电力电子技术课程设计报告-单端反激式开关电源的设计.doc

《电力电子技术》
课程设计报告

题 目： 单端反激式开关电源的设计
学 院： 信息与控制工程学院

一、 课程设计目的
（1）熟悉Power MosFET的使用；
（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的使用；
（3）增强设计、制作和调试电力电子电路的能力；
二、 课程设计的要求与内容
本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反激式开关电源。设计要求205V输入12V/1A，6V/0.5A输出的反激式开关电源，要求进行必要的电路参数计算,完成电路的焊接调试。亦可以画PCB板。
三、 设计原理
1、 引言
电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。在各种用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。电源可以分为线性电源和开关电源两大类。
线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作在线性模式，用线性器件控制其阻值的大小，实现稳压的输出，电路简单，但效率低。通常用于低于10W的电路中。通常使用的7805，7815等就属于线性电源。
开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），所以开关电源具有能耗小，效率高，稳压范围大宽，体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。
反激式功率变换器是功率电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关电源，本课程设计就是设计一个反激变换器。
1、开关型稳压电源的电路结构
（1）按驱动方式分，有自激式和他激式。
（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。
（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。
（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式。
DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。
DC/DC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图1所示。

图1 电路结构图
电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2所示。

图2 M1导通与截止的等效拓扑　
2、反激变换器工作原理
基本反激变换器如图3所示。假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作如下：
（1） 当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，如图3（a）所示，无源开关VD1因反偏而截止，输出由电容C向负载提供能量，而原边则从电源吸收能量，储存于磁路中。
（2） 当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，故VD1正偏而导通，如图3（b）所示，此时磁路中存储的能量转到副边，并经二极管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。

（a）

（b）
图3 反激变换器工作状态
反激变换器的工作过程大致可以看做是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次Q导通之前，副边已将磁路的储能放光，即副边电流变为零，则称变换器运行于断续电流模式（DCM），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q又导通，则称变换器运行于连续电流模式（CCM）。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM）下。
当变换器工作于CCM下时，输出与输入电压、电流之间的关系如下：
，，其中，。
当变换器工作于DCM下时，上述关系式仍然成立，只不过此时的增益M变为：
，
可以看出，改变开关器件Q的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。
3、 反激变换器的吸收电路
由于在实际中反激变换器存在各种寄生参数，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁回路称为吸收电路，目的是将开关Q的电压钳位到合理的数值。在220VAC输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD吸收电路。其结构如图4所示。

图4吸收电路
4、 反激式变换器变压器的设计
在本次实习中提供的变压器的铁芯是EE28铁氧体铁芯，其在25摄氏度的磁导率为，铁芯的初始磁导率为。
变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，本次试验中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。
（1）原副边匝数比及其匝数的确定：
根据实习任务的要求;需要的直流输出电压为7V，由器件本身的参数可以知道其耐压。，如果考虑到漏感引起的的电压尖峰，开关管两端承受的关断电压为：
，一般来说开关管的耐压需要在这个基础之上留下至少30%的裕量。假设开关管的耐压极限为，。
为了保证电路工作于DCM模式，磁路储能和放电总时间应该控制在0.8T以内，所以,

（2）原副边匝数的计算：
根据器件的资料，可以查的磁芯的有效磁导面积，原边的匝数应该保证在最大占空比是磁路仍不饱和，电压冲量等于磁链的变化量，固，通常原边的匝数取到这个计算之的两倍。副边匝数根据变比可以求出。
（3）气隙长度的计算
假设变压器的输出功率为，效率为，有以下关系成立：
，所以可以得到，其中有以下关系；
，则原边的峰值电流为：，带入上式可以得到初级电感。
其中，为电感系数，为磁阻。
气隙的长度为
5、控制系统的设计
（1）振荡器：振荡器的频率有定时元件，决定，，我的频率选为90KHZ。
（2）电压误差放大器：在本次实习中在输入与输出的隔离开关电源中，为了减小误差，通常采用外置电压环，即将U3845的内部误差放大器旁路掉。
（3）电流比较器:电流比较器的门槛值有误差放大器的输出给定，当电压误差放大器显示输出电压太低时，电流的门槛值就增大，使输出到负载的能量增加，反之也一样。
整个控制部分的原理图如下所示；

图5控制部分原理图
几个重要器件的介绍:
（1）UC3845
UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v（通），7.6V（断）；电流模式工作达500千赫输出开关频率；在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%~70%可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，用于逐周期限流；内部微调的参考源；带欠压锁定；大电流图腾柱输出；输入欠压锁定，带滞后；启动及工作电流低。
　　 芯片管脚图及管脚功能如图6所示。

