【正文】 .............................................57 外文翻譯 ...................................................................................................................................58 致謝 ...........................................................................................................................................82 附錄： ............................................................... 83 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 I 摘 要 本文闡述了一種多路輸出的 反激式開關(guān)電源電路的設(shè)計及應(yīng)用 。且在 4 路輸出中設(shè)有主回路和輔助回路，其中主回路通過電壓、電流反饋來控制 PWM 脈沖輸出寬度，最終構(gòu)成了一個能夠輸出穩(wěn)定電壓的多路輸出開關(guān)電源。 Switching Power supplies。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。另外由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展要求。 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制 (PWM)控制 IC和 MOSFET 構(gòu)成。 開關(guān)型穩(wěn)壓電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。此外，開關(guān)工作頻率為幾十千赫，濾波電容器、電感器數(shù)值較小，應(yīng)此開關(guān)電源具有體 重輕、體積小等優(yōu)點。 21 世紀，市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達幾十千赫；采用 MOSFET 的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換頻率可達幾百千赫。 21 世紀開關(guān)電源的追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面。 ②高可靠性。 ③低噪 聲。 ④采用計算機輔助設(shè)計和控制。高 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 頻化的實現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。 12V等多路組成，而對較復(fù)雜的電子系統(tǒng)來講，不同的電子系統(tǒng)，不僅對上述各種電壓組合有嚴格的要求，而且對這些電源電壓的諸多電特性也有較嚴格的要求，如電壓精度，電壓的負載能力（輸出電流），電壓的紋波和噪聲，起動 延遲，上升時間，恢復(fù)時間，電壓過沖，斷電延遲時間，跨步負載響應(yīng)，跨步線性響應(yīng)，交叉調(diào)整率，交叉干擾等。在控制回路的設(shè)計中我們選用了 UC3842芯片，其內(nèi)部具有電流、電壓雙反饋回路，而且具有過流過壓自動保護功能，使得電路結(jié)構(gòu)大為簡化。 技術(shù)指標 1） 設(shè)計出能達到要求的多路輸出開關(guān)電源的主電路； 2）設(shè)計出能達到要求的控制電路； 3） 確定開關(guān)電源的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式； 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 4）驅(qū)動電路和保護電路的設(shè)計 ：過電流檢測 、過電壓檢測、過電流保護及過電壓保護； 5） 完成相應(yīng)的濾波電路分析和變壓器設(shè)計； 6） 完成相關(guān)電氣元件的選型要有詳細的計算書（其中包括理論分析、設(shè)計計算、實驗及數(shù)據(jù)處理、設(shè)備及元器 件選擇等）； 7）主要技術(shù)指標： 輸入電壓 : 交流 50Hz， 220V177。 方案一：采用模擬的分立元件，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)穩(wěn)壓 電源穩(wěn)定輸出 +5V、177。 圖 直流穩(wěn)壓電源基本組成框圖 方案二： 多路輸出開關(guān)電源的關(guān)鍵點是電源電壓只要不超過最大值，無論系統(tǒng)的各路負載特性如何變化，各路輸出電壓依然精確無誤。下面方案二是它的改進型。輸入整流濾波由二極管組成的橋式不可控整流電路和電容組成，將輸入的 220V 電壓整成約 300 V 的直流電壓輸出。并且 UC3842 芯片兼有過流保護和過呀保護功能，使得電路結(jié)構(gòu)大為簡化。整體電路結(jié)構(gòu)如下所示。 （ 2）變壓。 （ 4）濾波。 在圖 中，三角波發(fā)生器的輸出波形加到比較器的反相端，其同相端接比較放大器的輸出 Vf。假設(shè)輸出電壓增加，則 FVo增加，比較放大器的輸出 Vf減小，那么比較器的輸出波形中 toff增加，從而使調(diào)整管的導(dǎo)通時間減小， 輸出電壓下降，起到穩(wěn)壓的作用。