24v开关电源设计

临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 0 页 摘摘 要要 随着开关电源在计算机 通信 航空航天 仪器仪表及家用电器等方面的广泛 应用 人们对其需求量日益增长 并且对电源的效率 体积 重量及可靠性等 方面提出了更高的要求 开关电源以其效率高 体积小 重量轻等优势在很多 方面逐步取代了效率低 又笨又重的线性电源 电力电子技术的发展 特别是 大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展 将开关电源的工作频率提高到相当高 的水平 使其具有高稳定性和高性价比等特性 开关电源技术的主要用途之一 是为信息产业服务 信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求 从而促 进了开关电源技术的发展 本次设计采用典型的正激式开关电源结构设计形式 以 RCC 作为控制核心器件 运用脉宽调制的基本原理 并采用辅助电源供电方 式为其供电 有利于增大主电源的输出功率 采用场效应管作为开关器件 其 导通和截止速度很快 导通损耗小 这就为开关电源的高效性提供保障 同时 电路中辅以过压过流保护电路 为系统的安全工作提供保障 本电路注意改善 负载调整率 降低了电磁串扰 达到绿色环保的目的 输出电压可调 使其可适 用于不同场合 关键词关键词 高频变压器 场效应管 正激式变换器 脉宽调制 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 1 页 Abstract With the wide application of switching power supply in the computer communications aerospace instrumentation and electrical appliances and so on the growing demand for its people and has put forward higher requirements for power efficiency volume weight and reliability Switching power supply with its high efficiency small size light weight and other advantages in many respects gradually replaced the linear power supply low efficiency heavy and bulky The development of power electronic technology especially the rapid development of the high power IGBT devices and MOSFET increasing the working frequency of the switching power supply to a very high level which has high stability and high performance characteristics One of the main purposes of switching power supply technology is serves for the information industries the development of information technology on power technology and put forward higher requirements so as to promote the development of switch power supply This design is excited by the switching power supply design of the structure of typical with RCC as the core control device using the basic principle of pulse width modulation and auxiliary power supply by way of its power is conducive to the output power increase of the main power supply FET used as a switching device the conducting and closing fast conduction loss is small which guarantee the high