7路輸出單端反激式開關電源設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　多路輸出單端反激式開關電源設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　開關電源是一種采用PWM等技術控制的開關電路構成的電能變換裝置，它廣泛應用于交直流或直直流電能變換中，通常稱其為開關電源（Switched Mode Powe

2、r Supply-SMPS）其功率從零點幾瓦到數(shù)十千瓦不等，廣泛用于生活、生產(chǎn)、科研、軍事等各個領域。開關電源因其體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源，被譽為高效節(jié)能電源，現(xiàn)己成為穩(wěn)壓電源的主導產(chǎn)品。</p><p>　　本課題是設計一個通用的多路輸出的反激式開關電源，電源取自220V市電。本題目設計的開關電源是采用全控型電力電子器件MOSFET作為開關，利用控制開關的導通時間來調(diào)整

3、輸出電壓，主控制芯片采用UC3844實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用PC817、TL431等專用芯片以及其他的電路元件相配合作為反饋電路，使設計出的開關電源具有自動穩(wěn)壓功能。系統(tǒng)工作頻率為50kHz，輸出7路隔離的電壓。</p><p>　　關鍵詞：開關電源，反激式變換器，高頻變壓器，UC3844</p><p><b>　　Abstract</b></p>

4、<p>　　Switching power supply using the PWM, control switch circuit of the power conversion device, it is widely used in AC to DC or DC to DC can transform, usually called the switching power supply (Switched Mode P

5、ower Supply-S MPS) power from zeroranging from a few watts to tens of kilowatts,is widely used in various fields of life, production, research, and military.The switching power supply because of its small size, light wei

6、ght,high efficiency, stable performance and other advantages of graduall</p><p>　　This project is to design a generic multi-output flyback switching power supply,power supply from the 220V mains. Switching p

7、ower supply design of this topic is the use of full-controlled power electronic devices MOSFET as a switch, control switch conduction time to adjust the output voltage, the main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedica

8、ted chipand compatible with other circuit elements as a feedback circuit,voltage and current double closed loop control,the design ofswitching power supply</p><p>　　Keywords: switching power supply, flyback

9、converter, high-frequency transformer, UC3844目 錄</p><p><b>　　摘 要...I</b></p><p>　　Abstract..II</p><p>　　目 錄.III</p><p>　　第一章 引 言..1</p>&l

10、t;p>　　1.1 課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 開關電源的技術動態(tài)2</p><p>　　1.3 本課題的主要研究內(nèi)容2</p><p>　　第二章 開關電源的原理..4</p><p>　　2.1 開關電源的基本原理4</p><p>　　2.2 開關電源的組成5<

11、/p><p>　　2.3 單端反激式拓撲分析5</p><p>　　2.3.1 工作原理5</p><p>　　2.3.2 基本關系式6</p><p>　　第三章 系統(tǒng)設計..9</p><p>　　3.1 技術指標9</p><p>　　3.2 黑箱設計9</p>

12、<p>　　3.3 開關電源電路圖10</p><p>　　3.4 關鍵元器件的選擇與設計11</p><p>　　3.4.1 控制器芯片UC384411</p><p>　　3.4.1.1 UC3844的內(nèi)部結構及管腳功能12</p><p>　　3.4.1.2 UC3844的特點14</p><p&

13、gt;　　3.4.2 線性光耦合器PC81714</p><p>　　3.4.3 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL43115</p><p>　　3.4.4 高頻變壓器的設計16</p><p>　　3.4.4.1 高頻變壓器作用16</p><p>　　3.4.4.2 高頻變壓器的設計17</p><p>　　3.4

14、.5 輸出級的設計19</p><p>　　3.4.6 功率MOSFET及其驅(qū)動電路設計20</p><p>　　3.4.6.1 功率MOSFET的選擇20</p><p>　　3.4.6.2 功率MOSFET控制電路及其參數(shù)選擇21</p><p>　　3.4.7 電壓反饋電路設計22</p><p>　　

15、3.4.7.1 電路圖及原理22</p><p>　　3.4.7.2 元器件參數(shù)選擇22</p><p>　　3.4.8 輸入啟動電路的設計23</p><p>　　3.4.9 輸入整流濾波電路的設計24</p><p>　　3.4.9.1 電路原理圖24</p><p>　　3.4.9.2 元器件參數(shù)選擇

16、24</p><p>　　3.4.10 保護電路的設計25</p><p>　　3.5 電路工作過程總結26</p><p>　　第四章 設計總結28</p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p><b>　　致 謝31</b></p&

17、gt;<p><b>　　第一章 引 言</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，電子設備的廣泛應用，這些設備對電源的要求也越來越高，傳統(tǒng)線性電源笨重效率低，嚴重影響電子設備、電子產(chǎn)品的發(fā)展。于是，20世紀60年代開關電源誕生了。</p><p>　　與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源

18、相比開關電源有以下優(yōu)點：</p><p>　　1．效率高，損耗?。洪_關電源效率通常在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，這對電子設備的可靠性和穩(wěn)定性的提升有明顯的作用。</p><p>　　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

