基于UC3842的多路输出电压型开关电源

毕业设计论文姓名学号学院专业题目基于UC3842的多路输出电压型开关电源设计指导教师2014年6月东北电力大学本科毕业设计论文I摘要当代经济和科技高速发展的时代，电源起到了关键性的作用。电源设备是电力电子技术的一个重要应用领域。目前，随着电源技术的蓬勃发展，开关电源朝高频化、集成化的方向前进。与线性稳压器相比，虽然开关电源设计比较复杂，某些指标可能比不上线性稳压器，且噪声较大，但是高频开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定等突出优点而备受青睐，得到了广泛的应用。本文利用反激式变压器的特点，基于UC3842设计了一种多端反激式开关电源，可提供五路输出电压，并且可以随着输入电压的变化而调节PWM输出保证输出电压稳定。论文介绍了几种常用的开关电源拓扑结构，通过分析，为本文选择合适的拓扑结构，并对所选择的反激式变换结构进行了详细的参数分析，同时对开关电源的反馈控制模式作出了对比与选择。简单描述了PWM控制芯片UC3842的结构，详细介绍了本设计中芯片UC3842的外围电路设计及系统的各个子电路设计，包括EMI抑制电路、整流电路、缓冲吸收电路等。分析了系统的整个原理框图，并对其工作过程进行了描述。阐述了高频变压器对磁芯材料的基本要求，具体分析了变压器的磁芯选择方法，并用所选择的方法对高频变压器进行参数计算与设计，包括占空比计算、原边与输出边匝数计算、导线直径计算等。用SABER软件对所设计的开关电源进行建模仿真，分析了其仿真波形图。应用ALTIUMDESIGNER根据原理图制作了PCB板。关键词开关电源；UC3842；EMI；反激式；高频变压器东北电力大学本科毕业设计论文IIABSTRACTPOWERHASPLAYEDAKEYROLEINTHEERAOFRAPIDDEVELOPMENTOFCONTEMPORARYECONOMICANDTECHNOLOGICAL，THEPOWERSUPPLYISANIMPORTANTAPPLICATIONFIELDOFPOWERELECTRONICSTECHNOLOGYATPRESENT,WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFPOWERSUPPLYTECHNOLOGY,SWITCHINGPOWERSUPPLYGOTOWARDTHEHIGHFREQUENCYINTEGRATEDDIRECTIONCOMPAREDTOLINEARREGULATORS,SWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNISMORECOMPLEX，SOMEINDICATORSMAYNOTBEGOODASLINEARREGULATOR,ANDTHENOISEISBIG,BUTBECAUSEOFITSSMALLSIZE,LIGHTWEIGHT,HIGHEFFICIENCY,STABLEPERFORMANCEANDOTHERPROMINENTADVANTAGES,THEHIGHFREQUENCYSWITCHINGPOWERSUPPLYISFAVOREDANDUSEDWIDELYINTHISPAPER,USINGTHECHARACTERISTICSOFTHEFLYBACKTRANSFORMER,AMULTIPORTFLYBACKSWITCHINGPOWERSUPPLYISDESIGNEDBASEDONTHEUC3842,WHICHPROVIDESFIVEOUTPUTVOLTAGEANDCANADJUSTTHEPWMOUTPUTTOENSURESTABLEOUTPUTVOLTAGEASTHEINPUTVOLTAGECHANGESTHISPAPERINTRODUCESSEVERALCOMMONLYUSEDSWITCHINGPOWERSUPPLYTOPOLOGY,THEAPPROPRIATETOPOLOGYFORTHISARTICLEISSELECTEDBYANALYZING，ANDADETAILEDPARAMETEROFFLYBACKTRANSFORMSTRUCTUREISCARRIEDOUTATTHESAMETIME,FEEDBACKCONTROLMODEOFSWITCHINGPOWERSUPPLYISCOMPAREDANDCHOOSEDTHEDISSERTATIONBRIEFLYDESCRIBSTHESTRUCTUREOFTHEPWMCONTROLCHIPUC3842,ANDILLUSTRATESPERIPHERALCIRCUITDESIGNOFUC3842INDETAIL,INCLUDINGEMISUPPRESSIONCIRCUIT,THERECTIFIERCIRCUIT,SNUBBERCIRCUITTHEENTIREBLOCKDIAGRAMOFTHESYSTEMANDABRIEFDESCRIPTIONOFTHEWORKPROCESSAREINTRODUCEDACCORDINGTOTHEBASICREQUIREMENTSOFTHEHIGHFREQUENCYTRANSFORMERCOREMATERIAL,DETAILEDANALYSISOFTHETRANSFORMERCORESELECTIONMETHODTHEAPLAWANDKGMETHODISMADEOUT,BYWHICHTHEPARAMETEROFHIGHFREQUENCYTRANSFORMERISCALCULATEDANDDESIGNED,INCLUDINGTHEDUTYCYCLE,THEPRIMARYSIDEANDTHEOUTPUTSIDETURNS,WIREDIAMETERATLASTWEUSESABERSOFTWARETOMODELANDSIMULATETHESWITCHINGPOWERSUPPLY,ANDEXPLAINTHESIMULATIONWAVEFORMALSOTHEPROTOTYPEISTESTEDANDTHETESTDATAISANALYZEDANDVERIFICATEDKEYWORDSSWITCHINGPOWERSUPPLYUC3842；EMI；FLYBACK；HIGHFREQUENCYTRANSFORMER东北电力大学本科毕业设计论文III目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111课题背景及研究的意义112国内外开关电源的研究现状213本文的研究内容3第二章反激开关电源设计基础5反激开关电源的介绍51开关电源的分类52什么是反激开关电源63反激开关电源工作模式6第三章多端反激式开关电源硬件电路的设计831多端反激式开关电源的设计要求832UC3842式开关电源简介9321UC3842芯片介绍9322UC3842芯片主要性能1033UC3842组成的反激式开关电源10331电路原理图10332电路工作原理11333各电路设计1134电路主要参数设计14第四章开关电源高频变压器的设计1641高频变压器中磁芯材料的选择1642磁芯型号的选择方法19面积乘积法1943反激式高频变压器的设计2144本章总结24第五章开关电源软件仿真及PCB设计2551建模仿真与结果分析25511SABER软件建模25512仿真波形与结果分析2752PCB设计27521设计步驟及注意事项2753本章小结28结论29参考文献30致谢32附录33东北电力大学本科毕业设计论文1第一章绪论11课题背景及研究的意义随着经济不断发展和科学技术的进步，节约能源保护环境已被社会各界所重视。电源是节能的重要环节之一，电源经过电源技术与电力电子技术处理后，其节能效果显著提高1。比如家用电子设备的待机损耗往往很容易被人们所忽视，其实这个耗电量非常惊人。据美国调查显示，这种损耗在美国每年损失大概3564亿美元。德国环卫机构显示，在德国这样的损耗每年高达231亿美元，超过首都柏林一年总用电量。因此电源技术的进步是衡量一个国家科技发展的重要标志之一2。由于电子技术的快速向前发展，电子系统在各个领域越来越广泛应用，各种各样的电子设备也随之增多，电子设备与人们工作、生活的关系日益密切。电源已成为每个用电设备的心脏部分，任何电子设备都不可能离开可靠的电源，并且对电源的要求越来越高。目前电子设备要求体积小、成本低，这使开关电源朝着重量轻、厚度薄、体积小小和效率高的方向发展3。传统线性稳压电源的技术虽然比较成熟，并且已有大量集成化的稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠性强等优点，但通常都需要体积大且笨重的工频变压器和体积与重量都很大的滤波器，而且调整管工作在线性放大状态，导致了调整管的功耗较大、散热高、效率低4。20世纪50年代，美国宇航局以体积小、重量轻、效率高为目标，为搭载火箭开发了开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关稳压器的出现，彻底改变了稳压器的稳压概念，开关电源是以功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比来调节输出电压8。开关电源内部的关键器件工作在高频开关状态，其本身消耗的能量很低，因此机内温升也低，保证了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般的串联稳压电源允许电网波动范围为220V（110），但开关型稳压电源可以适应电网电压在110V260范围内的变化，并且可以获得稳定的输出电压5。目前，电力电子技术作为节能、自动化、智能化、机电一体化等技术的基础，东北电力大学本科毕业设计论文2正朝着硬件结构模块化、产品性能数字化、应用技术高频化的方向发展，开关电源的外部形状、内部结构都是由储能元件、磁性元器件等决定，所以开关电源的小型化就是要减小其中元器件的体积。并且在一定范围内，提高开关的频率，不仅有利于抑制干扰，改善性能，而且能有效减少电容、电感和变压器的尺寸，所以高频化是开关电源的主要开发重点之一。12国内外开关电源的研究现状1955年美国科学家GHROYER首先研制了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。随后世界各地运用这种技术，陆续研制出来各种形式晶体管直流变换器，取代了以前的机械振子式与旋转式换流设备6。但是由于当时的电子技术落后，而不能研发出耐高压、开关转换速度快、高功率的开关晶体管，所以这个时期的开关电源只能采取低电压输入、低功率频率。20世纪60年代，随着微电子技术的高速发展，各种高电压、大电流的功率开关管相继出现了，所以直流变换器可以直接由电网电压经过整流、滤波后输入供电，体积庞大、重量笨重、效率低的工频降压变压器终于被弃用了。由于省掉了工频变压器，开关稳压电源真正走上了效率高、重量轻、体积小而备受青睐应用的道路。20世纪70年代，与这种技术有关的高频率、高电流的功率管，高频率、高温电容、快恢复的肖特二极管，高频变压器磁芯材料等元器件不断被研发、生产出来，使得开关电源不断得到完善与发展，被广泛应用于电子计算机、航天、航海、军事电子设备等领域，成为各种供电电源的佼佼者7。