efficiency switching power supply At the same time the circuit with over voltage and over current protection circuit providing security for the safe operation of system the attention of the circuit to improve load regulation reducing the electromagnetic crosstalk to achieve the purpose of environmental protection The output voltage is adjustable so that it can be suitable for different occasions Keywords High frequency transformer MOSFET forward converter pulse width modulation 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 2 页 目目 录录 1 诸论 1 1 1 开关电源的基本概念 1 1 2 开关电源的发展 1 1 2 1 开关电源的发展史 2 2 电路的比较方案 3 2 1 方案一 反激式变换器 3 2 2 方案二 半桥变换器 3 2 3 方案三 正激式变换器 4 3 各部分电路工作原理 6 3 1 单相桥式整流电路 6 3 1 2 参数计算 7 3 2 功率变换电路 8 3 2 1 MOS 管工作原理 8 3 3 1 肖特基二极管 12 3 4 高频变压器的设计 13 3 4 1 变压器的设计 13 3 4 2 控制电路工作原理 16 3 5 L431 的功能 16 3 6 短路保护电路 18 3 6 1 输入保护器件 18 3 6 2 输入瞬间电压保护 18 4 电路的总结构 20 附录 27 附录一 27 附录二 29 参考文献 30 致 谢 31 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 3 页 1 1 诸论诸论 电是工业的动力 是人类生活的源泉 电源是生产电的装置 表示电源特 性的参数有功率 电压 电流 频率等 在同一参数要求下 又有重量 体积 效率和可靠性等指标 我们用的电 一般都需经过转换才能适合使用的需要 例如交流转换成直流 高电压变成低电压 大功率变换为小功率等 按照电子理论 所谓 AC DC 就是交流转化为直流 AC AC 称为交流变交流 即为改变频率 DC AC 称为逆变 DC DC 为直流变交流后再变为直流 为了达到 转换的目的 电源变换的方法是多样的 自 20 世纪 60 年代 人们研发出了二极管 三极管半导体器件后 就用半 导体器件进行转换 所以 凡是用半导体功率器件作开关 将一种电源形态转 换成另一种形态的电路 叫做开关变换电路 在转换时 以自动控制稳压输出 并有各种保护环节的电路 称为开关电源 Switching Power Supply 1 11 1 开关电源的基本概念开关电源的基本概念 开关电源是通过电路控制开关管进行高速的导通与截止 利用开关功率器 件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源 它具有体积小 重量轻 效率 高 对电网电压及频率的变化适应性强 输出电压稳定 有利于计算机信息保 护等优点 因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备 通信设备 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源 开关电源又被称为高效能 节能电源 内部电路工作在高频开关状态 转化为高频交流电的原因是高频交 流在变压器变压电路中的效率要比 50Hz 高很多 自身消耗的能量很低 电源效 率可达 80 左右 比普通线性稳压电源提高一倍 目前生产的无工频变压器式 中 开关电源采用脉冲宽调制器 PWM 或脉冲频率调制器 PFM 1 21 2 开关电源的发展开关电源的发展 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展 特别是微处理器和半导体存 储器的开发利用 孕育了电子系统的新一代产品 显然 那种体积大而笨重的 使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时 取而代之的是小型化 重量轻 效率高的隔离式开关电源 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路 它使交流电源高效率地 产生一路或多路经调整的稳定直流电压 