《开关电源课设论》word版

1、XX大学课程设计任务书专业班级学生姓名课程名称开关电源技术设计名称设计周数2指导教师设计任务主要设计参数1、交流输入电压AC95270V；2、直流输出电压15V；3、输出电流6A；4、输出纹波电压0.2V；5、输入电压在95270V之间变化时，输出电压误差0.03V；设计内容设计要求开关电源主电路的设计和参数选择IGBT电流、电压额定的选择开关电源驱动电路的设计开关变压器设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图电路仿真分析和仿真结果主要参考资 料杨旭 等，开关电源技术，机械工业出版社2004年3月张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998学生提交归档文件课程设计说明书一份

2、注： 可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。指导教师签名： 日期：摘要随着电子科技的不断发展，越来越多的电气设备走进了千家万户。在电源驱动方面，开关电源因其高效率、小体积、高可靠性等一系列优点而得到了人们的青睐。开关电源推动了高新技术的小型化，轻便化，在很多领域有着深远的意义，也其应用到越来越广泛的领域。本论文设计的开关电源是采用UC3842作为集成控制器的典型反激型电路。首先设计出主电路原理图，再根据任务书的参数计算选择合适的配件，比如变压器的选择，二极管以及电容的选择等等，然后在OrCAD里绘制设计好的电路图进行仿真，并对比仿真结果与要求进行参数调整，从而实现要求。当然整个过程必须建

3、立在安全可靠的前提下，因此安全保障十分关键，必须给电路设计出安全电路保证其安全可靠地运行。最后完成整个电路的设计。为了实现电压稳定输出，同时考虑到各地区电压的不同，电路中整合了很多模块，如EMI滤波器、输入整流滤波电路、输出整流滤波电路、反馈回路、RCD缓冲电路等。这样不仅提高了电路的精度和效率，同时也使得电路稳定性和安全性得到提高。该电路具有宽电压输入的优点。通过不断地改进与完善，最终结果满足任务书要求，效果比较理想。关键字：UC3842、反激型电路、OrCAD 目录一、主电路的选择及参数计算1 1.1 主电路的选型1 1.2 EMI滤波器的设计 2 1.3 整流滤波电路的设计3二、反激式变

4、压器设计6电力MOSFET的选择11四、控制电路的设计12 4.1 UC3842内部结构及工作原理12 4.2时钟电路的设计12 4.3电压反馈电路的设计134.4电流反馈电路的设计13五、总电路图15电路仿真分析17 心得体会20 参考文献21一、主电路的选择及参数计算开关稳压电源基本原理框图如下： EMI滤 波 电 路整流 滤波 电路 辅助 电路反馈 电路高 频 变 换 器输 出整 流滤 波控 制 电 路LN+4-16GND 1.1 主电路的选型开关电源的电路拓扑结构众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型和全桥型。一般来说，小功率电源（11

5、00W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。由于设计要求直流输出电压为15V，输出电流为6A，输出功率小于100W，所以使用反激型电路。反激（Flyback）型电路的结构如下图所示。反激式电路工作有两种模式，电流断续和电流连续。反激式电路工作于电路连续状态时，其变压器磁芯利用率会显著下降，因此实际中避免

6、电流连续模式。这里对工作断续进行原理介绍。S导通时，原边绕组电流线性增长，二极管VD处于截止状态，变压器储能增加；S关断时，原边电流迅速降为零，副边电流在反激作用下迅速增大到最大值，然后开始线性减小，直到变压器中的磁场能量释放完毕，副边绕组电流下降到零，二极管VD关断；VD关断后，原副边绕组电流均为零，电容C向负载提供能量，直到S再次导通。1.2 EMI滤波器设计电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作，同样设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上，干扰其他设备的正常工作。必须在设备的电源进线出加入EMI滤波器。标准的EMI滤波器通常是由

7、串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备，而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示：差模抑制电容C1，C2：差模抑制电感L1，L2：共

8、模抑制电容C3，C4：共模抑制电感L3 ：共模抑制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相同，经过耦合作用后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。设计时首先必须考虑共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率要明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10KHz。开关电源所产生的杂讯以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感。共模电感L两个电感绕组因绕制工艺的不同而存在电感差值，共模电感的差值电感与电容C1及C2构成了一个型差模滤波器。去掉差模电感的滤波器如下图所示：共模滤波电感计算式中，取截止频率，选定共模扼流圈配套电容C=C3

