1、200W開關(guān)電源設(shè)計(jì)基于雙管正激變換器姓 名：趙永波 專 業(yè)：電子信息工程 畢 業(yè) 院 校： 所 屬 部 門： 指導(dǎo)工程師： 提 交 時(shí) 間： 2012 年 05 月 08 日學(xué)位論文摘 要開關(guān)電源是一種由占空比控制的開關(guān)電路構(gòu)成的電能變換裝置，用于交流直流或直流直流電能變換，通常稱其為開關(guān)電源。其功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)十千瓦，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。開關(guān)電源的核心為電力電子開關(guān)電路，根據(jù)負(fù)載對(duì)電源提出的輸出穩(wěn)壓或穩(wěn)流特性的要求，利用反饋控制電路，采用占空比控制方法，對(duì)開關(guān)電路進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)的交流輸入電壓范圍是85V265V，輸出電壓24V，輸出功率200W。該設(shè)計(jì)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)

2、輸入欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、功率因數(shù)校正等功能。本設(shè)計(jì)主要采用單片開關(guān)電源芯片L6562D，NCP1015和NCP1217，線性光耦合器PC817A及可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431等專用芯片以及其它的分立元件相配合，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有穩(wěn)壓輸出功能。主要用到的開關(guān)電源電路拓?fù)溆蠦UCK電路，BOOST電路和正激電路。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，功率因數(shù)校正，電路拓?fù)銩BSTRACTThe switching power supply is a power conversion device for AC-DC or DC-DC conversion,which is consist of switch

3、ing circuits controled by duty cycle.Its power varies from a few tenths of watts to tens of kilos watts,and it is widely used in life,production,scientific research, military and other fields.The core of the switching power supply is power electronic circuit.According to the request of steay output

4、voltage or flow characteristics of power from the load,it can use feedback control circuit with duty cycle control method to control the switching circuit. The AC input voltage of this design ranges from 85V to 265V and the output voltage is 24V,the output power 200W.The design can simultaneously re

5、alize functions of input under-voltage protection, output overvoltage protection and power factor correction. The design mainly adopts dedicated chips ,such as single switching power supply chip L6562D, the NCP1015 and NCP1217A, a linear optocoupler PC817 and adustable precision shunt regulator cont

6、rol TL431 ,which is matched with other discrete components to make the switching power supply with voltage regulator output function. The main switching power supply circuit topology are Buck Circuit, the Boost Circuit and a Forward Circuit. Key words：the switching power supply,power factor correcti

7、on,circuit topology目 錄第1章 開關(guān)電源簡介11.1開關(guān)電源的發(fā)展簡史11.2開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)和前景展望11.3本文的主要工作21.3.1基本要求31.3.2發(fā)揮部分3第2章 開關(guān)電源的分類和基本工作原理42.1開關(guān)電源的分類42.2開關(guān)電源的基本工作原理42.3PFC原理52.4雙管正激式變換器工作原理6第3章 交流輸入部分電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)83.1原理圖設(shè)計(jì)83.2元件參數(shù)與選擇83.2.1壓敏電阻83.2.2安規(guī)電容83.2.3泄放電路93.2.4共模扼流圈93.2.5整流橋和濾波電容9第4章 基于L6562D的連續(xù)型APFC電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)104.1L6562D功能特

8、點(diǎn)及其工作方式104.2設(shè)計(jì)要求104.3工作原理104.3.1概述104.3.2FOT峰值電流模式分析114.3.3FOT峰值電流模式的輸入電流畸變124.3.4輸入電流尖峰畸變的補(bǔ)償電路124.4原理圖設(shè)計(jì)144.5參數(shù)設(shè)計(jì)144.5.1升壓電感的設(shè)計(jì)144.5.2確定電流取樣電阻17第5章 基于NCP1217A雙管正激變換器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)195.1NCP1217A功能特點(diǎn)195.2設(shè)計(jì)要求195.3原理圖設(shè)計(jì)195.4參數(shù)設(shè)計(jì)215.4.1變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì)215.4.2確定次級(jí)側(cè)的整流二極管225.4.3確定輸出電容器235.4.4脈沖驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)235.4.5穩(wěn)壓反饋電路設(shè)計(jì)

