100W反激式開關電源設計研究畢業(yè)論文26頁

1、目 錄摘 要.1前 言.21 緒論.41.1 開關電源的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 .41.1.1 開關電源發(fā)展現(xiàn)狀 .41.1.2 開關電源發(fā)展趨勢 .41.2 課題背景和研究意義 .42 開關電源概述.62.1 開關電源的分類和結構 .62.2 開關電源的工作原理 .62.2.1 開關電源電路的組成 .62.2.2 反激式開關電源的工作原理 .73 設計方案的比較與與選擇.83.1 本課題的設計要求 .83.2 系統(tǒng)設計整體架構 .83.3 開關電源控制電路的比較選擇 .83.3.1 控制電路分析 .83.3.2 UC3842 的工作原理和特點.93.3.3 TOP243Y 工作原理和特點.113

2、.4 電力場效應管 MOSFET.133.5 TL431 .153.6 系統(tǒng)原理圖 .153.6.1 系統(tǒng)原理 .163.6.2 電路主要參數(shù)的設計 .174 開關電源系統(tǒng)仿真.204.1 NI Multisim 10 系統(tǒng)簡介.204.2 本課題仿真結果 .21致 謝.24參 考 文 獻.24100W100W 反激式開關電源設計研究反激式開關電源設計研究摘摘 要要：隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源的應用越來越廣泛。開關電源以其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用于各種電氣設備和系統(tǒng)中，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。開關電源有多種類型，其中反激式開關電源由于具有線路簡單，所需要的

3、元器件少，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點而廣泛應用于小功率電源領域。隨著計算機技術的發(fā)展,開關電源的建模仿真研究對電源的設計起著重要的輔助作用,不僅可以縮短開發(fā)周期,而且可以節(jié)約成本,所以電源的建模仿真研究已成為當今開發(fā)開關電源必不可少的部分,而且隨著仿真軟件的完善,使得開關電源的仿真越來越簡單,可以仿真的部分與功能也越來越多。本文設計了一款 100W 反激式開關電源。關鍵詞：關鍵詞：反激；開關電源；拓撲結構；芯片AbstractAbstract：With the development of power electronics, switching power supply used more

4、and more widely. Switching power supply with its small, light weight and high efficiency characteristics, is widely used in various electrical equipment and systems, the merits of their performance is directly related to the realization of the whole system functions. There are many types of switchin

5、g power supply, including flyback switching power supply With simple circuit, the fewer components needed, can provide multiple advantages, such isolated output is widely used in low-power power supply field. With the development of computer technology, the modeling and simulation of Switching Power

6、 Supply have assistant effects on power design and study; it can not only shorten the researching and development cycle but also reduce the design cost. The modeling and simulation research of power supply have become the essential part for Switching Power Supply researching and developing, and as s

7、imulation software improved, the simulation of Switching Power Supply is simpler, the part and function of Switching Power Supply can be simulation also more and more.The paper designed a 100W flyback switching power supply.KeyKey words:words: Flyback ;Switching Power supplies;Topology Structure;Chi

8、p前言前言電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉，我們都離不開電。而電源是產生電能的裝置，表示電源性能的參數(shù)有功率、頻率、電流、電壓、效率、體積、重量等。因此，開關電源憑借著其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM） 、控制 IC 和 MOSFET 構成。開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經過變換電能，可以滿足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。正因為如此，1994 年我國原郵電部做出重大決策，要

9、求通信領域推廣使用開關電源以取代相控電源。開關電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：1) 電子管穩(wěn)壓電源時期(1950 年代)。此時期主要為電子管直流電源和磁飽和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。2) 晶體管穩(wěn)壓電源時期(1960 年代-1970 年代中期)。隨著晶體管技術的發(fā)展，晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。3) 低性能穩(wěn)壓電源時期(1970 年代-1980 年代末期)。出現(xiàn)了晶體管自激式開關穩(wěn)壓電源，工作頻率在 20kHz 以下，工作效率 60%左右。隨著壓控功率器件的出現(xiàn)，促進了電源技術的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設計簡化，可取代需要

10、強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率 MOSFET 的出現(xiàn)，構成了高頻電力電子技術，其開關頻率可達 l00kHz 以上，并且可并聯(lián)大電流輸出。4) 高性能的開關穩(wěn)壓電源時期(1990 年代至今)。隨著新型功率器件和脈寬調制(PWM)電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應用，出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠性的混合集成 DC-DC 電源。由于開關電源功耗小、效率高(可高達 70%-95%)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點，而線性電源效率低(一般低于 50%)，并且電壓轉換形式單一(只有降壓)等缺點，如今開關電源已逐漸取代線性電源。當然線性電源因為其低噪

