..>設計的根本要求題目：反激型開關電源電路設計〔1〕本卷須知：①學生也可以選擇規(guī)定題目方向外的其它開關電源電路設計。②通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容?！?〕主要技術數(shù)據1、交流輸入電壓AC220V，波動±50%；2、直流輸出電壓5V和12V；3、輸出電流和200mA；4、輸出紋波電壓；5、輸入電壓在±50%范圍之間變化時，輸出電壓誤差〔3〕設計內容：1、開關電源主電路的設計和參數(shù)選擇2、IGBT電流、電壓額定的選擇3、開關電源驅動電路的設計4、開關變壓器設計5、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖6、電路仿真分析和仿真結果第二章主電路的原理2.1總體方案確實定輸入—EMI濾波—整流(也就一般的AC/DC類似全橋整流模塊)—DC/DC模塊(全橋式DC—AC—高頻變壓器—高頻濾波器—DC)—輸出。系統(tǒng)可以劃分為變壓器局部、整流濾波局部和DC-DC變換局部，以及負載局部，其中整流濾波和DC—DC變換器構成開關穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成局部。整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。直流/直流轉換電路，是整個開關穩(wěn)壓電源的核心局部。開關穩(wěn)壓電源的根本原理框圖如圖所示。EMIEMI濾波電路整流濾波電路輔助電路反響電路高頻變換器輸出整流濾波控制電路LN+4-16GND圖開關穩(wěn)壓電源根本原理框圖2.2反激型電路原理反激型電路存在電流連續(xù)和電流斷續(xù)兩種工作模式，值得注意的是，反激型電路工作于電流連續(xù)模式時，其變壓器磁芯的利用率會顯著下降，因此實際使用中，通常防止該電路工作于電流連續(xù)模式。其電路原理圖如圖所示。圖2.2反激型電路原理圖工作過程：當S導通時，電源電流流過變壓器原邊，增加，其變化為，而副邊由于二極管VD的作用，為0，變壓器磁心磁感應強度增加，變壓器儲能；當S關斷時，原邊電流迅速降為0，副邊電流在反激作用下迅速增大到最大值，然后開場線性減小，其變化為，此時原邊由于開關管的關斷，電流為0，變壓器磁心磁感應強度減小，變壓器放能。第三章器件的設計選型以及參數(shù)計算3.1EMI濾波電路開關電源以其效率高、體積小、輸出穩(wěn)定性好的優(yōu)點而迅速開展起來。但是，由于開關電源工作過程中的高頻率、di/dt和高du/dt使得電磁干擾問題非常突出。開關電源工作時，電磁干擾可分為兩大類：共模干擾是載流體與大地之間的干擾，干擾大小和方向一致，存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間，主要是由du/dt產生的，di/dt也產生一定的共模干擾。差模干擾是載流體之間的干擾，干擾大小相等，方向相反，其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。典型的單相EMI電路如圖3.1所示。圖3.1單相EMI濾波電路其中共模電感L1和L2采取雙線并繞的方式，電感量與EMI濾波器的額定電流I有關。需要指出，當額定電流較大時，共模扼流圈的線徑也要相應增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，可改善低頻衰減特性。C*電容采用薄膜電容器，容量范圍大致是μμF，主要用來濾除差模干擾。Cy電容跨接在輸出端，并將電容器的中點接地，能有效地抑制共模干擾。Cy亦可并聯(lián)在輸入端，仍選用陶瓷電容，容量范圍是μF。為減小漏電流，電容量不得超過μF，并且電容器中點應與大地接通。因此，最后選取個元件參數(shù)如下：差模干擾抑制電容：μF共模干擾抑制電感：T=20mH共模干擾抑制電容：μF3.2整流濾波電路在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相橋式不可控整流濾波電路，其電路圖如圖所示。