【毕业设计】基于uc3843pwm控制的正激式多路直流稳压的开关电源设计

目录1概述111基本定义112技术指标213目前的研究现状32方案论证53正激式变换器拓扑分析631基本结构633正激式拓扑分析7331基本工作原理7332选择电路器件的类型84输入回路的设计1041原理电路1042设计中的模块105整流变压器的设计1451变压器概述14511与变压器相关的一些基本概念1552开关电源变压器用料介绍1653变压器设计18531变压器参数的设计18532变压器绕制方法196输出回路的设计2261电感的设计2262滤波电容设计247附加电路2571软启动电路2572反馈控制电路2674驱动电路2774保护电路2775功率因数校正2876效率改善288设计规范2981部份零件电气余量使用标准2982零件摆放问题2983CASE设计问题3084散热片设计问题3085DFX的基本原则309总电路及PCB3291电路图3292电路的PCB图3210电源的性能测试33101效率33102输入电压变化，输出电压变化33参考文献34致谢35附录361元件清单362原理图393原理图的PCB图401概述11基本定义111开关电源应用半导体器件作为开关（通常是晶体管或MOSFET），将一种电源形态转变成另一种电源形态，并在转变时利用自动控制稳定输出且有保护环节的电源称为开关电源。与其它的电源形式相比，开关电源的体积小、效率高、重量轻、耗能低。且具有各种保护功能，目前在邮电通讯、仪表仪器、工业设备、医疗器械、家用电器等等领域应用效果显著。112正激式开关电源正激式开关电源（后文都简称为正激式）只是开关电源的一种，按照不同的标准开关电源可以分成不同的种类从工作性质上分，大体上可分“硬开关”和“软开关”两种，硬开关就是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，那么在开关接通和关断期间的电流和电压的同时存在，就会造成损耗，而且这种损耗会随着开关频率的升高而增加，但是，由于它比其它变换形式简单易于实现，所以，在很多机种上现在还是沿用这种方式。软开关就是电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。理论上它的开关损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，而且工作频率可以提高到5MHZ以上，实现了软开关，还可以使电源的质量和体积有更大的改变。从工作方式上分，又可以分为正激式、反激式、推挽式，将推挽式加以改进又可分为半桥式和全桥式，他们的区别的地方还是很多的，最明显的地方就是变换器，正激式的变压器一次侧与二次侧同名端式一致的，而反激式的则刚好相反，而且在具体的功能上二者也有区别，正激式变压器只是起到一个能量的传递作用，而反激式变压器则还要暂时的储存能量起到一个电感的作用，因为由于变压器电感的极性的不同，反激式变压器一次侧与二次侧是不会同时导通的，但正激式和反激式变压器基本上都是一个输入端与反馈绕组共同构成一次侧，而输出端则只有一组，推挽式的变压器则相当于两个反相位工作的正激式变压器的组合，其有两个输入端两个输出端。一般来说正激式的输出功率要高一些，成本也相应的高一些，而反激式易于实现，但是功率比较小，成本也低一些，推挽式的电路比较复杂，输出功率范围比较广。除此之外还有很多的分类方式。12技术指标121机械指标虽然国内对于开关电源的机械指标没有严格的要求，但是在欧美、日本、东南亚各国都有一定的要求。在外观上，总的要求是美观、无油污、小巧光亮、轻便、无松动。另外要求具有一定的抗冲击震动能力，即要求产品在一定的机械冲击试验甚至是破坏性的试验种达到一定的指标，不仅电源的外观无裂痕损伤，而且电源在满负荷通电下还可以正常运行。122环境标准主要是要求电源在一定环境下仍可以正常工作，一般的规定为在室内，室温上升到45时输出电压漂移小于3，室外小于5；在湿度为92、温度为28的环境下放置48小时，绝缘强度不变，当然以上都只是个比较典型的规定，具体的指标要看客户的实际要求来定。123电气标准电气指标的内容很丰富，常见的几个指标如下输入指标包括输入电压的相数、额定的输入电压、电压的变化范围、电压频率及输入电流。不同的国家有不同交流电压及频率，日本100V/5060HZ、韩国220V/60HZ、美国120V/60HZ、澳大利亚240V/50HZ。如果产品要销往国外的话就要注意这些问题。输出指标包括产品可以承受的输入电压变动，即在多大的输入电压变动下可以保持输出的稳定不变，还有对于负载的变动时输出的稳定程度、环境变化的影响下输出的保持程度、在开机一定时间之后保持输出的稳定、空载损耗、输出的纹波（一般而言这个交流纹波都要求MV数量级，其标准一般都是要求输出纹波是输出值的15）。耐压指标这个指标属于安规的内容，其要求产品可以承受一定的高压。绝缘要求要求输入交流线与输出线，输出线、输入线与机壳之间的绝缘电阻要达到几M（如10M等等）。效率不同的机种要求不同的效率，一般来说开关电源的效率都要求达到80以上。功率因数日本60W以上输出功率，其它国家75W以上输出功率要求做功率因数校正，功率因数要达到095以上。