本科生毕业论文-开关电源系统设计与实现研究

1、咔嚓大学本科生毕业论文开关电源系统设计与实现研究 Switching Power Supply System Design And Implementation Of Research学生姓名叶赛赛所在专业电子信息工程所在班级电子1092班申请学位工学学士指导教师王继鸡职称副教授副指导教师职称答辩时间2013年 6 月 1日目 录 TOC o h z HYPERLINK l _Toc357378088 摘 要 PAGEREF _Toc357378088 h I HYPERLINK l _Toc357378089 ABSTRACT PAGEREF _Toc357378089 h II HYPER

2、LINK l _Toc357378090 第1章 前言 PAGEREF _Toc357378090 h 1 HYPERLINK l _Toc357378091 1.1 课题背景及研究意义 PAGEREF _Toc357378091 h 1 HYPERLINK l _Toc357378092 1.2 课题研究的主要内容和目标 PAGEREF _Toc357378092 h 1 HYPERLINK l _Toc357378093 1.3 国内外发展状况、发展水平与存在问题 PAGEREF _Toc357378093 h 2 HYPERLINK l _Toc357378094 1.4 本章小结 PA

3、GEREF _Toc357378094 h 3 HYPERLINK l _Toc357378095 第2章 系统方案论证及工作原理 PAGEREF _Toc357378095 h 4 HYPERLINK l _Toc357378096 2.1 设计方案论证 PAGEREF _Toc357378096 h 4 HYPERLINK l _Toc357378097 开关电源系统设计方案 PAGEREF _Toc357378097 h 4 HYPERLINK l _Toc357378098 2.1.2 开关电源系统设计方案论证 PAGEREF _Toc357378098 h 4 HYPERLINK l

4、 _Toc357378099 反激式变换器工作原理 PAGEREF _Toc357378099 h 4 HYPERLINK l _Toc357378100 系统结构框图 PAGEREF _Toc357378100 h 5 HYPERLINK l _Toc357378101 2.4 系统工作原理 PAGEREF _Toc357378101 h 6 HYPERLINK l _Toc357378102 本章小结 PAGEREF _Toc357378102 h 6 HYPERLINK l _Toc357378103 第3章 系统部件介绍 PAGEREF _Toc357378103 h 7 HYPERL

5、INK l _Toc357378104 开关器件的特征 PAGEREF _Toc357378104 h 7 HYPERLINK l _Toc357378105 电力二极管 PAGEREF _Toc357378105 h 7 HYPERLINK l _Toc357378106 绝缘栅双极性晶体管（IGBT） PAGEREF _Toc357378106 h 8 HYPERLINK l _Toc357378107 器件TL431 PAGEREF _Toc357378107 h 9 HYPERLINK l _Toc357378108 光耦器件PC817 PAGEREF _Toc357378108 h

6、10 HYPERLINK l _Toc357378109 3.6 UC3842简介 PAGEREF _Toc357378109 h 10 HYPERLINK l _Toc357378110 3.6.1 UC3842的引脚及其功能 PAGEREF _Toc357378110 h 11 HYPERLINK l _Toc357378111 3.6.2 UC3842的内部结构 PAGEREF _Toc357378111 h 12 HYPERLINK l _Toc357378112 3.6.3 UC3842的使用特点 PAGEREF _Toc357378112 h 13 HYPERLINK l _Toc

7、357378113 本章小结 PAGEREF _Toc357378113 h 14 HYPERLINK l _Toc357378114 第4章 系统硬件设计 PAGEREF _Toc357378114 h 15 HYPERLINK l _Toc357378115 4.1 反激式高频变压器设计 PAGEREF _Toc357378115 h 15 HYPERLINK l _Toc357378116 输入过电压保护设计 PAGEREF _Toc357378116 h 18 HYPERLINK l _Toc357378117 输入电磁干扰滤波设计 PAGEREF _Toc357378117 h 19

