单端正激式高频开关电源

单端正激式高频开关电源第1章绪论、态1.1引言二十一世纪以来，相比十九世纪八十年代的线性电源，开关电源飞速发展。由于开关电源的很多性能优于线性电源，且多项指标对设备有较好的影响，因此得到了极大的推广。最初的可调电源是线性系统电源，它通过有源电子器件电阻的导通将输入工作电压降低到预设的一个输出端电压。线性电源频繁的使用于强制风冷这种效率要求不高的系统中，还包括对电子噪音敏感且需要“静音”电源的一些仪器，比如射频接收器。一般来说，线性电源主要应用于输出功率小于10W的场所。与线性电源相比，PWM开关控制电源系统具备一个更高的效率和可操作性，它被广泛运用于许多领域，例如航空、仪器仪表、便携式产品、家用电器、离线式产品等。电源一般用于企业要求高效率、多组电压的场合，其重量比线性电源小得多，因为在相同的输出功率下，开关电源的系统所用的散热器体积要更小，但是这种电源也有一些缺点，成本较高，研发周期较长。即使PWM开关电源已经使用了很长一段时间，但直到上世纪七十年代才被广泛使用。在线性电源中，顾名思义功率晶体管以线性模式工作。功率级和控制级是开关电源主要的俩个重要组成部分，功率级的主要任务是依据不同的工作情形选择不同的拓扑结构，同时兼顾晶体管以考虑设计成本。控制级的主要任务是根据电气开关信号选择合适的控制方式。PWM开关电源有多种的拓扑结构，降压电路、升压电路、正激式电路、反激式电路、推挽式电路、半桥电路和全桥电路等［1］。拓扑的选择要考虑诸多因素，例如，变压器或电感器的一侧施加了多少电压，输入数据输出是否需要变压器隔离，加在开关管上的电压多大等。这种无变压器隔离的拓扑结构可用于分布式电力系统中的车载变流器。这种电源管理系统主要是可以通过直流电压总线向系统进行各个功能模块供电，每个模块都有一个自己的板载电源。一般来说，当输入直流电压低于40V时，开关电源都应该加隔离变压器。随着开关电源的迅速发展，人们对开关电源的要求也逐渐提高。一个基本的开关电源首先要满足性能参数和一些基本的负载要求，其次，高频率、高效率、体积小这是长久以来人们关注的，随着科技发展和技术得提高，特定环境下的开关电源应运而生，这使得开关电源的适用性更强。环保无污染、低电磁干扰、智能化等这些是全球都在关注的，没有电源是万能的，只有在不断改进中来提升开关电源的性能。1.2开关电源的发展及研究现状开关电源起源于20世纪50年代初，NASA以小型化、轻量化为目标研发了运载火箭专用的开关电源。经过半个多世纪的发展，开关电源管理逐渐的取代了传统教育技术企业生产的相控稳压电源，并在我国的一些成套设备中得到了广泛的研究和应用。随着我国集成电路的发展，开关电源逐渐趋于小型化，模块儿化和集成化发展。在过去的二十年中，集成开关电源向着俩个方面发展。第一个发展方向是集成开关电源控制电路。上世纪七十年代，国外首先研制出了脉宽调制的控制器集成电路。紧接着，美国的摩托罗拉、飞兆半导体公司、硅通用半导体公司、Unitorde，以及德国西门子公司、意法半导体公司、荷兰飞利浦半导体公司等公司相继推出了一系列PWM芯［1］。近年来，国外一些公司研制出一系列开关工作频率可以高达1MHZ的PWM、PFM芯片。第二个方向是中小型电源的集成化。1944年,美国电源集成公司最先研发出三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源电压变换器。随后又推出了TOPSwitch、TOPSwitchTI、TOPSwitch-fx、TOPSwitch-gx、PEAKSwitch、LinkSwitch等系列产品［2］。新型设备电源控制装置的发展，推进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT使得中小型开关以及电源的工作频率高达400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC)。软开关信息技术使高频开关作为电源成为可能，它不单单可以降低电源的体积和重量，更是提高了国内开关电源的效率。如今，PWM开关电源已经形成了几十甚至数百种产品，自诞生以来，它便向世界展示出了强大的生命力，作为一种具有很大前景的影响力的新产品，全球都在为研制更高品质的开关电源而努力。20世纪80年代末，中国首次进口澳大利亚制造的高频电子开关控制电源，开关频率为48V/50A和48V/10OAo在吸纳国外先进技术的基础上，大力发展百济开关电源。