11、聲、低紋波的優(yōu)點，在一些電子測量儀器、代線性電源 AD/DA 和取樣保持電路中，線形電源仍然無法被開關電源取代。開關電源通常由六大部分組成：輸入電路、功率因數(shù)校正、功率轉換、輸出電路、控制電路、頻率振蕩發(fā)生器。參考文獻24-68-11113-15詳細的講解了各個部分電路的工作原理、功能、設計方法以及參數(shù)的計算。參考文獻1研究的是共模傳導的模型分析了單相小功率回掃式開關電源的傳導干擾源和共模干擾傳播通道， 在細致分析回掃變壓器繞組和屏蔽層作用的基礎上， 建立了開關電源的共模傳導干擾電路模型。具體說明了各干擾源的作用。文獻12介紹了控制芯片 UC3842 的功能原理和其內部結構以及各管腳的功能。文

12、獻7介紹了采用實驗和仿真結果建立基于 Matlab 環(huán)境下的開關電源神經網絡模型的方法，以及利用該非線性神經網絡模型結合遺傳算法理論對開關電源的電路參數(shù)進行優(yōu)化設計的過程。文獻3對目前出現(xiàn)的幾種典型的開關電源技術作了歸納總結和分析比較，在此基礎上指出了開關電源技術的發(fā)展狀況和開關電源產品的發(fā)展趨勢。并且對開關電源的發(fā)展史、應用范圍、主電路的選擇作了簡要的介紹。1 1 緒論緒論1.11.1 開關電源的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢開關電源的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.1 開關電源發(fā)展現(xiàn)狀開關電源發(fā)展現(xiàn)狀從開關電源出現(xiàn)以來，其發(fā)展大致經歷了以下幾個階段：最早出現(xiàn)的開關電源是由分立器件組成的，其開關速度

13、慢、效率低，并且電路復雜、所含器件多、穩(wěn)定性差、設計和調試都很不容易；20 世紀 70 年代由于大集成電路的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，人們實現(xiàn)了開關電源控制電路的集成化，從而開關電源的體積減小，效率和穩(wěn)定性得到了很大的提高；20 世紀 80 年代研制成功了單片開關電源，它可以將開關電源的基本功能通過一個集成 IC 來實現(xiàn)，這種電源屬于一種高度集成化的交流一直流變換器；如今,隨著各種類型開關電源集成電路的不斷發(fā)展和控制芯片功能的不斷完善，電源的集成化程度越來越高,其效率和穩(wěn)定性也不斷的得到提高。.2 開關電源發(fā)展趨勢開關電源發(fā)展趨勢科學技術的日新月異，開關電源取得了快速的發(fā)展，其發(fā)展趨勢大

14、致為：1) 小型化和高頻化：開關電源的發(fā)展方向之一是小型化，降低其體積和重量，提高功率密度。為了實現(xiàn)電源高功率密度，必須提高 PWM 變換器的工作頻率，從而減小電路中儲能元件的體積和重量；2) 高效率：減少開關電源損耗，提高電能的轉換效率；3) 數(shù)字化：在功率電子技術中，控制部分最初是按模擬信號來設計和工作的。隨著數(shù)字信號處理技術的出現(xiàn)和日趨發(fā)展，并且越來越完善和成熟，數(shù)字電路顯得越來越重要，顯示出越來越多的優(yōu)點。因此數(shù)字開關電源已經廣泛應用，成為國內外開關電源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢；4) 模塊化：在設計的開關電源時，應盡可能使用較少的器件，提高集成度，采用大規(guī)模集成電路和模塊化設計。通過以上幾個

15、方面的不斷發(fā)展，使開關電源技術的越來越成熟，從而實現(xiàn)了高品質和高效率用電的結合。1.21.2 課題背景和研究意義課題背景和研究意義在電力電子技術高速發(fā)展的時代，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源的結構簡單。其中的關鍵元件是穩(wěn)壓調整管，電源工作時檢測輸出電壓，通過反饋電路對穩(wěn)壓調

16、整管的基極電流進行負反饋控制。這樣，當輸入電壓發(fā)生變化，或負載變化引起電源的輸出電壓變化時，就可以通過改變穩(wěn)壓調整管的管壓降來使輸出電壓穩(wěn)定。為了使穩(wěn)壓調整管可以發(fā)揮足夠的調節(jié)作用，穩(wěn)壓調整管必須工作在線性放大狀態(tài)，且保持一定的管壓降。因此，這種電源被稱為線性穩(wěn)壓電源。早期的開關電源的頻率僅為幾千赫，隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進，開關頻率才得以提高。20 世紀 60 年代末，垂直導電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管(亦稱巨型晶體管、BJT、GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關電源得以問世。但當開關頻率達到 10KHZ 左右時，變壓器、電感等磁性元件發(fā)出很刺耳的噪聲，給工作和生

17、產造成了很大噪聲污染。為了減小噪聲，并進一步減小電源體積，在 20 世紀 70 年代，新型電力電子器件的發(fā)展給開關電源的發(fā)展提供了物質條件。開關頻率終于突破了人耳聽覺極限的 20KHZ。電子技術的迅猛發(fā)展一方面帶動了電源技術的發(fā)展，一方面也對電源產品提出了越來越高的要求。體積小、重量輕、高效能、高可靠性的“綠色電源”已成為下一代電源產品的發(fā)展趨勢。功率密度的急劇增大導致電源內部電磁環(huán)境越來越復雜，因之產生的電磁干擾對電源本身及周圍電子設備的正常工作都造成威脅。同時隨著國際電磁兼容法規(guī)的日益嚴格，產品的EMC性能指標直接關系到其推向市場的時間。高效反激式開關電源以其電路抗干擾、高效、穩(wěn)定性好、成

