小型高频开关电源的设计毕业设计

1、university of science and technology liaoning毕业设计 论文题目：论文题目：小型高频开关电源的设计小型高频开关电源的设计 学学 院：院： 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 班班 级：级： 自动化自动化 2011-62011-6 小型高频开关电源的设计小型高频开关电源的设计摘 要 在各种电力电子设备中，开关电源作为其供电装置必不可少。一个完整的开关电源系统主要由输入电路、开关变换器、变压器、输出电路、控制电路等几部分组成，将交流输入电转换成电力电子设备所需的直流电。现阶段开关电源主要向高频化、集成化、智能化等方向发展，对电力电子设备性能的提高扮演了

2、举足轻重的角色。本文针对电动汽车电驱动系统的电源需求，设计一款小型高频开关电源，以期实现宽范围电压输入和多路隔离输出的问题。选择单端反激式拓扑，高频变压器采用耦合方式实现小型开关电源的多路隔离输出。基于单端反激式变换器原理及电流型pwm 控制芯片，本文设计了一个单端反激式多路输出小型高频开关电源，主要介绍了单端反激变换器、 rcd 箝位电路、 uc3842 芯片、电压及电流反馈电路的设计过程。关键词关键词：开关电源；单端反激式变换器；高频变压器；电流型 pwm 控制；uc3842s sm ma al ll l h hi ig gh h- -f fr re eq qu ue en nc cy y

3、 s sw wi it tc ch hi in ng g p po ow we er r s su up pp pl ly y d de es si ig gn na ab bs st tr ra ac ct tin various power electronic devices, switching power supply device as playing an important role. a complete switching power supply system consists of an input circuit, switching converters, tran

4、sformers, output circuit, a control circuit composed of several parts, the ac input power is converted into direct current required to power electronic devices. at this stage mainly to the high-frequency switching power supply, integration, intelligence and other direction, to improve the performanc

5、e of power electronics played a pivotal role.in this paper, the power requirements of the electric vehicle electric drive system, a small high-frequency switching power supply design, in order to achieve a wide range of input voltage problem and multi-channel isolation output. choose single-ended fl

6、yback topology, high-frequency transformer coupling achieve small switching power supply multi-channel isolation output. based on a single-ended flyback converter principle and current mode pwm control chip, the article gives a single-ended flyback multi-output compact high-frequency switching power

7、 supply design, introduced the flyback transformer, rcd clamp circuit, uc3824 start circuit, voltage feedback circuit and current feedback circuit design process.k ke ey yw wo or rd ds s: switching power supply; single-ended flyback converter; high-frequency transformers; current-mode pwm control; u

8、c3842目目 录录1 绪论 .11.1 高频开关电源概述.11.1.1 高频开关电源的特点 .11.1.2 高频开关电源技术发展方向 .11.2 选题背景.21.3 本文主要研究内容.32 高频开关电源的工作原理.42.1 高频开关电源的基本原理.42.2 开关电源的技术参数.52.2.1 输入技术参数 .52.2.2 输出技术参数 .62.3 开关电源的变换器.72.3.1 单端正激式结构 .72.3.2 单端反激式结构 .82.3.3 半桥式电路结构 .82.3.4 全桥式电路结构 .92.3.5 推挽式电路结构 .93 单端反激式变换器.113.1 单端反激式变换器的构成与基本原理.1

9、13.2 单端反激变换器的工作模式.123.3 单端反激式变换器工作模式的分析比较.154 小型高频开关电源系统的电路设计.184.1 控制电路的理论基础.184.1.1 控制电路的构成及原理 .184.2 小型高频开关电源系统的主电路设计.194.2.1 小型高频开关电源的原理图设计 .194.2.2 高频变压器设计 .204.2.3 箝位电路设计 .224.3 小型高频开关电源系统的控制电路设计.244.3.1 电流型 pwm 控制芯片 uc3842.254.3.2 uc3842 的启动及正常工作.254.3.3 电压反馈电路设计 .264.3.4 电流反馈电路设计 .274.3.5 振荡

10、频率的设定 .284.3.6 输出滤波电路设计 .28结 论.29致 谢.30参考文献.311 1 绪论绪论1.11.1 高频开关电源概述高频开关电源概述1.1.11.1.1 高频开关电源的特点高频开关电源的特点所谓高频开关电源，广义地说，凡是利用功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态的主电路都叫做开关转换电器，利用高频脉宽调制（pwm）技术或高频脉冲频率调制（pfm）技术，在转变时通过对开关转换器的自动闭环控制来稳定电压，并具有保护与显示环节的，则称为高频开关电源1。自从 20 世纪 70 年代，用高频开关电源取代线性调节器式电源以来，高频开关电源得到了很大的发展。40

