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1、开关电源作品设计论文设计题目： 单端正激开关电源设计 学院名称：电子与信息工程学院专 业：电气工程及其自动化班 级：电气o91班姓名：陈永杰学号：师2012年5月25日摘要开关电源非常广泛地应用在通讯、计算机、汽车和消费电子产品等领 域。电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的 基础，而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势，在通信、 军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来 越多的广泛应用。在深入研究分析各种开关电源原理和特点的基础上，根据导师根据项 目布置的指标要求，论文设计了一种单端正激式高频单路输出开关电源。 该开关电源的特点是以单端
2、正激式为主拓扑，以电流型控制芯片 UC3842 和 高频变压器为核心，采用EMI滤波器、MOSFET、输出滤波电路、采样反馈 通道等主要元器件和电路模块，实现了单路稳定输出。论文所设计的开关电源输入为市电220V交流，输出电压为10V直流电 压，输出最大电流为 40A,开关频率为200KHZ。论文采用面积乘积法 (AP)，确定了高频变压器的原副边形式以及铁芯材料的选择，设计了输出 电路、系统补偿器以及启动电路和 EMI 滤波电路。论文设计好后，对所设计的单端正激式高频开关电源电路系统进行全 面仿真，仿真结果表明，各项指标符合要求。而后，做出实物，调试显示：该开关电源的输出电压调整特性、负载 调
3、整率、输出纹波、动态响应、温度变化等均满足了项目的指标要求，并 且具有良好的过载、短路保护特性和波形特性，各项技术指标能够达到信 息平台的供电要求。目录第1章 绪论1.1 开关电源简介电源 power supply; power source 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干 电池能把化学能转换成电能 .发电机 . 电池本身并不带电 ,它的两极分别有正 负电荷 ,由正负电荷产生电压 （电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成 的）, 电荷导体里本来就有 ,要产生电流只需要加上电压即可 ,当电池两极接 上导体时为了产生电流而把正负电荷
4、释放出去 ,当电荷散尽时 ,也就荷尽流 （压）消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电 的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把 前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体 三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。整流电源、信号源有时也 叫做电源。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。电力
5、电子技术的发展 ,特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展 , 将开关电源的工作频率提高到相当高的水平 ,使其具有高稳定性和高性价比 等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展 对电源技术又提出了更高的要求 ,从而促进了开关电源技术的发展。设计要求1.2.1 设计任务设计并制作一个 AC-DC-AC-DC 高频单端正激开关电源，输入电压为 220V， 输出稳定电压为10V,最大负载电流有效值为40A。1.2.2 设计要求a. 输入电压AC220V（10电压波动），频率50Hz。b. 输出电压10V，输出电流40A（3644A）,开关频率200KHzc.
6、主电路可以自己选择单端正激拓扑结构。d. 要求计算出选用管子的参数及变压器和滤波电感电容的设计。e. 报告名称 单端正激开关电源设计f. 具有过流过压保护电路，具有一定的带负载能力，即在负载范围内输出 电压保持稳定不变。1.2.3 设计内容 本文详细讨论和分析了单端正激式开关电源和电源管理芯片UC3842 的基本原理；重点分析了高频变压器的设计方法并采用面积 乘积（AP）法设计了本电源中的高频变压器；全面掌握开关电源的 设计流程，设计出一个完整的开关电源电路原理图；采用仿真软件 对设计电路进行了全面的仿真验证。并做出实物，调试测量参数。第2章 开关电源设计2.1 400W单端正激开关电源总体设
7、计方案图所示是开关电源电路的典型结构，它主要由整流滤波电路、DC/DC变换电 路、开关占空比控制电路以及取样比较电路等模块构成。前级整流滤波电路用来消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的 高频噪声向电网扩散，并将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电 压。变换器是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且 起到将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波电路将变换器输出的高 频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干 扰。取样电路和开关占空比控制电路通过检测输出直流电压，并将其与基准电 压比较，进行放大，调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保
8、持输出电压 的稳定。图开关电源典型结构开关电源的基本工作原理：输入交流电（市电）首先经过整流滤波电路形 成直流VS，该直流电V。再经过通、断状态。如图（a）所示波形V。控制的电子 开关电路后，变换成脉冲状态交流电V（图（b），V再经电感、电容等储能 00 元件构成的整流滤波电路平滑后，输出直流电V （图（c）。显然，输出直流V的大小取决于脉冲状交流电V的有效 0 0 0值大小（成正比），而 V的有效值又与开关的导通占空比 D = T /T （其中 0 ONT=T +T ）成正比。此外，通过取样比较电路中的取样电阻 R 和 R 对输出电压ON OFF 1 2V 取样，并使之与基准电压 V 进行比
