CR6853控制的反激式开关电源设计.docx

电力电子技术实操技能训练CR6853控制的反激式开关电源设计 系 别专业班级学生姓名指导教师提交日期一 反激稳压电源的工作原理图1.1采用CR6853 的反激式隔离AC-DC 转换器的基本电路原理图图1.2 采用CR6853 的反激式隔离AC-DC 转换器的基本电路图1.1 设计要求 (1) 输入直流电压为90V220V；(2) 输出直流电压为12V，功率为30W；(3) 开关频率为65KHz。1.2 反激式变换器的电路结构和工作原理反激式变换器是一种电气隔离的升压/降压变换器，也是最简单的隔离型直流变换器。主要由输入/输出滤波电容器、电感变压器、功率开关管、高频整流管等构成。电路拓扑结构如图1.3所示。在电源输入端Vin输入正向电压时，此时负载由电容放电维持电路供电；在电源输入端输入反向电压时，此时次级端的电压使二极管导通，原端的磁能转化为电能，向负载供电，同时也为电容充电。以下将详细介绍在各个阶段下电路的工作原理。图1.3反激式直流变换器电路拓扑结构电路工作原理与电磁能量转换原理：功率开关管VF导通期间：开关管VF导通期间的等效电路如图1.4。输入电压Vin经输入滤波电容滤波，功率开关管VF导通，此时次级线圈上的电压使高频整流管VD反偏关断。 由于,Vin0，变压器初级线圈电流iL上升，磁储能W上升，变压器电感将输入电能转化为磁储能，变压器储能增加。此时，输出滤波电容释放之前存储的能量，向输出端所接的负载供电。图1.4 功率开关管导通期间等效电路功率开关管VF关断期间：开关管关断期间的等效电路如图1.5。功率开关管VF关断，此时次级线圈上的电压反偏使高频整流管VD导通，由于 Vout0，变压器次级线圈电流iL下降，磁储能W下降，变压器向输出释放储能转变为电能，由输出滤波电容吸收变压器所释放储能对应的功率中大于输出端所接负载上的功率的部分。图1.5 功率开关管关断期间等效电路输入滤波电路开关电源的输入滤波器的主要作用是抑制电网中的噪声，使电子设备抗干扰能力大大加强，仅使电源工作频率附近的频率成分顺利通过，衰减高次频率成分。它还能抑制开关电源所产生的共模干扰和差模干扰进入交流电网，避免干扰其他电气电子设备。整流滤波电路电压反馈控制电路 电源原副边隔离，电压调节需要采样副边输出电压，经过调节后需要控制原边开关管的门极驱动，因此电压反馈控制涉及到采样隔离和PI调节。采用TL431 和TLP521 的控制电路如下TL431提供参考电压，并与Rf1，Rf2，Rf4，Cf1构成PI调节器，Rf3用于增加TL431的偏置电流，使其工作在稳压状态。TLP521用于隔离模拟信号，在一定范围内可以等效为比例环节。该控制系统可看作是PI调节。积分时间常数Ti=Rf3Rf1Cf1，比例常数Kp=（Rf3+Rf1）/Rf3Rf1 根据不同的负载，反馈给芯片7端口的电压不同，芯片改变输出方波的占空比，使开关管的导通和关断时间改变，从而改变输出电压从而恢复平衡。使得在90V-220V的交流输入电压，电源能稳定输出12V的直流电。二 反激变压器设计2.1. 反激变压器的工作原理反激变压器基本原理图如图2.1所示，与其他的变压器不同，其他变压器是在开关管导通时将能量传送到负载的，而反激变压器，在开关管导通时，遍野器存储能量，负载电流由输出滤波电容C提供；在开关管关断时，变压器将存储的能量传送到负载和输出滤波电容，以在开关管开通时由补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。图2.1反激变压器基本原理图2.2. 设计原则和设计步骤2.2.1. 确定初/次级匝数比设计变压器时，首先要确定匝数比Np/Nsm，因为匝数比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最大管段电压应力Vms。若忽略漏感尖峰并设整流管压为1V，则直流输入电压最大时开关管的最大电压应力Vms=Vdc+NpNam（Vo+1）参数的选择选择应使Vms尽量小，以保证即使有0.3Vdc的漏感尖峰叠加于Vms，对开关管的极限值仍留有30%的裕度。2.2.2. 保证磁芯不饱和且电路始终工作于DCM模式为使磁心不偏离磁滞回线（上、下方向饱和），必须保证变压器正负伏秒数相等。假设Q1和D1的正向导通压降都是1V，则有式中，Tr为变压器的复位时间，也是次级电流降为零所需的时间。 为保证电路工作于不连续模式，需设定死区时间Tdt，即使Vdc最低时对应的最大导通时间和复位时间之和也不超过整个周期的80%。留有0.2T的裕度，防止负载Ro降得过低而反馈环会增大导通时间以保持输出电压Vo恒定导致出现问题。