高效率反激开关电源的设计

江苏科技大学本科毕业论文18W高效率反激开关电源的设计Designof18WEfficientFlybackSwitchingPowerSupply江苏科技大学本科毕业设计（论文）PAGEPAGEIV摘要任何电子设备都离不开可靠的电源，而对于采用电网电源的家用电子设备，其直流电源必须具有适应电网电压变化和负载变化的特性。为此而发展的的直流稳压电源成为电子设备电路中的一个非常重要的组成部分。开关电源是利用现代电力电子技术，以高频变压器代替工频变压器，采用脉宽调制技术的交流-直流的稳压电源，它具有管耗小，效率高，稳压范围宽及体积小，重量轻等特点，并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，仪器设备，医疗设备，半导体制冷等领域。本文主要内容如下：1.了解开关电源的基本结构，阅读开关电源相关文献，确定毕业设计所要做的内容；2.对开关电源的基本工作原理进行分析，对电源的buck工作模式，boost工作模式，buck-boost工作模式以及flybuck工作模式进行分析比较，最终选择适用于反激开关电源的flybuck工作模式；3.查阅资料学习了设计开关电源的基本方法，以及在设计过程中所需要掌握的原理，设计出一款输出功率为18W，输出电压与电流分别为12V，1.5A，文波小于150mV的高效率反激式开关电源；4.对设计出的实物进行波形分析。测试其在工作过程中buck电容的电压电流变化，RCD回路上的电压吸收情况，MOS管在高压和断续时的Vds和Vgs电压，空载时的Vcc和Vds电压以及Sense电阻上的电压，对实物的基本特性进行测试。关键词：直流稳压电源，开关电源，脉宽调制，反激式，高效率

AbstractAnyelectronicdevicecan’tdowithoutreliablepower,Asfortheuseofgridpowerhomeelectronicsequipment,TheDCpowersupplymusthavetoadapttochangesingridvoltageandloadcharacteristics.TothisendthedevelopmentoftheDCpowersupplycircuitinelectronicdevicesbecomeaveryimportantpart.Switchingpowersupplyistheuseofmodernpowerelectronics，Highfrequencytransformersinsteadoffrequencytransformers,UsingpulsewidthmodulationDC-DCpowersupply，Ithasconsumedasmalltube,highefficiency,widevoltagerangeandsmallsize,lightweight,Andiswidelyusedinindustrialautomation,militaryequipment,scientificequipment,LEDlighting,industrialcontrolequipment,communicationsequipment,electricalequipment,apparatusequipment,medicalequipment,semiconductorrefrigerationandotherfields.Thegraduationdesignprocess,mainlyforthefollowing:1.Understandthebasicstructureoftheswitchpowersupply,switchpowersupplyrelatedliterature,todeterminethecontentofthegraduationdesigntodo;2.Analyzethebasicworkingprincipleofswitchpowersupply,thepowerofthebuckmode,boosttheworkmode,buck-boostworkmodelsandflybuckworkcarriesontheanalysiscomparison,thefinalchoiceissuitablefortheflybackswitchingpowersupplyofflybuckworkingmode;3.Tolearnthebasicmethodsofdesignofswitchpowersupply,andtheneedtomastertheprincipleinthedesignprocess,anddesignedApoweroutputof18w,outputvoltageandcurrentrespectivelyfor12V,1.5A,lessthan150mVWenBotheflybacktypeswitchpowersupplywithhighefficiency;4.Thewaveformanalysiswascarriedoutonthedesignofphysicalobjects.Testthebuckintheworkingprocessofthecapacitorvoltagecurrentchanges,RCDcircuitvoltageabsorption.Keywords:Dcregulatedpowersupply,Switchingpowersupply,Pulsewidthmodulation,theflybacktype,Highefficiency目录第一章绪论 