多路输出单端反激式开关电源的设计_李超

1、多路输出单端反激式开关电源的设计_李超d0l:10.13367/ki.sdgc.2012.06.018第2 6卷第6期2 0 1 2年1 1月自然科学版)山东理工大学学报()j ourna 1 o fshandonun i v e r s i t o f technolonaturalscienceedi t iong y g yv 0 1 . 2 6 n o . 6nov. 2012()文章编号：16726197201206010605多路输出单端反激式幵关电源的设计李超，邹黎，夏时光，李家淦()山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博2 5 5 0 9 1摘要：对开关电源电路的各个部分进行

2、了分析和计算.采用电流控制型脉宽调制芯片uc 3 8 4 2作为电源的控制部分，设计了功率为3电源样机测试结果表2 w的多路输出单端反激式开关电源.明，电源工作稳定可靠，输出电压达到预定的指标.关键词：开关电源；多路输出；反激式；uc 3 8 4 2中图分类号：tm4 3 3文献标志码：amult ioututs i nl eendedf 1 backswitchinowersuldes in pgygppp，” lichaozoulixiashiuanlij iaang g g（，）schoolofelectricalandelectro n i c e nineerinshandonuni

3、vers i t o ftechnolozibo255091, chinag g gy g y:a abstractmult ioututswi tchinof 3 2 w f 1backsulwasdes inedthrouhowe rower p g yppyggppanalzinandcalculat i n t he o w e r c i rcui t a n d u s incurrent c o n t ro 1 t e c h i pwm i c u c 3 8 4 2y g gp g y p pa s rototecont rol. theresul tofthe t e s

4、 t showedthat thecouldworks tab1 e a n d rel iableandthep y prede te rminedoututof vo 1 t a er e a c h edindicator.p gp:；m； ； ukewordsswi tchinowersulul tioututf lbackc3842.gpppypyy率高、单端反激式开关电源不仅具有体积小、线路简洁、可靠性高的优，而且有自动均衡各路输出负载的能力，所以常被用于设计大功率高频开关电1幵关电源源的辅助电源或功率开关的驱动电源.差模干扰指两条电源线之间的电位差，大多数场合适当增加其em i抑

5、制共模干扰一二次用共模电容，但同时会增加对地电容容量会降低共模em i噪声，漏电流.共模电感亦称共模扼流圈，包含一对配对的耦合电感.当出现共模干扰时，由于两个线圈磁通方向经过耦合作用后总电感量迅速增大，因此对 共相同，2模信号呈现很大的感抗，使之不易通过.是通过开关管关断和导通实现电压和电流变换的装亦称无工频变压器的电源，利用体积很小的高频置，变压器来实现电压变化及电网隔离.随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化.本文设计了多路输出单端反激式开关电源，它有更广的应用场合.电源的设计方案有：输入电压2输2 0 v± 2 0 °%; / / /入频

6、率5输出电压电流5 ohzvia、12v1a、15 v工作温度：输出电压精度彡1 %. 1 a； 3 58 0 °c;共模电感计算：()1 l 1 = 2()2 c ji f 0，式中，假设截止频率f选定共模扼流圈0 k h z 0二5代入上式有l 配套电容c = c oof, p3=c4 = ll = 10mh.em i滤波基本电路如图1所示，cc1、2主要用来抑制差模信号，cc3、4主要用来抑制共模信号.输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数，若其值选择过低,会使输入直流电压大大降低，1 em i滤波器设计共模干扰指电源线与大地对中线间的电位差，收稿日期：2 0 1 2 0

7、8 2 8 作者简介：李超，男，邹黎，男，lichaol86163. co m；通信作者：zoul i 1958163. com.第6期李超，等：多路输出单端反激式开关电源的设计1 0 73 7 3. 3 v.最大占空比：or()6 dm a x =) vor+ (uimin-vds) n (式中v 0 r为当幵关关断时由次级感应到初级的电压值，一般为1这里取100130v，1 0 v； vds为开关管导通时的压降取值为1则有 d m a 0 v , 0 . 36. x =图1 em i滤波基本电路估算峰值电流和纹波电流.峰值电流：而输入脉动电压却升高，但其值过大，会增加电容器而对提高输入电压

8、最小值和降低脉动电压的成本，2:效果不明显，下式是其值的计算公式a vgi pk二(/) l-krp2xdmax平均电流：()7-tc)(c2in = 22()() 2umi numi n i nacn;式中t这里取值为0. 3 m s c为整流桥的响应时间，p 0 2p 0()18 avg=1krp2xdmax式中krp为波形系数，这里取1，代入数值后i pk= i 0. 19a. . 8 3 a, a vg= 2 . 2 磁芯选择开关电源变压器磁芯多是低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低矫顽力，高的电阻率.磁导率高，在一定线圈阻数时通过不大的励磁电 流就能因此在输出一定功率要求下承受