19、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，開關電源比較適合電網(wǎng)波動較大的地區(qū)使用。</p><p>　　3．體積小，重量輕：開關穩(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。</p><p>　　4．安全可靠：開關電源一般都具有多種保護電

20、路，保證電源的安全可靠工作。</p><p>　　隨著電力電子技術的發(fā)展和進步，開關電源技術在不斷地創(chuàng)新，目前，涌現(xiàn)出許多開關電源的新技術和新產(chǎn)品。開關電源技術是一種普適性、滲透性的綠色化技術，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)展中都有廣泛的應用前景。</p><p>　　1.2 開關電源的技術動態(tài)</p><p>　　高頻方面。許多國

21、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5~6µm超薄鈷基非晶態(tài)磁帶，納米結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。</p><p>　　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（SiC）功率半導體器件，其優(yōu)點是：禁帶寬，工作溫度高（可達600°C），通態(tài)電阻小，導熱性能好，漏電流極小，PN結耐壓高等等

22、。</p><p>　　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)化設計軟件；強磁場對人體的危害；大功率開關電源EMC測量方法的研究等。</p><p>　　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。</p><p>　　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。

23、</p><p>　　低壓大電流。微處理器性能的不斷提高，低壓大電流開關電源也隨之發(fā)展起來。例如電壓低達1.1~1.8V，而電流高達50~100A的開關電源。</p><p>　　另外，還有采用波形交錯技術，探尋省略濾波電容的可行性等。開關電源還朝著模塊化方向發(fā)展。</p><p>　　1.3 本課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　隨著電

24、子技術的高速發(fā)展，各種各樣的電子設備應運而生，然而這么多電子設備，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，并且開關電源更容易實現(xiàn)多路不對稱輸出。這使得各種電子設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電源，研究內(nèi)容如下：</p><p>　　本設計的開關電源是采用全控型電力電子器件MOSF

25、ET作為開關，利用控制開關器件的占空比來調(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構，采用UC3844控制芯片實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制，采用PC817、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)，使設計出的開關電源具有電壓自我調(diào)節(jié)功能。開關工作頻率為50kHz，輸出7路隔離的電壓。</p><p><b>　　設計流程：</b></p><p&

26、gt;　　1．熟悉UC3844、PC817、TL431的結構原理及作用。</p><p>　　2．多繞組高頻變壓器的設計。</p><p><b>　　3．輸出級設計。</b></p><p>　　4．MOSFET開關管的選擇及其驅(qū)動電路設計。</p><p>　　5．由PC817、TL431組成的反饋環(huán)路的設計。<

27、;/p><p>　　6．輸入整流濾波電路和輸入啟動電路的設計。</p><p>　　第二章 開關電源的原理</p><p>　　2.1 開關電源的基本原理</p><p>　　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，開關電源的功率

28、開關管工作在開關（導通與截至）狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率開關管上的伏安乘積總是很?。ㄔ趯〞r，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?。功率器件上的伏安乘積就是功率開關管上所產(chǎn)生的損耗。</p><p>　　不同于線性穩(wěn)壓電源，開關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，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

29、的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。而開關電源多為對等幅脈沖進行控制，脈沖的占空比是開關電源的控制器來調(diào)節(jié)的。當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。</p><p>　　開關電源的基本工作工程：</p><p>　　1、交流輸入經(jīng)整流濾波變成

30、直流；</p><p>　　2、控制器輸出高頻PWM信號控制開關管，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；</p><p>　　3、高頻變壓器次級繞組感應出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負載；</p><p>　　4、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]</p>&l

31、t;p>　　2.2 開關電源的組成</p><p>　　圖2-1所示為開關電源的結構框圖：</p><p>　　圖2-1 開關電源的結構框圖</p><p>　　AC/DC轉(zhuǎn)換電路是整流濾波電路。</p><p>　　DC/DC轉(zhuǎn)換器是開關電源中最重要的組成部分，有以下幾種基本類型：buck型、boost型、buck-boost型、

32、正激式、反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　因設計需求，本設計在主電路拓撲上采用單端反激式。下面就對這一結構主電路進行討論分析。[3]</p><p>　　2.3 單端反激式拓撲分析</p><p>　　2.3.1 工作原理</p><p>　　圖2-2為單端反激式變換器拓撲結構：</p><p&

33、gt;　　圖2-2 單端反激式變換器拓撲結構</p><p>　　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，開關S為功率開關管，C為輸出濾波電容，R為負載，為初級繞組電流，為次級繞組電流；和為輸出電壓和電流，參考方向如圖中所示。</p><p>　　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)。

34、當功率開關管S導通時，直流輸入電壓加在初級繞組上，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S截止時，初級感應電壓極性反向，使次級繞組感應電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管D導通，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。當開關管重新導通時，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。從以上電路分析可

35、以看出，S導通時，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。</p><p>　　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。</p><p>　　2.3.2 基本關系式</p><p><b>　　1．共同關系式</b></p>

