基于反激电路的DC-DC降压开关电源设计

-.z.-----总结资料摘要针对晶体管串联提供稳压电源的具有体积很大而且笨重的工频变压器，体积和重量都很大的滤波器，占用较大空间，质量较大，效率较低不适用现在电子技术的开展的的缺点，提出了开展新型电源的意见。为了能够适用电力电子越小型化、轻型化的要求，开关电源随之出现。开关电源采用功率半导体作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空来调整输出电压，因为开关电源是直接对电网电压进展整流、滤波、调整，不需要电源变压器，工作频率高，滤波电容小、电感小，所以体积相对较小，而且开关电源的功耗较低，对电网的适用能力强，所以开关电源的应用逐渐取代了传统的电源。开关电源的开展促使了电力电子器件朝着轻薄化的开展，开关电源有多种拓扑构造，选择适宜的拓扑构造，适宜的器件，是设计开关电源的重中之重。反激式开关电源因其构造和本钱方面的优势在小功率电源领域有着不可替代的作用，是小功率供电电源的首选。关键字：开关电源；拓扑构造；变压器;稳压管***.z.--总结资料ABSTRACTSeriestoprovidepowersupplyforthetransistorwithlargeandbulkysize-frequencytransformers,sizeandweightaregreatfilters,occupyalargerspace,thequalityoflarger,lessefficientnotapplytothedevelopmentofelectronictechnologyisnowthepaperproposedthedevelopmentofnewpowerviews.Inordertoapplymorepowerelectronicsminiaturizationandlightrequirements,switchingpowersupplysoon.Switchingpowersupplyusingpowersemiconductordevicesasswitches,throughperiodicon-offswitch,controlswitchtoadjusttheairponentofthetotaloutputvoltage,becauseswitchingpowersupplyisdirectlyrectifiedmainsvoltage,filter,adjustment,nopowertransformer,highfrequency,filtercapacitance,inductanceissmall,sorelativelysmallsize,lowpowerconsumptionandswitchingpowersupplyontheapplicationofstrongpower,soswitchpowergraduallyreplacedthetraditionalpower.Switchingpowersupplypromptedthedevelopmentofpowerelectronicdevicestowardthelightofthedevelopmentofavarietyofswitchingpowersupplytopology,selecttheappropriatetopology,theappropriatedevice,isthetoppriorityofswitchingpowersupplydesign.Flybacktypeswitchpowersupplyplaysarolethatcannotbereplacedbecauseofitsstructureandlowcost,itcanbethebestchoiceforlowpowersource.Keywords：switchpowersupply;TopologyStructure;Transformer;stabilivolt-.z.目录摘要IABSTRACTII第一章绪论-4-1.1课题的背景以及选题意义-4-1.2本课题的主要研究内容-5-第二章主电路的选择以及原理-6-2.1开关电源的几种根本的拓扑构造-6-2.1.1Buck电路-6-2.1.2Boost电路-7-2.1.3Buck-boost电路-8-2.2主电路拓扑构造的选择-9-2.2.1电路拓扑构造选择要注意的问题-9-2.2.2根本拓扑构造的比照-9-2.2.3主电路拓扑构造的选择-10-2.3单端反激电路-11-2.3.1单端反激电路的根本原理-11-2.3.2单端反激电路的工作波形图-12-2.4本章小结-12-第三章控制电路的选择及原理-13-3.1控制电路-13-3.1.1电压型集成控制电路-13-3.1.1电流型集成控制电路-14-3.2UC3843的原理及参数-15-3.3UC3843工作描述-17-3.4本章小结-19-第四章DC-DC开关电源整体设计-20-4.1DC-DC开关电源的