电路、时钟振荡电路、功率管驱动电路、电流采样与限流电路和电压反馈电路组成17。输入电压为交流220V，开关电源产生的噪声电和网的噪声被EMI滤波的电路吸收，经过整流滤波环节整可变为310V直流电，通过电压转化和整流滤波，可五路输出直流电。当输入电压有变化时，电压反馈能够保证稳定输出，反馈信号传到控制器，利用采样等方式，调整PWM输出的脉宽，又因为PWM的脉宽能够决定占空比，从而实现稳压18。3.3 芯片外围电路设计UC3842芯片外围电路如图3.3所示：主要有供电电路、启动停止电路、时钟电路、电流取样电压反馈电路、功率管驱动和保护电路等。其中A与输入整流电路输出端相连接，B与开关电源高频变压器相连接，C和D接反馈绕组。图3.3 UC3842芯片外围电路原理图（1）供电电路、芯片启动停止电路图3.3是UC3842的启动电路，该电路不仅能够给主控芯片提供工作电压，而且在发生故障时停止工作。UC3842供电由两个阶段组成：启动阶段和正常工作阶段14。启动电路是由R1和C8构成。启动后，电容C8需要被电阻R1的电压充电达到16V，因为正常启动后的工作电压是13V16V之间，而工作电流会不大于1毫安。（2）振荡器与时钟电路UC3842的工作频率通过此图3.3所示电路设定。时钟振荡电路由R6、C11、C12和芯片内部的振荡器组成。锯齿波形成的方式是C12是在芯片输出的5V充电，其内部的电流源将充满电的电容放电。时钟信号的发生时通过振荡器的输出与锯齿波相反每个振荡周期波形从1.1V升高到2.8V再下降到1.1V。而通过改变电阻R6与电容C12的值可以改变振荡周期。（3）电流取样与限流电路功率开关管电流的采集和限流通过此电路实现。电路图如图3.4所示。在正常工作情况下，R11的峰值电压由电流采样得出，在经过放大器输出为Vc，流过R11的峰值电流为3-1所示：(3-1)电流波形出现大的峰值是因为在电路中电容的放电，而较大的峰值也会误导芯片触发，通过RC滤波器可以消除这个隐患。电流尖峰的时间应为RC电路的时间常数，因此，取R9=1K，C13=500pF，这时可得时间常数=R9C13=500(ns)。为了减少功率损耗R11的值应该尽量小。图3.4 电流取样电路（4）电压反馈与误差放大器电路UC3842的反馈电压由此电路提供，并通过控制令其稳定输出。电路图如图3.5所示。将2.5（12%）V的基准电压接到放大器同向输入，补偿网络存在于引脚1和引脚2之间，这样的目的是能够容易把闭环频率响应控制住。在电路中会出现一个极点，通过R4和C10数值的适当选择，能够消除这个极点。为了改善放大器的动态响应，可以添加补偿电路，同时也能够提高稳定性。图3.5 误差放大器的基本电路（5）功率管驱动电路此功率开关管的导通与关闭由此电路驱动。电路图如图3.6所示。MOS管的开关由PWM直接控制，而驱动电流的峰值由R10限制，此处取18K。为了能够使MOS管开关更加快速，同时功率管的电路回路的提供，由芯片6管脚提供（6管脚提供的是图腾柱式输出电压）。R8取值为15K，采样电阻为R11。图3.6 功率管驱动电路（6）芯片保护电路本系统设计了过流保护和欠压保护。当电流检测输入端电压超过1V，电流比较器的输出高电平，此时复位PWM锁存器输出端就会关闭；电路要正常工作供电电压VCC必须达到工作标准电压。3.4 输入整流电路根据设计要求，交流电转化为直流电在EMI滤波之后。这里，我们采用单相桥进行电路的整流电路如图3.7所示。四个二极管连接构成电桥形式电路。在电压U1为正时二极管VD1和VD4正向导通，此时二极管VD2和VD3反向截止，负载上脉动电压为上正下负，在忽略变压器的内阻和二极管压降时，有U0=U1。在U1为负时，二极管VD2和VD3正向导通，二极管VD1和VD4反向截止，负载上脉动电压仍是上正下负，在忽略变压器内阻和二极管压降时，有U=U1。图3.7 桥式整流电路3.5 MOS管缓冲吸收电路的设计较大的尖峰脉冲在整个开关器工作期间的产生是因为变压器的漏感、布线的引线电感。同时，在迅速恢复输出整流二极管时，也会出现此现象。这种现象可能会影响器件正常工作，还会造成噪声干扰。基于此，需要进行配置尖峰电压缓冲器吸收缓冲值。电路如图3.8所示，在MOS管的源极与漏极之间添加此元件，MOS管在工作和停止时，电路中的电压不允许突变，在加入缓冲元件后，峰值电压后在元件中储存，不会在电路中突变。随后在元件中储存的能量会被消耗，从而起到了缓冲的目的。图3.8 MOS管的缓冲吸收电路3.6 电路总图及工作过程前文已经对系统的电路进行了分析，系统的总体设计图如图3.9所示。220V交流电为电路的输入，通过EMI滤波器和整流桥后，输出为310V直流电。通过电容的作用，当UC3842的7引脚到达16V时，UC3842开始正常工作。开关电源的反馈绕组两端的电压通过器件处理后，送到差放大器反相输入端，经比较后，更改开关管的开关宽度可以通过调整PWM脉冲。