11.1研究背景与发展状况 11.2开关电源相关介绍 21.3本章小结 3第二章开关电源的工作原理介绍 42.1基本拓扑结构 42.1.1Buck降压变换器 42.1.2Boost升压变换器 62.1.3Buck－Boost降压或升压变换器 72.2Flyback模式 92.2.1Buck-Boost拓扑Flyback 92.2.2工作原理 92.2.3主要关系推导 122.3本章小结 13第三章开关电源基本结构及元器件介绍 143.1开关电源基本结构 143.2开关电源主要器件 153.2.1TL431 153.2.2通嘉LD7531 163.2.3光耦 163.2.4安规电容 173.3本章小结 17第四章反激式开关电源的参数计算 184.1课题介绍 184.2原理图和一般工作过程 184.3确定DC电压范围和输入整流滤波电容 194.3.1确定DC电压范围 194.3.2确定整流滤波电容 204.4反激式变压器的设计 204.5确定次级整流二极管 244.6确定输出电容 244.7RCD缓冲器的参数设计 244.8反馈回路的参数设计 274.9Sense电阻大小的确定 284.10安规电容的参数确定 284.11提高效率的方法 294.12本章小结 30第五章反激式开关电源的产品测试 315.1基本测试 315.2波形分析 315.3本章小结 36结论 37致谢 38参考文献 39江苏科技大学本科毕业设计（论文）PAGEPAGE16PAGE1第一章绪论1.1研究背景与发展状况电源按工作状态一般可分为线性电源，开关电源。线性电源正常工作于放大状态，优点是输出的直流电压上文波小，开关管工作时产生的尖峰脉冲干扰小。缺点是发热量大，效率低，要加大散热片进行散热处理，同时需要较大的工频变压器，需要多组输出电压时要使用庞大的变压器。开关电源的正常工作在开关状态，优点是发热量小，效率高，无需使用很大的变压器。缺点是在电源输出的直流电压上会有比较大的文波，这样就要在输出端并联稳压二极管用来改善。另外，开关管的工作会产生较大的尖峰脉冲。开关电源用在对电源效率和开关大小有要求的地方，线性电源用在对电磁波干扰和电源纯净性有要求的地方。另外当电路中需要作隔离的时候现在多数用DC－DC来对隔离部分供电。还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较麻烦。最早的开关电源出现在60年代，出现的是串联开关电源，其电路拓扑结构与线性电源相差不大，但功率管用于开关状态，后来PWM技术发展较大，可以控制开关变换器，得到脉宽调制开关电源，1974年研制成了20kHz的开关电源，在能源危机的条件下，在20kHZ频率下工作的开关电源，可较大限度的节约能源。PWM技术是电源史上革命性的开端，这次开关电源的发展，将极大限度的推动电源技术的前进。八十年代，PWM开关电源仅仅在个人电脑、电视机等设施上得到采用。因为开关电源在质量、大小、材质及功耗等方面都比线性电源有明显优势，并且对系统的多种指标有不错的影响，从而得到的广范应用。现在的很多地方，比如军事、电力、工业、交通、通信、仪表仪器、等都采用开关电源，取得的效益也相当显著。九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站己全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已经有了很大的进步，研究、理论、应用、生产等的成果都已初具规模，并采用了有效的软件开关和均流技术。目前，由于水平、材料和电路结构的不断更新，电源的工作频率都高于20kHZ，并且每立方英寸的功率密度大于100瓦，满负载效率大于90%。开关电源慢慢渗透到生活生产的每个角落。在21世纪，电源系统的各部分将强调“系统模块集成”、“电子电力封装”等要求。现在低压，低能耗的器件已经进入市场，因而可轻松做到输出电压为1V，输出功率为10毫瓦的开关电源、并且每立方厘米的功率密度达5瓦，这类产品的优势即在于可便利携带。现在采用的PWM技术、软件开关、PCB制板、三明治绕制变压器，采用高材质的纳米合金铁芯，做成的开关电源工作效率可超过90个百分点，大功率的开关电源能达到95个百分点。目前开关电源向高可靠、高频、低噪声、低耗、抗干扰、模块化方向靠拢。因为开关电源小、薄、轻的关键是工作在高频状态下，从而国内外电源公司都一致想要使开关电源的元器件同步，尤其是对二次整流器件损耗的改善，同时在磁芯材质上也进行不断的加强与改善，要使开关电源的电磁性能高，就需要通过改善以上两点。另外，各电源厂商还需要攻克电容体积的技术，使之越来越小。1.2开关电源相关介绍开关电源的两大主要特点就是高频、小型，正是由于这两个特点，使开关电源的应用更加广泛，目前渗透在生活的各个领域，尤其是应用在高新技术的方面。开关电源推动了高科技产品的的轻便化和小型化。除此之外，开关电源在节约资源、保护环境及节约能源方面都起着举足轻重的作用。开关电源中应用的电子电力元件主要为二极管、MOS管。开关电源的三个条件：1．高频：电力电子元件一般工作在高频状态；2．直流：开关电源输出直流电压；3．开关：电力电子元件工作在开关状态。开关电源按输入方式可分为DC/DC和AC/DC两种，DC/DC电源技术已经趋于完善，其生产工艺和设计技术均已成熟和固定，且绝大多用户均已认可。但AC/DC技术的发展，因为其设计生产过程中的可变性因素太多，需要考虑，设计的参数比较复杂，所以AC/DC的生产工艺与设计技术还需要慢慢研究。DC/DC变压器是将输入的直流电压转换为需求的直流电压。直流-直流变压器的有两种工作方式，一是脉宽调制，周期不变，改变导通时间，二是频率调制，导通时间不变，改变周期。