反激式开关电源课程设计

目录TOC\o"1-1"\h\z\u\h第一章课程设计的目的2第二章课程设计的要求2第三章主电路原理 4\h第四章变压器的设计 9\h第五章器件选型 15\h第六章仿真及结果 20总电路图28心得体会29参考文献30第一章、课程设计的目的通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的：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。培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。培养学生运用仿真工具的能力和方法。提高学生课程设计报告撰写水平。第二章、课程设计的要求1.题目题目：反激型开关电源电路设计注意事项：①学生也可以选择规定题目方向外的其它开关电源电路设计。②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资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。设计装置（或电路）的主要技术数据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开关稳压电源基本原理框图主要技术数据交流输入电压AC95~270V；直流输出5V，1A；输出纹波电压≤0.2V；输入电压在95~270V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。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，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能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。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、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，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页第三章主电路原理电源设计指标：输入电压：AC380V；输入电压变动范围：304～456V；输入频率：50kHz；输出电压：5V24V；输出电流：1A0.05A输出的纹波电压为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反激型电路存在电流连续和电流断续两种工作模式，值得注意的是，反激型电路工作于电流连续模式时，其变压器磁芯的利用率会显著下降，因此实际使用中，通常避免该电路工作于电流连续模式。其电路原理图如图3.1： i i2-S-SVDiU1W2WU+-+0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/dtU/W，而副边由于二极管VD的作用，i为0，变压器磁心磁感应1 s 1 2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/dtU/W，此时原边由于开关管的关断，电流为0，变压器磁心磁感2 o 2应强度减小，变压器放能。二EMI滤波电路开关电源以其效率高、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。开关电源工作时，电磁干扰可分为两大类：共模干扰是载流体与大地之间的干扰，干扰大小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间，主要是由du/dt产生的，di/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:CaCaCbCbCaCaCbCbL1L2三整流滤波电路在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，其整流电路就是如图3.3所示的单相不可控整流电路:VD1VD3VD1VD3VD4VD2CU2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。Uo2Ui式中Ui—整流前输入电压Ui=380VUo—整流后输出电压Uo2Ui2380537.4V由于滤波过程的其他原因取Ui=310V二极管承受的压降为2380537.4V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、5VC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3.4UC3842的内部结构5V基准电源：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。振荡器：产生方波振荡。T接在④、REF⑧脚之间，RVCT接④、GND⑤之间。频率f=1.8/(CTRT),最大为500kHz。误差放大器：由VFB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。输出电路：图腾柱输出结构，电路1A，驱动MOS管及双极型晶体管。电流取样比较器：③脚ISENSE用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样，VISENSE>1V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16V，关闭阈值10V，欠压锁定电路VVLO：具有滞回特性。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。另外，VCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。图腾柱输出电路(TotemPole)：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图3.5图3.5电压反馈电路原理图电压反馈电路如图3.5所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的①脚，调节R、R的分压比可设定和调节输出电 1 2压，达到较高的稳压精度。如果输出电压U升高，则集成稳压器TL431的o阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即UC3842①脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压U减小。o同样,如果输出电压U减小，则可通过反馈调节使之升高。