一种新型开关电源的设计

1、华东交通大学理工学院本科生毕业设计（论文）资料袋题目名称学生姓名学 号专 业分 院指导教师姓名职 称序号资料名称袋内有者划并写明份数序号资料名称袋内有者划并写明份数1任务书7答辩专家评审表2开题报告8答辩评分表3原创性申明9成绩汇总表 4毕业设计（论文）10图 纸 （ ）张 5指导教师评审表11软件或程序光盘软盘 （ ）张 6评阅人评审表12其 它综合评定成绩华东交通大学理工学院Institute of Technology. East China Jiaotong University 毕 业 设 计（论 文） Graduation Design （Thesis）（20 20 年）题 目 一

2、种新型开关电源的设计 分 院： 电信分院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 05电气（4）班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 华东交通大学理工学院毕业设计（论文）原创性申明本人郑重申明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。毕业设计（论文）作者签名： 日期： 年 月 日毕业设

3、计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。本人授权华东交通大学理工学院可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编毕业设计（论文）。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权书） 毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益

4、密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点, 被称作高效节能电源。由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想设计了一个12V的低功率开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。 本设计主要介绍了开关电源的发展历程，未来发展趋势，以及开关电源的优缺点。本设计采用典型的反激拓扑开关电源结构设计形式，以UC3842作为控制核心器件。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。其次，控制电路以

5、UC3842芯片为控制核心，采用闭环控制模式，实现系统的稳压和限流。另外，对控制系统的过电流保护、过压保护、过热保护电路等保护电路进行了设计。关键词：PWM；UC3842；开关电源；MOSFET AbstractWith the high-speed development of electronic technology, the application of the electronic system is more and more extensive, as well as the variety of the electronic equipment. The relation be

6、tween electronic equipment and our daily life is getting much closer day by day. As we know any kind of can work depending on some kinds of power supply which would have to be improved to meet the need of electronic equipment. Especially the popularization of the small-scale electronic equipment, it

7、 requires the steady power supply in order to meet the demand of small-scale electronic equipment.The switch power supply has such advantages as high frequency rates, strong power, high efficiency, and was called the energy-efficient power. In this way the switch power supply shown here is on 12V, i

8、n order to meet the needs of such power supply for the small-scale electronic equipment.The design of the main switch power supply on the course of development, future development rends, and the advantages and disadvantages of switching power supply. The design of a typical flyback topology switchin

9、g power supply design of the structure to control UC3842 as the core device. MOSFET used as a switching device, and its on-deadline fast, conduction losses small, which is the high efficiency switching power supply to provide protection.Secondly, the control circuit, Its control circuit is centered

10、on UC3842, uses a control that based regulation to realize the function is composed of analog of voltage-stabilization and current-limited. In addition, the safeguard circuit that mainly consists of over current, over heat, over voltage and circuit are studied and designed in the paper.Key words: Pu

11、lse Wide Moduation；UC3842；Switching Power Supply；MOSFET 目 录摘 要1Abstract2目 录3第1章 绪 论11.1 背景11.2 开关电源取代线性稳压电源11.2.1 线性稳压电源11.2.2 开关电源21.3 开关电源的发展方向41.4 直流稳压电源的技术指标51.5 课题简介61.5.1 本课题的研究思路61.5.2 课题意义61.5.3 研究方法7第2章 开关电源的结构形式82.1 DC/DC变换器82.1.1 非隔离式开关变换器82.1.2 隔离式开关变换器82.2 控制方式132.3 电流型反激式开关电源的控制方法142.3

12、.1 电压型控制基本原理142.3.2 电流型控制的基本原理15第3章 设计方案173.1 开关电源的基本原理173.2 主电路拓扑的选择183.3 控制电路的设计193.3.1 模块的选择193.3.2 UC3842的功能介绍193.4 反馈电路的设计213.4.1 线性光耦PC817的介绍213.4.2 精密可调稳压源TL431介绍213.5 电流取样检测电路设计223.6 滤波噪声电路设计233.7 元器件选择243.7.1 功率管的选择243.7.2 输入滤波电容器容量计算243.7.3 输出整流二极管的选取243.7.4 输出滤波电容的设计253.7.5 元器件选择25第4章 电路图