近年来，通信管理的有关部门和一次通信系统中所采用的电源技术几乎被半桥或全桥电路所取代，一般的PWM集成控制型芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管,其开关工作频率为几十到几千赫兹、效率明显高于90%、功率因数接近1。稳压精度优于0.5%，模块化组合高频开关电源，使电信行业完整的电源技术上了一个新台阶。目前，国内通过自主创新研发的开关电源企业有几百家，已有十多家企业形成了自己的规模。国内开关电源已经占据了国内的大部分市场，中兴等大公司自主研发的一些电源产品得到了普遍认可。总之，开关控制电源是电力企业电子商务发展的必然产物，也是顺应时代发展之必然产物，它的出现带来了信息技术的革新，现在无论在国内还是国外，开关电源的发展已经势不可挡，开关电源在某些程度上取代传统电源也是不可避免的。在电力电子的各种供电系统中，开关电源是核心。对于大型电解电镀电源来说，传统的电路太大太繁琐，如果采用高频开关电源技术，它的体积将大大减小，电源的利用效率也将极大的提高。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源的技术，通过持续改变用电的频率，从而可以实现趋近于理想负载匹配和驱动内部控制。在着眼于考虑体积和重量缩小的同时，绿色也更为重要，这主要有俩方面的含义，一是节能，节能可以减少对环境的污染。第二，电网也不能被污染。1.3主要任务本设计的开关电源是选取Forward电路为主拓扑、选用电流型控制芯片UC3842、以及抗电磁干扰的EMI滤波器、反馈网络和整流滤波电路等模块组成的单端正激式高频开关电源。隔离变压器中磁芯的尺寸、绕组匝数等参数的选择也是设计的重点，本设计拟采用面积乘积法。面积乘积法又叫作AP法，是通过磁芯的截面积和窗口面积的乘积来确定参数。开关电源变压器的物理绕制方法也是至关重要的，一个好的绕组方式可以使电源的性能得到极大的改善，也可以降低成本节省资金。输出滤波器电感的选择关键因素就是把电感设计在电流连续模式工作，电容的选择是由所需要的输出纹波电压峰值来决定。设计中还有电压反馈电路的设计，这一部分的核心是一个称为误差放大器的高增益运算放大器，它将基准电压和输出的直流电压的误差放大并产生误差信号。误差放大器的设计有俩方面要考虑的，一方面要有很高的直流增益，另一方面，UC3842的外围电路也很重要，主要是实现电压采样和反馈功能。第2章开关电源的基本工作原理直流-直流变流电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路［3］。一般情况下，我们通常研究间接直流变流电路。它是指在直流变流电路中增加了交流部分，通常用一个隔离变压器起到隔离输入输出的的效果。本设计中的正激式变换电路即为Buck电路中加装一个隔离变压器，以实现电源的多路输出。开关电源的模块组成如图2-1所示，一个脉宽调制的开关电源主要由七个模块构成：（1） EMI滤波器：通常是指由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波器，主要作用是对输入信号中的电磁干扰起到一定的阻碍作用，阻碍高频信号穿过。（2） 输入整流滤波电路：将EMI滤波模块输出的交流电通过整流模块变为直流电，并且通过LC滤波电路对进一步消除电网的电源间的干扰［3］。（3） DC-DC变换器：主要由俩部分组成一一隔离变压器和功率管，它是整个开关电源的核心，将输入的直流电转变为高频的交流电输入至输出整流滤波模块中。（4） 输出整流滤波电路：将直流-直流变换器中输出的高频交流电变为直流电，并且消除信号中电磁和噪声干扰。（5）采样模块：电压采样将采样电压和基准电压比较后的反馈量输入控制芯片。（6）PWM控制模块：包含芯片的外围电路，控制模块会产生PWM波形，通过反馈量可控制开关管的导通时间，从而达到输出电压的稳定。⑺驱动模块：控制电路中输出的PWM信号转换成可以启动功率开关管工作的PWM控制信号，并将隔离控制电路和主电路，以防止功率开关管被击穿从而影响控制电路工作，提高电路的安全性。AC输出、图2-1开关电源原理框图开关电源常用的几种拓扑结构在进行开关电源设计时，拓扑结构的选定与电源的各个部分的分布有关，即电源在何种环境下安全工作并且可以给负载提供的最大功率有紧密的联系。每种拓扑结构都有自己优缺点，有的拓扑效率高，有的拓扑成本低廉，有的拓扑的输出功率有限。常见的拓扑结构有Buck电路、Boost电路、Foward电路、Flyback电路、推挽式电路、半桥电路、全桥电路等，下面介绍几种常见的拓扑结构的基本原理。2.2.1Buck电路Buck电路又称降压斩波电路，电路原理图如图2-2所示，电路的主要器件有开关管、续流二极管VD、储能电感、滤波电容以及负载电阻R。