反激式开关电源设计

1、设 计 报 告课程名称 电力电子技术 任课教师 设计题目 反激式开关电源的设计 班级 10自动化（2）班 姓名 日期 2013-6-12 目录摘要21、课程设计的目的22、课程设计的要求22.1、题目22.2、设计装置（或电路）的主要技术数据32.3、课程设计主要内容33、总体方案的确定43.1、反激式开关电源的介绍43.2、UC3842式开关电源简介63.2.1、UC3842 内部工作原理简介63.2.2、UC3842的使用特点73.2.3、UC3842 组成的反激式开关电源83.3、总体方案的确定94、电路的选择104.1、路拓扑类型的选择104.1.1、扑结构选择要注意的问题104.1.

2、2、结构的对比分析114.2、反激变压器的主要方程124.3、变压器磁芯的选择和匝数的计算134.3.1、变压器的磁芯的选择134.3.2、变压器的匝数的计算154.3.2、磁芯等的各种损耗16心得体会18参考文献19反激式开关电源的设计摘要反激式(Flyback)变压器，或称转换器、变换器.因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名反激式变压器的优点有:电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求；转换效率高,损失小；变压器匝数比值较小；输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在 85265V间.无需切换而达到稳定输出的要求。反激式变压器的缺点有；

3、输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制，通常应用于150W以下；转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时，有较大的直流分量，易导致磁芯饱和，所以必须在磁路中加入气隙，从而造成变压器体积变大；变压器有直流电流成份，且同时会工作于CCM / DCM两种模式，故变压器在设计时较困难，反复调整次数较顺向式多，迭代过程较复杂。1、课程设计的目的 通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的： 1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。 2、培养学生综合分析问题、发现问题，特别是解决问题的能力。 3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。 4

4、、培养学生运用仿真工具的能力。 5、提高学生课程设计报告撰写水平。 2、课程设计的要求2.1、题目题目：反激式开关电源的设计 注意事项： 学生也可以选择规定题目方向外的其他开关电源电路设计。 通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。 2.2、设计装置（或电路）的主要技术数据 图1主要技术数据 1、直流输入电压110V 2、直流输出为两端输出，一端输出直流电压5V，输出电流1A，另外一端输出电压15V，输出电流500mA。 3、要求反馈端接5V电压输出端。 4、输出纹波电压0.2V 5、输入电压在95

5、270V变化时，输出电压误差0.03V 2.3、课程设计主要内容 1、开关电源主电路的设计和参数选择 2、IGBT电流、电压额定的选择 3、开关电源驱动电路的选择 4、开关变压器设计 5、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图 6、电路仿真分析和仿真结果。 3、总体方案的确定3.1、反激式开关电源的介绍开关电源具有能耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、数控装置、仪表仪器、影音设备、家用电器等电子电路中得到了广泛应用。 开关电源的基本组成如图2所示，其中，DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放

6、大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号有它激或自激电路产生（本次课程设计要求它激）。比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值，、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。图2开关电源的基本组成开关电源典型结构有串联开关电源结构、并联开关电源结构、正激开关电源结构、反激开关电源结构、半桥开关电源结构、全桥开关电源结构等。这里重点介绍一下反激开关电源结构。反激开关电源如图3所示，当功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式储

7、存在变压器的初级线圈N1中，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负载供电，并对变压器进行消磁。图3反激开关电源电反激开关电源电路简单，输出电压U0即可高于输入电压Ui又可低于输入电压Ui，一般适用于在输出功率在200W以下的开关电源中。3.2、UC3842式开关电源简介 UC3842是美国Unitrode公司(该公司现已被 TI公司收购)生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF 和IGBT 等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多

8、优点，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件。3.2.1、UC3842 内部工作原理简介 UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，其内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、5VC基准电压、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等。图4示出了UC3842 内部框图和引脚图，UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下：图 4 UC3842 内部原理框图(1) 5 V基准电源：内部电源，经衰减得到2.5 V作为误差比较器的比较基准。该电源还可以提供外部5 V/50 mA。 (2) 振荡器：产生方波振荡。

