陈锦鹏毕业设计论文(1)

1、华中科技大学文华学院毕业设计论文题目： 无工频变压器开关稳压电源 学 生 姓 名： 陈锦鹏 学号：060108011127 学 部 （系）：信息科学与技术学部 专 业 年 级： 自动化061 指 导 教 师： 何兆湘 职称或学位：副教授 2010 年 5 月 12 日华中科技大学文华学院毕业设计（论文）目 录摘 要1Abstract2前言31.开关电源概述41.1开关电源的发展简介41.2开关电源的分类51.3开关电源的优缺点61.4 开关电源的发展展望61.5 开关电源所用的术语61.6开关稳压电源的接地问题71.7开关稳压电源整流电路71.7.1倍流整流电路71.7.2同步整流电路81.7

2、.3二次整流电路82. 隔离式高频开关电源92.1 隔离式开关电源输入保护器件92.2隔离单端反激式变换器电路102.2.1 单端反激式变换器电路中的开关晶体管112.2.2 单端反激式变换器电路中的变压器绕组112.2.3高频变压器的初级、次级、反馈级的确定123.串联开关式稳压电源工作原理及框图133.1 无工频变压器开关电源工作原理及框图143.1.1 隔离型DC-DC变换器自激型单端反激式DC-DC变换器154.总体设计说明174.1设计目标174.2总体说明174.3技术方案说明175.开关电源设计的总结205.1设计实验结果分析205.2设计实验总结21结束语22参考文献23致谢2

3、4无工频变压器开关稳压电源摘 要无工频变压器开关稳压电源以其独有的体积小、重量轻、效率高（包括功率因数大）、输出形式多样化（主要指路数和极性）、稳压范围宽等特点已逐步取代了传统的线性稳压电源，已被应用到与电有关的各个领域，具有十分广阔的应用前景。本文阐述了基于自激型单端反激式隔离型DC-DC变换器电路的应用手机万能充电器。由于手机使用可充电的电池，便需要对电池进行充电，因此手机电池充电器是一种需求量极大的日常电子消费品，该电路具有结构简单，调试容易，工作可靠等优点，适于小功率输出的场合。由高频功率开关管和高频变压器为核心构成了自激型反激式DC-DC变换器，通过自激型自激激励电路控制功率开关管按

4、一定的周期“开”、“关”，并且变换器是间歇工作方式，即在50HZ交流电的正半周才工作，在负半周不工作，通过整流滤波电路，可将市电220V变成约310V的直流电压、经过由高频功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，将310V的直流电变成了高频变压器次级输出的频率较高的交流电，将此高频交流电经过高频整流滤波电路，可变成负载所需的低压直流电。 关键词：开关电源、无工频变压器、自激型、反激式No frequency transformer switching power supply  AbstractNo frequency transformer switching power suppl

5、y with its unique small size, light weight, high efficiency (including power factor large), the output form the diversity (number and polarity of the main guiding), wide voltage range and so has gradually replaced the traditional linear power supply, has been applied to various fields and elect

6、rical-related, have very broad application prospects. In this paper, based on self-excited type single-ended flyback isolated DC-DC converter circuit applications - mobile phone universal charger. As mobile phone use rechargeable batteries, they need to charge the battery, so mobile phone

7、battery charger is a great demand for daily consumer electronics, the circuit has simple structure and easy to work and reliable, suitable for small power the output of the occasion. By the high-frequency power switch and high-frequency transformer as the core constitute the self-excited f

8、lyback type DC-DC converter, through the self-excited-type self-excited excitation control of power switch circuit the cycle by a certain "open", "Off", and converter is the intermittent work, that is 50HZ AC positive half weeks to work in the negative half cycle is not work

9、ing, through the rectifier filter circuit can be turned into electricity at about 310V 220V DC voltage, after the high-frequency power switch and inverter circuit composed of high-frequency transformer, the 310V of direct current into a high-frequency transformer secondary output high frequency

