【正文】 ....... 24 元器件參數(shù)選擇 ....................................................... 25 保護電路的設(shè)計 ........................................................... 25 電路工作過程總結(jié) ................................................................................... 26 第四章 設(shè)計總結(jié) ...............................................................................................28 參考文獻 ..............................................................................................................29 致 謝 ...................................................................................................................31 第一章 引 言 1 第一章 引 言 課題研究的背景及意義 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備對電源的要求也越來越高，傳統(tǒng)線性電源笨重效率低，嚴(yán)重影響電子設(shè)備、電子產(chǎn)品的發(fā)展。于是， 20 世紀(jì) 60 年代開關(guān)電源誕生了。 與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源相比開關(guān)電源有以下優(yōu)點： 1． 效率高，損耗小：開關(guān)電源效率通常在 75%以上，有的甚至可以達到 90%以上。由于開關(guān)管損耗小，因而不需要采用大散熱器，能有效減小電源體積。損 耗小使得電子設(shè)備內(nèi)部溫度也相對較低，避免了元件長期在高溫環(huán)境下?lián)p壞，這對電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性的提升有明顯的作用。 2． 穩(wěn)壓范圍寬：輸入 AC 或 DC 電壓在很大范圍內(nèi)變化時，電壓變化率很小。而且在輸入電壓發(fā)生較大波動時，電源依然保持較高的效率，因此，開關(guān)電源比較適合電網(wǎng)波動較大的地區(qū)使用。 3． 體積小，重量輕：開關(guān)穩(wěn)壓電源可直接將工頻電網(wǎng)電壓直接整流成直流后，經(jīng)過高頻變壓器獲得不同的交流電壓，再經(jīng)整流濾波得到所需的直流電壓，這樣就可以免去笨重的工頻變壓器，從而節(jié)省線材，減小電源體積和重量。 4． 安全可靠：開關(guān) 電源一般都具有多種保護電路，保證電源的安全可靠工作。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進步，開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新， 目前，涌現(xiàn)出許多開關(guān)電源的新技術(shù)和新產(chǎn)品 。開關(guān)電源技術(shù)是一種普適性、滲透性的綠色化技術(shù)，使產(chǎn)品性能可 靠、成熟、經(jīng)濟、實用，它在國民經(jīng)濟以及國防，高科技發(fā)展中都有廣泛的應(yīng)用前景。 第一章 引 言 2 開關(guān)電源的技術(shù)動態(tài) 高頻方面。許多國家都步入 MHz 級別，涌現(xiàn)出眾多新型高頻磁性材料，其寄生參數(shù)和磁損耗減小，散熱性增強， 如 5~6181。m 超薄鈷基非晶態(tài)磁帶 ， 納米結(jié)晶軟磁薄膜也在研究 。 鐵氧體或其他薄膜材料 可 集成在硅片上 等。 高效方面。致力于減小功率器件的通態(tài)電阻、降低漏電流等。如 高性能碳化硅（ S iC）功率半導(dǎo)體器件 ，其優(yōu)點是： 禁帶寬，工作溫度高（可達 600176。C），通態(tài)電阻小，導(dǎo)熱性能好，漏電流極小， PN 結(jié)耐壓高等等。 電磁兼容 方面。主要研究 典型電路與系統(tǒng)的 電磁 干擾建模； PCB 板和電源 EMC 優(yōu)化設(shè)計軟件；強磁場對人體的 危害 ；大功率開關(guān)電源 EMC 測量方法的研究等。 新型電容器 。 研發(fā)適合于功率電源的新型電容器和超大電容。要求電容量大、等效電阻 ESR 小、體積小等。 