毕业设计（论文）-开关电源的设计.doc

襄樊学院毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）题目 开关电源的设计与试验 学生姓名 专业 自动化 班级 0812 指导老师 一、 毕业论文（设计）的主要内容及要求：1、 本设计的任务是, 查找资料，广泛阅读资料，设计一个恒流开关电源。恒流开关电源就 是指输出电流恒定的开关电源。 要求对恒流开关电源的输入整流与滤波电路，高频变压电路，整流续流与滤波电路，稳压恒流电路，保护电路，反馈电路，功率开关，控制电路几个模块进行仔细的分析与设计。 2、进行系统硬件电路设计，画出系统硬件原理图。 3、进行硬件电路的调试，仿真。 4、在设计的基础上完成毕业论文（1.0 -1.2万字）。 2、 毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献：1 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计m . 北京：电子工业出版社，2004:7-12，18-302 曲学基，王增福，曲敬凯. 稳定电源电路设计手册m . 北京：电子工业出版社，2003：3-6，55-58,2233 李金伴，李捷辉，李捷明. 开关电源技术m .北京：化学工业出版社，2006： 4-74 marty brown（英） 著. 徐德鸿，沈旭，杨成林，周邓燕 译. 开关电源设计指南m . 北京：机械工业出版社，2004：3-6，19-235 沙占友. 新型单片开关电源设计与应用技术m . 北京：电子工业出版社，2004：103-1056 李定宣. 开关稳定电源设计与应用m . 北京：中国电力出版社，2006：80-887 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础m . 北京：高等教育出版社，2000：501-5178 杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术m . 北京：人民邮电出版社，2007：137-1479 王兆安，黄俊. 电力电子技术m . 北京，机械工业出版社，2000：43-6610 伊勇，李林凌. multisim 电路仿真入门与进阶m . 北京：科学出版社2005：7-1111 崔建明，陶晋宜，任鸿秋. 电工电子eda仿真技术m . 北京：高等教育出版社，2005：5-1012 卢灿 . 正激式开关电源设计j . 集成电路通讯，2007，25（4）：18-2113 袁纯厚. 开关电源中的恒流源电路j . 电子世界，2004，5：16-1814 王学智. 开关电源的原理与发展趋势j . 科苑论谈，2005，4: 3-615 唐伟新. 一种恒流型白光led驱动电路的设计d . 成都：电子科技大学，2006.32襄樊学院物理与电子工程学院2012届本科毕业论文开题报告论 文 题 目 开关电源的设计 班 级 自动化0812 姓 名 学 号 08118025 指 导 教 师 2012年3 月15日 一、选题的意义和研究现状1、项目的背景及设计开发的意义当今社会人们极大地享受着电子设备带来的便利,但是任何电子设备都有一个共同的电路电源电路.大到超级计算机,小到袖珍计算器,所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作.当然这些电源电路的式样,复杂程度千差万别.超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统.通过这套电源系统,超级计算机各部分都能得到持续的稳定,符合各种复杂规范的电源供应.袖珍计算器则是简单多的电池电源电路.不过你可不要小看了这个电池电源电路,比较新型的电路完全具备电池能量提醒,掉电保护等高级功能.可以说电源电路是一切电子设备的基础,没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备,我们的生活也就不会这么丰富多彩了。 进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般采用脉冲宽度调制（pwm）控制ic和开关器件（mosfet、bjt等）构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 2、项目设计所要达到的要求及用户需求论文主要是设计和分析恒流开关电源。恒流开关电源主要是给负载提供恒定的电流，这就为一些恒流器件和恒流电路提供了工作电源。恒流开关电源的反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器pwm控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。整体电路是将频率为50hz、220v的市电交流电压经过主电路输入整流与滤波、变压器、整流、续流与滤波、稳压电路恒流流电路转换成稳定的直流电压，输出恒定的直流电流。