其作用是通過 R1和 R2組成的分壓器檢測出輸出電壓 U0的值 ,將 U0通過誤差放大器與參考電壓 UREF進行比較，得到誤差電壓 Uea，將 Uea通過脈寬調(diào)制器 PWM 與鋸齒比電壓進行比較，得到 PWM 矩形波脈沖，此脈沖列通過驅(qū)動器并以負反饋的方式，對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 行 PWM 控制，并將 Udc轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)值的直流穩(wěn)定電壓 U0，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的；四是開關(guān)電源 保護電路，其作用是保護開關(guān)電源安全穩(wěn)定的工作。輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾 能量，通過開關(guān)電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產(chǎn)生電場和磁場。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面著手。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 ① 采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾；電磁屏蔽用的導(dǎo)體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導(dǎo)體時常增強靜電耦合而產(chǎn)生所謂“負靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發(fā)揮靜電屏蔽的作用。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導(dǎo)電平面 (底板或多層印制板電路的導(dǎo)電平面層等 )作為 參考 地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本 身的侵害。 濾除電磁干擾電路設(shè)計 電源噪聲是電磁干擾（ EMI）的一種，它屬于射頻干擾（ RFI），其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致分為 10kHz~30MHz,最高可達 15MHz。串模干擾時兩條電源線之間（簡稱線 對線）的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對大地（簡稱線對地）的噪聲。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感） L、濾 波電容 C1C4 。 L的電感量與 EMI 濾波器的額定電流 I有關(guān)，參見表。 C3 和 C4 跨接在輸出端，并將電容器的中點接通大地，能有效抑制共模干擾。上述參數(shù)中最重要的是插入損耗（亦稱插入衰減），它是評價電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標。鑒于理論計算比較繁瑣且誤差較大，通常由生產(chǎn)廠家進行實際測量，根據(jù)噪聲頻譜點測出所對應(yīng)的插入損耗，然后繪制出典型的插入損耗曲線，向用戶提供。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 顯然，漏電流與 C 成正比。浪涌保護主要是指防雷保護，就是在極短時間內(nèi)釋放掉設(shè) 備上因感應(yīng)雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量到安全地線上，從而保護了整個設(shè)備。氣體放電管一般由兩種金屬導(dǎo)體組成，并以 1015cm 的距離隔開，管內(nèi)含大量氣體，當(dāng)放電管兩端電壓上升到一定程度時，擊穿隔離層，形成低阻抗，使得大量的能量通過放電管瀉放到安全地線上，其缺點是易引起泄露，增加損耗。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時尖峰脈沖時，壓敏元件可以進行削波鉗位。對于 220V 的工頻輸入電壓，通常選用壓敏電壓為 380420V的壓敏電阻，大多選用 420V 的壓敏電阻。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 ．整流、濾波電路 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。 隔離式 PWM DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路比較，見表 3。而反激式轉(zhuǎn)換器的變壓器比較特殊，它兼有儲能電感的作用，是一種儲能式 變壓器。 在連續(xù)導(dǎo)電模式下，反激式轉(zhuǎn)換器的輸出 /輸入電壓轉(zhuǎn)換比為 U0/Ui=nDu(1Du) 式中， n=W1/W2 反激式轉(zhuǎn)換器主開關(guān)管承受最大電壓 Ui +U0/n. 此外 ，兩個開關(guān)管與變壓器初級繞組串聯(lián)，也可以組成雙管反激式轉(zhuǎn)換器。因此，在控制開關(guān) K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢方向是不一樣的。 正激式變壓器開關(guān)電源工作原理 所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。 