常用的有以下几种电路结构：1.Buck电路——其平均输出电压小于平均输入电压，极性一致，称为降压斩波器。2.Boost电路——其平均输出电压大于输入电压，极性一致，称为升压斩波器。3.Buck－Boost电路——其平均输出电压可以大于也可以小于输入电压，极性不一致。4.CUK电路——其平均输出电压可以大于也可小于输入电压，极性不一致。上述为非隔离型电路，隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。1.3本章小结根据以上两小节的介绍，我们可以知道开关电源的发展历史以及现状，并且由于科学技术的不断发展，更多大功率，低耗能的开关电源会应运而生，占据很大的市场。开关电源可以说是出现在我们生活的各个角落，称为生活中的常见的电器产品，因此，在开关电源的设计上，设计师们要更努力的开创新产品，从而与现实生活中低碳，环保，节能的要求相呼应。

第二章开关电源的工作原理介绍2.1基本拓扑结构开关电源有如下几种常见的拓扑结构：1.Buck降压变换器；2.Boost升压变换器；3.Buck－Boost降压或升压变换器。2.1.1Buck降压变换器Buck电路的工作原理如图2-1所示。图2-1BUCK变换电路电路由开关管T，二极管D,电感L,负载R组成。电路完成电源电压E到U的转化。当开关管T导通时，如图2-2(a)所示的电流流过电感线圈L，在线圈未饱和之前，电流线性增加，负载电阻R上的电流，电压。此时，二极管D反向截止。(a)开关管导通状态(b)开关管断开状态图2-2BUCK工作电路当开关管T截止时，如图(b)所示，由于线圈中的电流不能突变，负载R上的电压极性未变，此刻，二极管导通，电流为。考虑理想情况，开关管，二极管都是理想组件，在导通时压降为零，截止时漏电流为零；电感，电容也是理想组件，电感工作在线性区，寄生电阻，电容的等效串联电阻均不计；输出文波电压可以忽略。1.开关管导通状态()T导通时，二极管D截止，有电路结构，可以列出：(2-1)由于电路工作频率很高，一个周期内，和基本维持不变，可视为恒定值，所以电流变化为线性的，上式化简为：(2-2)所以，(2-3)（恒定）。(2-4)2.开关管截止状态()晶体管关断，二极管导通，电感续流，由电路拓扑结构有：(2-5)同样的，不变，输出电流线性减小。,(2-6)，(2-7)所以:。(2-8)相关波形如图2-3所示。图2-3BUCK电路波形2.1.2Boost升压变换器BOOST变换电路如图2-4所示。图2-4BOOST变换电路电路由开关管T，二极管D,电感L,负载R，C组成。当开关管导通时，如图2-5(a),电流流过电感线圈L，电流线性增加，电能转化为磁能，储存在电感线圈中L中。此时，电容C放电，R上电流，电压上正下负。由于开关管导通，二极管阳极接Vs负极，二极管反向截止。(a)开关管导通(b)开关管截止图2-5开关管状态当开关管截止时，如图2-5(b)，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端电压极性，以保持电流不变，这样，线圈L磁能转化为电压VL与电源E串联，与高于输入电压向电容充电，对电阻R供电。考虑理想情况，开关管，二极管都是理想组件，在导通时压降为零，截止时漏电流为零；电感，电容也是理想组件，电感工作在线性区，寄生电阻，电容的等效串联电阻均不计；输出文波电压可以忽略。1.开关管导通状态在开关管导通时，电流经电感L，MOS流通，线性上升，电感储存能量。电容C，通过R放电。二极管的作用是阻断电容通过开关管放电。在MOS导通时，(2-9)设，开关管的导通时间为，占空比，得：(2-10)2.开关管截止状态在开关管截止时，二极管D导通，电容C在电源E和电感反电动势的共同作用下，进行充电。电感释放能量，电流从下降，由假设可知，电容两端电压波动不大。由设，D的导通时间为，占空比，得：(2-11)在t=T时，电路一个周期结束，设电流下降到初始值。相关波形如图2-6所示。图2-6BOOST连续模式2.1.3Buck－Boost降压或升压变换器Buck－Boost工作原理如图2-7所示。图2-7BUCK-BOOST原理图1.开关管导通状态在开关管T导通时，如图2-8(a)所示：电流,由电源E,经T和L，电流上升，电感储能。如果电感是连续的，则电流从T导通时的上升，如果是断续的，电感电流则从0上升，终止到,此状态期间，二极管截止，电容对电阻放电[1]。(a)开关管导通(b)开关管截止图2-8BUCK-BOOST工作图2.开关管截止状态在T截止时，如图2-8(b)所示：电感电流从T关断时的下降，并经过R，C的并联电路和二极管D流通，电感L释放能量，电容储能。在稳态，如果C足够大，负载电压不变，在T导通时，,终止电流为，(2-12)在T关断时，，终止电流为。(2-13)化简得：(2-14)波形图如图2-8所示。图2-8BUCK-BOOST波形2.2Flyback模式2.2.1Buck-Boost拓扑Flyback在BUCK-BOOST的电路中加入变压器隔离，即变为Flyback的拓扑结构，其结构如图2-9所示。图2-9FLYBACK的拓扑结构图2-9所示为单端反激变换器的原理电路图，它是由电感变压器L、晶体管T、二极管D、滤波电容C组成。2.2.2工作原理反激变换器的原理图如图2-10所示。图2-10反激变换器的原理图反激变换器工作原理是：开关闭合，次级二极管不导通，变压器储存能量；开关断开时，次级二极管导通，变压器之前储存的能量释放到电阻两端。反激变换器和正激变换器不一样，正激变换器的的变压器储能很少，辅助绕组的功率在一瞬间叠加起来为零，变压器的作用就是变压和隔离。