第四章变压器的设计一、已知参数设计变压器已知参数:输入电压Uin=537V两路输出电压和电流：U=5V，I=1A;U=24V，I=50mAo1 o1 o2 o2反馈电压和电流U=20V，I=50mAf f输出功率Po51240.05200.057.2W效率η=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： U U ksmax imax T Uo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，U 是输入直流电压最大值，k是变压器imax T电压比。由设计要求可知AC输入值是380V，通过整流滤波输出537V的直流电压。由于有波动，输入的波动是±20%，所以U 53710.2644V。Uimax smax取2倍的U ，故U 取1288V。 imax smax由于有两路输出和一路反馈，所以变压器变比如下：U U 1288644ksmax imax 128.8T1 U 5o1U U 1288644ksmax imax26.8T2 U 24o2U U 1288644ksmax imax32.2T3 U 20o3式中：U—5V的输出，U—24V的输出，U—20V的反馈o1 o2 o3k—原边与输出5V的匝数比。T1k—原边与输出24V的匝数比。T2k—原边与反馈20V的匝数比。T3当输出电流最大、输入直流电压为最小值时开关的占空比达到最大，假设这时反激型电路刚好处于电流连续工作模式，则根据下式可以计算出电路工作时的最大占空比D为max kU 1288644DTo0.6maxkUU128864438020.8T o imin取实际占空比为D0.45，计算k的值，如下：T DU 0.45537k i78.5T11DU0.610.4550.6o1 DU 0.45537k i17.9T21DU0.610.45240.6o2 DU 0.45537k i 21.3T31DU0.610.45200.6o3初级平均电流I可由假定效率，所需输出总功率avP5240.05200.0及最小总线电压5 U 算出。o imin P 7.2IavUo 0.90.80.016Aimin一次侧峰值电流 2 2II0.0160.053ApavD 0.6max计算一次侧电感值 DU 0.6Lmax imax145.8mH1 fI 30.053sp可由AA法求出所需铁芯：ewLI1041.14ApAeAw1Bmaxpkcdc式中A—磁芯窗口面积，单位为cm2w—磁芯截面积单位为cm2e—磁芯工作磁感应强度，取B=0.3T max maxk—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c0.2～0.4，此处取0.4。电流密度，一般取395A/cm2c求得的AA的值为：wLI1041.141030.0531041.14ApAeAw1Bmaxpkcdc 0.31.41cm4选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯，这样磁芯的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A0.36cm2,A4.03cm2,A1.45cm4e w p U 104 644104按如下公式计算原边匝数，Nimax 298.1 14fBA 4501030.30.36smaxe即取N298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， T1 T2 T3 N 298N1 3.8o1k 78.5T1 N 298N116.6o2k17.9T2 N 298N1 14o3k 21.3T3N—输出为5V的二次侧匝数，取4o1N—输出为12V的二次侧匝数，取17o2N—反馈为20V的二次侧匝数，取14o3为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：4107LI241070.14580.0532l pp 0.513mmg AB2 0.361042e m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I0.053A,由d=3.95A/mm2可得绕线的截面积为in c I 0.053Sin0.0134mm2ind 3.95c第一路输出绕组电流I=1A.可得出O1 I 1So1 0.254mm2o1d 3.95c第二路输出绕组电流I=0.05A,o2 I 0.05So2 0.0127mm2o2d 3.95c第二路反馈绕组电流I=0.05Ao3 I 0.05So3 0.0127mm2o3d 3.95c表1AWG导线规格表AAWG裸线截面积圆密耳电阻重量cm2*10-3cir-mil10-6omhs/cmgm/cm214.116812.3418.90.03757223.243640.1531.40.029652232.588510.86660.02372242.047404842.10.01884251.623320.310620.01498261.28252.613450.01185271.021201.51687.60.00945280.8046158.82142.70.00747290.647127.72664.30.00602300.50671003402.20.00472310.401379.24294.60.00372320.324263.995314.90.00305330.255450.416748.60.00241340.201139.698572.80.001893350.158931.36108490.0015360.126624.98136080.00119370.102620.25168010.000977380.0810716212660.000773390.0620712.25277750.000593400.048699.61354000.000464410.039727.839434050.000379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。考虑各方面影响因素，变压器绕制工艺如下，采用“三明治”式绕法，即初级绕组先绕一半，再绕次级绕组，绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完，最后将次级绕组包裹在里面，这样漏感最小。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，反激变压器采用次级绕组反向绕制，有如下好处：1.操作工艺相对简单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。第五章器件选型一、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,适当增加电感量,可改善低频衰减特性。Ca采用薄膜电容器,容量范围大致是0.01μF～0.47μF,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2200pF～0.1μF。