开关电源课程设计.doc

目录一、引言21.1设计背景21.2设计基本要求2二、功率开关管的选择3三、 UC3842简介.43.1 UC3842的结构43.2 UC3842的功能5四、变压器设计64.1估算输入和输出功率64.2计算最小和最大输入电流74.3计算脉冲信号最大占空比84.4磁芯参数确定方法8五、 光耦信号传输电路95.1保护采样电路95.2微机处理芯片电路95.3变频器的控制方式选择10六、输出滤波电路11七、整体电路与实物.12八、心得体会14一、引言1.1设计背景开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM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）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。1.2设计基本要求（1）设计一款72V多路输出的flyback拓扑开关电源。（2）要求： 输入电压：60-85V；（3）输出：5V/1.5A；15V/1.2A；需与输入隔离；（3）控制芯片：UC3842；二、功率开关管的选择第一步是选用N沟道还是P沟道。这是设计选择正确器件的第一步。在典型的功率应用中，当一个场效应管接地，而负载连接到干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道场效应管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道场效应管，这也是出于对电压驱动的考虑。第二步是选择场效应管的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的场效应管能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，场效应管处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。第三步：确定热要求。选择场效应管的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在场效应管的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。第四步：决定开关性能。选择场效应管的最后一步是决定场效应管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。场效应管的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。场效应管开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。三、UC3842简介3.1 UC3842的结构3.2 UC3842的功能各管脚功能简介如下: 1脚COM是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 2脚Vfb是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 3脚Isen是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管(如VMOS管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。 4脚RT/CT是定时端，锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。 5脚GND是接地。 6脚OUT是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 7脚VCC是电源。当供电电压低于 16V时，UC3842不工作，此时耗电在1mA以下，输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得，芯片工作后，输入电压可在+10+30V之间波动，低于+10V停止工作。工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。 8脚Vref是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。 四、变压器设计4.1估算输入和输出功率总的输出功率：假设效率为100%，则=25.5W4.2计算最小和最大输入电流4.3计算脉冲信号最大占空比式中：是二次侧反射电压。在反激式开关电源中，固定不变，一般取值范围85-165V，本设计计算取=110V。为主开关导通时D、S间压降，典型值为10V。通过计算得到：4.4磁芯参数确定方法4.4.1磁芯材料选择开关电源中的高频变压器大部分采用EE或者EI型磁芯。它们的外形分别如图所示。EE型磁芯有形状简单、磁芯有效面积较大、可靠性高、热特性好、小漏感等优点，不足的是方形截面不易饶制粗线，磁屏蔽较差。本设计中使用EE磁芯，常用EE磁芯的尺寸如表所示 EI型 EE型图3-1磁芯材料型号图3-2EE型磁芯的规格本文选取EE型镍锌铁氧体磁芯。4.4.2磁芯尺寸的选择确定磁芯尺寸有两种方法，包括读表法和计算法。其中计算法又包括几何参数法和磁芯面积乘法。本次设计使用磁芯面积乘法。其中为变压器的视在功率，为波形系数，取=4。为磁芯的磁感密度，取=2000G=0.2T。是电流密度系数。X是常数，通常由磁芯决定，如下图表所示。图3-3磁芯种类表经过与表中参数对比，与之最接近的磁芯为EE22。4.4.3变压器绕组计算（1） 计算变压器原边的电感量其中Z是损耗分配因子。如果Z=1，所有的损耗都在次级边。如果Z=0，所有的损耗都在初级边。简单的说，Z就是次级与总的损耗的比率。如果计算没有给出Z的值，一般取作0.5。计算可得：uH（2） 计算初级绕组匝数.8取=33匝取=17匝（3）5V输出绕组匝数：，实取5匝15V输出绕组匝数则取15匝。五、光耦信号传输电路电路中采用一片TOP104Y三端单片开关电源集成电路，主输出绕组电压经过二极管和电容滤波后，得到+5V电压，二极管采用MBR340T3型40V/3A肖特基二极管，另外一个+15V输出电流较小，故整流管选择SF31型50V/3A超快恢复二极管。由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成漏极保护电路，能够吸收尖峰电压，保护芯片内部的功率场效应管MOSFET不受损坏。六、 输出滤波电路经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。由于正激式开关电源电路拓扑通过输出滤波电感平滑了逆变器输出电流，因此需要输出整流滤波电容器滤除的交流分量仅为开关电源额定输出电流的20%以下，需要电容器的性能要求不是很高；反激式开关电源要求输出整流滤波电容器“短路”逆变器输出电流的所有交流电流成分，因此将流过非常高的有效值电流，要求电容器具有能够承受这个电流的能力；不仅如此，为了尽可能将所有的交流电流分量“短路”要求输出滤波电容器均由尽可能低的ESR，因此输出整流滤波电容器将需要极低ESR的“高频低阻”铝电解电容器或低ESR钽电解电容器以及陶瓷贴片电容器。选择一般的低阻铝电解电容器实则需要更多数量的才能满性能要求。七、整体电路与实物八、 心得体会亲手调试这样一个开关电源，让我对书本的理论知识有了更深的理解。从最初的原理拓扑图，到最终实际电路图，以主干电路，不断进行丰富和完善，使一个正激电路逐步完善。每一次试验都是对电力电子知识的不断深入和探索，这样的经历让我印象深刻。还记得一开始一直没有调试出来，先是检查出来稳压管坏了，之后又发现变压器绕反了，这些错误虽然细小，甚至很难发现，但对一个电路的正常运行至关重要，因此需要严谨地排查错误，细心地分析每一块电路出错的地方，我相信这才是此次课程设计的目的所在。参考文献1马洪涛，沙占友.开关电源制作与调试.中国电力出版社20092杨荫福。段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社，20063 王兆安，刘进军. 电力电子技术.机械工业出版社, 20084 张小林冉建桥李贤云我国开关电源发展的思考微电子学20045 郑国川李洪英 实用开关电源技术福建科学技术出版社 20046 王水平贾静方海燕等 开关稳压电源的原理及设计 人民邮电出版社 200813