比较特殊的是反激变换器中的变压器，它作用是储能，作电感用，通常就做储能变压器。正常情况下加气隙在反激变换器的变压器磁心中，是为防止在负载电流较大时，磁心达到饱和状态，从而降低磁心的导磁率，设计这种变压器是有一定的难度。开关断开时，变压器储存的能量释放到电阻中，由于磁心的自身特点，会复位到原先状态，因此，反激变换器没必要添加措施，使磁芯还原。磁芯能自动复位要如下条件：开关断开和闭合期间，变压器初级绕组的电压伏秒值是一样的。反激电路存在两种工作模式：电流连续和电流断续模式。与非隔离DC/DC变换电路不同，反激电路电流连续与否指的是变压器副边绕组的电流。当S导通时，变压器副边绕组中电流未下降到0，则电路工作于电流连续模式；当S导通时，变压器副边绕组中电流下降到0，则电路工作于电流断续模式；值得注意的是电路工作于电流连续模式时，其变压器铁心利用率显着降低，因此实际使用中通常避免电路工作于电流连续模式。1．电流连续模式反激电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期经历S导通，关断2个开关状态，如图2-11所示。对应于1个开关周期T的2个时段：t0-t1和t1-t2，电路中主要的电压和电流波形如图2-12所示。t0-t1时段：如图2-11(a)所示，S导通，根据绕组间同名端关系，二极管VD反向偏置而截止，变压器原边绕组w1电流线性增加，变压器储能增加。t1-t2时段：如图2-11(b)所示，S关断，二极管VD导通，变压器原边绕组w1的电流被切断，变压器在t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2和二极管向输出端释放。(a)S导通(b)S截止图2-11反激电路的开关状态图2-12反激电路电流连续模式下主要波形Ug为开关管电压、UT开关管两端电压、UL2变压器副边电压、IL1变压器原边电流IL2变压器副边电流。当S关断后所承受的电压为：US=Ui+K12U0，式中K12为变压器原边与副边绕组的匝数比。当反击电路工作于电流连续模式时，输入输出电压关系为:(2-15)2．电流断续模式反激电路工作于断续模式时，在一个开关周期内经历S导通、关断和电感电流为0的3个开关状态，对应的3个时段分别为t0-t1、t1-t2,t2-t3，电路中主要的电压和电流波形如图2-13所示。t0-t1时段：S导通，二极管VD截止，变压器原边绕组w1电流线性增长，变压器储存的能量也变多。t1-t2时段：S关断，二极管VD导通，变压器原边绕组电流被切断，变压器在t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2和开关管向输出端释放。直到t2时刻，变压器中没有能量了，绕组w2中电流为0，二极管关断。t2-t3时段：变压器原边绕组和辅助绕组电流均为0，这时由电容C向负载供电。图2-13反激电路电流断续模式下主要波形反激电路电流断续工作时，输出的电压U0将高于电流连续时输出的电压U0，并且随着负载的减小而升高。电流断续工作模式下，S关断后在t1-t2时间段所承受的电压为US=Ui+K12U0，t2-t3时间段为Ui，这点与电流连续工作模式不同[3]。2.2.3主要关系推导单端反激式功率变换器就是BUCK-BOOST电气隔离的功率变换器，电路如图2-7所示。所谓的单端，就是指变压器磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。图2-9所示为单端反激式变换器的原理图，它是有由电感变压器L,开关管T,二极管D和滤波电容C组成。MOSFET管T受其栅极驱动信号驱动，周期性地导通与截止。当MOSFET管导通时，在理想情况下，输入电压E全部加在电感变压器的初级N1上。变压器初级感应电势同名端“·”为负，次级同名端也为负，二极管反向截止，因此电感变压器此时作为电感运行。若电感L1是线性的，初级电感电流变化量：=(2-16)线性增长。电源向电感储能，输出电容向负载供电。晶体管T截止时，由于电感能量不能突变，变压器各线圈感应电动势反向，同名端为正，二极管导通，电感向负载放电和向电容充电。设电容电压变化很小，次级电流变化量：(2-17)变压器初次级之间的电流关系为：，(2-18)因此 (2-19)式中N1、N2分别为变压器初、次级匝数；L1和L2分别为初、次级电感量。假设变压器为理想变压器，无漏感。则：(2-20)由式(2-16)，(2-17)，(2-18)和式(2-19)得到(2-21)(2-22)式中，为变压器变比。为占空比，T=。由式(2-22)可见，单端反激式变换器是隔离的升/降式变换器。反激式开关电源则是这些电路的拓扑。2.3本章小结本章主要分析了开关电源的几种基本结构，通过对其原理的分析，比较，让读者了解到开关电源在不同基本结构下的基本工作的状态，从而确定出符合本设计所需要的基本机构。