将采样电阻流过的电流转变为电压引入芯片第3脚，在取样电阻上电压大于1V时，UC3842芯片第6脚不会有脉冲输出，此时可以改变输出脉冲占空比和保护功率管实现稳定电压的作用。反激式开关变换器的工作原理是当开机后，220V市电经过EMI滤波器、整流桥和滤波电容C5、C6后，转化为约310V的直流电；电容上310V的电压通过启动电阻R1对电容C9充电，当UC3842的7脚（Ucc端）达到导通门槛电压（16V）后，UC3842开始工作，此后芯片由反馈绕组供电，电压维持在13V左右。反馈绕组NS两端的电压经由VD2、C7、C8整流滤波、R9分压后，从2脚送入UC3842的误差放大器反相输入端，反馈电压与基准电压（2.5V）经误差放大器比较放大后，调整PWM输出脉冲的宽度，从而稳定输出电压。主回路电流由取样电阻进行取样，取样电压经3脚加到UC3842内的电流比较器的一个输入端，与误差电压放大器的输出进行比较，当该取样电压等于误差电压（最大值为1V）时，UC3842的输出脉冲被中断，从而实现限流保护。该电源用UC3842的PWM输出经驱动电阻后直接驱动开关管。图3.9 电路总图3.7反激式高频变压器参数设计变压器参数设计如下：（1）最大占空比开关电源输入电压为110250V交流电，经过整流和滤波后得到最大和最小的直流电压为D_max340V、U_min150V。开关电源产生电动势E大约为170V。由最大占空比的公式3-2：（3-2）代入以上参数算可得3-3：（3-3）（2）选取磁芯用用面积乘积法选取磁芯。D_max已知为0.531，为60W，为80%，根据介于0.20.4之间，所以取* MERGEFORMAT为0.35，值介于0.20.3，故取为0.25T，f为40KHz，* MERGEFORMAT为0.7，电流密度J取J=400A/* MERGEFORMAT由式3-4可得：（3-4）（3）计算电感L1一次侧电流峰值* MERGEFORMAT为式3-5:（3-5）由公式3-6计算一次侧的电感量：（3-6）（4）确定一次绕组匝数一次侧电压波形可以近似看成矩形波，因为Kf=1/，所以有1/Kf=* MERGEFORMAT，所以一次侧绕组匝数为式3-7:（3-7）取157匝。（5）当输出绕组和反馈绕组匝数确定一次侧绕组匝数后反馈绕组匝数为式3-8：（3-8）取19匝。反激式开关电源是一二次侧反射电压取常用值为135V。整流管正向压降为，二极管电压取0.8V。同理得：+24V绕组匝数为N1=(24+0.8)=28.8匝，取29匝。+15绕组匝数N2与反馈绕组匝数相同，为19匝。+9V绕组匝数N3=(9+0.8)=11.4匝，取12匝。两组+5V绕组N4=(5+0.8)=6.7匝，取7匝。（6）计算变压器的气隙宽度反激式开关电源中一般在磁芯加入空气间隙以防止高频变压器出现磁饱和现象。加入气隙会提高绕组工作电流和增大磁饱和电流。同时减少磁导率变化和线性化磁化曲线，稳定绕组电感值。变压器中加入气隙对电源的是有利的。由下公式3-9计算气隙得：（3-9）因为磁路间隙的总和为气隙宽度，所以气隙宽度的1/2即为磁芯间隙即1.7mm。（7）计算导线的直径对于圆形截面漆包线，导线直径d与面积s的关系为式3-10：（3-10）而流经导线电流的有效值，截面积s及电流密度J之间的关系为3-11：（3-11）因此推出导线的直径为3-12：（3-12）所以一次侧导线的直径为3-13：（3-13）+24V绕组导线的直径为3-14：（3-14）+15V绕组与反馈绕组导线的直径相同，为+9V绕组导线的直径为+5V绕组导线的直径为当导线直径d1.4mm时，大多数使用多股导线并绕的方式。多股导线并绕方式相比于单股粗导线绕制的方式，输出绕组等效截面积明显增大，同时改善了磁场耦合的程度，减小磁场的泄漏与漏感，提高变压器输出功率的效率。结论本文充分利用芯片UC3842的引脚少、外围电路简单、性能好、价格低等优点，以其为核心开发了结构简单、成本低廉、性能稳定的具有5路隔离输出，能够满足诸多系统的供电要求，结合设计指标，详细设计了一种高频变压器及其参数的选取、实际占空比、一次绕组电感值的计算、反激式变压器磁芯的选择、各绕组匝数的计算以及变压器气隙大小的计算等问题进行了详细的分析与设计。结果表明，所设计的电源具有结构简单，稳压性能优良，纹波小，电压调整率、负载调整率高等优点。达到了预期的要求，能够在输入电压变化较大的情况下长期稳定地工作。可作为工作电源应用于电动车蓄电池充电器、风力发电系统、光伏发电系统、电源适配器、应急照明设备等，具有良好的应用前景。本课题的研究仍有尚待完善之处，在此提出下一步研究展望，本次设计的副边整流电路仍是整机效率的主要环节之一，因此研究具有高可靠性的同步整流电路可以达到更高的转换效率，同时控制策略也是研究热点之一。参考文献1 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