反激式電源設計報告

1、 電力電子技術課程設計報告 題 目： 單端反激式開關電源的設計 (160/5V) 學 院： 信息與控制工程學院 專業(yè)班級： 電氣12-5班 學生姓名： 日 期： 2015.7.62015.7.13 1、 課程設計目的（1）熟悉Power MosFET的使用；（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）增強設計、制作和調(diào)試電力電子電路的能力；2、 課程設計的要求與內(nèi)容本課程設計要求根據(jù)所提供的元器件設計并制作一個小功率的反激式開關電源。電源的輸入、輸出電壓有老師指定。我們是160V/5V?？梢杂萌f用版手焊，也可以畫PCB圖制作電路板，根據(jù)焊的或者畫的結果進行加分。3、 設計原理

2、1、 引言電力電子技術有三大應用領域：電力傳動、電力系統(tǒng)和電源。在各種用電設備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺設備的性能。電源可以分為線性電源和開關電源兩大類。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，實現(xiàn)穩(wěn)壓的輸出，電路簡單，但效率低。通常用于低于10W的電路中。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，是一種應用非常廣泛的開關電源，本課程設計就是設計一個反激變換器。1、開關型穩(wěn)壓電源的電路結構（1）按驅(qū)動方式分，有自激式和他

3、激式。（2）按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；PWM與PFM混合式。DC/DC變換器用于開關電源時，很多情況下要求輸入與輸出間進行電隔離。這時必須采用變壓器進行隔離，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)橹绷麟妷夯螂娏鳌Ｒ虼耍@類變換器又稱為逆變整流型變換器。DC/DC變換器有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

4、。2、反激變換器工作原理基本反激變換器如圖3所示。假設變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作如下：當有源開關Q導通時，變壓器原邊電流增加，會產(chǎn)生上正下負的感應電動勢，從而在副邊產(chǎn)生下正上負的感應電動勢，如圖3（a）所示，無源開關VD1因反偏而截止，輸出由電容C向負載提供能量，而原邊則從電源吸收能量，儲存于磁路中。當有源開關Q截止時，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會感應出上負下正的感應電動勢，故VD1正偏而導通，如圖3（b）所示，此時磁路中存儲的能量轉(zhuǎn)到副邊，并經(jīng)二極管VD1向負載供電，同時補充濾波電容C在前一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關Q導通時給負載提供能量外，還用

5、來限制輸出電壓上的開關頻率紋波分量，使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。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能和副邊放電兩個階段。原邊電流和副邊電流在這兩個階段中分別起到勵磁電流的作用。如果在下一次Q導通之前，副邊已將磁路的儲能放光，即副邊電流變?yōu)榱?，則稱變換器運行于斷續(xù)電流模式（DCM），反之，則在副邊還沒有將磁路的儲能放光，即在副邊電流沒有變?yōu)榱阒?，Q又導通，則稱變換器運行于連續(xù)電流模式（CCM）。通常反激變換器多設計為斷續(xù)電流模式（DCM）下。當變換器工作于CCM下時，輸出與輸入電壓、電流之間的關系如下：，其中，。當變換器工作于DCM下時，上述關系式仍然成立，只不

6、過此時的增益M變?yōu)椋海梢钥闯?，改變開關器件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，開關管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實際應用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開關Q截止時，沒有滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以習慣上將這種去磁回路稱為吸收電路，目的是將開關Q的電壓鉗位到合理的數(shù)值。在220VAC輸入的小功率開關電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路。其結構如圖4所示。圖4吸收電路4、 反激變換器的系統(tǒng)結構反激式變換器的

7、系統(tǒng)結構示意圖如圖5所示。由圖中可以看出，一個AC輸入DC輸出的反激式變換器主要由如下五部分構成：輸入電路、變壓器、控制電路、輸出電路和吸收電路構成。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，反激變換器的關鍵在于變壓器和控制電路的設計。這也是本次課程設計的重點。圖5 反激變換器的系統(tǒng)結構簡圖5、 反激式變換器的變壓器設計思路 鐵芯的選擇本來是變壓器設計的關鍵因素，因涉及到的內(nèi)容較多，而本次設計的時間有限，所以本次設計采用的是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導率為

