【文章內容簡介】 關 開關占空 比控制電路 比 較 電 路 整流濾波電路 取樣電路 交流輸入 VS VO39。 VO R1 R2 VE VC VREF 張志生：正激式開關穩(wěn)壓電源設計 第 4 頁 共 23 頁 電路平滑后，輸出直流電 VO（圖 （ c））。 顯然，輸出直流 VO 的大小取決于脈沖狀態(tài)交流電 VO39。的有效值大?。ǔ烧龋鳹O39。的有效值又與開關的導通占空比 D=TON/T（其中 T=TON+TOFF）成正比。此外，通過取樣比較電路中的取樣電阻 R1 和 R2 對輸出電壓 VO 取樣，并使之與基準電壓 VREF 進行比較，若取樣電壓高于 VREF，則比較電路輸出 VE 減小，取樣電壓控制占空比控制電路，使 TON/T 下降，從而使 VO 下降；若取樣電壓低于 VREF，則比較電路輸出 VE 增加，使TON/T 增加，從而使 VO 增加，這樣就可以使開關電源的輸出電壓 VO 穩(wěn)定在一個恒定值上。 圖 開關電源工作波形 Forward 正激式變換電路 單端正激變換器是一個隔離開關變換器，隔離型變換器的一個根本特點是有一個用于隔離的高頻變壓器，可用于高電壓的場合。高頻變壓器的引入，極大地增加了變換器的種類，豐富了變換器的功能。單端正激變換器拓撲以其結構簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應用于獨立的離線式中小功率電源設計中。 正激式直流變換器變壓器鐵芯的磁復位有多種方法，在輸入端接入復位繞組是最基本的方法 ，復位繞組也可以接 至 輸出端，其次還有 RCD 復位， LCD 復位和有源箝位等磁復位方法，這里應用具有復位繞組的 Forward 變換器。 主電路拓撲和控制方式 Forward 變換器實際上是在降壓式 BUCK 變換器中插入隔離變壓器而成，圖 給出了 Forward 變換器的主電路及其波形。開關管 Q 按 PWM 方式工作， D1 是輸出整流2020 級電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文 第 5 頁 共 23 頁 二極管， D2 是續(xù)流二極管， Lf 是輸出濾波電感， Cf 是輸出濾波電容。變壓器有三個繞組，原邊繞組 W1，副邊繞組 W2，復位繞組 W3，圖中繞組符號標有 “”號的一端表示該繞組的正端。 D3 是與復 位繞組 W3 串聯的二極管。 圖 Forward 變換器的主電路及其主要波形 張志生：正激式開關穩(wěn)壓電源設計 第 6 頁 共 23 頁 電流連續(xù)時 Forward 變換器的工作原理 圖 給出了變換器在不同工作模式下的等效電路圖。其工作原理可分為三種模式： ① 工作模式 1[0， TON] 如圖 （ a）所示，圖中加粗部分是電流流通部分，未加粗部分為斷開部分。在 t=0時，開關管 Q 導通，電源電壓 VIN 加在原邊繞組 W1 上，即 Vw1=Vin,故鐵芯磁 化，鐵芯磁通 ? 增長： inVdtdW ??1 （ 21） 在此工作模式中，鐵芯磁通 ? 的增長量為： ? ? syin TDWV 1?? ?? （ 22）變壓器的勵磁電流 iM 從 0 開始線性增加： tLVi MinM? （ 23） 式中， ML 是原邊繞組的勵磁電感。 那么副邊繞組 2W 上的電壓為： 12122 KVVWWV ininW ?? （ 24） 式中， K12=W1/W2 是原邊與副邊繞組的匝比。 此時，整流二極管 D1 導通，續(xù)流二極管 D2 截止，濾波電感電流 iLf 線性增加，這與 Buck 變換器中 Q 導通時一樣，只是電壓為 Vin/K12。 foinLVKVdtdiLf ?? 12 （ 25） （ a） Q 導通 2020 級電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文 第 7 頁 共 23 頁 （ b） Q 關斷 （ c） Q 關斷，磁復位完成 圖 不同開關模式下的等效電路 根據變壓器工作原理，原邊電流 iW1 為折算到原邊的副邊電流和勵磁電流之和，即 MLfW iKii ?? 121 （ 26） ② 工作模式 2[Ton， Tr] 如圖 （ b）所示，圖中加粗部分是電流流過部分，未加粗部分是斷開部分。在Ton 時刻，關斷 Q,原邊繞阻與副邊繞阻中沒有電流流過，此時變壓器通過復位繞阻進行磁復位，勵磁電流 iM 從復位繞阻 W3 經過二極管 D3 回饋到輸入電源中去。