9、T接在、REF脚之间，T接、GND之间。频率=1.8/(TT), 最大为500 kHz。 (3) 误差放大器：由VFB端输入的反馈电压和2.5 V做比较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。COMP端引出接外部RC网络，以改变增益和频率特性。 (4) 输出电路：图腾柱输出结构，电路1 A，驱动MOS管及双极型晶体管。 (5) 电流取样比较器：脚ISENSE用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样，当VISENSE1 V时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保护电路。 (6) 欠压锁定电路VVLO：开通阈值16 V，关闭阈值 10 V。具有滞回特性。 (7) PWM锁存电路：保证

10、每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。 另外，VCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。 (8) 图腾柱输出电路(Totem Pole)：由于此结构画出的电路图有点像印第安人的图腾柱，所以叫图腾柱式输出，也叫图腾式输出。输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个晶体管的发射极接下面管子的集电极同时输出；下晶体管的发射极接地。两晶体管的基极分别接前级的控制。就是上下两个输出晶体管，从直流角度看是串联，两晶体管联接处为输出端。上晶体管导通下晶体管截止，输出高电平；下晶体管导通上晶体管截止，输出低电平；上下两晶体管均截止，则输出为高阻态。3.2.2、UC3842

11、的使用特点(1) 采用单端图腾柱式PWM脉冲输出，输出驱动电流为200 mA，峰值可达1 A。(2) 启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在1034 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。 (3) 内设5 V(50 mA)基准电压源，经21分压后作为取样基准电压。 (4) 输出电流为200 mA，峰值为1 A，既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET管。若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速RC电路，同时将内部振荡器的频率限制在40 kHz以下。若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路

12、设定，工作频率最高可达500 kHz。 (5) 内设过流保护输入(脚)和误差放大输入(脚)两个PWM控制端。误差放大器输入构成主PWM控制系统，可使负载变动在30100时输出负载调整率在8 以下，负载变动在70100时负载调整率在3以下。 (6) 过流检测输入端可对每个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%V。如果脚电压大于1 V或脚电压小于1 V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用脚和脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。因此，电路的抗干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。 （7

13、) 内部振荡器的频率由脚外接电阻与脚外接电容设定。集成电路内部基准电压通过脚引入外同步。脚和脚外接RT、 CT构成定时电路，CT的充电与放电过程构成一个振荡周期，其振荡频率可由下式近似得出： f=1/Tc=1/0.55RTCT=1.8/RTCT （2-1）3.2.3、UC3842 组成的反激式开关电源反激式开关电源电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看做是一对相互耦合的电感，其工作过程是：开关开通后，V处于断态，初级绕组的电流线性增长，电感储能增加；开关关断后，初级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过次级绕组和V向输出端释放。 图5是反激式开关电源原理图，其中的控制芯片采用UC3842。

14、电源的输出电压等级有三种：5 V、 12 V、 12 V。该电路的变换器是一个降压型开关电路。由单管驱动隔离变压器TC主绕组N1电流，C2、 R3可以提供变压器原边泄放通路。输出经整流、 滤波送负载。芯片所用的电源VCC由R2从整流后电压提供。VCC同时也作为辅助反馈绕组N3的反馈电压。电路振荡器频率由式(2-1)决定。图5 UC3842 构成的反激式开关电源3.3、总体方案的确定开关稳压电源被誉为 “新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整 线性稳压电源的效率提高近一倍。随着电源技术的飞速发

15、展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展，高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的应用。利用电流型脉宽调制器UC3842芯片设计的电流制型脉宽调制开关稳 压电源，克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。该稳压电源是目前实用和理想的稳压电源，具有很大的发展前景。 根据要求，本次设计控制电路形式为反激式，单端反激式电路比正激式开关电源少用一个大储能滤波电感以及一个续流二极管，因此其体积小，且成本低。此电源设计要采用的是反激式的开关管连接方式，并且开关电源的触发方式是它激式。设计采用了UC3842作为PWM控制电路

