100W单端正激开关电源.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 100W单端正激开关电源设计单端正激开关电源设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 电气电气104104 学学 号 号 100303132100303132 学生姓名 学生姓名 张宁张宁 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 本科生课程设计 论文 I 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电气工程学院 教研室 电气 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号104学生姓名专业班级 设计题目100W单端正激开关电源设计 课程设计 论文 任务 课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数课题完成的设计任务及功能 要求 技术参数 实现功能实现功能 为实验室电子设备供 6 24V 可调直流电源 以取代低效率的线性稳压电源 减小电源的体积和重量及成本 设计任务与要求设计任务与要求 1 方案的经济技术论证 2 整流电路设计 3 逆变电路设计 4 确定高频变压器变比及容量 5 输出整流滤波电路设计 6 通过计算选择器件的具体型号 7 驱动电路设计或选择 8 绘制相关电路图 9 完成 4000 字左右的设计说明书 技术参数技术参数 1 输入电压单相170 260V 2 输入交流电频率45 65HZ 3 输出直流电压 6 24V可调 4 输出直流电流4A 5最大功率 100W 6 稳压精度 1 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 方案论证 第 3 天 输入整流及滤波 电路设计 第 4 天 逆变电路设计 第 5 天 确定高频变压器变比及容量 第 6 天 输出整流滤波电路设计 第 7 天 控制电路设计 第 8 天 模拟实验或 matlab 仿真 第 9 天 总结并撰写说明书 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 II 摘 要 电源设备用以实现电能变换和功率传递 是各种电子设备正常工作的基础 而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势 在通信 军事装备 交 通设施 仪器仪表 工业设备 家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用 本论文来源于 S3C2410 嵌入式综合信息平台开发项目 其目标是为综合信 息平台提供可靠的电源保证 在深入研究分析各种开关电源原理和特点的基础上 根据项目的指标要求 论文设计了一种单端正激式高频多路输出开关电源 该开关电源的特点是以单端 正激式为主拓扑 以电流型控制芯片 UC3842 和高频变压器为核心 采用 EMI 滤 波器 MOSFET 输出滤波电路 采样反馈通道等主要元器件和电路模块 实 现了四路稳定输出 论文所设计的开关电源输入为市电 220V 交流 输出电压为 12V 直流电压 开关频率为 250KHZ 论文采用面积乘积法 AP 确定了高频变压器的原副边形 式以及铁芯材料的选择 设计了输出电路 系统补偿器以及启动电路和 EMI 滤波 电路 论文采用仿真软件 对所设计的单端正激式高频开关电源电路系统进行全 面仿真 仿真结果表明 该开关电源的输出电压调整特性 负载调整率 输出纹 波 动态响应 温度变化等均满足了项目的指标要求 并且具有良好的过载 短 路保护特性和波形特性 各项技术指标能够达到信息平台的供电要求 关键词 高频开关电源 单端正激式 变压器 本科生课程设计 论文 III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 电力电子技术概况 1 1 2 本文设计内容 1 第 2 章 开关电源电路设计 2 2 1 100W 单端正激开关电源总体设计方案 2 2 2 具体电路设计 3 2 2 1 主电路设计 3 2 2 2 控制设计 6 2 2 3 输出电路设计 