单端反激式开关电源课程设计

1、多路输出单端反激式开关电源设计 系别：电气工程与自动化 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号：多路输出单端反激式开关电源设计摘 要开关电源是一种采用PWM等技术控制的开关电路构成的电能变换装置，它广泛应用于交直流或直直流电能变换中，通常称其为开关电源（Switched Mode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦不等，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。开关电源因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点而逐渐取代传统的线性稳压电源，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。本课题是设计一个通用的多路输出的反激式开关电源，电源取自220V市电。本

2、题目设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，利用控制开关的导通时间来调整输出电压，主控制芯片采用UC3844实现电压电流双闭环控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。系统工作频率为50kHz，输出7路隔离的电压。关键词：开关电源，反激式变换器，高频变压器，UC3844 AbstractSwitching power supply using the PWM, control switch circuit of the power conversion device, it is widely use

3、d in AC to DC or DC to DC can transform, usually called the switching power supply (Switched Mode Power Supply-S MPS) power from zeroranging from a few watts to tens of kilowatts,is widely used in various fields of life, production, research, and military.The switching power supply because of its sm

4、all size, light weight,high efficiency, stable performance and other advantages of gradually replacing traditional linear power supply, known as energy efficient power supply,has now become the leading product of the power supply.This project is to design a generic multi-output flyback switching pow

5、er supply,power supply from the 220V mains. Switching power supply design of this topic is the use of full-controlled power electronic devices MOSFET as a switch, control switch conduction time to adjust the output voltage, the main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedicated chipand compatible wi

6、th other circuit elements as a feedback circuit,voltage and current double closed loop control,the design ofswitching power supply with automatic voltage regulation function. The systemoperating frequency 50kHZ, the output voltage of 7 road isolation.Keywords: switching power supply, flyback convert

7、er, high-frequency transformer, UC38446目录摘要II第1章 电路设计和原理51.1 开关电源的工作原理51.2 开关电源的组成5第2章 系统各部分电路设计72.1 开关电源电路图72.2 电压反馈电路设计82.3 输入启动电路的设计92.4 输入整流滤波电路的设计102.5保护电路的设计102.6 电路工作过程总结11第3章 设计总结13参考文献14附 录15 第1章 电路设计和原理1.1 开关电源的工作原理在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。与线性稳压电源不同

8、的是，开关电源的功率开关管工作在开关（导通与截至）状态。在这两种状态中，加在功率开关管上的伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。功率器件上的伏安乘积就是功率开关管上所产生的损耗。不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是PWM（Pulse Width Modulation）控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。而开关电源多为对等幅脉冲进行控制，脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节的。当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。通过改

9、变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。1.2 开关电源的组成图1-1所示为开关电源的结构框图：图1-1 开关电源的结构框图AC/DC转换电路是整流滤波电路。DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以下几种基本类型：buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。因设计需求，本设计在主电路拓扑上采用单端反激式。下面就对这一结构主电路进行讨论分析。第2章 系统各部分电路设计2.1 开关电源电路图设计的完整开关电源电路图如下：图2-1 本设计开关电源电路图2.2 电压反馈

10、电路设计考虑到控制器的安全性，一般都采用光耦隔离反馈电压。为了减小光耦合器的漂移，二次侧需要一个误差放大器，本设计采用TL431构成误差放大器。对于多路输出的电源来讲，输出端的交叉调整性能是个不可忽视的问题。若只对一路输出进行反馈，则当未检测输出端负载变化时，被检测的输出端电压波动很小，但未检测的输出端电压的变化并不能完全通过变压器耦合到反馈端，因此不能对其有效调节，导致其他输出端电压波动较大。多路输出检测通常是把上臂检测电阻用多个并联电阻代替，分别接到不同的输出端。每个输出端被检测的电流百分比，即表示了该输出端被调节的程度。图2-2 电压反馈电路2.3 输入启动电路的设计电路图如下：图2-3

11、 启动电路图电源通过启动电阻给电容充电，当电压达到UC3844的启动电压门限值（+16V）时，UC3844开始工作并提供驱动脉冲，由6 端输出驱动开关管工作。随着UC3844的启动，的工作也就基本结束，7脚电压可以小于16V，余下的任务交给输出绕组Ns12V，由输出绕组Ns12V来为UC3844 供电，由于UC3844稳定工作后。由于输入电压超过了UC3844 的工作电压，为了避免意外，用稳压管限定UC3844 的输入电压，取的稳定电压为18V，可以选择IN4746稳压二极管。 2.4 输入整流滤波电路的设计对于市电供电的开关稳压电源，输入整流滤波电路的设计是必须的，但是相对于其他电路部分，输

12、入整流电路的设计相对简单，但其设计的好坏对于电源的可靠性和对电网的影响也有较大的影响。输入整流滤波电路通常由：EMI滤波器、浪涌电压电流抑制器、整流器和滤波电容组成。许多交流输入的场合有些电源还带有PFC功率因数校正电路，以减小电源对电网供电质量的影响。 图2-4 输入整流滤波电路2.5保护电路的设计系统的保护电路包括过电流保护、过电压保护、欠压锁定、尖峰冲击电压保护等。以下将就几种保护电路做介绍。1输入保护a一般在输入端加熔丝管，这里用2A的熔丝管较为合理。b负温度系数热敏电阻NTCR。其特性为其阻值随温度升高而降低。它能有效减小电源接通瞬间，电流对电路的冲击。这里选择8-101NTCR，标

