（电力电子与电力传动专业论文）单端正激式高频开关电源设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e r e q u i p m e n tu s e dt oa c h i e v et h ep o w e rc o n v e r s i o na n dp o w e rt r a n s m i s s i o n ， w h i c hi sb a s i ct ot h ev a r i o u se l e c t r o n i cd e v i c e sw o r k i n gn o r m a l l y , a n dt h e h i 曲 f r e q u e n c ya n dh i g he f f i c i e n ts m a l ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sa ni n e v i t a b l ed e v e l o p m e n t t r e n d ，w h i c hi su s e dm o r ea n dm o r ei nc o m m u n i c a t i o n s ，m i l i t a r ye q u i p m e n t ，t r a n s p o r t f a c i l i t i e s ，i n s t r u m e n t a t i o n ，i n d u s t r i a le q u i p m e n t ，h o u s e h o l da p p l i a n c e sa n do t h e ra r e a s t h i s p a p e r i sf r o ma $ 3 c 2 4 1 0e m b e d d e dd e v e l o p m e n t p r o j e c t f o ra c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o np l a t f o r mf r o m ，w h o s eg o a li sp r o v i d i n gar e l i a b l ep o w e r s u p p l yg u a r a n t e e sf o ra ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o np l a t f o r m t h i sp a p e rd e s i g n e das i n g l e t e r m i n a lf o r w a r dh i g h f r e q u e n c ym u l t i o u t p u t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yu n d e rt h ei n - d e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i so fv a r i o u sp r i n c i p l e s ， a n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s i n go nt h e i n d i c a t o r so ft h ep r o j e c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi st h a t ：i t a c h i e v e df o u rs t a b l eo u t p u tw i t ht h es i n g l e - t e r m i n a la st h em a i nt o p o l o g y , w i t h c u r r e n t - m o d ec o n t r o lc h i pu c 38 4 2a n dh i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra st h ec o r e ，u s i n g e m if i l t e r s ，m o s f e t , t h eo u t p u tf i l t e rc i r c u i t ，s a m p l i n gf e e d b a c kc h a n n e la n do t h e r m a j o rc o m p o n e n t sa n dc i r c u i tm o d u l e s s w i t c h m gp o w e rs u p p l yi s2 2 0 va ca st h e m a i ni n p u t ，f o u ro u t p u tv o l t a g e sa r e2 4 v + 12 va n d + 5vd cv o l t a g e ，a n dt h es w i t c h i n g f r e q u e n c yi s2 5 0 k h z w i t ha na r e ap r o d u c tm e t h o d ) ，w ei d e n t i f yt h ec h o i c eo ft h eo r i g i n a lo r a s s i s t a n ts i d eo ft h eh i 曲一f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , d e s i g nt h eo u t p u tc i r c u i t ，t h e c o m p e n s a t o rs y s t e m ，t h es t a r tc i r c u i ta n de m if i l t e r i n gc i r c u i t s t h i st h ed e s i g no fas i n g l e - t e r m i n a lf o r w a r dh i g h - f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e r s u p p l yc i r c u i ti ss i m u l a t e db yp s p i c e 9 2 ，a n di tt u r n so u tt h a t ：t h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y so u t p u tv o l t a g er e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，l o a dr e g u l a t i o n , o u t p u tr i p p l e s ， d y n a m i cr e s p o n s e s ，t e m p e r a t u r ec h a n g e sa n ds oo nm e e tr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ， a n dh a s g o o do v e r l o a d ，s h o r t c i r c u i t p r o t e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dw a v e f o r m c h a r a c t e r i s t i c s ，a n da l lt h et e c h n i c a li n d i c a t o r sa r eg o o dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e i n f o r m a t i o np l a t f o r mp o w e r k e yw o r d s ：h i g h - f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s i n g l e t e r m i n a lf o r w a r d t r a n s f o r m e r se m i p s p i e es i m u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：乌触日期丛丝啤 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 刷磁辄襁 年解密后适用本授权书。 日期型：句 日期则，歹 第一章绪论 第一章绪论 1 i 引言 电源技术是实用性极强的技术，服务于各行各业、各个领域的各式各样的负 载，它们的性能特点以及采用的技术方法千差万别，因此，研究电源技术具有丰 富的内涵和外延。是我国科学技术发展必不可少的重要组成部分。 上世纪八十年代，由于线性电源在成本和价格上比开关占有绝对优势，国内 高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到应用。之后，由于开 关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少，而且对 整机多项指标有良好影响，因此它的应用得到广泛推广。近年来许多领域，例如 邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多 应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、 新变换技术、新控制理论及新的软件( 五新) 不断地出现并应用到开关电源的缘 故 2 o 五新使开关电源更上一层楼，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因 数高、可靠性高( 五高) n 。有了五高，开关电源具有更强的竞争实力，应用面也 更为扩大。应用面的扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求。这些问题和 要求可归纳为以下五个方面h 1 1 ： ( 1 ) 能否全面贯彻电磁兼容各项标准? ( 2 ) 能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产? ( 3 ) 能否组建大容量电源? ( 4 ) 电气额定值能否更高( 如功率因数) 或更低( 如输出电压) ? ( 5 ) 能否使外形更加小型化、外形适应使用场所要求? 