基于DC-DC隔离电源的分析与设计

-DC-DC隔离电源的分析与设计【摘要】：本文结合实例介绍了利用MC34063设计制作的一种隔离式DC/DC开关直流稳压电路。MC34063由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的隔离式DC/DC开关直流稳压电源仅用少量的外部元器件。它具有宽电压输入，通过变压器实现输入5V，隔离输出5V电压。【关键词】：DC/DC；开关电源；MC34063；设计；分析；-i-Abstract:ThispaperintroducestheuseofMC34063designandproductionofanisolatedDC/DCswitchcircuitdesignofDCregulatedpowersupply.MC34063bythereferencevoltagegeneratorwithautomatictemperaturecompensationfunction,thecomparator,thedutyratiocontrolledoscillator,R-Striggersandlargecurrentoutputswitchingcircuit,etc.Thedevicecanbeusedtoboostconverter,buckconverter,thereversercontrolcore,composedofitsisolatedDC/DCswitchDCregulatedpowersupplywithonlyasmallnumberofexternalcomponents.Ithaswidevoltageloss,throughtheinput5Vtransformer,isolatedoutput5Vvoltage.Keywords:DC/DC;Switchingpowersupply;MC34063;Design;Analysis；-ii-目录前言.2第1章隔离电源简介.3第1.1节隔离电源的作用.3第1.2节隔离与非隔离的区别.3第1.3节隔离电源的应用.3第1.4节隔离电源发展方向.4第2章设计方案分析.5第2.1节主电路形式.5第2.2节DC-DC变换器拓扑结构.5第2.3节控制方式的选择.7第2.4节芯片的选择.11第3章DC-DC隔离电路设计.14第3.1节DC-DC隔离电源设计要求.14第3.2节DC-DC原理框图.14第3.3节EMC电磁兼容电路设计.15第3.4节LC震荡输出电路设计.16第3.5节单端反激式高频变压器的设计.16第3.6节反馈电路及保护电路的设计.21第3.7节变压器设计中注意事项.21第4章电路调试.23第4.1节调试中用到的仪器.23第4.2节调试方法.23第4.3节调试中出现的问题.25第4.4节调试问题的解决方案.25结论.25参考文献.26致谢.27附录1：原理图.28附录2：元器件清单.29附录3：实物照片.30第0页前言可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。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。取而代之的是隔离式开关型稳压电源,它的优越性表现在:小型化、重量轻、体积小、功耗小、稳压范围宽、安全可靠、效率高。由于开关电源体积小、重量轻、变换效率高。因此，广泛应用于计算机、通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。电源是电子设备的核心，其质量的好坏直接影响整个电子设备的可靠性,电子设备的故障60%来自电源。目前，各国正在努力开发新器件、新材料。进一步提高效率、缩小体积、降低价格，以解决开关电源面临的新课题，即环境适配性，包括噪声与谐波等的电磁适配性，同人类之间的安全适配性等。开关电源主要分为交流/直流（AC/DC）与直流/直流（DC/DC）两大类。无论是AC/DC还是DC/DC变换器都是朝着模块化方向发展，其特点是：可用模块电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性。可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时，可以高速更换块件，无需技术熟练工人。还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量，多台模块并联可以实现大功率电源系统等。第1页第1章隔离电源简介第1.1节隔离电源的作用1.1.1.实验室中使用在一些实验室或高要求场合，为了实验人员的安全，一般将实验的输入电源采用1：1的工频变压器与市电进行隔离，这样一来，实验室实验人员无论碰到线路的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地是没有连接的。1.1.2.工业设备中使用在工业控制设备中，有时候要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声，隔离高共模电压等。采用带变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使它们相互独立，从而实现以上目的。第1.2节隔离与非隔离的区别隔离电源的输入电源采用1:1的工频变压器与市电进行隔离。