18、本低廉等許多優(yōu)點，特別適合小功率的電源以及各種電源適配器，具有較高的實用性。本設計就是設計一款低功耗的反激式開關電源控制IC。該芯片應具有以下特點：突出的性價比，較少的外圍元件；能耗低，具有綠色模式功能，使系統(tǒng)在空載或輕載時工作在較低的頻率下，能夠有效減少能耗；具備各種完善的保護電路，在各種突發(fā)情況下仍能保證系統(tǒng)安全；優(yōu)秀的抗電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)特性；體積小，重量輕，適用于多種便攜設備及電源適配器。本課題研究的是開關電源及其幾個研究熱點，符合開關電源的發(fā)展方向，有助于新技術在國內開關電源中的應用。理論聯(lián)系實際，通過對開關電源的研究，可以使

19、得理論知識應用于實際工程中，同時也培養(yǎng)了我的科研能力和創(chuàng)新意識。2 2 開關電源概述開關電源概述2.12.1 開關電源的分類和結構開關電源的分類和結構開關電源的結構有多種：1) 按驅動方式分：有自勵式和他勵式；2) 按電路控制方式分：有脈寬調制式(PWM)式、脈沖頻率調制(PFM)均式和 PWM與 PFM 混合式；3) 按電路組成分：有諧振型和非諧振型；4) 按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分：有隔離式、非隔離式和變壓器耦合式、光藕耦合式等；5) 按變換器的工作方式分：有單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式和升降壓式等。2.22.2 開關電源的工作原理開關電源的工作原

20、理.1 開關電源電路的組成開關電源電路的組成開關電源通常由六大部分組成，如圖 2-1 所示。低通濾波交流輸入電壓220V一次整流有源調整電子開關高頻變壓器二次整流平滑濾波iV直流輸出0V采樣輸出比較器誤差放大脈寬調制脈沖驅動基準電壓輸入電路功率因數(shù)校正 功率 轉換輸出電路控制電路頻率振蕩發(fā)生器圖圖 2-12-1 開關電源工作原理框圖開關電源工作原理框圖第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環(huán)節(jié)。交流電直接經低V220通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓，經第二部分功率因數(shù)校正，提高其iViV功率因數(shù)，保持輸入電流與輸入電壓同相。第三部分是功率轉換，由電子開關和高頻變壓

21、器完成，把高功率因數(shù)的直流電壓變換成受控制的、符合設計要求的高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，將高頻方波脈沖電壓經整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經分壓、采樣后與基準電壓進行比較放大。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈沖調制，達到脈沖寬度可調。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說開關電源的實質就是電源變換。.2 反激式開關電源的工作原理反激式開關電源的工作原理反激式開關電源的反激是指變壓器的初級極性與次級極性相反。如果變壓器的初級上端為正，則次級上端為負?；倦娐啡鐖D 2-2 所示：CinV1N2N1V2VLR圖

22、圖 2-22-2 反激式開關電源原理圖反激式開關電源原理圖當 PWM 控制的 MOSFET 管導通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管 VD 處于反偏壓狀態(tài)，二極管 VD 截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載當 PWM 控制的 MOSFET 管截止時，變壓器初級所積蓄的電能向次級傳送，這時變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉下端為負、上端為正，使二極管 VD 正向導通，給輸出電容 C 充電，同時負載上也有電流流過，變壓器在電路中既起著變壓器的作用，LRI又起著電感儲能的作用。當變壓器初級儲存的電能釋放到一定程度后，電源電壓通過變壓器的初級繞組inV向三極管

23、 VT 的集電極充電，又開始儲能。上升到一定程度后，三極管 VT 截1N1N1V止，又開始了新一輪的放電。DVNNVin1203 3 設計方案的比較與選擇設計方案的比較與選擇3.13.1 本課題的設計要求本課題的設計要求本課題的設計要求如下：1) 電路形式：單端反激式；2) 輸 入： ；HZ50220 、VDC3) 輸 出：；8.3A12V100W、電流、電壓功率4) 開關管頻率： HZ1003.23.2 系統(tǒng)設計整體架構系統(tǒng)設計整體架構本設計單端反激式開關電源系統(tǒng)級設計整體架構如圖 3-1 所示，主要包括：前級保護電路、EMI 濾波電路、整流電路、RCD 鉗位電路、反激變換電路、同步整流電路