9、=C4=0.1,代入上式有L1=15.9mH。C1C2C3C4L1电容/电感量0.10.10.10.115.9mH耐压值630V630V630V630V630V型号MKT1822MKT1822MKT1822MKT1822色环电感1.3 整流滤波电路的设计（1）输入整流滤波电路在输入整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路，本电路常用于小功率的单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，其整流电路就是如下图所示的单相不可控整流电路。电容滤波的单相不可控整流电路，在空载时，R=，放电时间常数为无穷大，输出的电压最大，。在此后的电路中涉及到选器件型号，故此处电压取最大值

10、。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额定值，确定方式如下：反向击穿电压V留有一定裕量，整流二极管选型为MDA202，耐压值为710V。滤波电容C选电解电容，电容值为250。（2）输出整流滤波电路开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频变压器进行能量的储存和传输，在这个过程中，必然会有高频的噪声干扰。此外，功率开关管在开关的过程中也会引起高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。电路图如下图所示 其中C1、C2均为电解电容，C1=，C2=10pF，。整流二极管应选择快速恢复的肖特基二极管，基于其低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其

11、反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。二极管的反向耐压按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。，选择二极管型号为MBR1635，其反向耐压30V，正向平均电流，满足要求。二、反激式变压器的设计变压器参数的设计对电源装置的性能有至关重要的作用，变压器设计不合理，电路很难正常工作，其设计要求有：（1）一、二次绕组电压的变比应满足要求值，当输入电压降至规范允许的最低电压时，输出电压仍能满足规定的额定值；（2）当输入电压及占空比最大时，变压器磁芯不允许出现饱和；（3）当输出功率最大时，变压器温升应在规范要求之内；（4）变压器总损耗尽量低，有较高效率；（5）一、二次侧漏感、分布电容应限

12、制在最小值。设计步骤：1.计算原边绕组的峰值电流每一工作周期能量乘上工作频率为输出的功率 （1.1）设电路工作在电流不连续（DCM）模式，在时间内电流由0增长至 原边绕组的峰值电流最大值出现在占空比最大的时候 所以有 （1.2）式（1.1）、（1.2）之比为 整理得 （1.3）为求得，应以最小值代入得 式中的20V为直流纹波及二极管压降之和。设反激式变压器的最大占空比=0.45，代入式（1.3）得 2.计算原边绕组电感值由式（1.2）得 代入数据，得。3.求最小占空比当输入电压最大时，有最小占空比。输入电压由最大到最小变化时，占空比由最小变化到最大。反激式电路电流断续时的电压比为 其中，分别为

13、原副边绕组匝数，为负载，L是从二次侧测得的变压器的电感量，D为占空比。因为输出保持不变，则有，代入得。4.确定原边绕组线径设工作于电流断续模式，则由面积法计算积分可得原边电流平均值 为初级脉动电流与峰值电流的比值，对于电流断续模式，。代入数据，得。根据电流有效值的定义可得 代入数据，得。计算原边绕组线径 整理，有 （1.4）其中，电流密度J取，代入相关数据，得。5.选择磁芯尺寸计算磁芯面积乘积。为（磁芯窗口面积）和（磁芯有效截面积）的乘积。在厂商资料目录中查出值。根据客户要求的尺寸和形状来决定使用哪一种经济的磁芯及其形状和大小。原边绕组的线径为（cm），带绕组的磁芯所占的磁芯面积乘积值为，则

14、式中，即工作磁感应强度变化值取饱和值的一半。若选用TDKH7CL的材料，EE型的磁芯，时，则。将代入，得 占窗口大部分面积的是副边绕组和绝缘材料，一般只为值的1/41/3，取，则 查阅相关资料，选择PC40材料磁芯，型号EF32，外型尺寸（mm）：32*16*9.2，比较合适。6.计算气隙长度由于反激式变压器是单向励磁，为防止磁饱和应加气隙。气隙会产生较大的磁阻，而且大多数变压器所存储的能量是在气隙所构成的体积中，故有：式中气隙磁场强度，； 空气磁导率； 气隙体积，。整理上式得 代入数据得。因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.071cm，或在磁芯两外侧芯柱各打磨出0.035cm，在这个基础上再进