11、 多年来，高频开关电源的技术进步和发展历程有三大标志：（1）功率半导体开关器件用功率场效应晶体管（mosfet）和绝缘栅双极型晶体管(igbt)取代了 70 年代使用的普通功率晶体管；（2）高频化 pwm 与 pfm 控制技术的应用和软开关技术的应用；(3)开关电源系统集成技术的应用。现代的高频开关电源技术是发展最快、应用最广泛的一种电力电子电源技术。可以说，凡是用电的电子设备没有不用开关电源的，如家用电器中的电视机、个人计算机、音响设备、日光灯镇流器、医院的医疗设备、通信电源、航空航天电源、ups 电源、变频器电源、交流电动机的变频调速电源、便携式电子设备的电源等，都要使用高频开关电源。它的

12、应用面之广是任何电力电子电源都无法比拟的1。1.1.21.1.2 高频开关电源高频开关电源技术发展方向技术发展方向（1）采用高性能碳化硅（ sic）功率半导体器件26碳化硅将是 21 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其优点是禁带宽、工作温度高（可达 600 ）、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小以及cpn 结耐压高等。（2）高频磁技术对高频磁性材料，要求损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，如超薄钴基非晶态磁带，1mhz（）时，5 6 m0.1mbt损耗仅仅为 0.71 ，是 mnzn 高频铁氧体的。研究将铁氧体或其他3/w cm1/31/ 4薄膜

13、材料高密度集成在硅片上，或硅材料集成在铁氧体上，是一种磁电混合集成技术，这种技术还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合技术等。此外，给出磁元件设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计自由度与约束条件也是发展方向之一。（3）新型电容器研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容，要求容量大、等效串联电阻小、体积小等。（4）功率因数校正 ac-dc 变换技术一般高功率因数 ac-dc 电源由两级组成，在 dc-dc 变换器前加一级前置功率因数校正器，这样至少需要2 个主开关管及两套控制驱动电路，总体效率低，成本高。在要求不太高的情况下，可以用pfc 和

14、变换器组合电路构成小功率dc-dc开关电源，功率因数仍可校正到0.8 以上，这种电路结构称为单管单级功率因数校正 ac-dc 变换器。（5）高频开关电源的电磁兼容研究高频开关电源的电磁兼容性通常涉及开关过程产生的和，引起强/di dt/du dt大的传导性电磁干扰和谐波干扰。同时，开关电源内部控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于问题的特殊性和测量上的具体困难，针对开关电源电磁兼容的研究工作，目前还处于起始阶段。1.21.2 选题背景选题背景 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm

15、）控制 ic 和 mosfet 构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。第一代 70 年初，那时候从线性电源开始走向开关电源；第二代是 1976 开始取得 ul 安规认证；第三代从 80 年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑 85265v 范围内

16、，同时欧规和其他安规都要考虑进来；第四代在 90 年中期，欧盟要求电磁兼容（emc），包括功率因数校正（pfc）方面的高次谐波要求；现在进入了第五代，2006 年 7 月，欧盟将强制执行关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令（restriction of hazardous substances）条例，以限制有毒物质的使用，这样新一代的电源产品就诞生了。开关电源的发展方向是高频化，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源、节约能源及保护环境方面都具有重要的意义。近年来，开

17、关电源已广泛地应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。1 1. .3 3 本本文文主主要要研研究究内内容容文章主要 内容如下： (1)介绍开关电源的技术参数、 单端反激式变换器 的电路结构和 工作原理，分析比较其工作模式 之间的过渡过程和各自 的优缺点 。结合小型高频开关电源的设计需求指标，选择单端反激变换器作为主电路拓扑。 (2)控制电路部分有很多成熟的经验可以借鉴，如峰值电流型控制电路、驱动电路、各种保护电路等。

18、根据小型高频开关电源实际需要，确定控制电路各部分参数值。为了保证电源输出电压的精度并稳定可靠的工作，反馈环路设计非常重要。 (3)高频变压器是非常重要的磁元件，选择合适的磁芯材料、规格，决定其工作范围是否会饱和，合适的绕组绕制方式等对电源整机性能影响很大，故文中对反激高频变压器的绕制工艺进行了设计。文中还对rcd 箝位电路、电压电流反馈电路等关键电路进行了设计和参数选择 。2 2 高频开关电源的工作原理高频开关电源的工作原理2.12.1 高频开关电源的基本原理高频开关电源的基本原理高频开关电源是将交流输入电转换成电力电子设备所需的直流电的设备，相对于普通开关电源它的变换频率高，从而带来了效率的

19、提高和体积的减小。其基本原理是:输入的工频交流电通过电网滤波、整流滤波成为单相的含有一定脉动成分的直流电，该直流电经高频变换器转变成矩形高频交流电，其中高频变换器受控制器的控制，再由高频变压器隔离变换，得到所需的高频交流电，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电整流滤波得到符合用电标准的高质量、高品质的直流电。图 2.12.1 开关电源的原理结构图开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能介绍如下7。（1）输入电网滤波器：消除来自电网的干扰，如电动机的启动，电器的开/关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向