24、、輸出濾波電路、反饋電路、控制電路等。iU濾波電路整流電路反激變換電路輸出濾波電路0U反饋電路控制電路控制部分圖圖 3-13-1 系統(tǒng)整體架構圖系統(tǒng)整體架構圖工作過程分析：接入交流電，經過濾波電路之后；進行 EMI 電磁濾波，V220iu濾除電源接入噪聲和自身噪聲干擾；橋式整流為左右的直流電壓；通過反激式主V310變換電路進行電壓變換，主電路包括高頻變壓器、和功率開關管；經過變壓器二次側變換之后送至后級同步整流電路進行整流濾波；如輸出濾波效果不明顯，可增加后級濾波電路；在交流輸入電壓波動時，為了保證輸出穩(wěn)定，需要進行負反饋調節(jié)，從后級輸出端進行采樣，采樣信號送至控制電路，經過取樣、比較、放大等

25、環(huán)節(jié)產生比oU率可調的脈沖信號來控制開關管作出相應調整，從而使輸出穩(wěn)定。3.33.3 開關電源控制電路的比較選擇開關電源控制電路的比較選擇.1 控制電路分析控制電路分析在開關電源中，控制電路的主要功能是為開關管提供比率可調的驅動脈沖，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。常用的調制方式有三種：PWM 脈寬調制、PFM 脈頻調制和PWM-PFM 調寬調頻混合電路。a) PWM 脈沖寬度調制PWM 調制方式就是控制芯片根據輸入電壓的變化，使輸出脈沖寬度發(fā)生變化的一種調制方式。在調制期間脈沖周期是固定不變的。不論是負載電流發(fā)生變化，還是T輸入電壓發(fā)生變化，都會引起輸出電壓的變化，通過反饋采樣這

26、個變化，然后經過穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，最終使輸出脈沖寬度改變，從而達到輸出穩(wěn)定電壓的目的。即不變，T發(fā)生變化，即脈沖寬度改變。onTb) PFM 脈沖頻率調制PFM 調制方式就是控制芯片根據輸入電壓的變化，使輸出脈沖周期發(fā)生變化的一種調制方式。即脈沖寬度不變化，而周期發(fā)生變化，即頻率改變。onTc) PWM-PFM 脈寬脈頻綜合調制PWM-PFM 脈寬脈頻綜合調制方式就是控制芯片根據輸入電壓的變化，不但使輸出脈沖寬度發(fā)生變化，而且頻率也同時發(fā)生變化的一種調制方式。PWM-PFM 調制方式是同時改變周期和導通時間兩個參數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。PWM-PFM 兼有 PWM 和 PFM TonT的優(yōu)點。本設

27、計采用第一種 PWM 調制方式，屬于 PWM 調制方式中的電流反饋模式。.2 UC3842UC3842 的工作原理和特點的工作原理和特點UC3842是國內應用比較廣泛的一種電源集成控制器，由尤尼創(chuàng)（Unitrode）公司開發(fā)的新型控制器件。它是一種高性能的固定頻率電流模式控制型脈寬調制器，所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高。并且為

28、設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案，這些集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償?shù)膮⒖肌⒏咝б嬲`差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率MOSFET的理想器件。主要特點如下：1) 微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比；2) 電流模式工作到500kHZ： 3) 自動前饋補償；4) 鎖存脈寬調制，可逐周限流；5) 內部微調的參考電壓，帶欠壓鎖定；6) 大電流圖騰柱輸出；7) 欠壓鎖定，帶滯后。a) UC3842 內部結構UC3842 為雙列 8 腳單端輸出的它激式開關電源驅動集成電路。其內部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PW

29、M 鎖存電路、基準電壓、欠壓鎖定電路、V5圖騰柱輸出電路、輸出電路等。下圖 3-2 示出了 UC3842 的引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有 8 個引腳，各腳功能如圖 3-2：圖圖 3-23-2 UC3842UC3842 引腳排列圖引腳排列圖腳 COMP：誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳:反饋電壓輸入端，管腳電壓與誤差放大器同相端的基準電壓進行FBVV5 . 2對比，產生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳：為電流檢測輸入端，通過一個和開關管串聯(lián)的電阻將流過變壓器初級的SI電流轉換為電壓信號，將此電壓送入腳，從而來調節(jié)脈沖寬度。并

30、且當取樣電壓大于時，芯片停止工作，起到保護開關管作用；V1腳：為定時端，內部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，TTCR /，將和腳連接，和地相連，以確定振蕩器的頻率；)/(72. 1TTCRfTRrefVTC腳 GND：為公共地端；腳 OUTPUT：為推挽輸出端，內部為圖騰柱式輸出，上升、下降時間僅為，ns50驅動能力為 ；A1腳：是直流電源供電端，該芯片的啟動電壓為，低壓鎖定門限。ccVV16V10具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為；mW15腳：為基準電壓輸出端，有的負載能力。refVV5mA50b) UC3842 的工作原理UC3842 是單電源供電，帶電流正向補償，單路調制輸出的集