80年代初，意法半导体有限公司率先推出了L4960系列单片开关式稳压器。1994年美国动力公司在世界上首先成功研制三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们称为“顶级开关电源”，随后又推出了高效、低价位、小功率的四端单片开关电源TINYSWITCH系列。到2000年，美国国家半导体公司研制出高效率05ASIMPLESWITCHDCDC转换器，其效率高达96，能够适应低温运行，并且长寿命、小体积。而安森美半导体生产的微功率脉冲宽度调制器（PWM）的升压DCDC变换器，可以节约百分之六十的封装体积，具有增强功能，可以降低手机、数码相机以致其他消费类手提产品的电源损耗。由此可见，开关电源技术发展迅速，日趋成熟8。我国的开关电源在上个世纪六十年代初研发工作才开始起步，到六十年代中东北电力大学本科毕业设计论文3期进入了实用性阶段，七十年代初期能够自主研发无工频降压型开关电源。在近二十几年中，我国的许多研发中心、企业及高等大学己经成功制造出型号在20KHZ左右工作频率的多种电源，其输出功率在一千瓦以下，并广泛用在电脑、手机无线设备、MP4视频播放器等方面，取得了较大的成果9。上世纪八十年代初期开始研发工作频率为200KHZ的高频开关电源，九十年代初就已研制成功，而且逐渐走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了很大的努力，并取得了较大的成果。但是，目前我国的开关电源方面的技术与一些先进的国家相比仍有相当大的差距10。开关电源发展到现在，有了非常广泛的应用空间与成功实例，但开关电源技术并没有达到完全成熟的地步，就如今的发展现况来说，主要存在下面几个问题（1）开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰。在电源工作的过程中，功率管工作在开关状态，所产生的高频交流电压和电流通过电路中其他元件产生尖峰干扰与谐振噪声，会严重影响整机的工作11（2）电源电路结构复杂，难以维修。目前，在我国开关电源中的高温电解电容，高反压、大电流功率管，电源中的高频变压器的磁性材料等元器件还处在研究、开发、试制等状态12。虽然，在一些发达国家，开关电源有了一定的发展，但是在实际应用当中还存在一定的瑕疵，不能完全尽如人意。这也揭露了开关电源的一个缺点电路结构复杂，维修麻烦。（3）成本高，可靠性低。微电子技术、阻容器件生产技术和磁性材料烧结技术等与发达国家相比，我国还存在一定的差距，所以开关电源的造价与成本不能够进一步降低，这也影响到电源的可靠性进一步的提高。13本文的研究内容本文利用反激式变压器的特点，基于UC3842设计了一种多端反激式开关电源，可提供四路输出电压，并且可以随着输入电压的变化而调节PWM输出保证输出电压稳定。论文设计开关电源主要应用于继电保护装置等电子设备。本文分为六章，主要内容和结构安排如下第1章绪论，主要介绍本文的选题背景及其意义、国内外研究状况、开关电源及其应用技术的发展趋势。东北电力大学本科毕业设计论文4第2章简述开关电源的基本原理。介绍了反激式开关电源拓扑结构，说明了反激式开关电源的基本工作原理。第3章简单介绍了PWM控制芯片UC3842的结构，详细介绍了本设计中芯片UC3842的外围电路设计及系统的各个子电路设计，给出了系统的整个电路框图，并对其工作过程进行了描述。第4章阐述了高频变压器对磁芯材料的基本要求，具体分析了变压器的磁芯选择方法，并用所选择的方法对高频变压器进行参数计算与设计。第5章用SABER软件对所设计的开关电源进行建模仿真，分析了其仿真波形图。应用软件并且根据电路图绘制了PCB板。最后总结与回顾全文的工作，提出了不足之处并对下一步工作进行了展望。东北电力大学本科毕业设计论文5第二章反激开关电源设计基础从广义上说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种形态的主电路都叫做开关变换器；转变时用自动控制闭环、稳定输出并有保护环节则称为开关电源。开关电源主要是利用电容元件与电感元件的储能特性，由于开关管的不停导通与关断，具有较大电压波动的直流电流能量陆续经过开关管，并且以磁场能的形式暂时存储在电感中，然后经过滤波器得到的连续能量传送给负载，得到了电压脉动小的直流，实现了电压的转换。采用交直的变换，能够高效地产生一路或多路高品质的稳定直流输出电压。反激开关电源的介绍1开关电源的分类开关电源的结构按变换器工作方式分为正激式、反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。反激式电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。该电路变换器的磁芯单项磁化，控制简单，开关器件承受电流峰值较大，广泛用于数瓦到几十瓦的小功率开关电源中，易实现多路输出13。正激式拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积重量损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率数百瓦到数千瓦的开关电源中。半桥式电路结构较为复杂，但磁心利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点，适合数百瓦到数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。