漏电流一般装设在可移动设备上的交流漏电流应小于1MA装设在固定位置且接地的设备上的要求交流漏电流应小于35MA,在医疗类产机种要求异常严格。EMI/RFI电磁射频指标，要求其不能干扰别的电子设备的正常工作也要具备一定的抗干扰能力。MTBF平均无故障使用时间，其数值一般都是要求达到万小时数量级。保护一般的内容式过流保护、超载保护、短路保护、高压保护、过温保护。13目前的研究现状131目前存在的问题开关电源技术起步较晚但发展很快,材料的不断翻新、用途的不断广泛,是它快速发展的动力,但是在体积、重量、效率、电磁兼容性以及安全性能都不能说是完美,目前来说,存在的主要问题有1器件问题电源的集成度不高,在一定程度上影响到稳定性和可靠性,同时对于电源体积和效率来说也是一个问题。2材料问题开关电源使用的磁心,电解电容及整流管体积都较大,比较笨重,在电路中不仅耗能,降低其工作效率,而且会直接导致电源的体积庞大。3能源变换问题目前的变换都是以频率为基础,改变电压为目的,其结果就是工艺复杂,控制难度大，未来期待更好的能源变换方式的出现。4软件问题目前,开关电源的软件开发还处于刚刚起步的程度,要真正做到功率转换、功率因子改善、全程自动检测实现软件操作,目前还有很大差距。5生产工艺问题往往是在实验室可以达到的技术指标,在生产中却达不到,人为的因素除外,还有元器件的性能、检测、环境、设备、等等诸多因素。132目前已经得到应用的主要开关电源技术1功率半导体器件目前,功率MOSFET和IGBT已完全可替代功率晶体管和中小电流的晶体管,使实现开关电源高频化有了可能超快速恢复二极管和MOSFET同步整流技术的开发,也为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件而且,目前已经可以将功率器件与电路控制以及检测执行等组件集成封装,得到标准的、可制造的模块，可降低成本并提高可靠性2软开关技术在硬开关方式下工作的开关电源,开关器件的电压和电流波形在时间上的迭加,会导致开关损耗，频率越高损耗也就越大,为此实现软开关技术,对于电源效率的提高很有帮助。3有源功率因子校正技术由于输入端有整流组件和滤波电容,许多整流电源供电的电子设备的输入端功率因子仅065用有源功率因子校正简称APEC之后的电路,其功率因子可提高到095099。133未来开关电源的技术发展方向总的来说,开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。SMT技术的应用使得开关电源取得了飞速的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。国外各大型开关电源制造商都在致力于开发新型高性能的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MN、ZN材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（BS下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。除此之外,实现开关电源也很有必要,其可方便研发工程师对主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、EMI技术、可靠性评估和PCB设计等等。可使所设计的系统性能最优、减少设计制造费用、节省研发周期、节约成本。2方案论证多路直流稳压电源的设计可以通过线性集成稳压电源来设计，也可以通过开关集成稳压电源来设计。他们各有特色。线性电源一般是由变压器变压、整流、滤波、稳压。而这稳压是有集成稳压器组成，这稳压器是由三个端子引出，所以其应用时所需的外接元件少、使用方便、稳定、价格低廉等等优点。开关稳压电源一般由变压器变压、整流、滤波、稳压。稳压是由控制电路来控制，一般由PWM来控制开关管工作在开关状态，依靠调节开关管导通时间来实现稳压。由于开关管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗很小，故使稳压电源的效率明显提高，可以达到8090，并且这一效率不受电压大小的影响。综合以上，本次毕业设计采取开关稳压电源来设计多路直流稳压电源。3正激式变换器拓扑分析31基本结构正激式开关电源的常见结构框图如下图31正激式开关电源结构框图各部分功能简介输入与整流其一般都采用桥式整流，将输入的交流整成高压直流，经过滤波输入变压器的一次侧。DCDC变换器（即正激式变换器）变压器是能量传递的一个枢纽，通过它的作用将高压直流变成次级的低压输出。高频整流及滤波变压器输出侧的电压还不够理想，需要整流滤波来达到设计的指标。反馈电路将输出部分的电压或电流信息反馈回到前级，进入控制部分，由控制部分来控制交换组件的运作状态。隔离元件隔离元件的设立主要是出于安全的考虑，一般常用的隔离组件是光耦，将后级信息反馈到前级。PWM控制部分有两种控制方式RCC和PWM，RCC是由反馈回来的信号改变电容充放电时间来达到控制开关组件开关时间的目的，这种模式实现的电路电路简单，不固定频率，也不容易控制。本次所研究的正激式采用的是PWM控制模式，其是通过反馈信号和相应的IC芯片上的标准波形进行比较，进而对应的改变开关管的开关时间，这种方式的控制稳定度高，可固定频率，目前流行的开关电源都是采用这种方式。