单端反激式开关电源课程设计要点.docx

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单端反激式开关电源课程设计要点

多路输出单端反激式开关电源设计

系别：

电气工程与自动化

专业：

电气工程及其自动化

班级：

姓名：

学号：

多路输出单端反激式开关电源设计

摘要

开关电源是一种采用PWM等技术控制的开关电路构成的电能变换装置，它广泛应用于交直流或直直流电能变换中，通常称其为开关电源（SwitchedModePowerSupply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦不等，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。

开关电源因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点而逐渐取代传统的线性稳压电源，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。

本课题是设计一个通用的多路输出的反激式开关电源，电源取自220V市电。

本题目设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，利用控制开关的导通时间来调整输出电压，主控制芯片采用UC3844实现电压电流双闭环控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。

系统工作频率为50kHz，输出7路隔离的电压。

关键词：

开关电源，反激式变换器，高频变压器，UC3844

Abstract

SwitchingpowersupplyusingthePWM,controlswitchcircuitofthepowerconversiondevice,itiswidelyusedinACtoDCorDCtoDCcantransform,usuallycalledtheswitchingpowersupply（SwitchedModePowerSupply-SMPS）powerfromzerorangingfromafewwattstotensofkilowatts,iswidelyusedinvariousfieldsoflife,production,research,andmilitary.Theswitchingpowersupplybecauseofitssmallsize,lightweight,highefficiency,stableperformanceandotheradvantagesofgraduallyreplacingtraditionallinearpowersupply,knownasenergyefficientpowersupply,hasnowbecometheleadingproductofthepowersupply.

Thisprojectistodesignagenericmulti-outputflybackswitchingpowersupply,powersupplyfromthe220Vmains.Switchingpowersupplydesignofthistopicistheuseoffull-controlledpowerelectronicdevicesMOSFETasaswitch,controlswitchconductiontimetoadjusttheoutputvoltage,themaincontrolchipUC3844PC817,ofTL431dedicatedchipandcompatiblewithothercircuitelementsasafeedbackcircuit,voltageandcurrentdoubleclosedloopcontrol,thedesignofswitchingpowersupplywithautomaticvoltageregulationfunction.Thesystemoperatingfrequency50kHZ,theoutputvoltageof7roadisolation.

Keywords:

switchingpowersupply,flybackconverter,high-frequencytransformer,UC3844

目　录

摘要II

第1章电路设计和原理5

1.1开关电源的工作原理5

1.2开关电源的组成5

第2章系统各部分电路设计7

2.1开关电源电路图7

2.2电压反馈电路设计8

2.3输入启动电路的设计9

2.4输入整流滤波电路的设计10

2.5保护电路的设计10

2.6电路工作过程总结11

第3章设计总结13

参考文献14

附录15

第1章电路设计和原理

1.1开关电源的工作原理

在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。

与线性稳压电源不同的是，开关电源的功率开关管工作在开关（导通与截至）状态。

在这两种状态中，加在功率开关管上的伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。

功率器件上的伏安乘积就是功率开关管上所产生的损耗。

不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是PWM（PulseWidthModulation）控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。

而开关电源多为对等幅脉冲进行控制，脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节的。

当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。

通过改变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。

最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。

1.2开关电源的组成

图1-1所示为开关电源的结构框图：

图1-1开关电源的结构框图

AC/DC转换电路是整流滤波电路。

DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以下几种基本类型：

buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。

因设计需求，本设计在主电路拓扑上采用单端反激式。

下面就对这一结构主电路进行讨论分析。

第2章系统各部分电路设计

2.1开关电源电路图

设计的完整开关电源电路图如下：

图2-1本设计开关电源电路图

2.2电压反馈电路设计

考虑到控制器的安全性，一般都采用光耦隔离反馈电压。

为了减小光耦合器的漂移，二次侧需要一个误差放大器，本设计采用TL431构成误差放大器。

对于多路输出的电源来讲，输出端的交叉调整性能是个不可忽视的问题。

若只对一路输出进行反馈，则当未检测输出端负载变化时，被检测的输出端电压波动很小，但未检测的输出端电压的变化并不能完全通过变压器耦合到反馈端，因此不能对其有效调节，导致其他输出端电压波动较大。

多路输出检测通常是把上臂检测电阻用多个并联电阻代替，分别接到不同的输出端。

每个输出端被检测的电流百分比，即表示了该输出端被调节的程度。

图2-2电压反馈电路

2.3输入启动电路的设计

电路图如下：

图2-3启动电路图

电源通过启动电阻给电容充电，当电压达到UC3844的启动电压门限值（+16V）时，UC3844开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出驱动开关管工作。