全桥式电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前全桥型电路多被用于数百瓦到数千瓦的各种工业用开关电源中。推挽式电路形式上实际上是俩只对称正激式变换器的组合，只是工作时相东北电力大学本科毕业设计论文6位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在俩个原边绕组上的体积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的发生，应用时需要特别注意。适合中功率输出14。2什么是反激开关电源反激开关电源如下图所示，当功率开关管VT导通时，输入端的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N1中，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流通过。当功率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负载供电。正激型开关电源当初级绕组开关S导通时，次级绕组有电流通过，变压器释放能量。反激变换器与正激变换器除了工作原理不同外，在电路结构上比正激变换器少了一个续流二极管和一个电感储能滤波器。没有磁复位绕组，这是因为在变换器反激期间，二次侧绕组和整流对二极管构成电流回路，同时完成了磁复位功能。反激式变换器输出纹波电压大，电压和电流调整率低，要提高性能指标，可以增滤波电容和辅助LC滤波器15。3反激开关电源工作模式反激变换器有电流断续、电流临界连续以及电流连续3种工作模式。所谓的电流连续指的是在开关管通断的整个开关周期里面，变压器耦合绕组的总磁通VTCR图21反激变换器东北电力大学本科毕业设计论文7不为零，而电流断续指的是总磁通在开关管关断期间有一段时间为零。反激型电路工作于电流连续模式时输出、输入间的电压比为反激型电路电流断续时的电压比为式中在电流断续的模式下，UOUT与UIN的关系不仅与D有关，而且与负载电流的大小有关输出电压为反激型电路的电流连续临界条件为式中，L是从变压器二次侧测得的电感量。当电路工作在断续模式时，输出电压随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，U0，这将损坏电路中的元器件，因此反激型电路不应工作于负载开路状态。因为反激型电路变压器的绕组W1和W2在工作中不会同时有电流流过，不存在磁动势相互抵消的可能，因此变压器磁心的磁通密度取决于绕组中电流的大小。反激型电路变压器的工作点也仅处于磁化曲线平面的第一象限，利用率低而且开关器件承受的电流峰值很大，不合适用于较大功率的开关电源。反激开关电源电路简单，输出电压U0即可高于输入电压UI又可低于输入电压UI，一般适用于在输出功率200W以下的开关电源中16。反激变换器的反馈回路和稳压特性有电压控制模式和电流控制模式两种方法。在电压控制模式中，变换器的占空比正比于实际输出电压与理想输出电压之间的误差电压值，电压模式控制只响应输出电压的变化。为了响应负载电流和输入电压的变化，必须等待负载电压的响应变化，这样会延迟影响变换器的稳压特性，使负载或输入电压扰动产生响应的输出电压干扰。电流控制模式是把变换器东北电力大学本科毕业设计论文8分成俩条控制环路，即电流控制通过内部控制环路，电压控制通过外部控制环路，其结果在逐个脉冲上既可以响应负载电压的变化，也可以响应电流的变化。反激变换器开关导通时，电感电流变化率较大，尤其是电流断续状态，这对电流控制场合非常适合，在反激变换器中首先推荐使用电流控制型。同电压控制模式相比，电流控制模式具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性得以明显改善；电流控制模式因其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠；峰值电感电流检测技术可以精确地限制输出最大电流，开关电源的高频变压器和功率元件不必设计较大的余量，这样就能稳压电源，使成本降低17。第三章多端反激式开关电源硬件电路的设计高频开关电源的主电路是指从交流电网输入直到直流电压输出的整个过程,主要包括以下几个部分L输入滤波器消除来自电网的各种干扰,同时也可以防止开关电源本身所产生的高频干扰向电网扩散而污染电网。2输入整流器将输入的交流电整流,为开关变换电路提供波纹较小的直流电。3开关变换主电路的最主要部分,将整流后的直流电变为高频交流电“开关变换过程受控制器的控制。4高频变压器完成功率的变换。5输出整流与滤波将高频变压器输出的高频方波交流电转换为供给负载的稳定可靠的直流电。31多端反激式开关电源的设计要求（1）开关电源输入电压为220VAC，输出电压为5VDC/1A和12VDC/1A；（2）开关频率控制在50KHZ左右，效率在80以上；（3）设计EMI滤波电路；（4）设计过电流保护电路；（5）计算高频变压器原边与副边参数；东北电力大学本科毕业设计论文9（6）选择高频变压器磁芯材料；32UC3842式开关电源简介321UC3842芯片介绍UC3842是美国UNITRODE公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制型芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFET、和IGBT等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件18UC3842为双列8脚单端输出的开关电源驱动集成电路，其内部集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路等。