8、 HYPERLINK l _Toc357378118 输入整流滤波设计 PAGEREF _Toc357378118 h 19 HYPERLINK l _Toc357378119 4.5 输出整流滤波 PAGEREF _Toc357378119 h 20 HYPERLINK l _Toc357378120 4.6 输出电压反馈设计 PAGEREF _Toc357378120 h 21 HYPERLINK l _Toc357378121 脉冲调制设计和过电流保护 PAGEREF _Toc357378121 h 22 HYPERLINK l _Toc357378122 反激式变换器RCD缓冲器设计

9、PAGEREF _Toc357378122 h 23 HYPERLINK l _Toc357378123 本章小结 PAGEREF _Toc357378123 h 23 HYPERLINK l _Toc357378124 第5章 电路的安装与调试 PAGEREF _Toc357378124 h 24 HYPERLINK l _Toc357378125 5.1 制作电路 PAGEREF _Toc357378125 h 24 HYPERLINK l _Toc357378126 电路的工作过程 PAGEREF _Toc357378126 h 24 HYPERLINK l _Toc357378127

10、调试电路 PAGEREF _Toc357378127 h 25 HYPERLINK l _Toc357378128 5.4 本章小结 PAGEREF _Toc357378128 h 25 HYPERLINK l _Toc357378129 第6章 智能化开关电源的研究 PAGEREF _Toc357378129 h 26 HYPERLINK l _Toc357378130 6.1 智能化开关电源的发展 PAGEREF _Toc357378130 h 26 HYPERLINK l _Toc357378131 6.2 设计原理 PAGEREF _Toc357378131 h 26 HYPERLIN

11、K l _Toc357378132 本章小结 PAGEREF _Toc357378132 h 27 HYPERLINK l _Toc357378133 结 论 PAGEREF _Toc357378133 h 28 HYPERLINK l _Toc357378134 鸣 谢 PAGEREF _Toc357378134 h 29 HYPERLINK l _Toc357378135 参考文献 PAGEREF _Toc357378135 h 30 HYPERLINK l _Toc357378136 附 录 PAGEREF _Toc357378136 h 31 HYPERLINK l _Toc35737

12、8137 附录1 电路系统原理图 PAGEREF _Toc357378137 h 31摘 要开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。现在，开关电源代表了稳压电源的发展方向，已成为稳压电源的主流产品。开关电源的设计要从主电路开始，功率变换电路是开关电源的核心，起到了至关重要的作用。本设计研究的主要重点在于设计高频变压器，以反激式变换器为核心，用芯片UC3842进行脉宽调制，产生五路直流电源输出。本设计部分详细给出了整个开关电源的设计过程，主要设计包括反激式变压器的设计、电磁干扰滤波设计、输入输出整流滤波设计、脉宽调制控制电路设计

13、、输出电压反馈设计。关键词：反激式；高频变压器；UC3842ABSTRACTSwitch power supply is a new type of power supply equipment, compared with the traditional linear power supply, its high technical content, low energy consumption, easy to use, and achieved good economic benefits. Now, represents the development direction of reg

14、ulated power supply, switch power supply has become the mainstream of regulated power supply products. Design should begin from main circuit of switch power supply, power conversion circuit is the core of switching power supply, has played a vital role. The main focus of this design study is to desi

15、gn high frequency transformer, the flyback converter with as the core, using the PWM chip UC3842, produce five road dc power output.This design gives the whole design process of switch power supply in detail, the main design including the design of the flyback transformer, emi filter design, the inp

16、ut and output rectifier filter design, PWM control circuit design, the output voltage feedback design.Keywords: Flyback Type; High-frequency Transform; UC3842开关电源系统设计与实现研究电子信息工程，200811611232，叶赛赛指导教师：王继鸡第1章 前言1.1 课题背景及研究意义 21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、

17、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变的更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。与线性电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大优势。因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源已经全面取代了线性电源。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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资源及保护环境方面都具有深远的意义。1.2 课题研究的主要内容和目标本研究是以反激式变换器作为开关电源拓扑结构，采用脉冲宽度调

