恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)正激式

恒流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)正激式第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、電源技術(shù)要求2、設(shè)計(jì)步驟3、變壓器設(shè)計(jì)4、輸出濾波器設(shè)計(jì)5、復(fù)位電路計(jì)算6、功率開(kāi)關(guān)管選擇7、輸出二極管選擇8、恒流輸出電路設(shè)計(jì)9、緩沖吸收電路設(shè)計(jì)10、控制電路設(shè)計(jì)11、PCB板布線12、電路仿真第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

電源技術(shù)要求選用單端正激式開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋱D如下，因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì)，也是開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用較多一種，并且它功率輸出在50～200W是最合適的[2]。設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：輸入電壓：交流220V±10%紋波電壓UP：0.5V輸出電壓UO：15V輸出波動(dòng)電流IP：±0.1A輸出電流IO：10A占空比：Dmax＝0.42目錄第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟開(kāi)始選用拓?fù)渥儔浩髟O(shè)計(jì)輸出整流。濾波設(shè)計(jì)功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)輸出反饋設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)高層功能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)試優(yōu)化設(shè)計(jì)EMI/RFI測(cè)試

目錄第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一變壓器設(shè)計(jì)1、輸出變壓器次級(jí)電壓U2計(jì)算UL是輸出扼流圈在內(nèi)次級(jí)線圈的電壓降，Uf是輸出二極管的正向電壓。最低的次級(jí)電壓U2min為：目錄第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一(設(shè)定肖特基二極管)，則2、初、次級(jí)線圈計(jì)算設(shè)輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的U1min值。根據(jù)中國(guó)輸配電情況U1=200～253V,則變壓比N為目錄第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表3-4[2]選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2磁心材質(zhì)相當(dāng)于TDK的H7C4,最大工作磁道密度Bm可從圖3-4中查得.實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約100℃，且要選擇能保持線性范圍的Bm，即0.3T以下。當(dāng)磁心溫度有100℃，工作頻率200KHz時(shí)，約減少0.1T而成為

。根據(jù)線圈計(jì)算公式則，因而次級(jí)N2=4，式中Bm為磁心的磁通密度（T）；S為磁心的有效截面積（mm2）。初級(jí)線圈的匝數(shù)則是確定

。次級(jí)線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進(jìn)行tonmax的修正計(jì)算。目錄第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一則有，Dmax修正結(jié)果為0.42,仍然在0.4～0.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。目錄設(shè)計(jì)步驟第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輸出濾波器設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈Lf與輸出濾波電容器Cf構(gòu)成的“L”型濾波器如下圖。電感線圈對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達(dá)到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。目錄第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1、輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì)電感L值為：目錄計(jì)算流入輸出扼流圈電流L為輸出扼流圈的電感（μH）；

為輸出電流的10%~30%。則有由此可見(jiàn)，需要11.86μH，10A的扼流圈。第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、輸出濾波電容的確定又因目錄輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓

雖要根據(jù)

和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻

確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%～0.5%范圍。就是在200HKz范圍內(nèi)，需要

值在37.5m以下電容器的。所以可以選擇20V，8200H，則

為31m,容許脈動(dòng)電流為2.9Ams.流向電容器的紋波電流為<2.9A,說(shuō)明電容合適第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、濾波器電阻設(shè)計(jì)目錄要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設(shè)電阻值為

則假設(shè)電阻電耗為設(shè)計(jì)步驟第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一復(fù)位電路計(jì)算

復(fù)位電路如圖所示。開(kāi)關(guān)功率管VT1接通時(shí)，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲(chǔ)存到T1，當(dāng)VT1截止時(shí)，即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到T1上以在VT1截止時(shí)通過(guò)VD1把磁能反饋到輸入。目錄第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄則磁復(fù)位串接在N3的中二極管VD1承受最大電壓為那么選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一功率開(kāi)關(guān)管選擇

右圖為MOSFET型功率開(kāi)關(guān)管，它主要具有驅(qū)動(dòng)功率小，器件功率容量大；第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR等優(yōu)點(diǎn)，也是目前開(kāi)關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開(kāi)關(guān)器件。