下图示出了UC3842内部框图和引脚图，UC3842采用固有工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚。1基准源用于提供高稳定度的基准电压，作为电路中给定的基准。2振荡器产生固定频率的时钟信号，以控制开关频率。3误差电压放大器（EA）实际上就是一个运算放大器，用来构成电流或者电压调节器。图31UC3842内部框图东北电力大学本科毕业设计论文104PWM比较器将调解器输出信号UC转换成PWM脉冲的占空比。5分频器用于将单一的PWM脉冲序列分成俩路互补对称的PWM脉冲序列，用于双端电路的控制。6欠电压保护电路对集成PWM控制器的电源实施监控，当电路初上电时，电源电压低于启动电压（约16V），欠电压保护电路封锁PWM信号的输出，输出端（引脚6）为低电平，只有当电源电压大于启动电压后，经过一次软启动过程，UC3842的内部电路才开始工作，输出端才有PWM信号输出，在工作过程中，如果电源电压跌落至保护阈值（约10V）以下时，输出PWM信号被封锁，避免输出混乱的脉冲信号，以保护主电路开关器件，只有当电源电压再次大于启动电压以后，UC3842才重新工作，恢复PWM信号输出19。322UC3842芯片主要性能该芯片主要有以下性能1）可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比；2）最高开关频率可达500KHZ；3）带锁定的PWM，可以实现逐个脉冲的电流限制；4）具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定；5）图腾柱输出电路能够提供大电流输出，输出电流可达1A，可直接对MOSFET进行驱动；6）带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡；7）起动电流和工作电流低，启动电流小于1MA，正常工作电流为15MA。33UC3842组成的反激式开关电源331电路原理图以UC3842芯片为核心,设计了一种新颖的反激式220V电流输入、多路固定电压输出的开关稳压电源,可应用在一些只有直流电压供电的场合。反激开关电源电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看做是一对相互耦合的电感，其工作工程是开关开通后，D处于断态，初级绕组的电流线性增长，电感储能增加；开关关断后，初级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过次级绕组和东北电力大学本科毕业设计论文11D向输出端释放。附录为反激式开关电源原理图，该电源输出等级有四种5V、5V、12V、12V。该电路的变换器是一个降压型开关电路20。332电路工作原理220V的交流输入电压经整流平滑后为电路提供直流工作电压,起动电路由电容C6和R2构成,C6经电阻R2充电,C6的电压达到16V时,UC3842有输出,使MOSFETQ1型号MTP4N50导通,能量存贮在变压器T1中,此时,由于二次侧各路整流二极管反向偏置,故能量不能传到T1的二次侧,T1的一次侧电流通过电阻R9检测并与UC3842内部提供的基准电压进行比较,当达到这一电平时,Q1关断,所有变压器的绕组极性反向,输出整流二极管正向偏置,存贮在T1中的能量传输到输出电容器中。启动结束后,反馈线圈的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端脚2和UC3842内部的25V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度,从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样,能量周而复始地存贮释放,给各路输出端提供电压。由D2和D1构成的漏极钳位保护电路可将由高频变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值以下,并能减小振铃电压。D1选用P6KE150型瞬态电压抑制器TVS,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，将电压钳位到预定水平，有效保护器件，其钳位电压为150V,钳位时间仅1NS,峰值功率是5W。D2采用UF4005型1A、600V的超快恢复二极管FRD,其反向恢复时间TRR30NS。另外由D9、C10和R10构成了Q1的缓冲电路。反馈绕组回路中的R2可使电压和负载的调整率SI35,R2必须通过D4与R1隔离,否则,C6不能充电至16V实现起动。电路正常工作时,3脚作为电流检测端,用于检测开关管的电流,当3脚电压1V时,UC3842就关闭输出脉冲,保护开关管Q1不至于过流损坏。主输出回路中的小电感L1可将输出的纹波电压减少到50MV并能衰减高频噪声21。333各电路设计RCD吸收电路RCD吸收电路又称为缓冲电路，可加在变压器原边绕组俩端或开关管俩端主要用于抑制器件在开关过程中产生的过电压、过电流，减少器件的开关损耗，减东北电力大学本科毕业设计论文12少高频纹波，抑制器件俩端的尖端电压。电路特点是（1）电路结构简洁；（2）开关管关断时，变压器漏感能量转移到电容C上，开关管漏源电压被箝位；（3）漏感能量消耗在电阻R上，使变换效率降低。漏极箝位电路箝位电路由俩只箝位二极管D1、D2组成。