12 2 3 元器件型号选择 14 2 4 系统调试或仿真 数据分析 18 第 3 章 课程设计总结 21 参考文献 22 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 电力电子技术概况 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 1 2 本文设计内容 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 UC3842 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 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 100W 单端正激开关电源电路设计 第三章 课程设计总结 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 开关电源电路设计 2 1 100W 单端正激开关电源总体设计方案 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 DC DC 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 图 2 1 开关电源典型结构 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 VS 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 V0 图 2 2 b V0 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 V0 图 2 2 c 显然 输出直流 V0的大小取决于脉冲状交流电 V0 的有效 值大小 成正比 而 V0 的有效值又与开关的导通占空比 D TON T 其中 T TON TOFF 成正比 此外 通过取样比较电路中的取样电阻 R1和 R2对输出电 压 V0取样 并使之与基准电压 VREF进行比较 若取样电压高于 VREF 则比较电 路输出 Ve减小 取样控制占空比控制电路 使 TON T 下降 从而使 V0下降 若 本科生课程设计 论文 3 取样电压低于 VREF 则比较电路输出 Ve增加 使 TON T 增加 从而使 V0增加 这样就可以使开关电源的输出电压 V0稳定在一个恒定值上 图 2 2 开关电源工作波形 2 2 具体电路设计 2 2 1 主电路设计 正激式变换电路 有隔离变换器的 DC DC 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 RCD复位 LCD复位和 有源箝位等磁复位方法本文介绍具有复位绕组的 FORWARD 变换器 主电路拓扑和控制方式 图 2 3 给出了 FORWARD 变换器的主电路及其波形 开关管 Q 按 PWM 方式 本科生课程设计 论文 4 工作 D1是输出整流二极管 D2是续流二极管 Lf是输出滤波电感 Cf是输出 滤波电容 变压器油三个绕组 原边绕组 W1 副边绕组 W2 复位绕组 W3 图中绕组符号标有 号的一端 表示是该绕组的正端 D3是复位绕组 WS的 串联二极管 图 2 3 电路图 续经过续流管续流 此时开关管 Q 上的电压为 VQ Vin 论文设计电源的技术指标 基本要求 1 输入输出 输入 市电 220V 50HZ 输出 12V 4A 2 工作温度 40 85 3 工作频率 200 250KHZ 4 隔离电阻 大于 200M 5 绝缘强度 输入 输出 输入 外壳 输出 外壳 主路 副路 均 500V DC 6 输入电压范围 交流 176V 260V AC 50HZ 7 结构尺寸 120 60 25 单位 mm 主要技术指标 1 输出电压精度 2 电压调整率 主路 0 1 3 负载调整率 主路 0 5 4 输出纹波 VP P 1 5 温度系数 0 01 C 本科生课程设计 论文 5 6 输出具有短路保护 并能自动恢复 7 效率 82 高频变压器设计 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 的初级绕组 接通交流电源 0N 