引言隨著開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對(duì)其需求量日益增長,并且對(duì)電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，兩者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但兩者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使開關(guān)電源技術(shù)也不斷的創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，從而為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源更進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各在開關(guān)電源制造商都致力同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度(Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。要加快我國開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度就必須走技術(shù)創(chuàng)新之路，走出有中國特色的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合發(fā)展之路，為我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。2方案論證2.1DC∕DC轉(zhuǎn)換器的選擇根據(jù)高頻變換器的工作方式，可分為正激式和反激式等多種。高頻變換器工作時(shí)是利用一功率開關(guān)器件的高速通斷，從而使變換器進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為正激式；反之，即電子開關(guān)截止時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為反激式。方案一：采用正激式變換器開關(guān)電源正激式變換器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)，在一些對(duì)輸出電壓參數(shù)要求比較高的場(chǎng)合，經(jīng)常使用。圖2-1正激式變換器工作原理圖正激式變換器開關(guān)電源工作原理：所謂正激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。圖2-1是正激式變換器開關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖2-1中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。需要特別注意的是高頻變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把高頻變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反，圖2-2就不再是正激式變換器開關(guān)電源了。正激式變換器開關(guān)電源有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在控制開關(guān)K關(guān)斷的瞬間開關(guān)高頻變壓器的初、次線圈繞組都會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是由流過變壓器初線圈繞組的勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖2-1中，為了防止在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變換器中增加一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線圈N3繞組，以及增加了一個(gè)削反峰二極管D3。并且，正激式開關(guān)電源的體積比較大，應(yīng)用于較高電壓輸入，較大功率輸出的場(chǎng)合。方案二：采用反激式變換器開關(guān)電源反激式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，體積比較小，輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對(duì)于正激式開關(guān)電源來要高很多。并且在反激式開關(guān)電源中，在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，反激式變換器的變壓器儲(chǔ)能向負(fù)載釋放，磁芯自然復(fù)位，不需要加磁復(fù)位措施。因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。其核心部件包括開關(guān)、變壓器、二極管和電容。開關(guān)由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，通過閉合與導(dǎo)通在變壓器兩端產(chǎn)生高頻方波信號(hào)。變壓器將產(chǎn)生的方波信號(hào)以磁場(chǎng)感應(yīng)的方式傳遞到次級(jí)線圈。通過二極管和電容的濾波整流作用，在輸出端得到穩(wěn)定的直流輸出。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變換器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。