10、 AC, this high-frequency alternating current through the high-frequency rectifier circuit, low-voltage direct current into the load required . Key Words：Switching power supply、No frequency transformer、 self-excited type、flyback前言 电源是各种电子设备的核心，现代电子、电气设备都需要电源才能工作，电源系统出故障会使整个电子设备不能正常工作，实际中，电子设备的故障

11、约60%来自电源系统，电源系统质量的优劣和可靠性的高低直接决定着整个电子设备的质量。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源，这种传统的稳压电源技术比较成熟，并且已经有了大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠等优点，但其需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，其内部功耗大，转换效率低，一般只有45%左右。而开关稳压电源具有内部功率损耗小，转换效率高，体积小，重量轻，稳压范围宽，线性调整率高等特点，目前已逐步取代线性稳压电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。本文阐述了基

12、于自激型单端反激式隔离型DC-DC变换器电路的应用手机万能充电器电路。它只使用了一个晶体三极管，便完成了变换工作。可将市电220V变成约310V的直流电压、经过由高频功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，将310V的直流电变成了高频变压器次级输出的频率较高的交流电，将此高频交流电经过高频整流滤波电路，可变成负载所需的低压直流电。这类模拟电路的优点是结构简单，调试容易，工作可靠。缺点是变换器的工作频率随着输出功率及输入电压的变化而变化，晶体管的集电极电流从零开始线性增长，当工作频率低时，效率较低，因此此种变换器只适合于小功率输出的场合。且各元件参数的选取非常重要，一般先经过估算，进而由实验来确定

13、最佳参数。此充电器的电路主要分为两部分，以高频功率开关管Q1和高频变压器组成开关电源，六个三极管Q2Q7组成了充电、自动检测及显示电路。手机目前保有量极大，而且使用可充电的电池，需要对电池进行充电，故手机万能充电器需求量极大，具有较好的应用。251开关电源概述1.1开关电源的发展简介 能源在每个国家中的地位都是举足轻重，关乎兴衰的，所以如何开发并合理利用能源是一个重要的课题。特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国，更是如此。我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术，这是一门结合了微电子学、电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学

14、科，它利用功率半导体器件对电网功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理，使得电力电子装置小型化、高频化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表

15、等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性

16、能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内的成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著,当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满

17、足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPower Supply)。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开

18、关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60%70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，

19、目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。 开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：1. 电子管稳压电源时期(1950年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。2. 晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。3. 低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60%左右。随着压控率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需

20、要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达l00kHz以上，并且可并联大电流输出。4. 高性能的开关稳压电源时期(1990年代至今)。随着新型功率器件和脉宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。1.2开关电源的分类按激励方式划分: 1)它激式开关稳压电源 2)自激式开关稳压电源按调制方式划分：1)脉宽调制型开关稳压电源 2)频率调制型开关稳压电源 3)混合型开关稳压电源按开关功率管电流的工作方式划分：1)开关式开关稳压电源 2)谐振式开关稳压电源按功率开关的

21、类型划分:1)晶体管型开关稳压电源 2)可控硅型开关稳压电源3)MOSFET型开关稳压电源4)IGBT型开关稳压电源按储能电感的连接方式划分：1)串联型开关稳压电源 2)并联型开关稳压电源按功率开关连接方式划分：1)单端正激式开关稳压电源 2)单端反激式开关稳压电源 3)推挽式开关稳压电源 4)半桥式开关稳压电源 5)全桥式开关稳压电源按输入和输出电压大小划分：1)升压式开关稳压电源 2)降压式开关稳压电源 3)输出极性反转式开关稳压电源按工作方式划分：1)可控整流型开关稳压电源 2)斩波型开关稳压电源 3)隔离型开关稳压电源按电路结构划分：1)散件式开关稳压电源 2)集成电路式开关稳压电源1

22、.3开关电源的优缺点优点：1）内部功率损耗小，转换效率高。 2）体积小，重量轻。 3）稳压范围宽，线性调整率高。 4）滤波效率大为提高。 5）电路形式灵活多样，选择余地大。缺点: 1) 开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰。 2）电路结构复杂，不便于维修。 3）成本高，可靠性低。1.4 开关电源的发展展望1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势：1)低电压化半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。2)高效化应用各种软开关技术，包括无源无损软开关