这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，是五个挑战。把挑战看 成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作者的态度。经过一定努力， 这些问题均在一定程度获得解决。 以功率因数为例，a c d c 开关电源或其它电子仪器输入端产生功率因数下降问 题，用什么办法来解决? 毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电 源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用a c d c 开关电源和有源功率因 数校正电路串级运行( 成本比单机增加2 0 ) 成功解决了这个问题旧。现在，又进 一步发展成单级有功率因数校正的开关电源( 成本只增加5 ) l l o jo 在三相升压式 单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入 2 单端正激式高频开关电源设计 电源的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于1 0 的要求u u 。这样的事例，不断 从近年发表的科研论文中反映出来。 不同的负载要求不同的电源装置，万能的电源至少今天还未出现。一个特定用 途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本要求。高 效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质，而安全可靠是必须加以保证的。 无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并由相 关的国际和国家标准规范进行约束。有时特定的使用环境又要求电源具备一些额 外的适应性能力，比如高温、高寒、高湿、抗辐射、抗振动、防爆、体积小、重 量轻、智能化等u “。 1 2 国内外研发状况与发展方向 1 2 1 国内外开关电源的研发现状 近2 0 多年来，开关电源沿着集成化、小型化和高频化方向不断的向前发展。 集成化方面，1 9 7 7 年国外首先研制成p i n 控制集成电路，美国的m o t o r o l a 公司、 s i l i c o ng e n e r a l 公司、u n i t r o d e 公司等相继推出一批p i n 芯片，典型产品有 m c 3 5 2 0 ，s g 3 5 2 4 、u c 3 8 4 2 等。 小型化方面，1 9 9 4 年，美国电源集成( p o w e ri n t e g r a t i o n s ) 公司在世界上 率先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，它属于a c d c 电源变换器， 荷兰飞利浦( p h i l i p s ) 公司于2 0 0 0 年研制成功t e a 系列单片开关电源，其中最 大输出功率可达1 2 5 w ，美国安美森( o n s e m i ) 半导体公司在1 9 9 8 年到2 0 0 1 年期 间，也相继开发出n c p l 0 0 0 ，n c p l 0 5 0 系列单片开关电源，最大输出功率为4 0 w 。 高频化方面，国外已经研制出开关频率高达1 m h z 的高速p i n 、p f m ( 脉冲频率 调制) 芯片，典型产品如u c l 8 2 5 、u c l 8 6 4 等u “。 与国外开关电源技术相比，国内从1 9 7 7 年才开始进入初步发展期，起步较晚、 技术相对落后。目前国内d c f l d c 模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖 了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内 技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产d c d c 产 品所代替u 。 1 2 2 开关电源的发展方向 电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性。现 代电子设备使用的电源大致分为线性稳压电源和开关电源两大类，线性电源的效 率低，而开关电源的效率较高。其优越性主要表现为功耗小、稳压范围宽、体积 小、重量轻、安全可靠等方面。开关电源相关技术的研究正处于迅速发展阶段， 第一章绪论 以下几个方面将是开关电源发展的方向。 ( 1 ) 小型化、薄型化、轻量化：开关电源的体积、重量主要是由储能元件( 磁 性元件和电容) 决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能 元件的体积u “。 ( 2 ) 高频化：在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电 感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是 开关电源的主要发展方向u 。 ( 3 ) 高可靠性。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低 了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着 电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度， 采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。 ( 4 ) 低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会 随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪 声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。 ( 5 ) 采用计算机辅助设计和控制。采用c a a 和c d d 技术设计最新变换拓扑 和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控 制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等u 驯。 开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电 源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输 出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。 1 3 论文主要工作 本文详细讨论和分析了单端正激式开关电源和电源管理芯片u c 3 8 4 2 的基本原 理；重点分析了高频变压器的设计方法并采用面积乘积法设计了本电源中的高频 变压器；分析了e m i 形成的原因和e m i 滤波器的原理并进行设计；全面掌握开关 电源的设计流程，设计出一个完整的开关电源电路原理图；采用仿真软件p s p i c e 9 2 对设计电路进行了全面的仿真验证。本文的结构安排如下： 第一章绪论 第二章开关电源的原理及设计方法 第三章高频变压器的设计 第四章 控制单元和开关管的设计 第五章其他电路的设计 第六章仿真分析 第二章开关电源原理及设计方法 第二章开关电源原理及设计方法 2 1 开关电源电路基本结构与原理 2 1 1 开关电源的基本结构 图2 1 所示是开关电源电路的典型结构，它主要由整流滤波电路、d c - d c 变换 电路、开关占空比控制电路以及取样比较电路等模块构成。 前级整流滤波电路用来消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高 频噪声向电网扩散，并将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。 变换器是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将 输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波电路将变换器输出的高频交流电 压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。取样电路 和开关占空比控制电路通过检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放 大，调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定u 圳。 图2 1 开关电源典型结构 2 1 2 开关电源的基本工作原理 开关电源的基本工作原理：输入交流电( 市电) 首先经过整流滤波电路形成 直流v s ，该直流电v 。再经过通、断状态。如图2 2 ( a ) 所示波形v 。控制的电子开 关电路后，变换成脉冲状态交流电v o ( 图2 2 ( b ) ) ，v o7 再经电感、电容等储能 元件构成的整流滤波电路平滑后，输出直流电v o ( 图2 2 ( c ) ) 。 6 单端正激式高频开关电源设计 显然，输出直流v o 的大小取决于脉冲状交流电v o7 的有效值大小( 成正比) ， 而v o7 的有效值又与开关的导通占空比d = t o n t ( 其中t = t o n + t o 阡) 成正比。此外， 通过取样比较电路中的取样电阻r 。和r ：对输出电压v 0 取样，并使之与基准电压v r e f 进行比较，若取样电压高于v e f ，则比较电路输出v e 减小，取样控制占空比控制电 路，使t 下降，从而使v o 下降；若取样电压低于v n 盯，则比较电路输出v e 增加， 使t 删t 增加，从而使v 0 增加，这样就可以使开关电源的输出电压v 。稳定在一个恒 定值上。 ( a ) v ( b ) ( c ) 0 ：i q ；o nk i u 室o f f6 1 io iiliii iiiiil 煦仑ja l 玲卜一下 iiii i il ；iiii v o | 平均ii i 。 。 