框图设计-20-4.2DC-DC开关电源中主要元器件-21-4.2.1功率开关晶体管-21-4.2.2光电耦合器-23-4.2.3TL431-25-4.2.4变压器-25-4.3本章小结-26-第五章Protel电路仿真-27-5.1Protel软件-27-5.2电路原理图-27-5.3PCB幅员-28-5.4本章小结-28-第六章电路板的调节-29-6.1工作状态波形图-29-6.2本章小结-32-第七章电路板的焊接-33-6.1电路板焊接方法-33-6.2电路板焊接考前须知-33-6.3本章小节-34-第八章总结-35-参考文献-36-致谢-37-附录电路图-38-第一章绪论1.1课题的背景以及选题意义开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的构造简单。其中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压，通过反应电路对稳压调整管的基极电流进展负反应控制。这样，当输入电压发生变化，或负载变化引起电源的输出电压变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改良，开关频率才得以提高。20世纪60年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT、GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率到达10KHZ左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在20世纪70年代，新型电力电子器件的开展给开关电源的开展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHZ。随着电力电子技术的开展，工作在高频的开关电源己经广泛应用于电气和电子设备的各个领域。开关电源设计的目的是通过能量处理将输入能量变化为所需要的能量输出，通常的形式是产生一个符合要求的输出电压，这个输出电压的值不能受输入电压或者负载电流的影响。开关电源分为，隔离与非隔离两种形式，在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式，隔离电源按照构造形式不同，可分为两大类：正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止，变压器储能。原边截止时，副边导通，能量释放到负载的工作状态，一般常规反激式电源单管多，双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载，能量通过变压器直接传递。按规格又可分为常规正激，包括单管正激，双管正激。半桥、桥式电路都属于正激电路。正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为到达最优性价比，可以灵活运用。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态一样。大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。反激式电源因其构造简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦，输出功率超过100瓦就没有优势，实现起来有难度。本次设计是为一款为芯片供电的小功率电源，输出只有几瓦，所以选择反激式开关电源。1.2本课题的主要研究内容1、主要内容：开关电源是通过控制开关晶体管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的开展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%一90%，比普通线性稳压电源效率提高近一倍。本文从根底的开关电源电路入手，进展分析和比拟，最后选择了用反激的方式设计一款体积小、本钱低，降压效果好：输出电压稳定、可调节性强的直流降压开关电源。2、根本要求：1．输入直流24V；2．输出+15V1A;－15V0.5A；3．电压纹波小于0.1V。3、设计内容：1．开关电源主电路设计；2.开关电源控制电路设计；3．用Protel绘制电路原理图，并制作PCB；4．开关电源组装、调试。4、论文体系与构造如下：第二章介绍了开关电源的根本的拓扑构造以及工作原理，并进展了适合本次设计的拓扑构造的选择。第三章主要介绍了控制电路芯片UC3843的工作原理以及电压反应回路的设计。第四章主要进展了反激式开关电源整体的的设计，包括电路组成和子电路的设计。第五章主要利用Protel绘制电路原理图以及PCB幅员。第六章主要制造电路板以及解决电路板制作中的困难。第七章主要总结以前的工作。