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 磁势 E0 N0 I0 其产生磁场 3 1 3 2 式中 Bm为磁感应强度 m为磁通量 Le 为磁芯有效长度 Ae为磁芯有 效截面积 I1为磁芯磁导率 为初级绕组电流 由式 3 2 可知 在磁芯中激起 交变磁通 m 此时为电生磁过程 图 2 4 变压器结构示意图 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 E1 绕组两端产生互感电势 E2 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 瞬时值为 设 m COS t 则可以得到电压有效值 E1 KfN1BmAef 其中 Kf 为波形 系数 N1 为初级绕组匝数 Bm 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 E2 的瞬时值为 11 m e NI H L 11 m e NI H L 本科生课程设计 论文 6 设 m COS t 则可得电压有效值 E2 KffN2BmAe N2为次级绕组匝数 设初 次级电阻为零 则有 V1 E1 V2 E2 并可得到 V2 V1 N2 N1 这是变压器 的变压原理 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 I2 且 I1N1 I2N2 这 是变压器的变流原理 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 本身磁化的一小部分能量外 是不能储存能量的 技术指标 Vout DC 12V 4A Vin DC 280V 320V 输入额定电压 DC 300V Pout 12V 4A 48W Pin Pout 48 0 85 49 41W Iin high Pin Vout low 49 41 48 1 03A Iin Pin Vout 49 41 300 0 1647A 2 2 2 控制设计 电流型控制模式分析 传统的 PWM 开关稳压电源采用电压型控制模式如图 2 5 所示 以输出电压作 为反馈信号 与给定电压相比较 产生误差控制电压 然后在 PWM 比较器中与锯 齿波相比较 调节开关的触发信号的占空比 实现输出电压调节 这种系统以电 压反馈构成单环系统 达到稳定输出电压目的 电压型控制设计相对来说要简单 另一方面 由于 PWM 比较器锯齿波幅值较 大 因而对噪声有较大裕量 但是因为开关变换器为一个二阶系统 有两个状态 变量 输出滤波电容电压和输出滤波电感电流 这使得电压单环控制模式只有 在经过精心的设计和计算才能使这个二阶系统有条件稳定 同时 由于反馈电压 信号与滤波电感的电流相比在相位上要滞后 90 因而 电压控制模式动态响应 较差 甚至在输入电压或是负载突变时可能引起振荡 损坏开关器件 另外 在推挽或桥式等电路中 电压控制容易出现开关变压器线圈偏磁和电 流尖峰 导致变换器不能正常工作 不仅如此 由于输出滤波对控制环增加了两 个极点 设计时还需要增加一个零点进行补偿 本科生课程设计 论文 7 图 2 5 电压型控制模式原理图 与电压控制模式相比具有很多优越性 电流控制模式如图 2 6 所示 其控制 部分主要由电压采样电阻和电流采样电阻 误差比较器和 PWM 比较器以及锁存器 组成 当变换器工作时振荡器产生固定时钟使寄存器置位 从而使开关管开通 同时 输出电压的采样信号与给定信号在误差放大器中比较后 产生电压信 号 Ue Ue 在 PWM 比较器与锯齿波相比较 产生锁存器的复位信号 使开关管关 断 PWM 比较器锯齿波的产生是由于变换器中输出电感的作用 使电阻 Rs 上的电 流逐渐增大 电压线性升高 产生 PWM 所需锯齿波电压 当锯齿波线性上升到 Ue 时 即当 Us Ue 时 开关管驱动信号撤除 晶体管关断 从以上分析可知 这种控制模式构成电压电流双环系统 从而消除了由于输 出滤波电感带来的双极点不稳定的问题 另外 由于控制电路逐周检测 因而变 换器具有良好的线性调整率和快速的动态反映 同时这种控制模式很容易实现过 流保护 并能自动均衡推挽和全桥变换器中的磁通 电流模式控制主要的缺点是 当占空比大于 50 时 由于电流上升率不够 控制环变得不稳定 抗干扰性能差 图 2 6 电流型控制模式原理图 UC3842 