9、较高的外加电压.可以减小磁芯体积.磁芯矫顽力小，磁滞回环面积4小，则铁损耗也小磁芯有高的电阻率，则涡流小，.）输入交流电压最小值；整流后最u ac （m i nu i m i n n （小直流电压，代入数值后有c 3 0 f. i n = p2 反激式高频变压器设计变压器参数的设计对电源装置的性能有至关重变压器设计不合理，电路很难正常工作.要的作用，（其设计要求有：一、二次绕组电压的变比应满足1 ）要求值.当输入电压降至规范允许的最低电压时，输（）当输入电压及占出电压仍能满足规定的额定值.2 （空比最大时，变压器磁芯不允许出现饱和.当输3）（出功率最大时，变压器温升应在规范要求之内.4）应满足

10、一、二次侧铜耗相等、铜损耗与铁损耗相等的（以使总损耗最低，获得较高效率.一、二次原则，5）3侧漏感、分布电容应限制在最小值高频变压器设.铁耗小.金属软磁材料在开关电源中用的较少，只有铁一镍合金、铁一铝合金薄片的磁芯基本合适.有一种软磁材料是铁氧体，它是复合氧化物的烧结体，电阻率高，适合在高频场合下使用，较普遍的使用在开关电源中.本设计采用a p法：41+x）t（）p 二 9 ak 0 k f fwbwkj式中，ap为磁芯窗口面积与磁芯有效面积的乘积（）;c mp t为变压器视在功率（w） b w工作磁通密;）;度（t ） h z k 0窗口使用面积，f w开关工作频率（）1计主要有以下几个步骤

11、.2. 1 最大占空比计算总输出功率：2x1 + 1 5x1=32w p 0 = 5 x 1 + 1总输入功率：（）3其值小于1;正弦波时取4.方波时kf波形系数，4 4,文屮kj =4允许温取4; kj电流密度比例系数，3 3 （;度为2 5 °c） x常数由所用磁芯决定，x=- 0 . 12.变压器视在功率：（）10n4,经计算a查阅技术手册，磁芯p= 0. 2 3 8 2 cm的型号选取 e其a e 2 8 , p= 0. 3 2 x 0. 7 8 = 0. 2 4 964 4，与理论值0 .接近，磁芯有效面积a ecm2382cmp t = p 0 1 +p 0 = 4 0

12、w= p i n =0 % n 8整流滤波p最小输入电压：）mi n = u a c （mi nx uh整流滤波后最大输入电压：()4()()ma x=uac (ma x x 5 uin (、式中u a c (分别取 2min)uac (max) 20-20 %,2 2 0取值+ 2 0 %； uh为直流纹波及整流桥压降之和，代入有 u i 4 0 v, min) = 208. 8 6 v, u i m a x ) = n(n (2=7 8 mm.高频变压器初级电感：)dmaxuiminn (l p 二i f p k s()1110 8山东理工大学学报(自然科学版)2 0 1 2年代入前文已经

13、确定的数值有l p二1 . 8 1 2mh.初级绕组阻数：)uimintn (onn p =越高，高频电流在导线屮的穿透深度越小，则电阻越大.为保证高频电流完全穿透导线，尽量减小交流电()12导线的截面积不大于0.本设计屮采用多阻，3 3mm.股导线并绕的方法，来减小交流电阻，同时能满足电还应该注意，此次设计的变压器为反激式路的需要.变压器，变压器的同名端必须正确连接，否则电路将不能正常工作.为减小变压器漏感，采用夹心式绕法，初级绕组分np如图2 9匝和np 9匝，1 = 3 2 = 3示.次级绕组n snpnsns 1绕在骨架最里层，3、2、1绕5反馈绕组n“：enp. 1和np2之间，4绕

14、在最外层，式中 b w= 0 .代2 5 t; t0. 36 + 50x10 = 7. 2 s on = u入上式有n p = 7 8阻.初级绕组和次级绕组匝数比1(odr) ma ( x ) () n = = 1 3) npuimindman ( x当 u0 = l 有 n5v 时，.14，ns. 14x781 = 01 = 0 这里取 1 二 10. 92，1 匝.当 u0 二 1 有n2v 时，.14，n s . 11x782 = 0 2 = 0 这里取 9 匝.6 3，= 8 .当 u0 = 5 有 nv 时，0. 051, ns0. 051x783 = 3 =这里取4匝.二3 . 9

