课设反激式开关电源课设理工大学专用

1、太原理工大学课程设计任务书专业 班级电气1101学生 姓名卢刚课程 名称开关 电源设计 名称反激型开关电 源电路设计设计 周数2指导 教师许春 雨1、交流输入电压AC220Vl波动±50%;设计2、直流输出电压5V和12V;任务 主要 设计3、4、输出电流1.5A和100mA;输出纹波电压0.2V参数5、输入电压在土 50%范围之间变化时，输出电压误差0 0.03V1、开关电源主电路的设计和参数选择设计 内容 设计2、3、IGBT电流、电压额定的选择 开关电源驱动电路的设计要求4、开关变压器设计5、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图6、电路仿真分析和仿真结果主要1.杨旭等开关电源

2、技术机械工业出版社 2004.3参 资料2 张占松蔡宣三 开关电源的原理与设计电子工业出版社1998学生提交 归档课程设计说明书一份文件注：可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变指导教师签名：日期:摘要电力电子技术的发展和小型电子设备的广泛应用，使得小功率电源的需求逐渐增加，反激式开关电源因其结构和成本方面的优势在小功率电源领域有着不可替代的作用，是小功率供电电源的首选。本设计是储能逆变项目的一个小部分，目的是设计一个输出总功率达到 14.5W 的多路输出反激式开关电源。本论文从反激式开关电源的原理、整体结构设计、关键电路设计及电路仿真等方面进行了介绍。在反激式开关电源的原理方面，介绍了几

3、种基本电路和拓扑结构的选择；在整体结构设计方面，主要分析了开关电源的组成电路；在关键电路设计方面，进行了输入电路、变压器、控制电路和RCD吸收回路的设计；在电路仿真方面，搭建了仿真电路图、分析了仿真结果。通过具体设计及仿真软件的验证，证明了设计的正确性，为后期的实际工程设计提供的指导意义。关键词：反激式开关电源； PWM 电压反馈；变压器目录课程设计任务书摘要第1章 反激式开关电源的工作原理第2章 变压器的计算与选择第3章 电力电子器件的选择第4章 基于ORCDA10.5勺电路仿真与结果第5章 总结附录 反激式开关电源的原理图参考文献第 1 章 反激式开关电源的工作原理1.1 主电路工作原理输

4、入一EMI滤波一整流（也就一般的AC/DCfe似全桥整流模块）1.1.1 C奠块（全桥式DC-AC一高频变压器一高频滤波器一DC）1.1.2 统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。 直流/直流转换电路，是整个 开关稳压电源的核心部分。1.1.3 反激型电路工作原理反激型电路存在电流连续和电流断续两种工作模式，值得注 意的是，反激型电路工作于电流连续模式时，其变压器磁芯的利 用率会显著

5、下降，因此实际使用中，通常避免该电路工作于电流 连续模式。具电路原理图如图1.1:工作过程：当S导通时，电源电流流过变压器原边，i1增加， 其变化di"dt Us/W1 ,而副边由于二极管 VD的作用，i2为0, 变压器磁心磁感应强度增加，变压器储能；当S关断时，原边电流迅速降为0,副边电流i2在反激作用下迅速增大到最大值，然 后开始线性减小，具变化为di2/dt U0/W2,此时原边由于开关管的关断，电流为0,变压器磁心磁感应强度减小，变压器放能1.1.4 EMI滤波电路工作原理开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点而迅速发展起来。但是，由于开关电源工作过程中的高 频率、d

6、i/ dt 和高du/ dt 使得电磁干扰问题非常突出，如何减小产品的EMI ,成为大家关心的重要问题。开关电源工作时，电磁干扰可分为两大类： 共模干 扰是载流体与大地之间的干扰，干扰大 小和方向一致，存在于电源任何一相对大地、或中线对大地问， 主要是 由du/ dt 产生的，di/ dt 也产生一定的共模干扰。差 模 干扰是载流体之间的干扰，干扰大小相等，方向相反， 其存 在于电源相线与中线及相线与相线之间。本设计用到的电路如图1.2所示：CbCa 二二 Cb图1.2 EMI滤波电路1.1.5 整流电路工作原理在整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路，本电路常用于 小功率的单相交流输入的场合。