而非隔离的电源输入和输出是有电气直接连接的，如果接触输出是会有触电危险的。隔离与非隔离的区别主要在于隔离稳压器输入电路与输出电路是不共地的，而非隔离式的是共地的。一般来说，非隔离的都有原边和副边的电感绕线组，而隔离式的只有单个的电感。在大功率和对地线干拢防护要求比较高的时候使用隔离式的，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离式的。线性电源如果是指线性调整输出模块（LDO），那么这个线性模块一定是非隔离式的。所以电源芯片是否是隔离稳压器与线性电源和开头电源没有关系。隔离与非隔离都是开关电源中的两种大的分类。第1.3节隔离电源的应用1.3.1.非隔离式恒流电源非隔离是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就会有触电的危险。因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常LED和铝散热器之间的绝缘也就靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐2000V高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象。因此，在安全上存在巨大隐患。1.3.2.隔离式恒流电源隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来，可以避免触电的危险。由于隔离式开关电源在电气安全上占有绝对的优势，因此在LED照明领域得到广泛的应用。但是由于隔离式开关电源比非隔离电源多加了一个变压器，而且变压器的体积第2页也比较大。因此，LED灯管内置隔离电源受到成本和空间的制约。第1.4节隔离电源发展方向(1)、输入电压通用。(2)、要求附加备用电池。(3)、扩大电压输出范围。(4)、提高输入侧功率因子。(5)、普遍要求安全，具有过压保护功能以及抗电磁干扰等。(6)、分布式结构增多，高频化和高频功率密度化，高可靠性以及低噪声。第3页第2章设计方案分析将一种直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压的过程称为DC-DC变换。本设计从主电路形式、各种拓扑结构、控制方式、软开关等原理分析工作方式上最终确定了设计方案。为本设计及论文的后续工作提供了理论基础和方向。第2.1节主电路形式DC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：(1)、Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压UI，极性相同。(2)、Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压UI，极性相同。(3)、Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI，极性相反，电感传输。(4)、Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。第2.2节DC-DC变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件和储能器件的不同配置。开关变换器的拓扑结构分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件“变压器”来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流）。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素选定的。DC/DC拓扑的种类繁多，对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的拓扑结构是一项非常艰巨的任务。下面就对各种拓扑结构作一下介绍。2.2.1.非隔离开关变换器非隔离开关变换器有4种基本拓扑结构用于DC-DC变换器。（1）降压变换器降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压（）和输入OUT电压（）的关系为:INU（占空比）/OUTIN（2.1）第4页INOUT（2.2）（2）升压变换器升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为：（2.3）/1/OUTIN（2.4）I（3）逆向变换器逆向变换器将一输入电压变换成一较低反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为：（2.5）/1OUTIN（2.6）I（4）Cuk变换器Cuk(“丘克”)变换器将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值输出电压（电压值取决于占空比）。输出电压输入电压的关系为：（2.7）/1OUTIN，0.5（2.9）T2.2.2.隔离开关变换器有很多隔离开关变换器拓扑结构，但其中三种比较通用，它们是：逆向变换器、正向变换器、推挽变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。