3、主要参考文献 1 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计m . 北京：电子工业出版社，2004:7-12，18-302 曲学基，王增福，曲敬凯. 稳定电源电路设计手册m . 北京：电子工业出版社，2003：3-6，55-58,2233 李金伴，李捷辉，李捷明. 开关电源技术m .北京：化学工业出版社，2006： 4-74 marty brown（英） 著. 徐德鸿，沈旭，杨成林，周邓燕 译. 开关电源设计指南m . 北京：机械工业出版社，2004：3-6，19-235 沙占友. 新型单片开关电源设计与应用技术m . 北京：电子工业出版社，2004：103-1056 李定宣. 开关稳定电源设计与应用m . 北京：中国电力出版社，2006：80-887 童诗白，华成英. 模拟电子技术基础m . 北京：高等教育出版社，2000：501-5178 杨克俊. 电磁兼容原理与设计技术m . 北京：人民邮电出版社，2007：137-1479 王兆安，黄俊. 电力电子技术m . 北京，机械工业出版社，2000：43-6610 伊勇，李林凌. multisim 电路仿真入门与进阶m . 北京：科学出版社2005：7-1111 崔建明，陶晋宜，任鸿秋. 电工电子eda仿真技术m . 北京：高等教育出版社，2005：5-1012 卢灿 . 正激式开关电源设计j . 集成电路通讯，2007，25（4）：18-2113 袁纯厚. 开关电源中的恒流源电路j . 电子世界，2004，5：16-1814 王学智. 开关电源的原理与发展趋势j . 科苑论谈，2005，4: 3-615 唐伟新. 一种恒流型白光led驱动电路的设计d . 成都：电子科技大学，2006.二、研究方案1、解决问题的主要技术及选择技术方案的基本依据本文的开关电源由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、稳压恒流电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。采用的主要部件是高频变压器，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。2、设计基本思路本论文的初步方案是：先设计出整套系统要完成的功能，主要是恒流开关电源的输出为恒定的电流。系统结构框图如下：开始选用拓扑图变压器设计输出滤波与整流设计功率开关和驱动设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计实验设计和结构设计测试电路实际工作与设计结果的区别优化设计emi/rfi测试图1 系统结构框图系统结构单元模块1. 变压器模块2. 输出滤波与整流模块3. 功率开关和驱动模块4. 控制器模块5. 输出反馈模块6. 启动模块7. 保护电路模块8. 高层功能模块3、工作的主要阶段、进度及完成时间1第1周第4周：查阅资料，消化内容，形成方案，写出开题报告。 2第5周第6周：根据开题报告进行设计，设计出各功能模块并画出其原理图。 3第7周第10周：焊接出各主要功能模块并进行调试，发现问题并对原理图做进一步的修改。 4第11周第12周：用protel99 se软件制做出整个实验仪的功能模块pcb图。5第13周第15周：根据整个实验议，写出毕业设计报告。6第16周：论文文本打印，交老师审阅，进一步修改完善。进行答辩。 学生签名： 年 月 日指导教师意见：指导教师签名： 日期：湖 北 学 理 学 院毕 业 论 文（设计）论文题目： 开关电源的设计 englishtopic： the design of switch power supply系 院： 物理与电子工程学院专 业： 自 动 化 班 级： 0 8 1 2 学 生： 陈 思 慧 指导老师： 王 见 乐 2012年 月 日开关电源的设计摘要：开关电源因其高效节能引起社会各方面的重视，多年来对开关电源的核心单元控制电路实现集成化是开关电源的发展方向之一，在这过程中，更小体积，更少电磁污染，具有可靠的过电压及过电流保护电路的技术也在飞速发展，特别是在驱动led恒流开关电源方面，发展尤其突出，因此具有很大研究价值。白光led是节能、环保、高效、长寿命的国际公认的下一代照明光源。随着白光led技术的成熟，它将被更广泛低地应用到各个领域。与传统光源不同，白光led需要专用恒流电源驱动才能使其高效持续地工作。led照明通常用多个发光二极管组成点阵光源，为使光源发光均匀则需供电电源提供恒定电流进行驱动。