开关管导通时，储能电感L开始充电，流经电感的电流线性增加，同时给电容C充电，并且给负载R提供能量。开关管关断时，储能电感通过续流二极管VD放电，电感电流线性减少，输出电压靠输出滤波电容C放电以及减小的电感电流维持。图2-2Buck电路原理图2.2.2Boost电路Boost电路又称升压斩波电路，电路原理图如图2-3所示，它与Buck电路组成基本相同，使用的也是全控型器件。Boost变换器是最基本的反激式变换器，所谓反激式变换器是指功率开关导通时间将能量存储在电感中，在功率开关截止时间将能量传输到负载的变换器。假设升压变换器中的L、C的值很大，开关管开通时，电源E向电感L充电，并且充电的电流基本恒定，同时电容C上的电压向负载R供电。当开关管关断时，E和L共同向电容C充电并且向负载R提供能量。当负载R上的输出电压等于电感电压和电源电压之和时，停止供电，此后如果负载R上的电压开始下降时，则由电容给负载R供电以维持负载上的输出电压不变。图2-3Boost电路原理图2.2.3Forward(正激)电路正激式电路有多种拓扑结构，如图2-4所示是最为典型的一种。工作原理：开关S开通时，隔离变压器绕组吨和与它相耦合的绕组吗的电压极性都是上正下负。此时的YD】处于通态，『玦断态，电感L上的电流线性增加。开关S断开时，电感L通过续流二极管『珏续流，并且VDi关断，电感L上的电流开始下降。S关断后隔离变压器的励磁电流经绕组吗和VD,流回电源，S关断后承受的电压为(2-1)式中：“绕组匝数对正激电路而言，S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须将励磁电流降为零，否则在接下来的开关周期内，励磁电流逐渐累积越来越大，这将导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后，励磁电流更加迅速的增长，最终会损坏电路中的开关元件。S关断后励磁电流降为零的这一过程称为变压器的磁芯复位，变压器绕组吗和二极管『珏组成复位电路。从开关S断开到绕组昭的电流下降到零所需要的时间见式(2-2),S处于断态的时间必须大于4k从而保证S下次开通前励磁电流能够降为零。图2-4正激电路原理图2.2.4Flyback反激式电路与正激式电路不同，反激式电路的中的变压器充当储能元件，电路原理图如图2-5所所示。S开通后，VD处于断态，绕组吗的电流线性增长，电感储能也随之增加；S关断后，绕组吨的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组吗和VD向输出端释放。图2-5反激式电路原理图2.2.5几种拓扑的比较这四种拓扑结构都有自己的优缺点，Buck电路和Boost电路结构简单，但输入输出之间没有隔离并且只能一路输出，相对于带隔离的变换电路，它们对输入电压的要求较小且成本低廉。正激式电路由于引入了隔变压器，这极大地丰富了变换电路的种类和用途，并且体积较小、结构简单。正激电路的输出电压纹波峰峰值比升压变换器低，同时可以输出较高的功率。符合本设计的要求，所以选用正激式电路为主拓扑。2.3PWM开关电源的设计步骤PWM开关电源的设计较为复杂，一般采用模块儿化的设计思想，将整个过程分解为若干个部分，这样可以使电源的设计更加容易些。PWM和谐振式开关电源的设计总是先总体考虑，然后对电源各个部分分别设计，然后进行控制电路及其辅助电路的设计，最后对电源的性能做一些优化。一般的脉宽调制电源设计步骤是：（1） 为产品选择好合适的拓扑结构（2） 根据设计指标，完成电源的“黑箱”近似估计。其中包括半导体器件的功率损耗、峰值电流和峰值电压（3） 变压器的设计，包括匝数和磁芯材料的选择等（4） 输出滤波器和整流电路的设计（5） 驱动电路的设计（6） 控制电路的设计，包括选择控制方式和控制IC（7） 反馈电路的设计（8） 保护电路的设计，根据要求设计过电压过电流和紧急保护电路（9） 优化设计，功率因数的校正，散热器等V第3章正激式开关电源主电路设计单端正激式开关电源的主电路部分包括DC-DC变换器、高频变压器、功率开关管、滤波电容电感、EMI滤波电路等°DC-DC变换器上文已经提到，选用正激式拓扑结构。高频变压器是主电路部分的又一核心，它负责实现输入输出的隔离并且升高或降低经脉宽调制以后的交流输入电压幅值，其性能也决定着开关电源的小型化和高频等指标。功率开关管的选择影响着电源的安全性能和使用寿命，滤波电容决定着输入开关电源的质量°EMI滤波器主要作用是消除电路中的电磁干扰和噪声干扰。