【正文】 .............................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。 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?。洪_關(guān)電源效率通常在 75%以上，有的甚至可以達(dá)到 90%以上。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。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。 4． 安全可靠：開關(guān) 電源一般都具有多種保護(hù)電路，保證電源的安全可靠工作。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(jì)、實用，它在國民經(jīng)濟(jì)以及國防，高科技發(fā)展中都有廣泛的應(yīng)用前景。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(qiáng)， 如 5~6181。 鐵氧體或其他薄膜材料 可 集成在硅片上 等。致力于減小功率器件的通態(tài)電阻、降低漏電流等。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。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(qiáng)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。 研發(fā)適合于功率電源的新型電容器和超大電容。 功率因數(shù)校正 。 低壓大 電流。例如 電壓低達(dá) ~，而電流 高 達(dá) 50~100A 的開關(guān)電源。開關(guān)電源還朝著模塊化方向發(fā)展。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。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 。 設(shè)計流程： 1． 熟悉 UC384 PC81 TL431 的結(jié) 構(gòu)原理及作用。 3．輸出級設(shè)計。 5．由 PC81 TL431 組成的反饋環(huán)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。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?。?。 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(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)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） 。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。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。 [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。 因設(shè)計需求，本設(shè)計在主電路拓?fù)渖喜捎脝味朔醇な健?[3] 單端反激式拓?fù)浞治? 工作原理 圖 22 為單端反激式變換器拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(fù)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。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) 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(fù)載供電，磁能轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。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。 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。因此，斷續(xù)模式下負(fù)載不能開路。本課題設(shè)計的電源主電路拓?fù)洳捎脝味朔醇な阶儞Q器結(jié)構(gòu)，采用 UC3844 作為 PWM 主控 IC，以實現(xiàn)電壓和電流的雙閉環(huán)控制，從而提高負(fù)載調(diào)整率，電壓 調(diào)整率，以達(dá)到電子設(shè)備對電源電壓穩(wěn)定性的要求，本電源開關(guān)頻率設(shè)定在 50kHz，同時輸出 7 路相互隔離的電壓。 效率 80%時的損耗為 。這種控制 IC 的特點是：有一個可微調(diào)的振蕩器，用來精確地控制占空比；有一第三章 系統(tǒng)設(shè)計 12 個經(jīng)過高溫補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓；一個高增益誤差放大器和一個電流感應(yīng)比較器；一個適用于功率 MOSFET 的圖騰柱大電流推挽輸出以及過壓過流保護(hù)功能。另一個為內(nèi)部電流感 應(yīng)比較器所構(gòu)成的電流閉環(huán)控制回路，變壓器初級繞組中的電流在反饋電阻 Rs 上產(chǎn)生的壓降，通過第 3 腳，與誤差電壓進(jìn)行比較，調(diào)節(jié) PWM 波的占空比。 1 腳為補(bǔ)償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接 RC 網(wǎng)絡(luò)對誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。 3 腳為電流檢測輸入腳，外接電流檢測電阻，將流過初級繞組上的電流實時反饋到控制器，當(dāng) 3 腳電壓等于或高于 1V 時，電流檢測比較器輸出高電平，復(fù)位 PWM 鎖 存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，起到過流保護(hù)作用。 5 腳是地，是控制電路和電源的公共地。 7 腳為集成電路的正電源，其開啟電壓為 16V，關(guān)閉閥值為 10V。