反激式轉(zhuǎn)換器的工作分為兩個(gè)階段，開關(guān)閉合和開關(guān)斷開階段。在開關(guān)閉合階段，變壓器的初級(jí)線圈直接連接在輸入電壓上。初級(jí)線圈中的電流和變壓器磁芯中的磁場(chǎng)增加，在磁性中儲(chǔ)存能量。在次級(jí)線圈中產(chǎn)生的電壓是反向的，使得二極管處于反偏狀態(tài)而不能導(dǎo)通。此時(shí)，由電容向負(fù)載提供電壓和電流。在開關(guān)斷開階段，初級(jí)線圈中的電流為0。同時(shí)磁芯中的磁場(chǎng)開始下降，在次級(jí)線圈上感應(yīng)出正向電壓。此時(shí)二極管處于正偏狀態(tài)，導(dǎo)通的電流流入電容和負(fù)載。磁芯中存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移至電容和負(fù)載中。圖2-2反激式變換器工作原理圖Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，C是儲(chǔ)能濾波電容，R是負(fù)載電阻。圖2-2（b）是反激式變換器開關(guān)電源的電壓輸出波形。綜上，本設(shè)計(jì)選擇反激式開關(guān)電源。2.2PWM驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)器件的方案論證開關(guān)電源中的功率開關(guān)晶體管是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約60%是功率開關(guān)晶體管損壞引起的。用作開關(guān)的功率管有雙極型晶體管BJT和MOSFET兩種。方案一：功率開關(guān)器件使用雙極型晶體管(BJT)。但是由于BJT是電流控制器件，需要直流電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。開關(guān)損耗大，對(duì)溫度變化十分敏感。而且工作時(shí)較之MOSFET開關(guān)管的噪聲更大。方案二：功率開關(guān)器件使用場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。用作功率開關(guān)管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強(qiáng)型器件。這是因?yàn)镸OSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型半導(dǎo)體器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲(chǔ)存時(shí)間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)，良好的散熱穩(wěn)定性。MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路直接控制其溝道而使其導(dǎo)通，它是電壓驅(qū)動(dòng)，純電容輸入阻抗，低速驅(qū)動(dòng)時(shí)不需要直流電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，對(duì)溫度不敏感，開關(guān)損耗小。而且開關(guān)速度快，具有驅(qū)動(dòng)功率小，導(dǎo)通內(nèi)阻小，器件功率容量大等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的開關(guān)器件。PWM驅(qū)動(dòng)電路工作頻率為1KHz，電流峰值10A，選用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)器件比較理想。3原理概述3.1原理簡(jiǎn)述本次12V120W開關(guān)電源設(shè)計(jì)，采用電壓為12V，功率為120W，開關(guān)頻率為100KHz。開關(guān)電源電路原理圖如附錄一。電路主要由整流濾波電路和反饋電路兩部分組成。R31是負(fù)溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻，對(duì)減小啟動(dòng)時(shí)的沖擊非常有效。圖中的T2、C8、C14、C15和C18組成EMI濾波器。以改善開關(guān)電源的電磁兼容性。220V交流經(jīng)過整流濾波后得到300V左右的直流電壓。當(dāng)電源接通時(shí)，高壓直流給UC3843供電，UC3843工作后，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管，在高頻變壓器的原邊就形成了高壓的直流脈動(dòng)，開關(guān)電源正常工作。同時(shí)，也在變壓器的兩組副邊上形成脈沖，一組經(jīng)過整流濾波后供給UC3843，另一組整流濾波后形成12V直流電壓。反饋電路以TL431和光電耦合器為核心，輸出電壓經(jīng)過電阻R32、R40和W1分壓后送入TL431的1腳，當(dāng)電壓高于2.495V時(shí)，TL431導(dǎo)通，光電耦合器工作，導(dǎo)致UC3843的2腳高電平，PWM關(guān)段，輸出電壓降低。反之，輸出電壓升高。高頻變壓器的設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)中的核心工作。高頻變壓器的參數(shù)和制作工藝直接影響開關(guān)電源的性能。根據(jù)電源功率和開關(guān)電源工作頻率，選擇EC42型鐵氧體磁芯，功率容量充分滿足設(shè)計(jì)需要。