关键词：开关电源、led、恒定电流the design of switch power supplyabstract：switching power supply is paid much attention for its high efficiency and low power consumption. core unit-control circuit integration of the switching power supply has been one of switching power supply development for many years. a smaller volume, the less emi, over current and over voltage protection circuit technology has been developing in this process. especially in the constant current led driver switching power supply, particularly in the development and therefore have great research value white led is energy-saving, environmental protection, high efficiency, long life of the internationally recognized next generation lighting source. with the white led technology maturity, it will be widely applied to the fields of lowland. with the traditional light sources, white led requires a special constant current source drive to make its efficient continuously. led lighting is usually by a plurality of light emitting diodes array light source, the light source is required to provide uniform power supply constant current drive.key words: switching power supply；led；constant current目 录1开关电源的基本原理41.1主电路41.2控制电路41.3 检测电路41.4 辅助电源51.5 基本原理62几种基本类型的开关电源621 串联式开关电源工作原理622 并联式开关电源72. 3 变压器式开关电源103恒流开关电源额设计153.1 设计初衷153.2 开关电源设计步骤163.3 变压器设计173.4 输出滤波器设计193.5 复位电路计算213.6 功率开关选择223.7 输出二极管选择233.8 恒流输出电路设计243.9 缓冲吸收电路设计263.10 控制电路设计273.11 pcb板布线304.结束语30致谢31参考文献321 开关电源的总体设计思路1.1开关电源的基本工作原理图开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现dc/ac、dc/dc电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。 开关电源原理图1.2 主电路冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。1.3 控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。1.4 检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。1.5 辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（pwm等芯片）工作供电。1.6 基本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源vi通过开关s和滤波电路向负载rl提供能量，当开关s断开时，电路中的储能装置（l1、c2、二极管d组成的电路）向负载rl释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。 =/t* 为负载两端的电压平均值为开关每次接通的时间t 为开关通断的工作周期由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，间电压平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整和t的比例便使输出电压维持不变。改变接通时间和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（timerationcontrol,缩写为trc）。按trc控制原理，有三种方式：1 脉冲宽度调制（pulsewithmodulation,缩写为pwm）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。2 脉冲频率调制（pulsefrequencymodulation,缩写为pfm）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。