9、24第6章 基于NCP1015的輔助電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)256.1NCP1015功能特點(diǎn)256.2設(shè)計(jì)要求256.3原理圖設(shè)計(jì)256.4工作原理25第7章 測(cè)試報(bào)告267.1概述267.1.1輸出電壓精度267.1.2線性調(diào)整率267.1.3負(fù)載調(diào)整率277.1.4工作效率287.1.5PF值307.1.6紋波317.2畢設(shè)完成指數(shù)337.2.1基本要求337.2.2發(fā)揮部分33第8章 調(diào)試總結(jié)348.1.1基于NCP1654的PFC調(diào)試348.1.2基于NCP1217A的雙管正激調(diào)試348.1.3基于L6562D的APFC電路的調(diào)試348.1.4聯(lián)調(diào)358.1.5心得體會(huì)35參考文獻(xiàn)37附錄A 原

10、理圖38A.1APFC設(shè)計(jì)部分38A.2雙管正激部分39A.3交流輸入部分40A.4NCP1217A設(shè)計(jì)部分40A.5輔助電源設(shè)計(jì)部分40附錄B 器件清單41B.1交流輸入部分參數(shù)41B.2輔助電源設(shè)計(jì)部分參數(shù)41B.3NCP1217A設(shè)計(jì)部分參數(shù)41B.4APFC設(shè)計(jì)部分參數(shù)42B.5雙管正激設(shè)計(jì)部分參數(shù)42附錄C APFC電路PCB44附錄D 雙管正激電路PCB45第1章 開關(guān)電源簡介1.1 開關(guān)電源的發(fā)展簡史開關(guān)電源是相對(duì)線性電源說的。輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻震蕩電路的作用下，用開關(guān)管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。

11、由于變壓器的磁芯大小與它的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。而且由于它直接控制直流，使這種電源的效率比線性電源高很多。這樣就節(jié)省了能源，因此它受到人們的青睞。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對(duì)電源的要求也越來越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出

12、紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但其通用都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射極之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化、重量輕為目標(biāo)，為搭載火箭開發(fā)了開關(guān)電源。在近半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)與設(shè)備中。20世紀(jì)

13、80年代，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電器設(shè)備、家電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展期。并且自開關(guān)穩(wěn)壓電源問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點(diǎn)是用20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)65%70%，而線性電源的效率只有30%40%。因此，用工作頻率為20kHz的PWM開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展

14、史上被譽(yù)為20kHz革命。隨著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便不斷促進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展和進(jìn)步。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)和前景展望開關(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

15、各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(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（Mn Zn)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)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。開關(guān)電源的高頻化是電源技

16、術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前地小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(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)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都有深遠(yuǎn)意義。目前市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫；采用MOSFET的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)幾百千赫。為提高開關(guān)頻率，必須采用高速開關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)式的兆赫級(jí)變換器已經(jīng)實(shí)用化。開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)可

17、以概括為以下四個(gè)方面：(1) 小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲(chǔ)能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲(chǔ)能元件的體積。在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。(2) 可靠性開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護(hù)等功能，簡

18、化了電路提高了平均無故障時(shí)間。(3) 低噪聲開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會(huì)隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以低噪聲影響是開關(guān)電源又一發(fā)展方向。(4) 采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機(jī)檢測(cè)和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、紀(jì)錄并自動(dòng)報(bào)警等。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁

19、性材料，改進(jìn)磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對(duì)于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動(dòng)作用?？傊?，人們?cè)陂_關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域里，邊研究低損耗回路技術(shù)，邊開發(fā)新型元器件，兩者相互促進(jìn)并推動(dòng)著開關(guān)電源以每年超過兩位數(shù)的市場增長率向小型、薄型、高頻、低噪聲以及高可靠性發(fā)展。1.3 本文的主要工作開關(guān)電源體積小、效率高，被譽(yù)為高效節(jié)能電源，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主導(dǎo)產(chǎn)品。當(dāng)今開關(guān)電源正向著集成化、智能化的方向發(fā)展。高度集成、功能強(qiáng)大的開關(guān)型穩(wěn)壓電源代表著開關(guān)電源發(fā)展的主流方向。本論文主要圍繞當(dāng)前流行的單片開關(guān)電源芯片進(jìn)行了穩(wěn)壓電源特性的研究，論文的主要內(nèi)容如下：開關(guān)型穩(wěn)壓電源