36、<p>　　開關管S導通期間，流過初級繞組Np的電流線性增長，其增量為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中T為開關周期，D為占空比。</p><p>　　開關管S截止期間，流過次級繞組Ns的電流線性減小，設電流減小的時間是，則流過Ns的電流增量為</p><p><

37、;b>　?。?-2）</b></p><p>　　開關管S截止期間，Np上感應電壓與電源電壓一起加在開關管S的DS級上，DS級承受的電壓為</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　　2．連續(xù)工作模式</b></p><p>　　如果電流連續(xù)，，輸出

38、電壓的表達式為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　3．斷續(xù)工作模式</b></p><p>　　S導通期間，變壓器初級繞組儲存的能量，所以電源輸入功率為</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p&

39、gt;　　如果電流斷續(xù)，S導通時起始電流為0，則，假設電路沒有損耗，輸入功率應與輸出功率相等，設輸出負載電阻為，則有</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　從而可以得到斷續(xù)模式輸出電壓的表達式為</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由式（

40、2-7）可知，在斷續(xù)模式下，輸出電壓與輸入電壓和導通時間成正比，與負載電阻的平方根成正比。因此，斷續(xù)模式下負載不能開路。[4]</p><p><b>　　第三章 系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　3.1 技術指標</b></p><p>　　本課題是針對現(xiàn)代電子設備對供電電源的需求，以220V市電為能源供應

41、，經(jīng)整流濾波、高頻變壓器、再經(jīng)過輸出整流濾波，得到電子設備所需的5V、12V、+24V等電壓。本課題設計的電源主電路拓撲采用單端反激式變換器結構，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，從而提高負載調(diào)整率，電壓調(diào)整率，以達到電子設備對電源電壓穩(wěn)定性的要求，本電源開關頻率設定在50kHz，同時輸出7路相互隔離的電壓。</p><p><b>　　技術指標如下：</b>

42、</p><p>　　1．輸入：AC185~250V，50/60Hz</p><p>　　2．輸出：5V/0.5A（4路），12V/1A，+24V/1A</p><p>　　3．開關頻率：50kHz</p><p>　　4．效率：大于80%</p><p>　　5．輸出文波：最大100mV（峰峰值）</p>

43、<p>　　6．輸出精度：5V，12V：最大5%</p><p><b>　　24V：最大10%</b></p><p>　　7．最大占空比：45%</p><p><b>　　3.2 黑箱設計</b></p><p>　　1．總輸出功率：=58W</p><p&g

44、t;　　2．估算輸入功率：==72.5W</p><p>　　3．直流輸入電壓：==V</p><p><b>　　==V</b></p><p><b>　　4．平均輸入電流：</b></p><p>　　a．最大平均輸入電流：==0.28A</p><p>　　b．最小平

45、均輸入電流：==0.21A</p><p>　　5．估算峰值電流：=5.5=1.22A</p><p>　　6．散熱：根據(jù)MOSFET反激式變換器經(jīng)驗方法：</p><p>　　損耗的35%是由MOSFET產(chǎn)生的，損耗的60%是由整流部分產(chǎn)生的，5%是由其他部分產(chǎn)生的。</p><p>　　效率80%時的損耗為14.5W。</p>

46、<p>　　a．MOSFET：=6.7W</p><p>　　b．整流部分：=0.375W</p><p><b>　　=1.8W</b></p><p><b>　　=3.6W</b></p><p>　　3.3 開關電源電路圖</p><p>　　設計的完整

47、開關電源電路圖如下：</p><p>　　圖3-1 本設計開關電源電路圖</p><p>　　3.4 關鍵元器件的選擇與設計</p><p>　　3.4.1 控制器芯片UC3844</p><p>　　UC3844 PWM控制IC是高性能頻率固定的電流型PWM控制器，它為實際設計提供了一種電路簡單、外圍元件少、帶負載能力強而又經(jīng)濟的解決方案。

48、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；有一個經(jīng)過高溫補償?shù)幕鶞孰妷?；一個高增益誤差放大器和一個電流感應比較器；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功能。</p><p>　　3.4.1.1 UC3844的內(nèi)部結構及管腳功能</p><p>　　圖3-2 UC3844的引腳圖</p><p>　　圖3-3 U

49、C3844的內(nèi)部結構</p><p>　　該芯片雖然只有8個管腳，但是卻有兩個閉環(huán)控制回路，一個為內(nèi)部誤差放大器所構成的電壓閉環(huán)控制回路，它將輸出電壓反饋到第2管腳，同2.5V基準電壓比較，形成誤差電壓。另一個為內(nèi)部電流感應比較器所構成的電流閉環(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，與誤差電壓進行比較，調(diào)節(jié)PWM波的占空比。這兩個控制回路都是在固定頻率下工作的。</p>

50、;<p>　　1腳為補償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接RC網(wǎng)絡對誤差放大器的頻率響應進行補償。</p><p>　　2腳為電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與2.5V的基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓。</p><p>　　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3腳電壓等于或高于1V時，電流檢測比較器輸出高電平，復位