第二章主电路的选择以及原理开关电源的拓扑构造很多，但是最根本的电路就是boost，buck以及buck-boost电路，本章大概的讲述了几种根本的电路和拓扑构造并将其进展的比拟，从中选择了适合本次设计的反激式拓扑构造。2.1开关电源的几种根本的拓扑构造2.1.1Buck电路图2-1Buck电路1.Buck电路的工作原理[1]:Buck电路〔图2-1〕即为降压斩波电路。控制脉冲使Q导通之后，C开场充电，输出电压加到负载R两端，在C充电过程中，电感L内的电流逐渐增加，储存的磁场能量也逐渐增加。此时续流二极管D因反向偏置而截止。经过Ton时间以后，控制信号使Q截止，L中的电流减小，L中储存的磁场能量便通过续流二极管D传递给负载。当负载电压低于电容C两端的电压时，C便向负载放电。经过时间Toff后，控制脉冲又使Q导通，上述过程重复发生。输出电压〔为输入电压；q为占空比〕〔2-1〕2.Buck电路的特点Buck电路是正激型类变换器最根本的拓扑构造。由于电路中没有变压器，所以输入和输出之间没有隔离；因为占空比D＜1,所以Buck电路只能实现降压，所以在任何时候，输出电压只能比输入电压低；Buck电路仅有一路输出，如果需要多路输出需要加后继调节器；Buck电路即可以工作于电流连续状态，又可以工作于电流总是断续的；电路输出纹波较小，效率高，输入与输出电压差大，但是动态响应差；Buck电路简单，所以本钱比拟低，体积小。2.1.2Boost电路图2-2Boost电路1.Boost电路的工作原理[2]Boost电路〔图2-2〕即为升压斩波电路，当Q导通时，能量从输入电源流入，并储存于电感L中，由于Q导通期间正向饱和管压降很小，所以这时二极管D反偏截止导通，负载由滤波电容C供应能量，将C中储存的电能释放给负载R。当Q截止时，电感L中电流不能突变，它所产生的感应电势阻止电流减小，感应电势的极性为右正左负，二极管D导通，电感中储存的能量经二极管D，流入电容C，并供应负载R。输出电压〔为输入电压；q为占空比〕〔2-2〕2.Boost电路的特点：Boost电路是反激类变换器电路最根本的拓扑构造。Boost与Buck一样，电路中没有变压器，所以电路中没有隔离；Boost电路的输出电压高于输入电压，能够起到升压作用；电感电流有连续和断续两种工作模式，大功率场合常采用连续模式，小功率场合常一般采用断续模式；由于电感串联在输入电路中，所以输入纹波很小，但是输出纹波大，尤其工作在断续模式下纹波更大。Boost电路的转换效率比拟低，所以电源电压的利用率比拟低，输出的功率较小。2.1.3Buck-boost电路图2-3Buck-boost电路1.Buck-boost电路的工作原理[3]Buck-boost电路〔图2-3〕即为升降压斩波电路，当开关管Q导通时，输入直流电压V全部加于储能电感L的两端，感应电势的极性为上正下负，二极管D反向偏置截止，储能电感L将电能变换成磁能储存起来。电流从电源的正端经Q及L流回电源的负端。经过Ton时间以后，开关管Q截止时，储能电感L自感电势的极性变为上负下正，二极管D正向偏置而导通，储能电感L所存储的磁能通过D向负载R释放，并同时向滤波电容C充电。经过时间Toff后，控制脉冲又使Q导通，D截止，L储能，已充电的C向负载RL放电，从而保证了向负载的供电。此后，又重复上述过程。由上述讨论可知，这种升降压斩波电路输出直流电压的极性和输入直流电压升降压斩波电路的极性是相反的，故也称为反相式直流交换器。输出电压〔为输入电压；q为占空比〕〔2-3〕2.Buck-boost电路特点Buck-boost电路输出可以高于或低于输入电压，Buck电路输出电流纹波小，Boost输入电流纹波小，但是Buck-boost电路输入和输出电流纹波都很大。与一样功率的Buck电路、Boost电路比拟，功率器件的峰值电压为输入电压和输出电压之和，所以对于功率器件的要求较高。2.2主电路拓扑构造的选择2.2.1电路拓扑构造选择要注意的问题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，如果是，就可能要用变压器。计算适宜的占空比，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，这样做的结果比拟理想。4〕是否需要隔离：考虑电压的上下，如果需要隔离就需要变压器。5〕本钱上下：对离线式电源来说，也可以用IGBT，否则就考虑MOSTET6〕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。7〕是否能够同步整流：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8〕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】2.2.2根本拓扑构造的比照Buck电路存在着很多限制，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展降压变换，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，buck电路就不能使用；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*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Boost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，则Boost变换器只需要处理只有一个绕组的电感即可。