正向隔离变换器正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压和输入电压关系为：/1/OUTIN（2.10）或（2.11）ITIOUT逆向隔离变换器逆向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压与输入电压的关系式为：（2.12）/1/OUTINN或（2.13）IIOUT第5页推挽隔离变换器推挽隔离变换器将一输入电压变换成一稳定较低值输出电压。它们的关系为：（2.14）/2/OUTIN（2.15）I本设计采用了隔离变换器中的逆向隔离变换器构成的DC-DC开关电源进行设计与介绍及工作特性。第2.3节控制方式的选择开关电源控制技术按调制方式可分为：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PFM)；(3)脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。2.3.1.脉冲频率调制(PFM)经典PFM也叫跨脉冲调制（PSM，以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名）。UrefCOMCLKSRSWITCHUoutUin图2-1经典PFM方式经典脉冲频率调制是一种最简单的控制技术，在该方式下固定时钟被定为50%占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。图2-1为一种经典PFM调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器COM输入端与比较，当低于时，CLK将通过RS触发器直接控制开关管，当高于REFUREFU时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的方式，能量由传递到。INUOUT经典PFM模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大。电流限制脉冲频率调制不同于PFM调制，此调制方式运用峰值电感电流限制和一个最小关闭或最大开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值，开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间（最小关闭时间），电感电流开始下降，当该第6页段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。由于电流限制脉冲频率调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经PFM小，但噪声频谱仍然随负载变化。2.3.2.脉冲宽度调制(PWM)脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比D实现对输出电压的调整。PWM技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此PWM技术普遍应用于通信技术中。PWM调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模式和电流模式。电压控制模式：Uin*LATCHQCLOCKSROSCURCUrefUoutErrorAMPUrefUoutErrorAMP图2-2电压控制模式电路图传统PWM开关电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。图2-2为电压控制电路图：电源输出电压Uout与参考电压Uref经误差放大器比较放大后，又经PWM比较器比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的一系列脉冲，再驱动控制用的开关晶体管，使输出电压稳定。电流控制模式：*RSVCCVCCCLOCKLATCHQSRUrefUoutErrorAMPUeFWMCCMPUsVCCUinUoutVCC第7页图2-3电流控制模式电路图它是一个双控制系统，既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分，又增加了一个反馈环节，它的电路工作原理是：与经误差放大器比较放大后，得到，OUTrefeU由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通，电源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大，当电流在采样电阻RS上的电流信号电压VS幅度达到电平时，脉宽比较e器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功率管关断，电路逐个的检测和调节电流脉冲，控制电源输出。电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制，是独立变量，开关转换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足一定条件，方能使闭环系统稳定工作。