小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)a教材

1、 學(xué)習(xí)中心： 層 次： 專(zhuān) 業(yè)： 年 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 輔導(dǎo)教師： 劉鵬 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 電 源 技 術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 目：小功率開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì) 東港奧鵬 高中起點(diǎn)專(zhuān)科 電氣工程及其自動(dòng)化 09 年 春 季 完成日期： 2011年 2月 25日 1. 電路結(jié)構(gòu)選擇 圖 1. 組成框圖 輸入電路 輸入電路包括線(xiàn)性濾波電路、 浪涌電流控制電路和整流電路。 起作用是把輸 入電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為符合要求的開(kāi)關(guān)電源直流輸入電源。 變換電路 變換電路含開(kāi)關(guān)電路、 輸出隔離電路等， 是電源變換的主通道， 完成對(duì)帶有 功率的電源波形進(jìn)行斬波調(diào)制和輸出。這一級(jí)的開(kāi)關(guān)功率管是其核心器件。 控制電路 控制電路的

2、作用是向驅(qū)動(dòng)電路提供調(diào)制后的矩形脈沖， 達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的 目的。 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的線(xiàn)性穩(wěn)壓電源相比具有體積小、 重量輕、效率高等優(yōu) 點(diǎn)，已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。為使電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，工作可靠、減少成 本，小功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源常采用單端反激型或單端正激型電路。 與單端反激型相 比，單端正激型開(kāi)關(guān)電流小、輸出紋波小、更容易適應(yīng)高頻化。用電流型 PWM 控制芯片 UC3843 構(gòu)成的單端正激型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路如圖 2 所示。 圖 2 主電路的結(jié)構(gòu) 實(shí)用的單端正激型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源必須加磁通復(fù)位電路 , 以泄放勵(lì)磁電路的能 量。如圖 2所示，開(kāi)關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí) D1導(dǎo)通，副邊線(xiàn)圈 N2向負(fù)載供電

3、， D4截止， 自饋電線(xiàn)圈 Nf電流為零；Q關(guān)斷時(shí) D1截止，D4導(dǎo)通，Nf經(jīng)電容 C1濾波后向 UC3843 供電，同時(shí)原邊線(xiàn)圈 N1 上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使 D3 導(dǎo)通，并加在 RC上。由于變 壓器中的磁場(chǎng)能量可通過(guò) Nf 泄放，而不像一般的 RCD磁通復(fù)位電路消耗在電阻 上，這可減少發(fā)熱，提高效率。 2. 電源技術(shù)規(guī)格 輸入電壓： AC110/220V； 輸入電壓變動(dòng)范圍： 90V240V； 輸入頻率： 50/60Hz； 輸出電壓： 12V； 輸出電流： 2.5A ； 工作頻率的選擇： UC3843的典型工作頻率為 20kHz 500kHz。開(kāi)關(guān)頻率的選 擇決定了變換器的許多特性。 開(kāi)關(guān)頻

4、率越高 , 變壓器、電感器體積越小 ,電路的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)也越好。但隨著頻率的提高 ,諸如開(kāi)關(guān)損耗 ,門(mén)極驅(qū)動(dòng)損耗 ,輸出整流管的 損耗會(huì)越來(lái)越突出 ,而且頻率越高 , 對(duì)磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)要求會(huì)越苛刻 , 另外, 高頻下線(xiàn)路的寄生參數(shù)對(duì)線(xiàn)路的影響程度難以預(yù)料 , 整個(gè)電路的穩(wěn)定性 ,運(yùn) 行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會(huì)比較困難。本電路中 ,選 Rt=1.8k ,Ct=10nF 。由 UC3843A定時(shí)電阻 , 電容與振蕩器頻率的關(guān)系曲線(xiàn)圖 , 可得開(kāi)關(guān)頻率為 f=85kHz， 周期 T=11.8s； 占空比：設(shè)計(jì)無(wú)工頻變壓器的單端正激型開(kāi)關(guān)電源時(shí)， 一般占空比 D最大不 超過(guò) 0.5, 這里選擇 D

5、max=0.5。則 Tonmax=T Dmax=5.9 s。 3. 電源設(shè)計(jì) 3.1 變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì) 根據(jù)電源規(guī)格、輸出功率、開(kāi)關(guān)頻率 , 選擇 PQ26/25 磁芯，磁芯截面積 Se=1.13cm2，磁路有效長(zhǎng)度 le=6.4cm, 磁芯材料為 MXO 2000, 飽和磁通密度 Bs=0.4T。取變壓器最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bmax=Bs/3=0.133T，則電感系數(shù) AL 值 為： AL=(0.4 rSe/le)10 6=4.44( H/N2) 變壓器原邊線(xiàn)圈匝數(shù)為： N1=UIminTonmax/Bmax Se 式中 UImin 為最小直流輸入電壓。 考慮到交流輸 入電壓為 110