3 混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。2几种基本类型的开关电源2.1开关电源的分类开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于dc/ac逆变电源，或dc/dc电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于dc/ac逆变电源，或dc/dc电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种 下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。2.2 串联式开关电源工作原理图1-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图，图1-1-a中ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压；k是控制开关，r是负载。当控制开关k接通的时候，开关电源就向负载r输出一个脉冲宽度为ton，幅度为ui的脉冲电压up；当控制开关k关断的时候，又相当于开关电源向负载r输出一个脉冲宽度为toff，幅度为0的脉冲电压。这样，控制开关k不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo 。 图1-1-b是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关k输出电压uo是一个脉冲调制方波，脉冲幅度up等于输入电压ui，脉冲宽度等于控制开关k的接通时间ton，由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值ua为：ua = ui = dui （1-1）式中ton为控制开关k接通的时间，t为控制开关k的工作周期。改变控制开关k接通时间ton与关断时间toff的比例，就可以改变输出电压uo的平均值ua 。一般人们都把 称为占空比（duty），用d来表示，即：或串联式开关电源输出电压uo的幅值up等于输入电压ui，其输出电压uo的平均值ua总是小于输入电压ui，因此，串联式开关电源一般都是以平均值ua为变量输出电压。所以，串联式开关电源属于降压型开关电源。 串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出；但如果用于稳压输出，则必须要经过整流滤波。2.3并联式开关电源的工作原理并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为dc/dc升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5v或3v，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生emi干扰。el = ldi/dt = ui k接通期间 图1-11-a是并联式开关电源的最简单工作原理图，图1-11-b是并联式开关电源输出电压的波形。图1-11-a中ui是开关电源的工作电压，l是储能电感，k是控制开关，r是负载。图1-11-b中ui是开关电源的输入电压，uo是开关电源输出的电压，up是开关电源输出的峰值电压，ua是开关电源输出的平均电压。 当控制开关k接通时，输入电源ui开始对储能电感l加电，流过储能电感l的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关k由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。 在ton期间，控制开关k接通，储能滤波电感l两端的电压el正好与输入电压ui相等，即：对上式进行积分，可求得流过储能电感l的电流为：式中il为流过储能电感l电流的瞬时值，t为时间变量，i（0）为流过储能电感的初始电流，即：开关k接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比d小于或等于0.5时，i（0）= 0，由此可以求得流过储能电感l的最大电流ilm为：式中ton为控制开关k接通的时间。当图1-11-a中的控制开关k由接通状态突然转为关断时，储能电感l会把其存储的能量（磁能）通过反电动势进行释放，储能电感l产生的反电动势为：式中负号表示反电动势el的极性与（1-35）式中的符号相反，即：k接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对（1-38）式阶微分方程求解得：式中c为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出c，由于控制开关k由接通状态突然转为关断时，流过储能电感l中的电流il不能突变，因此，i(ton+)正好等于流过储能电感l的最大电流ilm ，所以（1-39）式可以写为： 图1-11-a并联式开关电源输出电压uo等于： 由（1-41）式可以看出，当t = 0时，即：k关断瞬间，输出电压有最大值：当t等于很大时，并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压ui，但这种情况一般不会发生，因为控制开关k的关断时间等不了那么长。 