13、的设计与分析264.1 开关电源电路图264.2 电路图的分析274.2.1 启动电路274.2.2 短路、过压、欠压保护电路274.2.3 整流滤波电路284.2.4 反馈电路284.2.5 尖峰电压的减小294.2.6 仿真结果与分析29第5章 变压器的设计315.1 变压器的概述315.2 变压器的设计步骤315.3 变压器设计该注意的几个问题33结 语35参考文献36附录1 开关电源原理图38附录2 元器件清单38后 记39第1章 绪 论1.1 背景随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电

14、源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制 (PWM)控制集成芯片和绝缘栅场效应管MOSFET构成。开关电源不仅体积小而且损耗低，故几乎己应用在所有的电子设备中。随着许多电器尺寸不断减小，供电电源所占尺寸变得大得多，人们在降低开关电源的体积、重量等方面做了不少工作。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源

15、进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关电源经历了三个重要发展阶段。第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件 (SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成

16、电力电子模块 (IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界函待解决的新问题之一。目前市场上的高频开关电源大多采用晶闸管驱动，开关速度低、损耗大、噪声也大，并且使高频开关电源的频率受到限制，从而缩小了它的使用范围1。电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。1.2 开关电源取代线性稳压电源1.2.1 线性稳压电源介绍开关电源前，先得介绍一下线性稳压电源，因为开关电源技术是在克服线性稳压电源缺点的基础上发展起来的。开关电源的前身是线性稳压电源，由于主要功率调整管工作在线性放大状态，固而称之为线性稳压电源。线性

17、稳压电源的结构框图如图1-1所示。线性稳压电源的工作原理是:将来自电网的交流电压经过工频变压器降压后，再经过整流、滤波和线性稳压及输出滤波、反馈电路处理，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量(精度、纹波等)的要求，但存在严重的缺点:(1) 功耗大，效率低，其效率一般只有30%40%。(2) 体积大，重量重，不能微小型化。(3) 滤波必须选用大容量的滤波电容。造成这些缺点的原因是:(1)从图1-1的线性稳压电源的结构框图可以看到，线性稳压电源使用了50Hz工频降压变压器，这种变压器效率通常只有80%90%，所以这样不但增加了电源

18、的体积和重量，而且还大大降低了电源效率。(2)调整管在电源整个工作过程中一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区，调整管本身功率与输出电流成正比。这样调整管本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而增大，使调整管急剧发热。为了保证管子正常工作，除选用大功率管子外，还必须给管子加上较大的散热片。图1-1线性稳压电源的结构框图(3)线性稳压电源工作频率较低，为50Hz，所以要降低输出电压中纹波电压的峰值，就必须增大滤波电容的容量。正因为线性稳压电源的效率低、体积大、较笨重等原因，人们需要一种转换效率高，小型轻便的新型电源。特别是在发生世界性能源危机的年代，如何节能降耗引起人们广泛关注。随着半导体器件的发

19、展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强而它们的体积却越来越小，这就是人们对效率高、小型轻便、性能良好的新型电源需求更加迫切，这些需求成了开关电源技术发展的源源不断的动力2。1.2.2 开关电源开关电源是应用功率半导体器件，在一个电路拓扑中运行于“开关状态，按一定规律控制开通和关断，对电能进行处理变换而构成的电源。典型开关电源的基本电路框图如图1-2所示。开关电源工作原理不同于传统线性稳压电源，它是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性开通和关断，通过控制开关元件的占空比来调整输出电压。它直接将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电

20、压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放大处理，以此调节输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压2。图1-2开关电源的基本结构框图与线性电源相比开关电源有如下优点:(1)功耗小，效率高由图1-2知，功率半导体器件在激励控制信号的激励下交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率高。这使开关器件功耗很小，电源效率大幅度提高，其效率可达80%以上。(2)体积小，重量轻从开关电源基本结构框图可以清楚看到，这里没有采用笨重的工频变压器，再加上调整管上耗散功率大幅度降低以后又省去了较大的散热片。因此开关电源的体积小，重量轻。(3)滤波的效率大为提

21、高，滤波电容的体积和容量大为减小开关电源工作频率目前基本上是在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍，在相同纹波输出电压的要求下，采用开关电源时的滤波电容容量只有线性稳压电源中滤波电容容量的1/10001/5000。(4)稳压范围宽开关电源的输出电压是由激励控制信号的占空比来调节的。输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证稳定的输出电压，所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型（PWM）和频率调制型(PFM)两种。所以