51、PWM 鎖存器，從而關閉輸出脈沖，起到過流保護作用。</p><p>　　4腳外接定時RC網(wǎng)絡，用以確定振蕩器的工作頻率，其頻率通過式確定。</p><p>　　5腳是地，是控制電路和電源的公共地。</p><p>　　6腳為輸出端，采用圖騰柱式輸出，最大峰值電流為1A，能直接驅(qū)動功率MOSFET的柵極。</p><p>　　7腳為集成電路的

52、正電源，其開啟電壓為16V，關閉閥值為10V。一旦芯片開始工作，該芯片就能在10-16V之間波動的電源供電條件下正常工作，6V的差值電壓可有效地防止電路在給定工作電壓附近振蕩。當開關電源通電瞬間，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

53、約為15mA。在第7腳設有一個 34V的齊納管穩(wěn)壓管，用于保證其內(nèi)部電路絕對工作在34V以下，防止高壓可能帶來的損壞。</p><p>　　8腳為基準電壓輸出，產(chǎn)生精確的+5V基準電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達50mA。通常我們通過測量該腳是否有穩(wěn)定的+5V輸出來判斷該IC是否正常工作。</p><p>　　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

54、20~100W小功率開關電源的驅(qū)動電路設計。</p><p>　　3.4.1.2 UC3844的特點</p><p>　　UC3844具有如下特點：</p><p>　　(1)電壓調(diào)整率(抗電壓波動能力)非常好</p><p>　　(2)有很好的負載調(diào)整率</p><p>　　(3)頻響特性好，穩(wěn)定幅度大</p&

55、gt;<p>　　(4)過流限制特性好</p><p>　　(5)具有過壓保護和欠壓鎖定功能。</p><p>　　(6)UC3844控制的開關電源工作占空比D<50%[5]</p><p>　　3.4.2 線性光耦合器PC817</p><p>　　光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號的器件。通常是把發(fā)光器（發(fā)光二極管LE

56、D）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)如圖3-4。當輸入端加電信號時，發(fā)光器（發(fā)光二極管）發(fā)出強弱光線，照射在受光器（光敏晶體管）上，受光器接受強弱不同的光線后導通程度也不同，產(chǎn)生不同強度的電流從輸出端輸出，實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　普通光電耦只能傳輸開關信號，不能傳輸模擬信號。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，輸入信號的強弱不同，發(fā)光器產(chǎn)

57、生相應強弱的光信號，從而使受光器的導通程度也隨光信號強弱的不同而輸出的電壓或電流強度也隨之不同并具有線性的對應關系。 PC817屬于線性光電耦合器，可以傳輸模擬信號。[7]</p><p>　　PC817內(nèi)部結構如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 PC817內(nèi)部框圖</p><p>　　圖3-5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系

58、：</p><p>　　圖3-5 PC817集電極發(fā)射極電壓V 與發(fā)光二極管正向電流關系</p><p>　　3.4.3 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431</p><p>　　本課題所設計的基準電壓和反饋電路采用三端穩(wěn)壓器TL431構成。在反饋電路中用TL431與輸出采樣電壓進行比較，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到UC3844的電壓反饋端。</p>

59、<p>　　TL431是2.5～36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其價格低廉，可廣泛應用于精密線性穩(wěn)壓電源和單片精密開關電源中。它可以輸出2.5~36V連續(xù)可調(diào)電壓，工作電流范圍寬達0.1～100mA，動態(tài)電阻典型值為0.22歐，輸出雜波低。TL431的電路圖形符號和基本接線如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 TL431的電氣符號圖和等效電路圖</p><p>　　圖

60、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；是輸出電壓的設定端，根據(jù) ，外接電阻分壓器選擇不同的和的值可以得到從2.5~36V范圍內(nèi)連續(xù)輸出電壓。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證陰極電流要大于1mA，以保證TL431正常工作。[6]</p><p>　　3.4.4 高頻變壓器的設計</p><p>　　3.4.4.1 高頻變壓器作用</p><p>

61、　　高頻變壓器是開關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?，而且能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的電器隔離。其性能的好壞不僅影響變壓器本身的效率和發(fā)熱量，而且還會對開關電源的整體性能和可靠性產(chǎn)生極大的影響。因此，全面分析設計變壓器的材料、損耗、磁通密度、制造工藝就顯得尤為重要。</p><p>　　當控制IC輸出一個導通脈沖到MOSFET的柵極時，MOSFET飽和導通，變壓器初級繞組中電流逐漸增加，而此時初級繞組

62、產(chǎn)生的感應電壓使輸出回路的整流二極管截止，次級繞組中無電流，能量以磁能的形式存儲在初級繞組中。當截止脈沖到來時，根據(jù)楞次定律，次級產(chǎn)生與之前方向相反的感應電壓，使整流二極管立即導通，次級線圈產(chǎn)生的感應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，并給負載供電。變壓器周而復始的經(jīng)歷上述能量的存儲轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。</p><p>　　3.4.4.2 高頻變壓器的設計</p&g