18、制（Pulse Width Modulation）控制功率晶体管或功率管的导通与关断时间来实现电压变换,实现电源转换效率高达80%以上。关键的部件如下：（1）高频变压器设计：高频变压器具有能量传输、电压变换和电气隔离三项功能，是开关电源的核心部件，其设计计算也最为复杂。（2）脉冲宽度调制：通过UC3842芯片，产生脉冲控制功率管的导通与关断时间，能有效防止高频变压器的磁饱和，提高了开关电源的可靠性。（3）输出电压反馈电路：通过TL431、PC817C芯片构成电压反馈电路，稳定输出。（4）电磁干扰（EMI）滤波电路：通过共模电感、电容构成滤波电路，抑制输入电源的电磁噪声及杂波信号，防止对电源干扰

19、，同时防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。（5）整流滤波电路：包括工频（50HZ）整流滤波电路和高频整流滤波。1.3 国内外发展状况、发展水平与存在问题自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon Genera

20、l公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广

21、泛应用1。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/

22、DC产品所代替。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在

23、电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。 目前市场上?ClassID=10910开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。一、小型化、薄型化、轻量化、高频化HYPERLINK :/www elc /ProductShop/ShowCla

24、ss.asp?ClassID=10910开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。二、高可靠性Class.asp?ClassID=10910开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题

25、，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。三、低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。四、采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。HYPERLINK :/www elc /ProductShop/ShowClass.asp?ClassID=10910开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性

26、元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。1.4 本章小结 本章介绍了课题的来源、研究的意义和内容，以及应达到的技术要求和目标，同时还简述了本课题在国内外的发展概况及存在的问题，并

27、拟定本设计应着重解决的主要问题。第2章 系统方案论证及工作原理2.1 设计方案论证开关电源系统设计方案方案一： 采用反激式变换器作为电源拓扑结构,通过集成化芯片UC3842产生脉冲控制功率开关管的导通和关断时间,同时利用芯片TL431和光耦器件PC817C构成反馈电路,稳定输出。方案二：采用反激式变换器作为电源拓扑结构,通过集成化芯片UC3842产生脉冲控制功率开关管的导通和关断时间,同时辅助电源输出电压分压作为芯片UC3842的反馈电压，构成反馈电路，稳定输出。方案三：采用半桥式变换器作为电源拓扑结构，通过集成化芯片TL494产生双路脉冲控制功率开关管的导通和关断时间，同时利用芯片TL431

28、和光耦器件PC817C构成反馈电路，稳定输出。 开关电源系统设计方案论证方案一：采用反激式变换器作为电源拓扑结构，电路简单，所用元件器件少，适合于多路输出电压的场合使用，但输出功率不大；芯片UC3842外围电路简单，是驱动功率MOSFET的理想器件；用芯片TL431和线性光耦器件PC817C构成反馈电路，电源输出电压稳定，带负载能力强。方案二：采用反激式变换器作为电源拓扑结构，电路简单，所用元件器件少，适合于多路输出电压的场合使用，但输出功率不大；芯片UC3842外围电路简单，是驱动功率MOSFET的理想器件；利用辅助电源输出电压分压构成反馈电路，采样电路简单，容易布线，但当电源负载变化较大时

29、，基本上不能实现稳压，该电路适用于针对某种固定负载输出。方案三:采用半桥式变换器作为电源拓扑结构，输出功率大，但功率开关管需要互相隔离，驱动脉冲要采用高频变压器耦合，驱动电路复杂；芯片TL494是一种性能优良的脉宽调制器件，具有两路输出，适合应用在半桥开关电源中。综上分析，本设计采用第一种方案，做成具有实际应用价值的开关电源，电路简单易行，节约成本。 反激式DC/DC变换器的简化电路如图2-1所示，脉宽调制信号控制功率开关管VT的导通与截止。当功率开关管导通时，输入电压加在一次绕组LP上，一次电流逐渐增大，并在一次绕组中储存能量。此时由电容C对负责放电，负载电流为Io；当功率开关管截止时，二次