20、是采用全控型電力電子器件作為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是制作出一種單片開關(guān)電源，使設(shè)計(jì)出的開關(guān)電源具有以下要求：1.3.1 基本要求1. 輸入電壓85265VAC；2. 輸出電壓：24V，電壓精度1%；3. 輸出電流：8.3A，功率200W；4. 線性和負(fù)載調(diào)整率1%；5. 功率因素：96%；6. 輸出電壓紋波：200mV；7. 220VAC輸入時(shí)，效率：86%；8. 散熱方式：被動(dòng)散熱（MOS管、電感器件的溫升小于55）；9. 具有短路保護(hù)、自恢復(fù)功能。1.3.2 發(fā)揮部分1. 提高轉(zhuǎn)換效率；2. 降低輸出紋波;

21、3. 增加Brown-out功能；4. 增加Trim功能；5. 增加輸出過壓保護(hù)功能；6. 提高輸出電壓精度；7. 盡量縮小體積。第2章 開關(guān)電源的分類和基本工作原理2.1 開關(guān)電源的分類開關(guān)型穩(wěn)壓電源的種類很多，分類方法也有多種。從驅(qū)動(dòng)功率管的方式來分可分為自激式和它激式，在自激式開關(guān)電源中由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路來完成自激振蕩；它激式開關(guān)穩(wěn)壓電源必須附加一個(gè)振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開關(guān)管上，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截至。按開關(guān)管的個(gè)數(shù)及連接方式可分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等，單端式開關(guān)電源僅用一個(gè)開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩個(gè)開關(guān)管，全橋式則采用四個(gè)開關(guān)管。按開關(guān)管的連

22、接方式，開關(guān)電源分為串聯(lián)型與并聯(lián)型開關(guān)電源，串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是串聯(lián)在輸入電壓與輸出負(fù)載之間的，屬于降壓式穩(wěn)壓電路;而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是并聯(lián)在開關(guān)電源之間的，屬于升壓式電路。一般來說，功率很小的電源（1100W）采用電路簡單、成本低的反激型電路較好；當(dāng)電源功率在100W以上且工作環(huán)境干擾很大、輸入電壓質(zhì)量惡劣、輸出短路頻繁時(shí)，則應(yīng)采用正激型電路；對(duì)于功率大于500W、工作條件較好的電源，則采用半橋或全橋電路較為合理；如果對(duì)成本要求比較嚴(yán)，可以采用半橋電路；如果功率很大，則應(yīng)采用全橋電路；推挽電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合?；诒驹O(shè)計(jì)中開關(guān)型穩(wěn)壓電源是采用全控型電力電子器件作

23、為開關(guān)，利用控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的新型電源，具有體積小、重量輕、噪音小，以及可靠性高等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)并制作出一種具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能的開關(guān)電源。因此，本設(shè)計(jì)就選擇了雙管正激式開關(guān)電源。2.2 開關(guān)電源的基本工作原理目前生產(chǎn)的開關(guān)電源大多采用采用脈寬調(diào)制方式，少數(shù)采用頻率調(diào)制方式，下面對(duì)開關(guān)電源控制方式及脈寬調(diào)制的基本原理做簡要介紹。脈寬調(diào)制型,即為PWM技術(shù)：PWM技術(shù)，全稱脈沖寬度調(diào)制（Pulse width Modulation，PWM）技術(shù)，是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效地獲得所需波形（含形狀和幅值）的。PWM控制技術(shù)主要是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的

24、一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從事測(cè)量、通信到功率控制與變換的諸多領(lǐng)域。PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6參數(shù)以及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓被控制信號(hào)穩(wěn)定。調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理如Error! Reference source not found.所示。對(duì)于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓Uo可由（2.2.1）計(jì)算： （2.1）式中Um為矩形脈沖最大電壓值，T為

25、矩形脈沖周期，Td為矩形脈沖寬度。當(dāng)Um與T不變時(shí)，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度Td成正比。這樣，只要設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)壓輸出目的。圖2.1 脈寬調(diào)制式開關(guān)電源控制原理圖開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如Error! Reference source not found.所示。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路

