反激式开关电源课程设计报告

1、-. 2249-考试资料-.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、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。5、提高学生课程设计报告撰写水平。1. 题目题目：反激型开关电源电路设计注意事项：学生也可以选择规定题目方向外的其它设计。 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设计装置（或电路）的主要技术数据高IL频变换器滤波电路N开关稳压电源基本原理框图-考试资料-.主要技术数据1、交流输入电

2、压 AC95270V；2、直流输出 3、输出纹波电压0.2V；4、输入电压在 95270V之间变化时，输出电压误差0.03V；设计内容：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2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的思维方式以及创造能力要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不

3、能少于 5 3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力-考试资料-.要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电告基本相同，甚至完全一样。4. 课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的完整电路图，5. 课程设计用纸和格式统一课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于 20 页 电源设计指标：输入电压：AC380 输入电压变动范围：304456 输入频率：50kHz；输出电压：5 V输出电流：1A24V ；0.05A输出

4、的纹波电压为0.2V输出电压在20%的变化范围时，输出地电压误差为0.3一 反激型电路原理-考试资料-. 3.1：ii21 +WW21U-0UiS图 3.1 反激型电路原理图工作过程：当 S 导通时，电源电流流过变压器原边，i 增加，其变化为1di /dt U /W ，而副边由于二极管VD 的作用，i 为 0，变压器磁心磁感应1s12强度增加，变压器储能；当S关断时，原边电流迅速降为 0，副边电流i 在2反激作用下迅速增大到最大值，然后开始线性减小，其变化为di /dt U /W ，此时原边由于开关管的关断，电流为 0，变压器磁心磁感2o2应强度减小，变压器放能。二 EMI 滤波电路开关电源以

5、其效率高、体积小、输出稳定性好的优点 而迅速发展起来。但是，由于开关电源工作过程中的高 频率、 di/ dt 和高 du/ dt 使得电磁干扰问题非常突出， 如何减小产品的 EMI ，成为大家关心的重要问题。 开关-考试资料-. 共模干 扰是载流体与大地之间的干 主要是 由 du/ dt dt 也产生一定的共模干扰。差模 干扰是载流体之间的干扰，干扰大小相等，方向相反， 其存在于电源相线与中线及相线与相线之间。 本设计用 到的电路如图 3.2 所示:L1CbCaCaCb图 3.2 EMI 滤波电路三 整流滤波电路关电源中，其整流电路就是如图 3.3 所示的单相不可控整流电路:-考试资料-.Cu

6、1图 3.3 电容滤波的单相不可控整流电路由设计要求可知 AC 输入值是 380V， 通过整流滤波 537V 的直流电压。 UiUi=380V式中 整流前输入电压整流后输出电压 2 Ui由于滤波过程的其他原因取=310V二极管承受的压降为2 四 控制芯片本设计采用 UC3842芯片控制开关器件的开通与关断。UC3842 是美国 Unitrode 公司生产的采用峰值电流模式控制的集成 PWM-考试资料-.控制器，专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。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、5V

7、C 基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等，如图 3.4 所示:图 3.4 UC3842 的内部结构(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 5V/50 (2) 振荡器：产生方波振荡。T 接在、 REF脚之间， R VCT 接、 GND之间。 频率 f=1.8/(CTRT), 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 端引 出接外部 RC 网络，以改变增益和-考试资料-.频率特性。(4) 输出电路：图腾柱输出结构，电路 1A，驱动 MOS 管及

8、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， VISENSE1 V 时，当关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保 护电路。开通阈值 16 V，关闭阈值 10 (6) 欠压锁定电路 VVLO：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 与 GND (8) 图腾柱输出电路(Totem Pole)：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。五 反馈电路电压反馈电路-考试资料-.图 3.5 电压反馈电路原理图电压反馈电

9、路如图 3.5 TL431 和光电耦R R合器反馈到 UC3842 的脚，调节 、 的分压比可设定和调节输出电压，12U达到较高的稳压精度。如果输出电压 升高，则集成稳压器 TL431 的阴极o到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即 UC3842U脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压 减小。同oU样, 如果输出电压 减小，则可通过反馈调节使之升高。 一、已知参数设计变压器已知参数:-考试资料-.输入电压 Uin=537V两路输出电压和电流：U =5V，I =1A;U =24V，I =50mAo1o1o2o2反馈电压和电流 U =20V，I =50mAff输