开关管常用的是三极管或MOSFET管，通过PWM控制信号来控制变压器输入端的电压（即控制开关管的饱和和截止），这也是开关电源与线性电源区别的地方所在。33正激式拓扑分析331基本工作原理正激式变换器适用的输出功率范围较大（数瓦至数千瓦），一般的在最大直流输入电压180250V，输出功率为150300W的场合，这种变换器可能是应用最广泛应用的拓扑。若最大输入电压低于180V，那么对应最小输入电压所需的初级输入电流就太大。若最大输入电压超过250V，则开关管的最大电压应力太大。若超过200W，对于任何直流输入电压，所需的初级输入电流均太大。下图即为正激式开关电源转换部分的原理电路图。图32正激式开关电源转换部分的原理图其基本工作原理图中Q4、Q5为开关管，D3、D5为续流二级管，D1、D2为高频二极管,TD1为隔离变压器即DCDC变换器。基本工作过程是在PWM控制信号的驱动下，当开关管Q4、Q5饱和导通时，它在高频变压器的一次绕组中储存能量，同时将能量传递到二次绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，D1中的12之间的一个快恢复二极管导通，另一个快恢复二极管即32之间的）反向截止，把能量储存在电感L中，同时提供负载电流I0；当开关管Q4、Q5截止时，变压器二次绕组中的电压极性反向，使得D1中的32之间的快恢复二极管导通来进行续流，12之间的另个快恢复二极管反向截止，储存在电感中的能量继续提供电流给负载。变换器输出电压为U0DUD3112N即输出电压仅决定于电源电压、变压器的变比、占空比，而与负载电阻无关。变压器的第三绕组称为钳位（或回馈）绕组，其匝数与一次绕组匝数相同，并与二极管D3、D5串联。当T导通时，钳位绕组的电感中也储存能量；当T截止,钳位绕组上的感应电压超过电源电压时，二极管D3、D5导通，储存在变压器中的能量经钳位绕组1613和二极管D3、D5反送回电源。这样就可以把一次绕组的电压限制在电源电压上。为满足磁芯复位的要求，使磁通建立和复位时间相等，这样电路的占空比不能超过05。332选择电路器件的类型1开关管的选择所谓的转换组件为三极管或MOS管，现在采用比较普遍的开关管还是MOS管，因为在相同成本下，MOS管的开关速度要比三极管快而且驱动电路也比较的简单。其主要作用就是把直流的输入电压转换成脉宽调制的交流电压，而后由变压器的转换在输出级变成直流，在上电路中还是以MOS管为研究对象，为便于考虑问题把以上的电路中的相关特性都理想化，得出了如上的波形，从其中可以看出来，在三极管关闭的时候，其DS极之间要承受的电压是输入电压与感应电压的迭加，在此我们假设感应电压也是VIN，那么此时它所承受的电压就比较大了，即首先我们在选择MOS管的时候就要考虑到它所能承受的DS电压。一般的要求是VDSMAX2VIN32另外一个要考虑的因素就是其要承受的峰值电流，由上的分析可知，其值为MOS管导通时它所承受的电流与消磁电流的迭加。我们定义消磁电流为IMAGTMAXVIN/L1/8010305265/4001064140625A33为导通占空比，L为输出电感值。则DS极的峰值电流为IDSIL/NTMAXVIN/L2410121512/22012414062553A34其中N初级对次级的圈数比IL输出电感的电流2输出电压的大小输出电压为U0DUD3512N可见其输出是与三极管导通占空比相关的，这也为是实现PWM（脉宽调制）输出的控制的理论依据ONVGOFF2VINVDSVINIDSID1中的32之间的二极管TIL图33输出的波形综合公式32、33、34可以选择2个K2611并联来设计本次的开关管，在开关管OFF时，其VDS720V,在开关管ON时，其ID4A，用两个并联可以满足本设计的要求。4输入回路的设计41原理电路输入部分常见的电路如下这是一个典型的输入/滤波电路其由EMI滤波器、启动浪涌电流抑制部分、浪涌电压抑制部分、桥式整流、输入滤波电容组成。图41输入回路原理图42设计中的模块EMI滤波模块整流部分与开关管的电流电压的快速变换，电感电压和电容电流的迅速变化，构成了干扰源。其表现就是在输出电压上产生纹波，对于外围设备也会产生影响，故有必要采用滤波器对于输入及输出进行滤波，EMI滤波器设计的目的是将开关管产生的噪声滤除，防止其进入输入回路，也起到滤除两条输入交流线与大地所产生噪声的目的。出于EMC的要求，这个部分基本上在所有的开关电源中都可以看到。对于开关电源的两根进线而言，存在共模干扰（两根进线受干扰的信号相对参考点大小、方向相同）和差模干扰（两根进线受干扰的信号相对参考点大小相等、方向相反）。像雷电时，两根线受影响基本相同，属于共模干扰，而如电网电压瞬时波动，两根在线的电位是相反的，属于差模干扰。实际干扰多是这两种干扰的不同比例的组合。一般都是采用共模电感和差模电感来分别对共模干扰和差模干扰进行抑制，共模电感是使用一个磁心上绕制两组方向相同的导线，使用高磁导率的磁心，一般匝数也很少，这样在差模干扰信号的作用下，干扰源产生的对电流在磁心中产生方向相反的磁通相互抵消，线圈电感几乎为零，故不能抑制差模干扰，但是，对于共模干扰其产生的磁通是同向的，磁通得到加强，线圈电感很大，其共模阻抗就很大，共模电流大大减弱。