4系統(tǒng)組成4.1整流濾波電路圖4-1為整流濾波電路。該電路主要由NTC熱敏電阻器、EMI濾波器和橋式整流電路組成。圖4-1整流濾波電路將交流電變換為直流電的過程叫做整流。整流電路雖然可以幫交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但是所輸出的都是脈動(dòng)直流電壓，其中含有較大的交流成分，保留脈動(dòng)電壓的直流成分，盡可能的濾除它的交流成分，這就叫濾波。進(jìn)行整流濾波的設(shè)備叫做整流器。整流器一般有三部分組成。(1)整流變壓器把輸入的交流電壓變?yōu)檎麟娐匪蟮慕涣麟妷褐怠?2)整流電路由整流器件組成，他把交流電變換成方向不變但大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)直流電。(3)濾波電路把脈動(dòng)的直流電變換為平滑的直流電供給負(fù)載。電力系統(tǒng)供電電壓的波動(dòng)，或者負(fù)載阻抗發(fā)生變化，都會(huì)引起整流器輸出電壓隨之變化。4.1.1EMI濾波器EMI濾波器是一種由電感和電容組成的低通濾波器，它能讓低頻的有用信號(hào)順利通過，而對(duì)高頻干擾有抑制作用，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。干擾從形成特點(diǎn)來看，可分為串模干擾和共模干擾兩種。EMI濾波器對(duì)串模、共模干擾都能起到抑制作用。串模干擾是兩條電源線之間的噪聲。共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地的噪聲。因此，EMI濾波器應(yīng)符合電磁兼容性的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面是要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身設(shè)備向外部發(fā)出噪聲干擾。為減小體積、降低成本。開關(guān)電源一般采用EMI圖4-2為EMI濾波器的原理圖，從圖中可以看出C1、C2、C5、用來濾除串模干擾，C3、C4用來濾除共模干擾。圖4-2EMI濾波器4.1.2橋式整流電路1單相橋式整流電路的結(jié)構(gòu)及工作原理單相橋式整流電路如圖4-3所示，圖中T1為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的交流電壓u，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。圖4-2是其電路簡(jiǎn)化畫法。單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。其波形如圖4-4所示。原理分析:如圖4-4所示，在變壓器二次側(cè)電壓u的正半周，其極性為上正下負(fù)，即a點(diǎn)電勢(shì)高于b點(diǎn)，此時(shí)二極管D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器。于是在負(fù)載電阻RL上得到一個(gè)極性為上正下負(fù)的半波電壓u0。在導(dǎo)通時(shí)二極管的正向壓降很小，可以忽略不計(jì)，因此，可認(rèn)為u0的這半個(gè)波和u的正半波是相同的，如圖4-5中的段所示。其電流通路可用圖1中實(shí)線箭頭表示。在的u的負(fù)半周，其極性為上負(fù)下正，即a點(diǎn)電勢(shì)低于b點(diǎn)，此時(shí)二極管D2、D4正向?qū)?，D1、D3反偏截止，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器。同理，在負(fù)載上得到一個(gè)半波電壓，極性依舊是上正下負(fù)，與前面得到的相同，如圖4-5中的段所示。其電流通路如圖4-5中虛線箭頭所示。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓（脈動(dòng)電壓即極性一定但大小變化的單向電壓）。圖4-3單相橋式整流電路簡(jiǎn)化畫法圖4-4整流變壓器二次側(cè)電壓u的波形圖4-5整流電路相應(yīng)的輸出電壓與電流的波形根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖4-5所示。由圖可見，通過負(fù)載RL的電流iO以及電壓uO的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。2單相橋式整流的主要參數(shù)和計(jì)算根據(jù)以上分析，單相橋式整流得到單向脈沖電壓，對(duì)于這種電壓，常用一個(gè)周期的平均值（非有效值）來說明它的大小。單相橋式全波整流電壓的平均值：（4-1）式中U為變壓器二次側(cè)電壓u的有效值。式(4-1)表明單相橋式全波整流電壓與交流電壓有效值之間的關(guān)系。由此得出整流電流（即負(fù)載電流）的平均值：（4-2）在以為周期的每一個(gè)周期內(nèi)，每兩個(gè)二極管串聯(lián)導(dǎo)電時(shí)間只有半個(gè)周期，因此，每個(gè)二極管中流過的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即（4-3）該電路中還有一個(gè)不可忽視的參數(shù)，就是二極管反偏截止時(shí)所承受的最高反向電壓。從圖1可得，當(dāng)二極管D1和D3導(dǎo)通時(shí)，如忽略二極管的正向壓降（將其視為導(dǎo)線），處于截止?fàn)顟B(tài)的D2和D4陰極電勢(shì)就等于a點(diǎn)的電勢(shì)，陽極電勢(shì)就等于b點(diǎn)的電勢(shì)。