3.1开关电源“黑箱”的考虑在刚开始设计时需要考虑开关电源的一些参数，以便于提前选定实验板上的器件。将要设计的电源系统看作一个只有输入输出的黑箱，进行一些参数估计。单端正激式开关电源技术指标：%：+5V/1.2A+12V/1.5A-12v/1.5A+24A/2AV血:DC+300V输出功率：『莎==1%必功饿=5VX1.2A+12VX1.5A+12VX1.5A+24VX2A=90W(3-1)nzP*犯卜g=输入功率： 财如=。刷=]06wVV(3-2)平均输入电流：m『饥=3OO=0.35A(3-3)3.2EMI滤波器开关电源中产生的高频噪声和辐射的消除也是设计中的重要部分，电磁干扰(ElectromagneticInterference)简写为EMI,是指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备的电磁能量。电源噪声电磁干扰的一种，它的传导噪声的频谱大约为1okHz-3oMHz,根据传导方向的不同可分为俩大类，一种是电源进线引入的外界干扰扰，3.2.1EMI滤波器的基本电路及分类电磁干扰滤波器的基本电路图如图3-2所示，该电路图有五个端口一一俩个输入端口、俩个输出端口和一个接地端口。电路中还包含共模扼流圈L和滤波电容C1-C4。当出现共模干扰时，因为俩个线圈的磁通方向相同，经过耦合后电感迅速增大，则对共模信号呈现很大的感抗，所以称作共模扼流圈。L的电感值和EMI的额定电流有关，当额定电流较大时，图3-1电磁干扰滤波器基本电路单片开关电源一般采用单级EMI滤波器，一般有四种基本结构，如图3-3所示，图a与图b中的电容C都能滤除串模干扰，区别就是电容所接位置不同。图c中的L、C1和C2的作用是滤除共模干扰，C3和C4滤除串模干扰，R为泄放电阻可将C3上积累的电荷泄放掉以避免因电荷积累而影响滤波特性。图d是把滤波电容C3和C4接在输出端，效果最佳。]Port/(c)(d)|图3-2EMI滤波器四种基本结构3.2.2EMI滤波器的设计£本设计选用图d所示电路，C1和C2采用的是薄膜电容器，范围大约为0.01UF-0.47HF,主要用来消除串模干扰，C3和C4接在输出端以抑制共模干扰。在确定滤波元件值时需要做一个假定，一个合理的假定是在开关电源的开关频率处需要大约24#E的衰减，本设计的开关电源是250kHz，产生-24dB衰减的转折频率是日*-£4兄=401口顽kHzXI口顽Vtt„八c=250 =62.8 (3-4)式中：兀一一希望得到的滤波器转折频率fsw电源的工作频率假定线路阻抗是50Q,这个阻抗可以作为电抗性滤波器的阻尼原件。选择阻尼因子：最小阻尼因子应不低于0.707,低于此值将出现震振荡，并在转折频率处衰减小于3打。L_.江_50X0.7Q7w件江踞湫毗=179皿(3-5)'"LSs*)*网=0.036仃(3-6)因此，电感L值为179NH,ci、C2取值为0.036NF，C3和C4取最低电容值2200叫。高频变压器的设计3.3.1面积乘积(AP)法高频变压器的常用方法有俩种，面积乘积(AP)法和Kg法。前者是先求出磁芯窗口面积与磁芯有效截面积由■的乘积AP(AP=AwX且弟称为磁芯面积乘积)，根据AP值，通过查表找出所需磁性材料编号；后者是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计［6］。AP法公式推导由法拉第电磁感应定律，一原边匝数为叩P、副边为应'的变压器，在原边以电压*开关工作时：g=(3-7)式中：尤——开关工作频率(Hz)；——工作磁通密度(T)；且目 磁芯有效面积(m2)；Kf——波形系数，有效值与平均值之比，正弦波时为4.44，方波时为4；ATP=——勺JS晶r%磁芯窗口面积且问乘上使用系数称为有效面积，该面积为原边绕组应p占据的窗口面积叩?与副边绕组应，占据的窗口面积“§义之和，K#w=%乌+叫北（3-9）式中：Ko——窗口使用系数；且;一一原边绕组每匝所占用面积；磁芯窗口面积；忍——副边绕组每匝所占用面积；又有：担=3（3-10）<=7（3-11）整理式（3-7）（3-8）（3-9）（3-10）得,.（-Ui+H=———J（3-12）由式（3-11）得：J=Kj（AwAef（3-13）式中：给一一电流密度比例系数;X—常数，由所用磁芯确定；式中：AP——为且W和&俩面积的乘积（如4）；PT——为％红+*&变压器的视在功率（巧）；式（3-22）表明铁心的选择就是选择一合适的值，使它在输送功率『丁时，铜损和铁损引起的温升在额定温升之内［6］。（1）变压器视在功率的推导因线路结构不同视在功率也不同，如图3-3所示。（a）（b）（c）图3-3/图（a）所示的线路理想（耳=1）时，％=鸟+%=2R（3-15）玲=%+¥=%（［+9、玲=（1+6马=%（〉归）PT=2y/2Pt（3）窗口使用系数反。的确定K。是表示变压器或电感器窗口面积中铜线实际占有的面积量，由导线截面积、匝数、层数、绝缘漆厚度及纹圈纹距决定。一般取值为0.4。玲=&沌&（3-21）