一一j l 一j 一l ：巴一 图2 2 开关电源工作波形 2 2 、非隔离型o c o c 变换电路 非隔离型d c d c 变换电路主要有b u c k 电路、b o o s t 电路、b u c k b o o s t 电路、 c u k 电路，下面分别介绍其电路及其原理。 2 2 1b u c k 电路 b u c k 电路示于图2 3 ( a ) ，它是种升压斩波电路，其输出电压平均值u o 总 小于输入电压u 。通过电感中的电流( i l ) 是否连续，取决于开关频率，滤波电感 l 和电容c 的数值。在电感电流i 。连续条件小的工作波形示于图2 3 ( c ) ，在电感 电流连续条件下对稳态工作过程分析，可按照图2 3 ( b ) 所示两种电路模式进行。 工作模式1 ( 0 t t 。= k t ) ：k 为占空比。t = o 时刻，q 管被激励导通，d 管中 电流迅速地转换到q 管，若假定在这期间的u o 不变，电感电流按直线规律从i t 上 升到1 2 。 工作模式2 ( t - t t ) ：在t - - t 。时刻q 管关断，q 管中电流i 迅速地转换到d 中去，这时，仍假定在这期间的电感电流i 。按直线规律从i 。下降到i - ，则u o = k u d 。 第二章开关电源原理及设计方法 7 这说明b u c k 电路的输出电压平均值与k 成正比，k 从0 变到l ，输出电压从0 变 到u a ，且输出电压最大值不超过u a 。 + ( a ) 电路 u d i i i o i 1 0 u 0 ( b ) 等值电路 1 0 1 0 、 i 一7 二二刁：。 7 厶一 k ti r 7 l u c l 弋二：7z o 三；：二 ( c ) 波形 图2 3b u c k 电路及其波形 i h ou 0 l ，- 8单端正激式高频开关电源设计 2 2 2b o o s t 电路 图2 4 所示为b o o s t 电路，它是一种升压斩波电路，其输出电压平均值超过 电源电压u a ，其电路的工作波形表示于图2 6 。 在电感电流连续的条件下，电路工作于图2 5 所示的两种电路模式。工作模 式l ( 0 t t 。= k t ) ，在t = 0 时刻，q 导通，电感中的电流按直线规律上升到i 。 工作模式2 ( t 。t t ) ，在t = t 。时刻，q 管断开，电感电流按直线规律从i 。降到 i 。，则u 0 = u j ( 卜k ) ，说明b o o s td c d c 变换电路是一个升压斩波电路。当k 从0 趋近于1 时，u o 从u a 变到任意大。 + i ii li li ld i li 图2 4b o o s t 电路 模式1 ii ld + 模式2 。 图2 5b o o s t 等值电路 i 0 = 1 0 z i 0 = 1 0 r 0丌un v o u 叮i l ，l l i 1 7 厶 第二章开关电源原理及设计方法 9 1 2 1 1 1 2 1 1 0 0 o 1 2 一1 0 0 一1 0 u 0 0 i 工l li c t i r i 图2 6b o o s t 工作波形 2 2 3b u c k - b o o s t 电路 图2 7 ( a ) 为b u c k b o o s t 电路，这是降压一升压混合电路，其输出电压可以 小于输出电压，也可以大于它，而输出电压极性与输入电压相反，其输出电压波 形示于图2 7 ( b ) 。在电感电流i l 连续条件下，b u c k b o o s t 电路工作于图2 7 ( c ) 所示的两种工作模式。 工作模式1 ( 0 t t l = k t ) ：在t = 0 时刻，q 管导通，d 管反偏置关断，输出 电流i 通过电感l ，并在这期间按照直线规律从i ，上升到i 。 工作模式2 ( t t t ) ：在t = t 。时刻，关断q 管，电感中的电流通过负载和 电容c 流动，负载电压极性与输入的相反。若认为在这个期间，电感电流仍按直 线规律从i z 下降到i - 。则输出电压平均值为 u o ：- k u a ( 2 1 ) 1 0 单端正激式高频开关电源设计 d l d 式1 z i o = i o 0 tf i n i dt 。飞 i ck t 。 【ti t l c 。、i ( c ) ( b ) 图2 7b u c k b o o s t 电路及其波形 ( a ) 电路( b ) 等值电路( c ) 波形 2 2 4 c u k 电路 c u k 电路表示在图2 8 ( a ) 中。它也是升降压混合电路，其输出电压极性与 输入电压极性相反。在负载电流连续条件下，其工作波形示于图2 8 ( c ) 中。 电路的稳态工作可按图2 8 ( b ) 所示的两种模式进行分析。 工作模式l ( 0 t t 。= k t ) ：在t = o 时刻，q 管导通，电感l 。中的电流i l l 线 性增长( 从i l l l 到工m ) ，这期间，电容c 。上的电压使d 管反偏置，而通过负载和 电感l 。传输能量，负载获得反极性电压。由电路可知，在这种电路结构中，q 管和 d 管同步工作的，即q 管道通，d 管截止；q 管截止，d 管导通。 工作模式2 ( t l t t ) ：在t = t l 时刻，关断q 管，d 管导通，电容c 。被充电， 电感l - 的电流i 。下降。假定其下降符合直线变化，则可求得 u 。：一k u a( 2 2 ) 1 一k 该结果与b u c k b o o s t 电路结果一样啪1 。 