15、行调整。7.计算绕组匝数原边绕组匝数 取匝。副边绕组匝数 其中为副边二极管导通压降，取。计算得匝，考虑到磁路可能产生饱和，是变压器的调节性能变差，因此取6匝。副边绕组的线径亦可按照式（1.4）来计算，J取,可得。反馈绕组匝数 反馈电压为UC3862供电，典型值为16V，。计算得匝，取6匝。变压器计算各参数计算值如下表所示：参数计算值原边电流峰值3.50A原边电流平均值0.8A原边电流有效值1.35A原边绕组电感0.147mH原边绕组线径0.66mm副边绕组线径0.98mm磁芯面积乘积0.4572气隙长度0.071cm原边绕组匝数32匝副边绕组匝数6匝反馈绕组匝数6匝三、电力MOSFET的选择开

16、关管关断后承受的反压为 由变压器计算可知，匝，匝。，由于是计算耐压，应取最大值，。代入得。流过开关管的电流即为变压器原边电流，由前面计算有：电流峰值，电流平均值，电流有效值。选择开关管的型号为IRFBE30，其反向击穿电压，漏极直流电流，漏极脉冲电流幅值。满足要求并留有合适的裕量。四、控制电路的设计4.1 UC3842内部结构及工作原理控制电路以UC3842为核心进行设计。UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，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、5V基准电压、欠压锁定电路、图腾柱输出电路等。UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方

17、式，共有8个引脚。其内部结构主要有：（1）5V基准源：内部电源，经衰减得到2.5V作为误差比较器的比较基准。该电源还可以提供外部5V/50mA。（2）振荡器：产生方波振荡。振荡器的频率由外接电阻和电容确定。（3）误差放大器：由VBF端输入的反馈电压和2.5V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）输出电路为图腾柱输出结构，电流1A，驱动MOS管及双极型晶体管。（5）电流取样比较器： ISENSE引脚用于检测开关管的电流，可以用电阻或电流互感器采样，当时，关闭输出脉冲，使开关管关断，作为过流保护。（6）欠电压锁定电路：开通阈值16V，关

18、闭阈值10V。具有滞回特性。（7）PWM锁存电路：保证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。（8）图腾柱输出电路(TotemPole)：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。4.2 时钟电路的设计UC3842时钟电路如下图所示：振荡器的振荡频率由外接的电阻和电容决定，而外接电容同时还决定死

19、区时间长短。死区时间、开关频率同选取开关频率和电容的关系如下所示： 式中 时钟频率（）； 死区时间（）； 外接电阻的值（）； 外接电容的值（）。开关频率，开关周期，取死区时间，求得。4.3 电压反馈电路的设计 电压反馈电路如下图所示： 在变压器的计算部分已经算出，反馈绕组的匝数为6匝。反馈回来的电压为16V，同时接到UC3842的引脚和电压反馈端。在软启动过程结束之后，为UC3842供电，同时接到反馈端使输出电压稳定。电流反馈电路的设计 电流反馈电路如下： UC3842采用峰值电流模式控制，电流反馈电路由R2、R3以及C1组成，R3上的电压反映了流过电力MOSFET的电流瞬时值，电流反馈引入U

20、C3842内部的峰值电流比较器。此外，此电路也有过流保护的功能。当开关电源发生过流时，开关管漏极电流会增大，增大，当增大到一定数值（典型值为1V），UC3842芯片的输出脉冲将关断，实现对电路的保护。变压器原边峰值电流，UC3842输出电流200mA，所以功率管漏极电流为3.7A。取，滤波电容C1=470p，流过R3的电流，R3=。五、总电路图总电路原理图如下所示：电路原理分析：如图所示，输入交流电由C1、L1、C2以及C3、C4进行低通滤波，其中C1、C2组成差模干扰抑制电路，C3、C4、L1组成共模干扰抑制电路。它们的组合应用对电磁干扰有很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经桥式整流及电解

21、电容C5滤波后变成脉动直流电压，此电压经R1给电容C10充电，当C10的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由引脚6输出推动开关管工作。启动结束后，R1的工作基本结束，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。当输出电压升高时，单端反激变压器反馈绕组上的反馈电压也升高，该电压经R3和R4组成大分压网络，分压后送入UC3842的2引脚，与基准电压比较后，经误差放大器放大，使UC3842输出引脚的驱动脉冲占空比减小，从而使输入电压降低，达到稳压的目的。输出电压降低时，原理亦然。如果电路发生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R8两端电压上升，UC3842的3引脚电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出，从而保护了电路。如果供电电压发生过压，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的7引脚和2引脚电压也急剧上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的1引脚电压下降，当下降到低于正常值3.4