从（1-42）式可以看出，当并联式开关电源的负载r很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。2.4变压器式开关电源变压器开关电源的最大优点是，变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可；另外，变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量。 变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻emi干扰，并且还容易进行功率匹配。上图为变压器式开关电源，ui是开关电源的输入电压，t是开关变压器，k是控制开关，r是负载电阻。 当控制开关k接通的时候，直流输入电压ui首先对变压器t的初级线圈n1绕组供电，电流在变压器初级线圈n1绕组的两端会产生自感电动势e1；同时，通过互感m的作用，在变压器次级线圈n2绕组的两端也会产生感应电动势e2；当控制开关k由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈n1绕组中存储的能量（磁能）也会产生反电动势e1；同时，通过互感m的作用，在变压器次级线圈n2绕组中也会产生感应电动势e2。、因此，在控制开关k接通之前和接通之后，在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。 所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半个周期向负载提供功率（或电压）输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激式开关电源；当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。 图1-16-b是单激式变压器开关电源输出电压的波形，由于输出电压是由变压器的次级输出，因此，在输出电压uo中完全没有直流成份。输出电压正半波的面积与负半波的面积完全相等，这是单激式变压器开关电源输出电压波形的特点。图1-16-b中，当只输出正半波电压时，为正激式开关电源；反之，当只输出负半波电压时，为反激式开关电源。 顺便指出，图1-16-b中变压器输出电压波形极性的正负，是可以通过调整变压器线圈的饶线方向（相位）来改变的。严格地说，只有当控制开关的占空比等于0.5时，开关电源的输出电压才能称为正、负半周电压，但由于人们已习惯了正、负半周的叫法，所以，只要是有正、负电压输出的电源，我们还是习惯地把它们称为正、负半周。但为了与占空比不等于0.5时的电压波形相区别，我们有时特别把占空比不等于0.5时的电压波形称为正、负半波。因此，有些场合在不影响对正、负半波电压的理解时，或占空比不确定时，我们也习惯地把正、负半波称为正、负半周。 图1-16-a中，在ton期间，控制开关k接通，输入电源ui开始对变压器初级线圈n1绕组加电，电流从变压器初级线圈n1绕组的两端经过，通过电磁感应会在变压器的铁心中产生磁场，并产生磁力线；同时，在初级线圈n1绕组的两端要产生自感电动势e1，在次级线圈n2绕组的两端也会产生感应电动势e2；感应电动势e2作用于负载r的两端，从而产生负载电流。因此，在初、次级电流的共同作用下，在变压器的铁心中会产生一个由流过变压器初、次级线圈电流产生的合成磁场，这个磁场的大小可用磁力线通量（简称磁通量），即磁力线的数目来表示。 如果用 1来表示变压器初级线圈电流产生的磁通量，用 2来表示变压器次级线圈电流产生的磁通量，由于变压器初、次级线圈电流产生的磁场方向总是相反，则在控制开关k接通期间，由流过变压器初、次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的总磁通量 为：其中变压器初级线圈电流产生的磁通 1还可以分成两个部分，一部分用来抵消变压器次级线圈电流产生的磁通 2，记为 10，另一部分是由励磁电流产生的磁通，记为 1。显然 10 = 2， 1 = 。即：变压器铁心中产生的磁通量 ，只与流过变压器初级线圈中的励磁电流有关，与流过变压器次级线圈中的电流无关；流过变压器次级线圈中的电流产生的磁通，完全被流过变压器初级线圈中的另一部分电流产生的磁通抵消。 根据电磁感应定律可以对变压器初级线圈n1绕组回路列出方程： 同样，可以对变压器次级线圈n2绕组回路列出方程： 根据（1-61）和（1-62）可以求得：圈n1绕组的输入电压；n为变压比，即：开关变压器次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之比，n也可以看成是开关变压器次级线圈n2绕组与初级线圈n1绕组的匝数比，即：n = n2/n1。 