6、V20,則交流輸入電壓最小值約為 90V，即 UImin=90=127V。 代入得 N1=49.9，取 50 匝。原邊線(xiàn)圈電感為： L1=N12AL=11.1m。H副 邊線(xiàn)圈匝數(shù)為： N2= 式中UDF、UL分別為整流二極管 D1和輸出電感 L上的壓降 , 取UDFUL=0.7V, 代入得 N2=10匝。 副邊線(xiàn)圈電感為： L2=N22AL=444 H。 開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí) N1兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) , 為了保證開(kāi)關(guān)管正常工作 , 將感應(yīng) 電勢(shì)限制到 eL 300V。自饋電線(xiàn)圈要向 UC3843提供 VCC=12V工作電壓，按電容 C1上電壓 UC1=16V考慮,可保證足夠供電給 UC3843，由

7、Nf=(Uc1/eL)N1 可得 Nf=2.67 取 3 匝。 變壓器副邊電流為矩形波，其有效值 I2=I o=1.77A，導(dǎo) 線(xiàn)電流密度取 4A/mm2，所需導(dǎo)線(xiàn)截面為 1.77/4=0.44mm2，選用截面積為 0.1521mm2的導(dǎo)線(xiàn) ( 0.49) 三根并繞。同樣可選擇原邊導(dǎo)線(xiàn)，原邊電流有 效值 I1=Io =0.354A, 所需導(dǎo)線(xiàn)截面為 0.354/4=0.0885mm2,選用截面積為 0.09621mm2的導(dǎo)線(xiàn)( 0 41) 。 取輸出電感的電流變化 IL=0.2Io=0.5A, 則輸出電感為： L=Tonmax 式中 U2min 為副邊線(xiàn)圈最小電壓 ,U2min=(UoUDFU

8、L)/Dmax=25.4V，取 UDF=0.5V，Uomax=13V代, 入可得 L=140H。根據(jù)輸出電感上電流 IL=Io ，所需導(dǎo) 線(xiàn)截面應(yīng)為： 2.5/4=0.625mm2，選擇截面積為 0.6362mm2的導(dǎo)線(xiàn)( 0 96)。 3.2 開(kāi)關(guān)管、整流二極管、續(xù)流二極管的選擇 由于開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)原邊線(xiàn)圈 N1 兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)限制到 eL300V，輸入交 流電壓經(jīng)全波整流電容濾波后，直流輸入電壓的最大值UImax=240=339V，所 以整流二極管所承受的最高反向電壓 UD1P=e(L N2/N1)=60V，續(xù)流二極管所承 受的最高反向電壓 UD2P=UImax(N2/N1)=68。V 流

9、過(guò)整流二極管和續(xù)流二極管的最 大電流 ID1P=ID2P=Io0.5IL=2.75A 。根據(jù)以上計(jì)算選擇肖特基半橋 MBR20100CT平, 均整流電流 20A,反向峰值電壓 100V。 開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓 Udsp=339300=639V。變壓器勵(lì)磁電流的最大值 ITrP=(UImax/L1)Tonmax=180mA,開(kāi)關(guān)管最大電流 IdsP=(ID1PN2/N1) ITrP=0.73A 。根據(jù)以上計(jì)算 , 選用功率 MOSFET2SK7，92漏源擊穿電壓 BVDS=900，V 最大漏極電流 IDmax=3A。 3.3 反饋電路的設(shè)計(jì) 電流反饋電路采用電流互感器檢測(cè)開(kāi)關(guān)管上的電流 ,原理如

10、圖 3 所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時(shí)值反饋和電流平均值反饋兩路 ,R2 上電壓反映電流 瞬時(shí)值,開(kāi)關(guān)管上的電流增大會(huì)使 UR2增大,當(dāng)UR2大于 1V時(shí)，UC3843芯片輸出 脈沖關(guān)斷。調(diào)節(jié) R1、R2 分壓比可改變開(kāi)關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周 期比較，這屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，這屬于 截流式保護(hù)。 兩種過(guò)流保護(hù)互為補(bǔ)充， 使電源更為安全可靠。 采用電流互感器采 樣使控制電路與主電路隔離， 同時(shí)與電阻采樣相比降低了功耗， 有利于提高整個(gè) 電源的效率。 電壓反饋電路如圖 4 所示，輸出電壓通過(guò)集成穩(wěn)壓器 TL431和光耦反饋到 UC3843（1）腳，調(diào)

11、節(jié) R1、R2 分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精 度。如果輸出電壓 Uo 升高，集成穩(wěn)壓器 TL431陰極到陽(yáng)極的電流增大，使光耦 輸出三極管電流增大即 UC3843（1）腳對(duì)地的分流變大， UC3843輸出脈寬相應(yīng)變 窄，輸出電壓 Uo 減小。同樣地，如果輸出電壓 Uo減小，可通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使之升 圖 3 電流反饋電路 圖 4 電壓反饋電路 圖 6 輸出過(guò)電壓保護(hù)電路 圖 5 變壓器過(guò)熱保護(hù)電路 圖 7 空載保護(hù)電路圖 8 輸入濾波電路 3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 圖 5 為變壓器過(guò)熱保護(hù)電路， R3=R4,NTC為粘貼在變壓器上的負(fù)溫度系數(shù)的 熱敏電阻，常溫下 RNTC R2，運(yùn)放