开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生90度延迟。因此，仅用电压采样的方法反应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常。电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的，它增加了电流反馈环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。2.3.3.PFM/PWM混合调制模式PFM/PWM混合调制模式，就是当电源芯片外部负载情况改变时，芯片内部工作方式发生改变。PWM模式下，由于变换器开关损耗不随负载变化，效率随负载变低而不降，在轻负载时效率很低；PFM模式下，变换器开关损耗和传导损耗随负载电流的降低而降低，在轻负载时，总损耗很小，有较高的转换效率，而在重负载时效率比PWM模式低。当轻负载条件下，间歇的控制开关管的工作，以减小开关管的功率损耗。它采用高低不同的电压门限将输出电压限制在预先设好的电压波动范围内。当输出电压低于低门限时，唤醒控制电路，控制开关管工作，对输出电容充电。当输出电压高于高门限时，使控制电路处于睡眠状态，同时将功率开关管Q关闭，由输出电容提供输出能量，直到输出电压再次低于低门限。这样在轻负载条件时，功率开关管有较长的关闭时间，从而减小了功率开关管的能量损耗，同时，系统内部分电路可以关闭，提高了转换效率。混合调制模式立足于负载电流的检测，当负载电流较大时，芯片工作在PWM模式；当负载电流较小时，芯片工作在PFM模式。因此，混合控制模式在全负载范围都有较高的转换效率，但是面临着PFM的输出噪声频谱比较宽、纹波较大、EMI较差。此种方案是基于高转换效率前提，应避免在噪声敏感场合使用。第8页2.3.4.PWM与PFM的优缺点比较PFM相比较PWM主要优点在于效率对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,PFM的效率远远高于PWM的效率,这是PFM的主要优势。PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，PFM具有较快的响应速度。PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难滤波困难（谐波频谱太宽）。峰值效率以前,PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大。PFM控制相比PWM控制IC价格要贵。总体来说：PFM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因就是另外一个原因就是PWM的巨大优点了：控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。本次设计采用的是PWM控制方式。2.3.5.PWM中的电压控制电路和电流控制电路的性能比较（1）电压控制模式电路的优点是：单环反馈的设计和分析较易进行；锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕；低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。电压控制模式电路的缺点是：任何输入电压或输出负载的变化必须首先转化为输出电压的变化，然后再经反馈环采样反馈控制调节，这意味着动态响应速度较慢；输出滤波器对控制环增加了两个极点，这就需要增加一个零点补偿；由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变得更加复杂化。（2）电流控制模式电路的优点是：具有良好的线性调制率和快速的输入输出动态响第9页应；消除了输出滤波电感带来的极点和系统的二阶特性，使系统不存在有条件的环路稳定性问题，具有最佳的大信号特性；固有的逐个脉冲电流限制，简化了过载保护和短路保护，在推挽电路和全桥电路中具有自动磁通平衡功能；多电源单元并联易于实现自动均流。电流控制模式电路的缺点是：需要双环控制，增加了电路设计和分析难度；因电流上升率不够大，在没有斜波补偿时当占空比大于50%时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差，因控制信号来自输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声；因控制环控制电流，使负载调制率变差，在多路输出时，需要耦合电感实现交互调节。采用简单斜波补偿措施后，电流控制模式电路引起的绝大部分问题都能得到满意解决，且不影响其优势的发挥。根据以上讨论，本次设计选择电流控制模式为所设计的PWM开关电源芯片的反馈模式。第2.4节芯片的选择2.4.1.MC34063芯片简介MC34063是一种开关型高效DC/DC变换集成电路。内设置有大电流的电源开关，34063能够控制的开关电流达到1.5A；它的内部含有具有温度补偿的基准电压源、比较器、具有限电流电路的占空比可控的振荡器、驱动器和大电流输出开关管。