电力电子技术课程设计---单端反激式开关电源的设计.doc

《电力电子技术课程设计》
总结报告

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

目 录
一、课程设计的目的 2
二、课程设计的要求 2
三、反激式功率变换器的原理及设计方法 2
1.引言 2
2．基本反激变换器工作原理 3
3．反激变换器的吸收电路 5
4．反激变换器的系统结构 5
5.反激式变换器的变压器设计思路 6
6．控制系统设计 9
四、总体设计电路图 14
五、参数的计算与选择 15
六、遇到的问题和解决方法 18
七、输出电压波形及驱动信号波形 20
八、心得体会 21

一、课程设计的目的
（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
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170V输入，9V/1A输出的反激式开关电源，进行必要的电路参数计算,完成电路的焊接调试。
三、反激式功率变换器的原理及设计方法
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。
2．基本反激变换器工作原理
基本反激变换器如图1所示。假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作下。（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2(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电能，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，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故VD1正偏而导通，如图2(b)所示，此时磁路中的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。

反激变换器的工作过程大致可以看作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（Discontinous Current Mode）），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（Continous Current Mode））。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：

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
实际反激变换器会有各种寄生参数的存在，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电路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁电路称为吸收电路，目的是将开关Q的电压钳位到合理的数值。在220V AC输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD吸收电路和三绕组吸收电路。其结构如图3(a)(b)所示。

4．反激变换器的系统结构
反激式变换器的系统结构示意图如图4所示。由图中可以看出，一个AC输入DC输出的反激式变换器主要由如下五部分构成：输入电路、变压器、控制电路、输出电路和吸收电路构成。输入电路主要包括整流和滤波，将输入的正弦交流电压变成直流，而输出电路也是整流和滤波，是将变压器副边输出的方波电压单向输出，且减少输出电压的纹波。吸收电路如图3所示。所以，反激变换器的关键在于变压器和控制电路的设计。这也是本次课程设计的重点。

5.反激式变换器的变压器设计思路
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。
变压器的关键数据有：原/副边线圈的匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，当然还有导线的粗细选择等，由于本课程设计的漆包线已确定，所以下面主要介绍变压器关键参数的设计思路。
（1） 根据输入的最高直流电压和开关管Q的耐压确定原/副边的匝数比开关管Q两端所承受的最高的关断电压应为：
，
（2） 中，是考虑了整流二极管的导通压降。
如果考虑到漏感引起的0.3的电压尖峰，则开关管两端所承受的最高的关断电压为：

一般来说，开关管的极限耐压需要在这个基础上仍留下至少30%的裕量。假定开关管的耐压极限为，则：，

这就求出了匝比的上限值，匝比只能比这个值小，不能比其大。在这个值的基础上选择一个匝比。就可以求出最大占空比，即最大导通时间。
为保证电路工作于DCM模式，磁路储能和放电的总时间应控制在0.8T以内，所以

（2）原边匝数的计算
根据磁芯，得到有效的导磁截面积e A ，则原边的匝数应保证在最大占空比时磁路仍不饱和。电压冲量等于磁路中磁链的变化量， ，真正的原边匝数必须比这个值大，才可能让磁路不饱和。通常取2倍的上述计算值。

（3）副边匝数的计算
根据上面两步的结果，很容易求出副边匝数。
（4）气隙长度的计算
在计算气隙长度之前，首先应计算原边的电感值。
假设变压器的输出功率为，效率为，则有如下关系成立：

，

其物理意义是，一个开关周期内原边从电源吸收并存储的能量恰好等于系统的输出和损耗的能量。
所以，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

