1066220V转5V反激电源设计421423Word格式文档下载.docx
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Thecorrespondencepowerswitchisthetelecommunicationnetworkenergy,itspowersupplyqualityrelatesdirectlytotheentiretelecommunicationnetworkunimpededness,ThePaperanalyzethePresentsituationanddevelopmentofh1gh_frequencySwitchingpowersupply（HFSPS）domesticallyandoverseas，studyandresearchthebasalprincipleofHFSPSanditsapplicationinelectricpowersystem，thendesignHFSPSappliedine1eetricpowersysteminordertoreplacetheoldsupplycontrolledbyphaseangle.
Inthispaper,usingthecharacteristicsoftheflybacktransformer,amultiportflybackswitchingpowersupplyisdesignedbasedontheUC3842,whichprovidesfiveoutputvoltageandcanadjustthePWMoutputtoensurestableoutputvoltageastheinputvoltagechanges.UC3842isakindofexcellentperformanceofcurrentcontrolmodepulsewidthmodulator.Ifforsomereasonmaketheoutputvoltagerises,thepulsewidthmodulatorcanchangethedrivesignalofpulsewidth,i.e.dutyratioD,maketheaveragevoltageafterchoppingdown,soastoachievevoltageregulation,andviceversa.UC3842MOStube,IGBT,etc.,canbedirectlydrivenissuitableforproductionof50~150wlowpowerswitchingpowersupply.Duetothedevicedesignisclever,directlybythemainsvoltagestart,requiredlesscomponentcompositioncircuit,veryaccordwiththeprincipleofcircuitdesign.
Experimentalresultsshowthat:
thedesignofswitchingpowersupplyhasstableoutput，lowripple,goodvoltageregulation,niceelectromagneticcompatibility,etc,ithasahighapplicationvalue.
Keywords:
HFSwitchpower；
UC3842；
Pulsewidthmodulation；
Flyback
1.绪论
通信用高频开关电源，英文译为Communicationwiththehigh-frequencyswitchingpowersupply）是指通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。
将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。
所以开关变压器可以做的很小，而且工作时也不会很热。
开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。
传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制（PWM）技术，而近年电流型PWM技术得到了飞速发展。
相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。
电流型PWM集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型PWM控制小功率电源已经取代电压型PWM控制小功率电源。
Unitrode公司推出的UC3843系列控制芯片是电流型PWM控制器的典型代表。
1.1本设计研究的意义
通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展，开关电源在通信系统中处于核心地位，并已成为现代通信供电系统的主流[1]。
在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源，而将直流/直流（DC／DC）变换器称为二次电源。
随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，这就对高频开关电源技术提出了更高的要求。
通信高频开关电源模块的应用上面，有以下几个方面的要求：
一．体积小，重量轻
高频变压器取代了传统电源中的大而粗笨的工频变压器，使得电源越来越小型化、轻量化。
二．工作频率高
工作频率高，使输出滤波电路可以实现小型化。
三．功率因数高
高频开关电源模块利用有源功率因数校正电路，功率因数可达0.98以上，而传统电源波形畸变，对电网上的弱电设备有严重的干扰。
四．效率高，节省能源
高频开关电源模块的效率一般在88～95%，传统电源一般在70%以下。
五.动态响应好
高频开关电源模块的工作频率高，对负载和电网的动态响应远远优于传统电源。
六．纹波小
高频开关电源模块的输出纹波一般都比传统电源小。
七．噪音低
高频开关电源模块的工作频率在人的听觉范围之外，可闻噪音要比传统电源低很多。
八．扩容方便
高频开关电源模块一般采用模块式结构，维护、扩容比较方便。
九.便于采用公道而又灵活的配置
1.2国内外的研究现状
80年代，大功率AC／DC开关电源（400VAC输入、输出5VDC、500W-6kW）成为通信系统一次电源的主流产品，称为开关整流器SMR（Switching-modeRectifier）。
配置5/±
5，±
12VDC／DC开关变换器模块和铃流模块，称为二次电源。
开关整流器与相控整流器比较，在体积、重量和效率几方面更为优越。
随着微处理器ULSI尺寸不断减小，供电电源的尺寸与微处理器相比更大得多，需要发展小型轻型电源；
电源的小型化、轻量化，对便携式通信设备（如移动电话等）更为重要。
为达到高功率密度，必须提高开关电源工作频率。
下代微处理机还要求更低输出电压（≤1V）的开关电源。
对通信开关电源的要求是：
高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数（AC输入端），以及智能化、低成本、EMI小、可制造性（Manufacturability）、分布电源结构（DistributedPowerArchitecture）等。