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率有3脚的外接定时电容决定；开关晶体管由比较器反向输入端与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON，并由与振荡器输出同步的下一个脉冲设置成OFF。第10页图2-4MC34063内部结构图MC34063的引脚1脚：开关管T1集电极引出端。2脚：开关管T1发射极引出端。3脚：定时电容CT的接线端，调节电容Ct的电容值可以使工作频率在100100KHz之间变化。4脚：GND。5脚：电压比较器反相输入端同时也是电压输出取样端，使外接电阻精度不低于1%的精度电阻。6脚：Vcc。7脚：负载峰值电流取样端，6.7脚之间的电压超过300mV时芯片启动内部过流保护电路，起到过流保护的作用。8脚：驱动管T2的集电极引出端。MC34063的内部电路原理振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断的充电和放电以产生振荡波形，充电和放电的电流都是恒定的，所以振荡频率取决于外接定时电容的的容量，与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阀值电平时为高电平；当C和D端都变成高电平时触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之，当振荡器在放电期间C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。电流限制SI检测端（5脚）通过检测连接在正电源和5脚之间的电阻上压降来完成功能，当检测到电阻上的电压降接近于300mV时，电流限制电路开始工作，这时通过CT管脚对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间结果是使输出开关的关闭时间延长。2.4.2.UC2845芯片介绍主要特性(1)、用于20-50W的小功率开关电源,管脚少,电路简单。(2)、单输出级,可以驱动MOS、晶体管。(3)、自动前馈补偿。(4)、锁存脉宽调制,用于逐周期限流。(5)、具有精密的电压基准源(l),电压调整率可达0.01%。(6)、低启动电压和工作电流,启动电流1mA,工作电流15mA。(7)、基准电压为4.95.1V,电流模式工作频率可达500kHz。(8)、电流图腾柱输出,1A。第11页VCC7GND5REF_5V8VFB2Comp1Isense3Output6Rt/Ct4UC2845D(9)、有欠电压锁定保护和过电流保护功能。管脚介绍Unitrode公司的UC2845D(D是贴片)是一种高性能固定频率电流型控制器,包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元,其结构如图2-5所示。图2-5UC2845管脚示意图1脚:是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放器的增益和频率特性。2脚:是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准。电压进行比较,产生误差(控制)电压,误差(控制)电压变大,第6脚输出脉冲变窄,占空比降低,抑制输出电压的增加,从而使输出电压稳定,而控制脉冲宽度,脉宽越宽,电源输出电压越高,Vref比较器高低门限为:3.6V/3.4V。3脚:电流检测输入端。在外围电路中,在功率开关管(如Mos管)的源极串接一个小阻值的取样电阻,将脉冲变压器的电流转换成电压,此电压送入3脚,控制脉宽。此外,当电源电压异常时,功率开关管的电流增大,当取样电阻上的电压超过1V时,缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态,UC2845就停止输出,有效地保护了功率开关管。4脚:定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，当上电后，5VDC通过Rt电阻给Ct充电,使4脚电压近似线性上升,当电压上升到2.8V时,在振荡器内部,将定时电容器CT上的电压突然放掉,当电压下降到1.4V时,电压又开始上升,这样就形成一个锯齿波电压。5脚:为公共地端。6脚:为推挽输出端,输出的频率是振荡频率的1/2,内部为图腾柱式，上升、下降时第12页间仅为50ns,驱动能力为1A。7脚:Vcc是电源。VCC比较器上下门限分别为:8.4V/7.6V,UC2845最小工作电压为8.2V,此时耗电在1mA以下。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。芯片工作后,输入电压可在7.6V36V之间波动,(内部有一个36V的齐纳二极管作为稳压管,从VCC连接至地,它的作用是保护集成电路免受系统启动或运行期间所产生的过高电压的破坏),低于7.6V就停止工作。工作时耗电约为15mA,此电流可通过反馈电阻提供。当Vcc欠压，UC2845D8参考电压输出端8脚将无+5V输出,从而导致RC振荡停止工作。8脚:为5V基准电压输出端,有50mA的负载能力。第13页第3章DC-DC隔离电路设计第3.1节DC-DC隔离电源设计要求本次设计的主要要求是用MC34063芯片制作隔离电源，需满足以下基本要求。