毕业设计(论文)-多路输出单端反激式开关电对源设计.doc.doc
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1、SHANDONG 毕 业 论 文 多路输出单端反激式开关电源设计 学 院: 电气与电子工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2012 年 6 月 中 文 摘 要 I 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
2、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。 关关键键词词:开关电源,反激式变换器,高频变压器, UC3844 英 文 摘 要 II Abstract Switching power supply using the PWM,
3、 control switch circuit of the power conversion device, it is widely used 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, product
4、ion, research, and military.The switching power supply because of its small 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 suppl
5、y. This project is to design a generic multi-output flyback switching power 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
6、 main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedicated chipand compatible with 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 volt
7、age of 7 road isolation. Keywords: switching power supply, flyback converter, high-frequency transformer, UC3844 目 录 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT .II 目 录III 第一章 引 言 1 1.1 课题研究的背景及意义.1 1.2 开关电源的技术动态.2 1.3 本课题的主要研究内容.2 第二章 开关电源的原理 .4 2.1 开关电源的基本原理.4 2.2 开关电源的组成.5 2.3 单端反激式拓扑分析.5 2.3.1 工作原理 .5 2.3.2 基本关系式 .6
8、 第三章 系统设计 .9 3.1 技术指标.9 3.2 黑箱设计.9 3.3 开关电源电路图.10 3.4 关键元器件的选择与设计.11 3.4.1 控制器芯片 UC384411 3.4.1.1 UC3844 的内部结构及管脚功能 .12 3.4.1.2 UC3844 的特点.14 3.4.2 线性光耦合器 PC817 14 3.4.3 可调精密并联稳压器 TL431 .15 3.4.4 高频变压器的设计 16 目 录 IV 3.4.4.1 高频变压器作用 16 3.4.4.2 高频变压器的设计 17 3.4.5 输出级的设计 .19 3.4.6 功率 MOSFET 及其驱动电路设计 20 3
9、.4.6.1 功率 MOSFET 的选择 .20 3.4.6.2 功率 MOSFET 控制电路及其参数选择 .21 3.4.7 电压反馈电路设计 22 3.4.7.1 电路图及原理 22 3.4.7.2 元器件参数选择 22 3.4.8 输入启动电路的设计 23 3.4.9 输入整流滤波电路的设计 .24 3.4.9.1 电路原理图 24 3.4.9.2 元器件参数选择 24 3.4.10 保护电路的设计 25 3.5 电路工作过程总结.26 第四章 设计总结 .28 参考文献 29 致 谢 .31 第一章 引 言 1 第一章 引 言 1.1 课题研究的背景及意义 随着电子技术的发展,电子设备
10、的广泛应用,这些设备对电源的要求也 越来越高,传统线性电源笨重效率低,严重影响电子设备、电子产品的发展。 于是,20 世纪 60 年代开关电源诞生了。 与传统线性稳压电源相比开关电源有以下优点: 1效率高,损耗小:开关电源效率通常在 75%以上,有的甚至可以达 到 90%以上。由于开关管损耗小,因而不需要采用大散热器,能有效减小电 源体积。损耗小使得电子设备内部温度也相对较低,避免了元件长期在高温 环境下损坏,这对电子设备的可靠性和稳定性的提升有明显的作用。 2稳压范围宽:输入 AC 或 DC 电压在很大范围内变化时,电压变化 率很小。而且在输入电压发生较大波动时,电源依然保持较高的效率,因此