31、成芯片，主要用于高頻中小容量開關電源，用它構成的電路在驅動開關管時，通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋電路經電阻分壓得到的信號與內部基準進行比較，誤差比較器的輸V5 . 2出端與反向輸入端用 RC 元件接成補償網絡，誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進行比較，從而控制 PWM 序列的占空比，達到電路穩(wěn)定的目的。它主要包括高頻振蕩、誤差比較、欠壓鎖定、電流取樣比較、脈寬調制鎖存等功能電路。芯片工作起動電壓是，關閉電壓是，的起動與關閉電壓差可有效防止電路在閥值電壓附近工V16V10V6作而引起的振蕩。芯片起動電流為，所以，芯片可以對高壓用電阻降壓起動，待mA1起動完成后由饋電繞組供電。還提供的基準

32、電壓,帶載能力。在 UC3842 的輸V5mA50入端與地之間，還有的穩(wěn)壓管，一旦輸入端出現(xiàn)高壓，該穩(wěn)壓管就被反向擊穿，V34將供電電壓鉗位于，保護芯片不致?lián)p壞。V3.3 TOP243YTOP243Y 工作原理和特點工作原理和特點TOPSwitch 系列器件是三端離線式 PWM 開關器件(Three terminal off line PWM Switch)。第四代單片開關電源 TOPSwitch-GX 是一個集成的開關模式電源芯片。通過高電壓電源 MOS 管的漏極 D 輸入量來改變輸入占空比的大小從而使輸出穩(wěn)定。在正常工作情況下，功率 MOS 管的占空比隨控制引腳電流的增加

33、而線性減少。第四代 TOPSwitch-GX 芯片具有以下特點：1) 功率擴展到最大，適合構成大、中功率的高效率、隔離式開關電源；W2502) 外圍電路簡單，成本低廉；3) 完全集成的軟啟動，限制啟動時的峰值電流和電壓，顯著降低或消ms10除大多數(shù)應用中的輸出過沖；4) 對于大多電源來說，可寬范圍輸入，具有更小的輸出電容；5) 在 Y/R/F 封裝上有離線和電流限制管腳；6) 具有線性限壓檢測，無關斷尖峰干擾；7) 頻率抖動可減少 EMI；8) 用單電阻設置可同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護；9) 在輕載時，頻率減小能降低開關損耗和維持穩(wěn)定的輸出，保持多路輸出電源具有良好的交叉穩(wěn)壓精度，且空載時不需要假

34、負載；10) 有電壓前饋，能有效減少電源紋波，增加承受瞬態(tài)干擾和浪涌電壓的能力。a) TOP243Y 內部結構其內部結構圖如圖 3-3：圖圖 3-33-3 TOP243YTOP243Y 的內部結構圖的內部結構圖TOP243Y 控制芯片主要由控制電壓源、帶隙基準電壓源、頻率抖動振蕩器、軟啟動電路等 18 部分組成,具體結構如上圖 3-3 所示。外部有 6 個管腳腳，管腳功能描述如下：D 管腳：高電壓電源 MOS 管漏極 D 輸出。內部起始偏置電流通過一個轉換高電壓電流源來驅動這個管腳。漏極電流的內部流限檢測點。C 管腳：誤差放大器和反饋電流輸入管腳用于調節(jié)占空比的大小。與內部并聯(lián)調整器相連接，提

35、供正常工作時的內部偏置電流。也用作電源旁路和自動重啟動/補償電容的連接點。L 管腳：對于 OV(過壓)，UV(欠壓)的輸出管腳,線路檢測伴隨著 減少，開關開通或關斷及同步性。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。maxDX 管腳：外部流限調節(jié)、遠程開/關控制和同步輸入引腳。連接至源極引腳則禁用此引腳的所有功能。F 管腳：這個管腳是用來選擇輸入開環(huán)頻率的。連接到 S 管腳時，則輸出132kHz，如果與 C 管腳相連，則輸出為 66kHz。S 管腳：這個引腳是功率 MOS 管的源極連接點，用于高壓功率的回路，也是初級控制電路的公共點及參考地點。b) TOP243Y 工作原理分析TOP243Y 是利

36、用反饋電流 IC來調節(jié)占空比 D，從而達到穩(wěn)定的目的，屬于 PWM 型電流反饋模式。當 V0降低時，經過光耦反饋電路使得 IC減少，則占空比 D 相應增大，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。芯片內部具體工作過程分析如下：在啟動的過程中，當濾波后的直流高電壓加在D 管腳時，MOS 管起初出于關斷狀態(tài)，在開關高電壓電流源連接在 D 管腳和 C 管腳之間，C 管腳電容被充電。當 C 管腳的電壓 VC達到大概 5.8V 的時候，控制電路被激活并開始軟啟動。在 10ms 左右時間內，軟啟動電路使 MOS 管的占空比從零逐漸上升到最大值。如果在軟啟動末期，沒有內部的反饋和電流回路加在管腳 C 上，高電壓電流源將