所以，處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管所承受的最大反向電壓就是變壓器二次側(cè)電壓的最大值，即（4-4）流過負(fù)載的脈動(dòng)電壓中含有直流分量和交流分量，可將脈動(dòng)電壓作傅立葉分析，分析結(jié)果為（4-5）4.2反饋電路目前大多數(shù)開關(guān)電源都采用離線式結(jié)構(gòu)，一般從輔助供電繞組回路中通過電阻分壓取樣，該反饋方式的電路簡(jiǎn)單，但由于反饋直接從輸出電壓取樣，沒有隔離，抗干擾能力也差，所以輸出電壓中仍有2%的紋波。本電路中為解決這個(gè)問題采用了可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817構(gòu)成反饋電路。如圖附錄一所示，反饋電路以TL431和光電耦合器為核心，輸出電壓經(jīng)過電阻分壓后送入TL431的1腳，當(dāng)電壓高于2.495V時(shí)，TL431導(dǎo)通，光電耦合器工作，導(dǎo)致UC3843的2腳高電平，PWM減小，輸出電壓降低。反之，輸出電壓升高。TL431和光電耦合器在第5部分主要元件介紹里做了詳細(xì)介紹。5硬件電路設(shè)計(jì)5.1光電耦合器光電耦合器（OpticalCoupler,OC）也叫光電隔離器（OpticalIsolation,OI）,簡(jiǎn)稱光耦。它是一種以紅外光進(jìn)行信號(hào)傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實(shí)際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流控制，發(fā)出不同強(qiáng)度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光——電反應(yīng)也是隨著光的強(qiáng)弱改變而變化的。這就實(shí)現(xiàn)了“電——光——電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號(hào)傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向信號(hào)傳輸，輸入端和輸出端完全實(shí)現(xiàn)了隔離。不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。因?yàn)樗且环N發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級(jí)間耦合、信號(hào)傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋回路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的，并可以通過光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。在光電內(nèi)部，由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很?。?pF以內(nèi)）所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對(duì)輸出電流的影響很小，因而共模抑制比很高。輸出特性的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。當(dāng)IF>0時(shí)，在一定的IF作用下，所對(duì)應(yīng)的IC基本上與VCE無關(guān)。IC與IF之間的變化成線性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。在設(shè)計(jì)本次開關(guān)電源時(shí)，對(duì)光耦的選取原則是：電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%(如4N35)，而pc817則為80%～160%。當(dāng)CTR為80%時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管需要較大的工作工作電流（>5.0MA）才能控制電路的占空比。這樣做的結(jié)果是增加了光電耦合器的功耗。當(dāng)CTR>160%時(shí)，若啟動(dòng)電流或輸出負(fù)載發(fā)生突變，有可能發(fā)生誤觸發(fā)，即誤關(guān)斷，影響正常工作。②要采用線性良好的光電耦合器。因?yàn)楣怆婑詈掀骶哂辛己玫木€性時(shí)，電源控制調(diào)整十分有序，輸出穩(wěn)定可靠。因此，本設(shè)計(jì)中光電耦合器的采用為：光耦PC817。5.2NTC熱敏電阻器NTC是英文NegativeTemperatureCoefficient的縮寫。其含義為負(fù)溫度系數(shù)。NTC熱敏電阻器是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料，采用電子陶瓷工藝制成的熱敏陶瓷組件。它的電阻值隨溫度的升高而降低。應(yīng)用熱敏電阻器時(shí)，必須對(duì)它的幾個(gè)比較重要的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試如標(biāo)稱阻值、額定功率、B值范圍等。一般來說，熱敏電阻器對(duì)溫度的敏感性高，所以不宜用表來測(cè)量它的阻值。這是因?yàn)槿f用表的工作電流比較大，流過熱敏電阻器時(shí)會(huì)發(fā)熱而使阻值改變。但用萬用表也可簡(jiǎn)易判斷熱敏電阻器能否工作。在開機(jī)瞬間，電容器對(duì)電源幾乎呈短路狀態(tài)，其沖擊電流很大，造成變壓器過載。