23、技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振；恒频零开关技术；零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。3)大电流、高密度化4)高频化 为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率DCDC变换器的开关频率已将现在的200500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。5)在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展1.5 开关电源所用的术语 效率：电源的输出功率与输入功率的

24、百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度

25、保持恒定。 负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。 噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mv度量。隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。 远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周

26、期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。 电磁干扰无线频率干扰(EMLBFl)：即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。 快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。占空比；在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。1.6开关稳压电源的接地问题在开关稳压电源电路中，一般都是输入工频整流、滤波和功率变换部分共用一个地，二次整流、滤波、电压采样和负载电路共用一个地。也就是功率开关变压器的初级以前的电路部分为一个地，次级以后的电路部分为一个地，这两个地是相互独立的，它们之间通过功率开

27、关变压器进行能量交换、传输和耦合。而反馈控制信号课通过光电耦合器或变压器把过压、过流和欠压等采样信号耦合给控制、保护和驱动电路，最后实现控制和各种保护功能。开关稳压电源电路中输入工频电路部分与负载电路部分不共地的问题，虽然给减小开关稳压电源的噪声和降低开关稳压电源对工频电网的干扰和影响方面带来了一定的好处，但是却给调试安装和使用维修人员带来了不可忽视的人身触电危险，并增大了烧坏测量和调试所用的仪器、仪表的可能性。因此，在实际应用中一定呀想法设法利用和发挥其长处，避开和克服其短处，使其安全可靠的工作。1.7开关稳压电源整流电路开关整流电路是电源系统最重要的部分，它的技术是否先进关系着开关电源系统

28、的功能和可靠性。1.7.1倍流整流电路 倍流整流电路在电源的应用，可以提高大电流输出时的副边整流电路的效率，相比较与传统的变压器副边带有中心抽头的全波整流电路相比，倍流整流电路有以下优点：减小了变压器副边绕组的电流有效值；变压器利用率较高，无需中心抽头，结构简单；输出电感纹波电流抵消，可以减小输出电压纹波；双电感也更适合于分布式功率耗散的要求。倍流整流电路电路拓扑如图1-1所示：图1-1 倍流整流电路拓扑图1.7.2同步整流电路微处理器等很多高速数字逻辑电路都需要低电压大电流功率变换器。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。为了使变换器的转换效率提高，整流损耗必须降低。采

29、用低导通电阻的MOSFET进行整流，是提高变换器效率的一种有效途径。同步整流是采用通态电阻极低的专用MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率，并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性。用MOSFET作为整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称同步整流。实现同步整流功能的MOSFET称为同步整流器。按照驱动信号的不同，同步整流器有两种驱动方法，即电压驱动方式和电流驱动方式。电压驱动方式以其结构简单、经济高效备受人们关注，常用的如自驱动型同步整流电路、外

30、驱动型同步整流电路、混合驱动型同步整流电路。1.7.3二次整流电路开关稳压电源中的二次整流电路是出现在开关功率变压器次级回路中的整流电路，二次整流电路一般都为高频整流电路，整流二极管必须采用高频快恢复开关二极管。肖特基二极管不但具有高频快恢复开关二极管的特性，而且还具有正向管压降特别低的优点，因此特别适用作为开关稳压电源电路中的二次整流二极管。常见的二次整流电路有：1)半波整流电路：其优点是高频开关变压器不需要中心抽头，仅适用一个整流二极管，电路结构简单，成本低。缺点是变压器输出功率的利用率仅有50%，输出直流电压中的纹波电压较高。此电路一般用于变压器没有中心抽头。而且频率较高，输出功率不是太

31、大的开关稳压电源电路中。2)全波整流电路：其优点是变压器的输出功率利用率为100%，输出直流电压中的纹波电压较低。缺点是高频开关变压器必须加工有中心抽头。此电路一般被应用于要求输出功率大，功率转换效率要求高的开关稳压电源电路中。3)倍压整流电路：其优点是可以得到非常高的输出电压，输出直流电压中的纹波电压非常低。缺点是输出电流较小，电路结构较复杂。这种电路一般用于要达到数千伏至数万伏以上的加速场电路、高压放电电路及高压静电除尘电路中。2. 隔离式高频开关电源 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式