63、t;<p>　　1、選擇變壓器的磁芯及材料</p><p>　　用于開關電源的高頻變壓器磁芯都是鐵磁合金，實際應用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等。選擇磁芯時最重要的考慮因素是在工作頻率點處的損耗和磁密，因此正確的選擇高頻變壓器磁芯，對變壓器性能發(fā)揮至關重要?？紤]到價格的因素，本設計選用國產(chǎn) NCDLPZ材料的鐵氧體磁芯。</p><p>　　確定磁芯規(guī)格可以根據(jù)制造廠提供的

64、圖表，按輸出功率來選擇磁芯，例如下表：</p><p>　　表3-1 輸出功率與大致的磁芯尺寸的關系</p><p>　　58W可選用每邊約35mm的EE35/35/10材料為PC30磁芯，磁芯有效截面積=100，=188， 磁芯重量W=40.6g。[9][10][11]</p><p>　　1.計算初級臨界電感</p><p><b&

65、gt;　?。?-1）</b></p><p><b>　　2.計算磁芯氣隙</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　其中，為磁芯有效截面積，單位</p><p>　　為最大工作磁通密度，單位G</p><p>　　為最小初級電感

66、，單位H</p><p>　　3.計算一次繞組最大匝數(shù)</p><p>　　查表可知，EE35/35/10磁芯的=120nH/N2</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　為方便次級繞組設計，本設計取=111砸</p><p>　　4.計算二次主繞組匝數(shù)</p&g

67、t;<p>　　VD采用肖特基二極管，典型值為0.6V</p><p>　　DC5V繞組：=2.9取3匝 （3-4）</p><p>　　5.計算其他次級繞組匝數(shù)</p><p>　　DC12V繞組：6.75取7匝</p><p>　　DC+24V繞組：13.2取13匝</p><p>　　6.

68、檢測輸出電壓誤差</p><p>　　DC5V：=3.4%</p><p>　　DC12V：=3.7%</p><p>　　DC+24V：=-1.5%</p><p>　　電壓誤差均符合設計要求</p><p>　　7.計算和選取繞組導線規(guī)格</p><p><b>　　（3-5）&l

69、t;/b></p><p>　　式中： 為相應繞組直徑，單位為；</p><p>　　為相應繞組額定電流，單位為A；</p><p>　　為電流密度，單位為A/，AWG標準J=1.98A/；</p><p>　　初級繞組最大電流有效值為：</p><p>　　A （3-6）</p>&l

70、t;p>　　初級繞組線徑：=0.55mm</p><p>　　DC5V繞組：=0.568mm</p><p>　　DC12V繞組：=0.803mm</p><p>　　DC+24V繞組：= 0.803mm</p><p>　　初級繞組：#23 AWG，單股</p><p>　　DC5V繞組：#23AWG，2股&l

71、t;/p><p>　　DC12V和DC+24V繞組：#22AWG，2股</p><p>　　3.4.5 輸出級的設計</p><p>　　由于本課題設計的是離線式開關電源，并且考慮成本原因，采用無源輸出級。無源輸出級就是基于傳統(tǒng)的無源半導體器件設計的。它在電源效率為72%~84%之間是可以接受的。</p><p>　　輸出整流電路原理圖如圖所示

72、</p><p>　　圖3-7 輸出整流電路</p><p>　　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，其反向恢復時間短，不僅可以降低損耗，并且可以減小噪聲干擾。對電源效率的提高也是很有幫助的。</p><p>　　對于反激式拓撲結構：</p><p>　　DC5V：=15V ，采用2GWJ42</p>&

73、lt;p>　　DC12V：=35V，采用2GWJ42</p><p>　　DC+24V：=66V，采用HRP34</p><p>　　第一級濾波電容的選擇由下式確定：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　其中： 是輸出端的額定電流，單位為A；</p><p>

74、　　是在高輸入電壓和輕載下所估計的最小占空比（估計值為0.3是比較合適的）；</p><p>　　是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV。</p><p>　　DC5V： 這里取100</p><p>　　DC12V+24V ： 這里取220</p><p>　　第二級經(jīng)LC濾波使不滿足文波要求的電壓再次濾波。通常濾波電感可以選擇0.3μ

75、H，輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負載電流的變化，在這里可以選擇100μF。[16]</p><p>　　3.4.6 功率MOSFET及其驅(qū)動電路設計</p><p>　　功率MOSFET的主要作用是將直流輸入電壓斬波成PWM電壓。為了完成此功能，功率MOSFET需要工作在導通與截止狀態(tài)，這樣可降低功率器件損耗。</p><p>

76、　　3.4.6.1 功率MOSFET的選擇</p><p>　　忽略變壓器漏感尖峰電壓，功率MOSFET的最小電壓應力為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　考慮到變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，并留有裕量，取VDSS為800V或者1000V的管子，本設計中Ipk=1.22A選用800V/1.8A IRFBE20。&