的工作原理 UC3842 是高性能固定频率电流模式控制器 专为离线和直流至直流变换器应 本科生课程设计 论文 8 用而设计 为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案 这些集成电路具有可微调的振荡器 能进行精确的占空比控制 温度补偿的参考 高效益误差放大器 电流取样比较器和大电流图腾柱式输出 是驱动功率 MOSFET 的理想器件 其他的保护特性包括输入和参考欠压锁定 各有滞后 逐周电流限 制 可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存 主要特点如下 1 微调的震荡器放电电流 可精确控制占空比 2 电流模式工作到 500kHZ 3 自动前馈补偿 4 锁存脉宽调制 可逐周限流 5 内部微调的参考电压 带欠压锁定 6 大电流图腾柱输出 7 欠压锁定 带滞后 UC3842 原理图 UC3842 采用 DIP 8 封装 管脚排列如图 2 7 所示 原理方框图如图 2 8 所示 图 2 7 管脚连接图 图 2 8 代表性方框图 各管脚功能示于表 2 1 笫 1 脚是补偿脚 外接阻容元件以补偿误差放大器 本科生课程设计 论文 9 的频率特性 第 2 脚是反馈端 将取样电压加至误差放大器的反相输入端 再与 同相输入端的基准电压进行比较 产生误差电压 第 3 脚接过流检测电阻 构成 过流保护电路 R C 为锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容公共端 引脚 8 TT 为内部基准电压 V 5 0V 引脚 7 为输入电压 引脚 6 为输出电压 引脚 5 为 RET 接地端 表 2 1 UC3842 的管脚功能说明 工作原理 1 振荡器 振荡器频率由定时元件 R 和 C 选择值决定 电容 C 由 5 0V 的参考电压通 TTT 过电阻 R 充电 充电到大约 2 8V 再由一个内部的电流宿放电至 1 2V 在 C 放 TT 电期间 振荡器产生一个内部消隐脉冲保持 或非 门的中间输入为高电平 这 导致输出为低状态 从而产生了一个数量可控的输出静区间 图 2 9 显示定时电阻肪与振荡器频率关系曲线 图 2 10 显示输出静区时间 与频率关系曲线 它们都是在给定的 C 值时得到的 注意 尽管许多的 R 和 C TT 值都可以产生相同的振荡频率 但只有一种组合可以得到在给定频率下的特定 T 输出静区间 振荡器门限是温度补偿的 放电电流在 T 25 时被微调并确保在 J 10 之内 这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小 结果显示在图 2 11 和图 2 12 中 本科生课程设计 论文 10 图 2 9 定时电阻与振荡器频率关系曲线 图 2 10 输出静区时间与振荡器频率关系曲 线 图 2 11 振荡器放电电流与温度关系曲线 图 2 12 最大输出占空比与定时电阻关系曲 线 2 误差放大器 提供一个有可访问反向输入和输出的全补偿误差放大器 此放大器具有 90dB 的典型直流电压增益和具有 57 相位余量的 1 0MHZ 的增益为 带宽 同相输入 在内部偏置于 2 5V 而不经管脚引出 典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压 并由反向输入监视 一最大输入偏置电流为 2 0 A 它将引起输入电压误差 后者等于输入偏置电流 和等效输入分压器源电阻的乘积 误差放大器输出 管脚 1 用于外部回路补偿 输出电压因两个二极管压降而失调 1 4V 并在连接至电流取样比较器的反向 输入之前被三分 这将在管脚 处于其最低状态时 保证在输出 管脚 6 不出 现驱动脉冲 3 电流取样比较器和脉宽调制锁存器 UC3842 作为电流模式控制器工作 输出开关导通由振荡器起始 当峰值电 感电流到达误差放大器输出 补偿 管脚 1 建立的门限电平时终止 这样在逐 周基础上误差控制峰值电感电流 所用的电流取样比较器脉宽调制锁存配置确保 在任给定的振荡器周期内 仅有一个单脉冲出现在输出端 电感电流通过插入一 个与输出开关 Q1 的源极串联的以地为参考的取样电阻 R 转换成电压 此电压由 S 电流取样输入 管脚 3 监视并与来自误差放大器的输出电平相比较 在正常的工作 条件下 峰值电感电流由管脚 