16、。 电源开关频率的选择决定了变换器如开关损耗、 门极驱动损耗、 输出整流管的损耗会越来越突出，对磁性材料的选择和参数设计的要求也会越苛刻。另外，高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、 运行特性以及系统的调试会比较困难。在本电的特性。开关频率越高，变压器、 电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但随着频率的提高，诸源中，选定工作频率为100 kHz。4、电路的选择4.1、路拓扑类型的选择4.1.1、扑结构选择要注意的问题1）升压或降压：输入电压总是比输出电压高或低吗，如果不是就不能选择buck变换器或boost变换器2）占空比：输入电压和输出电压是否相差5倍以上，如果

17、是，就可能要用变压器。计算合适的占空比，不要使占空比太小或太大。3）需要多少组输出电压：如果多于一组，除非再后接电压调节器，否则就可能需要变压器，输出电压组数很多时，建议用多个变换器，这样做的结果比较理想。4）是否需要隔离：考虑电压的高低，如果需要隔离就需要变压器。5）EMI有什么要求：EMI的要求横哦啊，建议不要输入电流不连续的那些拓扑，如buck变换器，boost变换器，最好让变换器工作于电流连续模式。6）成本高低：对离线式电源来说，也可以用IGBT，否则就考虑MOSTET7）电源是否需要空载工作：如果电源需要空载工作，变换器就要工作于电流断续模式，除非是同步整流。 8）是否能够同步整流：

18、同步整流不管负载大小如何，都可以是变换器工作于电流连续模式 9）输出电流的大小：如果输出电流很大，选用电压模式要比电流模式控制好。 4.1.2、结构的对比分析Buck电路存在着很多限制，变换电路上只有一个电感，没有变压器，这就意味着输入和输出之间不可能有隔离。Buck变压器只能对输入电压进行降压变换，如果输入电压比输出电压低，变换器就不能正常工作，而且buck电路只有一路输出，如果需要多路输出电压，除非愿意采用第二级电压调节器，如接解线性调节器，buck电路就不能使用；虽然buck电路既可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流断续状态，但是输入电流总是断续的，这就意味着每个周期里，当开关关断时

19、，输入电流为零，输入电流断续会使EMI滤波器要比别的电路拓扑更大，而且buck电路不应用门极驱动。 Boost电路一个周期时间内，开关导通时，电压加于电感上，电流以某一斜率上升，并将能量储存在电感中，当开关关断时，电流讲过二极管流向输出电容和负载。但是buck变换器只有一个输出电压，无法得到多个输出电压，输出电压和输入电压没有隔离，输出电压不能比输入电压低，即使完全关断开关，输出电压只能等于输入电压（除去二极管的导通压降）。如果你需要只有一组输出且不用隔离的电源，那么boost变换器只需要处理只有一个绕组的电感即可。 正激式变换器需要有一个最小负载，电感必须足够大，才能保证脉动电流的峰值小于最

20、小负载电流，否则电流就不会连续，并引起输出电压上升，所以正字式变压器不能工作在空载状态，因为无穷大的电感是不现实的。正激式变换器的变压器不能存储能量，因此不像反激式变换器那样有功率上的限制，变换器只有一个电感，用来平滑输出电容上的电流，正激式变换器可以做到500W甚至更大，这对MOSFET的要求比较高。 反激式变换器，开关导通时，能量存储于变压器原边的电感中，注意变压器的同名端，当开关关断时，漏极电压要高于输入电压，变压器副边电压高于地，使二极管导通，向输出电容和负载提供电源。反激式变化器可以在变压器副边有多少个绕组，方便地输出多组电压。各个输出电压和原边隔离，而且各组输出电压可以任意大小，仅