(1)、要求将5V的输入电源电压经过隔离使得输出电压为5V，输出端的电流在1A左右。(2)、要求振荡器的频率为70KHz，因此需要计算与振荡器频率有关的CT端的电容值。(3)、要求隔离后的输出电压的最小误差在4.5V以上，且在带负载的情况下输出电压的压降值不能够太大，使其精度越小越好。(4)、在不带负载的情况下用示波器观测器输出端的纹波的大小，以及带负载后的纹波的大小，要求纹波越小越好。(5)、要求系统功耗低，效率尽量做的高，电磁兼容性好。第3.2节DC-DC原理框图5V输入EMC滤波电感MC34063升压到10VUC2845DCDC变换器5V输出反馈驱动MOS管图3-1隔离电路原理框图本设计主要思想流程见框图，5V直流电经过EMC电感改善电磁兼容，经过34063升压至10V供UC2845芯片启动电压。UC2845的外围电路产生震荡脉冲波驱动MOS管工作，电路有电流采样用于恒留处理，有钳位电路吸收DCDC变压器产生的尖峰脉冲。通过一个二极管半波整流，然后经过LC滤波电路输出5V直流电，本电路实现了5V输入，隔离输出5V，电流1A电路设计。第14页第3.3节EMC电磁兼容电路设计EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部分。所谓EMI电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。图3-2为EMC的电路设计。+1-2INPUTL4EMC供0.F5V_GD图3-2EMC电路设计这里的变压器又称共模电感，模电感(CommonmodeChoke)，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。在板卡设计中，共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。共模电感的滤波电路，La和Lb就是共模电感线圈。这两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)。这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(和少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。第15页第3.4节LC振荡输出电路设计图3-3LC振荡电路LC振荡电路是指电感L电容C组成选频网络的振荡电路，用于产生高频正弦波信号，常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路和电容三点式LC振荡电路。LC振荡电路的辐射功率是和振荡频率的四次方成正比的，要让LC振荡电路向外辐射足够强的电磁波，必须提高振荡频率，并且使电路具有开放的形式。LC振荡电路物理模型的满足条件：(1)、整个电路的电阻R=0（包括线圈、导线），从能量角度看没有其它形式的能向内能转化，即热损耗为零。(2)、电感线圈L集中了全部电路的电感，电容器C集中了全部电路的电容，无潜布电容存在。(3)、LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波，是严格意义上的闭合电路，LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化，即便是电容器内产生的变化电场，线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场，向周围空间辐射电磁波。第3.5节单端反激式高频变压器的设计3.5.1.高频变压器设计考虑的问题1.磁芯损耗磁芯损耗取决于磁感应增量、频率和温度。若不考虑温度影响,软磁铁氧体铁芯总损耗通常由三部分构成:磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr。每种损耗产生的频率范围是不同的,铁芯总损耗为：(3-1)nmPBVfK式(3-1)其中KP为铁芯损耗系数,不考虑温度时为常数,V为铁心体积,f为工作频率,B为磁感应强度,m、n分别是工作频率和磁感应的指数,它们与铁芯的材料有关,第16页具体数值可以通过查表得到。2.绕组损耗由于谐波的存在,绕组损耗也是变压器损耗的重要组成部分,对变压器来说谐波畸变率越大,损耗也将会越大。在谐波影响下,变压器的绕组损耗将随着谐波电流的增大而增大。由于非全相整流负荷的原因,变压器中会存在直流分量,它会使变压器产生偏磁。因此,如果考虑直流分量的影响,绕组损耗的计算公式为:(3-2)2()1(020hhhCuIRIP式(3-2)中:为绕组损耗,h为谐波次数,为第h次谐波下原边绕组的电阻,u1为第h次谐波下副边绕组的电阻,为流过原边绕组的谐波电流的有效值,)2(hR)(I为流过副边绕组的谐波电流的有效值。I3.温升高频变压器的温升对系统的工作状态和输出功率会有影响,而温升与能量损耗一般成正比关系,即：(3-3)PRTth其中比例常数，即热阻thR温升P损耗功率T由上式(3-3)可知,为了降低温升,必须减少能量的损耗。而能量的损耗又直接与铁芯损耗和绕组损耗有关,因此在设计中必须考虑降低它们的损耗量。4.磁芯要求高频变压器与50Hz的工频变压器相比,频率提高了几百倍,绕组匝数大大减少,铜耗及调整率减小,但铁芯中的损耗将随频率的提高大大增加。