單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)230轉(zhuǎn)6V要點(diǎn)

1、中閡分也上嗡華東)china university of petroleum電力電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告目:單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)(230/6v)學(xué) 院：信息與控制工程學(xué)院、課程設(shè)計(jì)目的（1）熟悉power mosfet勺使用；（ 2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的使用；（ 3）增強(qiáng)設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；二、課程設(shè)計(jì)的要求與內(nèi)容本課程設(shè)計(jì)要求根據(jù)所提供的元器件設(shè)計(jì)并制作一個(gè)小功率的反激式開關(guān)電源。電源的輸入、輸出電壓有老師指定。我們是230v/6v?？梢杂萌f用版手焊，也可以畫pcbs制作電路板，根據(jù)焊的或者畫的結(jié)果進(jìn) 行加分。三、設(shè)計(jì)原理1、 引言電力電子技術(shù)有三大

2、應(yīng)用領(lǐng)域： 電力傳動(dòng)、 電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設(shè)備中，電源是核心部件之一， 其性能影響著整臺(tái)設(shè)備的性能。電源可以分為線性電源和開關(guān)電源兩大類。線性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓， 其工作原理是在輸入與輸出之間串聯(lián)一個(gè)可變電阻（功率晶體管） ，讓功率晶體管工作在線性模式，用線性器件控制其阻值的大小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的輸出，電路簡單，但效率低。通常用于低于10w勺電路中。通常使用的7805, 7815等就屬于線性電源。反激式功率變換器是功率電源中的一種，是一種應(yīng)用非常廣泛的開關(guān)電源，本課程設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)反激變換器。1、開關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)（ 1）按驅(qū)動(dòng)方式分，有自激式和他激式。（2）按

3、dc/dc變換器的工作方式分：單端正激式和反激式、推挽式、半 橋式、全橋式等；降壓型、升壓型和升降壓型等。（ 3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。（4）按控制方式分：脈沖寬度調(diào)制（pwm式；脈沖頻率調(diào)制（pfm）式; pwmf pfm昆合式。dc/d3換器用于開關(guān)電源時(shí),很多情況下要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離。 這時(shí)必須采用變壓器進(jìn)行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流 變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹?流電壓或電流。因此，這類變換器又稱為逆變整流型變換器。dc/d吸換器有5種基本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式 和全橋式轉(zhuǎn)換器。2

4、、反激變換器工作原理基本反激變換器如圖3所示。假設(shè)變壓器和其他元器件均為理想元器件， 穩(wěn) 態(tài)工作如下：當(dāng)有源開關(guān)q導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流增加，會(huì)產(chǎn)生上正下負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 從而在副邊產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖3 (a)所示，無源開關(guān)vd1因反偏而截止，輸出由電容c向負(fù)載提供能量，而原邊則從電源吸收能量，儲(chǔ)存于磁 路中。當(dāng)有源開關(guān)q截止時(shí)，由于變壓器磁路中的磁通不能突變， 所以在原邊會(huì)感 應(yīng)出上負(fù)下正的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故 vd1正偏而導(dǎo)通，如圖3 (b)所示，此時(shí)磁路 中存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管vd1向負(fù)載供電，同時(shí)補(bǔ)充濾波電容c在前 一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關(guān)q導(dǎo)通時(shí)給負(fù)

5、載提供能量外，還 用來限制輸出電壓上的開關(guān)頻率紋波分量，使之遠(yuǎn)小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。圖1反激變換器的原理圖圖3反激變換器工作狀態(tài)反激變換器的工作過程大致可以看做是原邊儲(chǔ)能和副邊放電兩個(gè)階段。原邊電流和副邊電流在這兩個(gè)階段中分別起到勵(lì)磁電流的作用。如果在下一次q導(dǎo)通之前，副邊已將磁路的儲(chǔ)能放光，即副邊電流變?yōu)榱?，則稱變換器運(yùn)行于斷續(xù)電 流模式(dcm,反之，則在副邊還沒有將磁路的儲(chǔ)能放光，即在副邊電流沒有變 為零之前，q又導(dǎo)通，則稱變換器運(yùn)行于連續(xù)電流模式(ccm。通常反激變換器 多設(shè)計(jì)為斷續(xù)電流模式(dcm下。當(dāng)變換器工作于ccmf時(shí)，輸出與輸入電壓、電流之間的關(guān)系如下：u0=mug, ig