32、，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图21所示。在图2l中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元件，比如开关晶体管、场效应管(MOSFET)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的

33、次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的。图2l 隔离式开关电源基本功能方框图 在方波的上升沿和下降沿有很多高次谐波，如果这些高次tB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必须要设置无线频率干扰(RFl)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。 此外，为了使整个电路安全可靠地

34、工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等2.1 隔离式开关电源输入保护器件隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流，设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的E5R值。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络；另一种方法是采用负温度系数(NTc)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值。 电阻双向可控硅技术：采用此项浪涌电流限制技术时，将

35、电阻与交流输入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。热敏电阻技术：这种方法是把NTc(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。热敏电阻的电阻温度特性和温度系数的关系如图2-2所示。图2-2 热敏电阻的电阻温度特性和温度系数关系图 热敏电阻的温度系数，用每度百分比(c)表示。当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样，

36、由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值应该是最小。这样，就不会影响整个开关电源的效率。2.2隔离单端反激式变换器电路一般情况下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。在电路中，它是以变压器的形式出现的，但实际上它起的作用是扼流圈，所以应该称它为变压器扼流圈。所谓单端，指的是变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。 典型的单端隔离反激式变换器电路结构如下图所示。 从该图的电路工作状态波形可见，电路的工作过程如下：当晶体管VT

37、l导通时，它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连接的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止。在变压器次级回路无电流流过，即没有能量传递给负载。当晶体管VTl截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二极管VD导通，给输出电容C充电，同对在负载RL上也有了电流IL。图2-3 单端隔离反激式变换器电路及电路工作状态相关波形由于隔离变压器T除了具有初、次级间安全隔离的作用外，它还有变压器和扼流圈的作用，所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感，但在实际应用中，往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈，用以降低高频开关噪声的峰值。2.2.1 单端反激式变换器电路中的

38、开关晶体管在单端反激式变换器电路中。所使用的开关晶体管必须符合两个条件，即在晶体管截止时，要能承受集电极尖峰电压，在晶体管导通时，要能承受集电极的尖峰电流。晶体管截止时所承受的尖峰电压按公式(2-1)进行计算：(2-1) 公式中，vin是输入电路整流滤波后的直流电压，xmax是最大工作占空比。所谓占空比指的是晶体管导通的时间与晶体管的一个工作周期(导通时间十截止时间)之比。为了限制晶体管的集电极安全电压，工作占空比应保持在相对地低一些，一般要低于50。在实际设计时，一般取o4左右，这样它就限制了集电极峰值电压。因此，在单端反激式变换器电路设计中，晶体管的工作电压一般在800V以上，通常按900

39、v计算可安全可靠地工作。 按如下粗算考虑：交流输入电压180260V，取260V，260v乘以14(有效值)，即是整流后的直流电压*260×L 4354V，360V再乘以22露800V，实际取900V即可。 第二个设计准则是必须满足晶体管在导遏时的集电极电流的需求。(2-2)公式(2-2)中，il是变压器初级绕组的峰值电流而n是变压器初级与次级间的匝数比。 为了导出用变换器输出功率和输入电压表达集电慑峰值工作电流的公式，变压器绕组传递的能量尸m可用式(2-3)表示：(2-3) 公式(2-3)中，v是变换器的效率。 略去推导过程，由输出功率和输入电压表达的晶体管工作电流的公式为：(2-

40、4) 假定变换器的效率V是o8，最大工作占空比入fo4(2-5)2.2.2 单端反激式变换器电路中的变压器绕组 由于在单端反激式变换器电路中，变压器初级绕组只在BH待佐曲线磁滞回线)的一个方向上被驱动，因此，在设计时注意不要使其饱和。所选择的磁芯一定要有足够大的有效体积，通常应用空气隙来扩大其有效体积，传输变压器有效体积v的计算公式如式(2-6)：(2-6) Ilmax：最大负载电流L：变压器次级绕组的电感量；U0：空气的导磁率，其值为15Ue：所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax：磁芯的最大磁通密度。 相对导磁率从应尽可能选得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和线径，以及铜损和铁损引起磁芯温升