根據(jù)單端正激式變換器計(jì)開(kāi)關(guān)管VT1承受最大電壓公式得:目錄流過(guò)MOSFET開(kāi)關(guān)管最大電流為第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄型號(hào)最大承受電壓VDS（V）最大電流ID（A）最大功率損耗PD（W）封裝型號(hào)導(dǎo)通最大電阻值RDS（ON）

典型值Typ最大值Max正向降VGS（V）正向電流ID（A）2SK345327001080TO-3P(N)IS0.721.01052SK26038003100TO-220AB3.03.6101.52SK2883800375TO-220FL/SM3.03.6101.52SK2605800545TO-220()1.92.2103.02SK28848005100TO-220FL/SM1.92.2103.02SK26048005125TO-3P(N)1.92.2103.02SK27468007150TO-3P(N)1.31.7103.52SK2606800885TO-3P(N)IS1.01.2104.02SK26078009150TO-3P(N)1.01.2104.02SK3301900120PW-MOLD1.52.0100.52SK2845900140DP8.09.0100.52SK2733900160TO-220AB8.09.0100.52SK27189002.540TO-220()5.66.4101.52SK26089003100TO-220AB3.74.3101.5根據(jù)下面功率MOSFET表3.7，可以選擇東芝2SK2718型號(hào)。它的最高承受電壓為900V，允許最大電流為2.5A，而功率損耗是40W，是上面功率最小損耗的。設(shè)計(jì)步驟第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一輸出二極管選擇輸出二極管有肖特基二極管（SBD）,低損耗二極管（LLD）、高速二極管(FRD)。輸出為低壓大電流時(shí)應(yīng)采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復(fù)時(shí)間trr快的二極管。這是因?yàn)橹鏖_(kāi)關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會(huì)影響初級(jí)線圈開(kāi)關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí)，輸出噪聲也會(huì)受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。

1、選用正向壓降VDF小的整流二極管；2、選用反向恢復(fù)時(shí)間trr整流二極管；

3、選用正向恢復(fù)電壓VFRm整流二極管；

4、選用反向漏電流IR小整流二極管。目錄第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、續(xù)流二極管VD2選擇目錄續(xù)流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級(jí)電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式得:流過(guò)它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的，即Ir=Io=10A..可選擇低損耗二極管MBR1545作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，Uds=45V,IO=15A,trr＜1.0ns.可以選擇肖特基二極管IN5825,最大承受電壓UDS40V,額定電流為15A.,trr＜1.0ns第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一恒流輸出電路設(shè)計(jì)

任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能，均需對(duì)電源的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)取樣，與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)（P、PI、PID）。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開(kāi)關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定。下圖是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中Iref是電流設(shè)置基準(zhǔn)；CR是電流PI調(diào)節(jié)；Kfi是電流取樣反饋系數(shù)；RS、Ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測(cè)變換器輸出電流，適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi,通過(guò)P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過(guò)改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。目錄1、恒流輸出原理第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

下圖是恒流電源常用電路，其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并與基準(zhǔn)電壓Uref在放大器中進(jìn)行比較放大，然后將其送至調(diào)整管VT的基極，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管VT對(duì)輸出電流IO變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出的。目錄第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開(kāi)關(guān)恒流源電路構(gòu)成如下圖所示。MC7815為三端固定式集成穩(wěn)壓器，RL為L(zhǎng)ED二極管負(fù)載電阻，RW為可調(diào)電阻器。目錄2、恒流輸出計(jì)算工作原理：固定式集成穩(wěn)壓器工作在正常狀態(tài)，在輸出2和公共端3之間接一電位器RW，從而形成一固定恒流源。調(diào)節(jié)RW，可以改變電流的大小，其輸出電流為第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一式中Iq為MC7815的靜電流，小于10mA。當(dāng)RW較小即輸出電流較大時(shí)，可以忽略Iq。當(dāng)電路中電壓或者是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，MC7815用改變自身壓差來(lái)維持通過(guò)負(fù)載的電流不變的。