20、电网扩散。（2）输入整流滤波器：对电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。（3）逆变器：是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离。（4）输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波后得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。（5）控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较后进行放大；调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。（6）保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。2.22.2 开关电源的技术参数开关电源的技术参数 在设计一个开关电源的时候，必须

21、首先对开关电源的各项技术参数作深入的了解，在其基础之上确定其所要设计的开关电源内部和外部的参数。本文从输出技术参数和输入技术参数这两个方面来介绍开关电源的各个参数。2.2.12.2.1 输入技术参数输入技术参数 开关电源输入技术参数表征其输入端的各项特性，主要包括以下几点:（1）额定电压和电压变化范围 由于电网电压的不稳定和不同的国家和地区之间具有不同的电压标准，所以在设计开关电源的时候必须要使所设计的开关电源满足当地的电压标准，有的电源用途比较广泛，所以在设计的时候加入了输入切换功能，一般情况下，只要求开关电源具有比较宽的电压输入范围。（2）频率输入交流电的频率变化对开关电源的影响比较大，输

22、入滤波器中电容电流和输入整流二极管的损耗都随输入交流电频率的增加而增大，从而使开关电源的效率降低。我国的民用电的频率一般为 50 或 60 赫兹，所以所设计的开关电源需满足我国的用电频率标准。（3）输入电流 开关电源的最大输入电流是指当输入电压最小，输出电压和输出电流达到最大值时的输入电流;额定输入电流是指输入电压、输出电压和输出电流均为额定值时的输入电流。开关电源的输入滤波方式包括 emi 滤波和电容滤波，其峰值电流较大，因此必须根据功率因数和电流峰值因数来确定输入电流值。（4）冲击电流冲击电流是指当输入电压在一定时间间隔内通断时，输入电流达到稳定值前电路中所流过的最大瞬时电流。开关电源中的

23、冲击电流是指输入电压接通后，输出电压开始上升时流经的峰值电流，它的取值与输入电流有关，最大不能超过 50a。一般情况下，当输入电压突然下降或突然断开时，由于热敏电阻不能快速恢复，其防止冲击电流的功能就会失效，所以，用热敏电阻不能防止开关电源频繁启动时的冲击电流，应当规定开通和断开的间隔时间。（5）效率 开关电源的效率定义为当输入和输出均为额定值时其输出功率和输入有效功率之比。效率随电压、电流、功率因数和开关方式的不同而不同，其主要受电路损耗的影响，电路损耗包括开关管导通/关断损耗、浪涌电流吸收电路损耗、整流二极管上的损耗、磁芯损耗和辅助电源损耗，这些损耗是开关电源固有的缺陷只能减小而不能避免。

24、开关电源的效率还受输入和输出的环境条件的影响，所以应当使开关电源具有良好的散热条件。（6）漏电流 漏电流是指输入端相对于地的电流，在开关电源中主要是指接通电源后通过滤波器中的电容对地的泄露电流。漏电流可以引发触电危险，破坏其他电子设备，所以必须保证开关电源可靠接地。2.2.22.2.2 输出技术参数输出技术参数 开关电源输出技术参数表征其自身的参数，主要包括以下几个方面:（1）额定输出电压 额定输出电压是指开关电源输出端之间电压的标称值。一般要规定开关电源的输出电压范围和额定输出电压值的精度和纹波系数。（2）额定输出电流 额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流值。（3）纹波噪声 纹波出现

25、在输出端子间的一种与输入频率和开关变换频率同步的分量，通常用纹波系数来表示。纹波系数是指在额定输出电流下，输出纹波电压的有效值与输出电压的比值，一般控制在 1%以内。噪声是指出现在输出端子之间的纹波以外的高频分量，通常以峰峰值或有效值来表示，一般在输出电压的 0.5 之内。（4）稳压精度稳压精度也称之为电压调整率，其定义为当发生改变输出电压的因素时，输出电压的变化量和输出额定电压之比。改变输出电压的因素包括:输入电压的变化、负载的变化、环境温度的变动、初始偏(指输入和输出均为额定值时，从接入输入电压到指定时间内的输出电压的变动)、时效偏差、动态输入变动、动态负载变动、纹波噪声。（5）输出电压可

26、调范围输出电压可调范围是指在保证稳压精度的条件下，可以从外部调节输出电压的范围。2.32.3 开关电源的变换器开关电源的变换器 dc-dc 变换器是开关电源的主要组成部分，在开关电源的各个环节中扮演关键的角色。尽管基本的变压器可以完成电压变换的工作，但实际上还是有局限性。带变压隔离器的变换器拓扑结构可以解决基本拓扑结构遇到的一些局限性问题，它是从基本变换器的拓扑结构经派生、组合、演变而来的7。 变压器隔离的 dc-dc 变换器分类为:单端 (正激式和反激式)、推挽式、半桥式和全桥式。正激式、推挽式、半桥式和全桥式变换器是在 buck 变换器基础上演变而来的;反激式变换器是在 buck-boos