一般开关电源中使用的铁芯有如下要求：(1)、尽可能高的磁感应强度(但注意在最大输出功率时,不能达到饱和,以免产生失真)。(2)、尽可能高的导磁率。(3)、要求磁损较小。(4)、要求线包加工及装配容易。(5)、磁特性随温度变化要小,即要求较稳定的温度系数。3.5.2.单端反激式变压器设计单端反激式变压器又称电感储能式变压器，当高压开关管Q1被脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）脉冲信号激励而导通时，直流输入电压施加到高频变压器T的原边绕组上，在变压器次级绕组上感应出的电压使整流管D1反向偏置而阻断，此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中；当开关管Q1截止时，原边绕组两端电压极性反向，第17页副边绕组上的电压极性颠倒，使D1导通，储存在变压器中的能量释放给负载。如图3-4所示。图3-4单端反激式变压器工作原理图3.5.3.变压器磁芯的选择1.开关电源输出功率：(3-4)WPN471305.125磁芯材料选用锰-锌铁氧体，其饱和磁感应强度为：5000Gs，相对磁导率：，取最大磁通密度：。当磁芯中磁感应强度小于时，503ruTBm.TBm2.0磁芯的相对磁导率可取：，磁芯磁导率为30ru(3-5)/(10842247ANor开关电源效率取，则所需要的变压器面积乘积为65.653.6.7.JwmNcKfBPA=(3-6)cm92012949式(3-6)中：窗口利用系数取0.3，绕组电流密度取3。由于骨架需要，WJ2/A选择EI40磁芯。其磁芯截面积为：24.12.cAc窗口面积为：830mm磁路长度：l21.9面积乘积为：465.4cC所以综上计算EI40满足功率输出能力要求。2.原边绕组匝数的选取原边直流电压范围：VUI34279取：电源电压最低、负载最大时，最大占空比为50%，由上可得原边匝数：(匝)（3-7）73104.210579351CmMAXINfBD第18页3.原边电流最大值的计算(3-8)ADUPIMAXINp78.05296.0432314.各副边绕组匝数计算：根据原边电流峰值，考虑损耗因素，选择开关管，选用大功率三极管，其，取主输出整流管导通压降，安全裕量。VCEO80VD7.0VUB20主输出绕组匝数为（匝）(3-9)7.1358).()(1202BMAXCEOUVN即只要主输出绕组匝数大于上式的计算值，开关管就不会过压。故取主输出绕组匝数为：（匝）525.输出绕组匝数：考虑到输出作为运算放大器电源，需要较高的电压精度，整流滤波后采用三端V1稳压器稳压，故取：（匝）13N其反激电压为(3-10)VUD8.14)7.05(13)(20303.5.4.PWM集成控制器的工作原理与比较PWM集成控制器通常分为电压控制模式和电流控制模式，电流控制模式因为动态响应快，补偿及保护电路简单，增益带宽大，易于均流及可防止偏磁等优点而被广泛采用。电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式，本论文采用峰值电流控制模式。如图3-6所示。第19页供UER图3-5电压控制模式re图3-6电流控制模式电压电流两种控制模式的工作原理：图3-5为电压控制模式的PWM原理图。由图可以看出电压控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。它工作的基本原理是：当恒频时钟脉冲置位锁存器时，输出电压与参考电压经误差放大器EA放大后得到了一个误差电压信号，再OUrefeU与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM比较器COM比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号变化的具有一定占空比的一系列脉冲。e图3-6为峰值电流控制模式的PWM原理图。由图可以看出，它在原有的电压环上增第20页加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。它工作的基本原理是：输出电压与参OU考电压经误差放大器EA放大后得到一个误差电压信号，再与变压器初级电refUeUe感线圈中电流的采样电压比较，产生调制脉冲的宽度,由恒频时钟脉冲置位锁存器输出rU脉冲，使得误差信号对电感电流的峰值起控制作用。当幅度达到电平时，PWM比re较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，开关管关断，电路逐个地检测和调节电感电流脉冲，由此控制电源的输出电压。若输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟,电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率eU下降,导致斜坡电压推迟到达,使PWM占空比增大,起到调整输出电压的作用。dti/eU第21页第3.6节反馈电路及保护电路的设计图3-7输出电压反馈及保护如图3-7所示,光耦PC817电路是反馈电路，TL431是产生2.5V基础电压，电阻R4、R5、R9分压，采集输出电压，当采集到电压高于2.5V使得光耦导通输出信号到MC34063的6脚，调节MC34063输出的PWM。