26、目前己集成化，制成了各種開關(guān)電源專用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。圖2.2 開關(guān)電源電路框圖2.3 PFC原理220V市電是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，流過阻性負(fù)載的電流也是一個(gè)同相位的正弦波，但由于電源整流器是非線性元件，使輸入的交流電流產(chǎn)生畸變，呈脈沖狀，造成的嚴(yán)重后果是諧波對(duì)電網(wǎng)的危害作用，變電設(shè)備損壞，電能效率降低，能源浪費(fèi)；在三相電路中，中線流過三相三次諧波電流的疊加，使中線過流而損壞等等。功率因素控制（PFC）就是采取一定措施使電流波形相位接近電壓波形。圖2.3 不帶PFC的典型開關(guān)電源的輸入特性圖2.4 帶接近完美的PFC典型開關(guān)電源的輸入特

27、性主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)，通?？蛇_(dá)98%以上，但成本也相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動(dòng)式PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。圖2.5 BOOST電路Boost是一種升壓電路，這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可以使輸入電流連續(xù)，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù)；該電路的電感電流即為輸入電流，因而容易調(diào)節(jié)；同時(shí)開關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出共地，故驅(qū)動(dòng)簡單；此外，

28、由于輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，因此，對(duì)輸入電壓變化適應(yīng)性強(qiáng)。利用Boost電路實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的原理是使輸入電流跟隨輸入電壓，并獲得期望的輸出電壓。因此，控制電路所需的參量包括即時(shí)輸入電壓、輸入電流及輸出電壓。乘法器連接輸入電流控制部分和輸出電壓控制部分，輸出正弦信號(hào)。當(dāng)輸出電壓偏離期望值，如輸出電壓跌落時(shí)，電壓控制環(huán)節(jié)的輸出電壓增加，使乘法器的輸出也相應(yīng)增加，從而使輸入電流有效值也相應(yīng)增加，以提供足夠的能量。在此類控制模型中，輸入電流的有效值由輸出電壓控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)調(diào)制，而輸入電流控制環(huán)節(jié)使輸入電流保持正弦規(guī)律變化，從而跟蹤輸入電壓。本設(shè)計(jì)采用ST公司推出的L6562D，L6562D是

29、一款很常用的控制IC。它是一款工作方式可以選擇的升壓調(diào)整器，它以PWM方式控制功率開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，工作頻率可調(diào)且可以采用CCM方式工作。2.4 雙管正激式變換器工作原理與單管正激變換器的區(qū)別時(shí)雙管正激變換器無需磁復(fù)位輔助繞組，在反激時(shí)磁復(fù)位功能由二極管D1和D2完成，并將開關(guān)管集電極-發(fā)射極承受的電壓鉗位在（Vin+VDF）,VDF為二極管的正向壓降。雙管正激式變換器工作原理除磁復(fù)位不同外，工作過程與單管正激式變換器相同。開關(guān)管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通或者關(guān)斷，開通時(shí)輸送能量到輸出端，關(guān)斷時(shí)電感L電流經(jīng)過D4續(xù)流，同時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流經(jīng)二極管D1和D2流入電源Vin，勵(lì)磁能量同樣也返回電源。電路設(shè)計(jì)

30、如下圖所示：圖2.6 雙管正激電路第3章 交流輸入部分電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 原理圖設(shè)計(jì)圖3.1 交流輸入部分3.2 元件參數(shù)與選擇3.2.1 壓敏電阻MOV：壓敏電阻，抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器。壓敏電阻器主要應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的過電壓保護(hù)電路中，它有多種型號(hào)和規(guī)格。所選壓敏電阻器的主要參數(shù)（包括標(biāo)稱電壓、最大連續(xù)工作電壓、最大限制電壓、通流容量等）必須符合應(yīng)用電路的要求，尤其是標(biāo)稱電壓要準(zhǔn)確。標(biāo)稱電壓過高，壓敏電阻器起不到過電壓保護(hù)作用，標(biāo)稱電壓過低，壓敏電阻器容易誤動(dòng)作或被擊穿。如果電器設(shè)備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓較低、片徑較大的壓敏