77、lt;/p><p>　　3.4.6.2 功率MOSFET控制電路及其參數(shù)選擇</p><p>　　圖3-8 控制電路及MOSFET電路圖</p><p>　　UC3844的8腳的+5V基準電壓經(jīng)過給充電，再經(jīng)過芯片內(nèi)部電路放電，于是在第4腳就得到鋸齒波電壓，其頻率為開關頻率，取=則。</p><p>　　、構成補償網(wǎng)絡，用于改善誤差放大器的頻率

78、特性。</p><p>　　為MOSFET的柵極驅(qū)動電阻，一般取10Ω~20Ω，這里選用15Ω。[14]</p><p>　　3.4.7 電壓反饋電路設計</p><p>　　3.4.7.1 電路圖及原理</p><p>　　考慮到控制器的安全性，一般都采用光耦隔離反饋電壓。為了減小光耦合器的漂移，二次側(cè)需要一個誤差放大器，本設計采用TL43

79、1構成誤差放大器。</p><p>　　對于多路輸出的電源來講，輸出端的交叉調(diào)整性能是個不可忽視的問題。若只對一路輸出進行反饋，則當未檢測輸出端負載變化時，被檢測的輸出端電壓波動很小，但未檢測的輸出端電壓的變化并不能完全通過變壓器耦合到反饋端，因此不能對其有效調(diào)節(jié)，導致其他輸出端電壓波動較大。</p><p>　　多路輸出檢測通常是把上臂檢測電阻用多個并聯(lián)電阻代替，分別接到不同的輸出端。每

80、個輸出端被檢測的電流百分比，即表示了該輸出端被調(diào)節(jié)的程度。</p><p>　　圖3-9 電壓反饋電路</p><p>　　3.4.7.2 元器件參數(shù)選擇</p><p>　　由于本設計對5V電壓要求較高，所以5V輸出端被檢測電流占60%，12V和24V各占20%。取R10為1%精度的電阻，其值為2.49，則實際檢測電流為Is=2.5V/2.49=1.004mA。&

81、lt;/p><p>　　則取4.12 （3-9）</p><p>　　取47.5 （3-10）</p><p>　　取107 （3-11）</p><p>　　取=470，TL431的=20mA，PC817的=3mA，則上的壓降為</p><p><b>　　（3-12）&l

82、t;/b></p><p>　　由PC817芯片資料可知，其發(fā)光二極管的正向?qū)▔航档湫椭禐?.2V，則上的壓降，又知流過的電流，因此的值為</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　3.4.8 輸入啟動電路的設計</p><p><b>　　電路圖如下：</b>&

83、lt;/p><p>　　圖3-10 啟動電路圖</p><p>　　電源通過啟動電阻給電容充電，當電壓達到UC3844的啟動電壓門限值（+16V）時，UC3844開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由6 端輸出驅(qū)動開關管工作。隨著UC3844的啟動，的工作也就基本結束，7腳電壓可以小于16V，余下的任務交給輸出繞組Ns12V，由輸出繞組Ns12V來為UC3844 供電，由于UC3844穩(wěn)定工作后。由于輸

84、入電壓超過了UC3844 的工作電壓，為了避免意外，用穩(wěn)壓管限定UC3844 的輸入電壓，取的穩(wěn)定電壓為18V，可以選擇IN4746穩(wěn)壓二極管。</p><p>　　阻值的計算：穩(wěn)壓管IN4746的穩(wěn)定電流為UC3844的啟動電流小于1mA，按1mA計算，則</p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　　3.4.9 輸入

85、整流濾波電路的設計</p><p>　　3.4.9.1 電路原理圖</p><p>　　對于市電供電的開關穩(wěn)壓電源，輸入整流濾波電路的設計是必須的，但是相對于其他電路部分，輸入整流電路的設計相對簡單，但其設計的好壞對于電源的可靠性和對電網(wǎng)的影響也有較大的影響。</p><p>　　輸入整流濾波電路通常由：EMI濾波器、浪涌電壓電流抑制器、整流器和濾波電容組成。許多交

86、流輸入的場合有些電源還帶有PFC功率因數(shù)校正電路，以減小電源對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響。</p><p>　　圖3-11 輸入整流濾波電路</p><p>　　3.4.9.2 元器件參數(shù)選擇</p><p>　　C1、C2為抑制串模干擾，其容值不需要很大，一般取0.01~0.47薄膜電容，這里取0.1/400V的薄膜電容。</p><p>　　

87、共模扼流圈L，對共模信號呈現(xiàn)很大的阻抗，他通常由線圈繞在高磁導率、低損耗的鐵氧體磁環(huán)上制作完成的。其電感通常取幾毫亨至十幾微亨，視額定電流而定。</p><p>　　這里選擇L值為8mH。</p><p>　　C3、C4跨接在輸出端接地，能有效抑制共模干擾。一般采用陶瓷電容，電容量在2200~4200pF之間。這里取3300pF。</p><p>　　為了降低500