正激式电路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，所以单端正激式电路不能工作在空载状态，因为无穷大的电感是不现实的。正激式电路的变压器不能存储能量，因此不像反激式电路那样有功率上的限制，电路只有一个电感，用来平滑输出电容上的电流，正激式电路可以做到500W甚至更大，这对MOSFET的要求比拟高。反激式电路，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。反激式电路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，而且反激式电路最常见的工作模式是电流断续模式。2.2.3主电路拓扑构造的选择我所设计的开关电源的输入24V直流电，而输出是+15V1A；－15V0.5A，功率非常小。因为Buck电路和Boost电路是不用变压器的，是非隔离式的，只能单方面的升压或降压，且不能多路输出，所以不考虑Buck电路Boost电路。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，本钱较高。目前，控制电路我准备采用UC3843芯片，反激式的输出功率是几瓦到几百瓦，正好符合输出的要求。2.3单端反激电路2.3.1单端反激电路的根本原理图2-5单端反激电路工作原理：[5]单端反激电路〔图2-5〕，当开关管Q导通时,电流从电源正极流出经过变压器原边，开关管Q流回电源负极，由于同名端，此时变压器副边上负下正，二极管D截止导通，所以变压器原边电感储能。当开关管Q关断时，原边变为上负下正，副边上正下负，二极管D导通，电流从副边正极流出经过二极管D，电感L，负载流回副边负极，同时给电容充电。反激电路可以工作在电流连续模式和电流断续模式两种模式：[6]如果当S导通时，原边绕组中的电流尚未下降到0，则称电路工作与电流连续模式。如果当S导通时，原边绕组中的电流下降到0，则称电路工作与电流断续模式。当电路工作与电流连续模式的时候〔2-4〕2.3.2单端反激电路的工作波形图QVqQVqVcI原I副图2-6单端反激电路工作波形图图2-6是单端反激电路中主要元器件的工作波形图，其中Q为开关管的功率信号；Vq为开关管两端的工作电压，在开关管关断那一瞬间，开关管的会承受一个尖峰电压△V；Vc为电容两端的电压；I原是变压器原边电流；I副是变压器副边电流。2.4本章小结开关电源有多种拓扑构造，常用的是上面所提到的几种，每一种拓扑构造都要自己的优势和缺点，所以只有仔细分析各种拓扑构造，才能决定自己的设计选择哪种才是最优设计。通过对各种拓扑电路的分析，结和一些其他因素，选择适宜的拓扑构造。第三章控制电路的选择及原理3.1控制电路开关电源的控制电路包括误差放大器，基准，PWM发生电路，频率输出，输出采样电路和相关保护电路等，将这些功能集成在一块控制芯片中。控制芯片有两类控制方式，即电压性控制和电流型控制。电压型控制芯片中用内部的锯齿波与误差放大器输出比拟，产生PWM信号；而电流型控制芯片内部没有锯齿破信号，利用采集功率管电流的锯齿波与误差放大器比拟产生PWM信号，其他局部根本一样。随着电网对接入设备功率要求的提出，接入电网的开关电源必须带有功率因数的校正网络，各种PFC校正芯片得到推广和应用，应运而生的事PFC功率因数校正和PWM脉宽调制器复合集成在同一芯片中。随着开关电源的高频化，软开关技术得到长足开展，各种谐振控制芯片纷纷面世，例如大功率开关电源3.1.1电压型集成控制电路图3-1电压型模式控制方框图如图3-1所示电压型模式控制方框图，变换器的占空比只响应输出负载电压的变化，必须等到负载电压调整后才能响应，需要等待一个或多个工作周期。早期的开关电源都采用这种电压型脉宽调制方式，即PWM控制方式。典型的国产典雅型控制电路有*3524,*3525和TL494等。3.1.1电流型集成控制电路在开关电源中，功率级都是直流输入，因此电流电感是锯齿波，将这个锯齿波与误差电压比拟，也能用来作为占空比调节。因此要稳定输出电压，还要电压采样，所以是双环。内环是电流环，外环是电压环。图3-2电压和电流双闭环控制构造如图3-2所示是双闭环控制框图，把变换器分成两个环路控制，电流控制环的电流取自功率开关或滤波电感中的电流，外环为电压控制环，取自于输出电压。因此在每个开关脉冲周期中不仅可以相应负载电压变化，而且可以相应负载电流变化。其主要特点是：电压环控制环路的电压设置阈值，而在电压阈值内电流内环调整开关或初级电路中的峰值电流。