而差模电感则是两个绕向相反的线圈构成的，其对于差模干扰有抑制作用，对于共模干扰则没有，其工作原理的分析同上。实际中采用的差模共模干扰抑制电路，并不是单纯的使用这两个电感，往往是由差模电感和多组电容构成的，在差模电感前的电容和差模电感构成差模抑制器（图中的C4和LF1），而差模电感和其后的电容则构成共模抑制器（图中LF1和C9、C11）。电路图如下图42EMI滤波电路启动浪涌电流抑制模块在电路打开的瞬间，由于滤波电容的充电，而此时电路上所呈现的阻抗是很小的，所以会有很大的浪涌电流，如果没有保护组件的话对于电路是存在损坏的隐患的。在实际设计中为了解决这个问题常采用的是图示中的方法。即加入一个负温度系数的热敏电阻（NTC），当然也有采用将一个电阻串在交流在线后与单向晶闸管（SCR）并联来解决这个问题的，其基本工作的原理就是串入的电阻是很大的，可以在开机的瞬间吸收浪涌电流，单向晶闸管的门极是接在后级的反馈信号，后级滤波电容充电完毕后，会将晶闸管导通，电阻被短接，电路恢复正常的工作状态，采用这种电路的话既要有触发电路也要求器件的散热能力要良好。采用NTC热敏电阻的话，NTC热敏电阻起到过温保护和软启动的作用，其阻值在它没有发热之前是很大的，一旦有大的峰值电压的出现，会促使它发热，发热之后其阻值就会变的很小，那么就可以吸收电流而达到保护电路的目的，在电容充电的过程中，由于它的发热其电阻又会变小对于电路马上将要进入的正常工作又不会造成影响。在选择热敏电阻的时候要多方面的权衡，保证在电路正常发热的条件下它的阻值不会影响到电路的工作。电路图如下所示中的负温度系数NTC1。图43启动浪涌电流抑制电路浪涌电压抑制模块采用浪涌电压抑制部分的目的是为了抑制由于电路异常（像雷电）所造成的输入电压的瞬间高压，一般采用的是压敏电阻（图中14D561）。压敏电阻是一种特种电阻，其基本的特性就是在其两端所加的电压一旦超过它的阈值电压（也叫压敏电压）时，它的阻值就会变得很小，对于与之并联的后级电路来说，输入正常的时候，由于它的阻值很大，不会影响的后级的工作，输入异常的时候由于其阻值很小短接了后级，起到到了保护的作用。在选用压敏电阻的时候要重点关注它的标称压敏电压和所能承受的最大峰值电流。电路如下图所示图44浪涌电压抑制电路桥式整流模块桥式整流的基本原理在此就不再详述，关键来考虑下整流管的选择。主要要考虑的参数正向平均电流、反向电压、浪涌电流、预期的耗散功率。每两只管子串起来完成交流电压的半波整流那么正向平均电流就是是整个电流平均值的一般，所承受的反向电压是输入电压的半个周期。一般小电流选用LN400X系列就行了，如果电流比较大达到了3A以上的话就可以采用LN5XXX系列。电路如下图所示图45整流电路输入滤波模块输入滤波电容也就是俗称的“大电容”，常采用的是电解电容，因为它的各方面的性能更适合在交流输入部分作为滤波电容。在选用电容的时候首先要考虑它对于纹波电流的承受能力，由于输入部分的纹波电流是比较大的，如果选择的电容不能承受，那么纹波电流在其内部会产生热量，从而缩短其使用寿命。其次要求其等效串联电阻ESR要小，ESR小对于电源效率的提高是有帮助的，还要考虑电容的工作温度范围，一般的电解电容的最高允许工作温度为105，对于其大小有经验法对于交流输入，功率一瓦所需12UF的电容容量。此次设计的功率在260W瓦以上，所以选容量为470UF的电容了，至于耐压值因为整流滤波输出的电压为22012265V了，所以选择400V的耐压值，综合以上就选择470UF/200V来串联（方便电源在110V的交流电下也能继续用）。电路如下图所示图46输入滤波电路5整流变压器的设计51变压器概述变压器（如下图所示）是开关电源中的一个核心组件，也是所有组件中需要自己设计的器件之一，不同的机种会有不同的变压器，所以实际上变压器的设计是个大课题，在此，仅对正激式变压器设计做一个简短的介绍。变压器在正激式开关电源中主要起到一个能量的传递的作用，即将能量从一次侧瞬间传递到二次侧，另外，变压器还提供其它的功能1电压变换，即通过改变初次间的匝比来改变输出的电压。2多路输出，即增加多个不同匝数的次级，可增加多个不同的输出。3绝缘隔离，为了安全，要求离线供电或高压端和低压端不能共地，变压器则提供了安全的隔离。图51高频变压器也称变换器511与变压器相关的一些基本概念3磁导率1的磁性材料为反磁性材料像银、铜等。略大于1的磁性材料为顺磁性材料。远大于1的磁性材料为铁磁性材料。1则是真空。4居里温度图52居里温度曲线图示为磁芯的磁导率（）与温度（T）之间的关系曲线，基本上所有的磁芯产品的T图都连线是这个走向，在随温度上升到一定高度后会急剧的下降，定义由08到02与1的交点多对应的温度为居里温度，其含义是，一旦磁性材料达到这个温度之后，其磁性将由软磁性转变成硬磁性。其是磁芯的一个重要参数。5磁芯损耗磁芯损耗也称之为铁损，是变压器的损耗来源之一，其由三部分组成磁滞损耗PH、涡流损耗PE、残留损耗PC。磁滞损耗是磁化所消耗的能量，即磁化过程中部分磁畴在外磁场去除之后又会恢复原来的方向，那么磁场再次加到其上是，要实现对它的磁化就要消耗一部分的能量以用于校正这些磁畴，其一个粗略的计算公式是PH51则可以看出其与磁滞曲线的面积是正比的。