13、称阻值为10，额定电流为1A。c压敏电阻VSR。其特点是，工作电压宽，耐冲击电流能力强，漏电流小，电阻温度系数低，价格低廉，体积小。压敏电阻对冲击电压有较好的钳位作用。这里选取MY31-270/3，标称值220V。2、过流保护过流保护电路主要通过检测上流过的电流并通过和滤波后，反馈回UC3844，与其内部的1V基准电压比较，使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3844停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护MOSFET和电路的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。3、MOSFET尖峰电压冲击保护由于场效应管在由饱和导通进入截止的瞬间，急剧变化的漏极电流会在高频变压器初级绕

14、组上感应出反向电动势，加上变压器漏感产生的浪涌尖脉冲直接加在MOSFET漏极，其峰值可达到直流输入电压的数倍，它们与直流输入电压叠加，MOSFET很容易因此击穿。通常的做法是在MOSFET漏源级之间加二极管RC网络钳位或吸收尖峰电压。本设计中，和，共同组成了尖峰电压钳位电路。以，为例，其作用是通过给充电，把尖峰电压钳位在安全值以下，然后通过将吸收的浪涌尖峰电压以热量形式释放掉，从而保护了功率MOSFET。2.6 电路工作过程总结1、电路的启动过程交流市电经过整流电路得到的直流电压分成两路：一路经高频变压器初级绕组Np直接加到MOSFET的漏极；另一路经启动电阻向C8充电，为UC3844提供启动

15、电压，加到控制芯片UC3844的第7脚，当的充电值达到16V时，控制芯片启动工作，此过程称为电源的“软启动”。为防止冲击电压对UC3844造成损坏，在其第7脚和地之间加入一个18V稳压管。其中，8脚产生的5V基准电压通过对进行充电，在第4脚上形成锯齿波电压信号，其频率就是电源的工作频率。锯齿波信号进入UC3844内部振荡器，产生频率固定的振荡信号，经脉宽调制和推挽式输出级放大后，在第6脚输出栅极驱动信号，使MOSFET导通，开关电源+12V的输出绕组，由+12V输出电压给UC3844提供工作电压。Error! Reference source not found.2、开关电源储能过程当MOSF

16、ET导通以后，直流电压经高频变压器的初级绕组、MOSFET的漏极源极、电流检测电阻、地电流回路，在初级绕组上产生上正下负的感应电动势，根据同名端的定义，变压器次级绕组产生的感应电动势均为负，输出整流二极管均反偏截止，高频变压器将电能以磁能的形式储存在初级绕组之中，这样便完成了储能过程。3、开关电源释能过程当UC3844锁存器翻转，6管脚输出脉冲停止，MOSFET由导通变为截止。这时，变压器初级绕组产生的感应电压变为下正上负，次级绕组产生的感应电压为正向电压，输出整流二极管导通，初级绕组将存储的能量释放，传递到次级绕组中，经整流滤波电路，得到需要的输出电压。在UC3844的控制下，周而复始的重复

17、上述过程，实现能量的转换传输。4、开关电源稳压过程一路+5V、+12V、+24V输出电压经、分压后与TL431的基准电压值2.5V进行比较，与输出电压的变化产生误差电压，并通过光耦PC817把误差传递给UC3844，由UC3844控制MOSFET的占空比以实现稳压。当输出电压升高时，输出电压经分压电阻分压得到的采样电压也升高，流过PC817发光二极管的电流增大，发光二极管发光强度增大，光电三极管导通程度加深，集射极电压减小，UC3844的6脚输出驱动信号的占空比减小，于是输出电压下降，达到稳压的目的。当开关电源输出的电压下降时，上述控制过程正好相反。15第3章 设计总结本课题设计了一个多路输出

18、单端反激式开关电源，主要工作概括如下：了解了开关电源技术的发展现状，认识了目前广泛使用的几种拓扑类型，主要对反激式拓扑进行了分析研究。采用UC3844作为控制芯片，充分使用了UC3844电压电流双闭环反馈功能，实现了对输出电压保护与调节。由于UC3844的功能高度集成，其性能优良、管脚数量少、外围电路简单、价格低廉等优点，为本课题设计降低了难度。由UC3844构成的开关电源控制性能好，功能完善，可靠性高。电压采样及反馈电路由光电耦合器PC817、三端可调稳压管TL431组成。这种拓扑结构外接元件少，负载调整率好，具有良好的稳压效果。并采用多路反馈，控制更加有效，可以适用于各种负载。本设计采用单个高频变压器完成7路电压输出，由于本设计是基于单端反激式变换器结构，因此电源的容量取决于高频变压器的性能。由于高频变压器的设计是比较困难的，因此可以采用多个变压器分担不同输出，将功