第三章开关电源基本结构及元器件介绍3.1开关电源基本结构开关电源的框图结构如图3-1所示：图3-1开关电源的方框图开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、功率变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路[6]。它们的功能是：1.输入电压滤波：消除电网传来的，如电器关断、电动机启动，发生雷电活动等产生的干扰，同时也预防电源自身产生的噪声向扩散到电网。防雷电路：当有雷击，产生的较高电压经电网导入电源时，可能会损坏零件，此时压敏电阻、保险丝等元器件将会保护电路。当压敏电阻两端的电压太大，超过承受的范围，其电阻会变得很小，高压产生的能量就会消耗在电阻上，如果此时电流偏大，超过保险丝的承受范围，保险丝就会烧断，从而起到保护电路的作用。放电电路：当切断电源时，电容上的能量由次电阻释放。EMI抑制器件：主要影响传导的中、低频段，设计时必须同时考虑EMI特性及温升，以同样尺寸的共模感而言，线圈数愈多，相对的线径愈细，EMI防制效果愈好，但温升可能较高。2.输入整流滤波：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。交流电压经整流桥整流后，经电容滤波后得到较为纯净的直流电压。若电容容量变小，输出的交流文波将增大，这对电容的寿命有较大挑战。3.功率变换电路：通过变压器和功率MOSFET,通过高频开关的控制，得到所需的功率输出。4.输出整流滤波：将变压器输出的电压整流滤波得到稳定的直流电压，同时也要注意噪声干扰负载电器。5.控制电路：检测输出端的电压，并与芯片内电压比较，进行放大。来控制开关的开断时间，调整变压器输出，得到用户需要的稳定的直流源。6.保护电路：当开关电源输出电压、电流过大，或输出短路时，保护电路会让开关电源暂停工作，从而保护电源本身和负载。3.2开关电源主要器件开关电源的主要元器件有：TL431，通嘉LD7531，光耦，其功能与内部结构介绍如下。3.2.1TL431德州仪器公司生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的基准源，其引脚图如图3-2(a)，内部结构图如图3-2(b)所示：(a)外部结构 (b)内部结构图3-2TL431结构图主要参数:最大输入电压为37V，最大工作电流150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5V-30V。TL431的具体功能可以用图3-2(b)的功能模块示意。由图3-2(b)可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端的电压非常接近VI，即2.5V时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。然后通过光耦传到IC，以控制PWM的输出。3.2.2通嘉LD7531LD7531是一款高集成度、低功耗的电流模PWM控制芯片，轻载/空载时，PWM频率线性降频，减少待机耗能，其具有低启动电流，低工作电流。内建斜率补偿，可工作于连续模式，增加电源转换效率。外部引脚较少，封装尺寸小，。适用于离线式AC-DC反激拓扑等小功率电源模块。其引脚图[9]如图3-3(a)和内部结构图如图3-3(b)所示。图(a)Pin脚结构 图(b)内部方框图图3-3LD7531结构图3.2.3光耦光耦(opto-coupler)选用817c系列，其内部结构如图3-4所示：图3-4光耦外部引脚光耦是开关电源中的常用器件，作用是隔离输入、输出的电信号，光耦合器由以下部分组成：光的发射、接收、信号放大。发光二极管由输入的电信号驱动，发出的光波长一定，光探测器接收这部分光，然后产生光电流，再经过后续的放大，最后输出。这就是光耦的电—光—电的变化，起输入、输出、隔离的作用。因为光耦合器输入、输出之间互相隔离，电信号具有单向传输的特点，因而光耦具有很好的抗干扰和电绝缘能力。又因为光耦合器的输入端是电流型工作的低阻组件，所以共模抑制能力很强。在开关电源中，线性光耦可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。3.2.4安规电容安规电容是指在电容器过期或不起作用后，不会使产品产生电击事件，不危及用户的安全。常用的安规电容有X电容和Y电容,如图3-5(a)与图3-5(b)所示。(a)X电容(b)Y电容图3-5安规电容X电容必须接在火线与零线之间，选用金属薄膜材质；Y电容要分别接在电力线两线和地之间，通常成对出现。由于会产生漏电流，Y电容不会选择太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。其接法如图3-6所示：图3-6X电容与Y电容的接法电路中，X电容的作用是抑制差模干扰，Y电容的作用是抑制共模干扰。3.3本章小结本章主要对开关电源的内部结构进行了分析，具体介绍了其中的电网滤波器、输入整流滤波器、功率变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。除此之外，还介绍了设计中用到的几种芯片以及其内部结构，了解其工作的原理。文章中还描述了安规电容的接法以及安规电容在电路中的作用。

第四章反激式开关电源的参数计算4.1课题介绍1.要求：设计一款高效率的反激式开关电源，了解反激式开关电源的工作原理与模态分析，熟悉各开关组件，同时制作出完整样机。2.具体指标如下：输入电压（交流）：Vin=90Vac~264Vac；输出电压（直流）：Vout=12V；输出电流：Iout=1.5A；效率：η>78%；文波范围：0~150mV；负载调整率：±5%；4.2原理图和一般工作过程反激式电路原理图如图4-1所示：图4-1电路图如图4-1所示的电路结构，主要由以下几部分组成：1.全桥整流电路；2.单端反激变换器；3.控制电路；4．反馈电路；5.缓冲电路。开关电源的一般工作过程如图4-1原理图所示,输入电压经过电网滤波器滤波后，再经过整流器整流，和BUCK电容的滤波得到了一个较为平滑的直流电压。当BUCK电容上有电压时，而此时IC的VCC电容还没有充电，所以由IC自带的启动电压，会先给IC提供工作电流，输出PWM波，VCC电压迅速建立并达到IC工作电压上限，则此时IC由VCC供电，高压启动自动关闭，从而降低IC损耗。