27、t 变换器基础上演变而来的。2.3.12.3.1 单端正激式结构单端正激式结构 单端正激式变换器是一个隔离开关变换器，其根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，因此可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器，所以极大地增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效扩大了变换器的使用范围。单端正激式变换器拓补因其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中、小功率电源的设计中。在计算机、通信、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求7。正激变换器的原理图如图 2.2 所示。图 2.22.2 正激变换器的原理图 当 s 导通时，为负载提供的能量是通过正激变换器的副边

28、整流二极管 d:得到。当s 截止时，为负载提供能量的是通过续流二极管 d:将输出滤波电感 l 储存的能量释放，电流方向不变。2.3.22.3.2 单端反激式结构单端反激式结构 当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种开关电源称为反激式开关电源。电路结构及工作原理将在第三章做详细的介绍。2.3.32.3.3 半桥式电路结构半桥式电路结构 半桥式开关电源属于双激式开关电源，从原理上来说，它也属于推挽式开关电源，它是多种推挽式开关电源家庭成员之一。在半桥式开关电源中，两个控制开关管 s1和s2轮流

29、交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流的瞬间响应速度很高，电压的输出特性也很好。其主要优点是开关管关断时的承受电压为 udc，而不像推挽拓补或单端正激式变换器那样为 2udc。因此，该拓补在网压为 220v 的市场设备中得到了广泛应用。半桥式电路的结构原理图如图 2.3 所示。图 2.32.3 半桥式电路的结构原理图 由于半桥式开关电源的两个开关器件的工作电压只有输入电压的一半，所以它比较适用于工作电压比较高的场合。2.3.42.3.4 全桥式电路结构全桥式电路结构 在需要大功率的场合，在众多 dc-dc 变换器拓补中，首选全桥变换器。因为当功率开关管的额定

30、电压和电流相同时，变换器的输出功率通常随开关管数量的增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。全桥变换器由四个功率开关管构成，其主变压器只需要一个初级绕组，该变压器通过正、反向的电压得到正、反向磁通，从而使其铁芯和绕组得到最佳利用，使其效率和功率密度得到提高。全桥电路的结构原理图如图 2.4所示。图 2.42.4 全桥电路的结构原理图2.3.52.3.5 推挽式电路结构推挽式电路结构 在双激式开关电源中，推挽式开关电源是最常用的开关电源。由于推挽式开关电源中的两个控制开关管 k1和 k2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，所以其输出电流的瞬间

31、响应速度很高，电压输出特性也很好。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，因此它被广泛应用于 dc/ac逆变器，或 dc/dc 转换器电路中。推挽式电路的结构原理图如图 2.5 所示。图 2.52.5 推挽式电路的结构原理图3 3 单端反激式变换器单端反激式变换器下面将对单端反激变换器主电路和控制电路的相关基础理论进行分析，从而为本文所设计的小型高频开关电源的整个电路的设计提供参考依据和理论支撑。3.13.1 单端反激式变换器的构成与基本原理单端反激式变换器的构成与基本原理单端反激式变换器是在 buck-boost 电路基础上增

32、加一个变压器，使变换器的输入与输出之间实现电气隔离，这样也使变换器能够更加安全可靠的运行，电磁兼容性也有一定的提升。因为不用输出电感，输入电压和负载产生改变时，反激变换器各输出端跟随调整的很好，输出调整率比其他拓扑好很多，因此在输出功率为50150w、要求多路输出的场合常采用反激拓扑。单端反激式变换器基本原理图如图3.1 所示。其基本原理如下： 当开关管vt 导通时，输入电压直接加到初级绕组1n上，其电流线性上升，电感储能iu1i增加，由绕组同名端极性可判断次级绕组2n 极性为上负下正，整流二极管vd 截止，2n 中没有电流流过，由电容c放电并向负载r提供能量；当开关管 vt 关断时，电源不再

33、为变压器提供能量，2n 绕组极性变为上正下负，二极管vd 导通，初级绕组1n中的电流转移到次级绕组2n 上, 2n 中的电流从最大值减小，此1i2i时存储在电感中的能量由二极管vd 向负载r传递并给电容c充电。uivttvdcr+-uon1n2i1i2图 3 3. .1 1 单端反激式变换器基本原理图 假设为绕组1n的电感，为绕组的电感，则在 vt 导通时，期间流过1n的1l2l2n电流为： (3-1)tlui11i 若 vt 的导通时间为，则导通结束时，的幅值为：ont1ip1i (3-2) on1ip1tlui vt 截止期间流过电流为：2n (3-3)tluiop222i其中，为输出电压