在设计磁芯的时候可以参考待选磁芯的磁滞曲线来考虑将来使用中可能达到的磁滞损耗。图53磁滞曲线涡流损耗则是由于交变电流在磁芯中产生环流而引起的欧姆损耗，其公式表示为PE2BWD2F/652其中D为磁芯的度，为电阻率，BW为工作磁感应强度，F为频率。残留损耗由磁化延迟与磁矩共振引起的，在整个损耗中所在的比重不大。一般在设计中都不考虑。6漏感简而言之，漏感就是初次级不能耦合的磁力线部分，设计变压器的时候要尽量的减少漏感，因漏感在释放能量的时候会产生尖峰电压，而且对变压器的效率也是一大影响。7温升变压器的磁心损耗和线圈损耗（即铜损）是造成变压器温升的一个因素，另外一个造成温升的因素就是辐射表面的面积，气流流过变压器，变压器温度会降低，降低的程度与气流速度有关。要像精确、系统的计算出变压器的温升是不可能的，但是可以通过一些经验曲线来得到一个大概的值，得到的这个值误差一般在10度以内。8铜损铜损一般是由三部分构成导线的欧姆损耗、集肤效应和临近效应。实际中集肤效应和临近效应所带来的损耗往往要比导线的欧姆损耗大得多。线圈中的可变磁场感应产生了涡流，集肤效应是由绕线的自感产生的涡流引起的，其使得电流只流经绕线外层极薄的部分，这部分的厚度或环形导电面积与频率的平方根成正比。因此，频率越高，绕线损失的固态面积就越多，增加了交流阻抗从而增加了铜损。临近效应是由绕线的互感产生的涡流引起的，其引起的铜损比集肤效应大得多，而且，多层绕组的临近效应损耗更是相当的大，感应的涡流迫使净电流只流经铜线截面的一小部分，增加了铜损，最严重的还是临近效应感应的涡流使原来流经绕组或绕组层的净电流幅值增加了很多倍。52开关电源变压器用料介绍1线架BOBBINBOBBIN线架也叫做骨架，在变压器中起支撑作用。开关电源常用到是电木PM，其属于热固性材料，稳定性高，不易变形，耐温150，可承受370之高温表面光滑，易碎，不能回收。适用于耐温较高之变压器2铁心CORE开关电源中用到的铁芯为金属软磁材料的一种，金属软磁材料的基本构成都是氧化铁和其它二价的金属化合物。目前常使用的金属有锰MN、锌ZN、镍NI、镁NG、铜CU。其常用组合如锰锌MNZN系列、镍锌NIZN系列及镁锌MGZN系列。其使用频率范围由1KHZ到超过200KHZ不等。其具体来讲按照铁心中含有的金属不同又可分为金属铁心、铁氧体铁心和铁粉心。在开关电源中使用的是铁氧体铁心，因为这种铁心的磁导率和电阻率都比较高，这样可以降低磁芯损耗，而且价格低，磁感应强度也比较大。其结构目前用的最多的磁心结构是POT（罐型），它是磁心在外，铜线在里面，可以减少EMI，为了改善它的散热情况，衍生出了很多中的形状，像EE型、EI型、PM型、RM型等等，其中使用比较频繁的主要是E类的铁心。3铁弗龙套管铁弗龙为塑料中耐温最高280300最耐强酸、强碱、最抗粘、最滑溜耐磨之工程塑料材料，而广泛用于机械，汽车，电子，化工阀门等零件。铁弗龙为信号、仪控纲路及耐热电线电缆的最佳绝缘材料，成功用于各类家电用品、通讯设备/计算机、各类化学、机械及电气/电子工业领域，在变压器中是一种最常用的套管材质。4马拉胶带马拉胶带是一种聚酯薄膜POLYESETERTAYE，这种胶带适应于需要薄质、耐用和高介电/耐电压强度材料时的绝缘用途，聚脂薄膜胶有极佳的抗化学品、抗氧化和防潮能力，并可扺受切割及磨损，耐温130，HIPOT5KV。其作用是控制层间的绝缘、防止绕组与绕组间的高压及绕组也外部的高压。一般情况下，初级对次级和次级对初级磁心包一圈，初级对次级和初、次级对磁心包三圈，胶带宽度应大于幅宽01MM，起始和结尾搭头510MM。5三层绝缘线三层绝缘线是一种四氟乙烯共聚物，其耐温可达150，高压可承受5KV一分钟，其在变压器绕制中多用于绕制次级，出于安规的考虑这样可以增加绝缘距离和绝缘等级，并提高初次级的耐压能力。6漆包线漆包线一般用来绕制初级绕组，漆包线有很多种，其中耐温多在120度以上，常用的有UEW线，其耐温有130度。7凡立水是一种含浸材料，一般在变压器制作的最后都有一道含浸的工序，即把变压器放在含浸材料中浸一段的时间，其目的是能增加变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命、还能散热、防潮、固定，还能使外观更加的漂亮。53变压器设计531变压器参数的设计下面列述了实际生产中常用的一些变压器设计的基本公式，很多公式都是来源了经验总结，只能作为参考。