7、目前大量普及的微机、电视机等 家电产品中所采用的开关电源中，具整流电路就是如图1.3所示的单相不可控整流电路：VD1VD3图1.3电容滤波的单相不可控整流电路1.1.6 缓冲电路工作原理缓冲电路又称为吸收电路。具作用是抑制电力电子器件的内 因过电压、du/dt或者过电流和di/dt ,减小器件的开关损耗。1在 电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受 的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作 于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开 通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很 大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大

8、， 如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。开关 损耗会导致器件的发热甚至损坏，对于功率晶体管（GTR）还可能导致器件的二次击穿。实际电力电子电路中，还常由于二极管、 品闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流，由于 感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的 感应电压。采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件。缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率，利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。图示以GTO为例的一种简单的缓冲电路。其中 L与 GTO串联,以抑制GTO导通时的电流上升率dI/dt,电容C和二极管 D组成关

9、断吸收电路，抑制当GTO关断时端电压的上升率dV/dt, 其中电阻R为电容C提供了放电通路。缓冲电路有多种形式，以 适用于不同的器件和不同的电路1.2 控制电路工作原理本设计采用UC3842芯片控制开关器件的开通与关断。UC384纯美国Unitrod公司生产的采用峰值电流模式控制的 集成PWMI制器，专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控 制电路。UC3842 为双列8 脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路， 其内部电路包括振荡器、 误差放大器、 电流取样比较器、 PWM 锁存电路、5VC基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等，如图 1.4 所示 :图1.4 UC3842的内部

10、结构(1) 5 V 基准电源：内部电源，经衰减得到 2.5 V 作为 误 差比较器的比较基准。该电源还可以提供外部 5V/50 mA。(2)振荡器：产生方波振荡。T接在、REI®脚之间，R VCT接、GN之间。频率f=1.8/(CTRT), 最大为500 kHz。(3)误差放大器：由VFB端输入的反馈电压和2.5 V 做比 较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。COM朗引出接外部RC 网络，以改变增益和频率特性。(4)输出电路：图腾柱输出结构，电路 1A,驱动MOS管及 双极型晶体管。(5)电流取样比较器：脚ISENSE用于检测开关管电流， 可以用电阻或电流互感器采样， VISENS

11、E>1 V时，当关闭输出 脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保 护电路。开通阈 值16 V ,关闭阈值10 V ,(6)欠压锁定电路VVLQ具有滞回特性。(7) PWM锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个 脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。另外，VCC与GN比间的稳压管 用于保护，防止器件损坏。(8)图腾柱输出电路(Totem Pole):上晶体管导通下晶体 管截止，输出高电平；下晶体管导通上晶体管截止，输出低电平; 上下两晶体管均截止，则输出为高阻态。1.3 反馈电路工作原理电压反馈电路图1.5电压反馈电路原理图电压反馈电路如图1.5所示。输出电压通过集成稳压器 TL431 和光电

12、耦合器反馈到UC3842的脚，调节R1、R的分压比可设 定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压U升高，o则集成稳压器TL431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输 出的三极管电流增大，即UC3842脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压Uo减小。同样，如果输出电压U减小，则可通过反馈调节使之升第2章 变压器的计算与选择2.1 电源设计指标：输入电压：AC220 V （有效值）；输入电压变动范围：110V330 V;输入频率：40kHz;输出电压：5 V 12V ;输出电流：1.5A0.1A输出的纹波电压为 0.2V输出电压在 30%勺变化范围时，输出地电压误差

13、为0.32.2 变压器参数的计算反激式变压器是反激开关电源的核心，它决定了反激变换器一系列的重要数。设计变压器已知参数：输入电压为交流220V（有效值），电压波动范围是110V330 V。经过整流电路后输出电压为：Uo2U2 220 311V两路输出电压和电流：Uo15V , Io1 1.5A; Uo212VIo2100mA反馈电压和电流二Uf20V, If50mA输出功率 Po 5 1.512 0. 1 20 0.059.7 W 、 R 9 7如效率按90%计算则输入公率P 10.78W0.9开关频率fs40kHz首先应根据以下公式计算变压器的电压比:k Usmax Ui maxT Uo(2