开关电源在计算机 通信 航空航天 仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用 人们对其需求量日益增长 并且对电 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 4 页 源的效率 体积 重量及可靠性等方面提出了更高的要求 开关电源以其效率 高 体积小 重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低 又笨又重的线性电 源 电力电子技术的发展 特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展 将 开关电源的工作频率提高到相当高的水平 使其具有高稳定性和高性价比等特 性 在转换时 以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路 称为开关电源 Switching Power Supply 1 2 11 2 1 开关电源的发展史开关电源的发展史 自 20 世纪 60 年代 人们研发出了二极管 三极管半导体器件后 就用半 导体器件进行转换 所以 凡是用半导体功率器件作开关 将一种电源形态转 换成另一种形态的电路 叫做开关变换电路 在 70 年代 随着电子技术的不断 发展 集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机 彩色电视机 卫星 通信设备 程控交换机 精密仪表等电子设备 这是由于开关电源能够满足现 代电子设备对多种电压和电流的需求 随着半导体技术的高度发展 高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开 关电源迅速实用化 而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路 的集成化奠定了基础 适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生 其功能不断完善 集成化水平也不断提高 外接元件越来越少 使得开关电源 的设计 生产和调整工作日益简化 成本也不断下降 目前己形成了各类功能 完善的集成开关稳压器系列 近年来高反压 MOS 大功率管的迅速发展 又将开 关电源的工作频率从 20kHz 提高到 150 200kHz 其结果是使整个开关电源的体 积更小 重量更轻 效率更高 开关电源的性能价格比达到了很高的水平 使 它在与线性电源的竞争中具有先导之势 当然开关电源能被工业所接受 首先 是它在体积 重量和效率上的优势 在 70 年代后期 功率在 100w 以上的开关 电源是有竞争力的 到 1980 年 功率在 50w 以上就具有竞争力了 随着开关电 源性能的改善 到 80 年代后期 电子设备的消耗功率在 20w 以上 就要考虑使 用开关电源了 过去 开关电源在小功率范围内成本较高 但进入 90 年代后 其成本下降非常显著 当然这包括了功率元件 控制元件和磁性元件成本的大 幅度下降 此外 能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 5 页 2 2 电路的比较方案电路的比较方案 2 12 1 方案一 反激式变换器方案一 反激式变换器 反激式变换器开关电源工作原理比较简单 输出电压控制范围比较大 因 此 在一般电器设备中应用广泛 所谓反激式变换器开关电源 是指当变换器 的初级线圈被直流电压激励时 变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出 而仅在变换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 换器开关电源称为反激式开关电源 图 2 1 反激式变换器工作原理图 Ui 是开关电源的输入电压 T 是高频变压器 K 是控制开关 C 是储能滤波 电容 R 是负载电阻 图 2 1 b 是反激式变换器开关电源的电压输出波形 2 22 2 方案二 半桥变换器方案二 半桥变换器 为了减小开关三极管的承受电压 可以采用半桥式变换器 它是开关电源 比较好的拓扑结构 电容 C1 C2 与开关晶体管 VT1 VT2组成变换器 如图 2 2 所示 桥的对角线接高频变压器 TR 的初级绕组 如果 C1 C2 容量 耐压均相 等 在某一只开关晶体管导通时 绕组上的电压只有电源电压 Vin的一半 在稳 定的条件下 VT1导通 C1 上的电压 1 2 Vin加在变压器的初级线圈上 由于初 级绕组和漏感的作用 电流继续流入初级绕组黑点标示端 如果变压器初级绕 组漏感储存的电能足够大 二极管 VD6导通 钳位电压进一步变负 在 VD6导通 的过程中 反激能量对 C2 进行充电 连结点 A 的电压在阻尼电阻的作用下 以 