（1）变压器的计算功率PTP011/2410121511/085805W53（2）设计输出能力根据设计要求所需的输出能力为AP（PT104/4BMFKWKJ）1165805104/（40188010303468）1160680729629CM454所以选择200W的变压器EE42骨架和配套的磁心磁芯有效截面积AC1495MM1192MM178204MM255窗口截面积AM2899MM1495MM1344005MM256所以磁芯截面积乘积为AP2KACAM20217820413440050958028268MM4满足要求（2）线圈计算由于正激式变换器最大的占空比要低于05所以取033我设计的脉冲频率是80KHZ有TON1/F0331064125US57W1UP1TON102/（2BMAC）2654125102/018178204342匝58取34匝所以输出24V的次级边匝数为W212434/（265025）123169811匝59取12匝输出12V的次级边匝数为W2212/265025W1615849057匝510取6匝（4）导线线径JKJAP0141024680680729629014102493889055A/MM2511I初级绕组IJK（24101215/265150973584906A512SMIIJ/J150973584906/4938890551501901105620285165843MM2513因为80KHZ的穿透深度为D661/F1/2661/800001/20233698791MM5142D202336987910467397582MM515而SMI0285165843MM2所需线径为D030128243720602564874MM所以可以选D021MM截面积为0034636059MM2所以要10根圆铜线并绕。本次设计采用“三明治的绕法”所以刚开始时可以采用10根线径为03MM铜线进行并绕17匝，在接着用10根线径为021MM的铜线进行并绕17匝。II次级绕组SMJ2110/5121151071952686MM2516所需线径为07883902962MM157678059由于线径的小于两倍的穿透深度，所以可以选择线径为D05MM其截面积0196349541的圆铜线8根并绕SMJ2215/51211510702929029MM2517它要求的线径为030534224920610684498MM（因为本次设计是才用堆叠式则它的截面与次级绕组I是相同的）。需要注意的是，应该确保初级绕组和去磁绕组紧密耦合532变压器绕制方法下表是变压器绕制的说明表51变压器绕制的说明12V15A24V10A正激式高频变压器的设计绕组层次相位始末线径匝数绕线方式胶带层数N1161203MM10173N2151403MM1三重绝缘线34双线并绕1N37/82/3/412V,15A05MM86均绕3N45/67/824V、10A05MM86均绕3N71213021MM1017均绕3N810903MM13密绕3注1613为一次主绕组（12脚剪掉，这样绕是典型的“三明治”绕法，这样可以减小漏感，本次设计功率24101215258W有必要要考虑漏感问题，所以采用“三明治”绕法）。1514为反馈绕组109为VCC绕组7/8为12V输出端5/6为24V输出端参数计算出来只是标志着变压器的设计第一步的完成，要完成设计则必须绕制成功，变压器的绕制有很多的讲究和技巧。绕制方式的差异会直接影响到变压器的电气性能，在绕制时要注意以下几个因素1是否符合安全规范。2绕组之间是否耦合良好。3是否可保证漏感尽可能地小。以上因素是相互影响的，在绕制时要采取折中的方式。首先考虑符合安全规范。如果开关电源的输入电压峰值高于40V，就要受到一个或多个国际安全规程组织所制定的规范约束。在不同的国家不同的市场会有不同的规范，在产品设计之前就应该首先了解这些规定，安全规程对于变压器的要求一般不都是爬电距离、绝缘强度和温升，一般的方法式在一次侧的绕组之间要用一层的胶带绝缘，一次侧与二次侧之间要用三层胶带绝缘，有时候为了增加爬电距离则有必要使用挡墙，这样做一方面增加了绝缘强度也增加了爬电距离，但是在一定程度上影响到了散热，对于温升由有影响了，所以，绕法的制定，需要一定的实践经验，而且，还需要多次的尝试。其次考虑这么使绕组之间耦合良好。一次与二次，二次与二次绕组的紧密耦合，是变压器设计的最理想的目标，如果耦合很差，功率信号在到达输出整流器之前就已经被延迟了，这会使得存储在磁心上的磁能在绕组上产生很大的尖峰，从而影响到后续电路的工作。二次绕组间的耦合情况会影响到输出交叉调整性能，所谓交叉调整就是一个输出端负载变化时，使其它输出端电压波动的大小。为达到绕组的紧密耦合，可以采用将两根或更多的导线绞合在一起，然后把他们同时绕在骨架上，一般的经验是对于2428号线，大概是每厘米绞一圈，绞的太紧,容易损坏绝缘层。也有把多根导线放在一起同时绕，而不是把他们绞合在一起，大部分的时候他们是紧挨着的。在实际生产出于操作的难度和成本的考虑，常用的还是后一种方式，即把多股导线放在一起绕制。最后考虑减少漏感的绕制漏感的影响就像是在绕组上串上了一个独立的电感，它式导致功率开关管漏极或集电极和输出二极管阳极上尖峰的原因。对于已经选定的磁心和计算好的绕组，可以由下式据算漏感LLEAKBW/3TINSK1LMTNX2/100W1518式中K1对于简单的一次和二次绕组，取3，如果二次绕组是交错在一次绕组两层之间，取085；LMT整根绕线绕在骨架上平均每匝的长度；NX要分析的这个绕组所包含的匝数W1绕组的宽度BW制作好的变压器所有绕组的厚度TINS绕组的绝缘厚度上述公式已经给出了影响绕组漏感的主要因素。在设计中可以控制的主要因素式选择磁心的长短，绕组的宽度，以及匝数的多少。另外，一次与二次耦合大的好坏对于一次漏感也有很大的影响。所以在实际绕制中通常采用的是初、次级夹层绕制的方式（即通常所说的“三明治绕法”），即把一次侧分成两个部分来绕制，先在第一层上绕制一次侧的1/2，然后在其上面绕制二次侧，最后完成一次侧的另一半，要尽量的增加绕线的高度、减少绕组的厚度减少绕组的匝数，选材上要选用高饱和磁感应强度、低损耗的磁芯材料。