圖3.2單相橋式不可控整流濾波電路根據設計要求可知交流輸入電壓范圍為110V—330V，單相橋式整流電路中，如果接有濾波電容且有負載時，輸出電壓一般設計為倍的輸入電壓，濾波電容越大輸出電壓越高，反之越低；而在負載開路時，輸出電壓為交流輸入電壓的峰值，即倍的輸入電壓。這里我們以倍的輸入電壓來計算，則=156V—467V二極管承受的最大壓降為，所以選取二極管型號為IN4005，其最高反向峰值電壓為600V。濾波電容選用220μF的電解電容。3.3變壓器反激式變壓器是反激開關電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)。設計變壓器參數(shù)：輸入電壓：兩路輸出電壓和電流：，；，反響電壓和電流:：，輸出功率開關頻率首先應根據以下公式計算變壓器的電壓比：式中，是開關工作時允許承受的最高電壓，該電壓值應低于所選開關器件的耐壓值并留有一定裕量，是輸入直流電壓最大值，是變壓器電壓比。根據設計要求可知交流輸入電壓值是220V，通過整流濾波輸出的直流電壓值為311V。由于有波動，輸入的波動是±50%，所以，取2倍的，故取934。由于有兩路輸出和一路反響，所以變壓器變比方下：式中：—5V的輸出，—12V的輸出，—20V的反響—原邊與輸出5V的匝數(shù)比?！吪c輸出12V的匝數(shù)比?！吪c反響20V的匝數(shù)比。當輸出電流最大、輸入直流電壓為最小值時開關的占空比到達最大，假設這時反激型電路剛好處于電流連續(xù)的臨界工作模式，則根據下式可以計算出電路工作時的最大占空比為：取實際占空比為，計算的值，如下：這里假定效率為90%，則初級平均電流可由假定效率，輸出總功率及最小總線電壓算出。一次側峰值電流：計算一次側電感值：選擇所需鐵芯時，使用法：式中—磁芯窗口面積，單位為；—磁芯截面積，單位為；—磁芯工作磁感應強度，??；—窗口有效使用系數(shù)，根據平安規(guī)定的要求和輸出路數(shù)決定，一般為～，此處??；—電流密度，一般取395A/cm2。則求得的的值為：選擇適宜的磁芯，一般盡量選擇窗口長寬之比較大的磁芯，這樣磁芯的窗口有效使用系數(shù)較高，同時可以減小漏感，即確定選用CL-76。CL-76的磁芯其具體數(shù)據為：按如下公式計算原邊匝數(shù)，即取匝。再根據原、副邊的匝比關系可以求出副邊的匝數(shù)。假設求出的匝數(shù)不是整數(shù)，這時應該調整*些參數(shù)，使原、副邊的匝數(shù)適宜。根據上述所求得的、、求二次側匝數(shù)，—輸出為5V的二次側匝數(shù)，取5—輸出為12V的二次側匝數(shù)，取11—反響為20V的二次側匝數(shù)，取18為了防止磁芯飽和，應該在磁回路中參加一個適當?shù)臍庀?，計算如下：繞線的選擇由設計方案可知在變壓器上有三局部繞組，輸入繞組電流，由可得繞線的截面積為第一路輸出繞組電流，第二路輸出繞組電流，第三路反響繞組電流，本次設計采用AWG導線，AWG導線的相關數(shù)據如表3.3所示表3.3AWG導線規(guī)格表AWG裸線截面積圓密耳電阻重量型號cir-milΩ/cmgm/cm2122236662440425106226134527282930100313233343510849361360837168013816212663927775根據表1結合所計算出來的導線截面積，選擇導線型號，結果如下：輸入繞組選用AWG-29；5V輸出繞組繞組選用AWG-21；12V輸出繞組選用AWG-30；反響繞組選用AWG-35。最后考慮各方面影響因素，變壓器繞制采用操作工藝相對簡單的"三明治〞式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數(shù)繞完，最后將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小。該方法是通過變壓器繞制工藝設計，控制變壓器的漏感，進而減小MOSFET的漏源極電壓尖峰。3.4輸出側濾波電路變壓器輸出側電路如圖所示：圖3.4輸出濾波電路計算輸出濾波電容：根據要求輸出紋波電壓，即輸出紋波電的峰峰值為，可根據輸出誤差估算出：為了更好的保證輸出地波形使紋波減小到最小，保證供電質量，由圖可知采用的是雙濾波環(huán)節(jié)，二次濾波電容選擇和選擇C1一樣的電容。