15、 7，反馈绕组为 16 v，n 0 . 15, n s 0 . 1 5 x 7 8 = 4 = 4 =这里取111.7, 2匝.2.3 气隙计算有气隙时，导磁能力降低，导致每匝电感量减少，绕组的总电感值减小，但气隙存在可以减少磁芯里直流成分所产生的磁通.计算如下：图2 变压器绕制示意图a e 0 n p ( ) 114 g =l p式中，代入数值有10.33 mm. 0为气隙磁导率，g = u 2 . 4导线线径的选择/导线的电流密度取为4 a mm,223 整流桥设计整流二极管的选取，主要考虑其反向击穿电压和所通过的电流定额，确定方式如下：反向击穿电压一次绕组电流ubr彡1 . 2 5 ua

16、c (max) = 466. 6 2 v,的有效值i由于整流桥实际通过的不0 . 2 9一次绕组电流有效值：max，3二次绕组电流有效值：i i 1 r m s二p()1 5而是窄脉冲电流，所以整流桥平均电是正弦波电流，流可以按下式求解：)i 0 . 6 7 10. 174 0. 2 0 3 a (19 d =(1 rm s =/考虑安全问题，本设计采用2 w 1 0型整流桥.i m a x pi 2 rms =n 3 1一次侧导线线径：()161 . 1 3 x j dl = lrms二次侧导线线径：()174 缓冲吸收电路设计当开关管关断时，开关管承受很大的电压应力，有可能损坏管子或造成管

17、子硬开通，产生不良后果，本设计采用r当管子关断时，提供交cd吸收回路，流通道，来减少开关管所承受电压应力，确保电路安全可靠运 行，缓冲吸收电路如下:确定钳位电阻rc、设钳位电容峰值最大电压)，u c ( m a x 0 . 9为降额使用系数6)uc (max 二 0. 9uds (maxuimaxn()1. 1 3 x j 1 8d 2 = 2 rm s当 u0 = 15v 时，12. 0 5 a, d 0 . 8 1 mm. 2rms = 2=当1；0 = 12¥ 时，13. 4 9 a, d 1 . 0 6 mm. 2rms = 3 =当 u0 = 5v 时，15. 6 4 a,

18、 d 1 . 34mm. 2rms = 4=反馈绕组 u0 二 16v, i. 9 2 a, d . 7 8 2 rms = 1 5 = 0 mm.由丁绕制变压器的漆包线在通过高频开关交变电流时会产生高频电流聚集在导线表层的“集肤效，应”使高频交流电阻大于直流电阻，并且交变频率()20021)uds (ma x=u i m a x + n1 . 4x1. 5xv0r) +2 0(第6期李超，等：多路输出单端反激式开关电源的设计1 0 9由于某种原因使输出端短路产生过流，开关管漏极电流上升，当其值达到1 3脚的电压也上升，v时u使pwmc 3 8 4 2的pwm比较器输出高电平，锁存器复位，关闭

19、输出.当供电电压发生过压，变压器初级电压大大提uc 3 8 4 2无法调节占空比，高，其7脚电压上升，关闭输出.电2脚电压也上升，网电压过低，低于8也会关闭输出.此电路具5 v时，7，图4和图5分别为有短路过流双重保护多路输uc 3 8 4 2引脚排列图和内部组成结构框图.出单端反激式幵关电源主电路图如图6所示图3 rc d吸收回路代入数据有：)max 二 624. 3 v ,u d s ()m a x = 1 8 8 . 5 7 vuc ()2,钳位电路损耗prc = 0电容储能pc =r c2 , i f k s假定电容存储的能量全部消耗在了电阻p 2可以得到上，)2uc(max()22

20、rc = 21 i f k s p式中，代入数值得1 fk为变压器漏抗，s为电源频率，图4uc3842引脚排列图r 3 3 k q .取脉动电压为钳位电压5 °%uc (max) 1 0 %,)u c (m a x () 2 3ccucma x rc a f s代入数据有c c二6电容耐压值选取为n f, 8 0 0 v.图5uc3842内部组成结构框图5 样机测试结果与分析这里先介绍一下uc 3 8 4 2芯片的特点和过流保护实现方法.uc 3 8 4 2是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路.与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处.该电路主要特点内含欠电压锁定电路；低起动电流（典型值为有：;稳定的内部基准电压源；大电流推挽输0. 1 2 ma）;出（驱动电流达1工作频率可到5自动负a） 0 0 khz反馈补偿电路；双脉沖抑制；较强的负载响应特性.输出电压测试值见表1 .表1 输出电压测试数据测试组別1 2 3 4 54. 6 5 4. 8 5 4. 9 2 4. 9 6 5. 03输出电压/vii. 7 2 1 1. 8 1 1. 8811. 9311.9814. 70