在绕制时通常考虑的就是以上的几个问题，实践中的很多东西会与书本上的介绍有很大的差距，所以以上只能作为一个参考，在设计中还是要以实践为准。6输出回路的设计61电感的设计如在拓扑分析中所呈现的波形，可以看到它是个脉动的直流，与要求的输出状态还是有差距的，所以有必要在后级加入整流滤波部分。而且电源的主要损耗是在输出级上，所以它的设计对于电源效率的提高也会有大的的影响。基本的原理图如下所示图61输出电路电路中电感L的设计计算如下滤波电感L的作用是在开关管关断时，为负载存储能量。电气上的作用就是把开关方波脉冲积分成直流电压。对于其设计比较简单，过程如下1选好磁心通常选择钼铁合金磁环，这是因为其内部有气隙，当然选用有气隙的铁氧体磁心也可以。2确定输出所需的最小电感计算最小电感可以由下面的公式来设计LMINTONESTVINMAXVOUT/14IOUTMIN61其中VINMAX对应输出整流器的最高峰值电压（我设的交流输入最大为230V，经过整流后，则输出的峰值电压23009210V左右）VOUT输出电压（24V12V）TONEST估计的最大输入电压下，开关管导通时间UON2/N1DUID1UO1N1/N21UI2434/122300362因为开关频率为80KHZ,则TONESTD11/F03125375US63因为输出的两路的电压是存在倍数关系所以计算的结果是一致的。IOUTMIN预先知道的输出端上的负载最小电流50的额定值24V10A路的电感值为L01MIN37521024/141050100UH6412V15A路的电感值为LO2MIN37521012/141550700UH653估计需要的磁心的尺寸先计算存储在磁心中的能量ELLI2OUTAV66然后查阅你所选择磁心生产厂家给你提供的资料手册，就基本上可以确定要用哪种磁心了。4计算绕组匝数N1000L/AL67其中AL是可以通过上述的查表过程得到的一个厂家给予的常数5检查磁环的窗口面积是否能绕下这些匝数绕组占用磁环窗口面积的百分比由下式决定WINDOWNAWIRE/AWINDOW10068其中AWIRE绕组导线的横截面积（可在导线规格表中查得）AWINDOW磁环可以提供的绕线面积N绕组匝数如果这个值超过4050，那么绕组的窗口面积就太大了。这是因为绕线要从余下的空间穿过，若余下的空间小于50那么绕线就无法穿过。遇到这种情况时可以选用尺寸大一点的磁心或者导线线径减小一点，但后一种方法会导致铜损的增加而使电感发热量的增加,得出电感的设计参数如下表6112V15A24V10A双磁环设计表12V15A,24V10A双磁环的设计表绕组层数相位始末线径匝数线长电感值N134102MM4027750UHN212062MM2017M120UH62滤波电容设计它可以简单地由所需要的输出纹波电压峰峰值决定，这个输出纹波电压就是迭加在输出直流电压上的交流三角波，对于正激式变换器，输出纹波的典型值是30MV（峰峰值），如果电流对于纹波比较敏感，那么可以在输出滤波电容的后面再加入一级直流滤波。由于输出的电压具有高频的纹波，所以选择电容时其阻抗频率特性也是要纳入考虑的范畴。由下式可以大概的设计输出电容值COUTMINIOUTMAX1MIN/FVRIPPLEPKPK69式中IOUTMAX输出端的额定电流值MIN在高输入电压和轻载下估计的最小占空比（典型值是03）VRIPPLEPKPK期望的输出电压纹波峰峰值输出为24V10A的滤波电容的设计根据公式有C10（103）/（8010330103）3000UF此次设计就用两个2200UF/35V的电容并联和两个2200UF/16V电容并联。7附加电路附加电路的内容很庞杂，之所以叫附加电路，并不是因为它不重要，相反这些电路对于电源功能的实现起到至关重要的作用，只是由于不同的机种将这些电路置于不同的位置，所以严格来说他们既不属于输入电路也不属于输出电路，而且这里面的很多电路现在都已经集成到了芯片，像控制电路、功率因数校正电路等等。要完成电源的各种保护作用、完成输出的自动控制、完成功率因数的校正等等功能都离不开这些电路。71软启动电路所谓软启动就是指在开关电源接上电源后，驱动脉冲逐渐加宽到设计值，使输出电压慢慢建立的过程。如果记录输入电流的波形会发现，其在输入的瞬间会有很大的尖峰出现，具有软启动功能的电源就可以防止其对于开关管的冲击以保护开关电源。本次设计的软启动电路如下图所示图71软启动电路由于设计要求直流电压到200V时电源启动，而稳压管Z2的稳压值是10V，加上压降07。驱动电流设置在2MA、取样电阻的电流为08MA。所以启动电阻R14（20011）/20810368K,所以选R1468K,软启动就是由R14、C18、R31、Q6、R30、Z2。启动时间由C18和R31的值决定。72反馈控制电路这个部分的电路对于开关电源输出的稳定起着至关重要的作用，前面已经分析到了电路的输出是可以通过控制开关管的开关时间来控制的，这也就是就是脉宽调制（PWM）的理论依据了，现在脉宽调制电路现在已经集成到了芯片上，具体的电路我们只知道其中的工作模块，也只需要了解下其中的工作模块。