因为此IC为双闭环控制系统，与MOS管串联的检测电阻R，将脉冲变压器的电流转换成电压，和次级反馈的电流，用比较器进行比较,输出PWM波。输出PWM波的上升沿由内部振荡器的下降沿决定，而PWM波的下降沿则由检测电压和反馈电流共同决定。所以当输出电压增大时，输出PWM波的占空比就小。当输出电压减小时，输出PWM波的占空比增大。由此达到稳压的作用[13]。4.3确定DC电压范围和输入整流滤波电容4.3.1确定DC电压范围最大DC电压文波可由式(4-1)得出：(4-1)式中，Dch为规定的输入整流滤波电容的充电占空比，其典型值为0.2。对于全电压型输入，一般将设定为的10~30%。这里选择25%，则=31.8V利用求得的最大电压文波，可由下式计算最小和最大整流输入电压：=95.5V(4-2)373V(4-3)4.3.2确定整流滤波电容桥式整流电路可以由四个二极管构成，可以将交流电转换为直流电经过滤波电容，单端反激变换器输入端的直流电压。因为是在全电压范围所以整流桥的耐压要大于=373V。本样品采用的是IN5397的整流桥。整流滤波电容在单端反激式开关电源中通常称之为BUCK电容。BUCK电容主要是为后面的电路供电的。若选的太小则供电不足且文波较大，若选的太大则是一种浪费。所以在全电压范围内，通常根据1.5~3uF/watt来选择电容。本次设计为18W则通常选择27-54的电容。电容不仅有容量大小还有其耐压大小，工作温度等一系列参数。本样品选用105℃。电容的耐压要大于且还要有一定的裕量，所以选用400V，33uF的电容。4.4反激式变压器的设计开关功率变换器中的关键元件是开关电源的变压器，其作用为电气隔离、磁能转换以及电压变换。在MOS管的开断作用下，将市电转变成方波，加到开关电源变压器上，由于变压器具有电磁转换的能力，将输入功率传到负载，得到负载所需电压，因为开关变压器工作频率较大，从而它的重量与大小比工频变压器减少很多。开关电源变压器的使用性能，不仅仅会对变压器本身的效率和发热有影响，而且还会对开关电源的可靠性和技术性有影响，所以在平时设计的时候，对线圈和磁芯的结构，磁芯材料的选择，制作工艺等都必须要严格要求[15]。在反激开关电源中，因为变压器工作在磁滞回线的单象限，磁滞损耗较小。为了降低剩磁，一般的方法是在磁路中加气隙使磁化曲线倾斜。而为了减小漏电感，通常采取的办法是采用三明治绕法，但是这样会增加变压器的分布电容，但同时减小变压器的分布电容和漏感是困难的，所以在应用时我们视情况而定。本样品选用耐压为650V的MOS管。根据MOS管的应力确定最大匝比，以此保证MOS管不被击穿，则：(4-4)同样，选取次级二极管的反向耐压为100V。根据次级二极管的应力确定最小匝比，以此保证次级二极管不被击穿，则：(4-5)由以上两式，可得：(4-6)其中：为MOS管的耐压值为650V；：二极管压降为0.7；:snubber尖峰，取120V；：二极管反向耐压为100V;：次级尖峰电压，可以忽略不计。代入数据：(4-7)可得：。取n=7，计算最大占空比：(4-8)得到：=0.474对于CCM（连续电流模式），将设定0.5以下，以免发生谐波震荡，本例结果小于0.5，基本符合要求。=23.077W，确定变压器的电感值：(4-9)此电路工作在CCM模式，所以取0.8。代入数据，得到=1.513mHMOS管的最大峰值电流和RMS电流计算公式：(4-10)其中(4-11)代入数据得：=0.383A(4-12)代入数据得：=0.613A=0.538+0.43/2=0.753A(4-13)代入数据得：=0.29A选择变压器的铁芯，通常有两种方法AP法和Kg法。本论文采用AP法。(4-14)(4-15)窗口利用系数Ku一般取0.5，ΔB=0.25，取电流密度J=(4-16)(4-17)(4-18)(4-19)代入数值得：=4.6cm4(4-20)通过AP值查表，可以合适的磁芯，这里可以选取Ae值为54.9775mm2的LM-6的磁芯。计算变压器初级绕组匝数，(4-21)(4-22)(4-23)为了防止变压器饱和，(4-24)(4-25)代入数值得：51.6，所以选取=52，因为匝比为7，所以取=7。确定辅助绕组na的匝数，辅助绕组给IC的供电。一般给供电电压为16V。因为刺激绕组对辅助绕组钳位，则(4-26)式中为的供电电压，为二极管的正向压降为0.5V。由于随输出负载的增加而增加，因此，将设定为的初始电压，以避免正常工作期间出现过电压保护。代入数值得：na=8.96，取na=9。确定初次级导线线径：根据每个输出的电流来确定每个绕线的直径，电流密度一般取。初级电流有效值为：=0.348A，则：(4-27)R=0.149mm，则初级绕组的线径为D=2*R=0.272mm，一般取0.28mm。次级电流有效值：I0=1.5A，则次级绕组的线径为：(4-28)结果取0.5mm。辅助绕组的线径通常没有太多的关注，一般能绕下即可，则在本例中选用线径为0.2mm的铜线即可。综上所述，设计出变压器的初级，次级，辅助绕组匝数依次为：52匝，7匝，9匝；初级，次级，辅助绕组线径依次为：0.28mm，0.5mm，0.2mm。为了减少漏感，采用三明治绕法。4.5确定次级整流二极管(4-29)由于管子的应力需求选用100V的二极管，考虑到二极管的散热和次级二极管的反向恢复电流，我们选用一个100V20A的二极管。4.6确定输出电容论文中要求的文波小于150mV，是输出的负载电流，该电流文波值应小于电容的文波电流的规格值，防止电流过热，以便延长电容的寿命，保护电容。输出上的电压文波：(4-30)式中和是输出电容器的电容值和有效串联电阻ESR.由于电容器具有较高的ESR,所以有时候用一个电容是不能满足文波要求的。