$=n匝路、之面积2可用窗口面积(3-23)，-,—可用窗口面•积窗口面积(3-24)可用窗口面积可用窗口面积+跷组够面积(3-25)(1)磁芯结构常数磁芯结构常数图表3-1所示。表3-1各种磁芯结构常数磁芯种类损耗 耳允许温升25°C4允许温升50°CX农一般配线磁芯 电=玮, 433632 -0.1733.84814.5铁粉磁芯 电(》 403590-0.12 32.558.813.1金属叠片铁芯 电=阜 366534 -0.1241.368.219.7C型铁芯电=改 323468 -0.14 39.266.617.9带绕铁芯单线圈395569-0.14 44.576.625.6带绕铁芯瑶=卩珏250365-0.13 50.982.3253.3.2变压器相关参数的确定磁芯的选择：磁性元件是开关电源中比必不可少的一部分，但因磁性材料的非线性、特性与温度、频率、气隙的依赖性和不易测量性等，其工作情况较难完全掌握。开关电源变压器的磁芯大都是低磁场时使用的软磁材料，这种材料有着较高的磁导率，低的矫顽力和高电阻率。在一定线圈匝数时，磁导率若较高通过不大的激磁电流就能有较高的磁感应强度，则线圈就能承受较高的外加电压，所以在输出功率有要求时可适当减小磁芯体积。磁芯矫顽力低时，磁滞回环面积小，则铁损耗小。铁氧体是一种软磁材料，他是复合氧化物烧结体，有很高的电阻率，因此涡流损耗较小，并且适合在高频时使用。结合磁芯材料在使用时的损耗和磁通密度，本开关电源选用锰锌铁氧体材质的C型铁芯，允许温升为50°C。⑻变压器视在功率『丁的确定：设用肖特基二极管其压降岭f=0.6V，由式3-20得归丨%=(24+0.6)2(°蜀+1)=15"(3-26)⑼计算AP值：查表得C型铁芯允许温升25°C时，舟=468，牙=-0.14,取珞=0.4,每=4,5=0.25,E=250kHz,由式(3-14)得：_/p-j"xlQJiY+xiAP=( )E4=叫日4日25。日博曲,2泅4貌 =0.0184cm(3-27)加10%裕度，查表得型号为CL-2-E铁芯，其参数为：爵=0.51蜡M£T=4.5cmMFL=6.1cm应沪=0.019蛔%=°.40。逐人旷1.26As=30.8(10)计算原边绕组匝数(中心抽头至俩端)由式3-8得，*.=《=300『_的；：■:;[ 3。1由：1。41 “兀序月，=4,2gW'E25E4O=30(3-28)因此，原边绕组取30匝(11)计算原边绕组电流[—「N4+D.6J：： ：*P河==0.17人(3-29)计算电流密度，依式3-16和表3-1有，灼=468,==-0.14,计算原边绕组裸线面积，若电路中有中间抽头，上须乘以0.707校正因素q_也XD—MD.IE)，顷=5143 =0.00023cm'(3-31)查找导线规格表的AWG规格表得最接近线号：AWG#33且*f=0.0002554cm=6748.6电=(MLT)O)鲍X1CF&计算原边绕组电阻，=4.5><30><6748.6'1口=0.91A(3-32)计算原边绕组损耗，=4珏急宜2><0.91=0.026*(3-33)确定24V副边绕组匝数：=24+0.6=24.6(3-34)>TNpV：30X24.6虬=上旦牛=皿=2.46(3-35)取整3匝确定24V副边绕组裸线面积，中间抽头变压器的上须乘以0.707校正因素，=5143=0.00275cm'(3-36)查表得最接近的AWG线号为AWG#22且御=0.003243cm'g=640.1即g=0.640XIO"3确定副边绕组电阻：\风=xio-6cm=4.5X3X640.1X1°=0.0086n(3-37)确定24V副边绕组损耗：与绰=好乩=疽><0.0086=0.0344A(3-38)确定12V副边绕组匝数：1/s'=12+0.6=12.6M(3-39)>Twl3QX12.&= =1.26(3-40)取整2匝确定12V副边绕组裸线面积，中间抽头变压器的A须乘以0.707校正因素，=514,3=0.00206cn?