設(shè)RW=1~15時(shí)，那么它輸出恒定電流變化范圍目錄因此可以實(shí)現(xiàn)10A恒流輸出的。第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一緩沖吸收電路設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲(chǔ)效應(yīng)，反向恢復(fù)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)的碾壓尖峰脈沖。這些過(guò)電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設(shè)計(jì)尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如下目錄紅色框內(nèi)是緩沖電路從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當(dāng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉(zhuǎn)移到電容器中儲(chǔ)存，然后電容器的儲(chǔ)能通過(guò)電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會(huì)隨之而減少，以及減少損耗和可能出現(xiàn)振蕩第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制電路設(shè)計(jì)下面采用是μPC1094C控制電路目錄引腳號(hào)功

能引腳號(hào)功

能1死區(qū)時(shí)間控制8電源電壓2反饋9輸出晶體管集電極3過(guò)流閉鎖控制10輸出級(jí)輸出4懸空11輸出晶體管發(fā)射極5定時(shí)電容器12懸空6定時(shí)電阻器13通/斷控制時(shí)間7接地14基準(zhǔn)電壓芯片框圖及引腳說(shuō)明第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄功能說(shuō)明芯片說(shuō)明第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄1、振蕩器振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當(dāng)

時(shí)振蕩頻率

。2、啟動(dòng)電路啟動(dòng)電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過(guò)R10接在外部電路提供集電極電壓。3、限流電路過(guò)流保護(hù)電路由R18、R19

、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，引腳3上的電壓超過(guò)200mV的正負(fù)閥值，輸出級(jí)被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來(lái)之前，過(guò)流閉鎖器復(fù)位，對(duì)下個(gè)周期的過(guò)電流進(jìn)行檢測(cè)，限制脈沖寬度。4、過(guò)電壓保護(hù)電路

過(guò)電壓保護(hù)電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當(dāng)輸出電壓超過(guò)15V時(shí)，光電耦合器PC1動(dòng)作，經(jīng)過(guò)引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級(jí)鎖定為低電平。5、最大占空比的設(shè)定和軟啟動(dòng)最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來(lái)確定的。為了防止變壓器的磁飽和，當(dāng)電源電壓剛啟動(dòng)時(shí)，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF,占空比為最大的。6、輸出電壓控制電路輸出電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)R5、R6、R7組成分壓電路確定的：芯片說(shuō)明

電路圖設(shè)計(jì)步驟第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PCB布線在畫(huà)PCB布線時(shí)，應(yīng)先確定元器件的位置，然后布置地線、電源線、再安排高速信號(hào)線，最后考慮低速信號(hào)線[8]。（PCB原理圖見(jiàn)附錄）

元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在PCB的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射。1、電源在考慮安全條件下，電源線應(yīng)盡可能近地線，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。2、時(shí)鐘線、信號(hào)線和地線位置信號(hào)線與地線距離較近，形成的環(huán)面積較小；這樣才合理的。3、按邏輯速度分割當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，高速的器件應(yīng)按放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi)，而低速邏輯和存儲(chǔ)器，應(yīng)放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對(duì)共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。4、應(yīng)避免PCB導(dǎo)線的不連續(xù)性1）、跡線寬度不要突變；2）、導(dǎo)線不要突然拐角。目錄PCB板第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄國(guó)內(nèi)外電路仿真軟件：EDA、EWB、Multisim、MATLAB、SpecialPuipose等而在這次開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)是利用Multisim電路仿真軟件來(lái)測(cè)試電路的。Multisim仿真軟件是繼承了EWB軟件的諸多優(yōu)點(diǎn)的，并且在功能和操作方法上有很大改進(jìn)的。它可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強(qiáng)大的功能的，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的合理性電路仿真電路圖第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄1、仿真原理圖第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄2、進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)與波形仿真測(cè)試（1）、市電輸入交流電為220V，萬(wàn)用表讀數(shù)輸入電壓波形圖如下：

測(cè)量次數(shù)：12345平均值

輸入電壓值(V)：219.3218.3218.6219.5218.6218.9輸入電壓測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表1第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄（2）功率開(kāi)關(guān)管出發(fā)脈沖圖測(cè)試:第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄（3）輸出穩(wěn)壓波形測(cè)試：第32頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期一目錄（4）變壓器經(jīng)過(guò)整流后二次直流電壓測(cè)試：

測(cè)量次數(shù)：12