下图是反馈电路图72反馈电路开关电源的控制IC有很多种，有电压型控制、电流型控制、电压滞环控制、变频控制等等。本次设计中用的是电流型控制器UC3843。它将从输出反馈来的电压信号（这个电压信号一般都来自与TL431取样脚）与IC内部的基准电压信号进行比较，得到的误差信号被放大再经过处理，它还可以接收开关管处的电流反馈。在两者的配合下共同完成改变输出的PWM波形从而对于开关管的开关状态进行调整，从而可以实现稳定的输出。图中IREF2425/39103550UA这么大的基准电流，可以抵御一些干扰，所以R239K可以满足设计的需要。TL431的基准端和控制端用一个电阻和一个电容串联是因为减少输出纹波系数。由于初次级之间的电压悬殊，所以要实现反馈则需要能实现反馈隔离的组件，用的最多的反馈隔离组件就是光电耦合器，简称光耦（PC817），光耦主要由两部分组成一是发光体，实际上就是发光二极管，其受到输入电流的控制而发出不同程度的红外光，而另一部分就是受光器，其接受到光照以后，产生与发光强度对应的电流，这就实现了反馈隔离，其信号单向传递具有很强的抗干扰能力且传输效率高。74驱动电路当设计的功率比较大时，仅靠UC3843来控制开关管是没有用的。必须加上驱动电路。下图是本次设计的驱动电路，是用PNP型的A1020和NPN型的C2655来构成互补功率放大电路。图73驱动电路74保护电路保护电路现在也集成在控制IC里面了，一般来说开关电源都有过流保护、过压保护、过功率保护。当然这些电路也是可以用分立组件构成的，但是出于成本和电路体积的考虑，实际中采用的基本上都是采用具有相关功能的IC来完成的这些保护的功能，像电压型控制的芯片本身就具备过压保护（也就是输出电压超过额定输出电压的上限值）的功能，对于过流保护的实现，在芯片内部采用的方式因不同的芯片而不同，其中一种保护方式就是在通过检测串联在输出端上的一个电阻的电压来检测输出电流，同电压反馈控制一样，电流信号放大后输入电流误差放大器中，到检测到输出电流接近设定值时，就阻碍电压误差放大器的作用，从而把电流加以限制，以免其继续的增大。这种过电流保护有个固有的缺点，就是响应速度很慢，但输出突然短路，会来不及保护功率开关，而且在磁性组件进入饱和状态时也无法检测。这些会导致在几个微妙内电流成指数上升而损坏功率开关。一种更好的保护方式是在功率开关管上串联一个电流检测器（电阻或者电流互感器），其目的是检测流过开关管的瞬时电流，当其超过瞬时电流限制值时就关断开关管，其响应速度快，可实现对于像磁心饱和在内的引起的各种瞬时过电流情况下对于开关管的保护。75功率因数校正像在输入部分，只有在输入端的交流电压的瞬时值超过滤波电容上的电压时，整流二极管才会因为正向偏置而导通，而输入电压的瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管则反向偏置而截止。这样的结果就是导致输入后级电路的实际输入电压波形就是脉冲尖波。这显然导致电能使用效率的降低，而且由于电路中存在的电抗作用，电压和电流的相位不是一致的，在后级电路中有功功率的比重就会减小很多。所以现在国际上，日本60W以上，其它国家75W以上要求做功率因数校正，要求功率因数达到095以上。目前功率因数的校正已经集成到了芯片中，下面简短的介绍下基本的工作原理将整流后的输出电压与芯片中的基准电压比较，将结果送入误差放大器，放大的信号与桥式整流的脉动电压一起加的乘法器中相乘，而后输出一个电流信号并与从开关管引出的开关电流一起加到电流误差放大器中，放大后的误差信号去驱动脉宽调制信号，来改变开关管的开关状态，实现输出部分的电压与电流波形的一致，减少电流的谐波，提高功率因数。76效率改善影响开关电源效率的因素很多，归纳起来大致有以下几个方面1开关管的驱动不当2变压器的设计不佳3浪涌吸收电路设计不佳4整流部分设计不佳5附加电路的参数选择不当在这些因素中间，与效率最密切的还是开关管和整流部分的设计问题，因为开关管的开关速度很快的，在高频环境下开关管的开关损耗就不可忽视了，另一个方面，整流二极管的正向压降、反向恢复时间，对于起损耗大小是息息相关的，所以，在设计中要重点考虑开关管和整流二极管的选择，对于变压器的设计要注重磁芯和饶制方式。8设计规范本部分所考虑的是产品设计中应该遵循的一些规范，这些规范都是来源于经验的总结，每一条都是从节约成本提高生产效率、缩短短的研发周期并满足最佳的性能出发，在开关电源设计的后期有必要考虑这些问题。81部份零件电气余量使用标准电解电容类条件输入90264VAC,输出满载,环境温度251实际工作电压标称电压的932实际工作纹波电流标称纹波电流的803实际工作温度标称工作温度804实际工作寿命13000HRSMOS类条件输入90264VAC,输出满载,环境温度254实际工作VDS值标称工作VDS值的802实际工作平均电流标称工作电流的753实际工作VGS电压标称工作GS的904实际工作温度标称工作温度的80二极管，三极管类条件输入90264VAC,输出满载,环境温度251实际工作电压标称电压的802实际工作电流标称电流的753实际工作冲击电流标称冲击电流904实际工作温度标称工作温度的80电阻条件输入90264VAC,输出满载,环境温度251实际工作电压标称电压的502实际工作温度标称工作温度的8082零