開關(guān)電源課程設(shè)計(jì)匯本

...wd......wd......wd...目錄一、TOC\o"1-3"\h\u引言 21.1設(shè)計(jì)背景 21.2設(shè)計(jì)根本要求 2二、功率開關(guān)管的選擇……………3UC3842簡(jiǎn)介…………………..43.1UC3842的構(gòu)造43.2UC3842的功能5四、變壓器設(shè)計(jì) 64.1估算輸入和輸出功率 64.2計(jì)算最小和最大輸入電流 74.3計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比 84.4磁芯參數(shù)確定方法 8光耦信號(hào)傳輸電路……………95.1保護(hù)采樣電路 95.2微機(jī)處理芯片電路 95.3變頻器的控制方式選擇10六、輸出濾波電路…………………11七、整體電路與實(shí)物12八、心得體會(huì)………………………14一、引言1.1設(shè)計(jì)背景開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕控制IC和MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的開展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速開展不可缺少的一種電源方式。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式〔Forward〕和反激式〔Flyback〕兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式〔DoubleTransistorForwardConverter〕，雙管反激式〔DoubleTransistrFlybackConverter〕、推挽式〔Push-PullConverter〕和半橋式〔Half-BridgeConverter〕四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器〔Full-BridgeConverter〕。開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的〔在導(dǎo)通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流小〕/功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。1.2設(shè)計(jì)根本要求〔1〕設(shè)計(jì)一款72V多路輸出的flyback拓?fù)溟_關(guān)電源。