第二章开关电源原理及设计方法 i l lii c li l 2 ( a ) 电路 j 一。7 1 一1 。司 i l l r ( b ) 等值电路 i l 2 2 i l 2 1 z0 i 00 0 z0 ( c ) 波形 图2 。8c u k 电路及其波形 2 2 5 四种基本型变换器的比较 b u c k b o o s t ，b u c k - - b o o s t 变换电路输入与输出的能量传递通过电感进行， 分析方法是基于电感电压平衡。c u k 变换电路利用电容传递能量，分析方法基于电 容电流平衡。c u k 电路虽然比前三者复杂，但它能达到输入输出电流连续的效果， 而且将输入输出电感耦合，可以达到“零纹波 ，使体积小型化。但是并不实用， 因为能量的转换用的电容需要耐受极大的纹波电流，电容的成本高，可靠性也会 稍差一些。d c d c 变换器中以降压( b u c k ) 和升压( b o o s t ) 为最基本的，其余都是这 两种的派生出来的，在所有的应用中，没有哪一个是最佳的，只能是不同的应用， 选取不同的最合适的变换器。 0 0 2 1 0 l lt 上t 上 +iilo 1 2单端正激式高频开关电源设计 2 3f o r w a r d 正激式变换电路 有隔离变换器的d c d c 变换器按照铁芯磁化方式，可分为双端变换器( 全桥、 半桥、推挽等) 和单端变换器( 正激式、反激式等) 。和双端变换器比较，单端变换 器线路简单、无功率管共导通问题、也不存在高频变换器单向偏磁和瞬间饱和问 题，但由于高频变换器只工作在磁滞回线一侧，利用率低。因此，它只适用于中 小功率输出场合。 单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有 一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压 器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的 使用范围。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应 用于独立的离线式中小功率电源设计中。 正激式直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接入复位绕组 是最基本的方法，复位绕组也可以接着输出端，其次还有r c d 复位，l c d 复位和有 源箝位等磁复位方法本文介绍具有复位绕组的f o r w a r d 变换器瞄“。 2 3 1 主电路拓扑和控制方式 f o r w a r d 变换器实际上是在降压式b u c k 变换器中插入隔离变压器而成，图 2 9 给出了f o r w a r d 变换器的主电路及其波形。开关管q 按p w m 方式工作，d - 是输 出整流二极管，d ：是续流二极管，l f 是输出滤波电感，c r 是输出滤波电容。变压器 油三个绕组，原边绕组w 。，副边绕组w ：，复位绕组w 3 ，图中绕组符号标有“”号 的一端，表示是该绕组的正端。d 。是复位绕组w s 的串联二极管。 v i w 1v 2 d 1l f i l l r l d 一耋 图2 9 ( a ) 电路图 第二章开关电源原理及设计方法 7 b e v w l 7 r e c t 辚 i l f i v l i w 3 l lil - l t v i n t 1 3 v i n i t 下i 班1 2 - - o i iiil 八、ij 八、。 ：锚二兰：令、： iili 。 - ；， li r r 卜! ! 卜、。 图2 9 ( b ) 主要波形 图2 9f o r w a r d 变换器的主电路及其主要波形 2 3 2电流连续时f o r w a r d 变换器的工作原理 图2 1 0 给出了变换器在不同工作模式下的等效电路图。其工作原理可分为三 种模式 ( 1 ) 工作模式l 0 ，t 棚 如图2 1 0 a 所示，图中加粗部分是电流流通部分，未加粗部分为断开部分。 在t = o 时，开关管q 导通，电源电压v ；。加在原边绕组w 。上，即u l = v ；。，故铁芯磁 化，铁芯磁通砂增长： w l 坐：( 2 3 ) 讲 在此工作模式中，铁芯磁通西的增长量为： 撕= 鲁啪( 2 - 4 ) 变压器的励磁电流i - 从0 开始线性增加： 1 4单端正激式高频开关电源设计 撕= t l m ( 2 - - 5 ) 式中，l m 是原边绕组的励磁电感。 那么副边绕组w z 上的电压为： k 2 ：丝：旦( 2 6 ) w 1k 1 2 式中，k 1 2 = w l w 2 是原边与副边绕组的匝比。 此时，整流二极管d 。导通，续流二极管d z 截止，滤波电感电流i 。r 线性增加， 这与b u c k 变换器中q 导通时一样，只是电压为k 1 2 。 v i v i 旦一 d i l ：丝1 2 ( 2 7 ) d lk w 1v 2d l l f ( a ) q 导通 1 | | | f lw 2 d 1l f v i ( b ) q 关断 3t 12d ll f ( c ) q 关断，磁复位完成 图2 1 0 不同开关模态下的等效电路图 第二章开关电源原理及设计方法 根据变压器工作原理，原边电流i ，为折算到原边的副边电流和励磁电流之和， 即 l w l ：旦+ l m( 2 8 ) = 一十 l z 一石j k 1 2 ( 2 ) 工作模式2 t 曲，t r 如图2 1 0 b 所示，图中加粗部分是电流流通部分，未加粗部分为断开部分。 