當(dāng)開關(guān)電源通電瞬間，高壓直流電通過一 個大阻值的電阻降壓供給 UC3844，當(dāng) 7 腳的電壓大于 16V時，芯片立即啟動，此時啟動電流小于 1mA，此時無輸出， 6 腳輸出正脈沖，使變壓器也啟動工作，變壓器一路輸出繞組專門給 UC3844 供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時的工作電流約為 15mA。 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 14 8 腳為基準(zhǔn)電壓輸出，產(chǎn)生精確的 +5V 基準(zhǔn)電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達(dá) 50mA。 UC3844 的最大的優(yōu)點就是外圍元件少，外電路裝配簡單，且成本低，適用于 20~100W 小功率開關(guān)電源的驅(qū)動電路設(shè)計。 (6)UC3844 控制的開關(guān)電源工作占空比 D50%[5] 線性光耦合器 PC817 光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號的器件。當(dāng)輸入端加電信號時，發(fā)光器（發(fā)光二極管）發(fā)出 強(qiáng)弱 光線，照射在受光器（光敏晶體管）上，受光器接受 強(qiáng)弱不同的 光線后導(dǎo)通 程度也不同 ，產(chǎn)生 不同強(qiáng)度的 電流從輸出端輸出，實現(xiàn)了 “電 光 電 ”的轉(zhuǎn)換。線性光電耦是一種與普通光耦不同的新型光電轉(zhuǎn)換器件，它可以傳輸模擬電壓或電流信號，輸入信號的強(qiáng)弱不同，發(fā)光器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)弱的光信號，從而使受光器的導(dǎo) 通程度也隨光信號強(qiáng)弱的不同而輸出的電壓或電流強(qiáng)度也隨之不同并具有線性的對應(yīng)關(guān)系。 [7] PC817 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 34 所示： 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 34 PC817 內(nèi)部框圖 圖 35 為 PC817 集電極發(fā)射極電壓 V 與發(fā)光二極管正向電流 fI 的關(guān)系： 圖 35 PC817 集電極發(fā)射極電壓 V 與發(fā)光二極管正向電流 fI 關(guān)系 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431 本課題所設(shè)計的基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用三端穩(wěn)壓器 TL431 構(gòu)成。 TL431 是 ～ 36V 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。它可以輸出 ~36V 連續(xù)可調(diào)電壓，第三章 系統(tǒng)設(shè)計 16 工作電流范圍寬達(dá) ～ 100mA，動態(tài)電阻典型值為 歐，輸出雜波低。 圖 36 TL431 的電氣符號圖和等效電路圖 圖中， A 為陽極，需接地使用； K 為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源； refU 是輸出電壓 oU 的設(shè)定端，根據(jù) refo URRU )/1( 21?? ，外接電阻分壓器選擇不同的1R 和 2R 的值可以得到從 ~36V 范圍內(nèi)連續(xù)輸出電壓。 [6] 高頻變壓器的設(shè)計 高頻變壓器作用 高頻變壓器是開關(guān)電源的重要組成部件，它不僅是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹?要器件，而且能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的電器隔離。因此，全面分析設(shè)計變壓器的材料、損耗、磁通密度、制造工藝就顯得尤為重要。當(dāng)截止脈沖到來時，根據(jù)楞次定律，次級產(chǎn)生與之前方向相反的感應(yīng)電壓，使整流二極管立即導(dǎo)通， 次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓向輸出濾波電容充電，即把能第三章 系統(tǒng)設(shè)計 17 量從初級繞組傳遞到次級的輸出電容中，并給負(fù)載供電。 高頻變壓器的設(shè)計 選擇變壓器的磁芯及材料 用于開關(guān)電源的高頻變壓器磁芯都是鐵磁合金，實際應(yīng)用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等?？紤]到價格的因素，本設(shè)計選用國產(chǎn) NCDLPZ 材料的鐵氧體磁芯。 [9][10][11] 臨界電感 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 18 ? ? mHkfIDVL pki n lp a xm i n ????? （ 31） mmBA ILLepkpgap 2 86m a x28m i n ?? ??????????（ 32） 其中， eA 為磁芯有效截面積，單位 2cm maxB 為最大工作磁通密度，單位 G minpL 為最小初級電感，單位 H maxpN 查表可知 ， EE35/35/10 磁芯的 lA =120nH/N2 匝12910120201 9 3 0 63m i nm a x ????? lpp ALN （ 33） 為方便次級繞組設(shè)計，本設(shè)計取 pN =111 砸 V5sN VD 采用肖特基二極管，典型值為 DC ? 5V 繞組： V5sN = ? ?? ? ??m a xi n lm a xDv5p DV D1VVN 取 3 匝 （ 34） ? ? ? ? VsDVDnon NVVVVN 55s ???? DC ? 12V 繞組： ?V12sN 取 7 匝 DC+24V 繞組： ?V24sN 取 13 匝 ? ? %100)( 39。無源輸出級就是基于傳統(tǒng)的無源半導(dǎo)體器件設(shè)計的。