12、U1構(gòu)成滯環(huán)比較器。正常工作時(shí)， NTC阻值 較大，運(yùn)放 UU，輸出為零；當(dāng)溫度上升到設(shè)定值時(shí)，運(yùn)放 U1輸出為高電 平，送到 PWM控制芯片使輸出脈沖關(guān)斷。 圖 6 為輸出過(guò)電壓保護(hù)電路。 穩(wěn)壓管 DZ 的擊穿電壓稍大于輸出電壓額定值， 輸出正常時(shí)， DZ不導(dǎo)通，晶閘管 V門(mén)極電壓為零 , 不導(dǎo)通。當(dāng)輸出過(guò)壓時(shí) DZ擊 穿，V 受觸發(fā)導(dǎo)通，使光耦輸出三極管電流增大，通過(guò) UC3843控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。 圖 7 為空載保護(hù)電路。 為了防止變壓器繞組上電壓過(guò)高， 同時(shí)也為了使電源 從空載到滿(mǎn)載的負(fù)載效應(yīng)較小，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出端一般不允許開(kāi)路。圖 7 中 R2 R3,給運(yùn)放同相輸入端提供固定的小電壓

13、 U。R8為取樣負(fù)載電流的分流器 , 當(dāng)外電路未接負(fù)載 RL時(shí)，R8上無(wú)電流,運(yùn)放反相輸入端電壓 U=0，因而 UU ，運(yùn)放輸出電壓較高， 使三極管 V1飽和導(dǎo)通， 將電源內(nèi)部的假負(fù)載 R7自動(dòng)接 入。當(dāng)電源接入負(fù)載 RL時(shí),R8 上的壓降使 UU, 運(yùn)放輸出電壓為零 ,V1 截止 , 將 R7 斷開(kāi)。 3.5 輸入濾波電路的設(shè)計(jì) 輸入濾波電路具有雙向隔離作用 ,它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號(hào) ,同時(shí)也防 止開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響交流電網(wǎng)。電路如圖 8 所示，是一種復(fù)合式 EMI 濾波器， L1、L2和 C1構(gòu)成第一級(jí)濾波，共模電感 TR和電容 C2、C3 進(jìn)行第二級(jí)濾波

14、。 C1 主要用來(lái)濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜 電容。電阻 R 給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累影響濾波器的工 作特性。 C2、C3 跨接 圖 9 空載時(shí)輸入功率波形 圖 10 半載時(shí)輸入功率波形 圖 11 滿(mǎn)載時(shí)輸入功率波形 圖 12 漏極電壓 Uds波形 在輸出端，能有效抑制共模干擾。為了減小漏電流 C2、 C3宜選用陶瓷電容 器。 4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 9圖 11為輸入電壓 220V的條件下, 輸出端的負(fù)載狀況分別為空載、半 載和全載時(shí)，輸入端的功率波形圖。 由這3個(gè)圖可以看出， 輸入功率是個(gè)脈沖序 列，周期為 10ms，即每半個(gè)工頻周期電源輸入端通過(guò)整流橋?yàn)檩斎肫交瑸V波

15、電 容充一次電。測(cè)量輸入功率時(shí)串聯(lián)于輸入端的采樣電阻為 2.0 ，因此功率為圖 示值除以 2。半載時(shí)輸出功率為 :12.3662/10=15.29W ，全載時(shí)輸出功率為： 12.2552/5=30.04W。電路正常工作時(shí)，漏極電壓波形如圖 12 所示。 4.1 輸出電壓 在各種不同的負(fù)載狀況下，當(dāng)輸入電壓從 90V變化到 250V 時(shí)，相應(yīng)輸出電 壓測(cè)試結(jié)果如表 1 所示： 輸入電壓（ V） 輸出電壓（ V） 空載 半載（ 10） 滿(mǎn)載（ 5） 90 12.455 12.360 12.242 110 12.459 12.368 12.247 220 12.467 12.375 12.255 250 12.471 12.381 12.262 表 1 各種負(fù)載狀況下的輸出電壓 4.2 效率 實(shí)測(cè)各種負(fù)載狀況下的效率如表 2 所示 負(fù)載 空載 半載（ 10） 滿(mǎn)載（ 5） 輸入功率（ W） 3 00 20 03 36 02 輸出功率（ W） 0 15 29 30 04 效率（） 0 76 34 83 40 表 2 各種負(fù)載狀況下的效率 4.3 輸出紋波電壓 實(shí)測(cè)輸出紋波電壓峰峰值半載時(shí)為 40mV；滿(mǎn)載時(shí)為 50mV。 5. 結(jié)語(yǔ) 介紹