22、开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压方法也较多。(5)电路形式灵活多样比如:有自激式和他激式；单端式和双端式；隔离型和非隔离型。设计者可发挥各种电路特长，设计出能满足不同场合所需的开关电源。1.3 开关电源的发展方向1955年美国罗耶(GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(Jensen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了

23、25千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。高频开关电源自问世至今，已经经历了五十多年的发展，高频化、小型化、模块化、集成化、智能化、环保化仍是21世纪开关电源的发展方向。（1）高频化是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHZ发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源。为高频变换提供了物质基础，促进了现代电

24、源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。（2）高效率作为电源，效率是重要的关键指标之一。高频化的结果，使开关损耗显著增加。因此，80年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。软开关技术理论上可使开关损耗降为零。实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由80%提高到90%以上，达到高频率、高效率的功率变换。（3）电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在

25、通讯、电力获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制分布式供电，是集中供电单一体制走向多元化。（4）电源设备的标准规范电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证3。1.4 直流稳压电源的技术指标衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小(输出电压和输出电流)、调节范围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标；另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标；更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质

26、量指标。下面重点介绍质量指标。（1）稳压系数稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量U。与输入交流电压变化量Ui之比，即 （1-1）它表示输入交流电压变化Ui引起输出电压变化U。越小输出电压就越稳定。这种表示方法在工程中常常用到相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压U。的相对变化量Uo/U。与输入交流电压Ui的相对变化量Ui/Ui之比，即： （1-2）（2）电压调整率电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化10%时，稳压电源输出电压的相对变化量(百分数)，即 （1-3）一般直流稳压电源的电压

27、调整率为1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用绝对值表示。（3）负载调整率(也称电流调整率)在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，用百分数表示 （1-4）（4）输出电阻(也称内阻)在额定输出电压的条件下，负载电流变化IL引起输出电压变化U。，则输出电阻为 （1-5）（5）最大纹波电压在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波(包括噪声)电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。（6）纹波系数Y在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压U。之比，即： （1-6）（7）温度漂移和温度系数环境温度的变化会影响元器件参数的

28、变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称为温度漂移。常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化1所引起输出电压值的变化UoT称为绝对温度系数，单位是V/或mV/。温度每变化1所引起的输出电压相对变化UoT/UoT称为相对温度系数。（8）漂移稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。在一般使用中只考虑漂移就可以了。表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间内输出电压值的变化Uot来表示；另一种是用指定时间内输出电压的相对变化Uot/Uot来表示。考察漂移时间可以定为1分钟、10分钟、1小时、8小

29、时或更长4。1.5 课题简介1.5.1 本课题的研究思路基本思路是采用变频技术和功率转换电路，将工频电压整流并滤波后，经输入功率转换电路，转变为高频方波交流电压 (20kHz以上)后，再经高频变压器降压后根据反馈电压实现直流电压的恒定。利用UC3842模块作为控制电路，反激电路为主电路拓扑，再加些保护环节，设计一个电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高的输入为交流85V265V,输出为直流12V的新型开关电源。1.5.2 课题意义随着微型电子设备的发展，现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，而滤波电感、电容和变压器在电力电子装置的体积和重量占很大比例，提高开关频率，可以相应地提高滤

30、波器的截止频率，从而可以选用较小的电感和电容使得滤波器的体积减小。可见，电力电子装置小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率，实现开关电源的高频化。本设计通过提高电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性，提高高频开关电源的性能。研究开发低成本的各项性能优良的高频开关电源，适应微型电子设备的发展方向，符合节约能源、可持续发展的基本国情，对加速国民经济的发展具有非常重要的现实意义。1.5.3 研究方法在本课题中，先对开关电源的基本原理进行分析介绍，再对开关电源主电路的各个基本拓扑进行分析对比，和介绍了UC3842模块的功能， 最后根据本次设计的技术参数选择反激电路为主电路拓扑。采用的是PWM控制方式，

31、利用UC3842作为控制保护电路，精密可调稳压源TL431和线性光耦PC817作为反馈电路，设计出性能优良的开关电源。然后通过用Matalable对系统输出的动态性能进行仿真分析。 第2章 开关电源的结构形式2.1 DC/DC变换器DC/DC变换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。按输入与输出是否隔离可分为非隔离式开关变换器和隔离式开关变换器。2.1.1 非隔离式开关变换器非隔离式开关变换器在电气上输入与输出不隔离的。可分为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路、Sepic电路。(1)Buck电路：降压斩波器，其输出平均电压Uo小于