6、=mi0,其中 m = d , n=w。n(1-d) ns當(dāng)變換器工作于dcmf時(shí)，上述關(guān)系式仍然成立，只不過此時(shí)的增益m變?yōu)椋簛V=匹=2，k =2lmf/n2(1 -d)2ug . kr可以看出，改變開關(guān)器件 q的占空比和變壓器的匝數(shù)比就可以改變輸出電 壓。3、反激變換器的吸收電路由于在實(shí)際中反激變換器存在各種寄生參數(shù)， 如變壓器的漏感，開關(guān)管的源 漏極電容。所以基本反激變換器在實(shí)際應(yīng)用中是不能可靠工作的，具原因是變壓器漏感在開關(guān)q截止時(shí)，沒有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可 靠，就得外加一個(gè)漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以習(xí)慣上將這 種去磁回路稱為吸收電路，目的是將

7、開關(guān)q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220vac 輸入的小功率開關(guān)電源中，常用的吸收電路主要有 rcdr收電路。具結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖4吸收電路4、反激變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反激式變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5所示。由圖中可以看出，一個(gè) ac輸 入dc輸出的反激式變換器主要由如下五部分構(gòu)成：輸入電路、變壓器、控制電 路、輸出電路和吸收電路構(gòu)成。輸入電路主要包括整流和濾波，將輸入的正弦交 流電壓變成直流，而輸出電路也是整流和濾波，是將變壓器副邊輸出的方波電壓 單向輸出，且減少輸出電壓的紋波。吸收電路如圖 4所示。所以，反激變換器的 關(guān)鍵在于變壓器和控制電路的設(shè)計(jì)。這也是本次課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。交流輸入圖5反激

8、變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖5、反激式變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路鐵芯的選擇本來是變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素， 因涉及到的內(nèi)容較多，而本次設(shè) 計(jì)的時(shí)間有限，所以本次設(shè)計(jì)采用的是ee28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導(dǎo) 率為bmax_25 =0.5t , 1000攝氏度時(shí)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 bmax _100 c = 0.39t ,鐵芯的 初始磁導(dǎo)率為2300u。在本次實(shí)習(xí)中提供的變壓器的鐵芯是變壓器選擇的相關(guān)參數(shù)包括：原副邊匝數(shù)比、原邊匝數(shù)、副邊匝數(shù)和氣隙，本次試驗(yàn)中用到的變壓器的繞組的漆包線已 經(jīng)給定，無需選擇。(1)根據(jù)輸入的最高直流電壓和開關(guān)管q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)：根據(jù)實(shí)習(xí)任務(wù)的要求；需要的直流輸

9、出電壓為6v,由器件本身的參數(shù)可以知 道開關(guān)管q兩端所承受的最高的關(guān)斷電壓應(yīng)為：npuq =ug ep =ug g(u。1)ns，其中u 0 +1是考慮了整流二極管的導(dǎo)通壓降。如果考慮到漏感引起的0.3ug的電壓尖峰，開關(guān)管兩端承受的關(guān)斷電壓為：uq =1.3ug +np (u0 +1), 一般來說開關(guān)管的耐壓需要在這個(gè)基礎(chǔ)之上留下至少 ns一，np“，八、30%勺裕量。假設(shè)開關(guān)管的耐壓極限為uq -1-解qy互倒 1),np uq, -1.32ugons 1.3(uo 1)這就求出了匝數(shù)比的上限值，匝比只能比這個(gè)值小，不能比起大。在這個(gè)值 的基礎(chǔ)上選擇一個(gè)匝比。就可以求出最大占空比，即最大導(dǎo)