(3-41)查表得最接近的AWG线号为AWG#23且御=0.002588cm'同cm=666确定12V副边绕组电阻：风=xio-6cm=4.5X2X666X1°=0.00599n(3-42)确定12V副边绕组损耗；与绰=好乩=1芽A0.00599=0.0134A(3-43)确定5V副边绕组匝数：1/s'=5+0.6=5.6V(3-44)N=堕£'= =0.56(3-45)W/rC维普论文检测系统IfIVIPPAPERC取整1匝确定5V副边绕组裸线面积，中间抽头变压器的4须乘以0.707校正因素，q_1口:：3,顷【击： ：：1如”斗7=514,3=0.00165cn?(3-46)查表得最接近的AWG线号为AWG#24%=0.002047品。诳=842.1确定5V副边绕组电阻：死=(MLT)顷丁)竺乂10~6cm=4.5X1X842.1X1°=0.00379口(3-47)确定12V副边绕组损耗；琮“=垢乩」逐乂0.00379=0.00546巧(3-48)确定-12V副边绕组和反馈绕组12V副边绕组与-12V副边绕组取值是相同的，反馈绕组取值与24V副边绕组取值相同，因此变压器总铜耗(原边加副边),Pg=PPcu+旦g=0.026+0.0344X2+0.01348X2+0,00546=0.1272^(3-49)功耗验证计算在满足效率亦允许的总功耗—300.6X0.3=1.84W(3-50)计算允许铁耗外=玲一％=1.84-0.1272=1.7128如(3-51)计算热阻，验证温升是否符合设计要求，R=3. 36_珀"(。皿勺=」¥28.57°C(3-52)此时变压器温升为AT=珏'乂电=1.84乂犯刃=52.569°C(3-53)与设计指标50°C相差不大，设计通过。3.4正激变换器的设计3.4.1单端正激变换器工作原理上一章已经介绍过正激拓扑的基本原理，本节作更进一步的阐述。单端正激变换器主回路电路图如图3-1所示，因为正激式变换器的隔离元件T1是个变压器，因此输出端的电感L作为能量的储藏以及传递元件。当耳导通时，原边绕组接向电源咯，由同铭端得副边绕组将能量传递到输出端。此时设副边电压为虬'，则电感L内的电流L线性增加，如式(3-54)所示，当八关断时，续流二极管D3和储能元件L形成放能的回路，继续对负载电阻提供能量。此时D3导通，若忽略珏管的压降，则电感L上的电压等于输出电压％,L上的电流将减少，如式(3-55)，_纹=也&L——导通时间与周期的比，即导通占空比咯——原边绕组施加的电源电压(V)3.4.2变换器输出级电感的选择变压器输出端的滤波电感的作用是当开关管断开时，能够为负载提供能。用式(3-57)确定输出所需电感的最小值。式中:财gj——对应的输出端上整流器后的最高的峰值电压输出电压T. .(estJ——估计的最大输入电压下，开关导通时间1c-ut(-mifi)——预先知道的输出端上负载最小电流则四路输出电感的最小值为：24V输出端电感最小值.f3Q-24J'X1.2As=1.57AH(3-58)±12v输出端电感最小值'■ALiiCi-nciJ：)—Aciuf「口nfesfjhar<'2Q-12J1：：<1.2s口枇「minJ~~—tt=1心玷=4.57(3-59)[3]5V输出端电感最小值tT'Mt」『口.兀「血t.jharfW-SJX1.2p.s''口utrmiii.J—~~r~n=i.x.z=3.57皿(3-60)3.4.3变换器输出级电容的确定电容C的作用主要是减少输出纹波电压和存储一定的能量，在正激电路和升压式输出级的中的滤波电容计算方法是相同的，仅仅是由电路所需要的输出纹波的电压峰峰值来决定。换言之，这个电压就是叠加在输出直流电压上的交流三角波，对于本设计的正激式变换器而言，输出纹波电压一般峰峰值是30mV,但在升压式变换器中，150mV的峰峰值是最为典型的。由式(3-11)可确定输出电容的值。_ ,)I；1-日wiinJJrippEe?f'pk-pkJ式中：Egir 输出端的额定电流值，单位Admin 在高输入电压下和轻载下所估计的最小占空比3k-泌'——期望的输出电压纹波峰峰值，单位v(1)24V输出端滤波电容C (宙饷)一土怵63)(1-3部崩顽1-S5)=ggx3gF=133nF(3-62)±12V输出端滤波电容CJmin,—Iout(皿ax)(1-Tniin)l,5x(l-0.5)-out'■-'ripple(pk-pk>=25岫X35=l□口(3-63)V输出端滤波电容CJmin,—Iout(皿ax)(1-Tniin)i,2x(1-0.5)-out'■--ripple(pk-pk>=25。皿*3itaV=8口pF(3-64)3.4.4变换器的多路输出本设计的开关电源为四路输出，则需要增加变压器的副绕组、电感和二极管(如图3-5)。每个绕组将遵循正、反伏秒值相等的原则[4]。