30、绕组产生电流Is,Is经过整流二极管VD向输出电容C和负载RL供电。通过控制功率管的导通和关断时间，可使输出电压Uo维持恒定。在反激式DC/DC变换器中，高频变压器一次绕组的同名端与二次绕组的同名端位置相反。高频变压器就相当于一个储能电感，在每个开关周期内不断地储存能量和释放能量。【1】 图2-1 反激式DC/DC变换器的简化电路2.3系统结构框图开关电源电路主要由输入电磁干扰滤波器电路、输入整流/滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流/滤波电路和输出电压反馈电路组成。图2-.2所示是其电路系统结构框图。 图2-2电路系统结构框图2.4 系统工作原理本系统是采用反激式变换器作为开关

31、电源的拓扑结构，通过芯片UC3842进行脉宽调制，控制功率开关管的导通和关断时间，从而降低功率管的损耗，产生五路直流电源输出，使输出带负载能力强，支持大电流的器件工作。输入的交流电源首先经过熔丝管、由电容和共模电感构成的电磁干扰滤波电路，再通过整流桥和滤波电容电路产生直流电压UI，接高频变压器的一次绕组一端；通过UC3842产生固定频率的脉宽，控制功率开关管的导通和关断时间，功率开关管的栅极接UC3842的输出引脚，功率开关管的漏极接高频变压器的一次绕组的另一端，从而控制高频变压器的工作时间。高频变压器的二次绕组电压经过整流二极管、电容和电感整流滤波，获得输出电压Uo。由于输出电压不稳定，需要

32、加反馈电路稳定输出电压。通过方案探讨，本研究采用tl431和线性光耦器件pc817构成反馈电路，能有效的稳定输出。【2】2.5本章小结本章主要介绍了开关电源的设计方案，并给出了开关电源系统的结构总框图和介绍了开关电源系统的工作原理。第3章 系统部件介绍开关器件的特征 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：(1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近

33、于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。(4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。(5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通

34、损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。3.2电力二极管电力二极管（Power Diode)自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器，并已开始逐步取代汞弧整流器。虽不是可控器件，但其结构原理简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备中。电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。（1）普通二极管(General Purpose Diode)普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高(1 kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5

35、 s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。【3】（2）快恢复二极管(FRD)快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多在400 V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为

36、数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，有的甚至达到2030 ns。（3）肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SBD)，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反向恢复时间很短(1040 ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。3.3绝

37、缘栅双极性晶体管（IGBT）MOSFET具有开关速度快，为电压控制的优点，缺点是导通电压降稍大，电流、电压容量不大；双极型晶体管却与MOSFET管的优点、缺点互易，因而产生了使它们复合的思想。IGBT控制时有MOSFET的特点，导通时有双极型晶体管特点，这种复合管称为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。IGBT是MOS结构的双极型器件，是具有功率MOSFET管的高速性能和双极型器件的低导通电阻性能的功率器件，具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点，IGBT正逐步取代大功率晶体管和一些MOSFET管的应用领域。IGBT的应用范围一般都在耐压为600V以上、

38、电流为10V以上、工作频率为1kHz以上的应用领域。IGBT集合了场效应管输入阻抗高、双极性结型晶体管饱和电压降低的优点。由IGBT的结构机理决定了其关断时会发生的电流“拖动”现象，因而IGBT的开关工作频率与功率晶体管（GRT)相当。【4】图3-1 IGBT的图形符号 器件TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价格低，因此广泛

39、应用在各种电源电路中。TL431特点：（1）最大输出电压为37V； （2）电压参考误差： ，典型值25（TL431B）；（3）低动态输出阻抗，典型0.22 ； （4）负载电流能力1.0mA -100mA； （5）等效全范围温度系数50 ppm/典型； （6）HYPERLINK file:/C:/Documents%20and%20Settings/index.html温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压；（8）输出电压范围为；内基准电压为； (9) 最大工作电流150mA； 图3-2 TL431的外观和管脚TL431的具体功能可以用图3-3的功能模块示意。由图可看到，VI是一

40、个内部的的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压非常接近VI（）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化通过三极管的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。 图3-3 模块图3.5光耦器件PC817光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。 PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。 当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器