8、，1000攝氏度時的飽和磁感應強度，鐵芯的初始磁導率為。 在本次實習中提供的變壓器的鐵芯是變壓器選擇的相關參數(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管Q的耐壓確定原副邊匝數(shù)比及其匝數(shù)：根據(jù)實習任務的要求;需要的直流輸出電壓為6V，由器件本身的參數(shù)可以知道開關管Q兩端所承受的最高的關斷電壓應為：，其中是考慮了整流二極管的導通壓降。如果考慮到漏感引起的的電壓尖峰，開關管兩端承受的關斷電壓為：，一般來說開關管的耐壓需要在這個基礎之上留下至少30%的裕量。假設開關管的耐壓極限為，。 這就求出了匝數(shù)比的上限

9、值，匝比只能比這個值小，不能比起大。在這個值的基礎上選擇一個匝比。就可以求出最大占空比，即最大導通時間。為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲能和放電總時間應該控制在0.8T以內(nèi)，所以 得：所以：（2）原副邊匝數(shù)的計算：根據(jù)器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導面積（80.9mm2），原邊的匝數(shù)應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，通常原邊的匝數(shù)取到這個計算之的兩倍。(3) 副邊匝數(shù)的計算 根據(jù)上面兩步的結果，很容易求出副邊匝數(shù)。（4）氣隙長度的計算在計算氣隙長度之前，首先應計算原邊的電感值。假設變壓器的輸出功率為，效率為，有以下關系成立：，其物理意義是，一個開關周期內(nèi)原

10、邊從電源吸收并存儲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，其中有以下關系；，則原邊的峰值電流為：，帶入上式可以得到初級電感。其中，為電感系數(shù)，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 6、控制系統(tǒng)的設計反激式變換器的控制芯片主要有TOPSwitch系列芯片、UC384X系列芯片等，其中，應用比較多的是UC384X系列芯片，屬于高性能固定頻率電流模式集成控制器，該集成芯片的特點是，具有振蕩器，溫度補償?shù)膮⒖?，高增益誤差放大器、電流比較器和大電流圖騰柱輸出，可直接驅(qū)動功率MOSFET，并能把占空比限制在50%內(nèi)。其控制對象是控制流過功率開

11、關管的峰值電流。UC3845的控制原理示意圖如圖6所示，它主要由以下四部分構成。振蕩器：振蕩器頻率由定時元件和決定（），振蕩器輸出固定頻率的脈沖信號，注意：由于UC3845會每隔一個時鐘周期關閉一次輸出，所以振蕩頻率是開關頻率的2倍。開關頻率通常取50KHz100KHz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)的輸出通過補償輸入引腳決定電流參考。在后面給出的電壓反饋電路設計中會有更詳細的說明。電流比較器：

12、電流比較器的門檻值error V 由誤差放大器的輸出給定，當電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時，電流門檻值就增大，使輸出到負載的能量增加。反之也一樣。觸發(fā)器&鎖存器脈寬調(diào)制：一方面，由振蕩器輸出的固定頻率的脈沖信號給鎖存器置位，開關管導通，電流sw I 線性增加，當電流檢測電阻s R 上的電壓達到電流比較器門檻值error V 時，電流比較器輸出高電平，給鎖存器復位，開關管關斷，電流比較器的輸出恢復低電平;另一方面，振蕩器輸出的脈沖信號同時輸入觸發(fā)器，使UC3845 每隔一個時鐘周期關閉一次輸出，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頻率的2 倍。 電