41、过高。2.2.3高频变压器的初级、次级、反馈级的确定将数字万用表转换开关至200W档位置，用两只表笔分别接在和变压器的初级两端和次级两端，测出初级电阻和次级电阻。依据次级电阻最小、初级电阻最大，反馈级电阻次之，即可确定高频变压器的初级、次级、反馈级。3.串联开关式稳压电源工作原理及框图图3-1是串联开关式稳压电源工作原理框图，图中Vi是一个直流输入电源，它可以是有交流市电经变压、整流滤波后得到的简易交流电源，也可以是化学电源或直流发电机发出的直流电，以及太阳能电池产生的直流电。K是个开关管，它受开关控制电路控制，周期性的进行开或关。理想状态时，K导通时的电阻为零，电能可以顺利通过，关断时电阻为

42、无穷大，电能传输被阻断。能量储存及滤波网络较为复杂，其电路形式也多种多样，从而导致了开关电源种类繁多，它的功能就是在开关K导通时，将一部分电能传送给负载，将剩余的能量储存起来，以便在开关K断开时继续向负载保持供电。取样电路将负载两端的电压取样后送到比较器与那里设置的基准电压相比较，比较器将比较的结果以信号的形式送到开关控制电路，由开关控制电路控制开关K导通时间的长短，从而使输出电压Vo稳定在所需的范围内。图3-1 串联开关式稳压电源工作原理框图下面分析VO和Vi之间的关系有哪些因素来决定。设开关K导通的时间为TON，关断的时间为TOFF，则开关的周期T=TON+TOFF，开关的工作频率为f=1

43、/T,令TON¤T=x,称为占空比，则VO和Vi之间的关系为：VO= Vi*TON/T=Vi*x(3-1)。因此，调节和控制输出电压VO的方法，就是调占空比x。进一步分析式(3-1)，可以发现调控VO的办法实际上有三种：(1)、保持开关的工作频率f不变，改变TON的大小，这种方法称为脉冲宽度调制（PWM）,这种方法用的最多。(2)、保持TON或TOFF不变，改变f的大小，称为脉冲频率调制（PFM），这种方法用的较少。(3)、既改变TON也改变f，称为脉冲宽度、频率混合调制（PWFM），这种方法多在自激型电路中采用。3.1 无工频变压器开关电源工作原理及框图无工频变压器开关电源主要由九

44、大部分电路组成，如图3-2所示。图3-2 无工频变压器开关稳压电源工作原理框图市电整流滤波高频变压 器高频整流滤波负载占空比控制电路隔离传输比较放大器基准取样1个高频功率开关管 从图3-2可知，左边五大部分和右边四大部分之间是隔开的，这表示左边和右边是不共地的。这类开关电源一般来说比较安全。左边由市电交流220V经整流滤波后得到约310V的直流高压。由高频功率开关管和高频变压器组成的逆变电路，将310V的直流电变成了高频变压器次级输出的频率较高的(频率由设计者根据多种因素决定，目前一般在20-100KHZ)交流电，将此高频交流电再经过整流滤波就得到了负载所需的直流电压，多数情况下输出电压是低压

45、直流电。为了使输出电压稳定，采用了反馈调节技术，将输出电压取样，和一个基准电压作比较后，将放大信号通过隔离形式的传输，由占空比控制电路识别去控制高频功率开关管的导通和截止，从而实现输出电压的稳定。所谓隔离式传输，可能是变压器，也可能是充电耦合器。在有些情况下，逆变电路和占空比控制电路，隔离式传输等式融合在一起的，很难分开，在多数情况下，还是能大致分成如上图所示的九大部分。在图3-2中，由高频功率开关管和高频变压器两个小方框组成的一个大方框，成为逆变电路或逆变器。此过程是将直流通过开关管的开关作用和高频变压器的变压，把直流电变成所需频率和幅度的交流电，因此这个过程又称为逆变。逆变过程，逆变器在很