31、電阻器；如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護(hù)電器設(shè)備，又能延長壓敏電阻使用壽命。普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓超過其最大限制電壓時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復(fù)。3.2.2 安規(guī)電容C1：X電容，也稱為安規(guī)電容，用于抑制差模干擾；

32、Y1，Y2，Y3：Y電容，抑制共模干擾，為共模干擾提供交流通路；安規(guī)電容分為X電容及Y電容。它們用在電源濾波器里,起到電源濾波作用,分別對(duì)共模,差模干擾起濾波作用。安規(guī)電容是指用于這樣的場合，即電容器失效后，不會(huì)導(dǎo)致電擊，不危及人身安全。X電容是跨接在電力線兩線（L-N）之間的電容，一般選用金屬薄膜電容；X電容底下又分為X1, X2, X3。表3.1 X電容X電容區(qū)別X1耐高壓大于2.5 kV，小于等于4 kV 續(xù)上表X電容區(qū)別X2耐高壓小于等于2.5 kVX3耐高壓小于等于1.2 kVY電容是分別跨接在電力線兩線和地之間（L-E，N-E）的電容，一般是成對(duì)出現(xiàn)。Y電容底下又分為Y1，Y2，Y

33、3。表3.2 Y電容Y電容絕緣等級(jí)額定電壓范圍Y1雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣 250VY2基本絕緣或附加絕緣150V 250VY3基本絕緣或附加絕緣150V 250VY4基本絕緣或附加絕緣 (Umult+Ube)，電容C通過R1，R2放電，Uzcd滿足： (式4.4)當(dāng)UzcdTonmin。此種方法為一種前饋補(bǔ)償，并不影響固定關(guān)斷時(shí)間峰值電流控制基本性能。Toff(歸一化處理后的值)在半個(gè)輸入電壓周期內(nèi)的變化如Error! Reference source not found.所示。圖4.4 Toff變化曲線4.4 原理圖設(shè)計(jì)本文在基于FOT-PFC控制模型下，采用ST公司的L6562作為控制芯片，給

34、出了Boost-APFC電路的設(shè)計(jì)方法。Error! Reference source not found.給出了由L6562構(gòu)成的APFC電源的實(shí)際電路圖。圖中，輸入交流電經(jīng)整流橋整流后變換為脈動(dòng)直流，作為Boost電路的輸入；電容C3用以濾除電感電流中的高頻信號(hào)，降低輸入電流的諧波含量；電阻R9，R9b，RM，R13b，和RM1，RMb構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，用以確定輸入電壓的波形與相位，電容C6用以慮除3號(hào)引腳的高頻干擾信號(hào)；電阻R6作為電感電流檢測(cè)電阻，用以采樣電感電流的上升沿(MOS管電流)，該電阻一端接于系統(tǒng)地，另一端同時(shí)接在MOS管的源極，同時(shí)接至芯片的4腳；電阻R1a，R1b，R2a

35、，R2b和R3a，R3b，構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)形成輸出電壓的負(fù)反饋回路；電容C2與電容C5和R12分別連接于芯片1、2腳之間，以組成電壓環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。5腳接CZ2，RZ1，Q2用來控制驅(qū)動(dòng)輸出PWM的關(guān)斷時(shí)間。圖4.5 APFC原理圖4.5 參數(shù)設(shè)計(jì)4.5.1 升壓電感的設(shè)計(jì)1. 確定最小關(guān)斷時(shí)間最小關(guān)斷系數(shù) (式4.7)最大關(guān)斷系數(shù) (式4.8)當(dāng)輸入電壓最大時(shí)，也就是開關(guān)頻率最高時(shí)，fswmax=100kHz，最小關(guān)斷時(shí)間 (式4.9)2. 確定輸入功率和峰值電流輸入功率 (式4.10)峰值電流 (式4.11)3. 確定紋波電流和升壓電感當(dāng)輸入電壓最小即Vin=85VAC時(shí)，紋波電流最大

36、，紋波因數(shù)在這里我們?nèi)r=0.3，則最大紋波電流 (式4.12)由紋波電流可以求得升壓電感 (式4.13)經(jīng)過電感的電流有效值為 (式4.14)輸入電感主要作用是儲(chǔ)存輸入側(cè)的能量，所以可以考慮選擇帶氣隙的鐵氧體磁芯和磁粉芯。磁粉芯內(nèi)部分布有氣隙，能存儲(chǔ)能量，其磁導(dǎo)率一般比較低，所以可以可通過比較大的直流分量。磁粉芯根據(jù)磁性材料粉末的不同可以分為以下幾類，如Error! Reference source not found.所示。表4.3 磁粉芯參數(shù)特性鐵粉芯硅鐵磁粉芯鐵硅鋁磁粉芯高磁通磁粉芯鐵鎳鉬磁粉芯有效磁導(dǎo)率范圍31002690141251416014550飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）1.21.