41、接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同,PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。主要应用范围：开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其它家用电器等产品。图3-4 PC817的外观和内部结构3.6 UC3842简介继MC1394、AN5900之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动集

42、成电路。其特点是除内部PWM系统外，还设有多路保护输入和稳定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。典型的UC3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前广泛被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。HYPERLINK :/ ic37 /UC3842-p.htmUC3842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器芯片。HYPERLINK :/ ic37 /UC3842-p.htmUC3842为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图3-6所示。主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、P

43、WM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率HYPERLINK :/ ic37 /MOSFET-p.htmMOSFET的大电流推挽输出电路等构成。端1为COMP端；端2为反馈端；端3为电流测定端；端4接Rt、Ct确定锯齿波频率；端5接地；端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；端7为集成块工作电源电压端，可以工作在840V；端8为内部供外用的基准电压5V，带载能力50mA。3.6.1 UC3842的引脚及其功能图35 UC3842的引脚如图35：1脚为内部误差放大器输出端，外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性;2脚为误差放大器的取样电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基

44、准电压进行比较，产生误差电压，而控制脉冲宽度；3脚为PWM比较器的另一输入端，当检测电压超过lV时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态；4脚为定时电容CT端，内部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8(RTCT);5脚为接地端。6脚为推挽输出端 ，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为lA；7脚为启动/工作电压输入端脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW。8脚为内部5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。3.6.2 UC3842的内部结构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、

45、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，见图3-6。图3-6 UC3842的内部结构 8脚之间,CT接4GND5之间. 频率f=1.8/CTRT,最大为500kHz.误差放大器：由VFB端输入的反馈电压和2.5V做比较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。Comp端引出接外部RC网络,以改变增益和频率特性.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。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，当VISENSE1V时，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。欠压锁定电路VVLO：开通阈值16V，

46、关闭阈值10V。具有滞回特性。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GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。图腾柱输出电路(Totem Pole)：由于此结构画出的电路图有点像印第安人的图腾柱，所以叫图腾柱式输出，也叫图腾式输出。输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个晶体管的发射极接下面管子的集电极同时输出；下晶体管的发射极接地。两晶体管的基极分别接前级的控制。就是上下两个输出晶体管，从直流角度看是串联，两晶体管联接处为输出端。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

47、输出为高阻态。在开关电源中，类似的电路常称为“半桥电路”。3.6.3 UC3842的使用特点(1) 采用单端图腾柱式PWM脉冲输出，输出驱动电流为200mA，峰值可达1 A。 (2) 启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在1034 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。 (3) 内设5 V(50 mA)基准电压源，经21分压后作为取样基准电压。(4) 输出电流为200 mA，峰值为1 A，既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET管。若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速RC电路，同时将内部

48、振荡器的频率限制在40 kHz以下。若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定，工作频率最高可达500 kHz。 (5) 内设过流保护输入(3脚)和误差放大输入(1脚)两个PWM控制端。误差放大器输入构成主PWM控制系统，可使负载变动在30100时输出负载调整率在8 以下，负载变动在70100时负载调整率在3以下。(6) 过流检测输入端可对每个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%V。如果脚电压大于1 V或脚电压小于1 V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用脚和脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只

49、输出一次触发脉冲。因此，电路的抗干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。 (7) 内部振荡器的频率由脚外接电阻与脚外接电容设定。集成电路内部基准电压通过脚引入外同步。脚和脚外接RT、 CT构成定时电路，CT的充电与放电过程构成一个振荡周期，其振荡频率可由下式近似得出：3.7本章小结 本章主要介绍了系统电子核心部件包括电力二极管，绝缘栅双极性晶体管IGBT,器件TL431，光耦器件PC817,脉宽控制芯片UC3842的详细技术资料。第4章 系统硬件设计系统硬件整机主系统电路图见附录第一部分。本系统的主要设计包括：高频变压器设计、输入过电压保护设计、输入电磁干扰滤波设计、输入整流滤波设计、输出