10、通時(shí)間。為了保證電路工作于dcm奠式，磁路儲(chǔ)能和放電總時(shí)間應(yīng)該控制在 0.8t以 內(nèi),所以 ton+tr = 0.8t(ug-1) ton=m(uo+1)trnsnp得：ton =ns(uo 1)*0.8t(ug 1)np p*(uo 1)nsnp所以：dmaxns(u0 1)*0.8(ug -1)npns(u0 1)(2)原副邊匝數(shù)的計(jì)算:根據(jù)器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導(dǎo)面積a (80.9mma2,原邊的匝數(shù)應(yīng)該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化量，固npu g dmaxtbmax ae,通常原邊的匝數(shù)取到這個(gè)計(jì)算之的兩倍。(3)副邊匝數(shù)的計(jì)算根據(jù)上面兩步的結(jié)果，很

11、容易求出副邊匝數(shù)。(4)氣隙長度的計(jì)算在計(jì)算氣隙長度之前，首先應(yīng)計(jì)算原邊的電感值。假設(shè)變壓器的輸出功率為b ,效率為n ,有以下關(guān)系成立：-lpisp2/p p其物理意義是，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)原邊從電源吸收并存儲(chǔ)的能量恰好等于系統(tǒng)的輸出和損耗的能量。所以可以得到lp =纜2 ,其中有以下關(guān)系;i sp141.”,則原邊的峰值電流為：i2p0spugd,帶入上式可以得到初級(jí)電感。lp =np /rmp,rmp =rmferm0l fe 1g-工兒.ae %aelg)其中，a為電感系數(shù)，rmp為磁阻。把磁路畫出來，可以求出氣隙長度。如圖 6所示。圖6功率變換器磁路示意圖氣隙的長度為lg = a5all

12、 fer0人lpnpl fe r6、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)反激式變換器的控制芯片主要有topswitch系列芯片、uc384xc列芯片等,其中，應(yīng)用比較多的是uc384xs歹i芯片，屬于高性能固定頻率電流模式集成控制器，該集成芯片的特點(diǎn)是，具有振蕩器，溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖迹咴鲆嬲`差放大器、 電流比較器和大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動(dòng)功率 mosfet并能把占空比限制 在50咖。其控制對(duì)象是控制流過功率開關(guān)管的峰值電流。uc3845b勺控制原理示意圖如圖6所示，它主要由以下四部分構(gòu)成振蕩器：振蕩器頻率由定時(shí)元件和決定（） ，振蕩器輸出固定頻率的脈沖信號(hào)，注意：由于uc3845每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，所以

13、振蕩頻率是開 關(guān)頻率的2倍。開關(guān)頻率通常取 50khz100kh左右。電壓誤差放大器： 誤差放大器的作用是放大參考電壓與反饋電壓的差， 其輸出電壓經(jīng)兩個(gè)二極管并經(jīng)電阻分壓后作為電流參考。 在輸入與輸出隔離的開關(guān)電源中，為減少誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將uc3845內(nèi)部的誤差放大器旁路掉， 由外部電壓環(huán)的輸出通過補(bǔ)償輸入引腳決定電流參考。 在后面給出的電壓反饋電路設(shè)計(jì)中會(huì)有更詳細(xì)的說明。電流比較器：電流比較器的門檻值error v 由誤差放大器的輸出給定，當(dāng)電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時(shí)， 電流門檻值就增大， 使輸出到負(fù)載的能量增加。反之也一樣。觸發(fā)器&鎖存器脈寬調(diào)制：一方面，由振蕩器輸出的

14、固定頻率的脈沖信號(hào)給鎖存器置位，開關(guān)管導(dǎo)通，電流sw i 線性增加，當(dāng)電流檢測(cè)電阻s r 上的電壓達(dá)到電流比較器門檻值error v 時(shí)，電流比較器輸出高電平，給鎖存器復(fù)位，開關(guān)管關(guān)斷，電流比較器的輸出恢復(fù)低電平; 另一方面，振蕩器輸出的脈沖信號(hào)同時(shí)輸入觸發(fā)器，使uc3845 每隔一個(gè)時(shí)鐘周期關(guān)閉一次輸出，這是uc3845 能把占空比限制在50%內(nèi)的原因，并決定了振蕩頻率是開關(guān)頻率的 2 倍。電流型控制的優(yōu)點(diǎn)是本身具有過流保護(hù)功能， 電流比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的逐周限制，屬于一種恒功率過載保護(hù)方法，即維持供給負(fù)載的恒功率。整個(gè)控制部分的原理圖如下所示；圖7 uc3845控制原理示意圖7.uc3845