6．控制系统设计
反激式变换器的控制芯片主要有TOPSwitch 系列芯片、UC384X 系列芯片等，其中，应用比较多的是UC384X 系列芯片，属于高性能固定频率电流模式集成控制器，该集成芯片的特点是，具有振荡器，温度补偿的参考，高增益误差放大器、电流比较器和大电流图腾柱输出，可直接驱动功率MOSFET，并能把占空比限制在50%内。其控制对象是控制流过功率开关管的峰值电流。
UC3845 的控制原理示意图如图6 所示，它主要由以下四部分构成。
振荡器：振荡器频率由定时元件TR 和TC 决定（），振荡器输出固定频率的脉冲信号，注意：由于UC3845 会每隔一个时钟周期关闭一次输出，所以振荡频率是开关频率的2 倍。开关频率通常取50KHz~100KHz 左右。
电压误差放大器：误差放大器的作用是放大参考电压与反馈电压的差，其输出电压经两个二极管并经电阻分压后作为电流参考。在输入与输出隔离的开关电源中，为减少误差，通常采用外置电压环，即将UC3845 内部的误差放大器旁路掉，由外部电压环的输出通过补偿输入引脚决定电流参考。在后面给出的电压反馈电路设计中会有更详细的说明。
电流比较器：电流比较器的门槛值Verror由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，电流门槛值就增大，使输出到负载的能量增加。反之也一样。
触发器&锁存器脉宽调制：一方面，由振荡器输出的固定频率的脉冲信号给锁存器置位，开关管导通，电流Isw 线性增加，当电流检测电阻Rs上的电压达到电流比较器门槛值Verror时，电流比较器输出高电平，给锁存器复位，开关管关断，电流比较器的输出恢复低电平;另一方面，振荡器输出的脉冲信号同时输入触发器，使UC3845 每隔一个时钟周期关闭一次输出，这是UC3845 能把占空比限制在50%内的原因 ，并决定了振荡频率是开关频率的2 倍。
电流型控制的优点是本身具有过流保护功能，电流比较器实现对电流的逐周限制，属于一种恒功率过载保护方法，即维持供给负载的恒功率。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
四、总体设计电路图

五、参数的计算与选择
（1） 计算匝数比：
U=220V,整流桥整流取系数为1.2，则整流后输出Ug = 1.2*220 = 264V，所以:

(Uq*为开关管的耐压极限值，为600V)。
这是匝比的上限值，匝比只能比这个值小。
实际选取的匝比为：Np/Ns=5
（2） 计算最大占空比Dmax：

(3) 计算原副边匝数以及辅助绕组匝数：
在电路的设计中我们取开关频率为f=90KHZ，于是S，于是由有：

取 Np实=2*Np=22.96，实际取得的原边匝数为：45匝。所以副边绕组=45/K=45/4=9匝。同理，辅助绕组K1=9，取Ns1=9匝。故，原边为45匝，副边为9匝，辅助绕组为9匝。
（4）计算气隙长度和初始电感值：
取η=0.9，D =0.1，则有：

实测值为0.680mH ,误差为：

实际取Lg=1.3mm
（5）计算电流检测参数:
电流检测电阻：

实取Rs =1Ω(后为实现1.5A过流保护，将Rs调小，为---)
（6）计算电压反馈控制参数：
，

所以：

故取R2=470Ω.