在t o n 时刻，关断q ，原边绕组与副边绕组中没有电流流过，此时变压器通过复位 绕组进行磁复位，励磁电流i x 从复位绕组w 3 经过二极管d s 回馈到输入电源中去。 那么复位绕组上的电压为： 踟3 = 一玩 ( 2 9 ) 这样，原边绕组和副边绕组上的电压分别为： v w l = k i 3 v 拥 晰2 = 一k 2 3 v h , ( 2 - 1 0 ) 式中，k t 3 = w 1 w 3 是原边与复位绕组的匝比，k 2 3 = w 2 w 3 是副边与复位绕组的 匝比。 此时，整流管d - 关断，滤波电感电流i l r 通过d z 续流，与b u c k 变换器类似。 在此工作模式中，加在q 上的电压v q 为： v o = v m + k 1 3 v , , , = ( 1 + k 1 3 ) v i , , ( 2 1 1 ) 电源电压v t 。反向加在复位绕组w 3 上，故铁芯去磁，铁芯磁通西减小： 形3 堂：一( 2 一1 2 ) 班 铁芯磁通西的减小量为： = 旦w 3 a d 兀 ( 2 1 3 ) 式中a d ：z r i - t o n 是变压器磁芯的去磁时间乃一与兀的比值，a d 8 2 2 6 本章小结 本章主要讨论了开关电源的基本原理， 电路拓扑结构和正激式变换电路拓扑结构， 计电源应达到的技术指标。 重点分析了四种非隔离型d c d c 变换 介绍了开关电源的设计流程和本文设 第三章高频变压器设计 1 9 第三章高频变压器设计 3 1 变压器工作原理 变压器是一种利用互感祸合的电感器件。它由磁芯和绕组组成，磁芯起导磁 作用，并使变压器的电性能和经济指标大大变好。接输入端的是初级绕组，起激 磁和从输入端获取电能的作用，并通过它将输入电能转换为磁场能。接输出端的 是次级绕组，它将磁场能转换为电能供给负载。 变压器的工作原理，可概括为空载、负载两种工作状态的三个物理过程。如 图3 1 所示：当开关k 在断开位置时，匝数为n 。的初级绕组，接通交流电源v 。后，变 压器处在空载状态。此时，第一个物理过程是：初级绕组产生激磁电流i 。，磁势e 。= n 。 i 。，其产生磁场 风：n 1 1 1 ( 3 1 ) # 鼠：垒碥：巫( 3 2 ) j l l 么。 式中，b - 为磁感应强度，驴。为磁通量，l 。为磁芯有效长度，a 。为磁芯有效截面积， 为磁芯磁导率，1 1 为初级绕组电流。由式( 3 - 2 ) 可知，在磁芯中激起交变磁通西。 此时为电生磁过程。 7 1 k1 2 工1l “ 一 j h 1 司 n 2 v 2 【1 ， r 图3 1 燹压器结构不恿图 空载的第二个物理过程是：据电磁感应定律，磁芯里的交变磁通，在初级绕 组两端产生自感电势e 。，在次级绕组两端产生互感电势e ：，此时称为磁生电过程。 根据空载状态时，初级绕组的自感电势e 。的瞬时值为 e l ：一l 堂( 3 3 ) 班 设= 妒。c o s c o t ，则可得电压有效值e 1 = k ：f f n i b , , , a e ( 其中k r 为波形系数，n 1 为初级 单端正激式高频开关电源设计 绕组匝数，b m 为工作磁感应强度，也为磁心有效截面积，f 为电源频率) 。由电磁感 应定律，次级绕组互感电动势e z 的瞬时值为 p 2 ；一2 堂( 3 4 ) 班 设妒= 妒。x c o s c o t ，则可得电压有效值e 2 = k h c n 2 b m , 4 r ( n 2 为次级绕组匝数) 。设初、 次级电阻为零，则有v t = e ，v 2 = e z ，并可得鲁= 等，这是变压器的变压原理心3 j 。 将图3 1 中开关k 置于接通位置，变压器便进入负载状态，出现第三个物理过 程：在次级绕组中互感电势使负载电路流过负载电流i z ，且，- 1 = ，2 2 ，这是变压 器的变流原理。 3 2 高频变压器设计方法面积乘积( a p ) 法 高频变压器设计方法最常用的有两种，第一种是先求出磁芯窗口面积a 与磁芯 有效截面积a 。的乘积a p ( a p = a - a 。，称为磁芯面积乘积) 。根据a p 值，查表找出所 需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。 前者称为a p 法，后者成为k g 法 2 4 o 本文主要讨论a p 法。 3 2 1a p 法公式推导 原边匝、副边m 匝的变压器，在原边以电压耽开关工作时，根据法拉第 定律 矿l = k f l “v ? b w a c ( 3 5 ) 式中，_ 7 ；为开关工作频率( 胁) ，b w 为工作磁通密度( t ) ，a 。为磁芯有效面积( m 2 ) ， 厨为波形系数，电压有效值与平均值之比当正弦波时为4 4 4 ，方波时为4 。 