13、流型控制的優(yōu)點是本身具有過流保護功能，電流比較器實現(xiàn)對電流的逐周限制，屬于一種恒功率過載保護方法，即維持供給負載的恒功率。 整個控制部分的原理圖如下所示；圖7 UC3845控制原理示意圖7.UC3845的主要外圍電路設計（1） 供電UC3845啟動時，變壓器T不工作，電容2 aC 上電壓為0， 1aD 關斷。g U 通過電阻1aR 給電容1aC 充電，當UC3845的7腳電源電壓VCC的電壓達到8.5V后，UC3845開始工作。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行設計即可。UC3845的啟動電流只需1mA，因而限流電阻1aR 只需滿足給芯片提供1mA

14、的啟動電流。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1/4W電阻并聯(lián)來組成1aR 即可。UC3845的資料：UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關頻率；在反激式應用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時間從50%70%可調(diào)；自動前饋補償；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；啟動及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。圖6 UC3845芯片管腳圖1腳：輸出/補償，內(nèi)

15、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，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)部誤差放大器同向輸入端的基準電壓（2.5 V）進行比較，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。通過一個電阻接Vref通過一個電阻接地。5腳：接地。6腳：圖騰柱式PWM輸出，驅(qū)動能力為土1A.7腳：正電源腳。8腳：V ref，5V基準電壓，輸出電流可達50mA.（2） 電流檢測 接在功率MOSFET源極上的電流檢測電阻大概值為在測試時，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

16、與輸入電壓和控制IC隔離，常用光隔離器進行隔離。光耦的CTR（電流傳送比， ）會隨溫度而漂移，為了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，誤差放大器可以檢測到光耦的漂移引起的其輸出端的偏移，然后相應地去調(diào)整電流，這個誤差放大器可以用TL431。下圖給出了電壓反饋的拓撲。（3）TL431TL431是一個良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準電壓精密可調(diào)，輸出電流大等優(yōu)點，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是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運

17、放的反相輸入端。由運放特性可知，只有當REF端的電壓十分接近VI時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從1到100mA變化。圖7 TL431的功能模塊示意圖在開關電源設計中，一般輸出經(jīng)過TL431（可控分流基準）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(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)整一個電流模式的PWM控制器的開關時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。（3）PC817PC817是一個比較常用的光電耦合器,內(nèi)部結構如圖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。在開關電源中，當

18、電流流過光二極管時，二極管發(fā)光感應三極管，對輸出進行精確的調(diào)整，從而控制UC3842的工作。同時PC817光電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。 圖8 PC817內(nèi)部框圖 6、總體設計電路圖4、 參數(shù)的計算與選擇（1） 匝數(shù)比計算：U=160V整流橋整流以后=1.2*160=192V由于變比的取值要小于計算值，于是變壓器的變比取到K=10，下面計算最大占空比=，取D=0.18。在電路的設計中我們?nèi)〉筋l率f=90KHZ，于是S，于是有得到=10.08，實際取到的原邊的匝數(shù)為60，由原邊匝數(shù)及其變壓器的變比得到副邊繞組的匝數(shù)為匝。（2） 原邊電感及其氣隙長度的計算：由，（3） 輔助繞組的

19、計算輔助繞組的計算和副邊繞組的計算方法一樣，只不過，于是有有關公式得變比K=16.303，取9匝。（4） 電流檢測參數(shù)計算 電流檢測電阻，?。?） 電壓反饋控制參數(shù)計算， 所以：，于是根據(jù)已有的元件取到所以：所以，取選取選取用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）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。（2）變壓器響聲刺耳原因分析：變壓器繞的不夠緊，故將變壓器重繞。（3）電路制作完成，通電不能工作，整流橋有電壓輸出，12V穩(wěn)壓二極管有電壓，但始終上不去達不到啟動電壓，變壓器不工作。原因分析：輔助繞組匝數(shù)過少或者此回路有斷路的情況，使其不能正常使二極管升壓，為芯片供電。（4）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，加載時電壓下降嚴重。原因分析：該設計具有反饋控制電路，其主要作用是通過反饋控制穩(wěn)定輸出電壓，