随着UC3844的启动，的工作也就基本结束，7脚电压可以小于16V，余下的任务交给输出绕组Ns12V，由输出绕组Ns12V来为UC3844供电，由于UC3844稳定工作后。

由于输入电压超过了UC3844的工作电压，为了避免意外，用稳压管限定UC3844的输入电压，取的稳定电压为18V，可以选择IN4746稳压二极管。

2.4输入整流滤波电路的设计

对于市电供电的开关稳压电源，输入整流滤波电路的设计是必须的，但是相对于其他电路部分，输入整流电路的设计相对简单，但其设计的好坏对于电源的可靠性和对电网的影响也有较大的影响。

输入整流滤波电路通常由：

EMI滤波器、浪涌电压电流抑制器、整流器和滤波电容组成。

许多交流输入的场合有些电源还带有PFC功率因数校正电路，以减小电源对电网供电质量的影响。

图2-4输入整流滤波电路

2.5保护电路的设计

系统的保护电路包括过电流保护、过电压保护、欠压锁定、尖峰冲击电压保护等。

以下将就几种保护电路做介绍。

1．输入保护

a．一般在输入端加熔丝管，这里用2A的熔丝管较为合理。

b．负温度系数热敏电阻NTCR。

其特性为其阻值随温度升高而降低。

它能有效减小电源接通瞬间，电流对电路的冲击。

这里选择8-101NTCR，标称阻值为10，额定电流为1A。

c．压敏电阻VSR。

其特点是，工作电压宽，耐冲击电流能力强，漏电流小，电阻温度系数低，价格低廉，体积小。

压敏电阻对冲击电压有较好的钳位作用。

这里选取MY31-270/3，标称值220V。

2、过流保护

过流保护电路主要通过检测上流过的电流并通过和滤波后，反馈回UC3844，与其内部的1V基准电压比较，使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3844停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护MOSFET和电路的目的。

短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。

3、MOSFET尖峰电压冲击保护

由于场效应管在由饱和导通进入截止的瞬间，急剧变化的漏极电流会在高频变压器初级绕组上感应出反向电动势，加上变压器漏感产生的浪涌尖脉冲直接加在MOSFET漏极，其峰值可达到直流输入电压的数倍，它们与直流输入电压叠加，MOSFET很容易因此击穿。

通常的做法是在MOSFET漏源级之间加二极管RC网络钳位或吸收尖峰电压。

本设计中，，和，，共同组成了尖峰电压钳位电路。

以，，为例，其作用是通过给充电，把尖峰电压钳位在安全值以下，然后通过将吸收的浪涌尖峰电压以热量形式释放掉，从而保护了功率MOSFET。

2.6电路工作过程总结

1、电路的启动过程

交流市电经过整流电路得到的直流电压分成两路：

一路经高频变压器初级绕组Np直接加到MOSFET的漏极；另一路经启动电阻向C8充电，为UC3844提供启动电压，加到控制芯片UC3844的第7脚，当的充电值达到16V时，控制芯片启动工作，此过程称为电源的“软启动”。

为防止冲击电压对UC3844造成损坏，在其第7脚和地之间加入一个18V稳压管。

其中，8脚产生的5V基准电压通过对进行充电，在第4脚上形成锯齿波电压信号，其频率就是电源的工作频率。

锯齿波信号进入UC3844内部振荡器，产生频率固定的振荡信号，经脉宽调制和推挽式输出级放大后，在第6脚输出栅极驱动信号，使MOSFET导通，开关电源+12V的输出绕组，由+12V输出电压给UC3844提供工作电压。

2、开关电源储能过程

当MOSFET导通以后，直流电压经高频变压器的初级绕组、MOSFET的漏极源极、电流检测电阻、地电流回路，在初级绕组上产生上正下负的感应电动势，根据同名端的定义，变压器次级绕组产生的感应电动势均为负，输出整流二极管均反偏截止，高频变压器将电能以磁能的形式储存在初级绕组之中，这样便完成了储能过程。

3、开关电源释能过程

当UC3844锁存器翻转，6管脚输出脉冲停止，MOSFET由导通变为截止。

这时，变压器初级绕组产生的感应电压变为下正上负，次级绕组产生的感应电压为正向电压，输出整流二极管导通，初级绕组将存储的能量释放，传递到次级绕组中，经整流滤波电路，得到需要的输出电压。

在UC3844的控制下，周而复始的重复上述过程，实现能量的转换传输。

4、开关