46、多场合都得到了应用。如果把逆变器和高频整流滤波电路合成一个大方框，则称为隔离型DC-DC变换器。3.1.1 隔离型DC-DC变换器自激型单端反激式DC-DC变换器变换器的工作过程如如图3-3所示：接通电源Vi后，通过R1、R2分压，向开关管BG提供了一个基极偏置电压，从而产生了基极电流，继而得到了集电极电流，由于集电极上接有高频变压器的初级线圈Wp，由于电感的惯性作用，它会产生上正下负的感应电压，同时变压器的反馈绕组Wf则感应出下正上负的电压，这使得开关管BG很快的进入饱和导通状态，BG进入饱和导通后，由于反馈绕组的作用，使得BG的基极电流越来越大，从而使得集电极电流也越来越大，直到R3上的电

47、压大到使基极电流不再增长，一旦IB停止增长，IC也会停止增长，这是Wp上的感生电动势就会反向，变成下正上负，感应的结果，Wf、Ws也都反向，Wf反向的结果，使得BG很快截止，在BG截止期间，Ws的电压时上正下负，它通过D向负载供电，并同时向C供电，当存储在高频变压器的磁能释放完毕，Wf中的下负上正电压减少一定程度，使得R2上的电压又可以使BG导通时，电路又开始了下一个周期的导通与截止过程。周而复始地通过BG的导通和截止，电能从Wp传到Ws进而传向负载。图3-3 自激型单端反激式DC-DC变换器的基本电路这类模拟电路的特点是各元件参数的选取非常重要，一般先经过估算，进而由实验来确定最佳参数，因而

48、需要付出较大的工作量，能掌握定性的分析和定量的估算对指导实验室非常重要的。下面，进一步分析BG开关的一个周期内，电路中重要的电压、电流波形，如图3-4所示：图3-4 BG开关电路的电压电流波形4.总体设计说明4.1设计目标完成一个自激型单端反激式隔离型DC-DC变换器的应用手机万能充电器电路。即实现将220V/50HZ的工频电网经过整流滤波、逆变、高频整流滤波后，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。其预期性能指标和技术指标如下：性能指标：输入电压范围：AC220(1±15%)V ，50(1±15%)HZ 输出直流：3.7V4.2 V/300mA技术指标：电源

49、稳定度10% 负载稳定性10% 纹波电压小于15mv 输出电阻0.3W4.2总体说明自激型单端反激式DC-DC变换器，又称为自激型单管反激式DC-DC变换器，因为它只使用了一个晶体三极管便完成了变换工作。这种电路的优点是结构简单，调试容易，工作可靠，缺点是变换器的工作频率随着输出功率及输入电压的变化而变化，晶体管的集电极电流从零开始线性增长，当工作频率低时，效率较低，因此这种变换器只适合于小功率输出的场合。手机使用可充电的电池，便需要对电池进行充电，因此手机电池充电器是一种需要量极大地电子消费品。该手机万能充电器的电路原理图如图4.2.1所示：图4-1 手机万能充电器电路原理图4.3技术方案说

50、明此充电器的电路主要分为两个部分，以Q1和高频变压器组成开关电源，Q2至Q7组成充电、自动检测及显示电路。当接通电源后，二极管D1对220V的交流电进行半波整流，得到的是一个脉动的直流电压，且在负半周时，没有输出。因此，在图4.2.3-1中，VN、Vi的波形如图4.2.3-2所示。Vi为正电压时，R1和R4分压，Q1获得了基极电压，于是产生了基极电流，此基极电流被放大，产生集电极电流，集电极电流要通过高频变压器T的初级线圈L1，在线圈L2中感应出上正下负的电压，此电压通过R4、R13、R2使Q1进一步导通，瞬间使Q1进入饱和状态，进入饱和之后，Q1的集电极电流就会减小，一旦开始减小，通过L1、