串聯(lián)上NTC熱敏電阻，這樣在開機(jī)瞬間，電容器的充電電流便受到NTC元件的限制。開機(jī)15S后，NTC元件升溫相對(duì)穩(wěn)定，其上的分壓也逐步將至零點(diǎn)幾伏。這樣小的壓降，可視此元件在完成軟啟動(dòng)功能后為短接狀態(tài)，不會(huì)影響電器的正常工作。應(yīng)用熱敏電阻器時(shí)，必須對(duì)它的幾個(gè)比較重要的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試如標(biāo)稱阻值、額定功率、B值范圍等。NTC熱敏電阻器工作原理為：當(dāng)溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10~1000000歐姆，溫度系數(shù)2%~6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛用于測(cè)溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗Ｈ鐖D5-1為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻曲線圖。圖5-1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻曲線圖5.3基準(zhǔn)電壓德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。TL431是一種并聯(lián)穩(wěn)壓集成電路。因其性能好、價(jià)格低，因此廣泛應(yīng)用在各種電源電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5-2。圖5-1為該器件的電路符號(hào)，3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。圖5-1TL431電路符號(hào)和等效電路由圖5-1可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管圖5-1的電流將從1mA到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開啟思路，理解電路都是很有幫助的。圖5-2TL431內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5.4UC38435.4.1UC3843簡(jiǎn)介UC3843是一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、PWM比較器、PWM比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和欠壓鎖定單元。其各引腳功能簡(jiǎn)介如下：1腳COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳FEEDBACK是反饋電壓輸出端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。3腳ISENSE是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關(guān)管的源極串聯(lián)一個(gè)小電阻的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過1V時(shí)，UC3843就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。4腳RT∕CT是定時(shí)端。鋸齒波振蕩器處接定時(shí)電容C和定時(shí)電阻R的公共端。5腳GND是接地。6腳OUT是輸出端，此腳為圖騰柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是±1A。這種圖騰柱結(jié)構(gòu)對(duì)被驅(qū)動(dòng)的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管VT1截止時(shí)，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低電阻的反向抽取電流電路，加速功率管的關(guān)斷。7腳Vcc是電源。當(dāng)供電電壓低于＋16V時(shí)，UC3843不工作，此時(shí)耗電在1mA以下。當(dāng)輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在＋10V至＋30V之間波動(dòng)，低于＋10V停止工作。工作時(shí)耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。8腳VREF是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出精準(zhǔn)的＋5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA。UC3843的電壓調(diào)整率可達(dá)0.01％，工作頻率為500KHZ，啟動(dòng)電流小于1mA，輸入電壓為＋10V至＋30V，基準(zhǔn)電壓為4.9V至5.1V，工作溫度為0至70℃，輸出電流為1A.5.4.2UC3843原理UC3843是一種單端輸出電流控制型電路，其最大的優(yōu)點(diǎn)是外圍元器件極少，外電路裝配非常簡(jiǎn)單，而且性能優(yōu)越，成本低廉，驅(qū)動(dòng)電平非常適合驅(qū)動(dòng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。其原理框圖如圖5-3所示。