34、，为 vt 截止开始时流过的电流幅值，那么oupi22n (3-4)p121p2inni假设，为常数，则电流，将按线性规律上升或下降。1l2l1i2i3.23.2 单端反激变换器的工作单端反激变换器的工作模式模式根据开关管导通和关断期间变压器中磁能储存和释放的情况，单端反激式变换器可以有三种不同的工作模式，即电流断续工作模式、电流临界工作模式、电流连续工作模式。 变压器一次绕组电流与二次绕组电流的理想波形（不考虑电路1i2i中的寄生参数）如图 3.2 所示，以下三种工作模式的理论分析都是基于理想条件下进行的，其中各电流的参考方向如图3.2 中所示。acebdfhkilmnpqrstxuyzvw

35、i1断续（a）i2断续（b）i1连续（c）i2连续（d）图 3.23.2 变压器一次绕组与二次绕组的电流理想波形（1）电流断续工作模式如图 3.2 中图（a）、（b）所示，当 vt 截止时间比绕组中电流衰减到2n2i零所用的时间更长，即时，次级电流和变压器磁通在 vt 截止pooffiul22)/(t2i时间之前就已经衰减到零。在下一个周期vt 重新导通时，电流都从零开始offt1i按照的规律线性上升，磁通同样以线性规律上升。1il/ tu因为在 vt 导通时存储在变压器中的能量为： (3-5)2p11lil21w 所以，单位时间内电源提供的能量（输入功率）为： (3-6)2p11liilt2

36、1twp假定电路中没有功率损耗，全部被负载吸收，那么输出功率与输入功率op相等。而ip (3-7)rup2oo所以， (3-8)rutiop22112l得到输出电压为：ou (3-9)tlrtuuonio12以上可知，输出电压与负载电阻 r 有关，负载电阻越大则输出电压越高，ou反之负载电阻越小，则输出电压越低，这是反激变换器的一个特点。另外，随输入电压的增大而增大，随导通时间的增加而增大，还随1n绕组电感量ou的增大而减小。1l当 vt 截止时， vd 导通，次级绕组上的电压幅值近似为输出电压，这2nou样，vt 截止时管子上所承受的电压值可作以下计算，绕组1n上感应的电势应为：1nu (3

37、-10)o211nunnu因此，在 vt 截止时漏源极间承受的电压为： (3-11)oinunnuu211idsuu由于初级电感电流在开关管开始导通时刻从零开始增加，副边电感电流在开关管关断时刻结束之前应经下降为零。在一个开关周期中，储存在变压器中的磁能全部转变为电能供给负载和输出电容。因此该模式属于磁能完全释放型。（2）电流连续工作模式如图 3.2 中（c）、（d）所示，当 vt 截止时间较小时，p2o2i )/(tuloff截止时间结束将大于零，即，这种情况下，在下一个周期， vt 重新导2i0imin2通时，初级绕组电流不是从零开始，而是从开始，按的斜率线性上升。1imin1i1i/ul

38、初级电感电流在开关管导通开始时由非零值开始增加，副边电感电流在开关管关断时刻结束之前未下降为零， 此时电路处于 电流连续状态。在一个开关周期中，储存于变压器的磁能只有部分转变为电能供给负载和输出电容。因此该模式属于能量不完全释放型。（3）电流临界工作模式电流临界工作模式介于断续模式于连续模式之间，vt 的截止时间与绕组offt中的电流衰减到零所需要的时间相等，即2n2i (3-12)p2o2offiult这样，在 vt 截止时间将结束时，绕组中的电流刚好降到零。在下一个2n2i周期，vt 重新导通时，1n中的电流也从零开始，按的规律线性上升，这1i1i/ tul时磁化电流达到临界状态。由于 变

39、压器中储存的磁能在一个开关周期中恰好全部转化为电能并完全释放给负载和输出电容。因此该模式属于能量完全释放型。3.33.3 单端反激式变换器工作模式的分析比较单端反激式变换器工作模式的分析比较下面将从 电流断续工作模式 和电流连续工作模式 下各自的电流应力、原边电感量大小及二极管反向恢复问题开始分析比较。(1)电流应力假定两种工作模式下的反激变换器输出相同功率，最大占空比。op5 . 0d 电流断续工作模式下的电流应力因为电流临界模式实为电流断续工作模式的特殊情况，且在相同条件下电流断续工作模式所求得的原边电感更小 ，为了简化分析，此处假定电路在输出功率为时恰好工作在电流临界状态， 求得原边电感

40、：op1l (3-13)osiptdu2l221则每个开关周期内电感的电流峰值为： (3-14)11ldtuisip把式（3-13）和占空比0.5d 同时代入式（ 3-14），从而得到 电流临界模式时电感电流峰值为： (3-15)ioiop1up4dup2i则每个开关周期内电感电流的有效值为： (3-16)p11p1i663dii 电流连续工作模式下的电流应力在电流连续工作模式下，取 原边电感 为电流临界工作状态时 值的k倍（1k ），即为： (3-17)kp2tdlos221iu根据相关资料可知此时 每个开关周期内原边 电感电流峰值、最小值分别为：p1imini (3-18)iooiopku