15、的主要外圍電路設(shè)計(jì)(1)供電uc384珀動(dòng)時(shí)，變壓器t不工作，電容2 ac上電壓為0, 1ad關(guān)斷。g u通 過電阻1ar給電容1ac充電，當(dāng)uc38457腳電源電壓vcc勺電壓達(dá)到8.5v后， uc3845t始工作。此后變壓器工作，輔助繞組開始輸出電壓(12v)為芯片供電。 輔助繞組按輸出繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。uc3845勺啟動(dòng)電流只需1ma因而限流電阻1ar只需滿足給芯片提供1ma勺 啟動(dòng)電流。芯片正常工作后需要的功率由變壓器 t的輔助繞組提供。注意考慮1ar 的功率，若超過1/4w可采用多個(gè)1/4w電阻并聯(lián)來組成1ar即可。丁 4vccuc3845輔助繞組圖uc3s45供電電路rt/ctuc

16、3845勺資料:uc384忠片為so城so1常腳塑料表貼元件。專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)。其欠壓鎖 定門限為8.5v （通），7.6v （斷）；電流模式工作達(dá)50仃赫輸出開關(guān)頻率；在反 激式應(yīng)用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時(shí)間從50%70%調(diào)；自動(dòng)前饋補(bǔ)償；鎖 存脈寬調(diào)制，用于逐周期限流；內(nèi)部微調(diào)的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱 輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動(dòng)及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。補(bǔ)償lu 電壓反饋區(qū) 電流取擰p圖6 uc3845k片管腳圖1腳：輸出/補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出端。通常此腳與腳2之間接有反 饋網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳：電壓反饋輸入端。此腳與內(nèi)

17、部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓 （2.5 v進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬。3腳：電流取樣輸入端。4腳：r t/ct振蕩器的外接電容c和電阻r的公共端。通過一個(gè)電阻接 vref通過一個(gè)電阻接地。5腳:接地。6腳：圖騰柱式pw喻出，驅(qū)動(dòng)能力為土 1a.7腳：正電源腳。8腳：v ref , 5v基準(zhǔn)電壓，輸出電流可達(dá)50ma.（2）電流檢測(cè)接在功率mosfet極上的電流檢測(cè)電阻大概值為在測(cè)試時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)在最小輸入電壓下， 電源無法提供滿載功率，就需要減小該 電阻值。（3）電壓反饋控制電壓反饋環(huán)節(jié)要與輸入電壓和控制ic隔離，常用光隔離器進(jìn)行隔離。光耦的ctr（電流傳送比，iout/iin）會(huì)隨溫度而漂移，為了

18、減小光隔離器漂移的影響，要把誤差放大器放在光偶的輸入側(cè)，誤差放大器可以檢測(cè)到光耦的漂移引起的其輸出 端的偏移，然后相應(yīng)地去調(diào)整電流，這個(gè)誤差放大器可以用tl431。下圖給出了電壓反饋的拓?fù)?3) tl431tl431是一個(gè)良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。外部有三極分別為：陰極（cathode陽極（anodb參考端（ref。其芯片體積小、基準(zhǔn)電 壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，所以可以用來制作多種穩(wěn)壓器件。其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，vi是一個(gè)內(nèi)部的2.5v基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放特性可知，只有當(dāng)re嘲的電壓十分接近vi時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過

19、，而且隨著ref端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從 1到100m也化。圖7 tl431的功能模塊示意圖在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，一般輸出經(jīng)過 tl431 （可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤 差放大，tl431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個(gè)電流模式的pwme制器的開關(guān)時(shí) 間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出 pc817pc81加一個(gè)比較常用的光電耦合器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中腳1為 陽 極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。在開關(guān)電源中，當(dāng)電流流過光二極管時(shí)，二極管發(fā)光感應(yīng)三極管，對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整，從而控制 uc3842勺工作。同時(shí)pc