37、61.051.50.75相對(duì)價(jià)格低中等中等高高磁芯損耗最高適中低適中最低從性能和價(jià)格上綜合考慮，最終選擇的是鐵硅鋁磁粉芯。下面根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及公式計(jì)算需要多大尺寸和磁導(dǎo)率的磁芯，步驟如下：4. 計(jì)算LI2 (式4.15)計(jì)算LI2的目的是根據(jù)所要存儲(chǔ)的能量估計(jì)所選擇磁芯的大小。5. 根據(jù)磁芯選擇圖選擇合適大小及磁導(dǎo)率的磁芯圖4.6 磁芯選擇圖根據(jù)Error! Reference source not found.可選擇77935或77548型號(hào)的磁芯。但是實(shí)際情況是我們手里只有型號(hào)為KSA的磁環(huán)，該磁環(huán)能夠滿足我們的設(shè)計(jì)要求。6. 計(jì)算磁芯的最低電感系數(shù)KSA的標(biāo)稱電感系數(shù)為60nH/N2，公差為8

38、，所以其最小電感系數(shù)為55.2nH/N2。7. 匝數(shù)計(jì)算圖4.7 磁導(dǎo)率-直流偏置曲線在電感系數(shù)為55.2nH/N2時(shí)，668H所需的匝數(shù)N為 (式4.16)此時(shí)的磁場強(qiáng)度H為 (式4.17)該磁場強(qiáng)度下，磁導(dǎo)率只有0.69倍的初始磁導(dǎo)率，所以需要調(diào)整匝數(shù)，否則電感量達(dá)不到要求。調(diào)整后的匝數(shù)N為 (式4.18)8. 導(dǎo)線的選擇導(dǎo)線必須通過3.04A的均方根電流，選擇2股24號(hào)線并繞，估算流過上面的最大電流密度j為 (式4.19)9. 驗(yàn)算根據(jù)Error! Reference source not found.可知，在匝數(shù)為158匝時(shí)，電感系數(shù)為0.59*55.2=32.57nH/N2(H=58

39、.93A/cm時(shí)) ，此時(shí)的電感量為32.57*158*158=813H668H，所以匝數(shù)可以略微取小一點(diǎn)?？紤]到窗口利用系數(shù)，實(shí)際最終取137T。在137T時(shí)，電感系數(shù)為0.65*55.2=35.88nH/N2（H=51.10A/cm=64.39Oe時(shí)），此時(shí)的電感量為35.88*137*137=673H。圖4.8 標(biāo)準(zhǔn)磁化曲線Error! Reference source not found.所示在磁化強(qiáng)度為64.39Oe時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.33T1.05T，磁化曲線基本上工作在線性區(qū)。4.5.2 確定電流取樣電阻流過電感的峰值電流為 (式4.20)最大取樣電阻為 (式4.21)此處，用6

40、個(gè)0.33/1W的電阻實(shí)現(xiàn)MOSFET的電流檢測(cè)功能。第5章 基于NCP1217A雙管正激變換器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1 NCP1217A功能特點(diǎn)1. 功能特點(diǎn)具有占空比保護(hù)功能，其最大占空比為0.5；500mA的驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出，可用于直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET；輸出短路和自恢復(fù)功能。2. 引腳功能表5.1 NCP1217A引腳功能引腳序號(hào)引腳名稱引腳功能1Adj設(shè)置跳躍電壓2FB輸出反饋端3CS電流檢測(cè)端4GND工作電壓地5Drv驅(qū)動(dòng)輸出端6Vcc工作電壓正極8HV高壓輸入端5.2 設(shè)計(jì)要求表5.2 設(shè)計(jì)要求類別參數(shù)值輸入電壓400VDC輸出電壓24 VDC，精度1輸出功率200W線性和負(fù)載調(diào)整率1