输出电流正比于功率开关或滤波电感中的电流，因此整个电路还具有限流作用，电流控制模式比电压控制模式更具有优越的电网调整率和负载调整率。PWM脉宽调制型开关电源只对输出电压进展采样，属于电压型控制的单环控制；而电流型控制是在电压型控制的根底上增加了电流内环的双坏控制，使得电源的电网调整率和负载调整率及瞬态响应特性都有所提高，且电路比拟简单。如图3-3所示是电流控制型电源的原理图，采样电阻R上的波形实际上是变压器原边绕组中〔也是功率管发射极〕的电流波形，是三角波，作为PWM比拟器的电流给定，限定了功率管中的电流。误差放大器的两个输入分别是基准信号和输出电压反应信号，由此决定了输出电压的大小。常用的电流型脉宽调制器芯片有国产的CW*842/3/4/5系列，以及美国Unitrode公司生产的UC*842/3/4/5系列产品。根据本次设计要求，我选用的是UC3843作为本电路中的控制芯片。图3-3电流控制型电源的原理图3.2UC3843的原理及参数UC3843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。1.UC3843封装图如图3-1是UC3843的两种封装构造即8脚和14脚，本次设计主要采用8脚的封装构造。图3-1UC3843封装图2.UC3843主要特点：内含欠电压锁定电路，低起动电流〔典型值为0.12mA〕，稳定的内部基准电压源，大电流推挽输出〔驱动电流达1A〕，工作频率可到500kHz，自动负反应补偿电路，双脉冲抑制，较强的负载响应特性。3.UC3843

内部工作原理简介：

图3-2示出了UC3842内部框图和引脚图，UC3843采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各引脚功能如下：①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脚是反应电压输入端，此引脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进展比拟，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，

当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定。⑤脚为公共地；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns，驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V

基准电压输出端，有50mA

的负载能力。

图3-2UC3842

内部原理框图3.3UC3843工作描述UC3842A，UC3843A系列是专门设汁用于出线和直流—直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供使用最少外部元件的高性能价格比的解决方案。〔1〕振荡器振荡器频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由5.0V的参考电压通过电阻RT充电，充到约为2.8V，再由一个内部的电流缩放至1.2V。在CT放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持"或非〞门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生丁一个数量可控的输出静区时间。注意尽管许多的Rt和Ct值都可以产生一样的振荡器频率，但只有一种组合可以得到在给定频率下的特定输出静区时间。振荡器门限是温度补偿的，放电电流在T=25℃被微调并确保在±10％之内，这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定至外部系统时钟上。这可通过将时钟信号加到所示的电路来完成。为了可靠的锁定，振荡器自振频率设为比钟频率低10％左右。通过修整时钟波形，可以实现准确输出占空比箝位。〔2〕误差放大器提供一个有可反相输入和输出的全补偿误差放大器。此放大器具90dB的典型直流电压增益和具有57度相位余量的1.OMHz的增益为1带宽。同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为2.0uA，它将引起输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。误差放大器输出(管脚1)用于外部回路补偿。输出电压因两个二极管压降而失调(≈1．4V)并在连接至电流取样比拟器的反相输入之前被三分，这将在管脚l处于其最低状态时(Vol)，保证在输出(管脚6)不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载被取消时，或者在软启动过程的开场。最小误差放大器反应电阻受限于放大器的拉电流(O．5mA)和到达比拟器的1．0V箝位电子所需的输出电压(VoH)：〔3-1〕