37、轉向，C 管腳在控制回路之間通過放電來維持驅動電流。對 UC3842 和 TOP243Y 的結構特點、功能特點以及優(yōu)缺點對比，本設計采用UC3842。3.43.4 電力場效應管電力場效應管 MOSFETMOSFET開關電源中的功率開關晶體管是影響電源可靠性的關鍵器件。開關電源所出現(xiàn)的故障中約 60%是功率開關晶體管損壞引起的。主電路中用作開關的功率管主要有雙極型晶體管和 MOSFET 兩種。隨著綠色開關電源的發(fā)展，IGBT、BSIT 及聯(lián)柵晶體管（GAT）等新型功率開關器件也不斷地涌現(xiàn)。因為開關管的工作頻率為 100kHz,故選擇 MOSFET 作為開關管。MOSFET 分為 P 溝道耗盡型、

38、P 溝道增強型、N 溝道耗盡型和 N 溝道增強型 4 中類型。增強型 MOSFET 具有應用方便的“常閉” （即驅動信號為零時，輸出電流為零）特性。在開關電源中，用作開關功率管的 MOSFET 幾乎全部都是溝道增強型器件。這是因為MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的存儲時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非常快的開關速度。a) 場效應管的主要參數(shù)介紹：漏源擊穿電壓，表征功率管的耐壓極限。DSBV最大漏極電流，在特性曲線飽和區(qū)中,漏極電流達到的飽和值。maxDI閥值電壓，又稱開啟電壓,是指功率 MOSFET 流過一定量的漏極電流時的

39、thGSV最小柵源電壓。當柵源電壓大于閥值電壓時,功率 MOSFET 開始導通。閥值電壓 thGSV一般在之間。 thGSVVV55 . 1導通電阻，導通電阻是指在確定的柵源電壓下，功率 MOSFET 處于恒流ONRGSV區(qū)的直流電阻，它與輸出特性密切相關,在開關電源中，決定了輸出電壓和自身的ONR損耗。一般導通電阻小,漏源擊穿電壓高的 MOSFET 好。現(xiàn)在的工藝水平可以ONRDSBV達到 1以下?？鐚?互導)，表征功率 MOSFET 的放大性能。mg最高工作頻率，在漏源電壓的作用下，電子從源區(qū)通過溝道到漏區(qū)是需mfDSV要一定時間的。當柵源之間的控制信號的周期與此時間相當時，電子就來不及跟

40、隨控制信號。這個信號的頻率就是最高工作頻率。我們選用 MOSFET 的原因之一便是由于它的響應頻率較高，一般達到幾百 KHZ。導通時間，和關斷時間，MOSFET 是依靠多數(shù)載流子傳導電流的。一般ontofft來說,影響開關速度的主要因數(shù)是器件的輸入電阻、輸入電容、輸出電阻、inRinCoutR輸出電容。導通時間定義為：從輸入信號波形上升至幅值 10%到輸出信號下降outCont至幅值的 90%所需時間；關斷時間定義為：從輸入信號波形下降至幅值的 90%到輸offt出信號上升至幅值的 10%所需時間:開關時間幾乎與溫度變化無關，但與柵極驅動電源以及漏極所接的負載性質、大小有關。一般導通時間為幾十

41、納秒，關斷時間ont為幾百到幾千納秒。隨增加而增加，卻隨增加而減小。offtontDIofftDI極間電容,極間電容是影響開關頻率的主要因數(shù)。b) 功率 MOSFET 與功率晶體管的比較：功率 MOSFET 比功率晶體管有如下的優(yōu)點：1) 開關速度非常快;功率 MOSFET 是多數(shù)載流子器件，不存在功率 BJT 的少數(shù)載流子存貯效應,所以具有非常快的開關速度。一般低壓器件開關時間為10ns 數(shù)量級，高壓器件為 100ns 數(shù)量級。特別適合于制作高頻開關,可以大大減少元件的損耗、尺寸和重量。2) 高輸入阻抗和低驅動電流；直流電阻達以上，因而它的輸入阻抗極M40高，是一種理想的電壓控制器件。平均直

42、流驅動電流很小，在 100nA 數(shù)量級。3) 安全工作區(qū)大;功率 MOSFET 沒有二次擊穿。4) 漏極電流為負的溫度系數(shù)有良好的熱穩(wěn)定性?？梢院唵蔚夭⒙?lián)以增加其電流容量。c) MOSFET 的驅動：功率 MOSFET 工作頻率可以達到很高，但是當功率 MOSFET 工作在高頻時，就會出現(xiàn)振蕩。為了防止振蕩,應注意兩點：1) 盡可能減少功率 MOSFET 各端點的連線長度，特別是柵極引線?；蛘咴诳拷鼥艠O處串聯(lián)一個小電阻以便抑制寄生振蕩；2) 由于功率 MOSFET 的輸入阻抗高，驅動電源的阻抗必須比較低，以避免正反饋所引起的振蕩。3.53.5 TL431TL431TL431 是一個有良好的熱穩(wěn)