9、较，若取样电压高于 V ，则比较电路输 0 REF REF出V减小，取样控制占空比控制电路，使T /T下降，从而使V下降；若取样电e ON 0压低于 V ，则比较电路输出 V 增加，使 T /T 增加，从而使 V 增加，这样就可REF e ON 0以使开关电源的输出电压 V 稳定在一个恒定值上。0图开关电源工作波形2.2 具体方案设计2.2.1 主电路设计单端正激变换器当Buck电路的开关管Tr与续流二极管D之间加入变压器隔离器T便得到 图 2-3 所示的单端正激变换器主回路电路图。图 2-3 单端正激变换器主回路电路图由于正激式变换器的隔离元件-是个典型变压器，因此在变压器副边电路 中必有一
10、个整流二极管d2和一个续流二极管d3,同时也要注意到变压器原边和 副边线圈的同名端有相同的相位。由于是正激工作方式，在两只二极管后要加 个电感器L作为能量的储藏及传递元件。一般电感量大些，使得Ip较小。变 压器T1的并绕一个绕组P2与二极管D1串联后接至Vs，这个绕组主要起去磁复 位的作用，同时把漏感存储的能量回传给电源。单端正激变换器中的高频变压器，其磁通只工作在磁滞回线的第象限， 应遵循磁通复位的原则。但其变压器不像单端反激变换器的变压器那样有储能 作用，因此单端正激变换器的变压器的设计方法与反激式有很大差异。与脉冲 变压器相同，单端变换器的变压器设计必须满足两个条件，是服从电磁感应 定律
11、，二是在开关管导通期间确保磁芯不会饱和。下面给出计算公式：原边绕组匝数为：式中E为原边绕组输入电压值，D为脉冲占空比，Ae是铁芯截面积（cm2）, Bm 是最大磁感应强度（G）, Br是剩余磁感应强度（G）。为了确保在开关管导通 期间铁芯不发生饱和，磁场强度H应当满足：NIH 二 0.4兀 H ,l maxcV其中I pt , H是磁场强度，lc是铁芯平均磁路长度（cm）, Im是磁化电流 m L on（ A）， Lp 是原边绕组励磁电感。2.2.2基于UC3842控制电路设计2.2.2.1UC3842 的简介继 MC1394、AN5900 之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动 集成
12、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。是美国Unitrode公司14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。为8 脚双列直插式封装，其内部原理框图如图1所示。主要由基 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、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率的 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
13、；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。UC3842是一种电流型开关电源集成控制器，其最大优点是外接元件少，外 电路装配简单等。UC3842的管脚配置如图2-4所示。UC3842采用固定工作频 率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度，图 2-5 给出了芯片内 部原理图。UC3842共八个引脚，各引脚功能如表2-1。图2-4 UC3842封装外形图2-5 UC3842内部功能框图表2-1 UC3842引脚功能介绍引脚功
14、能1误差放大器的输出端，外接阻容兀件用于改善误差放大器的增益和频率2反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的基准电压进仃比 较 产牛误差电压 从而控制脉冲宽度3电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇4定作端态内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，5公共地端T）它是组合的控制电路和电源地6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7直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW85V基准电压输出端，有50mA的负载能力其内部基准电路产生+5V基准电压作为UC3842内部电源，经衰减得电压作 为误差放大器基准，并可作为电路输出5V
15、/50mA的电源。振荡器产生方波振 荡，振荡频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻Rt与接在4脚 与地之间的电容CT共同决定了振荡器的频率f=RTCT。反馈电压由2脚接误差放 大器反相端。1脚外接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性。6脚 输出驱动开关管的方波为图腾柱输出。 3脚为电流检测端，用于检测开关管的电 流，当3脚电压大于或等于1V时，UC3842就关闭输出脉冲，保护开关管不至 于过流损坏。UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路。其开启阀值为16V，关闭 阀值为10V。正因如此，可有效地防止电路在阀值电压附近工作时的振荡。UC3842的最高开关频率可达500kHz，其采用图腾柱输出电路，能够提供大 电流输出，输出电流可达1A，可直接对双极型晶体管和MOSFET进行驱动。内 部有高稳定度的基准电源，典型值为，允许有+的偏差。温度系数为C。，稳压性 能好，其电压调整率可达%/V,能同第二代线性集成稳压器相媲美。启动电流小 于1mA,正常工作电流为15mA。带锁定的PWM可以进行逐个脉冲的电流限 制，具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定。2222利用UC3842设计单端正激变换器图2-4所示为UC3842单端正激控制原理图。图2-6 PWM脉冲控制驱动电路图2-6由分压电阻R18提供分得的电压