14、-3)式中，U smax是开关工作时允许承受的最高电压， 该电压值应低于 所选开关器件的耐压值并留有一定裕量，Uimax是输入直流电压最 大值，kT是变压器电压比。根据设计要求可知交流输入电压值是 220V,通过整流滤波 输出 的直流电压值为311V。由于有波动，输入的波动是± 50%, 所以U i max 311 (1 0.5) 467V U s max 取 2 倍的 U i max 故 U smax取 934V由于有两路输出和一路反馈，所以变压器变比如下:kTlUs maxUO1Ui max934 46793. 4kT2U s max U i maxUo2934 467“ 八38

15、.912kT3U s max U i maxU03934 467”，23.420式中：Uo15V的输出,Uo2 12V的输出，U o3 20 V的反馈kT1 一原边与输出5V的匝数比。kT2一原边与输出12V的匝数比。kT3一原边与反馈20V的匝数比。当输出电流最大、输入直流电压为最小值时开关的占空比达到最大，假设这时反激型电路刚好处于电流连续的临界工作模式,则根据下式可以计算出电路工作时的最大占空比Dmax为:D maxkTUo%UoU i min934 467934 467 2202 0.50.75取实际占空比为D 0.45,计算kT的值,如下:45 4(品)311()5 0.6kT131

16、1()12 0.620.2kT1Ui(i-)U o1 0.6311)20 0.612.4一次侧峰值电流：IPK每一工作周期能量乘上工作频率？为输出的功率PoPoL p I ave2(2-2)设为不连续工作模式，在匕时间内电流为0至Ip,则1 Pt on(2-3)因为tonD maxTs所以VsI PD maxTs(2-4)式(3-2)与(3-3)之比为PVsL2 DP1 ave max2LPI设计中可取Iave2POVsDmax(2-5)带入数值得:2PoVSDmax29.7 0.276 A1560. 45计算一次侧电感值:imax0.45 1566.36mHfsI p40 103 0.276

17、s p选择所需铁芯时，使用AeAw法：4Li Ip 10Ap AeAw Bmaxkcdc(2-6)式中Aw磁芯窗口面积，单位为cm2Ae磁芯截面积，单位为cm2Bmax一磁芯工作磁感应强度，取 Bmax =0.2Tkc窗口有效使用系数，根据安全规定的要求和输出路数决 定，一般为0.20.4,此处取0.3。dc 电流密度，一般为400cm2 则求得的AeAw的值为:A AA (I p2104、ii4/ 6.361 0-30 . 27621 04、 八 ).()0.161BmaXkcdc0.20.3400max c ccm2选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯， 这样磁芯的窗口有效使

18、用系数较高，同时可以减小漏感，即确定 选用TDK公司的EER-25®号。EER-250勺磁芯具具体数据为：型号A (mm)A (mrm)Le (mrmEER-2544.8mn2rc ，279.4mm48.2mm-H-心的磁EER-2522AAA 44.879.40.356cm0.161cm 符合要求 按如下公式计算原边匝数,I pI p NBA0.2766.36103丁 1960.244.810 4即取N1196匝。再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。若求出的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。根据上述所求得的kT3求二次侧匝数,N1196kT145.

19、4N1196kT220. 2N1196kT312. 44.39.715.8No1No3No2kT1kT2N输出为5V的二次侧匝数，取5No2一输出为12V的二次侧匝数，取10No3反馈为20V的二次侧匝数，取16为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙, 计算如下:2.4线径的计算绕线的选择由设计方案可知在变压器上有三部分绕组，输入绕组电流 % 0.216A,由dc=3.95A/mm2可得绕线的截面积为s de 鲁 0.0537mm2 c第一路输出绕组电流I o1 1.5A ,第二路输出绕组电流1。2 0.2A,第三路反馈绕组电流103 0.05A OaJI 1.5oSo1 01 一

