90W反激型開關(guān)電源的仿真設(shè)計.doc

蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要開關(guān)電源不但能夠節(jié)省資源保護環(huán)境，還為人們帶來巨大的經(jīng)濟效益，這使得開關(guān)電源的發(fā)展成為一種必然趨勢。而反激型開關(guān)電源使用到的元器件的個數(shù)少、電路簡單、成本低、可靠性高，伴隨著人們對小型化消費類電子產(chǎn)品的需求日益增高，小功率開關(guān)電源的需求也隨之增高，所以反激型開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用。反激型開關(guān)電源主要由4個部分組成，即主電路、控制電路、檢測及保護電路和其他電路。主電路也就是反激型電路，控制電路采用UC3842這種PWM集成控制芯片組成。在確定了反激型開關(guān)電源的整體拓?fù)浜螅?lián)系需要達到的技術(shù)指標(biāo)，通過計算可以得到主要元器件母線電容、變壓器、MOSFET的相關(guān)參數(shù)。對于一些輔助型器件的參數(shù)可以在仿真軟件中進行調(diào)試得到。功率因數(shù)的校正使用有源功率因數(shù)校正，可以達到0.99以上。在Multisim仿真軟件中對設(shè)計出的電路拓?fù)溥M行調(diào)試和仿真驗證，在整體仿真圖中可以看到輸出電壓為20V左右，等待輸出電壓穩(wěn)定之后電壓波形為一條直線，其輸出負(fù)載的電流為4.2A左右，在需要達到的技術(shù)指標(biāo)中輸出電壓為20V，輸出電流為4.5A，結(jié)果與實際需要達到的指標(biāo)有一定的誤差，誤差在允許的范圍之內(nèi)，所以90W反激型開關(guān)電源的仿真設(shè)計完成。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激；仿真；調(diào)試- I -AbstractSwitching power supply will not only be able to save resources to protect the environment, but also bring huge economic benefits for people, which makes the development of the switching power supply has become an inevitable trend. The number of flyback switching power supply using fewer components to the circuit is simple, low cost, high reliability, along with the demand for miniaturization of consumer electronics products of the increasing demand for small switching power supply also will increased, so the flyback type switching power supply has been widely used. Flyback switching power supply is mainly composed of four parts, namely the main circuit, control circuit, detection and protection circuits and other circuits. The main circuit is a flyback circuit, PWM control circuit using UC3842 this integrated control chips. In determining the overall topology flyback switching power supply after contact technical indicators need to reach, you can get the main components bus capacitor, transformer, MOSFET related parameters by calculation. For some parameters of the device can be assisted in the simulation software debug obtained. Power factor correction using active power factor correction, can reach more than 0.99.In Multisim software to design a circuit topology for debugging and simulation, the overall figure can be seen in the simulation output voltage of about 20V, output voltage stability after waiting voltage waveform is a straight line, the output load current is 4.2A about the need to meet the technical specifications of the output voltage is 20V, output current is 4.5A, and the actual results of the indicators needed to achieve a certain error, the error is within the allowable range, so the 90W flyback switching power supply design simulation completed.Key Words: Switching power supply, Flyback, Simulation, Debugging- 7 -目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1 緒論11.1 開關(guān)電源的研究意義11.2 開關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀和前景11.3 反激型開關(guān)電源的研究12 反激型開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計22.1 電源系統(tǒng)的整體框架22.2 反激變換電路工作拓?fù)浼捌涔ぷ髟?2.3 依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計相應(yīng)的反激型電路32.3.1 對于母線上電容的計算42.3.2 變壓器的計算52.3.3 反激型電路中MOSFET的計算72.3.4 二極管的計算82.3.5 反激型電源電路中用到控制芯片UC3842的介紹92.4 輸入PFC電路的計算設(shè)計102.4.1 電感的計算102.4.2 整流橋的計算112.4.3 輸入PFC中MOSFET的計算122.4.4 二極管的計算133 電路仿真153.1 仿真軟件Multisim的介紹153.2 整流電路部分的仿真與說明153.3 控制芯片輸出的仿真163.4 輸出電路的仿真與分析17結(jié) 論19致 謝20參考文獻21附 錄221 緒論1.1 開關(guān)電源的研究意義開關(guān)電源不但能夠節(jié)省能源保護環(huán)境還能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益，得到社會的廣泛認(rèn)可而得以迅速的推廣。