43、定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從（2.5V）到 36V 范圍內的任何值。erfV基本應用電路如下圖 3-4：圖圖 3-43-4 TL431TL431 基本應用電路圖基本應用電路圖3.63.6 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖經過對開關電源工作原理的分析與了解，以及對輸入電路、主電路、輸出電路、反饋電路和控制電路的構成和各電路器件的選擇，設計出了本課題要求的原理圖如圖3-5：圖圖 3-53-5 100W100W 反激式開關電源原理圖反激式開關電源原理圖.1 系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理本文以 UC3842 為核心控制部件，設計一款 AC 220V 輸人，DC 12V

44、 功率 100W 輸出的單端反激式開關穩(wěn)壓電源。開關電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應特性。主要的功能模塊包括:啟動電路、過流過壓欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。a) 啟動電路如圖 3-5 所示，交流電由、進行低通濾波，是單級低通濾波電路。其中1CL2C、組成抗串模干擾電路，所用的電容啥聚酯電容，用于抑制正態(tài)噪聲。低通濾1C2C波回路啥開關電源輸入的“大門” ，電網電力就是經低通濾波進入的。它有兩個作用：第一，防止輸入電源竄入噪聲干擾，同時還要抑制浪涌

45、電壓、尖峰電壓的進入；第二，阻止、限制開關電源所產生的噪聲、高頻電磁干擾信號通過輸入電線饋進入電網。濾波后的交流電壓經橋式整流以及電解電容濾波后變成的脈動直41DD 3CV310流電壓，此電壓經降壓后給充電，當?shù)碾妷哼_到 UC3842 的啟動電壓門檻值時,1R5C5CUC3842 開始工作并提供驅動脈沖，由腳 6 輸出推動開關管工作。隨著 UC3842 的啟動，的工作也就基本結束，余下的任務交給反饋繞組，由反饋繞組產生電壓給 UC3842 供1R電。由于輸入電壓超過了 UC3842 的工作，為了避免意外，用穩(wěn)壓管限定 UC3842 的6D輸人電壓，否則將出現(xiàn) UC3842 被損壞的情況。b)

46、短路過流、過壓、欠壓保護電路由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時會導致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生。因此，電路必須具有一定的保護功能。如圖 3-5 所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產生過流，開關管的漏極電流將大幅度上升，兩端的電壓上升，UC3842 的腳 3 上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常4R值 0.3V 達到 1V(即電流超過 1.5A)時，UC3842 的 PWM 比較器輸出高電平，使 PWM 鎖存器復位，關閉輸出。這時，UC3842 的腳 6 無輸出，MOS 管截止，從而保護了電路。1Q如果供電電壓發(fā)生過壓(在 265V 以上)，UC3842

47、 無法調節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，UC3842 的腳 7 供電電壓也急劇上升，其腳 2 的電壓也上升，關閉輸出。如果電網的電壓低于 85V,UC3842 的腳 1 電壓也下降，當下降 1V(正常值是 3.4V)以下時，PWM 比較器輸出高電平，使 PWM 鎖存器復位，關閉輸出。因此，此電路具有過壓、欠壓雙重保護。c) 反饋電路反饋電路采用精密穩(wěn)壓源 TL431 和線性光耦 PC817（由于仿真軟件 multisim 中沒有 PC817 故用其他元件代替） 。利用 TL431 可調式精密穩(wěn)壓器構成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調整。如圖 3-5 所示，、是精密穩(wěn)壓源

48、的外接控8R9R制電阻，它決定輸出電壓的高低，和 TL431 一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時，取樣電壓也隨之升高，設定電壓大于基準電壓（2.5V） ，使 TL431 內的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內驅動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓下降，最oV后趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設置電壓下降，當輸出電壓低于設置電壓時，oV誤差放大器的輸出電壓下降，片內的驅動三極管的輸出電壓升高，最終使得 UC3842 的腳 1 的補償輸人電流隨之變化，促使片內對 PWM 比較器進行調節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。d) 輸出整流濾波電路輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的

49、性能。開關電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。1) 輸人電源的噪聲，是指輸人電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸人端加電容，以濾除此噪聲干擾。8C2) 高頻信號噪聲，開關電源中對直流輸人進行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用型濾波的方式。濾波電感采用電感，可濾除高頻噪聲。uH33) 采用快速恢復二極管整流?；诘蛪?、功耗低、大電流的特點，有利于提7D高電源的效率，其反向恢復時間短，有利于減少高頻噪聲。.2 電路主要參數(shù)的設計電路

50、主要參數(shù)的設計a) 開關穩(wěn)壓電源中 RCD 箝位參數(shù)計算單端反激式開關電源具有結構簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓升降范圍寬、易于多路輸出、可靠性高、造價低等優(yōu)點，廣泛應用于小功率場合。然而，反激變換器在功率開關管關斷的瞬間，由于變壓器漏感的存在，會產生較大的尖峰電壓，這個電壓可能會超過開關管的額定值，從而給變換器帶來嚴重危害，同時在開關管上產生較大的關斷損耗及電磁干擾。為了消除這些隱患，需要在變壓器原邊側采用箝位電路和在開關管上并聯(lián)緩沖電路，在反激式變換器中，箝位電路采用 RCD 形式具有結構簡單，成本低廉等優(yōu)點，因此這里采用 RCD 網絡作為反激電路的箝位電路和開關管的緩沖電路。下圖 3-6