32、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Uo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Uo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Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。2.1.2 隔离式开关变换器隔离式开关变换器是高频变压器将变换器的一次侧（输入）与二次侧（输出）隔离。隔离式直流开关变换器分为如下的几种:1、单端反激型开关电源变换器图 2-1所示为单端反激型开关电源的主回路，当功率晶体管VT导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压Ui ，其极性为

33、上正下负。与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管VD1承受的是反向偏置电压，故不导通。负载RL流过的电流是靠输出电容Co的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来。而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变，整流二极管VD1(和反相型开关电源中的续流二极管相对应)由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容CO充电。此电路的整流二极管VD1是在功率晶体管截止时才导通的。故称此电路为反激型电路。单端反激式变换器输出波纹电压大，电压和电流调整率低。要提高性能指标，可以增大滤波电容和辅助LC滤波器，或者在其二次

34、测再串联一线性集成稳压器，这样势必增大体积和成本，消弱了本来具有的优点。因此，单端反激变换器多用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不严格的场合。图2-1 单端反激型开关电源主回路2、单端正激型开关电源变换器图2-2所示为单端正激型开关电源的主回路，当功率晶体管VT导通时，整流二极管VD1也同时导通。输入电能通过整流二极管VD1传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路(即高频变压器副边回路)中的储能电感L中，故这种开关电源称为单端正激型开关电源。当功率晶体管VT截止时，电感L中的储能流经负载并通过二极管VD2续流释放。VD1为整流二极管，VD2是续流二极管，L为储能滤波电感，C0为

35、输出滤波电容。绕组W3和VD3构成磁复位电路，反激时将磁化能量返回至电源。图2-2 单端正激型开关电源主回路3 、多端式变换器多端式变换器的主要回路最基本的有以下三种:推挽、半桥、全桥。（1）推挽电路如图2-3所示。变压器是具有中间抽头的变压器，原边绕组W11和W12匝数相等，均为N1 ；副边绕组W21和W22匝数也相等，均为N2 ，绕组间同名端如图2-3所示。开关VT1和VT2均采用PWM控制方式，且开关VT1和VT2交替导通。变压器右侧的整流电路采用由二极管VD1和VD2构成的全波整流电路，L2为输出滤波电感，C为输出滤波电容。推挽电路可看成是两个正激电路的组合，这两个正激电路的开关VT1

36、和VT2交替导通，故变压器磁芯是交变磁化的。推挽电路中，开关VT1和VT2交替导通，在原边绕组W11和W12两端分别形成幅值为Ui的交流电压。改变开关VT1和VT2的占空比，就可改变二次整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo 。开关VT1导通时，二极管VD1导通，开关VT2导通时，二极管VD2导通；当开关VT1和VT2都关断时，二极管VD1和VD2都导通，各分担电感电流的1/2。开关VT1或VT2导通时，输出滤波电感L的电流逐渐上升；开关VT1和VT2都关断时，电感L的电流逐渐下降。开关VT1或VT2关断时承受的峰值电压均为2Ui 。图2-3 推挽式开关电源主回路（2）半桥电路如图2-4

37、所示。变压器是具有中间抽头的变压器，原边绕组W1的匝数为N1 ；副边绕组W21和W22匝数相等，均为N2 ，绕组间同名端如图2-4所示。两个容量相等的电容C1和C2构成一个桥臂，由于电容C1和C2的容量大，故Uc1=Uc2=U2/2。开关VT1和VT2构成另一个桥臂，VT1和VT2均采用PWM控制方式，且开关VT1和VT2交替导通。变压器右侧的整流电路仍采用由二极管VD1和VD2构成的全波整流电路，L为输出滤波电感，C4为输出滤波电容。电容器C3用于隔直流成分，防止磁饱和的发生。在半桥型电路中，变压器原边绕组两端分别连接在开关VT1和VT2的连接点和电容C1和C2的连接点。电容C1和C2的电压

