【正文】 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(diǎn) ：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(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 損 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(shí) 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(jì)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(shí)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：本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用PC81TL431 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(jì)出的開關(guān)電源具有電壓自我調(diào)節(jié)功能。設(shè)計(jì)流程：1．熟悉 UC384PC817 、TL431 的結(jié)構(gòu)原理及作用。3．輸出級設(shè)計(jì)。5．由 PC81TL431 組成的反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)。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小（在導(dǎo)通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流小）。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] 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(jì)需求，本設(shè)計(jì)在主電路拓?fù)渖喜捎脝味朔醇な健?[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) ：U i nDCR+U oT..SL 1 L 2L1i L2ioi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， 為輸入直流電壓，開inU關(guān) S 為功率開關(guān)管， C 為輸出濾波電容， R 為負(fù)載， 為初級繞組電流， 為L1L2i次級繞組電流； 和 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)系式開關(guān)管 S 導(dǎo)通期間，流過初級繞組 Np 的電流 線性增長，其增量為1i （ 21）DTLUiinoin11??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(jì)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(shí)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(diǎn)是：有一個可微調(diào)的振蕩器，用來精確地控制占空比；有一個經(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(shí)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。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(diǎn)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(jì)。(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(shí)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：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 的關(guān)系：fI圖 35 PC817 集 電 極 發(fā) 射 極 電 壓 V 與 發(fā) 光 二 極 管 正 向 電 流 關(guān) 系fI 可 調(diào) 精 密 并 聯(lián) 穩(wěn) 壓 器 TL431本課題所設(shè)計(jì)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，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；是輸出電壓 的設(shè)定端，根據(jù) ，外接電阻分壓器選擇refUo refoUR)/(21??不同的 和 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(jì) 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)闹饕骷夷軌驅(qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的電器隔離。因此，全面分析設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)際應(yīng)用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等?？紤]到價(jià)格的因素，本設(shè)計(jì)選用國產(chǎn) NCDLPZ 材料的鐵氧體磁芯。 [9][10][11]eA2mcw2 （ 31）??mHkfIDVLpkinlp . ????（ 32）BAILepkgap 86max28in ????????其中， 為磁芯有效截面積，單位eA2cm為最大工作磁通密度，單位 GmaxB為最小初級電感，單位 HinpL maxpN查表可知，EE35/35/10 磁芯的 =120nH/N2lA （ 33）匝129019306inmax ???lppL為方便次級繞組設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)取 =111 砸pN V5sVD 采用肖特基二極管，典型值為 DC 5V 繞 組 ： = 取 3 匝 （ 34）?V5sN????maxinlDv5p1 ??VsDVDnoN55s ???DC 12V 繞組： 取 7 匝?V12sDC+24V 繞組： 取 13 匝4N ??%10)(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(jì)的。輸出整流電路原理圖如圖所示 + 5 VG N DC 1 3 C 1 4D 5L 2圖 37 輸 出 整 流 電 路輸出整流管宜采用正向壓降小的肖特基二極管，這樣可以減少損耗，其反向恢復(fù)時間短，不僅可以降低損耗，并且可以減小噪聲干擾。對于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)： ??outinhpsrVNV??DC 5V： =15V ，采用 2GWJ42?oinh