10、出功率Po51240.05200.057.2W效率=0.9开关频率 fs=50kHz三、计算首先应根据以下公式计算变压器的电压比：Uk smaxUimaxUTo式中，U是开关工作时允许承受的最高电压，该电压值应低于所选开关smax器件的耐压值并留有一定裕量，电压比。U 是输入直流电压最大值，k 是变压器imaxT由设计要求可知 AC 输入值是 537V的直流电压。 U 1 。Uimaxsmax取2倍的U ，故Uimax取 1288V 。smax由于有两路输出和一路反馈，所以变压器变比如下：UUk T1siU51-考试资料-.UUUk T2ssiiUo2Uk T3Uo3式中：U 51的输出，U

11、24 的输出，U 20 的反馈V VVo2o3k 原边与输出 5T1的匝数比。Vk 原边与输出 24T2的匝数比。的匝数比。VVk 原边与反馈 20T3作时的最大占空比D 为maxk UTD ok UTU 2 oi取实际占空比为D0.45kT0.45537 D U k T178.5 i1DU 0.6110.4550.6 0.45537 D U k T217.9 i1DU 0.6o210.45240.6 0.45537 D U k T321.3 i1DU 0.6o310.45 200.6 初 级 平 均 电 流I 可 由 假 定 效 率av ， 所 需 输 出 总 功 率-考试资料-.P 5 2

12、40.05200.057.2W 及最小总线电压U 算出。oimin7.2PI avoU0.9 0.8imin一次侧峰值电流22I I Dp计算一次侧电感值D UL 1 if I 3sp可由A A 法求出所需铁芯：ew 10 1.14L I4A A A 1pB k dpewmax cc式中A 磁芯窗口面积，单位为 cm2wA 磁芯截面积单位为 cm2eB 磁芯工作磁感应强度，取B=0.3Tmaxmaxk 窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为c0.20.4，此处取 0.4。d 电流密度，一般取 395A/cm2c求得的A A 的值为：ew-考试资料-. 10 1.14L I10

13、0.05310 1.14434A A A 41pB k d0.3pewmax cc窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感，即确定选用 CL-76。 CL-76的磁芯其具体数据为A ,A ,A 224ewp104644104U按如下公式计算原边匝数，N 298.1imax4f B A45010 0.30.3613smaxe即取N 298匝。1再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。若求出的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、 副边的匝数合适。根据上述所求得的k 、k 、k 求二次侧匝数，T1T2T3NkN 11T1NN 1o2kT2NN 1o3kT34NN1o2-资料-考试-.No3为

14、了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：410 L I410 0.14582727l g0.513mmppAB20.3610 42em绕线的选择有设计方案可知在变压器上有三部分绕组：输入绕组电流0.053A=3.95A/mm 可得绕线的截面积为2,由 dI incIS 0.0134mm2dcIO1第一路输出绕组电流 = 1 A .可得出1IS 121dcIo2第二路输出绕组电流 = 0.05A,IS o2o22dcIo3第二路反馈绕组电流 = 0.05AIS o3o32dc表 1 AWG 导线规格表WG耳-考试资料-.cm2*10-310-6omhs/cm212223242

15、5262728293031323334350.037570.029650.023720.018840.014980.011850.009450.007470.006020.004720.003720.003050.002410.001890.00151.0210.80460.6470.50670.40130.32420.25540.20110.15891687.62142.72664.33402.24294.65314.96748.68572.81084963.9950.4139.6931.36-考试资料-.0.001190.00097733490.000770.000590.000460.0

16、0037本设计采用 AWG 导线，根据表 1 结合所计算出来的导线截面积，选择导线型号，结果如下：输入绕组选用 AWG-35，5V输出绕组绕组选用 AWG-23,24V输出绕组选用 AWG-35，反馈绕组选用 AWG-35。-考试资料-.采用三明治式绕法，即该方法是通过变压器绕制工艺设计，控制变压器的漏感，进而减小MOSFET的漏源极电压尖峰。其次，反激 2.同向绕制必须要加套管，而反向则不必 3.同向进出会交叉，反向就不会。 一、 EMI 滤波电路需要 L 的电感量与 EMI 滤波器的额定电流 I 有关。需要指出,当额定电流较大时,共模扼流圈的线径也要相应增大 ,以便能承受较大的电流。此外