38、分别为Ui/2。开关VT1和VT2交替导通，使变压器原侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关VT1和VT2的占空比，就可改变二次整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo 。开关VT1和VT2关断时承受的峰值电压均为Ui ，是推挽电路的1/2。故半桥电路适用于在输入电压较高的场合。图2-4 半桥式开关电源主回路（3）全桥电路如图2-5所示。变压器原边绕组W1的匝数为N1 ，副边绕组W2匝数为N2 ，绕组间同名端如图所示。开关VT1 、VT2和开关VT3 、VT4分别构成一个桥臂，VT1 、VT2 、VT3 、VT4均采用PWM控制方式。互为对角的2个开关VT1 、VT4和VT2 、VT3同

39、时导通，同一桥臂上、下2个开关VT1 、VT2和VT3 、VT4交替导通。变压器右侧的整流电路采用，由二级管VD1 、VD2 、VD3 、VD4构成的全桥整流电路，L为输出电感，C2为输出滤波电容。串接在变压器一次绕组的电容器C1 ，和半桥电路的作用相同，用于隔直流成分，防止磁饱和发生。在全桥电路中，变压器原边绕组W1两端分别连接在开关VT1 、VT2和开关VT3 、VT4的连接点。由于互为对角的2个开关同时导通，而同一桥臂上、下2开关交替导通，输入电压将逆变成为幅值为Ui的交流电压，加在变压器原边。改变开关VT1 、VT4和VT2 、VT3的占空比，就可以改变二次整流电压Ud的平均值，也就改

40、变了输出电压Uo 。每个开关断态时承受的峰值电压均为Ui ，是推挽电路的1/2。故全桥电路也适应在输入电压较高的场合。图2-5 全桥式电路正激、反激式的占空比为： (2-1)全桥、半桥、推挽式的占空比为： (2-2)综上所述,各种不同的隔离DC/DC变换电路有着各自不同的特点，应用场合也各不相同，表2-1给出了它们的比较。表2-1 各种不同的隔离DC-DC变换器的比较6电路类型主要特点输入-输出电压关系S承受的最高电压应用领域正激优点：电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单缺点：变压器单向激磁，利用率低各种中、小功率开关电源反激优点：电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单缺点：难以

41、达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源全桥优点：变压器双向激磁，容易达到大功率缺点：结构复杂成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路大功率工业用开关电源、焊接电源、电解电源半桥优点：变压器双向激磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低缺点：有直通问题，可靠性低，需要隔离驱动电路各种工业用开关电源，计算机设备用电源等推挽优点：变压器双向激磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单缺点：有偏磁问题低输入电压的开关电源综合以上各电路特点，结合此次设计的技术要求，决定选用隔离式中的反激电路作为主电路拓扑。2.2 控制方式

42、开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。改变接通时间Ton和工作周期T的比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”TRC。按TRC控制原理，有三种方式:(1)脉宽调制方式，简称脉宽调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)式。其特点是固定开关频率，通过

43、改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电源不能做宽范围的调节；另外输出端一般要接假负载，以防止空载时输出高电压。目前，集成开关电源大多采用PWM方式。(2)脉冲频率调制方式，简称脉频调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为PFM)式。它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。其稳压原理是:当输出电压Uo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减

44、小，Uo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。(3)混合调制方式，是指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能改变的方式，它属于PWM和PFM的混合方式。由于Ton和T均可调节，因此占空比调节范围最宽，适合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源。综上所述各种控制方式有着不同的特点和应用场合，表2-2给出了它们的比较。表2-2 各种控制方式的比较控制方式PWM调制PFM调制混合调制特点重载时效率高电感电流波动较小输出纹波小对电感要求不高低负载时效率高电感电流波动较大输出纹波大对电感要求高结合了PWM和PFM调制的特点，可以在重载和轻载之间转换适应场合重载轻载较宽

45、范围采用现有的器件和电路技术，一般可使PWM开关电源工作在几十kHz至于百kHz的开关频率，电源装置在重量、效率、可靠性、价格和外形尺寸方面可认为是最佳的，适合于中、大功率的应用场合。而且，采用一般的PWM调制方式，对元器件的要求也不会太高，很适合于实现设备的高性价比。所以本次设计采用PWM调制方式。PWM变换器由功率开关管、整流二极管及滤波电容等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升（降）压。PWM变换器的工作原理如图2-6所示。由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。图2-6 PWM变换器的基本工作原理脉宽调制(PWM

46、)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，如图2-7所示，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率7。图2-7 PWM工作原理图2.3 电流型反激式开关电源的控制方法开关电源的控制方法主要有电压型和电流型两种，由于本设计采用电流型控制，因此主要介绍电流型控制方法。在介绍之前，先简单回顾电压型控制，以突出电流型控制的优点。2.3.1 电压型控制基本原理早期的PWM开关电源的控

