开关电源启动电路课程设计

16/18目录TOC\o"1-3"\h\u202250引言 1273861开关电源介绍 2279211.1开关电源的主要用途 2131121.2开关电源的主要类型 2205231.3开关电源使用指南 5279151.3.1输出计算 5136821.3.2接地 5206351.3.3保护电路 5280821.3.4接线方法 6101501.4反激式电路工作原理 6284972.UC3842介绍 8317872.1主要特点 873502.2内部原理 8198982.3工作时序 928023电路参数设计 1125443.1启动电路的设计 11129784仿真试验 13107925总结 1514766参考文献 160引言开关电源的输入电路大都采用整流加电容滤波电路。在输入电路合闸瞬间，由于电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流，特别是大功率开关电源，其输入采用较大容量的滤波电容器，其冲击电流可达100A以上。在电源接通瞬间如此大的冲击电流幅值，往往会导致输入熔断器烧断，有时甚至将合闸开关的触点烧坏，轻者也会使空气开关合不上闸，上述原因均会造成开关电源无法正常投入。为此几乎所有的开关电源在其输入电路设置防止冲击电流的软起动电路，以保证开关电源正常而可靠的运行。1开关电源介绍开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。1.1开关电源的主要用途开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。1.2开关电源的主要类型现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。开关电源内部结构如图1-1所示。图1-1开关电源内部结构这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器有双管正激式（DoubleTransistorForwardConverter），双管反激式（DoubleTransistrFlybackConverter）、推挽式（Push-PullConverter）和半桥式（Half-BridgeConverter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（BuckBoost）DC/DC转换器、CukDC/DC转换器、ZetaDC/DC转换器和SEPICDC/DC转换器。在这六种单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-BridgeConverter）。隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可以从负载侧向电源侧传输功率。DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔（Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（HardSwitching）和软开关（SoftSwitching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switchingloss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下，其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1atedGateBipo1artansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter，RC）、准谐振转换器（Qunsi-TesonantConverter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVSPWMConverter）、零电流开关PWM转换器（ZCSPWMConverter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。1.3开关电源使用指南1.3.1输出计算因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：式中：—开关电源的额定输出电流；K—用电设备的最大吸收电流；—裕量系数，一般取1.5～1.8；1.3.2接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000、EN61000、FCC等EMC限制，开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。1.3.3保护电路开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。1.3.4接线方法L：接220v交流火线N：接220v交流零线FG：接大地G：直流输出的地+5v：输出+5V点的端口ADJ：是在一定范围内调输出电压的，开关电源上输出的额定电压本来出厂时是固定的，也就是标称额定输出电压，设置此电位器可以让用户根据实际使用情况在一个较小的范围内调节输出电压，一般情况下是不需要调整它的。1.4反激式电路工作原理开关变换器是指利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种形态的主电路。