该电路特点为（1）变压器漏感能量无损地回馈到电网中去；（2）高频时较大的谐振电流增加了功率开关管的电流应力及导通损耗。开关管保护电路R10、C10、D9构成的开关管保护电路可以消除开关管漏源间产生的反峰电压。Q1关断时，Q1上电流下降，变压器漏感会阻止电流减小，一部分电流继续流过Q1，另一部分通过D9对C10进行充电。C10的存在减缓了漏源间电压的上升。C10越大，漏极间电压上升得越慢，这样可以降低开关管的损耗。在选用续流二极管D9时，选择了高频特性好的肖特基二极管，这种二极管在峰值电流为3A时，导通电压通常很小。启动电路启动电路包括启动电阻R1和启动电容C6的设计，R1由线路直流电压和启动所需电流来确定。UC3842的典型启动电压VCC为16V，启动的偏置电流ICC1MA，工作时的偏置电流ICC15MA。当电源关闭时，电阻R1也是电容C6的放电通路。启动完成之后，UC3842的消耗电流将随着对MOS管的驱动而增至100MA左右，该电流由电容C6在启动时存储的电荷量提供，此时电容C6上的电压会发生跌落，当C6上的电压跌落到10V以上，UC3842仍能保持工作。电容C6的容量为，如果需要对高反压功率开关管提供更大的驱动电流，C6可以取更大一些，C6的容量加大会使启动过程减慢，起到软启动的作用。短路过流、过压、欠压保护电路东北电力大学本科毕业设计论文13由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值03V达到1V时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚6无输出，MOS管截止，从而保护了电路。整流滤波电路为了提高供电质量，输出滤波器一律用共模电感和差模电容进行滤波。根据经验，每安培的电流可以取1000F的电解滤波电容，另外，为了滤除高频电压尖峰，需要在调试过程中根据实际情况并联高频特性较好的独石电容。输出滤波电容C中电流为式中为整流二极管电流、为输出电流。输出滤波电容的电流有效值为33开关电源输出端中对纹波幅值的影响主要有以下几个方面（1）输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决方案是在电源输入端加电容C3，以滤除此噪声干扰。（2）高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺入人高频的噪声干扰，还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声解决方案是在输出端采用型滤波方式，滤波电感采用150H的电感，可滤除高频噪声。（3）采用快速恢复二极管D1、D3整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声22。东北电力大学本科毕业设计论文1434电路主要参数设计电路主要参数设计MOSFET开关管工作最大占空比式中VOR为副边折射到原边的反射电压，当输入为AC220V时反射电压为135V；VMINDC为整流后的最低直流电压；VDS为MOSFET功率管导通时D与S极间的电压。功率开关管S功率开关管采用高频特性好，低内阻的场效应晶体管，因为开关管工作速度快，输入阻抗高，功耗小，受温度影响小，驱动电路工作于300V电压，考虑到高频变压器的反向电动势约200V，线圈漏感引起的尖峰电压约为200V，所以功率管的反向击穿电压应选用大于800V的高反应场效应管，输出电阻值低，功率管的最大漏极电流应考虑整个电源的输出功率，在本电源中输出功率小，可选用MTPTN50。功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为整流二极管D整流管需满足最大整流电流和反向电压，选择恢复时间短和开关损失小的整流管。它的作用是阻止启动时输入电压对死负载供电，使得电容上的电压迅速上升，从而使UC3842快速启动。D中电流值与有效值均为副边绕组电流的峰值和有效值，即东北电力大学本科毕业设计论文15输出电容URIPPLE50为纹波电压，得C0900用于抑制共模噪声的电容可用陶瓷式电容耐压在400V以上10004700PF的无极式电容，串模噪声的频率较低，抑制该类噪声应用01到022的电容。死负载R2反激变换器不可以空载，所以在自馈电绕组一路接死负载R2，死负载消耗的功率按额定功率的5来设计，死负载大小为滤波电感的选取为消除输出电压纹波，需要在输出中加LC噪声滤波器。取导线电流密度J5A/，L导线截面积为，选取线径D051MM的漆包铜线，用小磁环绕制。稳压管IN4935反向峰值电压200V，平均整流电流为1A，稳压于340V一下，用于过电压保护，反向恢复时间为200NS；MUR110反向峰值电压100V，平均整流电流1A，反向恢复时间为35NS。输入电容输入电容的一个参数就是容量，滤波电容的容量根据电源的输出功率而定，在反激式电源中经验值为CIN取制值为输出功率值瓦特数乘上1,另一个参数为耐压值，它的耐压应该大于整流以后的峰值23。东北电力大学本科毕业设计论文16第四章开关电源高频变压器的设计高频变压器在开关电源中具有能量传输、电压变换与电气隔离的作用，是开关电源的核心部件，高频变压器性能的好坏，不仅直接关系到电源的技术指标和电磁兼容性，而且对电源效率的影响也较大，所以高频变压器的设计是制作开关电源的一项关键性技术。一个性能优良的高频变压器应该具有低直流损耗、小漏感、低交流损耗、小绕组分布电容与各绕组间耦合电容等优点。