17、, 采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01F0.47F,主要用来滤除差模干扰。Cb 跨接在输出端,并将电容器的中点接地,能有效地抑制共模干扰。Cb 亦可并联在输入端,仍选用陶瓷电容,容量范围是 2200pF0.1F。为减小漏电流,电容量不得超过 0.1F,并且电容器中点应与大地接通。C1C4的耐压值均为 630VDC或 250VAC。因此，最后选取个元件参数如下：差模干扰抑制电容 Ca 选取 0.1 F共模干扰抑制电感 T=20mH-考试资料-.共模干扰抑制电容0.1 F二、 整流电路由设计要求可知AC输入值是380V通过整流滤波输出537.4V的直流电压。U U 2V02试中U -整流电路输

18、入侧电压2U -整流输出直流电压0考虑 10%余量取U 645V0选取整流二极管由上式知二极管承受的管压降为 2V所以选取二极管型号为 IN4005，其最高反响峰值电压为 600V三、 反激型电路已知输入参数为输入直流U 645V0输出电压：UVOUT1U 24VOUT2输出总功率为:5 1 24 0.05 20 0.05 7.2WP o效率： 0.9D0.45开关频率：50f kHzs-考试资料-.线路主开关管的耐压NNUU U U1si02其变压器计算选取见第四章。输出侧元器件选取：变压器输出侧电路如下图：1212V21图 5.1 输出滤波电路（1） 计算输出滤波电容： 由课设的要求输出纹

19、波电压 0.2V，即输出纹波电压的峰峰30mVV，可根据输出误差估算出：PPI I (10.03) 11.03 1.03AOUT1(max)0IT1.03 A 0.011msC 57FOUT1(max) off0.2V4Vpp为了更好的保证输出地波形使纹波减小到最小，保证供电质量，由图可知采用的是双滤波环节，计算二次滤波电容：ITA C 57FOUT1(max) off5Vpp即选择一个和 C4 一样的电容。根据查询得知选择电解电容，选择KEMET 公司生产的电容型号 T510X337MO10AS 330-资料-考试-.（2）计算输出滤波电感 L1 参考导磁率与直流偏置曲线。在可能的直 400

20、E 率大于 60 的磁芯： IN 1A0取整则 N=48 匝（3）选择二极管 V输出整流二极管耐压为22 5V 10V V VROUTI IR1AOUT1故选取 IN4001 型二极管同理由以上计算第二路输出 24V，50mA的电容电感值及二极管IT0.05 A 0.011msC (C ) FOUT1(max) off0.2V45VppN 匝 I 0输出整流二极管耐压为22 24V 48V V VROUT选取 IN4001 型二极管四 反馈电路1基准-资料-考试-.本设计基准电压用的是德州公司的下：d.输出电压范围为 2.530V 满足电路要求 都取 1.5k，在TL431 的 K极的到一个

21、2.5 的基准电压，输出电压变化时，加在光耦合器上的电压发生变化，反馈到 UC3842 的电压也发生变化，通过调节占空比便可调节输出的变化。2.光耦合电压保持恒定时，它等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分比，有公式：CTR=IC/ IF100%在此选用摩托罗拉系列光耦合器 4N25,A ， 其 CTR=20，直流输入-考试资料-.电流 IF=10mA，于是202.50.7R 1680101033五、控制电路振荡器的振荡频率由外接的电阻R 和电容C TT决定死区时间长短。死区时间、开关频率同选取开关频率R 和电容C 的关TT系如下所示：t 300CDTf R CTsT死区时间t

22、D20s，开关频率 f 50kHz，s求得C 37 F n ，R 973。TT 一、EMI 滤波电路其仿真电路如下图：-考试资料-.K12VV=0=0126-1 EMI 滤波电路输入交流电压及滤波输出电压波形如下图:6-2 输入输出波形 EMI 仍是 50Hz 的交流正弦电压波。二、 整流电路仿真电路如下图：-考试资料-.=0=0图 6-3 整流电路交流输入电压波形：400V200V0V-200V-400V0s10ms20ms30ms40ms50msTime60ms70ms80ms90ms100msV(D5:2,V1:-)整流后输出直流电压波形：-考试资料-.输入为 380 的交流电，整流输出

23、U U 2 537.4Vd2输出波形符合计算值结果。三 反激型电路仿真及结果2214K21012110-=图-考试资料-.30V20V10V0V0sV(D3:2)10ms20ms30ms40ms50msTime60ms70ms80ms90ms100ms图 6.5 输出直流波形UC3842 是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾-考试资料-.柱式输出，是驱动功率 MOSFET 的理想器件。在 ORCAD仿真中的电路原理图见图 6.6图 6.6UC3842 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：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性； 2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度； 1V时缩小脉冲宽度使电源处-考试资料-.于间歇工作状态。本次仿真暂不使用此