〔3〕电流取样比拟器和脉宽调制锁存器UC3842A，UC3843A作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出／补偿(管脚1)建立的门限电平时中止。这样在逐周的根底上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比拟器—脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成电压。此电压由电流取洋输入(管脚3)监视并与来自误差放大器的输出电平相比拟。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，其中：(3-2)当电源输出过载或者如果输出电压取样丧失时，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比拟器门限将被内部箝位至1．0V。因此最大峰值开关电流为：(3-3)当设计一个大功串开关稳压揣时为了保持Rs的功耗在—个合理的水平上希望降低内部钳位电压，调节此电压的简单方法如所示。使用丁两个外部二极管来补偿内部二极管，以便在温度范田内有固定箝位电压。如果Ipk(ma*)箝位电压降低过多将导致由于噪声拾取而产生的不误操作。通常正电流波形的前沿可以观察到一个窄尖脉冲，当输出负载较轻时，它可能会引起电源不稳定。这个尖脉冲的产生是由于电源变压器匝间电容和输出整流管恢复时间造成的。在电流取样输入端增加一个RC滤波器，使它的时间常数接近尖脉冲的持续时间，通常将消除不稳定性。〔4〕欠压锁定采用两个欠压锁定比拟器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端(QUOTE错误！未找到引用源。和参考输出(QUOTE错误！未找到引用源。)各由别离的比拟器监视。每个都具有内部的滞后，以防止在通过它们各自的门限时产生错误输出动作。QUOTE错误！未找到引用源。比拟器上下门限分别为：UC*842A16V／10V，UC*843A8.4V／7.6V。QUOTE错误！未找到引用源。比拟器上下门限为3.6V／3.4V。大滞后和小启动电流使得UC*842A特别适合于需要有效的自举启动技术的离线变换器应用中。UC*843A准备应用于更低电压直流到直流变换器中。一个36V的齐纳二极管作为一个并联稳压管，从QUOTE错误！未找到引用源。连接至地。它的作用是保护集成电路免受系统启动期间产生的过高电压的破坏。最小工作电爪：UC*842A为11V，UC*843A为8.2V。输出这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来自接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达±1.0a的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升、下降时间，还附加一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效。3.4本章小结本章主要介绍了控制电路的原理，电压型集成控制电路和电流型集成控制电路。在控制电路的选择上针对本次设计我选用的是电流和电压双闭环控制构造，所以在选取芯片时我选取了UC3843作为本次设计的控制芯片，并介绍了UC3843的封装，管脚图，以及内部工作原理第四章DC-DC开关电源整体设计任何一种开关电源的设计都要先从整体上了解和熟悉开关电源的根本组成以及各局部的作用原理。其主电路主要包括：输入整流滤波电路，开关元件，变压器，输出滤波电路，控制电路等。4.1DC-DC开关电源的框图设计开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器〔EMI〕、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。1.整流电路整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。2.滤波器滤波器由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比拟平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器出直流电压的幅值也将随之而变化，在要求比拟高的电子设备中，这种情况是不符合要求的。3.隔离变压器电网提供的交流电一般为220V〔或380V〕。而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不一样。因此，常常需要将近电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。