隨著現(xiàn)代電源技術(shù)的高速發(fā)展，高頻化、小型化、集成化成為開關(guān)電源的主要發(fā)展趨勢。而反激型開關(guān)電源由于電路簡單、體積小、可靠性高等優(yōu)點，正好符合這一發(fā)展的趨勢，所以被常用來設(shè)計小功率的開關(guān)電源。1.2 開關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀和前景目前開關(guān)電源廣泛使用在通信設(shè)備、家用電器和工業(yè)電子設(shè)備中。有源功率因數(shù)的開發(fā)，去除了電網(wǎng)諧波的影響，可以是開關(guān)電源的效率提高到0.95到0.99。而微處理器監(jiān)控和開關(guān)電源內(nèi)部通信技術(shù)的應(yīng)用使電源系統(tǒng)的可靠性不斷的提升。由于技術(shù)的不斷革新，開關(guān)電源電路也得到了大幅度的簡化。現(xiàn)在開關(guān)電源的發(fā)展方向主要是小型、輕薄，許多國家都致力于開發(fā)新型高頻化元器件，特別是改善二次整流的損耗，變壓器的小型化，同時采用先進的表面安裝技術(shù)在印制電路板的兩面都布置元件來使開關(guān)電源變得小、輕、薄。當(dāng)然開關(guān)電源還有一個很大的缺點就是噪音比較大，如果單純的追求開關(guān)電源的高頻化，那么噪聲也會隨之增大，這也是未來開關(guān)電源面臨的一個問題。1.3 反激型開關(guān)電源的研究開關(guān)電源的效率要比線性電源的效率高出很多，其中一個很重要的因素是開關(guān)電源中很少使用消耗電能的電阻元件，取而代之的是多使用電容、電感等耗能較少的元器件。反激型開關(guān)電源的工作原理是，當(dāng)變壓器的一次側(cè)線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的二次側(cè)線圈不向負(fù)載提供功率輸出，只有當(dāng)變壓器的一次側(cè)線圈的激勵被關(guān)段后二次側(cè)線圈才向負(fù)載提供功率輸出。采用反激型電路的原因是，電路使用的元器件個數(shù)少，總的電源器件成本會相對于其他電路低。當(dāng)輸出功率在75W到100W之間時，電壓和電流應(yīng)力增加，使用反激型電路的元器件個數(shù)也會增加，成本隨之提高，所以說反激型開關(guān)電源適合小功率的電子設(shè)備電源。2 反激型開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計2.1 電源系統(tǒng)的整體框架在學(xué)習(xí)了一些開關(guān)電源的知識后，可以先設(shè)計出反激型開關(guān)電源的系統(tǒng)級框架如圖2.1所示，其中包括輸入濾波電路、反激變換電路、整流電路、控制電路、反饋電路和輸出濾波電路。圖2.1 電源系統(tǒng)框架圖2.2 反激變換電路工作拓?fù)浼捌涔ぷ髟矸醇ば碗娐返耐負(fù)鋱D如圖2.2所示。圖2.2 反激型電路拓?fù)浞醇ば碗娐返墓ぷ髟硎牵篠導(dǎo)通時，VD處于關(guān)斷狀態(tài)，N1繞組的電流呈現(xiàn)線性增長，電感再次是儲存能量。S關(guān)斷時，N1繞組的激勵被關(guān)斷，變壓器中的儲存能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。在控制開關(guān)S導(dǎo)通的Ton期間，輸入電壓向變壓器的一次側(cè)線圈N1加電壓，一次線圈N1有電流流過，此時變壓器N1兩端產(chǎn)生自感電動勢，N2兩端也同時產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，但是由于VD處于關(guān)閉狀態(tài)，所以沒有產(chǎn)生回路，變壓器的二次線圈處于開路狀態(tài)，這時變壓器一次側(cè)相當(dāng)于電感，所以流過變壓器一次線圈的電流就是勵磁電流。變壓器一次線圈繞組產(chǎn)生的自感電動勢可以表示為： （S接通期間） (2.1)式2.1中，為變壓器一次線圈繞組產(chǎn)生的自感電動勢；是變壓器一次線圈繞組的電感。對式2.1進行積分可求： （S接通期間） 當(dāng)控制開關(guān)S在接通狀態(tài)時突然變?yōu)殛P(guān)斷的瞬間，流過變壓器一次線圈的電流突然變?yōu)?，這說明變壓器鐵芯中的磁通也產(chǎn)生突變，這是不可能發(fā)生的。如果變壓器鐵芯中磁通產(chǎn)生突變，變壓器一次、二次線圈回路就會產(chǎn)生無限高的反電動勢，反電動勢自己又會產(chǎn)生無限大的電流，但是電流又會抵制磁通變化。所以說，變壓器鐵芯中磁通的變化最終還是會受到變壓器一、二次線圈電流的約束。因此，在控制開關(guān)管S關(guān)斷這段時間內(nèi)，變壓器鐵芯中的磁通主要是由變壓器二次側(cè)線圈回路中的電流決定的，即（S斷開期間） （S接通期間）2.3 依據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計相應(yīng)的反激型電路對于本次設(shè)計，首先可以根據(jù)確定出來的反激型開關(guān)電源的系統(tǒng)級框架畫出大概的電路圖，如整流部分、反激型電路部分、控制部分等等。在畫出的大致電路圖中相關(guān)元器件的參數(shù)是不能夠確定的，在本題目中給出了一定的技術(shù)指標(biāo)，即輸入AC85265V，輸出電壓值為20V，輸出的電流值為4.5A。根據(jù)題目提供的要求，首先需要進行的是反激型開關(guān)電源部分主要元器件的相關(guān)參數(shù)計算，其中主要的元器件有母線電容、高頻變壓器、MOSFET管耐壓等級以及二極管的計算。2.3.1 對于母線上電容的計算母線上電容的計算原則有大致可以分為3個:(1) 為了能夠保證比較小的母線上的電壓紋波，應(yīng)該有超過需求一定量的電容量；(2) 如果在遇到輸入電壓跌落時，而要求輸出電壓保持一定的時間的話，則可能需要進一步擴大原有電容的電容量；(3) 母線上的紋波電流應(yīng)能被選用的電容所承受1。在本次的設(shè)計中，可以根據(jù)二級管中的電流值計算出流過母線上電解電容的電流，進而可以計算出電容電壓的紋波。 (2.2)選用母線