41、pkdpdudpi) 1(2ku)1 (i21 (3-19)ioioiokupkdkupdudpi) 1(2)1 (2min二者的比值pk为： (3-20)111minkkiikpp每个开关周期内电感电流的有效值为： (3-21)ppppikkkkdii122211) 1(613) 1( 两种工作模式下电流应力的比较由式（3-15）、（3-18）可知两种工作模式下电感电流峰值的关系为： (3-22)ppiikk11p121i由式（3-16）、（3-21）可知两种工作模式下电感电流有效值的关系为： (3-23)121213ikki由式（3-22）可知，当输出功率相同时，电流断续工作状态时的原边电

42、感电流峰值比连续状态时大很多，即电流容量相同的功率管工作在连续状态时能输出更大的功率。(2)原边电感量若要使变换器一直处于电流连续工作模式，那么负载电流的最小输出为minio临界连续时的负载电流，从而可得： (3-24)min22min22122osioosiptduiutdul若要使变换器一直处于电流 断续工作状态，那么负载电流的最大输出o maxi为临界连续时的负载电流，从而可得： (3-25)max22maxos22i12iu2tdulosioptdu比较可知，当输出功率相同时，电流断续工作状态下的原边电感量小很多，使得反激变压器体积也小很多。(3)二极管反向恢复问题在电流工作在断续状态

43、时，单端反激式变换器副边整流二极管在原边功率开关管再次开通前电流已经衰减到零，二极管完全截止，所以不会产生二极管反向恢复引起的振铃现象及相关的干扰问题。然而在电流连续模式下，反激式变换器副边整流二极管电流还没减小到零，原边功率开关管就已经导通，因此会产生二极管反向恢复。两种工作状态有完全不同的工作特性和应用场合，传递函数中不包括右半平面零点的断续模式电路，其负载电流突变的瞬态响应更快。但快速的瞬态响应使得断续模式下次级峰值电流为连续工作状态下的23 倍，使其在开关管关断瞬间出现较大的输出电压尖峰，并造成严重的rfi 问题。尽管断续模式有诸多缺点，仍比连续模式的应用更加广泛。原因有两个：第一，断

44、续状态下自身的变压器磁电感小，从而响应快，不存在次级整流二极管的反向恢复问题；第二，考虑到连续模式本身的特性（其传递函数包含右半平面零点） ，必须大幅地减小误差放大器带宽，这样才会使反馈环稳定。4 4 小型高频开关电源系统的电路设计小型高频开关电源系统的电路设计4.14.1 控制电路控制电路的理论基础的理论基础 小型电源系统由主电路及控制电路组成，其中主电路 实现电能 变换与传递，而控制电路用于处理并产生控制信号 ，经驱动电路进行信号放大后控制功率mosfet 的导通与关断。控制电路正常与否，决定了整个电源系统的性能，若出现控制信号错误，整个电源将无法正常工作甚至出现损坏。4.1.14.1.1

45、 控制电路的构成及原理控制电路的构成及原理调节器反馈信号基准信号封锁信号过压欠压短路pwm脉冲发生器驱动电路主电路基准源保护电路图 4 4. .1 1 小型电源系统的 结构图如图4.1所示，控制电路通常主要由 基准源、调节器、 pwm脉冲发生器、驱动电路、保护电路组成。各部分 的电路功能如下：(1)基准源基准源用于供应 稳定的基准电压或电流，为控制电路 供给给定的参考量。(2)调节器调节器将 主电路输出反馈信号与给定参考信号 相比，得到误差信号 。(3)pwm脉冲发生器pwm脉冲发生器将误差信号与振荡器信号进行比较，得到pwm脉冲信号，用于驱动功率 mosfet。(4)驱动电路通常由脉冲发生器

46、产生的方波信号无法直接驱动功率mosfet，需要有驱动电路进行功率放大，才能驱动功率 mosfet。(5)保护电路开关电源中不免会出现过流、欠压过压及输出短路等故障，这些会影响电源的正常运行，甚至造成损毁，所以必须要有保护电路，保证电路正常工作。4.24.2 小型高频开关电源系统的主电路设计小型高频开关电源系统的主电路设计本文所设计的电驱动系统小型高频开关电源输出功率约为50w，要求实现八路隔离输出且有两路输出精度要求较高。鉴于单端反激拓扑结构简单、成本低廉和在多路输出方面的优势，决定小型高频开关电源选择单端反激拓扑作为主电路拓扑，采用变压器耦合多绕组输出方式达成多路隔离输出。该小型高频开关电

47、源的主要技术指标如表 4.1 所示。表 4 4. .1 1 小型高频开关电源主要技术指标输入电压为 220v400v各路输出电压带负载能力输出电压纹波精度pwm 芯片供电绕组0.5w满足芯片供电要求+15v5.5w2%-15v1.5w3%+24v16w10%上桥臂 u 相驱动绕组3.5w满足驱动要求上桥臂 v 相驱动绕组3.5w满足驱动要求上桥臂 w 相驱动绕组3.5w满足驱动要求uvw 三相下桥臂驱动绕组10.5w满足驱动要求4.2.14.2.1 小型高频开关电源的原理图设计小型高频开关电源的原理图设计该小型高频开关电源的原理图设计如图4.2 所示，输入电压取自电动汽车动力电池组，经过单端反