它有兩個(gè)控制閉合環(huán)路，一個(gè)是輸出電壓反饋回誤差放大器，用于同基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓；另一個(gè)是電感(變壓器初級(jí))中電流在反饋電阻Rs上產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生調(diào)制脈沖的脈寬，這些都是在時(shí)鐘所限定的固定頻率下工作。由于誤差信號(hào)實(shí)際控制著峰值電感電流，故稱其為電流型脈寬調(diào)制器。UC3843的線性調(diào)整率(電壓調(diào)整率)非常好，可達(dá)0.01％／V，非常接近線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整率，工作頻率可達(dá)500khz，啟動(dòng)電流為1mA，所以它的啟動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單。還設(shè)有過流保護(hù)電路，當(dāng)電流檢測(cè)端電壓達(dá)到1V，脈寬調(diào)制器就立即關(guān)閉，而這種峰值電感感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)可以靈敏地精確地限制輸出的最大電流。內(nèi)部還設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟電壓為8.4V，關(guān)閉閥值為7.6V，UC3843的電源可以由高壓直流電通過一個(gè)降壓電阻來提供，0.8V的啟動(dòng)關(guān)閉的差值電壓可有效地防止電路在閥值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生振蕩。在UC3843的電源輸入端設(shè)有一個(gè)36V穩(wěn)壓二極管，保證其內(nèi)部電路絕對(duì)在36V以下工作，防止高壓帶來的損壞，5V的基準(zhǔn)電壓由8腳引出，基準(zhǔn)電壓再降至2.5V，為誤差放大器的同相輸入端提供基準(zhǔn)電壓。圖5-3UC3843原理框圖UC3843的輸出為圖騰式，輸出給開關(guān)管的平均電流為±200mA，最大峰值電流可達(dá)±1A，輸出低平電為1.5V，輸出高電平電壓為13.5V，故適宜驅(qū)動(dòng)晶體管或MOSFET管。UC3843內(nèi)設(shè)置有PWM鎖存器，可保證輸出端在每一振蕩周期內(nèi)僅出現(xiàn)一個(gè)控制單脈沖，防止噪聲干擾和功率管的超功耗。UC3843芯片8腳和4腳之間接RT，4腳和5腳之間接CT，8腳5V基準(zhǔn)電源經(jīng)RT給定時(shí)電容CT充電，振蕩器的工作頻率f為：f=1.8/(Rt*Ct)（5-1）5.5高頻變壓器設(shè)計(jì)高頻變壓器的設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)中的核心工作。高頻變壓器的參數(shù)和制作工藝直接影響開關(guān)電源的性能。根據(jù)電源功率和開關(guān)電源工作頻率，選擇EC42型鐵氧體磁芯，它的中心柱截面積Ae=1.69cm2，功率容量充分滿足設(shè)計(jì)需要。首先計(jì)算原邊繞組的電感量：Lp=E2tON22T式中，E是電網(wǎng)輸入整流濾波后的直流高壓，取值E=+300V；T是高頻開關(guān)電源的工作周期，取T=10μs（即工作頻率為100KHz）；tON是主功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，設(shè)最大占空比為0.5，則最大導(dǎo)通時(shí)間為5.0μs；PIN是電源輸入功率，它與輸出功率PO的關(guān)系式為：PO=ηPIN，取效率η＝90％，PO＝120w，則PIN＝120／0.9＝133W，代入上式得到：Lp=3002×(5×10-然后計(jì)算原邊繞組的峰值電流：Ip=E最后計(jì)算原邊繞組線圈匝數(shù)，有兩種計(jì)算公式可大致估算，一種是：Np=EtON×10原邊繞組線圈匝數(shù)約為71匝。由于高頻變壓器加氣隙后的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度很小，故工作此密度可取二分之一的飽和磁密，即取Bm=2500GS，則原邊匝數(shù)減小到45匝；如果取Bm=2000GS，原邊繞組匝數(shù)變?yōu)?8匝，可見匝數(shù)的調(diào)節(jié)有一個(gè)較寬的范圍。另一種估算公式為：Np=VINMAX×因此原邊繞組約為51匝。顯然，上述兩個(gè)計(jì)算公式得到的匝數(shù)值相差較大。實(shí)驗(yàn)證明，原邊繞組匝數(shù)過多，電感量過大，要得到同樣電感量846μH，必須增大氣隙，使漏感增加，這會(huì)使主功率開關(guān)管的關(guān)斷電壓尖峰增大，電源損耗增加，效率則下降。說明理論值只能作為參考，最佳的繞組數(shù)據(jù)需要通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)來確定，特別要注意滿載60分鐘后磁芯溫度溫升最好不超過60攝氏度（不燙手）。6測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果6.1開關(guān)電源測(cè)試開關(guān)電源的紋波測(cè)試，使用儀器為UT61D型數(shù)字萬用表和AT7328型示波器（20MHz）。在開關(guān)電源輸出連接電流表和負(fù)載，調(diào)整負(fù)載改變輸出電流，在不同的電流值下，用示波器測(cè)量電源輸出的紋波的峰-峰值。