21、仅通过调节器的变比就能实现。这种电阻可以工作于电流模式，也可以工作于电流断续模式，而且反激式变换器最常见的工作模式是电流断续模式。所设计的开关电源的输入是我们所用的日常的交流电，而输出的电压是48V，输出的最高电流是5A。因为buck变化器和buck变化器是不用变压器的，是非隔离式的，而且都是针对小功率的，只能单方面的升压或降压，且不能多路输出，调试上不出现问题，我想再做一路15V的输出，所以不考虑buck变化器和boost变换器。正激电路的优点很多，但是正激变换器的变压器是不能够存储能量的，虽然没有功率上限，但是正激电路多采用双正激开关电路用在较大的功率场合，而且对于要求严格的MOSFET管

22、，以现有的条件限制无法满足。从实验室现有的材料，我准备采用输出功率更大、设计灵活性更强、高效节能的集成离线式开关IC，TOP250，在TOP250的典型电路中采用的就是反激式，反激式的输出功率是几瓦到几百瓦，正好符合输出的要求。下面是根据所选的设计出来的整体结构图：图 6电路的整体结构4.2、反激变压器的主要方程我们从交流电已经整成直流开始，电压加在原边电感上，开关导通期间，电流持续上升： Ipk=Ton= 这里，D是占空比，f是开关频率，T=是开关周期，这个方程适用于电流断续反激式变压器，原边电流波形图。图 7断续模式下反激式变压器的电流波形 储存在原边电感中的电量取决于峰值电流的大小： E

23、= 能量每个周期传递一次： P=Ef=这个方程式电流断续模式下反激式变压器的基本方程。这个方程告诉我们，一旦输入电压固定，如果要增加输出功率，那么只能通过减低开关频率或减少电感来实现。而如果开关频率也以选定，那么只有通过减少电感才能增加功率。但是实际的电感都由一个最小值，断续工作的反激式变换器由最大输出的限制。 由所选的器件得知开关频率为132KZ，计算得： 48*5W= 得出原边电感值为L200uH，可以计算得峰值电流Ipk为： Ipk=4A4.3、变压器磁芯的选择和匝数的计算4.3.1、变压器的磁芯的选择现在我们来选择磁芯材料。考虑到开关频率比较高，我们选用铁氧体材料或者MPP，完善的设计

24、必须两者都考虑，这里我们只考虑铁氧体材料，因为如果效率相同，铁氧体磁芯的体积比MPP的体积更小。 我们已经知道（工程上单位取厘米、安和高斯） Bmax= （1）以及： L= （2） 这里l是磁路长度。我们要用的铁氧体磁芯磁路长度非常短，这样B值会很大，甚至可能会使磁芯饱和，同时损耗也增大。因此反激式变压器（包括一些采用铁氧体材料的直流电感器）总是采用气隙。由于空气空气的磁导率远远低于铁氧体，一次气隙能够极大地增加磁路的有效长度。带有气隙磁芯的有效磁路长度为： l=l=u*l （3）在很多实际应用的例子中，后面一项远远大于前面一项 u*ll （4）所以这样的近似是合理的 lu*l （5） 注意：

25、制置是一个近似关系，并不能保证任何时候都成立，每一次设计的时候都要检查一下这个近似关系是否成立。 近似值来计算，我们可以得到以下式子： B=与 （6） 这些方程的使用前提我们必须清楚：对于带有气隙的铁氧体材料磁芯，在确认（4）方程成立的条件下，可以试方程（6）；否则，应使用基本方程（1）和（2），如果磁芯的气隙非常小，应该使用有效磁路长度（3)。 我们需要在不同的磁芯中进行选择，以确定自己所选的型号是最合适的，变压器的高度要求是我们的设计准则。但是考虑到成本，只能现有的材料中选择相近似的磁芯，现有的磁芯中最接近的是E42如图8。图8磁芯由于我做的这个变压器的开关频率为132kHZ，查一下软磁铁