为减小漏电流,电容量不得超过0.1μF,并且电容器中点应与大地接通。C1～C4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Ca0.1F共模干扰抑制电感T=20mH共模干扰抑制电容Cb0.1F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。U2U2380537.4V02试中U整流电路输入侧电压2U整流输出直流电压0考虑10%余量取U645V0选取整流二极管由上式知二极管承受的管压降为2380537.4V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U645V0输出电压：U 5VOUT1U 24VOUT2输出总功率为:P51240.05200.057.2Wo效率：0.9D0.45开关频率：f50kHzs线路主开关管的耐压U UUN1Umos s iN2 0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：L1121212C4C5V12（1）计算输出滤波电容：由课设的要求输出纹波电压≤0.2V，即输出纹波电压的峰峰V 30mV，可根据输出误差估算出：PP I I(10.03)11.031.03A OUT1(max) 0 I T 1.03A0.011ms COUT1(max)off 57μF 4 V 0.2Vpp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：CIOUT1(max)Toff1.03A0.011ms57μF 5 V 0.2Vpp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T510X337MO10AS330（2）计算输出滤波电感L1参考导磁率与直流偏置曲线。在可能的直流偏置下所选的磁导率不能过低。这里选择磁场强度为400E时，相对磁导率大于60的磁芯： Hl 400E15cm N 47.7 0.4I 0.43.141A0取整则N=48匝（3）选择二极管V输出整流二极管耐压为V2V 25V10V R OUTII 1AR OUT1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 I T 0.05A0.011msC'(C')OUT1(max)off2.8μF4 5 V 0.2Vpp Hl 4000.15N 955匝0.4I0.43.140.050输出整流二极管耐压为V2V 224V48VR OUT选取IN4001型二极管四反馈电路1．基准本设计基准电压用的是德州公司的TL431，其管脚极外形见图所示，参数如下：a.最大输入电压为37Vb.最大工作电流150mAc.内基准电压为2.5Vd.输出电压范围为2.5~30V满足电路要求R1、R2都取1.5kΩ，在TL431的K极的到一个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.光耦合电流放大系数传输比（CTR）：通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，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/IF×100%在此选用摩托罗拉系列光耦合器4N25,A，其CTR=20％，直流输入电流IF=10mA，于是202.50.7R1680 3 10103五、控制电路振荡器的振荡频率由外接的电阻R和电容C决定，而外接电容同时还 T T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 T T系如下所示：t300C D T1.8f s RCT T死区时间t20s，开关频率f50kHz， D s求得C37nF，R973。 T T第六章仿真及结果一、EMI滤波电路其仿真电路如下图：KK1K3019PL_3B7COUPLING=-1L1VVOFF=0C10.1C10.1uC20.1uC30.1uC40.1u20mH12L2R11k0V1VFREQ=50 120mH 2 0V6-1EMI0V滤波电路输入交流电压及滤波输出电压波形如下图:0V0VV(L1:2)400VV(L1:2)0VSEL>>-400V400V0V-400V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100msV(C1:2)Time6-2输入输出波形如果输入有高频电压干扰，通过EMI滤波电路其将会被滤掉，结果输出波形仍是50Hz的交流正弦电压波。二、整流电路仿真电路如下图：VOFF=0R1C11000C11000uDbreakD5DbreakD6DbreakD7DbreakD8V1FREQ=50 0 图6-3整流电路交流输入电压波形：-400-400V-200V0V200V400V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100msV(D5:2,V1:-)Time整流后输出直流电压波形：00V200V400V600V 0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100msV(D8:2)Time输入为380的交流电，整流输出U2U2537.4Vd2输出波形符合计算值结果。三反激型电路仿真及结果D3V1TD=0V1TD=0TF=1nsPW=9usPER=20usV1=0TR=1nsV2=5+-+-SbreakS1V2D1N4148D4D1N4148C32200uF12R250DbreakD2KK1COUPLING=1K_LinearL1=L1L2=L2L16162uH12L21uH12C42200uF12L3uH1912004537VdcR3100图6.41010V20V30V0V0s10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100msV(D3:2)Time 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：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。本次仿真暂不使用此引脚，将其直接接地；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，f=1.72/(RT×CT)；波形见上图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；输出高电平为20V的方波，输出波形见图6.7（下图）⑦脚是直流电源供电端，本次仿真采用20V直流电压供电，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。00V10V20VSEL>>V