正激式變壓器開關(guān)電源有一個最大的缺點，就是在控制開關(guān) K關(guān)斷的瞬間 開關(guān)電源變壓器的初、次線圈繞組都會產(chǎn)生很高的反電動勢，這個反電動勢是由 流過變壓器初線圈繞組的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。相當(dāng)于變壓器次級線圈開路，變壓器次級線圈相 當(dāng)于一個電感。當(dāng)控制開關(guān) K 將要關(guān)斷，且開關(guān)電源工作 于輸出電流臨界連續(xù)狀態(tài)時， i1和 Φ 均達到最大值： oni TLUi 1max1 ? — K 關(guān)斷瞬間 (35) m a x1m a x BSBSTNU roni ?????? — K 關(guān)斷瞬間 (36) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 公式 (35)、公式 (36)中， i1max為流過變壓器初級線圈 N1繞組的最大電流 ，即控制開關(guān)關(guān)斷瞬間前流過變壓器初級線圈 N1繞組的電流； Φmax為變壓器鐵心中的最大磁通，即 控制開關(guān)關(guān)斷瞬間前變壓器鐵心中的磁通， S 為變壓器鐵心導(dǎo)磁面積， Br為剩余磁感應(yīng)強度， Bmax為最大磁感應(yīng)強度。 對公式 (37）和公式 (38）進行積分，并把 uo 用 Uo 代之，即可求得： )0(2202 itLUi ??? — K 關(guān)斷期間 (39） )0(20 ????? tLU — K 關(guān)斷期間 (310） 上面 2 式中， i2是流過變壓器次級線圈 N2繞組的電流， Φ 為變壓器鐵心中的磁通； i2(0)為變壓器次級線圈 N2繞組的初始電流， Φ(0)為初始磁通。當(dāng)開關(guān)電源工作 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 于電流臨界連續(xù)工作狀態(tài)時，（ 311）式中的 i2x等于 0，而公式 (312）中的 Φx等于 。 在控制開關(guān) K 關(guān)斷的 Toff期間，變壓器鐵心中的磁通主要由變壓器次級線圈回路中的電流來決定，這就相當(dāng)于流過變壓器次級線圈中的電流所產(chǎn)生的磁場可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場強度恢復(fù)到初始狀態(tài)。有時，當(dāng)負載電流變化的頻率或相位正好與取樣、調(diào)寬控制電路輸出電壓的延時特性在相位保持一致的時候，反激式開關(guān)電源輸出電壓可能會產(chǎn)生抖動。在場效應(yīng)管關(guān)閉瞬間，變壓器次級繞組放電電流為最大值 Ismax，若忽略某種損耗應(yīng)為式： Ismax=nIpmax =n（ E/Lp） Ton ,n——變壓器變比， n=NP/NS, NP、 NS為變壓器初、次級繞組匝數(shù)。 輸出整流濾波電路直接影響到電壓紋波的大小，影響輸出電壓的性能。 （ 2）高頻信號噪聲，開關(guān)電源中對直流輸入進行高頻斬波，然后通過高頻變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻入高頻的噪聲干擾?；诘蛪?、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時間短，有利于減少高頻噪聲 。為了保證濾波后波形的完整性，要求互相配合實現(xiàn) 360 度的導(dǎo)通，因此采用快速恢復(fù)二極管 (用于 ? 12V， 24V 整流 )和肖特基二極管 (用于 +5V 整流 )?？旎謴?fù)二極管主要應(yīng)用在逆變電源中做整流元件。其反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H 左右，而整流電流卻可達到幾千安培。 在穩(wěn)壓輸出部分主要采用集成穩(wěn)壓管來實現(xiàn)題目所要求的功能。它們的使用十分方便，只有三個引出端：輸入端、輸出端和公共端，電路符號如圖 所示。 圖 78 系列三端集 成穩(wěn)壓器內(nèi)部方框圖 圖 為兩種穩(wěn)壓電源的應(yīng)用電路。一般輸出端無須接入大電解電容。 二極管 D9 是輸出整流二極管、 D10 是續(xù)流二極管、 L2是輸出濾波電感， 電容 C16 是輸出濾波電容，在開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器次級繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此時整流二極管導(dǎo)通，電感 L3 的電流線性增加，當(dāng)電流斷續(xù)時，電感 L2 通過續(xù)流二極管釋放能量。 12V 整流輸出電路圖 24V 輸出電路如圖 所示，使用三端集成穩(wěn)壓管 LM7824 來穩(wěn)壓。從濾波效果方面考慮，電感量越大，效果越明顯。 電路進入穩(wěn)定狀態(tài)后，電感電流在最小值 Imin 和最大值 Imax 之間波動變化，波動的幅度為Δ I，電感 L與Δ I 的關(guān)系為 L=U0/Δ I(1D)T 取Δ I為 則得 L2=36mH,L3=18mH,L4=18mH,L5=. 設(shè)計的開關(guān)電源分四路輸出，分別為 24V/,12V/1A,12V/,5V/3A.其中 5V 輸出最大功率為 15W,電源輸出總的功率為 45W. 在單端反激式開關(guān)電源中，高頻變壓器的設(shè)計計算是核心工作，設(shè)計時，要保證電源的調(diào)整率和對線圈的漏感要求，還要對高頻變壓器的外形尺寸及系統(tǒng)成本進行