20、 0.3797 mm2 dc 3.95 cSLo2_02_ 0.0506mm2dc 3.95 cI 030.052So3 - 0.0127mmdc 3.95考虑各方面影响因素，变压器绕制工艺如下，采用“三明治”式 绕法，即初级绕组先绕一半，再绕次级绕组，绕后再将初级绕组 剩余的匝数绕完，最后将次级绕组包裹在里面，这样漏感最小。 该方法是通过变压器绕制工艺设计，控制变压器的漏感，进而减 小MOSFET漏源极电压尖峰。其次，反激变压器采用次级绕组反向绕制，有如下好处:1 .操作工艺相对简单2 .同向绕制必须要加套管，而反向则不必3 .同向进出会交叉，反向就不会第 3 章 电力电子器件选型3.1 开

21、关器件 MOSFET开关电源中，电力电子器件是最为关键的元器件，电力电子器件一般都工作在开关状态，以降低损耗，提高电源效率。其中开关管的选择尤为重要，选择的功率开关管是否符合，直接影响电源的性能。在选择开关管时，要考虑的因素包括漏源击穿电压，漏源通态电阻等。电压最高波动为50%，最高工作电压为U (150%) 311467V取最高工作电压的两倍为U 467 2934V为保证电路工作的可靠性留有一定的余量，因而取MOSFET勺耐压为U 1. 5 9341401V取日立公司生产的耐压 1500V 的 MOSFET3.2 整流电路二极管由设计要求可知AC输入值是220V通过整流滤波输出311V的直流

22、电压。电压波动50%，最高输出电压为467考虑 10蜂量取 U 467 (110%)513.7V所以选取二极管型号为IN4005,其最高反向峰值电压为600V3.3 变压器5V 1.5A输出侧电路如下图：L1图3.1输出滤波电路(1)计算输出滤波电容：由课设的要求输出纹波电压<0.2V,即输出纹波电压的峰峰值为0.2V,可根据输出误差估算出：I out max Io (10.03)1. 51.031. 54A- I out (max) Tf1. 54A0. 011msLMp0.2VC4 84. 7 F为了更好的保证输出地波形使纹波减小到最小，保证供电质量，由图3.1可知采用的是双滤波环节

23、，计算二次滤波电容：I out ( max)offC4Vpp1. 54A 0. 011ms 84. 7 F0. 2V即选择一个和C4 一样的电容。根据查询得知选择电解电容,选择KEMET公司生产的电容型号 T510X337MO10AS 330(2)计算输出滤波电感L1参考导磁率与直流偏置曲线。在可能的直流偏置下所选的磁导率不能过低。这里选择磁场强度为400E时，相对磁导率大于60的磁芯：Hl400E 15cm0.4 I。0. 4 3. 141. 5A31.8取整贝U N=32匝(3)选择二极管V输出整流二极管耐压为Vr 2Vout 2 5V 10VI out 1.5A故选取IN4001型二极管

24、同理由以上计算第二路输出12V, 100mA的电容电感值及二极管C4-out (max:) ToffvPP0.103 A 0. 011ms 5.66 F0. 2VHl N0.4 Io400E 15cm 477.7 0. 4 3. 140.1 A取整则n=478输出整流二极管耐压为VR2VOut1.222.4V选取MBR2035CT MOT 型二极管3.4 UC3842外围器件振荡器的振荡频率由外接的电阻 RT和电容Ct决定，而外接电容同时还决定死区时间长短。死区时间、开关频率同选取开关频率Rt和电容Ct的关系如下所示:tD300Ctfs1.75CtRt死区时间tD 13.75 s,开关频率fs

25、40kHz,求得：G 45.8nF R 955因而电容去标称值G 47nF,此时电阻应该为R 9313.5 EMI滤波电路需要L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。需要指出， 当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。Ca 采用薄膜电容器，容量范围大致是 0.01 pF0.47 pF,主要用来 滤除差模干扰。Cb跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效 地抑制共模干扰。Cb亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范 围是2200pF0.1 pF。为减小漏电流，电容量不得超过0.1 pF, 并且电容器中点应与大地接通。C1