由此可知，在控制开关k接通期间，正激式开关变压器次级输出电压的幅值只与输入电压和变压器的次/初级变压比有关。 我们再来分析控制开关k关断期间的情况。 在toff期间，控制开关k关断，流过变压器初级线圈的电流突然为0。由于变压器初级线圈回路中的电流产生突变，而变压器铁心中的磁通量 不能突变，因此，必须要求流过变压器次级线圈回路的电流也跟着突变，以抵消变压器初级线圈电流突变的影响，要么，在变压器初级线圈回路中将出现非常高的反电动势电压，把控制开关或变压器击穿。 如果变压器铁心中的磁通 产生突变，变压器的初、次级线圈就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流在线圈中产生的磁力线又会抵制磁通的变化，因此，变压器铁心中的磁通变化，最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。 因此，在控制开关k关断的toff期间，变压器铁心中的磁通 主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，即：式中负号表示反电动势e2的极性与（1-62）式中的符号相反，即：k接通与关断时变压器次级线圈产生的感应电动势的极性正好相反。对（1-64）式阶微分方程求解得：式中c为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出c，由于控制开关k由接通状态突然转为关断时，变压器初级线圈回路中的电流突然为0，而变压器铁心中的磁通量 不能突变，因此，变压器次级线圈回路中的电流i2一定正好等于控制开关k接通期间的电流i2(ton+)，与变压器初级线圈回路中励磁电流被折算到变压器次级线圈回路电流之和。所以（1-65）式可以写为：（1-66）式中，括弧中的第一项表示变压器次级线圈回路中的电流，第二项表示变压器初级线圈回路中励磁电流被折算到变压器次级线圈回路的电流。 图1-16-a单激式变压器开关电源输出电压uo等于： 由（1-67）式可以看出，当t = 0时，即：k关断瞬间，输出电压有最大值：（1-68）式中的up-就是反击式输出电压的峰值，或输出电压最大值。由此可知，在控制开关k关断瞬间，当变压器次级线圈回路负载开路时，变压器次级线圈回路会产生非常高的反电动势。理论上需要时间t等于无限大时，变压器次级线圈回路输出电压才为0，但这种情况一般不会发生，因为控制开关k的关断时间等不了那么长。 从（1-63）和（1-67）式可以看出，开关变压器的工作原理与普通变压器的工作原理是不一样的。当开关电源工作于正激时，开关变压器的工作原理与普通变压器的工作原理基本相同；当开关电源工作于反激时，开关变压器的工作原理相当于一个储能电感。3. 恒流开关电源的设计3.1设计初衷结合以前学习的电力电子器件，功率电子技术以及数模电的相关知识，所以就针对恒流开关电源展开了一系列的讨论与设计。3.2开关电源设计步骤 1、开关电源可以采用模块化的设计思想。由于其设计比较复杂，因此要把它分解成多个基本模块设计，功能模块图见图3.1原理图3.1开关电源是由输入整流与滤波电路、高频变压电路、整流续流与滤波电路、稳压恒流电路、保护电路、反馈电路、控制电路以及功率开关组成的。输入整流滤波电路其作用是把电网存在杂波过滤，也是通过整流得到输出所需要的直流电压。高频变压器是开关电源设计关键部件之一，在电路回路中起到电器隔离、变压、储能、变流或者是变阻等作用的。而输出整流续流与滤波电路是通过整流续流功能得到输出所需要直流电流，当然还要通过滤波器把多余杂波给滤掉。稳压恒流输出电路目的是为负载提供一个恒流电流。反馈电路可以是电压反馈，也可以是电流反馈，它是通过输出端取样的电流电压值与控制器基准电流电压值相比较，起到反馈传递作用。控制器是通过反馈电路的信息在调整电路电流电压的输出的，输出电流尽可能达到一个稳定值。而功率开关管是由控制器pwm控制它的导通时间，调节脉冲宽度从而也实现占空比大小调节的。整体电路是将频率为50hz、220v的市电交流电压经过主电路输入整流与滤波、变压器、整流、续流与滤波、稳压电路恒流流电路转换成稳定的直流电压，输出恒定的直流电流。开关电源功能模块如下所示：整流、续流与滤波变压器稳压恒流输出输入整流与滤波输入驱动vcc地线功率开关管控制器pc1094c保护电路反馈网络 2、开关电源设计总是先进行总体考虑，然后对电源各部分分别进行设计，接下来就是设计总体和辅助功能，最后进行测试和设计优化的。下面开关电源设计步骤流程图3.2开始选用拓扑图变压器设计输出滤波与整流设计功率开关和驱动设计控制器设计输出反馈设计启动电路设计保护电路设计高层功能设计实验设计和结构设计测试电路实际工作与设计结果的区别优化设计emi/rfi测试 图3.23.3变压器设计图3.3变压器是一种应用电磁感应原理，将电能从一个电路传输到另一电路的电磁装置，是电源设备中的关键部件之一。