11、, 开关电源比较适合电网波动较大的地区使用。 3体积小,重量轻:开关稳压电源可直接将工频电网电压直接整流成直 流后,经过高频变压器获得不同的交流电压,再经整流滤波得到所需的直流 电压,这样就可以免去笨重的工频变压器,从而节省线材,减小电源体积和 重量。 4安全可靠:开关电源一般都具有多种保护电路,保证电源的安全可靠 工作。 随着电力电子技术的发展和进步,开关电源技术在不断地创新, 目前, 涌现出许多开关电源的新技术和新产品 。开关电源技术是一种普适性、渗透 性的绿色化技术,使产品性能可 靠、成熟、经济、实用,它在国民经济以及 国防,高科技发展中都有广泛的应用前景。 第一章 引 言 2 1.2
12、开关电源的技术动态 高频方面。许多国家都步入 MHz 级别,涌现出众多新型高频磁性材料, 其寄生参数和磁损耗减小,散热性增强,如 56m 超薄钴基非晶态磁带,纳米 结晶软磁薄膜也在研究。铁氧体或其他薄膜材料可集成在硅片上等。 高效方面。致力于减小功率器件的通态电阻、降低漏电流等。如高性能碳 化硅(SiC)功率半导体器件,其优点是:禁带宽,工作温度高(可达 600C), 通态电阻小,导热性能好,漏电流极小,PN 结耐压高等等。 电磁兼容方面。主要研究典型电路与系统的电磁干扰建模;PCB 板和电源 EMC 优化设计软件;强磁场对人体的危害;大功率开关电源 EMC 测量方法的 研究等。 新型电容器。
13、研发适合于功率电源的新型电容器和超大电容。要求电容量 大、等效电阻 ESR 小、体积小等。 功率因数校正。许多国家也在研究性价比较高的功率因数校正技术。 低压大电流。微处理器性能的不断提高,低压大电流开关电源也随之发展 起来。例如电压低达 1.11.8V,而电流高达 50100A 的开关电源。 另外,还有采用波形交错技术,探寻省略滤波电容的可行性等。开关电源 还朝着模块化方向发展。 1.3 本课题的主要研究内容 随着电子技术的高速发展,各种各样的电子设备应运而生,然而这么多电 子设备,精密仪器的背后都需要有个稳定输出的电源做支持。从原有的线性稳 压电源到现在的开关稳压电源,不论从体积、功耗、性
14、能上,都有质的飞跃, 并且开关电源更容易实现多路不对称输出。这使得各种电子设备不同功能的需 要都可以得到满足。本课题主要研究的是输出 7 路隔离电压的反激式开关电源, 研究内容如下: 第一章 引 言 3 本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 控制开关器件的占空比来调整并稳定输出电压,主电路采用多路输出单端反激 式变换器结构,采用 UC3844 控制芯片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,作为反馈环节,使设 计出的开关电源具有电压自我调节功能。开关工作频率为 50kHz,输出 7 路隔 离的电压。 设计流程:
15、 1熟悉 UC3844、PC817、TL431 的结构原理及作用。 2多绕组高频变压器的设计。 3输出级设计。 4MOSFET 开关管的选择及其驱动电路设计。 5由 PC817、TL431 组成的反馈环路的设计。 6输入整流滤波电路和输入启动电路的设计。 第二章 开关电源的原理 4 第二章 开关电源的原理 2.1 开关电源的基本原理 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(
16、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
17、到所需的直流输出电 压。 开关电源的基本工作工程: 1、交流输入经整流滤波变成直流; 2、控制器输出高频 PWM 信号控制开关管,将直流电压斩波成高频脉冲 电压加到高频变压器初级绕组上; 3、高频变压器次级绕组感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 4、反馈环节从一部分输出电压采样得到误差电压,经误差放大后输入到 控制器,控制占空比,以达到稳定输出电压的目的。3 第二章 开关电源的原理 5 2.2 开关电源的组成 图 2-1 所示为开关电源的结构框图: 功率变换 电路 高频 变压器 输出整流滤波 电路 振荡器 脉宽调制 比较器 取样器 基准电压 DC DC 控制电路 前置滤波电路 AC 输入整流