26、氧体材料选择表，E42的性能优良，能够适用所设计的电路。4.3.2、变压器的匝数的计算磁芯的形状和材料选择好以后，下面我们要选择合适的气隙。通常先取最大磁感应强度，然后确定气隙大小，磁通也就确定了。对于气隙，可能会有一个问题，有时要求磁芯只有一边气隙，而另一边没有气隙。着需要特意模具，需要花费很多，另一个可能出现的问题是：气隙非常小，任何一点很小的气隙误差都会对磁感应强度产生很大的影响，并进一步影响损耗，甚至会导致磁芯的饱和。 即使是使用带有气隙的磁芯，仍然会有很多问题：由于本身的气隙很小，当两块磁芯连接在一起的时候，总的气隙误差会比较大；粘合的胶水也会增加气隙的长度。 回到我们的设计来，我们

27、可以查到E42的A的值为376nH，大的A意味着匝数可以最少，那样线圈电阻也可以最小。200uH需要的匝数为： N=23匝说明气隙可以通过Ae=178mm=0.178cm来计算，所以有 376nH=这样，可以得到气隙长度l=0.059cm，算好磁感应强度，就可以计算出磁感应强度： B=1958G 为我所选用的磁芯的最大磁通密度是2286G，计算出的磁感应强度小于最大的磁通密度，所以选用的磁芯是合适的。 现在来计算次级线圈的匝数（是48V匝数）。 由公式： =N2的二次侧的线圈的匝数，N1为一次侧的线圈匝数,V0为输出电压，V为二极管顺向电压，V1（min）是输入的最小的电压，D为占空比。 =所

28、以N2=19匝4.3.2、磁芯等的各种损耗在反激式变压器里，电流是单向的，所以磁感应强度也是单向的：从0增加到B，然后又降低到0。所以磁感应强度的峰峰值是B的一半。132kHZ时，对于E42这种材料，磁感应强度为2286/2=1143G时的损耗近似为320mW/cm。 现在我们降低开关频率可否降低磁芯损耗，损耗与频率、磁感应强度之间是一种非线性关系，典型的关系式为： loss/lb=因为，我们需要有2倍的电感值来保持同样的功率，这就意味着需要倍的绕组来实现两倍的电感，这就使得磁感应强度变为原来的，因为磁感应强度B与匝数同比增加。 总的损耗，即每一磅的损耗乘以重量，为 1.92fBL由于磁芯的重

29、量和存储能量的大小有直接的关系，而存储能量与电感呈电感量呈线性关系。因此开关频率降低一半，磁芯损耗几乎变为原来的2倍。另一方面，降低开关频率的确能够降低开关晶体管的损耗： PK+Af式中，K由通态损耗决定，A由开关速度决定。如果开关损耗远大于通态损耗的话，可以有： P 0.5P一般情况下，通常的情况是这样的：即使在整个范围内进行优化，改变开关频率对效率的影响不是很大。而真好的好处在磁芯尺寸的大小却非常明显，随着开关频率增加，体积明显可以减小。 下面我们来计算一下磁芯损耗，磁芯的总体积3.7cm，因此磁芯的损耗为320mW/cm*3.7cm=1184mW。磁芯的损耗是可以的。 如果磁芯损耗大得无法接受，可以有两个方法：第一个办法是进一步增加气隙，如两半块磁芯的匹配连接，定制自己需要的，带有气隙的磁芯；第二个办法是选用大尺寸的磁芯，随着气隙的增大，其边界范围也随着增大，漏感也要增大，漏感增加会影响到电路中的其他元件，并且使变压器的效率降低。同时大型号的磁芯体积也相应的比较大，需要占用更大的印制板面积，成本更高。在工程设计中，通常要权衡这些因素，折合选择。心得体会整个课设的过程也是对旧知识复习的过程和新知识学习的过程，课设中大多数资料来自于教材，