41高频变压器中磁芯材料的选择表41常用EI型磁心的规格由于磁心材料的性能、结构、参数对变压器的可靠性及电源性能有至关重要的影响，所以高频变压器对磁芯材料有以下几点要求（1）高饱和磁感密度BW图41EI型磁心外形图42EE型磁心外形东北电力大学本科毕业设计论文17由磁芯能量传输公式（41）可知，当铁心大小尺寸一定时，其磁感密度越高，能够传输的功率就越大。在同等功率条件下，铁心的重量与体积都可以减少。式中AE为磁芯截面积；AW为磁芯窗口面积；PT为变压器的功率（W）；BW为磁芯的磁感密度（T）；FS是开关电源的工作频率（HZ）；KF为波形系数，正弦波KF444；KJ是电流密度系数，与磁芯跟温升有关；K0为铁芯窗口的利用系数，其典型值为K004；X为磁芯结构系数。由变压器的原边绕组和磁感密度的公式可知式中VIN是线圈两端的电源电压（V）。铁磁心工作磁感密度BW越大，原边绕组匝数NP就越少，输出电压一定时，根据变压器的原边与副边匝数比等于原边与副边的电压比，副边匝数按同样比例减少，在原副边匝数一定时，线圈两端能够承受较高的输入电压。（2）铁损PC低磁芯铁损低，就必须选择涡流损耗较小、电阻率较高及带薄、磁滞损耗小的磁性材料。在磁化的过程中磁芯材料出现不可逆的现象，造成了磁滞损耗。其值的大小和磁滞回线（BH）所包围的面积成正比。交变磁通能够在磁芯中产生交流电势，从而引起涡流导致欧姆损耗，一般可以表示成，式中D是磁芯的材料密度；为磁芯的电阻率；为磁芯带厚。当一定时，磁芯损耗和电阻率成反比，和带厚的平方成正比。而在D、一定时，磁芯损耗与工作频率和磁感密度乘积的平方成正比。所以，开关电源的变压器磁芯材料从铁损角度考虑，应选择密度较大、带薄、电阻率高、磁滞回线窄的磁性材料。（3）高磁导率磁导率能度量物质对磁场所体现的性质，它和磁场强度、磁感密度之间的关系是B/H，磁场强度与磁场电流的关系为H04，磁导率与电感的关系为L4C，式中为磁芯有效的磁路长度；为磁化电流。虽然磁东北电力大学本科毕业设计论文18导率和变压器的传输功率没有直接关系，但是在高频变压器设计的时候，还是选用磁导率高的材料。在磁芯尺寸不变的情况下，磁导率越高，磁化电流小、电感量大，电源电压获取的能量降低；在同样电感量下，磁导率大，则线圈的匝数可以减少。（4）合理的磁芯结构磁芯结构是否合理对变压器的工作性能也很重要。其考虑因素主要是利于散热、绕制简单、装配容易、低漏感与漏磁等。对于没有开气隙的变压器磁芯，为了减少漏磁与漏感，通常采用磁路封闭的方形磁芯或环形磁芯。环形磁芯在小功率开关电源中用的较多，因为在大功率情况下，其绕制非常麻烦，并且不易绕紧，所以环形磁芯最大的困难就是绕制问题。（5磁芯尺寸应符合传输功率容量的要求磁芯尺寸的大小规格，与变压器的传输功率有关，式（41）是高频变压器设计时选取尺寸大小与功率关系的重要依据，其具体设计原则在变压器设计步骤中将会予以阐明。（5）其他的性能要求其他性能要求有下面几点1）高居里温度。磁芯在居里温度时，其磁导率趋于零，磁芯由铁磁性变为顺磁性，所以磁性材料的工作温度一定控制在居里温度内。2）优良的机械性能。有较强的硬度，能承受一定的振动和冲击能力，不易碎。3）工作噪声小。在变压器处于工作状态时，其不产生机械振动的噪声。4）良好的温度稳定性。在工作温度规定范围内，要求许多磁性参数，如磁导率、磁感应密度等温度的变化范围尽量要小。5）高性价比。根据实际使用要求，合理兼顾价格和性能之间的关系，控制成本，提高性价比。6）工作频率范围宽。由于开关电源中的开关频率很高，并且在方波脉冲状体下工作，高频分量也很丰富，要使波形在传输过程中不出现畸变，这就要求磁芯具有宽的工作频率范围。综合上述要求，因镍锌铁氧体的电阻率大约在1061012CM，适用于东北电力大学本科毕业设计论文19几十到几百兆赫兹之间的频率，是常用的高频变压器材料。本文选取EI型镍锌铁氧体磁芯材料24。42磁芯型号的选择方法高频变压器磁芯尺寸的选择形式有多种，有按变压器输出功率选择的，也有根据经验公式算得的。磁心截面积SJ等于舌宽C（MM）和磁心厚度D（MM）的乘积，磁心的有效面积AESJ，有公式考虑磁芯损耗等情况，高频变压器的最大承受功率PM（W）与磁芯截面积AE存在经验公式虽然上面的经验公式方法能快速简单确定磁芯的尺寸大小，能节省设计时间，但是该方法选择模糊，无法准确确定磁芯的结构类型，并且不利于某些参数的计算。目前，有一种比较主流的计算方式面积乘积法，先计算磁芯可绕导线的窗口面积AW与磁心有效截面积AE的乘积AP，再根据算得的AP值来查表选择符合的磁性材料，也称AP法，下面介绍这种方法的计算过程。面积乘积法AP的计算公式为式中AP磁心面积乘积，；AW磁心窗口面积，其定义公式为AE磁心有效截面积，AESJCD，D为磁心厚度。设原边绕组的有效电压为U1，原边绕组的匝数为NP，磁心的交流磁通密度为BAC，磁通量为，开关管的周期为T，开关频率为F，原边侧电流的波形系数为KF，磁心的有效截面积AE的单位是，依据电磁感应原理可得又有关系式4,为波形因数，可推出东北电力大学本科毕业设计论文20同理，设副边侧绕组的有效电压值为US，副边绕组匝数为NS，可得令绕组的电流密度为J（A/），则导线的截面积为设高频变压器的窗口面积的利用系数是KW，原边、副边绕组的电流有效值为、，当能完全利用绕组面积时既将式（48）与式（49）分别代入式（412）中进而可得到原边绕组与副边绕组所承受的总功率就是高频变压器的视在功率，即由于电源效率,故。代入（414）中，最终可以得到通过计算AP值，可以查表选择适当的铁氧磁体的的乘积，应当尽量选择窗口长度与宽度比较大的磁芯，这种磁芯窗口的有效利用系数较高，同时也东北电力大学本科毕业设计论文21尽量减少了漏感与漏磁26。