若负载在合理范围时变化时，则输出电压不变，辅助输出也不变，若将某一输出负载降到线圈临界电流以下，线路的输出电压将增加；如果没有负载，则对应变压器的二次峰值电压；如果负载为零，则只能添加一个固定电阻作为假负载，以确保电压稳定。多路输出可以利用一个带抽头的副边绕组，正半波时接到一组滤波器得到正输出电压；负半波接向另一组滤波器得到负载输出电压，此时正负输出电压共地。图3-5多路输出第4章控制电路和开关管的设计功率电路固然重要，保护功率电路的外围电路对开关电源的正常运行也至关重要。包括控制电路、检测电路、缓冲电路等，这些电路对开关电源运行的可行性和电气性能都有影响。4.1控制电路的俩种类型一般的开关电源的控制电路包括误差放大器、PWM发生电路、频率输出、输出采样电路和保护电路等，这些功能都被集成在一块控制芯片中。控制芯片分为俩种：电压型控制和电流型控制。这俩种控制芯片没有大的区别，电压型控制芯片的机理时是芯片内部的锯齿波和误差放大器输出相比较从而产生PWM信号，电流型控制芯片的内部没有锯齿波信号，是利用采集功率管的锯齿波与误差放大器相比较产生脉冲信号［6］。4.1.1电压型控制芯片如图4-1是电压型控制器的方框图，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有变化时才响应，一般需要等待一个或多个周期，这是早期开关电源的控制方式。国产的电压型控制集成电路有TL494、X3524和X3525等，国外的典型芯片是美国Unitrode公司的UCx525系列。图4-1电压型控制器框图Vref+V|NOutputBVcGroundOutputAShutdownCompensation图4-2UCx525引脚图表4-1UCx525引脚功能引脚号引脚符号功能引脚号引脚符号功能1 INVInput误差放大器反相输入端 9Compensation补偿端2NIInput误差放大器同相输入端10ShutDown关闭控制端3Sync外部同端11OutputA输入A端OSCOutput振荡器输入端12Ground地5CT振荡器电容端13输出级电源端6振荡器电阻端14OutputB输出B端7Discharge放电端157-卜Lil 芯片电源端8SoftStart软起动端16*6/基准端4.1.2电流型控制芯片如图4-3是电压和电流双闭环控制结构框图，为一个双环结构。输入电流调节的电感电流是锯齿形，将这个锯齿波和误差电压进行比较，用来作为占空比的调节。输出电压也需要稳定输出，因此还需电压采样。电流环为内环，电压环为外环。将整个变换器分为俩个环形控制，电流控制环的电流来自滤波电感或功率开关管中的电流，外环为电压控制环，将输出电压进行采样。在电路中，它不仅能对负载电流的变化作出反应，而且能对负载电压的变化作出反应它的主要特点是：电压控制回路的电压设置一个阈值，电流内环在该阈值内设置开关或主电路的峰值电流。输出电流和功率开关管或滤波电感中的电流成比例，因此电路具有电流限制。与电压模式相比，电流模式具有更好的电网调节和负荷调节能力。图4-3电压和电流双闭环控制结构如图4-3所示是电流控制型电源的原理图，采样电阻上的波形实际上变压器原边绕组的电流波形，是一种三角波。误差放大器的俩个输入分别是基准信号和输入电压反馈信号，由此决定输入电压的值。图4-3电流控制型电源的原理图UC3842X作原理UC3842是美国Unitrode公司生产的一种单端输出式电流控制型脉宽调制芯片，它的集成电路具有可微调的振荡器、温度补偿器、电流采样电路、误差放大器等［8］。是驱动功率管的良好芯片，有着良好的功能特性：（1）工作电压8~40v（2）电流传感和电压反馈输入-0.325.5（3） 欠压锁存功能（4） 占空比可调（5） 最高开关频率500kHz，电源效率高（6） 内部有高稳定度的基准电压源5稳定性能好，启动电流小于O.imA,正常工作电流15mA4.2.1UC3842基本介绍如图4-4所示是UC3842的引脚排列图，UC3842的封装有8脚和14脚俩种，本设计选取8脚，表4-2是各引脚功能图。补偿端［U2国基准端反馈端|T］ 巨］电源端电流检测端巨］叵1输出端振荡器电阻171和电容端旦国地图4-4UC3842引脚图由如图4-5的UC3842内部电路框图可知，内部主要由控制占空比的谐振器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、误差放大器和基准电压源。