为保证电路工作于DCM模式，根据下式确定最大导通时间Ton=(Vo+1)NpNsm(0.8T)Vdc-1+Vo+1NpNsm2.2.3. 初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系初级电感计算公式为Lp=Ro2.5T(VdcTonVo)22.2.4. 开关管的最大电压应力和峰值电流Ip=VdcTonLp2.2.5. 初级电流有效值和导线尺寸初级电流为三角波，峰值为Ip，有效值为Ims（初级）=Ip3TonT若去500圆周耳每有效值安培，则初级所需总圆密耳数为500Ims（初级）=500Ip3TonT2.2.6. 初级电路有效值和导线尺寸初级电流为三角波，峰值为Is=（Np/Ns），周期为Tr，初次级匝数比为Np/Ns，次级电流有效值为Ims(初级)=Ip(Np/Ns)3TrT若取500圆密尔每有效值安培，则初级所需总圆密尔数为次级所需的总圆密耳数=500Ims(初级)2.3. 设计结果这次变压器采用的绕线方法叫作三明治绕法，又称夹层绕法。如图2.3所示。将一次绕组分成两段，把一次绕组的一半绕在最里侧，然后绕二次绕组，再绕一次绕组的另一半。这种绕法可以大大改善了绕组间的耦合，减少了漏感，但需要骨架提供空余引脚连接一次绕组的中心点。 图2.3 三明治绕法（夹层绕法）以下为变压器的相关参数绕组层次相位始末线径匝数绕线方式胶带层数N12-30.421密绕3N29-70.4*46密绕3N33-10.421密绕3N45-40.37密绕3三 波形观察1. 开关管触发信号波形 2. 网压110kV输入，并且输出0.5A时，开关管电流波形3. 网压110kV输入，并且输出0.5A时，开关管电压波形四. 电源输测试结果分析1、 空载测试，不同输入电压与输出电压关系空载时输入、输出电压输入电压（V）10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110输出电压（V）0012.112.112.112.112.112.112.112.112.12、 在0.5A（即6W）输出电流情况下，不同输入电压与输出电压关系。0.5A（6W）负载时输入、输出电压输入电压（V）10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110输出电压（V）0011.4411.6811.9111.9111.9111.9111.9111.9111.913、 在额定110kV输入下，不同负载，0.5A、1A、1.5A、2A下，与输出电压关系，并作出分析。额定输入电压（110V）下，负载与输出电压的关系负载（A）0.51.01.52.0输出电压（V）11.9111.9111.7911.68由以上数据分析得出，在空载时，在不同的输入电压下，虽有很少的误差，但是电源还是能稳定输出12V的电压，而在带有负载的情况下，随着负载加大，输出的电压也随之降低。五. 开关电压实训心得体会 在这次接近一周的实训中，从一开始的原理解释，到后来的焊接，调试，以及验收。整个过程中都学到了很多东西。 总体来说，整个实训过程中，遇到最多的问题就是在焊接和调试方面了。先说焊接方面。虽然之前也已经有过多次的焊接经验，但是这次实训中提供的电烙铁，很多都存在有问题，很多都无法把焊锡熔掉，造成第一天去的时候，焊接中经常遇到焊点无法完全熔掉，造成了很多虚焊的问题。其次在焊接这方面，还有一个问题就是对元器件的认识不够，在插件的时候，经常会搞不清各种元器件，造成张冠李戴的现象。而在调试方面，因为在第一天时焊接时遇到了不少问题，因此在接下来的焊接中，我都比较认真和仔细，焊接方面完成的还相对比较好，因此在调试中比较顺利的就完成了。而在后来帮同学调试的过程中，发现不少都是因为焊接方面出问题的。不少的都存在虚焊的现象，或者是元器件焊错的问题。特别是那些在第一步输出锯齿波，而在第二步调试的时候输出方波波形较窄，很多都是因为把电阻焊错的问题，造成输出反馈的电压降变大，从而反馈给芯片7脚的电压变大，因此输出的方波变窄。另外，还有一个存在比较多的问题就是芯片的问题，可能是焊接时电烙铁焊接得太久，造成芯片长时间过热烧坏，很多在调试第一二步输出波形正常而在第三步的时候却没有电压输出，换了芯片以后就输出正常。而有些是换了芯片以后依然没有电压输出的，通过检查芯片的2 ，8脚之间的电压，若检查不到电压，问题很有可能是输入回路方面的问题，这时候就可以重点检查一下输入回路方面焊接是否正确。若是检查到有电压，而输出无电压，这时候，一方面检查输出回路和反馈回路是否存在有虚焊的问题，另外也可以检查一下