43反激式高频变压器的设计本文反激式高频变压器的设计步骤如下1计算最大占空比本设计的开关电源输入交流电压范围为110250V，经单相全波整流与滤波后直流输入电压的最大值、最小值分别为340V、150V。开关电源产生的发向电动势E170V。脉冲信号最大占空比的公式为把上面参数代入算得（2）选取磁芯用AP法选取磁芯型号。已知80，34W，的取值范围为0204，这里取035，0531，对于反激式开关电源，值介于0203，现取025T，07，F50KHZ，电流密度J的取值范围是200600A/，这里取J400A/。代入得根据算得的AP值，从表41中查出与之最接近的最小磁芯为EI28，其AP058。两者相差0071，但考虑到磁芯损耗等因素，可以选择，此时AE083。（3）计算一次侧电感量L1一次侧峰值电流为，由公式（428）可计算得一次侧的电感量,由公式（429）可计算得（4）确定一次侧绕组的匝数东北电力大学本科毕业设计论文22前面已经选择好了磁芯，可根据磁芯参数来计算变压器绕组的匝数，对于反激式变换器，通常在输入电压最小的情况下占空比最大。由于一次侧的电压波形可近似看作为矩形波1/，1/，因此一次侧绕组匝数公式为实取125匝。（6）各输出绕组及反馈绕组匝数的计算一次绕组匝数确定以后，则可以计算反馈绕组的匝数和各输出绕组的匝数，反馈绕组匝数的公式为（）实取15匝。式中二次侧的反射电压，在反激式开关电源中,是固定不变的，一般85165V，典型值为135V。输出整流管的正向压降，快速恢复二极管取08V。同理，可求得两组的输出匝数匝。两组的输出匝数匝。（7）变压器气隙宽度的计算在反激式开关电源中，为了以防高频变压器发生磁饱和现象，一般都要在磁芯中加入空气间隙，简称气隙。在相同绕组匝数与的条件下，加入气隙可以提高绕组的工作电流，并且高频变压器磁饱和电流将会增大。同时，加入气隙可将磁化曲线线性化，即磁导率的变化会减少，使绕组电感量趋于定值。高频变压器加入气隙后的这些特性变化都有利于提高反激式开关电源的性能。气隙可由下公式计算由于气隙宽度是磁路间隙的总和，所以磁芯间隙应为气隙宽度的一半，即055MM。（7）导线直径计算对于截面是圆形的漆包线，其导线的面积S与直径（D）的关系为东北电力大学本科毕业设计论文23而流过导线的电流有效值和截面积（S）与电流密度（J）的关系为所以可以推出导线直径为一次侧电流有效值为故一次侧导线直径为反馈绕组峰值电流与一次侧峰值电流的关系反馈绕组侧电流有效值所以反馈绕组导线直径为式中取电流密度J6A/同理，可求各个输出绕组的导线直径两组输出绕组峰值电流为两组输出绕组有效电流为东北电力大学本科毕业设计论文24导线直径为两组输出绕组的导线直径为经过本文高频变压器的设计与实验，总结一些注意事项（1）高频变压器一次侧绕组必须绕在最里面。这样既能够减少一侧绕组的分布电容，缩短每匝导线长度，也使一次绕组能被其他绕组屏蔽，降低一次绕组对相邻元器件的影响，减少EMI污染。（2）由于所选磁心材料、元器件参数以及高频变压器的制造工艺的不同，可以在必要时对匝数做适当的调整。（3）在多路输出的副边绕组绕制时，输出功率最大的二次侧绕组尽量靠近原边绕组，这样可以减少漏感。假如二次侧匝数比较少，可以采取多股并绕的方式，或者每匝间留取适当的间隙，使绕组能够充满整个骨架。（4）在变压器设计时，原边绕组线圈与副边绕组线圈所占面积保持相等，以获得最小的铜损；合理选取磁心的工作频率及工作磁感密度，以获取最小的铁损27。（5）对于开有少量气隙的高频变压器，可以在磁芯的两侧均匀对称加上绝缘绞线。原边、副边之间增加屏蔽层，减少共模干扰容性耦合的强度28。44本章总结本章首先介绍了高频变压器磁芯的类型以及其对磁性材料的基本要求，然后阐述了磁芯的选择方法，即面积乘积法（AP）和几何参数法（KG），并对两种方法进行了分析与推导，最后用面积乘积法（AP）设计了本课题的高频变压器，给出了设计变压器需注意的若干事项。东北电力大学本科毕业设计论文25第五章开关电源软件仿真及PCB设计随着科学技术的发展，开关电源的技术越来越成熟，其设计工具也越来越得到完善。本课题针对前面章节所设计的开关电源用SABER软件进行建模与仿真，并对样机进行了实际测试与分析。51建模仿真与结果分析SABER是美国ANALOGY公司开发、现由SYNOPSYS公司经营的系统仿真产品，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机械、光电、光学、机电一体化、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是SABER的最大特点。SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，与其它电路仿真软件相比，其具有更丰富的元件库和更精致的仿真描述能力，仿真真实性更好28。511SABER软件建模本文利用SABER软件对电路进行建模、仿真、分析，检测本论文设计理论上是否达到预定要求。建模仿真的整体电路图如图51所示。仿真中的几点说明图51SABER仿真模型东北电力大学本科毕业设计论文26与注意事项29（1）本设计分析过程所用变压器是TRANSFORMER，6WINDLINEAR。由于SABER元件库中的变压器至多只有六个电感耦合在一起，第一个默认为原边，其余五个为次级边，而本文的开关电源有一个反馈绕组（仿真中反馈绕组置于输出侧）与五路输出，加上原边共计7路，但是有2个12V和5V输出路，所选变压器刚好适合30。（2）SABER软件中，电解电容与普通电容没有区分，所以电容普遍采用通用电容，但是参数设置与本文所说要求一致。其次，仿真中的芯片UC3842比原理图中的芯片UC3842多了一个