50、整流滤波设计、输出电压反馈设计、过电流保护设计、调制脉冲产生设计、反激式变换器RCD缓冲器设计。 4.1 反激式高频变压器设计（1）确定输入最小直流电压Vin(min)和输入最大直流电压Vin(max) Vin(min)=220*(1-20%)*1.414=249V Vin(max)=220*(1+20%)*1.414=373V(3)计算反射电压：【5】 Vf=(Np/Ns)*Vo=(Np/Ns)*(Ns/Np)*(Dmax/(1-Dmax)*Vin(min)= (Dmax/(1-Dmax)*Vin(min)=0.4/(1-0.4)*249=166V(4)输入电压为最小，输出为额定电流时，即V

51、in(min),Ion时，求输入电流平均值Iin(avg):Iin(avg)=Pin/Vin(min)=Po/0.8Vin(min)=VoIo/0.8Vin(min)=(3.3*6+5*11+12*4+12*2)/(0.8*249) =(5)求原边电流峰值(6)选磁芯材料和磁芯型号 选TDK公司的PC40材料，100摄氏度时，Bs=0.39T,Br=0.055T,则Bw 磁芯型号选EE42 磁芯截面积为：Ae=178平方毫米（7）求原边匝数Np 由电磁感应定律有Vin(min)=NpAedB/dt=NpAeBw/Ton(max),则原边匝数Np为： Np=(Vin(min)Ton(max)/A

52、eBw=(Vin(min)Dmax)/(AeBwf) 实际取20匝（8）计算二次侧绕组的匝数 根据伏秒积平衡 Vin(min)DmaxT=Np/Ns(Vo+Vdfwd)(1-Dmax)T 得 n=Np/Ns=(Vin(min)Dmax)/(Vo+Vdfwd)(1-Dmax) 3.3V输出的二次绕组匝数： 得 实际取2匝 5V输出的二次绕组匝数： 得 实际取2匝 12V输出的二次绕组匝数： n=249*0.4/(12+0.8)(1-0 得 Ns12=20/=匝 实际取3匝(9)计算辅助绕组匝数 辅助绕组输出12V,则Ns/Naux=(12+0.8)/(12+0.8),Ns=3匝，则Naux=3匝

53、（10）计算原边电感量Lp 由Ippk=Vin(min)/Lp*Ton(max) 得 Lp=Vin(min)/Ippk*Ton(max)=Vin(min)/(fIppk)*Dmax=249*0.4/(150*103*3.685)=180uH(11)计算二次侧峰值电流 3.3V二次侧峰值电流：Isp3.3=Ippk*Np/Ns=3.685*20/2= 5V二次侧峰值电流：Isp5= Ippk*Np/Ns=3.685*20/2= 12V二次侧峰值电流：Isp12= Ippk*Np/Ns=3.685*20/3=（12）计算原边绕组线径Dp 原边电流有效值为Iprms=Ippk*(Dmax/3)1/2

54、=3.685*(0.4/3)1/2= 取电流密度J=/mm2 2 则原边线径为Dp=(4Ap/3.14)1/2=实际上取线径为的线双股并绕（13）计算副边绕组线径Ds 3.3V副边绕组电流有效值为Isrms=Ispk*(1-Dmax)/3)1/2=36.85*（0.6/3）1/2= 2 由于线径为的截面积大约为副边绕组线径取为15股并绕 5V副边绕组电流有效值为Isrms=Ispk*(1-Dmax)/3)1/2=36.85*（0.6/3）1/2= 2 由于线径为的截面积大约为2,则5V副边绕组线径取为15股并绕 12V副边绕组电流有效值为Isrms=Ispk*(1-Dmax)/3)1/2=24

55、.56*（0.6/3）1/2= 2 由于线径为的截面积大约为2,则12V副边绕组线径取为10股并绕（14）辅助绕组线径Daux 取Daux为,双股并绕 通过计算，把相关的数据发给打样公司，制作成样品，如图4-1所示。 图4-1 高频变压器输入过电压保护设计开关电源输入必须稳定，避免浪涌过电压对电路器件的冲击。浪涌过电压主要是遭遇雷击或者电源系统中较大负载的接通和断开形成的操作过电压。浪涌过电压保护采用氧化锌压敏电阻，其电路如图4-2所示。图中R22、R23为氧化锌压敏电阻，可对浪涌电压起到钳位的作用。FU1为熔断管，当浪涌电压持续时间较长是可熔断，从而断开电源，确保相关电路不受损坏。【6】图4