振荡形式最后回到中间值 如果这时 VT2的基极有触发脉冲 则 VT2导通 初级 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 6 页 绕组黑点标示端电压变负 Ip 电流加上磁化电流流经初级绕组和 VT2 然后重 复前面的过程 不同的是 Ip 变换了方向 二极管 VD5对三极管 VT1的导通钳位 反激能量再对电容 C1 进行充电 图 2 2 半桥式变换器工作原理图 该电源采用半桥式变换电路 如图 6 所示 其工作频率 50kHz 在初级一 侧的主要部分是 Q4 和 Q5 功率管及 C34 和 C35 电容器 Q4 和 Q5 交替导通 截 止 在高频变压器初级绕组 N1 两端产生一幅值为 U1 2 的正负方波脉冲电压 能量通过变压器传递到输出端 Q4 和 Q5 采用 IRFP460 功率 MOS 管 2 2 1 功率变压器的设计功率变压器的设计 1 工作频率的设定 工作频率对电源的体积 重量及电路特性影响很大 工作频率高 输出滤 波电感和电容体积减小 但开关损耗增高 热量增大 散热器体积加大 因此 根据元器件及性价比等因素 将电源工作频率进行优化设计 本例为 fs 50kHz T 1 fs 1 50kHz 20 s 2 磁芯选用 选取磁芯材料和磁芯结构 选用 R2KB 铁氧体材料制成的 EE 型铁氧体磁芯 其具有品种多 引线空间 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 7 页 大 接线操作方便 价格便宜等优点 确定工作磁感应强度 Bm R2KB 软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度 Bs 0 47T 考虑到高温时 Bs 会 下降 同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和 选定 Bm 1 3Bs 0 15T 计算并确定磁芯型号 磁芯的几何截面积 S 和磁芯的窗口面积 Q 与输出功率 Po 存在一定的函数关 系 对于半桥变换器 当脉冲波形近似为方波时为 SQ 1 式中 效率 j 电流密度 一般取 300 500A cm2 Kc 磁芯的填充系数 对于铁氧体 Kc 1 Ku 铜的填充系数 Ku 与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关 一般为 0 1 0 5 左右 各参数的单位是 Po W S cm2 Q cm2 Bm T fs Hz j A cm2 取 Po 640W Ku 0 3 j 300A cm2 0 8 Bm 0 15T 代入式 1 得 SQ 4 558cm4 由厂家手册知 EE55 磁芯的 S 3 54cm2 Q 3 1042cm2 则 SQ 10 9cm4 EE55 磁 芯的 SQ 值大于计算值 选定该磁芯 3 计算原副边绕组匝数 按输入电压最低及输出满载的情况 此时占空比最大 来计算原副边绕组 匝数 已知 Umin 176V 经整流滤波后直流输入电压 Udmin 1 2 176 211 2V 对于半桥电路 功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半 即 Upmin Udmin 2 105 6V 设最大占定比 Dmax 0 9 则 tonmax T Dmax 20 0 9 9 0 s 一种输出电压 4 16V 开关稳压电源的设计 Upmin tonmax 104 105 6 9 0 10 6 104 代入公式 N1 8 9 匝 次级匝数计算时取输出电压最大值 Uomax 16V 次级电路采用全波整流 Us 为次级绕组上的感应电压 Uo 为输出电压 Uf 为整流二极管压降 取 1V Uz 为滤波电感等线路压降 取 0 3V 则 Us 19 22VN2 N1 8 9 1 8 匝 为了便于变压器绕制 次级绕组取为 2 匝 则初级绕组校正为 N1 N2 10 匝 辅助电源的设计辅助电源的设计 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 8 页 辅助电源采用 RCC 变换器 RingingChokeConverter 见图 3 其输入电 压为交流 220V 整流滤波电压 输出直流电压为 12 5V 输出直流电流为 0 5A 电路中 Q8 和变压器初级绕组线圈 N1 与反馈绕组线圈 N3 构成自激振荡 R72 为 启动电阻 Q9 R77 构成辅助电源初级过流保护 D20 C81 ZD1 Q11 R75 R76 构成电压检测与稳压电路 控制 Q8 的基极电 流的直流分量 从而保持输出电压恒定 变压器采用 EE19 LP3 材质构成 初 级 180 匝 反馈绕组 5 5 匝 次级 11 匝 初级电感量是 2 6mH 磁芯中间留有 间隙 0 4mm 2 32 3 