1 上的电压控制 当电源输出过载或者如果输出电 压取样丢失时 异常的工作条件将出现 在这些条件下 电流取样比较门限将被 本科生课程设计 论文 11 内部箝位至 1 0V 4 欠压锁定 UC3842 采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前 集成电路 已完全可用 正电源端 Vcc 和参考输出 Vref 各由分离的比较器监视 每个都具 有内部的滞后 以防止在通过他们各自的门限时产生误输出动作 Vcc 比较器上 下门限分别为 16V 和 10V Vref 比较器高低门限为 3 6V 和 3 4V 5 输出 UC3842 有一个单图腾柱输出级 是专门用来直接驱动功率 MOSFET 的 在 1 0nF 负载下时 它能提供高达 1 0A 的峰值驱动电流和典型值为 50ns 的上升 下降时间 还附加了一个内部电路 使得任何时候只要欠压锁定有效 输出就进 入灌电流模式 这个特性使外部下拉电阻不再需要 6 参考电压 5 0V 带隙参考电压在 T 25 时调整误差至 1 0 它首要的目的是为 J 振荡器定时电容提供充电电流 参考部分具有短路保护功能并能向附加控制电路 供电 提供超过 20 A 的电流 UC3842 外围电路设计 工作频率设计 振荡器频率由接在 3842 的 4 脚上的电阻 R 和电容 C 决定 频率为 TT f 1 8 RC 假若工作频率小于 20kHZ 进入音频范围则噪声较大 纹波增大 若开关频率 较高时 开关损耗增大 系统效率降低 因此确定工作频率时要折衷考虑 实际 选择工作频率为 250KHZ R 选值为 100K C 选值为 72nF 的两个电容并联 TT 本文中 R C 分别为 RC C为消噪电容 取值为 0 01 F TT191615 电流检测和反馈补偿的设计 由于储能电感的作用 在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流 在检测 电阻 上产生一个尖峰脉冲 为防止造成 UC3842 的误动作 在 Rs 取样点到 UC3842 的脚 3 间加入 R C 滤波电路 R C 时间常数约等于电流尖峰的持续时 间 为了改善电流波形前沿尖脉冲所导致的不稳定性 本文由 RC构成 RC 滤 1513 波电路 其中 R取 1k C取 470pF Rs 取 3 3 1513 同样 为了改善 UC3842 内部误差放大器的频率响应 在反馈补偿端加上 滤波电路 本文中由 R R C构成 取值分别为 150k 4 7k 100pF 161714 外加一个接地电阻 R 取值为 3 6k 18 本科生课程设计 论文 12 启动电路的设计 为了降低功耗 3842 采用两条供电电路 一条是启动时通过 R 供电 另一 2 条是 启动后辅助电源供电 电路如图 2 13 所示 由于电源正常工作情况下的驱动电流很大 所以选择由变压器分一个绕组进 行供电 这样可以降低功耗 图中 C和 R 起储能和滤波作用 因为 UC3842 1213 的瞬态驱动功率较大 所以 C取值就比较大为 470 F R取 10k R 取 56k 12132 图 4 9 UC3842 供电电路 图 2 13 UC3842 电路 UC3842 的整体外围电路如图 2 14 所示 图 2 14 UC3842 的整体外围电路 2 2 3 输出电路设计 整流电路的选择 整流电路的任务是将交流电变换成直流电 完成这一任务主要靠二极管的单 本科生课程设计 论文 13 向导电作用 因此二极管是构成整流电路的关键元件 下面分析整流电路时 为简单起见 把二极管当作理想元件来处理 即认为 它的正向导通电阻为零 而反向电阻为无穷大 电路如图 2 15 a 所示 图中乃为电源变压器 它的作用是将交流电网电压 V0变成整流电路要求的交流电压 V2 V2sin t RL 是要求直流供电的负载电阻 四只整流二极管 D1 D4 接成电桥的形式 故有桥式整流电路之称 图 5 1 b 是 它的简化画法 在电源电压 V2的正 负半周 设 a 端为正 b 端为负时是正半周 内电流通 路分别用图 2 15 a 中实线和虚线箭头表示 负载足 上的电压 V0的波形如图 5 2 所示 电流 的波形与 V0的波形相同 显然 它们都是单方向的全波脉动波形 单相桥式整流电压的平均值为 图 2 15 单相桥式整流电路图 本科生课程设计 论文 