所以选择两个电容并联来满足输出端的文波要求。4.7RCD缓冲器的参数设计1．RCD缓冲原理如图4-2所示：图4-2RCD缓冲器图4-2中：Vin输入电压，Lm初级电感，Lik为初级的漏感。当MOS管开通时变压器的Lm和Lik开始存储能量，由于变压器为异名端，且次级有二极管，变压器的能量不会耦合到次级，但当MOS管关断时，初级电感的能量会传递到次级，但漏感的能量不会传递到次级，如果没有RCD缓冲回路，在关断瞬间，漏感会对MOS管的寄生电容和其他寄生电容进行充电，MOS管将承受较高的电压应力，有可能使MOS击穿。若加上RCD回路，当MOS管关断时，漏感会对MOS管的寄生电容充电，由于次级的导通，会对初级的电压进行钳位，钳位电压为。漏感和主感同时对充电，当上的电压大于电压时漏感将对RCD电容充电和电阻构成回路，等放电完毕，这部分能量将消耗在RCD回路上。这就大大减小了MOS管的应力[16]。确定RCD缓冲器的参数：RCD缓冲器的开关管漏极电压如图4-3所示：图4-3RCD缓冲器的开关管的漏极电压图4-3中为次级反射到初级的电压；为钳位电容C两端的钳位电压；为MOS管的击穿电压；为最大输入直流电压。2．确定钳位电压箝位电压与开关管的及最高的输入电压有关，一般情况下考虑0.9降额系数，如下确定的值：=212V(4-31)3．测定初级绕组漏感一般通过测试得到初级绕组的漏感量，测量方法是：将各次级绕组短路，用仪器测此时初级绕组的感量，这个值既是初级绕组漏感。注意的地方在于测电感的频率应与芯片的工作频率一致。经过测试，初级漏感为154.确定RCD回路电阻RCD回路电容C两端的电压用表示，消耗在电阻R上的功率如下：(4-32)式中：：电阻消耗在RCD回路的功率。由能量守恒原则：(4-33)式中：：RCD电阻消耗的功率；W1：初级绕组漏感中的能量；将能量转换为平均功率上式可变为：(4-34)式中：为IC的工作频率；：初级绕组的漏感量。这样就可以得到RCD回路电阻的计算公式：89.5K(4-35)故选择两个51K的串联。5．确定RCD回路电容RCD回路电容C的值应取得足够大以保证其在吸收漏感时自身的脉动电压足够小，通常取这个脉动电压的为钳位电压的5%~10%，可通过下式来确定C的最小值。(4-36)代入数据：C>3.017*10-10F，这里选择102pF的陶片电容。4.8反馈回路的参数设计1．反馈回路原理反馈回路的原理图如图4-4所示：图4-4反馈示意图2．确定反馈电阻因为431的工作电流一般为100,所以在取反馈时的电路中的电流一般为1~5mA为431的工作电流的10倍，差不多能满足要求。且反馈电阻上的电压要和431内部的基准电压做比较，所以选取的电压在=2.5V左右，以便取样更加精准，使得输出电压更稳定。由此可以列出以下方程：=2.5mA(4-37)(4-38)可解得：=3.9，=1。3．确定光耦电阻光耦电阻应被设计成能保证光耦正常工作，并切实反映次级电压的变化，有前文所述，光耦的工作电流在1~100,较为理想的状况为1。TL431的输出电压在2.5V-37V之间。由此可得出：(4-39)QUOTE(4-40)其中，为光耦的发光二极管的正向压降（1V），为431输出电压为9V。代入数据可得：=0.51 ，=2.4。4.9Sense电阻大小的确定Sense电阻就是将流过MOS管的电流以电压的形式体现，并与反馈回路构成双闭环，此电阻与反馈回路上的电压通过比较器生成PWM波。另一方面，SENSE电阻也起到了过电流保护的功能，因为IC中内置了一个比较器，当sense电阻上的电压超过0.85V时，系统进入过电流保护状态，IC将关闭。Sense电阻后的滤波电容和IC自带的前沿消影技术，是消除MOS开通时产生的尖峰，防止IC误触发。所以确定sense电阻的大小时，是看系统正常工作时的最大尖峰电压[18]。则：(4-41)代入数据可得：<1。Sense电阻也不可取得太小，防止当过电流时，电路不保护。这里R的值取0.91。4.10安规电容的参数确定X电容和Y电容都属于安规电容，X电容可以消除差模干扰，Y电容可以消除共模干扰，但当断开电源时，X电容上的能量无法快速释放，可能会对人有一定的伤害，所以要有一个回路来将这部份能量消耗掉。本例中X电容规格为0.1uF，275V。Y电容规格为222pF，250V。4.11提高效率的方法1.提高待机效率的方法要提高待机效率，减小开关电源待机损耗，应先分析开关电源中的损耗由哪些部分构成。在反激电源中，工作损耗具体有：变压器损耗，箝位保护电路损耗，开关损耗，MOS管的寄生电容损耗，MOS管导通损耗，反馈电路损耗，启动电阻损耗，脉宽调制控制器损耗以及输出整流管损耗。待机时，MOSFET导通时间较小，电路工作在断续模式，主电路电流很小，所以次级整流管损耗，导通损耗等较小，此时的损耗大多数是由启动电阻损耗，开关损耗和寄生电容损耗构成。由以上的损耗分析可了解到，降低开关次数，减小开关频率，切断启动电阻可适当提高待机效率，减小待机损耗。具体可采用的的方法如下：(1)降低时钟频率时钟频率可平滑下降。平滑下降即当反馈量超过一定的值后，通过系统特定的模块，使时钟频率能够线性下降。(2)切换工作模式开关电源工作在高频工作模式时，在待机状态下切换到低频工作模式，能够减小待机损耗。对于准谐振式开关电源，可在待机时切换至低频的脉宽调制控制模式PWM（几十kHz）。当电源处于待机或轻载时候，辅助绕组上的电压偏小，Q1关断，FB端不能接收到谐振信号，IC内部的门限电压大于FB端的电压，准谐振模式不能够触发，此时电路工作在更低频的PWM控制模式。(3)切断启动电阻对于反激开关电源，启动后控制芯片由辅助绕组供电，启动电阻上压降为300V左右。