20、817光電耦合器不但可起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用圖8 pc817內(nèi)部框圖6、總體設(shè)計(jì)電路圖4 四、參數(shù)的計(jì)算與選擇(1)匝數(shù)比計(jì)算：u=230v流橋整流以后uq1=1.2*230=276v由于變比的取 g值要小于計(jì)算值，于是變壓器的變比取到 k=9,下面計(jì)算最大占空比d maxp(u0 1)*0.8nsn(ug -1) p(u0 1)ns= 9* 7*0.8275 9*7= 0.149,在電路的設(shè)計(jì)中我們?nèi)〉筋l率f=90khz,于是 tj =1 4=1.11*10,s,于是有 ugdmaxt = npbmaxae 得到f 9*10ug* d max*tnp=gbk=11.2,實(shí)際取到的原邊

21、的匝數(shù)為36,由原邊匝數(shù)及其變壓器的變比得到副邊繞組的匝數(shù)為ns=4匝(2)原邊電感及其氣隙長度的計(jì)算:由lp2pt i口 2，1spsp2r2uoio2*6*1ugdugd 0.9*276*0.149g g=0.324 ,lpugdt1 sp_ _5276*0.149*1.11*10=14.089*100.324-4lglfe 4*3.14*10： *0.809*104 5.14*10,lprn2p14.089*10/3622300= 7*10,m(3)輔助繞組的計(jì)算輔助繞組的計(jì)算和副邊繞組的計(jì)算方法一樣，只不過u = 12v ,于是有有關(guān)公式得變比k=4.845, ns1=7.43,取8匝

22、(4)電流檢測(cè)參數(shù)計(jì)算電流檢測(cè)電阻rs =乂噂 ipk0.7v1 pk=0%.324=2.16，取(5)電壓反饋控制參數(shù)計(jì)算500r1 =1kc,5.0maf max15 .ma = 7 5ma 0.8所以：r2 *-ukmin7.56 -1.2-2.5 =0.306ki17.550= 46。，于是根據(jù)已有的元件取到r2 =200i所以：ur2 =ifr2 3ma *200 =0.6vur3 =ur2 uf =0.6 1.2 = 1.8vir3 =、-if =20-3=17ma所以 r3 =ur3/ir3 =1.8/17 =106_ urefr6口 =2.5/200 12.5kj200a選取

23、r6 =10kr5 =(u。-u ref)-r6- =(6-2.5) *10/2.5 = 14k.1uref選取r用203電位器代替。五、在電路制作過程中遇到的問題和解決方法在此期間我們遇到了 一些問題和故障，下面將一一介紹出現(xiàn)的問題及解決方 案。(1)變壓器響聲刺耳原因分析：pc3845i勺三管腳電流取樣端有雜波引入，將其濾波 rcr值減 小，效果明顯。(2)電路制作完成，通電不能工作，整流橋無電壓輸出原因分析：電路焊接不牢，主電路有虛焊的情況發(fā)生。（ 3）變壓器工作后電壓上不去或電壓過高不降或其帶載能力差，加載時(shí)電壓下降嚴(yán)重。原因分析： 該設(shè)計(jì)具有反饋控制電路， 其主要作用是通過反饋控制穩(wěn)定輸出電壓，提高電源帶載能力。 該電源出現(xiàn)上述現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵摲答伩刂苹芈烦霈F(xiàn)問題， 例如線路連接錯(cuò)誤、 斷路、 虛焊等問題， 該問題在課程設(shè)計(jì)中比較常見，各種原因也得到了驗(yàn)證。（ 4）吸收電路的電阻發(fā)熱嚴(yán)重原因分析： 吸收電路就是將變壓器的漏感吸收掉， 漏感太大的話會(huì)使電流過大，使電阻發(fā)熱，后將4.7k的功率電阻換為31k的電阻。（5）滿載時(shí)輸出端的二極管fr307發(fā)熱冒煙原因分析：滿載時(shí)受紋波的影響輸出電流過大，超過了二極管的承受范圍，用兩個(gè)f