方案三 正激式变换器方案三 正激式变换器 正激式变换器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性 相 对来说比较好 因此 工作比较稳定 输出电压不容易产生抖动 在一些对输 出电压参数要求比较高的场合 经常使用 图 2 3 正激式变换器工作原理图 正激式变换器开关电源工作原理 所谓正激式变换器开关电源 是指当变 压器的初级线圈正在被直流电压激励时 变压器的次级线圈正好有功率输出 图 2 3 是正激式变换器开关电源的简单工作原理图 图 2 3 中 Ui 是开关电源的 输入电压 T 是高频变压器 K 是控制开关 L 是储能滤波电感 C 是储能滤波 电容 D2 是续流二极管 D3 是削反峰二极管 R 是负载电阻 需要特别注意的是高频变压器初 次级线圈的同名端 如果把高频变压器 初线圈或次级线圈的同名端弄反 图 2 3 就不再是正激式变换器开关电源了 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 9 页 3 3 各部分电路工作原理各部分电路工作原理 3 13 1 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路 它们所连接的负载性质不同就会有不同的特点 下面分析两种单相桥式整流电 路在带电感性负载的工作情况 单相桥式半控整流电路的优点是 线路简单 调整方便 弱点是 输出电 压脉动冲大 负载电流脉冲大电阻性负载时 且整流变压器二次绕组中存在直 流分量 使铁心磁化 变压器不能充分利用 而单相桥式全控整流电路具有输出 电流脉动小 功率因数高 变压器二次电流为两个等大反向的半波 没有直流 磁化问题 变压器利用率高的优点 单相桥式全控整流电路其输出平均电压是 半波整流电路 2 倍 在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小一半 且功率 因数提高了一半 单相桥式半波相控整流电路因其性能较差 实际中很少采用 在中小功率 场合采用更多的是单相桥式全控整流电路 根据以上的比较分析因此选择的方案为单相桥式全控整流电路 负载为阻 感性负载在生产实践中 除了电阻性负载外 最常见的负载还有电感性负载 如电动机的励磁绕组 整流电路中串入的滤波电抗器等 为了便于分析和计算 在电路图中将电阻和电感分开表示 当整流电路带电感性负载时 整流工作的物理过程和电压 电流波形都与 带电阻性负载时不同 因为电感对电流的变化有阻碍作用 即电感元件中的电 流不能突变 当电流变化时电感要产生感应电动势而阻碍其变化 所以 电路 电流的变化总是滞后于电压的变化 电路波形图中 b 电源电压 c 触 发脉冲 d 输出电压 e 输出电流 f 晶闸管 V1 V4 上的电流 g 晶闸管 V 2 V 3 上的电流 h 变压器副边电流 i 晶闸管 V1 V4 上 的电压 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 10 页 图 3 1 单相全控桥式整流电路电感性负载及其波形 3 1 2 参数计算参数计算 负载电流连续时 整流电压平均值可按下式计算 输出电流波形因电感很大 平波效果很好而呈一条水平线 两组晶闸管轮流 导电 一个周期中各导电 180 且与 无关 变压器二次绕组中电流 i2 的波形是对称的正 负方波 负载电流的平均值 Id 和有效值 I 相等 其波形系 数为 1 在这种情况下 当 0 时 Ud 0 9U2 当 90 时 Ud 0 其移相范围为 90 晶闸管承受的最大正 反向电压都是 流过每个晶闸管的电流平均值和有 效值分别为 cos9 0cos 22 sin2 1 222 UUttdUUd T u2 u1 i2 V2V1 V4V3 ud id R a b c d e f L g h i u2 0 t ug 0 t1 t2 t ud 0 t 0 id t iV1 4 0 iV2 3 0 t t i2 0 uV1 4 0 t t 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 11 页 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量 可将脉动电压做傅里 叶分析 此时谐波分量中的二次谐波幅度最大 最低次谐波的幅值与平均值的 比值称为脉动系数 S 3 23 2 功率变换电路功率变换电路 3 2 13 2 1 MOSMOS 管工作原理管工作原理 NMOS 的特性是 Vgs 大于一定的值就会导通 适合用于源极接地时的情况 低端驱动 只要栅极电压达到4V 或10V 就可以了 开机后 交流电通过整流 滤波后一路通过变压器初级加到开关管 Q2漏极 D 极 另一路通过启动电阻 R2 R3加到 Q2栅极 G 极 从而使开关管 Q2导通 导通后 变压器 T1原边产生上 