47、制系统采用电压型控制。电压型控制的基本原理，如图2-8所示。它将对主输出电压的采样信号KVo作为反馈信号与给定参考电压Vref经误差放大器EA比较放大产生误差电压Vea，再经PWM比较器与锯齿波信号Vst进行比较，由驱动逻辑电路输出占空比随Vea可调的一系列脉冲信号，驱动控制开关功率管，从而达到稳定调节输出电压Vo的目的。由图2-8可知，在电压型控制中，只有输出电压一个状态变量作为反馈信号来实现闭环控制，属于单闭环控制系统。它最大的缺点是开关电源电路中的电流未参与控制、作为独立状态变量存在着，因此功率变换器有两个状态变量，是一个二阶系统。二阶系统是一个条件稳定系统，只有精心的设计控制电路，才能

48、保证闭环系统的稳定工作。众所周知，开关电源的电流都要流经电感，故使输出滤波电容上电压信号对相应的电流信号产生90的时间延迟。而对于开关稳压电源来说，稳压过程实质上是一个动态变化的过程，需要不断地调节输入电流以适应输入电压和负载变化的要求，进而达到稳定输出电压的目的。因此，电压型仅采用监控输出电压的方法稳压，其瞬态响应速度缓慢，稳定性能较差，甚至在大信号变动时会产生振荡，从而造成功率开关器件的损坏等严重故障。输出LC 滤波器对控制环增加了两个极点，为了使闭环系统稳定，需要增加一个零点补偿，使输入反馈网络复杂。另外，由于闭环回路开环增益随输入电压而变，使得整个闭环系统的稳定性补偿问题更加困难。图2

49、-8 电压型控制的基本原理图2.3.2 电流型控制的基本原理图2-9所示为电流型控制的工作原理图。它是一个双闭环控制系统，在电压外反馈控制环的基础上，增加一电流控制内反馈环节。不仅监控主输出电压信号，也监控原边电感电流(或输出电感电流)信号。因此电路中的电流不再以独立的状态变量存在，功率变换器由二阶条件稳定系统降为一阶无条件稳定系统。下面介绍其工作原理:电压外环将采样的主输出直流电压KVo通过误差放大器EA与给定的参考电压信号Vref相比较，得到放大了的误差电压信号Vea，然后送至PWM比较器倒相端直接与电流内环采样的原边电感电流(或输出电感电流)信号Vs，进行比较，由恒频时钟脉冲置位锁存器输

50、出脉冲信号，驱动控制功率开关管通断。当电源回路的电流增大，电流采样电阻上的电流信号电压幅值Vs达到误差门限电压Von时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器置位，驱动撤除，功率管关断。电路逐个检测和调节电流脉冲，使检测的峰值电流信号逐脉冲跟随输出误差电压信号的变化，从而实现稳定输出电压的目的。这种控制方式改善了整个电源的电压调整率和电流调整率，提高了反馈系统的抗干扰能力，改善整个系统的瞬态响应特性。图2-9 电流型控制的工作原理图综上所述，本设计采用电流型控制。 第3章 设计方案3.1 开关电源的基本原理开关电源是将交流输入(单相或三相)电压变成所需的直流电压的装置。基本的隔离式高频开关电源的原理框图

51、如图3-1所示，高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是:交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经过高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。通过取样、比较放大及控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的直流输出电压8。辅助电源PWM调制器误差比较放大器电压电流取样电路标准电压保护电路高频整流滤波输出高频变换器高频变压器整流滤波EMI滤波器交流输入 直流输出图3-1 开关电源基本原理设开关管的开关周期为T，在一个周期内导通的时间为To

52、n，则占空比定义为Ton/T。在脉冲宽度控制中，保持开关频率不变。通过改变Ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的。如图3-2所示，如果占空比D越大，则经滤波后的输出电压也就越高。图3-2 PWM占空比的控制高频开关电源由以下几个部分组成：(1)主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 整流滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。高频开关变换器(DCAC):它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、

53、重量与输出功率之比越小。输出整流滤波:将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。（2）控制电路:检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。（3）保护电路:在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。（4）辅助电源:为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。3.2 主电路拓扑的选择我们知道PWM开关变换器按工作方式可分为:1、单端反激变