26、C4的耐压值均为630VDC或 250VAC因此，最后选取个元件参数如下：差模干扰抑制电容Ca选取Ca 0.1 F共模干扰抑制电感T=20mH共模干扰抑制电容Cb 0.1 F3.6 反馈电路本设计基准电压用的是德州公司的TL431,其管脚极外形见图所示，参数如下:a.最大输入电压为37V招被触阳极b.最大工作电流150mAc.内基准电压为2.5Vd.输出电压范围为2.530V满足电路要求R1、R2都取1.5k Q,在TL431的K极的到一个2.5的基 准电压，输出电压变化时，加在光耦合器上的电压发生变化，反馈到UC3842的电压也发生变化，通过调节占空比便可 调节输出的变化。2.光耦合电流放大

27、系数传输比（CTR:通常用直流电流传输比来表示。 当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比，有公式：CTR=IC/IF X100%在此选用摩托罗拉系列光耦合器 4N25,A ,其CTR=2阴,直流输入电流IF=10mA,于是：c 20 2.5 0.7 cR3 - 168010 10 3第4章 基于ORCAD10.5的电路仿真及结果4.1 EMI的仿真电路及波形K K5K_LinearCOUPLING = 1图4.1基于ORCAD EM仿真电路图4.2基于ORCAD仿真无EMI滤波电路波b 日-TR4I，Vid- fcj图4.3基于ORCA而真有EMI滤波电路波形4

28、.2 整流电路的仿真及波形D22D1N4007V2Y3VOFF = 0VAMPL = 311D19 FREQ = 50HZ N4007V工 二 D20D1N4007D21 D1N4007R1C51k800u=0图4. 4基于ORCAD©真整流电路原理图图4.5基于ORCADB真整流电路波形EMI滤波整流电路原理图VOFF = 0VAMPL = 311FREQ = 50HZK K5K_LinearCOUPLING = 1L1C11220mH0.1uFL21 . -2C20.1uFC30.1uF0.1uFTJ D19 左 D1N4007D22 N400720mH图4.6基于ORCAD&#

29、169;真原理图K_LinearCOUPLING = -0.9999922PW = 9uS1PER = 20u+Sbrea图4.7基于ORCADffi真波形4.3 反激式开关电源的仿真及波形K K1V2 V1 = 0311Vdc .T V2 = 5TD = 0TR = 1nTF = 1n图4.8基于ORCAD仿真反激式开关电源 5V 12V输出原理图4.9基于ORCAD仿真5V （上）12V （下）侧输出电压波形副边输出侧输出纹波和电压误差分析图4.10基于ORCAD仿真5V （上）12V （下）侧输出电压放大图有图可观测到如下参数:5V输出侧纹波：5.0292-4.9681=0.0611 V

30、 <0.02 V ,满足纹波要求。平均电压：(5.0292+4.9681)/2=4.99865 ,而电压误差为 5 -4.99865=0.00135 V,满足电压误差要求。4.4 UC3842的仿真及波形COMP PGVFB OUT PUT ISENSE VCC RTCT VREFM 614 R77P1 o cC160.01uF20vdeUC38422 k 5R118R1住图4.11基于ORCAD仿真UC3842原理图4.5反馈电路的仿真及波形311Vde_LV1S1SbreaireakK K1 K_LinearCOUPLING = -11D4R11kD3DbreakTABLEIn-0.

31、05v 勺物Out0v0v_5v5vL3 1220u一Dbreak-0C0uHJV30PW = 0.0001uPER = 20uV1 = 50 V2 = -50 TD = 0 TR = 10u TF = 10uC2 200uw0R5图4.13基于ORCAD仿真反馈电路原理图4.14基于ORCAD仿真波形第 5 章 总结为期两周的课程设计悄然结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。两个星期前我们三个人还在为如何使用软件而发愁, 最后还是在许老师的耐心分析和指导下完成了软件的学习,但是随之而来的问题却远比我们想想的要困难的多，没想到这项看起来不需要多少技术的工作却是非常需要耐心和精力在两个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义。它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 ,更重要的是同学间的团结。 作为一名电气专业的大三学生 , 我觉得做电力电子课程设计是十分有意义的 , 而且 是十分必要的 .在已度过的大学时间里,我们大多数接触的是专业课.我们在课堂上掌握的 仅仅是专业