正下负 1正2负 的感应电动势 由于互感 T1辅助绕组也产生相应的下正上负 3正4负 的感应电动势 于是 T1的3脚上的正脉冲电压通过 C5 R5加到 Q2的 G 极与 S 极之间 从而使 Q2的漏极电流进一步增大 于是开关管 Q2在正反馈雪崩 过程的作用下迅速进入饱和状态 二氧化硅来作为闸门极下的绝缘体 这种晶 体管称为金属氧化物半导体 MOS 晶体管 或金属氧化物半导体场效应管 MOSFET 因为 MOS 管更小更省电 所以他们已经在很多应用场合取代了双极型 晶体管 首先考察一个更简单的器件 MOS 电容 能更好的理解 MOS 管 这个器件 有两个电极 一个是金属 另一个是衬底 他们之间由一薄层二氧化硅分隔开 图 3 1 A 金属极就是闸门 而半导体端就是栅极 他们之间的绝缘氧化层称 为闸门电压来说明 图3 1A 中的 MOS 电容的闸门电位是0V 金属闸门和半导体 栅极在差异的电介质 氧化层的上下 上产生了一个小电场 图示的器件中 这个电场使金属电子少了 故闸门 电介质 图示中的器件有一个轻掺杂 P 型硅 做成栅极 这个 MOS 电容的电特性能通过把栅极接地 闸门接不同的极带正电 P 型硅负电位 相对电子多了 这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来 它 同时把空穴排斥出表面 这个电场太弱了 所以载流子浓度的变化非常小 对 器件整体的特性影响也非常小 ddd V V ddd V dV IIII IIII 2 2 22 2 1 22 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 12 页 图3 1中是当 MOS 电容的闸门相对于栅极正偏置 PN 结 时发生的情况 穿过闸门 电介质的电场加强了 有更多的电子从衬底被拉了上来 同时 空穴 被排斥出表面 随着闸门电压的升高 会出现表面的电子比空穴多的情况 由 于过剩的电子 硅表层看上去就像 N 型硅 掺杂极性的反转被称为 反型 反 转的硅层叫做沟渠 N Pmos 的命名就是根据这里来的 随着闸门电压的持续不 断升高 越来越多的电子在表面积累 沟渠变成了强反转 沟渠形成时的电 压被称为阈值电压 Vt 当闸门和栅极之间的电压差小于阈值电压时 不会形成 沟渠 当电压差超过阈值电压时 沟渠就出现了 其实还有个亚阈值状态栅极 电压 此时也有载流子 也有电子通道 不过很小一般忽略 此时耗尽层的负电 荷占据主要 以映像栅上的电压 图 3 1 MOS 电容 A 未偏置 VBG 0V B 反转 VBG 3V C 积累 VBG 3V 图3 1C 中是当 MOS 电容的闸 门相对于栅极是负电压时的情况 就好像给二极管的 PN 结加上正电压 电场 反转 往表面吸引空穴排斥电子 硅表层看上去更重的掺杂了 这个器件被认 为是处于电荷积累状态了 MOS 电容的特性能被用来形成 MOS 管 图 3 1 A 是最终器件的截面图 闸 门 电介质和栅极保持原样 在闸门的两边是两个额外的选择性掺杂的区域 其中一个称为源极 另一个称为漏极 假设源极和栅极都接地 漏极接正电压 只要闸门对栅极的电压仍旧小于阈值电压 就不会形成 沟渠 漏极和栅极之间 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 13 页 的 PN 结反向偏置 所以只有很小的电流从漏极流向栅极 如果闸门电压超过了 阈值电压 在闸门电介质下就出现了 沟渠 这个 沟渠就像一薄层短接漏极和 源极的 N 型硅 由电子组成的电流从源极通过 沟渠流到漏极 总的来说 只有 在闸门对源极电压 V 超过阈值电压 Vt 时 才会有漏极电流 图3 2 MOSFET 晶体管的截面图 NMOS A 在图中 S 源极 G 闸门 D 漏 极 虽然栅极图上也有 但没有说明 MOS 管的源极和漏极是可以对调的 他 们都是在 P 型栅极中形成的 N 型区 在多数情况下 这个两个区是一样的 即 使两端对调也不会影响器件的性能 这样的器件被认为是对称的 在对称的 MOS 管中 对源极和漏极的标注有一点任意性 定义上 载流子流出源极 流 入漏极 因此源极和漏极的身份就靠器件的偏置来决定了 有时晶体管上的偏 置电压是不定的 两个引线端就会互相对换角色 这种情况下 电路设计师必 须指定一个是漏极另一个则是源极 源极和漏极不同掺杂不同几何形状的就是 非对称 MOS 管 制造非对称晶体管有很多理由 但所有的最终结果都是一样的 一个引线端被优化作为漏极 另一个被优化作为源极 如果漏极和源极对调 这个器件就不能正常工作了 图 3 2 A 中的晶体管有 N 型 沟渠所有它称为 N 沟渠 MOS 管 或 NMOS 如果这个晶体管的闸门相对于栅极正向偏置 电子就被 吸引到表面 空穴就被排斥出表面 硅的表面就积累 没有 沟渠形成 如果闸 门相对于栅极反向偏置 空穴被吸引到表面 沟渠形成了 由于 NMOS 管的阈 