取C4为104的瓷片电容，即100 nF.
由于开关频率设置为90KHz，故取RT=10KΩ,CT为102，即1nF。（实际中RT用20KΩ的电位器代替）。
RC滤波：首先确定的参数为：R=1KΩ,C为470pf。
六、遇到的问题和解决方法
（1）变压器有声音。
解决方法：
首先，我们考虑可能是变压器缠绕得不紧，导致漏感较大，从而引起噪声，于是我们从新绕制变压器，可是后面上电后，噪声依旧不减。后面，我们相应地改变了RC滤波参数，将R改为1KΩ,C改为103，发现噪声减小，于是我们继续将C减小到471，发现变压器噪声几乎消除。
（2）开关管发热严重。
解决方法：
开关管发热，可能是开关频率过高，也有可能是电路焊接得不好，导致其发热严重。于是，我们将整流这一块电路的焊线焊粗了一些，同时，通过电位器将RT进行调整，后面发现开关管几乎不发热了。
（3）辅助绕组电压过高，烧坏12V稳压管。
解决方法：
带载的时候，电流调整得大一些后，稳压管被击穿。通过检测，发现原边电压加到80多V时辅助绕组的输出电压就已经达到13V多。为保险起见，我们将辅助绕组的匝数减小了2匝，上电后发现其输出一直稳定在10V左右，高于uc3845的启动电压8.5V，即能维持电路的正常工作，后面稳压管再也没有烧过。
（4）RCD吸收电路的电阻发热。
解决方法：
调试工程中RCD吸收电路的电阻发热，于是我们将4.7KΩ的R改为两个62KΩ的电阻并联，后面发现两电阻发热正常，不至于烧毁。
（5）带不动1A负载。
解决方法：
根据手册，若带不动负载，可相应减小Rs值。首先，我们将Rs改为两个1Ω的功率电阻并联（实测并联后的阻值为0.8Ω），发现还是带不动满载，于是我们又将Rs改为0.5Ω的功率电阻，后面发现带载能力可以达到1.1A左右了。
（6）带1A负载后，FR307发热较大。
解决方法：
带1A负载后，FR307发热较大，经过查询资料，FR307的最高承受电流为3A，而实际只带了1A的负载，应该不会烧坏。有点发热应该是正常现象。于是，我们加满载带了5min，发现FR发热虽然有点大，但是还不至于冒烟和烧坏。由于不放心，我们又带了一次试了试，发现FR307没有被烧，开关管发热也非常小，于是我们便没有改变FR307。
(7)无输出电压，芯片3845无法启动。
解决方法：
经检测，电位器阻值为0，调整电位器阻值至理论计算值38KΩ，重新通电测试，uc3845两端电压稳定在10V左右，高于uc3845的启动电压8.5V，即能维持电路的正常工作。
七、输出电压波形及驱动信号波形

八、心得体会
本次设计通过自己的努力，我们成功交上了开关电源作品。经过对电路的设计与调试，加深了我们对反激式开关电源的认识和理解，提高了自己的动手能力和解决问题的能力，锻炼了我们的思维。在调试过程中我们遇到了很多问题，比如uc3845无法正常启动，通过调整电位器值，解决了问题；稳压管被击穿，通过查找原因，发现是辅助绕组输出电压不符合理论计算结果，匝数过多，于是我们将辅助绕组少绕了两匝，从而不再烧坏稳压管；开关管发热，可能是开关频率过高，也有可能是电路焊接得不好，导致其发热严重。于是，我们将焊线焊粗了一些，再通过电位器将RT进行调整，后面发现开关管几乎不发热了；变压器有声音，首先，我们考虑可能是变压器缠绕得不紧，导致漏感较大，从而引起噪声，于是我们从新绕制变压器，可是后面上电后，噪声依旧不减。后面，我们相应地改变了RC滤波参数，将R改为1KΩ,C改为103，发现噪声减小，于是我们继续将C减小到471，发现变压器噪声几乎消除。
在调试中，我们不断发现问题，改进整个设计思路，后面使得整个开关电源越来越符合设计要求，成功设计出了开关电源，并实现了1.8A过流保护功能。
本次设计让我们收获颇多。小组合作，一同焊板，一同计算参数，一起讨论如何设计如何更改参数，这让我们感到了合作的重要性，通过合作，我们才能够如此快速地完成设计。在调试中，我们遇到了问题，但是通过我们自己的努力了，不断发现问题，不断查阅资料，然后我们一同解决问题，最终，我们收获了成功的喜悦。
本次虽然是设计一个小小的开关电源，但是其中所含有的知识点却远大于开关电源本身。参数的计算，整流桥的输出滤波，变压器的缠绕，这些都需要我们实际去思考，去动手，无疑是一次既动手又动脑的设计，增强了我们的思考能力，解决问题的能力和动手能力。
在实验中，我们必须求真务实，不然就会出差错。比如强弱电不能共地。某个小组在测试时强弱电的地没有设置好，导致一上电就出现大火球，甚至整个电路板都烧坏了。这也警示着我们，在实验中一定得细心细致，千万不能马虎，不然就会出岔子。这也告诉我们，一定得培养自己求真务实的品质，一定得养成细心的习惯。
非常感谢老师的辛勤指导！
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