〔2〕要求：輸入電壓：60-85V；

〔3〕輸出：5V/1.5A；15V/1.2A；需與輸入隔離；

〔3〕控制芯片：UC3842；二、功率開關(guān)管的選擇第一步是選用N溝道還是P溝道。這是設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該場(chǎng)效應(yīng)管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道場(chǎng)效應(yīng)管，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。第二步是選擇場(chǎng)效應(yīng)管的額定電流。視電路構(gòu)造而定，該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計(jì)人員必須確保所選的場(chǎng)效應(yīng)管能承受這個(gè)額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下，場(chǎng)效應(yīng)管處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。第三步：確定熱要求。選擇場(chǎng)效應(yīng)管的下一步是計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在場(chǎng)效應(yīng)管的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比方封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。第四步：決定開關(guān)性能。選擇場(chǎng)效應(yīng)管的最后一步是決定場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計(jì)算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計(jì)人員必須計(jì)算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的總功率可用如下方程表達(dá)：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對(duì)開關(guān)性能的影響最大。三、UC3842簡(jiǎn)介3.1UC3842的構(gòu)造3.2UC3842的功能各管腳功能簡(jiǎn)介如下:1腳COM是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反響網(wǎng)絡(luò)，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳Vfb是反響電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向輸入端的基準(zhǔn)電壓(一般為+2.5V)進(jìn)展比擬，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。3腳Isen是電流傳感端，在外圍電路中，在功率開關(guān)管(如VMOS管)的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過1V時(shí)，UC3842就停頓輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。4腳RT/CT是定時(shí)端，鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容C和定時(shí)電阻R的公共端。5腳GND是接地。6腳OUT是輸出端，此腳為圖騰柱式輸出，驅(qū)動(dòng)能力是±lA。這種圖騰柱構(gòu)造對(duì)被驅(qū)動(dòng)的功率管的關(guān)斷有利，因?yàn)楫?dāng)三極管VTl截止時(shí)，VT2導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時(shí)提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關(guān)斷。7腳VCC是電源。當(dāng)供電電壓低于＋16V時(shí)，UC3842不工作，此時(shí)耗電在1mA以下，輸入電壓可以通過一個(gè)大阻值電阻從高壓降壓獲得，芯片工作后，輸入電壓可在+10～+30V之間波動(dòng)，低于+10V停頓工作。工作時(shí)耗電約為15mA，此電流可通過反響電阻提供。8腳Vref是基準(zhǔn)電壓輸出，可輸出準(zhǔn)確的+5V基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá)50mA。四、變壓器設(shè)計(jì)4.1估算輸入和輸出功率總的輸出功率：假設(shè)效率為100%，則==25.5W4.2計(jì)算最小和最大輸入電流4.3計(jì)算脈沖信號(hào)最大占空比式中：是二次側(cè)反射電壓。在反激式開關(guān)電源中，固定不變，一般取值范圍85-165V，本設(shè)計(jì)計(jì)算取=110V。為主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)D、S間壓降，典型值為10V。通過計(jì)算得到：4.4磁芯參數(shù)確定方法4.4.1磁芯材料選擇開關(guān)電源中的高頻變壓器大局部采用EE或者EI型磁芯。它們的外形分別如以下列圖。EE型磁芯有形狀簡(jiǎn)單、磁芯有效面積較大、可靠性高、熱特性好、小漏感等優(yōu)點(diǎn)，缺乏的是方形截面不易饒制粗線，磁屏蔽較差。本設(shè)計(jì)中使用EE磁芯，常用EE磁芯的尺寸如表所示EI型EE型圖3-1磁芯材料型號(hào)圖3-2EE型磁芯的規(guī)格本文選取EE型鎳鋅鐵氧體磁芯。4.4.2磁芯尺寸的選擇確定磁芯尺寸有兩種方法，包括讀表法和計(jì)算法。其中計(jì)算法又包括幾何參數(shù)法和磁芯面積乘法。本次設(shè)計(jì)使用磁芯面積乘法。其中為變壓器的視在功率，為波形系數(shù)，取=4。為磁芯的磁感密度，取=2000G=0.2T。是電流密度系數(shù)。X是常數(shù)，通常由磁芯決定，如以下列圖表所示。圖3-3磁芯種類表經(jīng)過與表中參數(shù)比照，與之最接近的磁芯為EE22。4.4.3變壓器繞組計(jì)算計(jì)算變壓器原邊的電感量其中Z是損耗分配因子。如果Z=1，所有的損耗都在次級(jí)邊。如果Z=0，所有的損耗都在初級(jí)邊。簡(jiǎn)單的說，Z就是次級(jí)與總的損耗的比率。如果計(jì)算沒有給出Z的值，一般取作0.5。計(jì)算可得：uH計(jì)算初級(jí)繞組匝數(shù).8取=33匝取=17匝〔3〕5V輸出繞組匝數(shù)：，實(shí)取5匝15V輸出繞組匝數(shù)則取15匝。五、光耦信號(hào)傳輸電路電路中采用一片TOP104Y三端單片開關(guān)電源集成電路，主輸出繞組電壓經(jīng)過二極管和電容濾波后，得到+5V電壓，二極管采用MBR340T3型40V/3A肖特基二極管，另外一個(gè)+15V輸出電流較小，故整流管選擇SF31型50V/3A超快恢復(fù)二極管。由線性光耦CNY17-2和可調(diào)式精細(xì)并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C構(gòu)成光耦反響式精細(xì)開關(guān)電源。由P6KE120型瞬態(tài)電壓抑制器和UF4002型超快恢復(fù)二極管構(gòu)成漏極保護(hù)電路，能夠吸收尖峰電壓，保護(hù)芯片內(nèi)部的功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET不受損壞。輸出濾波電路經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅里葉分析和變換提出的一個(gè)工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個(gè)滿足一定條件的信號(hào)，都可以被看成是由無限個(gè)正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號(hào)是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號(hào)的不同頻率的正弦波叫做信號(hào)的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)成分正常通過，而阻止另一局部頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或?yàn)V波電路。由于正激式開關(guān)電源電路拓?fù)渫ㄟ^輸出濾波電感平滑了逆變器輸出電流，因此需要輸出整流濾波電容器濾除的交流分量?jī)H為開關(guān)電源額定輸出電流的20%以下，需要電容器的性能要求不是很高；反激式開關(guān)電源要求輸出整流濾波電容器“短路〞逆變器輸出電流的所有交流電流成分，因此將流過非常高的有效值電流，要求電容器具有能夠承受這個(gè)電流的能力；不僅如此，為了盡可能將所有的交流電流分量“短路〞要求輸出濾波電容器均由盡可能低的ESR，因此輸出整流濾波電容器將需要極低ESR的“高頻低阻〞鋁電解電容器或低ESR鉭電解電容器以及陶瓷貼片電容器。選擇一般的低阻鋁電解電容器實(shí)則需要更多數(shù)量的才能滿性能要求。七、整體電路與實(shí)物心得體會(huì)親手調(diào)試這樣一個(gè)開關(guān)電源，讓我對(duì)書本的理論知識(shí)有了更深的理解。從最初的原理拓?fù)鋱D，到最終實(shí)際電路圖，以主干電路，不斷進(jìn)展豐富和完善，使一個(gè)正激電路逐步完善。每一次試驗(yàn)都是對(duì)電力電子知識(shí)的不斷深入和探索，這樣的經(jīng)歷讓我印象深刻。還記得一開場(chǎng)一直沒有調(diào)試出來，先是檢查出來穩(wěn)壓管壞了，之后又發(fā)現(xiàn)變壓器繞反了，這些錯(cuò)誤雖然細(xì)小，甚至很難發(fā)現(xiàn)，但對(duì)一個(gè)電路的正常運(yùn)行至關(guān)重要，因此需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)嘏挪殄e(cuò)誤，細(xì)心地分析每一塊電路出錯(cuò)的地方，我相