這里選取電容值為220μF。選擇二極管VD：輸出整流二極管，，應選取IN5391型二極管同理由以上計算第二路輸出12V，200mA的電容、電感值及二極管。這里選取電容值為47μF。輸出整流二極管，，應選取IN4001型二極管功率IGBT及其控制電路功率MOSFET的選擇忽略變壓器漏感尖峰電壓，功率MOSFET的最小電壓應力為：考慮到變壓器漏感產生的尖峰電壓，并留有裕量，取VDSS為1200V的管子，選用APT90GF100JN?？刂齐娐凡捎肬C3842芯片控制開關器件的開通與關斷。UC3842是采用峰值電流模式控制的集成PWM控制器，專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。UC3842為雙列8腳單端輸出的它激式開關電源驅動集成電路。其管腳功能如圖所示：圖3.5.1UC3844的引腳圖該芯片雖然只有8個管腳，但是卻有兩個閉環(huán)控制回路，一個為內部誤差放大器所構成的電壓閉環(huán)控制回路，它將輸出電壓反響到第2管腳，同基準電壓比較，形成誤差電壓。另一個為內部電流感應比較器所構成的電流閉環(huán)控制回路，變壓器初級繞組中的電流在反響電阻Rs上產生的壓降，通過第3腳，與誤差電壓進展比較，調節(jié)PWM波的占空比。這兩個控制回路都是在固定頻率下工作的。其內部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，其內部構造如圖所示1腳為補償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接RC網絡對誤差放大器的頻率響應進展補償。2腳為電壓反響端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與的基準電壓進展比較，產生誤差電壓。圖3.5.2UC3842的內部構造3腳為電流檢測輸入腳，外接電流檢測電阻，將流過初級繞組上的電流實時反響到控制器，當3腳電壓等于或高于1V時，電流檢測比較器輸出高電平，復位PWM鎖存器，從而關閉輸出脈沖，起到過流保護作用。4腳外接定時RC網絡，用以確定振蕩器的工作頻率，其頻率通過式確定。5腳是地，是控制電路和電源的公共地。6腳為輸出端，采用圖騰柱式輸出，最大峰值電流為1A，能直接驅動功率MOSFET的柵極。7腳為集成電路的正電源，其開啟電壓為16V，關閉閥值為10V。一旦芯片開場工作，該芯片就能在10-16V之間波動的電源供電條件下正常工作，6V的差值電壓可有效地防止電路在給定工作電壓附近振蕩。當開關電源通電瞬間，高壓直流電通過一個大阻值的電阻降壓供給UC3844，當7腳的電壓大于16V時，芯片立即啟動，此時啟動電流小于1mA，此時無輸出，6腳輸出正脈沖，使變壓器也啟開工作，變壓器一路輸出繞組專門給UC3844供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時的工作電流約為15mA。在第7腳設有一個34V的齊納管穩(wěn)壓管，用于保證其內部電路絕對工作在34V以下，防止高壓可能帶來的損壞。8腳為基準電壓輸出，產生準確的+5V基準電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達50mA。通常我們通過測量該腳是否有穩(wěn)定的+5V輸出來判斷該IC是否正常工作。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區(qū)時間長短。死區(qū)時間、開關頻率同選取開關頻率和電容的關系如下所示：死區(qū)時間，頻率。死區(qū)時間，開關頻率，求得，。這里選用40nF的瓷片電容，則電阻值計算為3.6反響電路反響電路的基準電壓使用的是TL431，其參數(shù)如下：a.最大輸入電壓為37V；b.最大工作電流150mA；c.內基準電壓為；d.輸出電壓范圍為2.5—30V滿足電路要求。