第3.7节变压器设计中注意事项(1)、首先要确定变压器应用的电路结构,再采用正确的计算方法选择最优磁芯。(2)、在通过窗口充填系数核算磁芯窗口面积时,如果窗口的利用率过大或过小都必须重新选择磁芯,重新开始设计。(3)、由于磁芯的磁通量越大磁芯体积越小,在设计过程中可先根据窗口面积选择最小的铁芯体积,再根据工作频率选择合适的磁芯频率和磁通量。因此,为了降低损耗要综合上述两个方面的因素来合理地选择磁芯。(4)、为了减少绕组的损耗,可从如下三个方面综合考虑:第一，要减少电路中的谐波分量；第二,绕组导线要细化；第三，选择合适的绕线方式。第22页(5)、设计中要根据损耗的大小考虑温升问题并留有余地,以保证变压器能够正常工作。(6)、设计中,在最大输出功率时,磁芯中的磁感应强度不应达到饱和,以免在大信号时产生失真。(7)、AP法对于已形成标准化和系列化的铁氧体磁心非常有效,却不适用于目前尚无统一形状及尺寸系列标准的非晶及纳米晶软磁合金。因此,对于采用纳米晶软磁合金材料的变压器,其磁心参数需采取其它设计方法。第23页第4章电路调试该设计电路中只涉及到硬件电路，因此只需要对硬件电路进行调试。此次调试的基本组成部分有以下几个方面：调试过程中需要用到的仪器，调试的方法，调试中出现一些问题以及调试中出现的问题的解决方案等部分。第4.1节调试中用到的仪器数字程控电源、数字万用表、电阻负载、钳形电流表。第4.2节调试方法将焊接好的电路根据电路原理图对电路进行连接，由于输入端电压要求是5V的电压源，因此可选用设计电路中的5V稳压电源。首先在不带负载的情况下用数字万用表对其输出端电压进行测量，看是否能够达到5V的输出电压。其次在带5欧姆的负载的情况下用数字万用表对其输出端电压进行测量，看是否能够达到5V的输出电压。如果达不到5V，那么压降有多大，最后在带10欧姆负载的情况下用数字万用表对其输出端电压进行测量。看是否能够达到5V的输出电压，如果达不到5V，那么压降又是多大，调试时输出端电压的压降越小越好。然后测试电路板的效率，使用数控电源和数字万用表测量电路板的效率，首先用数控电源提供5V直流电压供给电路板，在电路板的输出端用20欧姆的电阻作为负载，数控电源可以同时显示输入的电压和电流，用万用表分别测试相同负载下的输出电压和电流，测试结果如下图图4-1数控电源显示输入电压5.1V，电流0.00A，输出电压4.93V。图4-2显示输入电压5.10V，电流0.98A，输出电流0.49A。计算效率公式：=PO/Pin=(4.93*0.49)/(5.1*0.99)=50%第24页图4-1输出电压图4-2输出电流第25页第4.3节调试中出现的问题UC2845芯片的供电电压必须达到10V，而我们的要求是输入电压只能是5V直流电，所以这两者存在一个矛盾。调试中发现电源的效率没有预期的效果好，输出电流偏小。第4.4节调试问题的解决方案要解决UC2845的供电问题，需要增加一个升压电路，把5V电压升压到10V。而升压电路我们最常用的就是MC34063电路。MC34063芯片是非常成熟的升压芯片，它不但有升压还可以降压，所以应用非常广泛，最主要的是它的外围电路设计很简单，所用元器件较少，所以本电路的升压电路毋庸置疑选用MC34063芯片。搭好MC34063电路很好的解决了UC2845的供电问题。电源效率过低的主要原因有三点，首先是电路板的制作，我们目前是用手工万用板手工搭焊的，在布线焊接上影响效率参数，其次电路板上使用的变压器也是手工绕制的，它的参数存在较大偏差，实际产品应用中变压器需要专门的厂专业生产，才能保证它应有的参数。第三，外部次级二极管，前级的MOS管也存在一定的损耗，综合这三点影响了输出效率。结论隔离电源是电子、计算机、通讯设备、音频视频等领域不可缺少的供电设备。隔离电源具有安全、效率高、电磁兼容性好、小体积、稳定和可控等优点，在电子设备中被广泛使用到。本设计中，利用MC34063设计制作的隔离式DC-DC开关直流稳压电源，具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，可用于升压变换器、降压变换器、反相器的控制核心，所构成的隔离式DC-DC开关直流稳压电压仅用于少量的外部元器件。第26页参考文献1.周志敏.周纪海.开关电源实用技术设计与应用M.北京人民邮电出版社.2005.2.赵同贺.刘军.开关电源设计技术与应用实例M.北京人民邮电出版社.2007.3.王英剑.常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术M.北京电子工业出版社.2005.4.刘岩.电流控制型开关电源J.现代电子技术.2001(10):60-62.5.朱俊林.刘细平，许伦辉基于uc3842的电流控制型脉宽调制开关稳压电源的研究现代电子技术J2003.(9)：2325.6.许大宇.电压开关PWM全桥直流变换器的新型理论分析方法J.电机与控制学报.2006,7（2）：112-116.7.何希才.新型开关电源设计与维修M.北京国防工业出版社.2004.8.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.2007.9.吕利明.肖建平，钟智勇，石玉.高频开关电源单端反激变压器的原理与设计方法J.工艺技术应用.2006,36（8）.24-32.10.胡君臣.用UC3842芯片设计开关电源J.仪表技术.20