取启动电阻47kΩ，消耗功率为2W。若提高待机效率，需要在启动后切断该电阻的通道。现在的IC内部有专门用于启动的电路，可以在启动后切断该电阻的通道。若IC没有专门的电路启动，可以在串接电容在启动电阻上，在启动后，电阻损耗慢慢会下降到零。其缺点是电源不能自动重新启动，如要再次启动电路，必须断开输入端电压，让电容放完电后方可。(4)可控脉冲模式可控脉冲模式的另一个叫法是跳周期控制模式。是指当电源在待机或轻载情况下，电路的一个部分由周期比脉宽调制控制器的周期大的信号控制，使脉宽调制的输出脉冲呈周期性的失效或有效。这样可以在频率恒定的情况下，通过增大占空比，降低开关次数来提高待机和轻载的效率[19]。以上介绍的可控脉冲模式和降频方法在提高待机效率的同时，当然也会带来其他问题。第一点是频率降低后会导致输出电压文波的增加，其次如果频率低于20kHz，可能会产生一部分的噪音。而在可控脉冲模式在关断时期内，若负载快速增长，输出的电压必然会较大幅度降低；如果输出端电容值较小，电压有可能会变成零。若使输出端电容变大，从而使输出端电压文波变小，则成本会增加，而且系统动态性能也会收到影响。因此必须综合考虑。2.提高产品负载效率的方法通常设计产品时，都会考虑到减少产品的负载损耗，从而达到高效、环保、节能的目的。设计师在考虑产品内在结构以及选择元器件的时候，会从以下几点入手：(1)尽量采用高效MOS管；(2)让电源的工作状态处于CCM模式；(3)设计采用专利生产的变压器；(4)整流管使用肖特器二极管。4.12本章小结这一节重点是介绍了怎么设计开关电源中的变压器部分，以及其他重要元器件的选择，在实际设计中，会用到mathcad软件辅助计算。本节最后的提高效率部分，本应该涉及计算以及比较部分，但由于时间问题，在此进行了理论的分析。

第五章反激式开关电源的产品测试5.1基本测试根据前面的设计计算，和原理图选择有相应特性的电子零件。然后进行零件加工，焊接在PCB板的相应位置便成成品的组装。在检查确认无误后首先加直流源CV模式下初步确定电源是否有电气特性上的错误，测试输出正常后方可在交流源上进行各项测试。产品基本特性测试报告表5-1所示。表5-1产品特性测试报告TESTCONDITIONSampleNo.1INPUTVOLTAGE90VAC115VAC230VAC264VACNo-loadOutputVoltage(V)12.612.612.2612.2OutputVoltage(V)12.012.012.011.9InputCurrentatloadA(mA)401320202179Ripple&Noise(mV)100.8100.3101.998.5Efficiency(%)80.882.383.382.9OverLoad&ShortProtectionOKOKOKOKHi-pot4242VDC/3.5mA/1minuteOKOKOKOK依据表格，绘出输入电压与效率的曲线图，如图5-1所示。图5-1电压与效率关系图由图5-1可知，当输入电压在220V左右的时候，效率最高。5.2波形分析1．Buck电容上的电压和电流图5-2BUCK电容上的电压和电流从图5-2可以看出，输入电压经整流桥整流，再经过Buck电容滤波后，得到了一个较为平滑的电压波形。用电流探棒测出流过Buck电容的电流波形，并进行局部放大，可以看出电容的电流在电压波形的每个周期的上升时间充电，并且同时对后面的电路进行供电。2.初级RCD回路上的电压波形图5-3RCD回路上的电压波形由图5-3可以看出当开关管关断时，有一个尖峰电压在RCD回路上产生，并且产生了一些震荡，这个震荡是二极管的寄生电容和RCD回路上的电容与变压器的漏感产生的震荡，在震荡结束后，波形就变的很平滑，这就是典型的RC回路放电图形。3．264V时MOS管上的Vds和Vgs波形图5-4MOS管GS和DS上的电压由图5-4可知，=582V，小于MOS管的最高耐压。所以MOS管的选择是合理的。如图所示在电压上升的过程中有一个小拐点，这是因为IC在给充电当达到时，MOS管开始导通，MOS管的DS电流增加，电容在此时因DS电容的放电而放电，对电容的充电影响不大，当MOS管的DS电压下降至与相同的电压时，电容大大增加，外部驱动对电容进行充电，电容的电压不变，电容上的电压增加，而DS电容上的电压继续减小。当MOS管的电压降至饱和导通时的电压时，电容减小并和GS电容一起由外部驱动充电，电容上的电压上升至最大，DS电压也达到最小，即稳定的通态压降。4．断续模式时的Vds和Vgs图5-5断续时MOS管上DS和GS上的电压如图5-5所示，轻载时，电路将进入断续模式，即当变压器初级电感的能量释放完，下一个周期还没有到。这时如图将会发生震荡。其产生的原因是当主感能量释放完时，MOS管的寄生电容所存储的能量将会变压器初级电感发生LC震荡。5.空载时的VCC电压和Vds电压图5-6空载时VCC和Vds波形如图5-6所示，当空载时，为了维持输出端的电压，当次级电压下降时，IC通常会打几个脉冲，对次级电容充电，以维持次级电压，这通常就是我们所说的空载损耗。在给次级充电的同时同样也给电容充电以维持IC的正常工作。6．Sense电阻上的电压图5-7Sense电阻上的电压波形Sense电阻上的电压实质上是反映的Sense电阻上的电流的变化，如图5-7所示，在MOS开通的瞬间，会有一个尖峰电压，这就需要使用滤波器和IC自带的前沿消影技术将这个尖峰去掉，防止出现在正常时出现过电流保护的误动作。7.设计实物本次毕业设计所做出的实物如图5-8所示。图5-8硬件实物8．输出的文波图5-9输出文波的波形如图5-9所示，输出电流的文波为96mV，满足所要设计的要求。9.实测输出电压输出电压