4.PWM控制器PWM控制器是对逆变电路开关器件的通断进展控制,使输出一系列幅值相等而脉宽不相等的脉冲,用这些脉冲代替正弦波或所需的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进展调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。采用PWM的逆变电路可同时解决改善电压和波形的双重任务。本次设计主要采用单端反激式开关电源的拓扑构造，在设计根本框图时反激式开关电源的组成也和一般的开关电源电路类似，图4-1就是隔离反激式开关电源的根本框图。图4-1隔离反激式开关电源的方框图本课题的设计思路：因为本次设计输入是24V直流，所以不存在整流滤波电路；输出要求是+15V1A、－15V0.5A，所以要做两路输出；因为输出纹波要求是0.1V，所以为了防止电路板中的干扰电压反应取回时采用光电耦合器进展隔离，以及在输出电路中采用LC电路进展较小纹波。-15V输出光电耦合器UC384324V直流输入MOSFET变压器+15V输出图4-2是针对本次课题研究内容设计的整体电路的框图。-15V输出光电耦合器UC384324V直流输入MOSFET变压器+15V输出电流反应电压反应图4-2本次课题的框图设计4.2DC-DC开关电源中主要元器件4.2.1功率开关晶体管功率开关晶体管也称GTR〔GiantTransistor〕，有功率双极型晶体管〔BJT〕、MOSFET和IGBT等。开关电源中主要关心功率管的导通电阻〔或压降〕、开关速度和击穿电压。功率开关晶体管的导通压降和开关速度都是由功率开关晶体管的构造尺寸决定的，并与其电压定额有关，电压定额越高，导通压降越大，开关时间越长。由于电流和电压上升速率收到寄生参数限制，大电流和高电压定额GTR开关速度低，大功率变换器使用高压大电流器件，限制变换器的工作频率。1.双极型晶体管功率双极型晶体管〔BipolarJunctionTransistor,BJT〕是硅功率开关晶体管，有NPN和PNP两种构造。按照半导体理论，PNP构造是带正电和空穴导电为主，NPN是带负电和电子导为主。空穴比电子流动困难，因此NPN的构造晶体管比PNP具有更快的开关速度和更低的导通压降，这就是广泛应用NPN晶体管的原因。2.金属氧化物场效应晶体管MOSFET场效应〔FET〕晶体管有结型JFET〔JunctionFET〕和MOSFET〔MetalO*ideSemiconductorFET〕。常用的场效应功率管一般是MOSFET，而MOSFET有P沟道和N沟道两种。较大功率一般不用P沟道，P沟道与N沟道一样电流和电压定额的器件导通电阻比N沟道大，同时开关速度也比N沟道低。3.IGBTIGBT是大功率晶体管GTR与MOSFET组成达林顿构造，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。功率开关管的选择：综合三种功率开关晶体管的性能以及价格，我选取了MOSFET作为本次电路中的功率器件。然而在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下面的公式进展计算：〔4-1〕公式中，Vin是输入的直流电压，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+截止时间)之比。为了限制晶体管的集电极平安电压，工作占空比应保持在相对地低一些，一般要低于50％，即。在实际设计时，一般取0.4左右，这样它就限制了集电极峰值电压。因为输入电压=24V，=0.4代入公式4-1计算出尖峰电压：第二个设计准则是必须满足晶体管在导通时的集电极电流的需求。(4-2)公式中，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极峰值工作电流的公式，变压器绕组传递的能量可用下式表示：(4-3)公式中，QUOTE错误！未找到引用源。是变压器的效率。由输出功率和输入电压表达的晶体管工作电流的公式为：(4-4)假定变压器的效率QUOTE错误！未找到引用源。是0.8，最大工作占空比入QUOTE错误！未找到引用源。＝0.4(4-5)由4-6式可以计算得出IC的大小，如下：结合以上两个选择晶体管的原则，选定MOSFET管时要满足的尖峰电压是40V，尖峰电流是4.0A。最终选定IRFR120N，它的耐压值是100V，耐流值是9.4A。4.2.2光电耦合器光电偶合器〔OpticalCoupling,OC〕一般被广泛的用来作为传输信号对电路的隔离，可以是直流信号或高频脉冲信号。它是由发光二极管〔LED〕与光敏晶体管组合而成的，利用光电效应传输信号。它是磁元件以外又个提供输入和输出隔离传输信号器件，它比磁性元器件小而且价廉，常用于需要隔离的小信号输出。如图4-3所示，是常用的三极管型光电耦合器,当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。CEKACEKA图4-3光电耦合器根本工作特性〔以光敏三极管为例〕1.