51、L2的感应，很快又使Q1截止，这样Q1便周而复始地导通-截止-导通-截止地进行着，知道V1为零时，Q1便停止振荡。当下一个正半周到来时，Q1又重复上一个正半周的振荡，故Q1是一个间歇振荡器的功率器件，它仅工作于50HZ交流电的正半周。当L1的感应电压为下正上负时，即Q1截止时，L3感应出的电压是上正下负，此时D3导通，高频变压器的储能向C4充电，此时若外接电池充电，则同时向电池充电。当Q1导通时，L3感应的电压时下正上负，D3截止，由C4的储能向负载供电，并且，在Q1停振时，也要由C4向负载供电。因为是Q1截止时，D3导通，故是反激式DC-DC变换器。图中A点的电位计算：VA=V1*3.3/4

52、70=0.0702 V当V1为220*=311.08V时，VA=2.184V，为了使VA>0.7V, V1应为V1>99.7V.因为V1=*sinwt，此时sinwt=0.3206。wt=18.42,这说明Q1开始起振的时间不是在t0，而是在t0，。Wt0，=18.42，wt1，=180。-18.42，t0，到t1，才是Q1不断开关的时间。因为VA最高为2.184V，故ZD1通常是阻断状态，只有在L2的感应电压足够高，才能将ZD1击穿，此时ZD1起保护作用。其他元件是在基本电路的基础上，经过实验，为了稳定工作和改进性能逐步加进去的。由Q1和高频变压器为核心构成了自激型反激式DC-D

53、C变换器，并且变换器是间歇工作方式，即在50HZ交流电的正半周才工作，而负半周不工作。由于对输出电压没有采取取样及反馈控制措施，因此它只是个自激型单端反激式隔离型开关电源，而不是开关稳压电源。对于此充电器的输出电路，当Q1截止时，D3导通，将高频变压器初级线圈L1的储能由L3转而向C4充电，空载时，C4两端电压可达9V。R8和稳压管ZD2相串联，构成Q3的偏置电路，Q3是射级跟随器，又称射级输出电路，这种电路的特点是输入电阻大，输出电阻小，不充电时，R7和PW(红色发光二极管)是射级跟随器的负载，因此，一旦接通电源，红色发光二极管会发亮否则，表示电路出现故障，应该检修。由于稳压二极管ZD2的稳

54、压值为5.6V，所以Q3的射级输出电压被稳定在5.6-0.6=5V左右。给电池充电时，Q3输出的5V电压，还要经过两个硅三极管Q4、Q7(或Q5、Q6)的饱和管压降约0.6V，故实际加在被充电电池两端电压只有4.4V甚至更低。而手机电池正常工作时电压约为3.7V4.2V,若低于3.5V，则需要充电了。Q2和七彩二极管CH构成充电指示电路。接通电源后，未充电前，红色发光二极管PW亮，但CH不闪烁，因为此时Q2的基极电位不够低，Q2导通不够，或没有导通，故接在Q2集电极上的CH不能工作。当充电工作开始后，流过Q3的电流加大，因此流过R5的电流加大，致使Q2的基极电位下降，这使得Q2进一步导通，从而

55、使得通过CH的电流增大，因此就闪烁起来，当电池充电充满后，Q2的基极电位又升高到原来的状态，因此CH又停止工作，表示充电结束。Q4、Q5、Q6、Q7组成电池极性识别电路，并对电池进行充电，即两个充电输出端不分正负极，对电池进行充电时，用户可以随便接，只要将两个充电端分别对准被充电的正负极即可，这可以使用户使用时很省心，不用思考，两个端子随便接，永远都是正确的，充电可以顺利进行。Q4至Q7组成的电池极性识别电路能自动识别电池的极性，让充电电流从被充电电池的正极流向负极。这是综合运用晶体三极管的开关特性和桥式电路的工作特点相结合的结果。如图4.2.3.-2所示，由四个开关组成的桥式电路，只要按需要控制对边开关的通与断，就可以控制电阻R中电流的方向，当Q4和Q6同时导通时R中的电流是由a端流向b端，而Q5和Q7同时导通时，R中的电流是由b端流向