紋波測(cè)試結(jié)果如表6-1所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出紋波電壓很小，電源開關(guān)狀態(tài)很好。表6-1開關(guān)電源紋波測(cè)試數(shù)據(jù)表輸出電流（A）紋波電壓（mVP-P）0501524607651070表6-2開關(guān)電源電壓調(diào)整率測(cè)試數(shù)據(jù)表輸出電流（A）輸出電壓（V）電壓調(diào)整率（‰）012.07112.07412.051.66712.042.491012.024.14開關(guān)電源的電壓調(diào)整率測(cè)試，使用儀器UT61D型數(shù)字萬用表。在開關(guān)電源輸出連接電流表和負(fù)載，調(diào)整負(fù)載改變輸出電流，在不同的電流值下，用萬用表測(cè)量輸出電壓。電壓調(diào)整率測(cè)試結(jié)果如表6-2所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出開關(guān)電源的電壓調(diào)整率極小,PWM控制器的精度很高,反饋電路分辨率很大。結(jié)論結(jié)論本次12V120W開關(guān)電源設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)期間翻閱了許多開關(guān)電源的相關(guān)資料，對(duì)開關(guān)電源整流濾波電路、反饋電路等部分做了較為深入的了解，本設(shè)計(jì)基本上反映了開關(guān)電源的功能以及用途。在本次開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，基本達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)，且精確度高，效率高，可靠性高，但由于時(shí)間有限，很多問題都沒有考慮周全，還有一些未理解的問題和難點(diǎn)，如這次設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源還有需要改進(jìn)之處：在輸出端還可以添加一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，它可以實(shí)現(xiàn)將輸出的電壓通過顯示管直接將電壓顯示出來，這樣可以顯得更直觀化，用戶用得更方便、更實(shí)用。通過這次設(shè)計(jì)，我從中獲得了很多有用的東西。比如說，在以前上課時(shí)沒聽懂的知識(shí)，現(xiàn)在通過自己的進(jìn)一不了解，再結(jié)合自己以前所學(xué)的知識(shí)，對(duì)它有了新的認(rèn)識(shí)。在此同時(shí)，我還學(xué)到了新的知識(shí)，在了解這一方面知識(shí)的同時(shí)，我好查閱了相關(guān)的圖書和了解了網(wǎng)上最新的技術(shù)，為此，對(duì)我以后設(shè)計(jì)的進(jìn)行打下了深厚的基礎(chǔ)，今后我會(huì)繼續(xù)研究這個(gè)課題，使設(shè)計(jì)開關(guān)電源的性能更高，功能更完善。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]普利斯曼(AbrahamI.pressman)、比得斯(KeithBillings)、莫瑞(TaylorMorey)、王志強(qiáng).《開關(guān)電源設(shè)計(jì)》[M].電子工業(yè)出版社,2010.[2]王志強(qiáng).《精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)》[M].人民郵電出版社,2008.[3]張占松、汪仁煌。《開關(guān)電源手冊(cè)》[M].人民郵電出版社,2012.[4]馬洪濤、沙占友、周芬萍.《開關(guān)電源制作與調(diào)試》[D].中國電力出版社,2010.[5]長谷川彰、何希才.《開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》[M].科學(xué)出版社,2011.[6]沙占友、龐志鋒.《開關(guān)電源外圍元器件選擇與檢測(cè)》[M].國電力出版社,2009.[7]沙占友、王彥朋.《開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)500問》[M].中國電力出版社,2012.[8]麥克萊曼(COLONELWM.T.MCLYMAN)、龔紹文.《變壓器與電感器設(shè)計(jì)手冊(cè)》[M].中國電力出版社,2009.[9]楊暉.《開關(guān)電源維修技能實(shí)訓(xùn)》[M].科學(xué)出版社,2011.[10]慕丕勛、馮桂林.《開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實(shí)用技術(shù)》[D].科學(xué)出版社,2005.[11]戶川治朗、宗光華.《實(shí)用電源電路設(shè)計(jì):從整流電路到開關(guān)穩(wěn)壓器》[M].科學(xué)出版社,2006.[12]錢振宇.《HYPERLINK"/%E5%BC%80%E5%85%B3%E7%94%B5%E6%BA%90%E7%9A%84%E7%94%B5%E7%A3%81%E5%85%BC%E5%AE%B9%E6%80%A7%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E6%B5%8B%E8%AF%95%E5%92%8C%E5%85%B8%E5%9E%8B%E6%A1%88%E4%BE%8B-%E5%BC%80%E5%85%B3%E7%94%B5%E6%BA%90%E8%