共模抑制比很高在光电耦合器内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小〔2pF以内〕所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。2.输出特性光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流ID下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当ID=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当ID>0时，在一定的ID作用下，所对应的IC根本上与VCE无关。IC与ID之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。3、光电耦合器可作为线性耦合器使用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同构造的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。线性光耦用在开关电源的采样和反应中十分有用。综合以上所讲，本电路中的光耦主要为了隔离反应电压与输出电压，同时也减少了输出电压对反应电压的影响，采样回的反应信号更加的准确，不会有太大的浮动。我选取的是OPTOISO1作为本电路中的光耦来使用。4.2.3TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref〔2.5V〕到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。特点：可编程输出电压为36V；电压参考误差：±0.4％，典型值25℃〔TL431B〕；低动态输出阻抗，典型0.22Ω

；负载电流能力1.0mA-100mA；等效全范围；温度系数50ppm/℃典型；温度补偿操作全额定工作温度范围；低输出噪声电压。图4-4TL431贴片封装如图4-4所示，本次电路设计采用的是TL431贴片封装，主要作用是代替齐纳二极管，在电路中起到稳压的作用。4.2.4变压器变压器的设计对于开关电源的设计十分重要，是整个设计中非常关键的一局部。下文主要进展变压器的设计输入电压；输出电流；工作频率;占空比；=24V、=15V，匝比N=1.6。根据以上条件，可以得出工作周期，；铁芯的选取：铁氧体，横截面积；根据[7](4-6)其中=24V，磁感应强度选取,,,在国际单位下计算，则K=1,由以上参数计算出=15.36；取=15，则=10。取电流密度，漆包线直径；副边：,则副边所占面积；则每匝所用导线根数。原边：,则原边所占面积；则每匝所用导线根数。综上：本电路中选取的变压器原边为15砸每砸所用导线根数为4根，副边为10砸每砸所用导线根数为2。4.3本章小结本章主要阐述了本次设计电路的主要框架图，以及内部设计的一些主要元器件的工作原理以及封装的选择。合理选取各个元器件的工作参数才能合理利用电路中的能量。第五章Protel电路仿真5.1Protel软件Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel99SE由两大局部组成：电路原理图设计〔AdvancedSchematic〕和多层印刷电路板设计〔AdvancedPCB〕。其中AdvancedSchematic由两局部组成：电路图编辑器〔Schematic〕和元件库编辑器〔SchematicLibrary〕。5.2电路原理图图5-1电路原理图5.3PCB幅员图5-2PCB板图5.4本章小结本章主要是通过Protel99SE对制作电路原理图以及PCB板图。在电路原理图中可以检测出电路中的一些问题，确定了电路原理图中各个元器件封装后，可以生成PCB板图，并合理摆放PCB板图中的元件以及布线。第六章电路板的调节6.1工作状态波形图如图6-1是本次电路设计开环调节的电路图图6-1开环调节电路图图6-2到图6-4是通过示波器采集的电路中主要元器件以及变压器的工作波形图图6-2驱动波形图6-3开关管两端电压波形图6-4变压器原边波形因为本次电路设计要求输出纹波很小，也就是尽量的减少输入对输出的影响，所以设计另一副边，利用稳压二极管稳定一个15V的电压，来牵制输出电压。下面我采集了输出电压从5V-12V变压器副边的工作状态。图6-55V输入副边波形图6-66V输入副边波形图6-77V输入副边波形图6-88V输入副边波形图6-99V输入副边波形图6-1010V输入副边波形图6-1111V输入副边波形图6-1212V输入副边波形由上图可以知道，当电压低于7V的时候副边输出达不到15V，由于原边电感储能太少，电压到达7V之后，继续增加电压至11V，输出波形很稳，根本稳在15V，当大于11V之后，波形波动很大，由于副边电感承受不了则大的能量。6.2本章小结本章主要针对本次设计的开环进展调节，采