51、為 RCD 箝位電路：圖圖 3-63-6 RCDRCD 箝位電路箝位電路圖 3-6 中：箝位電容兩端間的電壓；輸入電壓；開關管漏極電壓；clampV6CinVDV初級繞組的電感量；初級繞組的漏感量。該圖中 RCD 箝位電路的工作原理是：pLlkL當開關管導通時，能量存儲在和中，當反激式變換器中 RCD 箝位電路的開關管pLlkL關閉時，中的能量將轉移到副邊輸出,但漏感中的能量將不會傳遞到副邊。如pLlkL果沒有 RCD 箝位電路，中的能量將會在開關管關斷瞬間轉移到開關管的漏源極間lkL電容和電路中的其它雜散電容中，此時開關管的漏極將會承受較高的開關應力。若加上 RCD 箝位電路， 中的大部分能

52、量將在開關管關斷瞬間轉移到箝位電路的箝位電lkL容上，然后這部分能量被箝位電阻消耗。這樣就大大咸少了開關管的電壓應力。2R計算箝位電容和箝位電阻可以通過以下公式計算：6C2R （3-1）22RVPclampclampR （3-2）ORclampORclampRVVVWWW11式中：箝位電阻消耗的能量；：初級繞組漏感中存儲的能量；clamp-RW2RlW：次級到初級的折射電壓。：箝位電壓；將能量轉換為平均功率則(3-1)ORVclampV式可變?yōu)椋?（3-3）ROclampROpeakdsksclampRVVVILfP1)(2121式中：變換器的工作頻率；：初級繞組的漏感量；：開關管的sflkL

53、peak-dsI最大峰值電流(即低壓滿載時的峰值電流)。這樣由(3-1)、(3-3)式就可得到箝位電阻的計算公式： （3-4）speakdslkclampVclampfIIVVROR22)(2箝位電容的值應取得足夠大以保證其在吸收漏感能量時自身的脈動電壓足夠6C小，通常取這個脈動電壓為箝位電壓的 5%-10% ，這樣，就可通過下式來確定的最6C小值。 （3-5）sclampclampfRVVC26b) 變壓器設計中注意事項：1) 首先要確定變壓器應用的電路結構, 再采用正確的計算方法選擇最優(yōu)磁芯。2) 在通過窗口充填系數(shù)核算磁芯窗口面積時, 如果窗口的利用率過大或過小都必須重新選擇磁芯, 重新

54、開始設計。3) 由于磁芯的磁通量越大磁芯體積越小, 在設計過程中可先根據窗口面積選擇最小的鐵芯體積, 再根據工作頻率選擇合適的磁芯頻率和磁通量。因此, 為了降低損耗要綜合上述兩個方面的因素來合理地選擇磁芯。4) 為了減少繞組的損耗, 可從如下三個方面綜合考慮: 第一，要減少電路中的諧波分量； 第二, 繞組導線要細化； 第三，選擇合適的繞線方式。5) 設計中要根據損耗的大小考慮溫升問題并留有余地, 以保證變壓器能夠正常工作。6) 設計中, 在最大輸出功率時, 磁芯中的磁感應強度不應達到飽和, 以免在大信號時產生失真。7) AP 法對于已形成標準化和系列化的鐵氧體磁心非常有效, 卻不適用于目前尚無

55、統(tǒng)一形狀及尺寸系列標準的非晶及納米晶軟磁合金。因此, 對于采用納米晶軟磁合金材料的變壓器, 其磁心參數(shù)需采取其它設計方法。4 4 開關電源系統(tǒng)仿真開關電源系統(tǒng)仿真借助于計算機技術的飛速發(fā)展，通過對設計理論的計算機建模仿真研究，可以對開關電源的設計起到重要的輔助作用，不僅可以縮短開發(fā)周期，還可以降低設計成本，所以開關電源的建模仿真研究己成為當今開發(fā)開關電源的必不可少的部分。伴隨著開關電源的高頻化與新技術的出現(xiàn)，電路更加復雜,電源的建模更加困難，對電源的建模仿真也提出了更高的要求，優(yōu)化電路設計，立合適的模型也成為許多研究者研究的新課題。本文在硬件設計的基礎之上，搭建合理的仿真模型，對設計的開關電源

56、進行仿真和驗證。由于 Multisim 的元件庫中提供了 UC3842 的模型，所以本設計的仿真時基于 Multisim 進行的。4.14.1 NINI MultisimMultisim 1010 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)簡介Multisim 是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以 Windows 為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的 SPICE 技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim 和虛擬儀器技術，PCB 設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。本課題所用的版本為 NI Multisim 10，NI Multisim 10 是美國國家儀器公司（NI，National Instruments）推出的 Multisim 最新版本。NI Multisim 10 的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元