变压器只用于交流传输与变换，而不能进行直接传输，在交流电路中起电气隔离、储能、变压、变阻等作用的。图3.3 变压器3.3.1输出变压器次级电压u2计算 （3.3.1）ul是输出扼流圈在内次级线圈的电压降，uf是输出二极管的正向电压。最低的次级电压u2min为 （3.3.2）设(设定肖特基二极管)，则3.3.2初、次线圈计算输入直流电压u1的最小值使用按输出电路计算求得的u1min值。根据中国输配电情况u1=200253v,则变压比n为根据输出容量磁心尺寸关系表3-4 2 选取ei-30。它的有效面积为s=111mm2磁心材质相当于tdk的h7c4,最大工作磁道密度bm可从图3-4中查得.实际使用时的磁心温度约100，且要选择能保持线性范围的bm，即0.3t以下。当磁心温度有100，工作频率200khz时，约减少0.1t而成为。根据线圈计算公式则， （3.3.3）因而次级n2 = 4，式中bm为磁心的磁通密度（t）；s为磁心的有效截面积（mm2）。初级线圈的匝数则是确定。次级线圈所需要的电压u2min一定要充分，因此要进行ton max的修正计算。根据（3.3.2）公式则有 dmax修正结果为0.42,仍然在0.40.45范围内，可以继续使用以下计算。3.4 输出滤波器的设计在开关电源中带磁心的电感器，一般采用电感线圈lf 与输出滤波电容器cf 构成的“l”型滤波器如右图3.4。电感线圈对高频成分呈现很高的感抗，而电容对高频成分呈现很小容抗，已达到在电路中抑制纹波和平滑直流的作用。图3.4 滤波器3.4.1 输出扼流圈的电感值设计 计算流入输出扼流圈电流 (3.4.1)l为输出扼流圈的电感（h）；为输出电流的10%30%。则有电感l值为：由此可见，需要11.86h，10a的扼流圈。3.4.2 输出滤波电容的确定输出电容器的选定取决于输出脉动电压控制在多少毫伏。输出脉动电压虽要根据和输出电容器的等效串联电阻确定，但一般规定为输出电压的0.3%0.5%范围。又因 （3.4.2）根据（3.4.2）得: 就是在200hkz范围内，需要值在37.5m以下电容器的。所以可以选择20v，8200h，则为31m,容许脉动电流为2.9ams.流向电容器的纹波电流为 2.9a 说明该电容器合适。3.4.3 滤波器电阻设计要想不是输出扼流圈的电流中断而直接使用时，可以假设电阻值为则假设电阻电耗为 3.5 复位电路计算复位电路如图3.5所示。开关功率管vt1接通时，变压器t1的磁通增加，磁能被储存到t1，当vt1截止时，即放出这种受激磁的磁能下图复位线圈到t1上， 图3.5 复位电路以在vt1截止时通过vd1把磁能反馈到输入。在vt1截止时，因复位线圈n3两端的电压受u1限制因此，这是初级圈的电压u3可求 (3.5.1)在此公式里，如果n1和n3线圈耦合不好，则vt1截止瞬间所发生的尖峰电压会因漏磁通而bm也会饱和，且会有过大电流流向初级线圈，为防止这种现象，要满足下面公式 （3.5.2）即 所以 则磁复位串接在n3的中二极管vd1承受最大电压为那么选择vd1额定电压为800v，这样基本符合要求的。3.6 功率开关管选择 右图3.6为mosfet型功率开关管，它主要具有驱动功率小，器件功率容量大；第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，另外他的热稳定性优于gtr等优点，也是目前开关变换器广泛应用的开关器件。 根据单端正激式变换器计开关管vt1承受最大电压公式得: 图3.6 (3.6.1)流过mosfet开关管最大电流为功率mosfet表3.72型号最大承受电压vds（v）最大电流id（a）最大功率损耗pd（w）封装型号导通最大电阻值rds（on）典型值typ最大值max正向降vgs（v）正向电流id（a）2sk345327001080to-3p(n)is0.721.01052sk26038003100to-220ab3.03.6101.52sk2883800375to-220fl/sm3.03.6101.52sk2605800545to-220(nis)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(nis)5.66.4101.52sk26089003100to-220ab3.74.3101.5根据下面功率mosfet表3.7，可以选择东芝2sk2718型号。它的最高承受电压为900v，允许最大电流为2.5a，而功率损耗是40w，是上面功率最小损耗的。3.7输出二极管的选择输出二极管有肖特基二极管（sbd）,低损耗二极管（lld）、高速二极管(frd)。输出为低压大电流时应采用肖特基二极管，其他则采用低损耗或调整二极管。选择二极管时要注意选择反向恢复时间trr快的二极管。这是因为主开关元件闭合时反向流入二极管的电流会影响初级线圈开关特性并致使损耗增大。同时，输出噪声也会受很大影响的。所以输出整流二极管选择一般原则有四点。1、 选用正向压降vdf小的整流二极管；2、 选用反向恢复时间trr整流二极管；3、 选用正向恢复电压vfrm整流二极管；4、 选用反向漏电流ir小整流二极管。3.7.1整流二极管vd1选择根据单端正激式变换器（2