18、电路滤波电路 图 2-1 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。3 2.3 单端反激式拓扑分析 2.3.1 工作原理 图 2-2 为单端反激式变换器拓扑结构: 第二章 开关电源的原理 6 Uin D C R + Uo T . . S L1L2 L1 i L2 i o i 图 2-2 单端反激式变换器拓扑结构 图中变压
19、器的初级绕组与次级绕组同名端相反,为输入直流电压,开 in U 关 S 为功率开关管,C 为输出滤波电容,R 为负载,为初级绕组电流,为 L1 i L2 i 次级绕组电流;和为输出电压和电流,参考方向如图中所示。 o U o i 单端反激式变换器又称电感储能式变换器,其变压器兼有储能、变压、隔 离三重作用。所谓单端,指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开 关管 S 导通时,直流输入电压加在初级绕组上,在变压器初级电感线圈中 in U 储存能量,由于次级绕组感应电压为上负下正,使二极管 D 反偏截止,次级绕 组中无电流,此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当 S 截止时,初级感应 电压极
20、性反向,使次级绕组感应电压极性反转,二极管 D 导通,储存在变压器 中的能量传递给输出电容 C,同时给负载供电,磁能转化为电能释放出来。当 开关管重新导通时,负载电流由电容 C 来提供,同时变压器初级绕组重新储能, 如此反复。从以上电路分析可以看出,S 导通时,次级绕组无电流;S 截止时, 次级绕组有电流,这就是“反激”的含义。 根据次级绕组放电时间的不同,单端反激式变换器分为 3 种工作模式:不 连续工作模式(DCM)、连续工作模式(CCM)和临界工作模式。 2.3.2 基本关系式 1共同关系式 第二章 开关电源的原理 7 开关管 S 导通期间,流过初级绕组 Np 的电流 线性增长,其增量为
21、 1 i (2-1)DT L U T L U i in on in 11 1 式中 T 为开关周期,D 为占空比。 开关管 S 截止期间,流过次级绕组 Ns 的电流线性减小,设电流减小的 2 i 时间是,则流过 Ns 的电流增量为 t (2-2)t L U i o 2 2 开关管 S 截止期间,Np 上感应电压与电源电压一起加在开关管 S 的 in U DS 级上,DS 级承受的电压为 (2-3) s p oinDS N N UUU 2连续工作模式 如果电流连续,输出电压的表达式为TDTt off )1 ( D D N N U U p s i o 1 (2-4)DT L U D I N N D
22、T L U DU IU I ino p s in oo 11 1 (max)1 212 3断续工作模式 S 导通期间,变压器初级绕组储存的能量,所以电源输入2/ 2 (max)11I LWj 功率为 i P (2-5) 2 (max)11 2 1 IL TT W P j i 如果电流断续,S 导通时起始电流为 0,则,假设电路没有 on i T L U I 1 (max)1 损耗,输入功率应与输出功率相等,设输出负载电阻为,则有 i P o P L R (2-6) L oonin o R U TL TU P 2 1 22 2 第二章 开关电源的原理 8 从而可以得到断续模式输出电压的表达式为
23、(2-7) TL R TUU L onino 1 2 由式(2-7)可知,在断续模式下,输出电压与输入电压和导通时间成正比, 与负载电阻的平方根成正比。因此,断续模式下负载不能开路。4 第三章 系统设计 9 第三章 系统设计 3.1 技术指标 本课题是针对现代电子设备对供电电源的需求,以 220V 市电为能源供应, 经整流滤波、高频变压器、再经过输出整流滤波,得到电子设备所需的5V、 12V、+24V 等电压。本课题设计的电源主电路拓扑采用单端反激式变换器结 构,采用 UC3844 作为 PWM 主控 IC,以实现电压和电流的双闭环控制,从而 提高负载调整率,电压调整率,以达到电子设备对电源电
24、压稳定性的要求,本 电源开关频率设定在 50kHz,同时输出 7 路相互隔离的电压。 技术指标如下: 1输入:AC185250V,50/60Hz 2输出:5V/0.5A(4 路),12V/1A,+24V/1A 3开关频率:50kHz 4效率:大于 80% 5输出文波:最大 100mV(峰峰值) 6输出精度:5V,12V:最大5% 24V:最大10% 7最大占空比:45% 3.2 黑箱设计 1总输出功率:=58W out P 2估算输入功率:=72.5W in P out P 3直流输入电压:=V inl V2185AC262DC =V inh V2250AC354DC 4平均输入电流: 第三章
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