電壓反響電路的原理圖如圖所示圖3.6電壓反響電路原理圖輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反響到UC3842的①腳，調節(jié)R1、R2的分壓比可設定和調節(jié)輸出電壓，到達較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓Uo升高，則集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即UC3842①腳對地的分流變大，UC3842的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓Uo減小。同樣,如果輸出電壓Uo減小，則可通過反響調節(jié)使之升高。R1、R2的值都取，在TL431的K極得到一個的基準電壓，輸出電壓變化時，加在光耦合器上的電壓發(fā)生變化，反響到UC3842的電壓也發(fā)生變化，通過調節(jié)占空比便可調節(jié)輸出的變化。光電耦合局部電流放大系數(shù)傳輸比〔CTR〕通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流Ic與直流輸入電流If的百分比，即CTR=IC/IF×100%。選用光耦合器4N25，其CTR=20％，直流輸入電流IF=50mA可以求得至此，器件的設計選型以及參數(shù)計算根本完畢。第四章電路的仿真和結果一、EMI濾波電路其仿真電路如圖所示：4.1EMI濾波電路分別輸入50Hz交流電壓和50kHz以及60Hz上下頻干擾電壓，濾波輸出電壓波形如圖和所示：濾波輸出波形〔50kHz干擾〕濾波輸出波形〔60Hz干擾〕如果輸入有高頻電壓干擾，通過EMI濾波電路其將會被濾掉，結果輸出波形仍是50Hz的交流正弦電壓波。二、整流電路其仿真電路如圖4.4所示：圖4.4整流電路整流后輸出直流電壓波形如圖所示：圖4.5整流輸出直流電壓波形輸入為220V的交流電，整流輸出，輸出波形符合計算值結果。三、反激型電路其仿真電路如圖4.6所示：圖4.6反激型電路其中使用到VPULSE其參數(shù)含義如下所示：V1—起始電壓

V2—脈沖電壓

PW—脈沖寬度

TD—延遲時間

TR—上升時間

TF—下降時間輸出5V的仿真圖如圖所示：圖4.7輸出5V直流波形輸出12V的仿真圖如圖所示：圖4.8輸出12V直流波形四、控制電路其仿真電路如圖4.9所示：圖4.9UC3842控制電路圖其UC3842輸出端電壓波形如圖所示圖4.10UC3842輸出端電壓波形五、反響電路其仿真電路如圖4.11所示：圖4.11反響電路本電路采取311V直流電作為電源，變壓器由兩個電感和K元件組成，MOSFET由Sbreak元件代替，Sbreak無開關損耗，因此被用在理論仿真中非常適宜。Sbreak右側的1kΩ電阻消耗Sbreak關斷后一次側電感的儲能，電路中增加了負反響，用以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電壓波形見圖，可以看出輸出電壓是穩(wěn)定的5V左右。圖4.12帶有反響的輸出電壓波形反響電路采取采樣電壓和固定頻率的單極性三角波比較的方式，當三角波高于輸出采樣電壓時TABLE元件輸出高電壓，當三角波低于輸出采樣電壓時TABLE元件輸出低電壓。當輸出采樣電壓升高時，TABLE元件輸出的電壓占空比減小，此電壓加在Sbreak上，控制其開斷，使輸出電壓降低，從而到達穩(wěn)定輸出電壓的作用。三角波的輸出電壓波形如圖所示：圖4.13三角波的輸出電壓波形第五章結論和心得體會長達兩周時間的課程設計悄然完畢了，這次的課程設計不僅運用到了自己所學習到的關于開關電源的知識，也培養(yǎng)了自己如何去整體把握和完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習。課設是非常需要耐心和付出許多精力的，在這個過程中我們把所學的理論知識與實踐相結合，又提高了自己的實際動手的能力和獨立思考的能力。作為一名電氣專業(yè)的大三學生,我覺得做開關電源課程設計是十分有意義且有必要的。在本次課程設計的過程中，我感觸最深的是為了找