88、kHz以下的傳導噪聲，一般VD1、VD3采用快恢復二極管，這里取FR156，VD2、VD4取1N4007.</p><p>　　輸入濾波電容C5的選取可以根據(jù)經(jīng)驗公式：</p><p>　　在AC85~265V輸入時，一般（2~3）/W。</p><p>　　這里取220/400V鋁電解電容。</p><p>　　3.4.10 保護電路的設計

89、</p><p>　　系統(tǒng)的保護電路包括過電流保護、過電壓保護、欠壓鎖定、尖峰沖擊電壓保護等。以下將就幾種保護電路做個詳細的介紹。</p><p><b>　　1．輸入保護</b></p><p>　　a．一般在輸入端加熔絲管，這里用2A的熔絲管較為合理。</p><p>　　b．負溫度系數(shù)熱敏電阻NTCR。其特性為其阻

90、值隨溫度升高而降低。它能有效減小電源接通瞬間，電流對電路的沖擊。這里選擇8-101NTCR，標稱阻值為10，額定電流為1A。</p><p>　　c．壓敏電阻VSR。其特點是，工作電壓寬，耐沖擊電流能力強，漏電流小，電阻溫度系數(shù)低，價格低廉，體積小。壓敏電阻對沖擊電壓有較好的鉗位作用。這里選取MY31-270/3，標稱值220V。</p><p><b>　　2、過流保護<

91、/b></p><p>　　過流保護電路主要通過檢測上流過的電流并通過和濾波后，反饋回UC3844，與其內(nèi)部的1V基準電壓比較，使導通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3844停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應管截止，達到保護MOSFET和電路的目的。短路現(xiàn)象消失后，電源自動恢復正常工作。</p><p>　　因為Ipk=1.22A，因此。</p><p>

92、　　3、MOSFET尖峰電壓沖擊保護</p><p>　　由于場效應管在由飽和導通進入截止的瞬間，急劇變化的漏極電流會在高頻變壓器初級繞組上感應出反向電動勢，加上變壓器漏感產(chǎn)生的浪涌尖脈沖直接加在MOSFET漏極，其峰值可達到直流輸入電壓的數(shù)倍，它們與直流輸入電壓疊加，MOSFET很容易因此擊穿。通常的做法是在MOSFET漏源級之間加二極管RC網(wǎng)絡鉗位或吸收尖峰電壓。本設計中，，和，，共同組成了尖峰電壓鉗位電路。

93、以，，為例，其作用是通過給充電，把尖峰電壓鉗位在安全值以下，然后通過將吸收的浪涌尖峰電壓以熱量形式釋放掉，從而保護了功率MOSFET。[17][18]</p><p>　　3.5 電路工作過程總結</p><p><b>　　1、電路的啟動過程</b></p><p>　　交流市電經(jīng)過整流電路得到的直流電壓分成兩路：一路經(jīng)高頻變壓器初級繞組Np

94、直接加到MOSFET的漏極；另一路經(jīng)啟動電阻向C8充電，為UC3844提供啟動電壓，加到控制芯片UC3844的第7腳，當?shù)某潆娭颠_到16V時，控制芯片啟動工作，此過程稱為電源的“軟啟動”。為防止沖擊電壓對UC3844造成損壞，在其第7腳和地之間加入一個18V穩(wěn)壓管。其中，8腳產(chǎn)生的5V基準電壓通過對進行充電，在第4腳上形成鋸齒波電壓信號，其頻率就是電源的工作頻率。鋸齒波信號進入UC3844內(nèi)部振蕩器，產(chǎn)生頻率固定的振蕩信號，經(jīng)脈寬調(diào)制和

95、推挽式輸出級放大后，在第6腳輸出柵極驅(qū)動信號，使MOSFET導通，開關電源+12V的輸出繞組，由+12V輸出電壓給UC3844提供工作電壓。[21]</p><p>　　2、開關電源儲能過程</p><p>　　當MOSFET導通以后，直流電壓經(jīng)高頻變壓器的初級繞組、MOSFET的漏極源極、電流檢測電阻、地電流回路，在初級繞組上產(chǎn)生上正下負的感應電動勢，根據(jù)同名端的定義，變壓器次級繞組產(chǎn)生

96、的感應電動勢均為負，輸出整流二極管均反偏截止，高頻變壓器將電能以磁能的形式儲存在初級繞組之中，這樣便完成了儲能過程。</p><p>　　3、開關電源釋能過程</p><p>　　當UC3844鎖存器翻轉(zhuǎn)，6管腳輸出脈沖停止，MOSFET由導通變?yōu)榻刂埂＿@時，變壓器初級繞組產(chǎn)生的感應電壓變?yōu)橄抡县?，次級繞組產(chǎn)生的感應電壓為正向電壓，輸出整流二極管導通，初級繞組將存儲的能量釋放，傳遞到次級