图6 UC3845芯片管脚图
　　 1脚：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。　　
2脚：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（2.5 V）进行比较，调整脉宽。
　　 3脚：电流取样输入端。
　　 4脚：R T/CT振荡器的外接电容C和电阻R的公共端。通过一个电阻接Vref通过一个电阻接地。
　　 5脚：接地。
　　 6脚：图腾柱式PWM输出，驱动能力为土1A.
　　 7脚：正电源脚。
　　 8脚：V ref，5V基准电压，输出电流可达50mA.
（2）TL431
TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。 外部有三极分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。
其具体功能可用图7的功能模块示意。由图可看出，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近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，电流将从1到100mA变化。

图7 TL431的功能模块示意图
在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误 差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的 光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关 时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。
（3）PC817
PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图8所示，其中脚1为 阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电极。
在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管，对输出进 行精确的调整，从而控制UC3842的工作。同时PC817光电耦合器不但可起到反馈作用还可以起到隔离作用。
图8 PC817内部框图
6、总体设计电路图

图9 开关电源总体设计原理图
四、 参数的计算与选择
（1） 匝数比计算：U=205V整流桥整流以后=1.2*205=246V由于变比的取值要小于计算值，于是变压器的变比取到K=8，下面计算最大占空比=，在电路的设计中我们取到频率f=90KHZ，于是S，于是有得到，实际取到的原边的匝数为，由原边匝数及其变压器的变比得到副边绕组的匝数为匝。
（2） 原边电感及其气隙长度的计算：
由，，
，

（3） 辅助绕组的计算
辅助绕组的计算和副边绕组的计算方法一样，只不过，于是有有关公式得变比K=4.67，
（4） 电流检测参数计算
电流检测电阻，取
（5） 电压反馈控制参数计算
，
所以：
，于是根据已有的元件取到

所以：

所以

选取

选取用203电位器代替。
五、在电路制作过程中遇到的问题和解决方法
（1）电路制作完成，通电不能工作，整流桥无电压输出
原因分析：电路焊接不牢，主电路有虚焊的情况发生。
（2）电路制作完成，通电不能工作，整流桥有电压输出，12V稳压二极管有电压，但始终上不去达不到启动电压，变压器不工作。
原因分析：辅助绕组回路焊接错误或者此回路有断路的情况，使其不能正常使二极管升压，为芯片供电。
（3）变压器工作后电压上不去或电压过高不降或其带载能力差，加载时电压下降严重。
原因分析：该设计具有反馈控制电路，其主要作用是通过反馈控制稳定输出电压，提高电源带载能力。该电源出现上述现象，主要是因为该反馈控制回路出现问题，例如线路连接错误、断路、虚焊等问题，该问题在课程设计中比较常见，各种原因也得到了验证。
（4）电源工作后，变压器出现振动现象。
原因分析：变压器震动主要是因为开关芯片出现低频噪音，使变压器出现人耳可听到的震动。主要原因是占空比控制芯片的的输出有问题，对弱信号反应不灵敏，导致占空比及频率输出出现差错。
六、实习收获
本次设计只有一本课程设计指导书，剩下的理论分析，方案完善，以及电路制作与调试全部自己完成，全面提高了自己的方案设计与电路调试能力。
课程设计中鼓励制作PCB板，学习一种新的画PCB图的软件。因为大一暑假中我自学过画PCB图的软件Protel 99 SE，因此我选用了用该软件画PCB图，并制作PCB板。我的第一张PCB图画在了顶层，因为这是第一次正式画PCB图，我的布线比较乱，不过由于制作PCB板时，我的PCB图进行了镜像，导致我的PCB板难以焊接，使我得到了第二次制作PCB板的机会。制作第二块PCB板前，我将电路重新手动布线，注意到了线路转角及走线线路问题，使自己的PCB布局走线能力提高很大。
电路焊接完后，进行了上电试验，结果电路工作，但输出电压偏低，经查找发现电阻R6选择错误，限制了输出电压等级。另外，在调试过程中发现稳压管被击穿的问题，查找原因，是辅助绕组输出电压不符合理论计算结果，匝数过多。解决了上述问题，再次上电时，结果调压器不知何时被加到了230V左右，突加电压，致使电路板上多处元器件被击穿烧毁。此次问题比较严重，我最终决定进行手工焊接电路板，并获得成功，很快得到了成功的作品。
通过对PCB板的制作，我学到了一种新的电路制作方法。经过对电路的的设计与调试，使我对反激式开关电源有了较为深入的了解，切实提高了自己的能力。

1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究
2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究
3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器
7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究
8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统
10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制
40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
52. 单片机控制的后备式方波UPS
53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！
项目论证，项目可行性研究报告，可行性研究报告，项目推广，项目研究报告，项目设计，项目建议书，项目可研报告，本文档支持完整下载，支持任意编辑！选择我们，选择成功！
单片机论文，毕业设计，毕业论文，单片机设计，硕士论文，研究生论文，单片机研究论文，单片机设计论文，优秀毕业论文，毕业论文设计，毕业过关论文，毕业设计，毕业设计说明，毕业论文，单片机论文，基于单片机论文，毕业论文终稿，毕业论文初稿，本文档支持完整下载，支持任意编辑！本文档全网独一无二，放心使用，下载这篇文档，定会成功！