反激式开关电源是开关变换器的一种，其主电路原理图如图1-1所示。图1-1反激电路原理图由于变压器同名端在一侧，故输出电压上负下正。当驱动信号为高电平时，开关管导通，电压源给原边电感充电，电感电流线性上升，直到开关管关断时刻，原边电流达到最大值。开关管导通期间，由于二极管承受反向电压，副边没有电流通过。当驱动信号为低电平时，开关管关断，副边二极管承受正向电压开始导通，给电容充电，同时电容通过电阻放电。电容电压为上负下正。开关管导通时，原边电流：其中，为原边电流，V为原边电压，为原边电感，为原边初始电流。当开关管关断时，原边电流达到最大值:其中D为占空比，T为开关周期。开关管关断时，储存在变压器原边的能量通过副边负载释放，副边电流线性下降：其中，为副边电流瞬时值，为变压器原边匝数，为变压器副边匝数，为输出电压，为副边电感。2.UC3842介绍2.1主要特点UC3842是一种高性能、单端输出、频率可调的电流型PWM调制器，最大的优点是外接元件少、外围线路简易、价格低，广泛应用于工业产品中的开关电源。UC3842主要特点有：①振荡器的频率控制较精确，可微调；②电流工作模式频率可达500KHz；③自动前馈补偿功能；④闭锁PWM，逐周电流限制；⑤内置参考源，可欠压锁定；⑥大电流图腾柱输出，最大可达1A；⑦带滞后的欠压锁定；⑧启动、工作电流门槛较低。2.2内部原理UC3842内部原理图如图2-1所示图2-1UC3824内部原理图由图示可以看出，UC3842一共有8个引脚，其各个引脚的功能分别为：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脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，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脚为公共地端；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。UC3842内部存在两个控制环路，一个采样电压反馈给误差放大器，跟基准电压2.5V比较产生误差放大电压信号，一个是变压器初级电流在采样电阻Rs上产生的采样电压，与误差放大器的输出电压比较产生调制PWM的脉冲信号，由于误差信号实际控制原边峰值电流的大小，故UC3842为电流型PWM调制器。2.3工作时序UC3842工作时的时序图如图2-2所示。图2-2UC3842工作时序图产生的充放电波形经过振荡器整形后变成方波信号，充电时振荡器输出低电平，放电时为高电平。在充电过程中，RS触发器置位脚S=“0”，若采样电阻Rs上的电压低于输出绕组反馈补偿输出电压(经过误差放大器)，使RS触发器复位脚R=“0”，此时输出低电平“0”,UC3842输出高电平Q1导通；当采样电阻电压高于反馈补偿输出电压时，RS触发器复位R=“1”，此时触发器翻转，输出高电平“1”经过或门后，UC3842输出低电平，Q1截止。截止后采样电阻电压低于输出绕组反馈补偿输出电压，RS触发器复位R=“0”，此时触发器处于输出保持状态，Q1仍旧截止。当开始放电时，RS触发器置位脚S=“1”，此时触发器置位，则输出低电平“0”，但是经过或门后，或门输出为“1”，此时Q1仍旧截止。当下一个充电状态开始时，RS触发器置位脚S=“0”，R此时也为“0”，触发器保持输出状态，输出低电平“0”，此时经过或门后，Q1开始导通。通过以上UC3842的正常工作状态的描述，可以看出，电流采样电阻电压和输出绕组反馈电压共同决定了Q1开关状态。3电路参数设计电路参数的设计对于电路能否正常工作至关重要。如果电路参数设计得不合适，电路将不能工作或者工作在故障状态。因此电路参数的设计是任何电路设计的重中之重，也是本文设计的重中之重。本文设计了一个DC-DC式开关电源，其指标如下：输入：85-265V交流电压输出：12V，2A开关频率：50KHz电源效率：70%最大占空比：0.43.1启动电路的设计本文设计了供电绕组给UC3842供电，但是在电路达到稳态以前，供电绕组无法给芯片供电，因此需要设计启动电路。常规的做法是采用阻容串联电路提供启动电压，等到电路达到稳态后，由供电绕组供电。图3-1阻容供电电路由图3-1可知，电源通过r1对电容c2充电，当电容电压到达16V以后，芯片启动。此后由于电阻r1提供的电流不足以使芯片正常工作，电容c2上电压下降到14V，即供电绕组电压，芯片由供电绕组供电。为了使电路正常工作，当电容电压达到16V以后，充电电流必须大于启动电流且小于UC3842的工作电流，即：当电阻不满足上述条件时，芯片可能无法启动或者电容电压持续上升导器件损坏。4仿真试验本文基于上述分析，设计了一个反激式开关电源，并且在开关电源仿真软件saber中搭建了仿真模型进行仿真。Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，其仿真结果更接近实际结果，因此具有较高的可靠性。本文在saber中搭建了仿真模型，验证了设计的正确性。仿真程序总图如图4-1所示。图4-1仿真程序总图输出电压波形如图4-2所示。图4-2输出电压波形输出电流波形如图4-3所示。图4-3输出电流波形从以上波形可以看出，输出电压和电流波形都出现了阶跃，这是因为没有达到启动电压之前芯片没有启动，到达启动电压之后，芯片启动，仿真波形出现阶跃现象。总之仿真波形达到了预设的目标，本文提出的开关电源设计模型完全正确。5总结电源技术经过了迅