97、繞組中，經(jīng)整流濾波電路，得到需要的輸出電壓。在UC3844的控制下，周而復始的重復上述過程，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換傳輸。</p><p>　　4、開關電源穩(wěn)壓過程</p><p>　　一路+5V、+12V、+24V輸出電壓經(jīng)、、分壓后與TL431的基準電壓值2.5V進行比較，與輸出電壓的變化產(chǎn)生誤差電壓，并通過光耦PC817把誤差傳遞給UC3844，由UC3844控制MOSFET的占空比以實現(xiàn)穩(wěn)壓

98、。當輸出電壓升高時，輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓得到的采樣電壓也升高，流過PC817發(fā)光二極管的電流增大，發(fā)光二極管發(fā)光強度增大，光電三極管導通程度加深，集射極電壓減小，UC3844的6腳輸出驅(qū)動信號的占空比減小，于是輸出電壓下降，達到穩(wěn)壓的目的。當開關電源輸出的電壓下降時，上述控制過程正好相反。[17]</p><p><b>　　第四章 設計總結</b></p><p&g

99、t;　　本課題設計了一個多路輸出單端反激式開關電源，主要工作概括如下：</p><p>　　了解了開關電源技術的發(fā)展現(xiàn)狀，認識了目前廣泛使用的幾種拓撲類型，主要對反激式拓撲進行了分析研究。</p><p>　　采用UC3844作為控制芯片，充分使用了UC3844電壓電流雙閉環(huán)反饋功能，實現(xiàn)了對輸出電壓保護與調(diào)節(jié)。由于UC3844的功能高度集成，其性能優(yōu)良、管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、價格低廉

100、等優(yōu)點，為本課題設計降低了難度。由UC3844構成的開關電源控制性能好，功能完善，可靠性高。</p><p>　　詳細介紹了高頻變壓器的設計流程，包括磁芯選擇、匝數(shù)計算、導線選擇等。</p><p>　　電壓采樣及反饋電路由光電耦合器PC817、三端可調(diào)穩(wěn)壓管TL431組成。這種拓撲結構外接元件少，負載調(diào)整率好，具有良好的穩(wěn)壓效果。并采用多路反饋，控制更加有效，可以適用于各種負載。<

101、/p><p>　　本設計采用單個高頻變壓器完成7路電壓輸出，由于本設計是基于單端反激式變換器結構，因此電源的容量取決于高頻變壓器的性能。由于高頻變壓器的設計是比較困難的，因此可以采用多個變壓器分擔不同輸出，將功率進行合理的分配。</p><p>　　.本論文并沒有對PCB板進行最終設計，也沒有對功率因數(shù)進行校正，這些需要在進一步的工作中完成。</p><p><b

102、>　　參考文獻</b></p><p>　　蔡宣三，開關電源的發(fā)展軌跡，電子產(chǎn)品世界，2000，4：42~43</p><p>　　徐九玲，謝運詳，彭軍，開關電源的新技術與發(fā)展前景，電氣時代，2003，6：52~55</p><p>　　張占松，蔡宣三，開關電源的原理與設計，北京：電子工業(yè)出版社，1998，78~112</p><

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104、公司資料：TL431，A，B Series</p><p>　　Anon．High Density Mounting Type Photo coupler．SHARP公司資料：PC817 Series.</p><p>　　周志敏，周紀海，開關電源實用技術設計與應用，北京：人民郵電出版社，2005：447~509</p><p>　　李京民，王柏盛，開關電源中開關變

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108、科學普及出版社，1995，169~222</p><p>　　N.Frohkeke, J.Richter, P.Wallmeier, Soft Switching Forward-Flyback Converter with One Magnetic Component and Current Doubler Rectification Circuit, IEEE IECON, 2003, 12(22):11

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110、d soft-switch technique in PWM DC-DC converter,IEEE PESC.1992:93~100</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在這里首先感謝母校對我們畢業(yè)設計給予的支持和幫助，還要感謝大學期間里所有任課老師對我的栽培，尤其感謝我的畢業(yè)設計的指導老師孫凱老師，其淵博的學識，深邃的思想和扎實的理

111、論功底、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度使我受益匪淺。本設計是在孫凱老師的悉心關懷和精心指導下完成的。在畢業(yè)設計過程中，孫老師悉心指導我的畢業(yè)設計，對我提出的問題耐心解答，在孫老師的幫助下，使我的畢業(yè)設計能順利完成，在這里對孫老師表示由衷的感謝。</p><p>　　在此還要真誠地感謝老師和同學們這幾年來對我的學習和生活上的幫助，并向本文中使用的文獻資料的作者們表示深深的謝意!</p><p>　　通過本次

112、畢業(yè)設計，使我對大學所學的知識有了進一步的認識，同時通過幾個月的設計，加強了我獨立思考和動手能力，加強了解決問題的能力。</p><p>　　希望在以后的日子里母校蒸蒸日上，祝愿老師和同學們，工作順利，身體健康。在未來的日子里，我將一如既往的遵循著不斷進取的精神，極力為母校爭光。再次向曾鼓勵、支持與幫助過我的老師和同學們表示衷心的感謝。</p><p><b>　　附 錄<