功率因數(shù)校正 。許多國家也在研究性價比較高的功率因數(shù)校正技術(shù)。 低壓大 電流。微處理器性能的不斷提高，低壓大電流開關(guān)電源也隨之發(fā)展起來。例如 電壓低達 ~，而電流 高 達 50~100A 的開關(guān)電源。 另外，還有 采用波形交錯技術(shù) ， 探尋省略濾波電容的可 行 性 等。開關(guān)電源還朝著模塊化方向發(fā)展。 本課題的主要研究內(nèi)容 隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種各樣的電子設(shè)備應(yīng)運而生，然而這么多電子設(shè)備，精密儀器的背后都需要有個穩(wěn)定輸出的電源做支持。從原有的線性穩(wěn)壓電源到現(xiàn)在的開關(guān)穩(wěn)壓電源，不論從體積、功耗、性能上，都有質(zhì)的飛躍，并且開關(guān)電源更容易實現(xiàn)多路不對稱輸出。這使得各種電子設(shè)備不同功 能的需要都可以得到滿足。本課題主要研究的是輸出 7 路隔離電壓的反激式開關(guān)電源，研究內(nèi)容如下 ： 第一章 引 言 3 本設(shè)計的 開關(guān)電源是采用全控型電力電子器件 MOSFET 作為開關(guān)，利用控制開關(guān) 器件 的占空比來調(diào)整 并穩(wěn)定 輸出電壓 ，主電路采用多路輸出單端反激式變換器結(jié)構(gòu)，采用 UC3844 控制芯片實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用 PC81 TL431 等專用芯片以及其他的電路元件相配合， 作為反饋環(huán)節(jié)， 使設(shè)計出的開關(guān)電源具有 電壓自我調(diào)節(jié)功能 。 開關(guān)工作頻率為 50kHz，輸出 7 路隔離的電壓。 設(shè)計流程： 1． 熟悉 UC384 PC81 TL431 的結(jié) 構(gòu)原理及作用。 2．多繞組 高頻 變壓器的設(shè)計。 3．輸出級設(shè)計。 4． MOSFET 開關(guān)管的選擇及其驅(qū)動電路設(shè)計。 5．由 PC81 TL431 組成的反饋環(huán)路的設(shè)計。 6．輸入整流濾波電路和輸入啟動電路的設(shè)計。 第二章 開關(guān)電源的原理 4 第二章 開關(guān)電源的原理 開關(guān)電源的基本原理 在線性電源中，功率晶體管工作在線性模式，線性電源的穩(wěn)壓是以犧牲調(diào)整管上的耐壓來維持的，因此調(diào)整管的功耗成為了線性穩(wěn)壓電源的主要損耗。與線性穩(wěn)壓電源不同的是，開關(guān)電源的功率開關(guān)管工作在開關(guān)（導(dǎo)通與截至）狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率開關(guān)管上的伏安乘積 總是很?。ㄔ趯?dǎo)通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流小）。功率器件上的伏安乘積就是功率開關(guān)管上所產(chǎn)生的損耗。 不同于線性穩(wěn)壓電源，開關(guān)電源更為有效的電壓控制方式是 PWM（ Pulse Width Modulation）控制方式， 就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制， 然后通過濾波電路 來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值） 。而開關(guān)電源多為對等幅脈沖進行控制，脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)的。當(dāng)輸入電壓被斬成交流方波，其輸出幅值就可以通過高頻變壓器來升高或降低。通過改變高頻變 壓器的二次繞組個數(shù)就可以改變電壓的輸出路數(shù)。最后這些交流脈沖波形經(jīng)過整流濾波后就得到所需的直流輸出電壓。 開關(guān)電源的 基本 工作 工程： 交流輸入經(jīng)整流濾波 變成 直流； 控制器輸出 高頻 PWM 信號控制開關(guān)管，將直流 電壓斬波成高頻脈沖電壓 加到 高頻 變壓器初級 繞組上 ； 高頻 變壓器次級 繞組 感應(yīng)出 高頻 電壓，經(jīng)整流濾波供給負載 ； 反饋環(huán)節(jié)從一部分輸出電壓采樣得到誤差電壓，經(jīng)誤差放大后輸入到控制器 ，控制占空比，以達到穩(wěn)定輸出 電壓 的目的 。 [3] 第二章 開關(guān)電源的原理 5 開關(guān)電源的組成 圖 21 所示為開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖： 功 率 變 換 電 路 高 頻 變 壓 器 輸 出 整 流 濾 波電 路 振 蕩 器 脈 寬 調(diào) 制 比 較 器 取 樣 器 基 準(zhǔn) 電 壓 D C D C 控 制 電 路 前 置 濾 波 電 路A C輸 入 整 流 電 路 濾 波 電 路 圖 21 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖 AC/DC 轉(zhuǎn)換電路是整流濾波電路。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源中最重要的組成部分，有 以下幾種 基本類型： buck型、 boost 型、 buckboost 型、 正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。 因設(shè)計需求，本設(shè)計在主電路拓撲上采用單端反激式。下面就對這一結(jié)構(gòu)主電路進行討論分析。 [3] 單端反激式拓撲分析 工作原理 圖 22 為單端反激式變換器拓撲結(jié)構(gòu)： 第二章 開關(guān)電源的原理 6 U i nDCR+U oT..SL 1 L 2L1iL2ioi 圖 22 單端反激式變換器拓撲結(jié)構(gòu) 圖中變壓器的初級繞組與次級繞組同名端相反， inU 為輸入直流電壓，開關(guān)S 為功率開關(guān)管， C 為輸出濾波電容， R 為負載， L1i 為初級繞組電流， L2i 為次級繞組電流； oU 和 oi 為輸出電壓和電流，參考方向如圖中所示。 單端反激式變換器又稱電感儲能式變換器，其變壓器兼有儲能、變壓、隔離三重作用。所謂單端，指變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。當(dāng)功率開關(guān)管 S 導(dǎo)通時，直流輸入電壓 inU 加在初級繞組上，在變壓器初級電感線圈中儲存能量，由于次級繞組感應(yīng)電壓為上負下正，使二極管 D 反偏截止，次級繞組中無電流，此時電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在初級電感中。當(dāng) S 截止時，初級感應(yīng)電壓 極性反向，使次級繞組感應(yīng)電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管 D 導(dǎo)通，儲存在變壓器中的能量傳遞給輸出電容 C，同時給負載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。當(dāng)開關(guān)管重新導(dǎo)通時，負載電流由電容 C 來提供，同時變壓器初級繞組重新儲能，如此反復(fù)。從以上電路分析可以看出， S 導(dǎo)通時，次級繞組無電流； S 截止時，次級繞組有電流，這就是“反激”的含義。 根據(jù)次級繞組放電時間的不同，單端反激式變換器分為 3 種工作模式：不連續(xù)工作模式（ DCM）、連續(xù)工作模式（ CCM）和臨界工作模式。 基本關(guān)系式 1． 共同關(guān)系式 第二章 開關(guān)電源的原理 7 開關(guān)管 S 導(dǎo)通期間，流過初級繞組 Np 的電流 1i 線性增長，其增量為 DTLUTLUi inonin 111 ??? （ 21） 式中 T 為開關(guān)周期， D 為占空比。 開關(guān)管 S 截止期間，流過次級繞組 Ns 的電流 2i 線性減小，設(shè)電流減小的時間是 t? ，則流過 Ns 的電流增量為 tLUi o ??? 22 （ 22） 開關(guān)管 S 截止期間， Np 上感應(yīng)電壓與電源電壓 inU 一起加在開關(guān)管 S 的 DS級上， DS 級承受的電壓為 spoinDS NNUUU ?? （ 23） 2． 連續(xù)工作模式 如果電流連續(xù)， TDTt off )1( ???? ，輸出電壓的表達式為 DDNNUU psio ?? 1 DTLUDINNDTLUDU IUI inopsin oo 111( m a x )1 212 ????? （ 24） 3． 斷續(xù)工作模式 S 導(dǎo)通期間，變壓器初級繞組儲存的能量 2/2(max)11ILWj ? ，所以電源輸入功率 iP 為 2(ma x)1121 ILTTWP ji ?? （ 25） 如果電流斷續(xù)， S 導(dǎo)通時起始電流為 0，則oni TLUI 1(max)1 ?，假設(shè)電路沒有損耗，輸入功率 iP 應(yīng)與輸出功率 oP 相等， 設(shè)輸出負載電阻為 LR ，則有 Loonino RUTLTUP 21222 ?? （ 26） 第二章 開關(guān)電源的原理 8 從而可以得到斷續(xù)模式輸