14 图 2 16 单相桥式整流电路波形图 直流电流为 I0 0 9V2 RL 在桥式整流电路中 二极管 D1 D3和 D2 D4 是两两轮流导通的 所以流经 每个二极管的平均电流为 Id 0 5IL 二极管在截止时管子承受的最大反向电压可从图 2 15 a 看出 在 V2正半周 时 D1 D3导通 D2 D4截止 此时所承受到的最大反向电压均为 V2的最大值 即 VRDM 2V2 同理 在 V2的负半周 D1 D3也承受同样大小的反向电压 桥式整流电路的优点是输出电压高 纹波电压较小 管子所承受的最大反向 电压较低 同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载 电源变压器得到 充分的利用 效率较高 因此 这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用 电路的缺点是二极 管用的较多 2 3 元器件型号选择 正激式滤波扼流圈的设计 正激式滤波扼流圈就是正激式变压器的每个输出端上的滤波电感 它的目的 就是当开关关断时 为负载储存能量 电气上的作用就是把开关方波脉冲积分成 直流电压 确定所需最小电感的公式为 式中 Vin max 为对应的输出端上整流后的最高峰值电压 Vout为输出电压 Ton est 为估计的最大输入电压下 开关管导通时间 Iout min 为预先知道的输出端上负载 最小电流 可以算出四路输出端所用电感的最小值 12V 输出端最小电感值 本科生课程设计 论文 15 L12min Vin max Vout Ton est 1 4Iout min 20 12V 1 2 S 1 4 4A 2 H 输出滤波电容的设计 正激式和升压式输出级的输出滤波电容的计算式相同的 它可以简单地由所 需要的输出纹波电压峰值决定 这个输出纹波电压就是叠加在输出直流电压上的 交流三角波 对于正激式变换器 输出纹波典型值是 30mV 峰峰值 而升压式 变换器中 150mY 的峰峰值是比较典型的 计算公式为 式中 Iout为输出端的额定电流值 单位为 A 为在高输入电压和轻载下所估 计的最小占空比 估计值为 0 3 是比较合理的 Vripple pk pk 为期望的输出电压纹 波峰峰值 单位为 V 12V 输出端滤波电容 Cout min Iout max 1 0 5 fVripple pk pk 4A 0 5 250KHZ 30mV 266 F 死电阻的设计 死电阻的作用 在单端正激式电路中 副边是不可以开路的 这是因为在忽 略电路损耗的情况下 电源提供的能量全部由负载消耗 当变压器副边开路时 副边电流为零 电压就会无穷大 这样电路就无法正常工作 所以在副边一定要 加死电阻 另外 死电阻还起到了释放副边滤波电容上电荷的作用 对死电阻的选取一 般应使在其上流过的电流不超过 5mA 因此 12V 输出端的死电阻为 R3 24V 5mA 4 5k 电源滤波电容的计算 由于到变压器的电流全部由电容器供给 电源频率为 50HZ 所以 电容器 进行充电的时间间隔为 10ms 电容在 10ms 期间作为电源的代理必须给与负荷的 电荷量 由于变压器输入电流是 0 3A 因此电容器存储的电荷量 Q 0 3 10 10 3 3mC 变压器所需的最低输入电压为 200 2V 即 280V 则电容 C 的脉动电压 为 308V 282V 26V 所以电容 C 的值为 C Q V 115 4 F 因此 选取 115 F 电容值作为电源滤波电容 整流电路中二极管的选择 鉴于单相桥式整流电路整流电压脉动小 变压器利用率较高的特点 本论文 选用单相桥式全波整流电路 桥式电路中二极管的选择首要考虑的是耐压 电路 本科生课程设计 论文 16 接的是高频变压器 因此选择二极管的耐压必须超过 300V 最大电流超过 1A 并且需要选择具有快速恢复特性的管子 功率 MOSFET 管的选择 MOSFET 是高频开关电源的关键器件 也是电源部分发热量较大的元件 合理 的计算可以帮助设计者避免盲目与浪费的选择 在选择 MOSFET 最大峰值电压 V 最大输入电流 I MOSFET 总功率 P MOSFET 最大允许操作温度 maxdspkmaxtot Tjmax 由以下参数可以初步选择 MOSFET PWM 控制芯片导通输出控制电压 Vdr PWM 控制芯片与 MOSFET 栅极间驱动阻抗 Rdr