那么復位繞阻上的電壓為： inW VV ??3 （ 27） 這樣，原邊繞阻和副邊繞阻上的電壓分 別為： inW VKV 131 ?? （ 28） inW VKV 232 ?? （ 29） 式中， K13=W1/W3 是原邊與復位繞阻的匝比， K23=W2/W3 是副邊與復位繞阻的匝比。 此時，整流管 D1 關斷，濾波電感電流 iLf 通過 D2 續(xù)流，與 Buck 變換器類似。在此工作模式中，加在 Q 上的電壓 VQ 為： ? ? inininQ VKVKVV 1313 1 ???? （ 210） 電源電壓 Vin 反向加在復位繞組 W3 上，故鐵芯去磁，鐵芯磁通 ? 減?。? 張志生：正激式開關穩(wěn)壓電源設計 第 8 頁 共 23 頁 inVdtdW ???3 （ 211） 鐵芯磁通 ? 的減小量為： ? ? sin TDWV ????? ? 3? （ 212） 式中sonr TTTD ??? 是變壓器磁芯的去磁時間 onr TT? 與 Ts 的比值， D? yD?1 。 勵磁電流 iM 從原邊繞組中轉移到復位繞組中，并開始線性減少。 ? ??????? ???? onMinonMinMW TtL VKTLVKii 13133 （ 213） 在 Tr 時刻， iW3=iM=0，變壓器完成磁復位。 ③ 工作模式 3[Tr， Ts] 如圖 （ c） 所示，圖中加粗部分是電流流過部分，為加粗部分為斷開部分。在此 工作模式中，所有繞組中都沒有電流，它們的電壓都為 0V。濾波電感電流繼續(xù)經過續(xù)流管續(xù)流。此時開關管 Q 上的電壓 VQ=Vin。 開關電源設計流程 明確所要設計電源的技術指標 選擇控制芯片及開關管，并設計控制單元電路 高頻變壓器設計 整流濾波電路的設計 輸出級和反饋電路的設計 2020 級電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文 第 9 頁 共 23 頁 論文設計電源的技術指標 基本要求： ① 輸入輸出 輸入：市電 110V/220V（ 50Hz/60Hz）；輸出： 5V/2A； ? 15V/ ② 工作溫度 C?40? ~ C?150? ③ 工作頻率 132KHz 張志生：正激式開關穩(wěn)壓電源設計 第 10 頁 共 23 頁 3 高頻變壓器的設計 正激式變壓器主要 有 兩個作用：第一、實現輸入與輸出之間的電隔離；第二、升高或降低經脈寬調制以后的交流輸入電壓幅值。正激式變壓器除了磁芯材料本身磁化的一小部分能量外，是不能儲存能量的。 變壓器 的設計過程 ① 漆包線選擇：按 ，其次還要考慮高頻條件下導線的集膚效應（頻率越高，集膚效應越明顯，用線越應該細），大電流情況下，一般采用幾根導線并聯已達到所需導線平方數，這里 5V 輸出采用 ? 的線雙線并繞的方法，其余的均采用單線繞法。 ② 磁芯選擇：磁芯種類繁多，磁芯截面積是確定線圈匝數 的重要因素，確定磁芯的 Bm值為 ， 根據需要，選取 EI28 型鐵氧體磁芯，這是一種高頻導磁材料，主要用于高頻變壓器，其磁芯截面積 Ae 為 ? 1cm2。 ③ 線圈匝數 N=Udc*T*D /2*Bm*Ae Udc 是原邊的直流電壓 310V Ae 是截面積 T：周期 T=1/132KHz=， D：最大占空比 78% 輸出功率： 30W， 輸出電流： 2A、 ； 根據 U1:U2=N1:N2。I2:I1=N1:N2 確定原副邊匝數比，接著計算出原邊電流參數值 , 原邊電流參數值等于幾個電流之和 ,再確定原副邊各級線徑（按實際開關占空比計算）。 ④ 關于磁芯復位問題：在變壓器里設計與原邊匝數相同的復位繞組在開關管關斷時對磁芯進行復位。 變壓器繞制說明及繞制原理圖 說明： ① 表中膠帶為 P2 聚酯膠帶（ 1KV， 130 C? ，阻燃型）。 ② 線包各繞組均為同向繞法，線匝數少的應居線包中間繞制。 技術要求： ① 裝配完后，在磁芯周邊緊裹膠帶三層，用硬紙板填充磁芯與骨架的配合間隙。 ② 用 B 級絕緣漆浸漬、烘干。 2020 級電子信息工程專業(yè)畢業(yè)論文 第 11 頁 共 23 頁 ③ 各繞組間絕緣電阻應大于 10M? ，在繞組與磁芯、骨架間施加 500V 直流電壓持續(xù)一分鐘，不應該出現絕緣層擊穿和飛弧現象。 ④ 做介電強度試驗，各繞組間分別加 2KV/50Hz 交流電壓持續(xù)一分鐘，不應出現絕緣層擊穿和飛弧現象。 圖 變壓器繞制原理圖及