56、-2 输入过电压保护输入电磁干扰滤波设计 电磁干扰滤波电路主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源的干扰，同时防止电源本身产生的高频杂波对电网的干扰。因此，通常称之为电磁干扰滤波器，即EMI滤波器。EMI滤波器电路如图4-3所示。 图4-3 EMI滤波电路 C3、L1、C4组成的双 型滤波网络，是EMI滤波器的主体。其中L1为共模电感，其电感量通常为1030mH，可有效抑制来自电网的共模干扰。C3、C4为差模滤波电容，可滤除电网尖峰电压。C1、C2为安全电容，其串联后的中心点接大地。C1、C2具有滤除电网共模和差模干扰的双重作用。R1为泄放电阻，电源断电后可将C3、C4上积累的

57、电荷泄放掉，使电源进线端不带电，保证安全使用。设计和选择EMI滤波器的时候，主要是根据开关电源的功率计算额定输入电流，共模电感的导线直径要足够大，能够安全流过额定的输入电流。EMI滤波器的主要参数有额定电压、额定电流、插入损耗等。 输入整流滤波设计由于输入电源是交流电源，所以必须通过整流桥，整流输入电源，输出直流电压。整流桥的耐压应该为最高交流电压峰值的1.52倍。因整流桥会受到开机时冲击电流的影响，其额定电流应为最低交流电压时工作电流的1.5倍以上。当交流电压为220Vs时，滤波电容取值通常为1uf/W。更高的取值只会增加电容的成本，并不会明显减小纹波电压。但更低的取值会增加输入纹波电压，如

58、果控制回路增益受到限制，这样会增加开关电源的输出电压滤波。整流滤波电路如图4-4所示。【7】 图4-4 输入整流滤波电路4.5 输出整流滤波反激式开关电源的高频整流滤波电路最简单，当整流二极管VD承受的冲击电流较大，整流二极管的额定电流应选取为最大输出电流Iomax的1.5倍以上。整流二极管的耐压应选取为(Uo+NsUi/Np)的1.5倍以上。当整流二极管的耐压要求小于100V时，应优先选择肖特基二极管，以便降低二极管的损耗，从而提高电源效率。由于整流二极管会产生反向尖峰电流，尖峰电流可能损坏功率开关管和整流二极管，还会产生开关噪声，增加电磁辐射，所以在整流二极管两端并上由阻容元件串联而成的R

59、C吸收电路，抑制开关噪声。输出滤波电容C的选择与开关电源的工作频率和输出电容有关。反激式开关电源纹波电流较大，可适当加大滤波电容C的容量。输出整流滤波电路如图4-5所示。【8】 图4-5 输出整流滤波电路4.6 输出电压反馈设计 由于输出电压输出不稳定，需要加入输出电压反馈电路，稳定输出。反激式开关电源输入与输出隔离，所以本次采用光耦器件实现电气隔离，通过光耦合器获得电压反馈信号。其电路图如图4-6所示。【9】 图4-6 输出电压反馈电路TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。当电阻R7和R8的阻值确定时

60、，两者对输出电压的分压引入反馈，若输出电压增大，反馈量增大，TL431分流也增加，从而又导致输出电压下降。选择不同的R7和R8的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R7=R8时，输出电压等于5V。在选择电阻时，必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1ma。本次设计采用了UC3842进行脉冲调制，UC3842是专门为离线式开关电源和DC/DC变换器应用而设计的。其电路图如图4-7所示。UC3842的电源端通过启动电阻R6接直流高压电源，工作电压来自高频变压器的反馈绕组。基准电压输出端接有0.01uf的退耦电容，定时电阻R2为5K和定时电容C6为2.2n