MOSFET 开关频率 fsw MOSFET 工作环境 温度 T MOSFET 最大占空比 Dcn max MOSFET 最大耐压 Vdss 应满足 Vdss V Vimax Vf maxds MOSFET 漏极连续最大电流 d 满足 Id Ipk 由 UC3842 导通输出控制电压为 12V 开关频率为 250kHZ 工作环境温度 50 MOSFET 最大占空比为 50 经查阅相关参数手册 选安美森半导体公司的 MTD3302 符合初步选择要求 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 500 C 确定 AP 值 1 确定总的视在功率 设用肖特基二极管其压降 Vdf 0 6V 则视在功率 PT 为 300 0 6 0 58 1 0 85 1 2 536 6W 2 确定 AP 值 本科生课程设计 论文 17 取 K0 0 4 Kf 4 0 Bw 0 25 Fs 250KHZ 查 11 查得 C 型铁心允许温升 50 C 时 Kj 468 X 0 14 0 0806 3 确定铁心参数 加 10 裕度 查表 3 2 得 CL 2 E 铁心 其参数为 AP 0 51CM MLT 4 5CM AP 0 40CM2 AW 1 26CM2 AS 30 8CM2 MPL 6 1CM WTFE 0 019Kg 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 Vi VS 300V N1 30 因此 原边绕组取 30 匝 2 确定原边绕组电流值 IP P0 VS 24 0 6 2 300 0 98 0 17A 3 确定电流密度 依式 3 8 由 11 确定的 KF 323 X 0 14 J Kj Aw Ae x KjAPx 323 0 282 0 14 45 84 A CM2 4 确定原边绕组裸线面积 中间有轴头时 IP需要乘上 0 707 加以校正 Axp Ip J 0 17 0 707 45 87 0 00262 CM2 由导线规格 12 的 AWG 规格查得最接近线号 AWG 23 AWG 0 00259 CM 666 确定原边绕组电阻 RP MLT N CM 10 6 4 5 30 666 104 0 09 本科生课程设计 论文 18 确定原边绕组铜耗 PPCU IP2RP 0 172 0 09 0 003W 确定副边 中心抽头至某一端 绕组匝数和导线规格 确定 12V 副边绕组匝数 V S 12 0 6 12 6V NS NPV S VP 30 12 6 300 1 26 由于变压器绕组必须是整数 因此取整 2 匝 确定 12V 副边绕组裸线面积 中间抽头变压器的 I0需再乘 0 707 校正因素 AXS I0 0 707 J 4 0 707 45 87 0 0616CM2 由表 3 3 查得最接近的 线号为 AWG 15 AXS 0 01651CM2 CM 104 3 确定 12V 副边绕组电阻 RS MLT N CM 10 6 4 5 2 104 3 10 6 0 0009 确定 12V 副边绕组铜耗 PSCU I02RS 42 0 0009 0 0144 2 4 系统调试或仿真 数据分析 系统整体电路仿真参数设置 系统整体仿真电路 其中耦合系数为 变压器采用非线性铁芯模型 K500T400 3C8 耦合系数选用 0 99 这样仿真结果更接近实际工作状态 输入激 励信号选用比较接近市电的正弦波信号源 Vsin 系统电路中的所有元件选取和参 数设置全部按照第三章到第五章中所设计的原件进行选择和参数设置 仿真分析 1 变压器输入电压验证 图 2 17 为瞬态运行时变压器输入端的电压和电流波形 运行时间为 100ms 从波形可以看出 变压器启动后需要 6ms 左右的时间才能稳定运行 其输入电压 在 300V 左右波动 电流在 300mh 即 0 3A 左右波动 与设计值大体一致 本科生课程设计 论文 19 图 2 17 变压器输入电流和电压波形 2 输出电压验证 图 2 18 图 2 19 所示分别为瞬态运行时电压输出波形和电流输出波形 运 行时间为 500 s 从图中可以看出 最大输出端 12v 需要 80 s 才能稳定输出 说 明电源需要 80 s 稳定输出 而变压器稳定运行的时间是 6ms 那么整个电源从启 动到稳定运行的时间不会超过 7ms 这远远