由式( 3 5 ) 可得 胁= 彘 ( 3 - 6 ) 磁芯窗口面积a w 乘上使用系数k o 为有效面积，该面积为原边绕组胁占据的 窗口面积n p a e 与副边绕组脶占据的窗口面积n s a s 之和，即 k o a w = n p a e + n s a s ( 3 7 ) 式中，k o 为窗口使用系数( k o p f c 4 0 3 5 9 0一o 1 23 2 55 8 81 3 1 金属叠片铁芯 p c u 2 p f c 3 6 65 3 4一o 1 24 1 36 8 21 9 7 c 型铁芯2 p f e 3 2 34 6 80 1 43 9 26 6 61 7 9 单线圈 p f e 3 9 55 6 9- 0 1 44 4 57 6 62 5 6 带绕铁芯 p 矗2 p f e 2 5 03 6 5一o 1 35 0 98 2 32 5 单端正激式高频开关电源设计 3 3 高频变压器设计 正激式变压器主要有两个作用：第一、实现输入与输出之间的电隔离；第二、 升高或降低经脉宽调制以后的交流输入电压幅值。正激式变压器除了磁芯材料本 身磁化的- - d , 部分能量外，是不能储存能量的。 3 3 1 技术指标 v 。：d c + 5 v 1 a d c + 1 2 v 1 a d c - 1 2 v 1 a d c + 2 4 v 2 a v i 。：d c2 8 0 - - - 3 2 0 v 输入额定电压：d c + 3 0 0 v “黑箱 预先估计： p o u t = 5 v 1 a + 1 2 v 1 a + 1 2 v 1 a + 2 4 v 2 a = 7 7 w ( 3 2 7 ) p i n = 垒：旦：9 0 6 w ( 3 2 8 ) 叩删0 8 5 - 生：一9 0 6 ：1 1 8 a ( n 29)lin(high)=,3- 一= 一2 1 、m n - f 、j h ，：旦：墨里：03aln ( 3 3 0 ) = 一= 一= ) o u 圪们一 3 0 0 v 3 3 2 磁芯选择 功率铁氧体，高频下材料具有很高的电阻率，因而涡流损耗低，价格低是高 频变压器首选材料但是磁导率通常比较低，磁化电流较大，有时候套缓冲和嵌 位电路。合金材料磁芯，如钻基非晶合金和微晶合金，虽然具有较高的电阻率， 通常轧成很薄的带料，可以用在较高频率。但是综合价格等因素的考虑，除了在 高温和冲击、振动大的地方，需要采用合金材料磁芯外，一般变压器磁芯还是以 铁氧体为主。磁芯材料要考虑的最主要因素是它在工作频率处的损耗和应用的磁 通密度。因此根据电源的工作频率选择镍锌铁氧体材质的c 型铁心，允许温升 5 0 0 c 。 3 3 3 确定a p 值 ( 1 ) 确定总的视在功率n 设用肖持基二极管其压降v d f = 0 6 v ，则视在功率p t 为： 第三章高频变压器设计 2 5 p r = 尸。( ，寺+ - ) 芝= c 矿。+ 肠f ，。( 吉+ ) 压 。3 3 。， = ( 3 0 0 + 0 6 ) o 3 ( 志+ ) 压郫。缈 ( 2 ) 确定a p 值 取k o = o 4 ，k f = 4 0 ，b - = o 2 5 ，f 。= 2 5 0 k h z ，查表3 1 查得c 型铁心允许温升5 0 0 c 时，局= 4 6 8 ，x = 一0 1 4 ，依式( 3 1 4 ) 可得 么尸：f ，坠! q ：p k o k d w b w k j ) ：f 一 ! 兰q 兰! 孚r 1 4 ( 3 3 2 )= ：l l f 一 10 4 4 o x 2 5 0 1 0 0 2 5 4 6 8j = 0 0 1 8 3 c m 4 ( 3 ) 确定铁心参数 加1 0 裕度，查表3 2 得c l - 2 - e 铁心，其参数为 a p ：0 5 l c m 4 m l t = 4 5 c m ( 3 3 3 ) a 。= 0 4 0 c m 2 , a w = 1 2 6 c m 2 , a s = 3 0 8 c m 2m p l = 6 1 c m w e e = o 0 1 9 k g ( 3 3 4 ) 3 3 4 确定原边绕组匝数和导线规格 ( 1 ) 确定原边绕组的匝数( 中心抽头至两端) 依式( 3 6 ) ，y l = v s = 3 0 0 v m = 糍：丽最篆划 净3 5 ， 因此，原边绕组取3 0 匝。 ( 2 ) 确定原边绕组电流 厶：e o ：( 2 4 + 0 6 ) x 2 ：o 1 7 彳 v s 目 3 0 0 o 9 8 ( 3 - 3 6 ) ( 3 ) 确定电流密度 依式( 3 1 2 ) ，由表3 1 确定的玛= 3 2 3 ，x = - - 0 1 4 ， j = k j ( a , a e ) x = k j a p z = 3 2 3x ( 0 2 8 2 ) 加“= 4 5 8 7 a c m 2 ( 3 3 7 ) ( 4 ) 确定原边绕组裸线面积 电路中间有抽头时，i p 需要乘上0 7 0 7 校正因素，依式( 3 - 8 ) 得 单端正激式高频开关电源设计 知：一v ：0 17 x0 7 0 7 ：0 0 0 2 6 2 c m 2 ( 3 3 8 ) 4 5 8 7 由导线规格表3 3 的a w g 规格查得最接近线号：a w g # 2 3 如= 0 0 0 2 5 9 笪：6 6 6 c m ( 3 - 3 9 ) 确定原边绕组电阻： m ：( 尬r ) ( ) 坐1 0 6 ：4 5 3 0 6 6 6 1 0 4 ：0 0 9 q ( 3 4 0 ) c m 确定原边绕组铜耗： p p c u = 厶2 r p = 0 1 7 2 0 0 9 = 0 0 0 3 w 3 3 5 确定副边(