值电压是正的 PMOS 的阈值电压是负的 所以工程师们通常会去掉阈值电压前 面的符号 一个工程师可能 从0 6V 上升到0 7V 实际上 PMOS 的 Vt 是从 0 6V 下降到 0 7V 极带轻微的正电位是因为下面衬底是 P 型的空穴多 电子少 故需要从别 处 抢来 电子 所以氧化物处 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 14 页 图 3 2 功率变换电 路 工 作原理 图 3 2 的 R4 C3 R5 R6 C4 D1 D2 组成缓冲器 和开关 MOS 管并接 使开关管电压 应力减少 EMI 减少 不发生二次击穿 在开关管 Q1 关断时 变压器的原边线 圈易产生尖峰电压和尖峰电流 这些元件组合一起 能很好地吸收尖峰电压和 电流 从 R3 测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制 因此是当前 工作周波的电流限制 当 R5 上的电压达到 1V 时 UC3842 停止工作 开关管 Q1 立即关断 R1 和 Q1 中的结电容 CGS CGD 一起组成 RC 网络 电容的充放电 直接影响着开关管的开关速度 R1 过小 易引起振荡 电磁干扰也会很大 R1 过大 会降低开关管的开关速度 Z1 通常将 MOS 管的 GS 电压限制在 18V 以下 从而保护了 MOS 管 Q1 的栅极受控电压为锯形波 当其占空比越大时 Q1 导 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 15 页 通时间越长 变压器所储存的能量也就越多 当 Q1 截止时 变压器通过 D1 D2 R5 R4 C3 释放能量 同时也达到了磁场复位的目的 为变压器的下 一次存储 传递能量做好了准备 IC 根据输出电压和电流时刻调整着 脚锯形 波占空比的大小 从而稳定了整机的输出电流和电压 C4 和 R6 为尖峰电压吸 收回路 3 3 正激式变换电路设计正激式变换电路设计 正激式是指变压器的初级与次级同相位 正激式变换器的优点是铜损低 因为使用无气隙磁芯 电感量较高 变压器的峰值电流比较小 输出电压纹波 低 缺点是电路较为复杂 所用元器件多 如果有假负载存在 效率将降低 它适用于低电压 大电流的开关电源 多用于 150W 以下的小功率场合 它还具 有多台电源并联使用而互不受影响的特点 而且可以自动均衡 而反激式却不 能做到这点 C19 是开关晶体管钳位消噪电路 VD8 是肖特基整流二极管 它的作用非常 重要 差不多 40 的功耗损失在整流二极管上 3 3 13 3 1 肖特基二极管肖特基二极管 肖特基二极管 SBD 是一种 N 型半导体器件 工作在低电压 大电流状态下 反向恢复时间短 只有纳秒 正向导通压降为 0 4V 而整流电流达数百安 它 是最近在开关电源中应用得最多的一种器件 区分肖特基二极管和超快速恢复 二极的方法是二者的正向压降不同 肖特基二极管的正向压降为 0 3V 超快速 恢复二极管的正向压降啊 0 6V 值得注意的是 肖特基二极管的最高反向工作 电压一般不超过 100V 它适合用在低电压 大电流的开关电源中 因此 在本 设计中肖特基二极管的采用为 MBR1045 肖特基二极管 MBR1045 参数如下 型号 MBR1045 反向峰值电压 Vrm 45 平均整流电流 Id 10A 反向恢 复时 Trr Q3 的 B E 导通电 压时 Q3 导通 从而实现保护功能 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 23 页 临沂大学 2013 届本科毕业设计说明书 第 24 页 图图 4 14 1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理 4 电路的总结构 电路的总结构 开关电源的工作原理如图4 1所示 输入电压为 AC85 256V 50Hz 的交流电 经过滤波 再由整流桥整流后变为直流 通过控制电路中开关管的导通和截止 使高频变压器的一次测产生低压高频电压 经由小功率高频变压器藕合到二次 测 再经整流滤波 得到直流电压输出 为了使输出电压稳定 进行了输出电压 反馈用 TL431取样 将误差经光耦合放大 通过 PWM 来控制开关管的导通与截止 时间 即占空比 使得输出电压 附录附录 附录一附录一 元器件清单 名称参数数量名称参数数量 电阻560K 1W1热敏电阻315H 250V1 电阻12K1压敏电阻431 101 电阻2K2整流桥4A 500V1 电阻1K1电位器1K1 电阻100 1集成电路TL38421 电阻5 1 1高频变压器50W1 电阻330 1稳压源TL4311 电阻0 51 1W1场效应管6A 900V1 电阻10 1高频二极管FER2081 电阻4k71高频二极管FR1571 电阻7k51高频整流二极管FC