48、激变换器转换为 +15v、15v、+24v 输出，分别为 pwm 控制芯片、运算放大器及 dsp 电路、风扇及继电器电路供电，其它四路输出为igbt 驱动供电（其中三路输出分别为u、v、w 三相上桥臂的驱动电路供电，另一路为所有相下桥臂的驱动电路供电） ，其中15v 输出作为最重要的两路对输出电压的纹波精度要求较高，因此对 +15v 输出进行电压反馈。考虑到小型高频开关电源的负载相对比较固定，而其它几路输出电压的纹波精度要求不高，所以从电路结构及成本方面考虑，没有采用二次稳压模块及复杂的输出滤波电路。d5r1r12r6r2r5bt?batteryc7c12d7d8c8compvreffbise

49、nsert/ctgndoutvcc123467853842optoiso1r3r4tl431r7d9c9t?t1vccu1vccu2vccu3vee+24vc10d10q?mosfet-n1r8r9r11r10c11c13c1veeu1c2veeu2c3veeu3c4c6vcc+24vc5veeu,v2,w2d6d3d4d2d1vccu,v2,w2vcc+15vvcc-15v图 4.24.2 小型高频开关电源设计原理图4.2.24.2.2 高频变压器设计高频变压器设计高频变压器作为小型高频开关电源中最重要的磁元件，它实际上是多绕组的耦合电感。高频变压器首先要存储能量，再将磁能转化为电能传输出去

50、，它同时担当着储存能量和传递能量的职责。其性能如何不仅直接影响到自身的效率、发热温升及寿命，而且还将影响到电源的性能指标（如输出噪声纹波、电磁辐射及干扰等问题）和电源正常工作的可靠性。由于反激变换器在电流连续模式下存在右半平面零点问题，因此设计使电源始终工作在断续模式下，对变压器主要参数确定如下810： (1)选取极限耐压为 800v 的 mosfet，考虑到留 30%的裕量，则 mosfet 承受最大电压为 550v，由下式 （4-1）决定变压器原边和 +15v 输出绕组间的匝比 (4-1)max1(1)pmsdcosnvvvn其中：为 mosfet 承受最大电压（单位： v） ；为最大直流

51、输入电压（单msvmaxdcv位：v）；为变压器原边匝数；为+15v 输出绕组匝数；为输出电压，即pn1snov+15v。 (2)保证变压器工作在断续模式，开关频率f 取 50khz，由式（4-2）计算最大导通时间 。 (4-2)11(1)*/*0.91*(1)(1)*/opsondcopsvnntvvnnf其中：为开关管导通时间（单位：）；为直流输入电压（单位：v）。ontsdcv (3)原边绕组电感可由下式 （4-3）求得。pl (4-3)2(*) *2.5*dconpovtflp其中：为变压器总输出功率（单位：w）。 op (4)选取 tdk 公司 pc90 磁芯材料，其饱和磁感应密度为

52、 0.39t，剩余磁感sb应密度为 0.06t，这样，为了防止磁芯瞬间出rbmax0.390.060.33srbbbttt现饱和，预留一定裕量，取，取为 0.2t。采用 ap 法计算磁芯max0.60.198mbbt尺寸，由 式（4-4）计算 ap值。 (4-4)4113m2*pppliiabk其中：为原边绕组峰值电流（单位：a）；为原边满载电流有效值（单位：a）；1pi1i为常系数，对反激变换器而言，取 0.006。2k (5)原边绕组匝数可由下式（ 4-5）求得。pn (4-5)1m*pppelinba其中：为变压器磁芯有效截面积（单位：）。ea2mm (6)根据所需的电感量由式（ 4-6

53、）计算气隙长度(单位：cm)：g (4-6) 20*1*10gegppanld其中：为真空磁导率，其值为；d 为磁芯中柱直径（单位： cm）。07410/h m (7)计算各输出绕组匝数 ,+15v 绕组匝数由式（ 4-7）确定： （4-7）1/spnnn其中：n 为原边绕组匝数与 +15v 绕组匝数的比值，即。1/psnnn其他路绕组可根据式（4-8）依次确定： （4-8）1115 1nsnsunn (8)根据各输出绕组的功率要求及输出电压情况，确定各路输出负载电流大小，进而确定绕组导线规格。 (9)由各输出绕组匝数和所选导线型号，估计绕组电阻及变压器铜耗。 (10)根据磁芯手册资料的铁芯损