图4-5UC3842内部电路框图表4-2UC3842引脚功能引脚号引脚符号功能引脚号引脚符号功能COMP补偿端5GND地"朗反馈电压输入端6OUTPUT输出端h-ENCE电流检测段7 电源输入端HT/CT振荡器电阻和电容端8 基准端4.2.2工作原理（1） 工作电源和基准电压引脚7为耳供电电源，引脚8是上基准电压°UC3842的上限电压是16V,下限电压是10V，当输入电压高于上限电压，则参考电源开始工作，同时向内部电路供电，与此同时引脚8输出参考电压％=5V,芯片工作时耗电约为15mA。如果输入电压低于下限电压，输出电压A=0V,内部供电切断，输入仅流过备用电流，且小于1眼4。此时最大输入电压不能超过24V，此时由内部的稳压管限幅。（2） 误差放大器如图4-6是误差放大器的原理图，"fb称为放大器的反相输入端，引脚2是电压反馈端并且电压检测信号直接接到引脚2。同相输入端内部是2.5V的基准电压。引脚1时补偿端口COMP，也是误差放大器的输出端，若输入输出不隔离，引脚1和引脚2之间接闭环补偿网络勺勺一般是RC阻容网络，用来消除电路中产生的一些振荡。2.5V/NZiUf误差放大器补偿UCx842/3/4/5f；：：M1当砖V5硕时， stAt(4-1)当砖＞5及员时，"丁，取砖=7.5硕，&=2200户卜，则所的=104及我(4-2)"RtRt/Ct,.4,UCx842/3/4/5GND.5GND图4-7振荡器设定电路(6)电流检测电路如图4-8所示的电流检测电路，引脚3是史琲修电流检测端，所检测的电流波形是锯齿波，与误差放大器的误差电I-—n厂 s-msxn-压进行比较。％和&组成滤波电路，比较电压为1V,检测电流的最大值是 珞OPA—¥图4-8电流检测电路(7)工作波形如图4-9所示是UCx842/3/4/5的主要波形图，前面提到，当电路的供电电压生小于欠压下限时，电路只流过小于im『的备用电流。当供电电压高于欠压的上限时，内部的2.5V基准电压通过玲给乌充电，电容的电压按指数规律迅速上升。接着上升到上限电压时，与电压型控制芯片一样，内部的比较器发生反转，晶体管导通，电容开始放电。当放电到电容的下限时，内部的触发器开始反转，晶体管截止，电容再次充电，振荡器开始往复振荡。每次放电时发出一个振荡频率的脉冲OSC。图4-9UC3842的工作波形UC3842外围电路的设计UC3842的外围电路包括频率设定、启动电路、驱动电路、电流检测、反馈补偿电路和供电电路。如图4-10所示是外围整体电路图。GXD图4-10外围电路图4.3.1振荡频率的设定振荡频率设定如图4-11所示。UC3842的输出频率等于振荡器的振荡频率，振荡频率由芯片上引脚4的砖和弓来决定，值为：1.72f怕HTCT在一些实际应用中，UC3842系列的控制器的工作频率最高可以达到500及日气但为了使变换器更稳定的工作，若驱动的是功率管MOSFET，频率一般不超过250*日£,若驱动的是双极型晶体管，频率一般则在40左丑变以下。还需要综合考虑损耗，电源频率越高，开关的损耗越大，则效率降低。因此本设计频率设为250RHz，&丁为电路中的，取值100K，°丁为电路中的&2。C1272uFIIR7100K图4-11频率设定电路4.3.2启动电路和芯片供电电路辅助和启动给集成控制电路以及功率开关驱动电路提供工作电压，这种电路又称为自启动电路。自启动电路在开关电源工作过程中极易发生损坏，因此至关重要。如果直流输入电压高于20V，输入电压不能直接向控制IC和功率开关供电，要采用启动/辅助电源电路。每个电路的主要功能是用串联或分流的线性电源的集成电路和功率开关提供稳定的电压。电源正常工作时的驱动电流很大，因此选择变压器的一边绕组供电，这样可以降低功率损耗。A15和&18到储能和滤波的作用，因为UC3842的驱动功率较大，因此氏场10K，取480町。4.3.3电压反馈补偿电路电压反馈的主要功能是使输出电压保持在稳定值，反馈环的主要部分是一个高增益的误差放大器，它的作用是将基准电压和输出电压的误差放大，并且产生一个误差信号。输出电压在输入到误差放大器前要进行分压。误差放大器有俩个主要问题：一是要有很高的直流增益来改善输出负载调节性能，二是要有很高的高频响应特性来提高负载的瞬态响应。前者是指被检测的输出端的负载改变时，输出电压的偏离程度后者是指当输出端的负载发生跳变时，输出电压恢复到原值的快慢。本设计为多路输出，输出端的交叉调整性也是一个重要问题，为了改善此问题，可以来检测多个输出电压解决。多端输出检测是通过分压器上的俩个电阻并联来实现的，如图4-12所示，本设计的三个电阻分别接不同的输出端。齿2kQ皆9kQ占6kQ『『『溢％PCIZLi| 14.4pF»图4-12电压反馈电路输入电压有时还会造成控制器损坏，需要用到反馈隔离。电气隔离主要有光隔离和电磁隔离俩种。本设计选用光耦合隔离T