41、紋波電壓200mV效率220VAC輸入時(shí)，效率：86%溫升555.3 原理圖設(shè)計(jì)圖5.1 NCP1217A外圍電路圖圖5.2 雙管正激原理圖5.4 參數(shù)設(shè)計(jì)5.4.1 變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì)1. 最大占空比（Dmax）和輸出電感電流的紋波因數(shù)KRF為了避免發(fā)生諧波震蕩，建議將Dmax設(shè)定在0.5以下?？紤]到初級(jí)和次級(jí)的電壓應(yīng)力，正確的做法是將Dmax設(shè)定為0.45。紋波因數(shù)被定義為： (式4.1)式中，Io為最大輸出電流。對(duì)于大多數(shù)實(shí)際設(shè)計(jì)來說，將KRF設(shè)定為0.10.2是合理的。本次設(shè)計(jì)取KRF0.15。一旦確定了紋波因數(shù)，則可由下式求得MOSFET的峰值電流和均方根電流： (式5.2) (

42、式5.3)式中： (式5.4)檢查一下MOSFET最大的峰值電流是否低于Idspeak。2. 確定變壓器的合適磁芯和線圈匝數(shù)實(shí)際上，磁芯的初始選擇肯定是很粗糙的，因?yàn)樽兞刻嗔?。選擇合適的磁芯的方法之一是查閱制造商提供的磁芯選擇指南。如果沒有合適的參考資料，可采用下面的公式作為一個(gè)起點(diǎn)： (式5.5)式中，Aw為窗口面積，Ae為磁芯的截面積，fs為開關(guān)頻率，B為正常操作狀態(tài)下的最大磁通密度增量。如果是正激變換器，則對(duì)于大多數(shù)功率鐵氧體磁芯來說B通常為0.20.3T?？梢宰⒁獾剑河捎谑Ｓ啻磐康木壒?，其最大磁通量密度擺幅要比反激式變換器的小。這里，我們選擇庫里還有的磁芯EE42，對(duì)于滿足本次設(shè)計(jì)

43、要求綽綽有余。其Ap=64625mm4，Ae=235mm2，Aw275mm2，AL5000nH/匝數(shù)2。確定了磁芯之后，即可由下式得出變壓器初級(jí)側(cè)為避免磁芯飽和而應(yīng)該具有的最少匝數(shù)： (式5.6)首先確定初級(jí)側(cè)繞組與受反饋控制的次級(jí)側(cè)繞組直接的匝數(shù)比作為一個(gè)參考值。 (式5.7)式中，Np和Ns分別為初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組的匝數(shù)。Vo為輸出電壓，VF為輸出二極管的正向壓降。然后確定正確的Ns整數(shù)值，使得最終的Np大于最小的Npmin。最終取Ns9，Np65初級(jí)側(cè)的磁化電感由下式得出： (式5.8)式中，AL為無間隙的AL值（單位：nH/匝數(shù)2）。3. 根據(jù)均方根電流確定導(dǎo)線直徑當(dāng)導(dǎo)線很長時(shí)（超

44、過1m），電流密度通常為5A/mm2。當(dāng)導(dǎo)線較短且匝數(shù)較少時(shí)，610A/mm2的電流密度也是可以接受的。應(yīng)該避免使用直徑大于1mm的導(dǎo)線，以防產(chǎn)生嚴(yán)重的渦電流損耗并使卷繞更加容易。對(duì)于大電流輸出，最好采用由多股較細(xì)的導(dǎo)線組成的并聯(lián)繞組，以便最大限度的減輕集膚效應(yīng)。這里我們選擇用0.32mm線徑的銅線，在滿足集膚效應(yīng)的條件下，選擇較粗的銅線，從而降低變壓器的損耗。初級(jí)側(cè)選擇用2根并繞，其電流密度為5.82A/mm2，次級(jí)側(cè)選擇用12根并繞，其電流密度為5.80A/mm2。檢查一下磁芯的繞組窗口面積是否以容納導(dǎo)線。所需要的窗口面積由下式給出：式中，Ae為實(shí)際的導(dǎo)體面積，KF為填充系數(shù)。在使用骨架的場合，