54、耗曲线估算变压器的铁耗。最后由变压器的铜耗和铁耗估算变压器总损耗和温升。4.2.34.2.3 箝位电路设计箝位电路设计高频变压器各绕组之间无法实现完全耦合，并且在反激式变换器中，为了能传递足够的能量，避免磁芯直流饱和，一般在变压器主磁路中加入一定长度的气隙，这样导致变压器的漏感在初级电感中的比例较大。变压器的漏感在开关管关断时刻与开关管的寄生电容组成串联谐振电路，在开关管漏源两端产生很大的电压尖峰，容易击穿开关管。为了防止开关管击穿，一般在电路中增加箝位电路，实现对功率开关管的保护。 本文所设计的小型 高频开关 电源采用 rcd 无源有损箝位电路，下面给出 rcd 箝位电路的具体设计1114。

55、如图 4.3 所示，对漏源击穿电压进行分段，可表示为式（4-9）所示形式：dssv (4-9)maxdssiorspikemrvvvvv其中：为最大直流输入电压；orv为整流输出二极管导通时由副边绕组感应到maxiv原边绕组上的电压，即反射电压；spikev为开关管关断时产生的振荡尖峰电压；mrv为参数设计时功率开关管留有的裕量，这里留有10%的裕量以确保功率开关管不被击穿。箝位电压clampv又可表示为： (4-10)maxmax0.9clamporspikedssmridssivvvvvvvvvdssvclampvimaxvorvspikevmr图 4 4. .3 3 开关管的漏源击穿电压

56、的分段组dssv(1)确定箝位电阻12r箝位电阻的消耗功率 可以表示为：12r (4-11)21212clamprvpr箝位电路损耗的能量来源于漏感中储存的能量以及副边反射电压提供的能量，因此箝位电路的功率损耗 可以表示 为： (4-12)211(1)2orclampspclamporvpl ifvv其中：sl为反激变压器的原边漏感，初始估计值为原边电感的10%；为原边1pi电感的电流峰值；为变换器的开关频率 。f 在箝位电路理想设计情况下，一个pwm 开关周期中箝位电路上的能量损耗全部由箝位电阻消耗，即有，因此箝位电阻可表示为 ：12rclamppp12r (4-13)12212()clam

57、pclamporspvvvrl if(2)确定箝位电容7c在功率开关管关断时，漏感中储存的磁能转移到箝位电容中，可以得出以7c下表达式： (4-14)22217777111()222spclampccl ic vvc v其中，为箝位电容初始电压值，此处取为零。故有下式：7cv7c (4-15)2172spclampl icv(3)对箝位电阻与箝位电容进行验证12r7c为了防止 箝位二极管导通时箝位电阻成为死负载，在最大占空比maxd下12r功率开关管再次导通之前， 箝位电压clampv需满足下述关系： (4-16)max127(1)expclampordvvr c f4.4.3 3 小型高频开

58、关电源系统的控制电路设计小型高频开关电源系统的控制电路设计本文所设计的小型高频开关电源的控制电路采用峰值电流型pwm 控制方式，其系统框图如图 4.4 所示。该系统采用电流内环和电压外环的双闭环控制，控制原理如下：多路输出中的一路重要输出电压ou 经电压反馈电路得到的反馈信号与给定参考电压进行比较，电压误差信号经电压调节器输出cu作为电流调vurefu节器的电压参考信号，该信号与通过电阻采样得到反映开关管电流变化的电压信号su以进行比较，调节 pwm 脉冲信号占空比，使输出电压ou 保持稳定。电压调节器电流调节器pwm脉冲生成驱动电路主电路电压反馈电流反馈urefuouvucus图 4 4.

59、.4 4 峰值电流型 pwm 控制系统框图4.3.14.3.1 电流型电流型 pwmpwm 控制芯片控制芯片 uc3842uc3842uc3842 是一种单输出控制电路芯片，其最大优点是外接元件极少，接线很简单，可靠性高，成本低。 uc3842 提供直接进线固定频率开关电源所需的各种改进特性，具有改善的负载调整率、脉冲电流限制和合适的电源输出过流保护等功能。其内部结构图如图 4.5 所示，从图中可看出 uc3842 芯片主要由内置 5.0v 基准电压、振荡器、电压误差放大器、电流检测比较器、锁存脉宽调制器、欠压锁定及过压保护等功能电路组成。各引脚功能分别如下： 引脚 1（comp）为误差放大器

60、输出补偿端，可用于环路补偿； 引脚 2（vfb）为电压反馈端，该管脚为误差放大器反相输入端，通常通过一个分压器连接至开关电源的输出以构成电压闭环；引脚 3（isense）接电流检测信号，利用电流测定和电流测定比较器构成电流闭环，当该引脚电压1.0v，芯片封锁输出脉冲； 引脚 4（rt/ct）外接振荡电阻和电容用来设置振荡器的频率，确定 pwm 输出脉冲频率； 引脚 5（gnd）为接地端，是控制电路和电源的公共地； 引脚 6（output）为脉冲输出端，可直接驱动功率mosfet，具有 1a 的驱动能力； 引脚 7（vcc）为电源供电端，启动门限电压为16v，最低工作电压为 10v；引脚 8（v