20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：
1．新型高频功率半导体器件
2．软开关技术
3．控制技术
4．有源功率因数校正技术
5．Magamp（磁性放大器）后置调节器技术
6．饱和电感技术
7．分布电源技术、并联均流技术
8．电源智能化技术和系统的集成化技术
上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。
进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。
1．探索研制耐高温的高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件
2．平面磁心及平面变压器技术
3．集成高频磁元件技术及阵列式（Matrix）磁元件技术
4．磁电混合集成技术
5．新型电容器
6．S4功率因数校正（PFCorrected）AC／DC开关变换技术
1.3设计内容
关于通讯高频开关电源的设计，其设计的产品主要应用于通信工程、无线及航天等领域。
设计参数：
1．输入电压：
220V
2．输出电压：
5V；
3．输出电流：
2A；
4．开关频率50KHz。
2.主电路的设计
2.1高频开关电源的基本原理
高频开关电源是将交流输入（单相或三相）电压变成所需的直流电压的装置。
基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图2-1所示，高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅助电源等几部分组成。
其基本原理是：
交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到一直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
图2-1开关电源基本原理框图
图2-2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节波形变换流程。
下面就图2-2中每一部分的作用、原理分别简述如下:
（1）输入滤波器：
消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。
同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
（2）输入整流滤波器：
将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。
而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量能使开关电源输出维持一定的时间。
（3）高频开关变换器（DC／AC）：
它是开关电源的关键部分。
它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
（4）控制电路：
检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
一般控制电路还包括启动及禁止电路。
（5）保护电路：
在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。
有的还有发出报警信号的功能。
（6）辅助电源：
为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。
辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。
图2-2电压波形
2.2滤波电路的设计
随着各种电子设备、电视网络、程控交换机、移动通信机及办公自动化的日益普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰（EMI）现象同益严重，并且成为影响系统正常工作的突出障碍[3]。
电磁干扰（EMI）泛指电子装置所产生的电磁波对周围电子装置的干扰能力。
产生电磁干扰必须具备三个条件：
干扰源、干扰通道和易受干扰设备。
因而抗干扰设计的基本原则和措施是：
抑制干扰源、切断传播途径和提高敏感元器件的抗干扰性能。
消除干扰应主要从产生干扰的部件、传播噪声部位及公共结合部分入手。
开关电源的电磁兼容（EMC）设计应考虑滤波器、高频变压器、软开关技术、PCB布线的EMC设计等。
图2-3EMI滤波器的基本原理
本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2-3所示，它由L、C1、C2、C3、C4组成。
其中，L表示绕在同一铁心上共模电感，两者匝数相等，绕向相同：
C1～C4为滤波电容，L与C3、C4分别构成共模噪声滤波器，滤除电源线上的共模噪声。
由于电感器的绕制工艺不可能保证L两个完全相等，所以两者之差就形成了差模电感。
差模电感与C1、C2构成差模噪声滤波器，滤除差模噪声。
L电感量通常为几十毫亨，差模电感一般为L的1.5％～2％（与结构及绕制工艺有关）。
通常，C1和C2选用陶瓷电容，电容量一般选0.1μF～0.47μF；
C3和C4选用陶瓷电容，电容量一般选2200pF～0.1μF。
本设计C1～C4选为0.1μF，耐压值均为630VDC。
L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，参见表2-1实际中取L为33mH即可使滤波器可靠工作。
表2-1电感范围与额定电流大小的关系
额定电流I（A）
1
3
6
10
12
15
电感量范围L（mH）
8-23
2-4
0.4-0.8
0.2-0.3
0.1-0.15
0.0-0.08
2.3整流电路的设计
工频整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用LC-
型滤波电路，整流输出后脉动电压经2次滤波后，脉动会变的很小，滤波效果更好。
电路如图2-4所示。
图2-4
图2-4整流电路的基本原理
由于整流输出端接电容C1，因而输出直流电压得到提高。
整流输出UO1（AV）和S1应满足≈桥式整流电容滤波电路的关系式，即
其中RL为电感L、电容C2和负载RL合成的阻抗。
考虑电感对直流量而言，其上压降很小，因此负载RL上的UO（AV）满足UO（AV）≈UO1（AV）
因此，取C1=2000
F，C2=470uF,RL=40W,L=10mH则整流后
2.4辅助电源
一般开关电源都要有一个辅助电源，提供控制、保护、驱动和显示电路提供能量。
开关电源的启动，首先应启动辅助电源。
辅助电源的输出功率是消耗掉的，不参与能量传输，直接影响开关电源的效率[25]。
因此，要求辅助电源启动可靠，效率高，控制容易且成本低。
小功率开关电源的辅助电源功率小，一般采用自举电路；
大功率常采用独立的辅助电源。
本设计采用独立的辅助电源。
开关电源的辅助电源不仅提供PWM控制芯片电源，而且还提供显示、报警和外部控制通信等多种用途，同时为保证输入与输入信号隔离常需要多路输出，一般辅助电路供电采用独立辅助电源。
如果开关电源输入是交流电网，早先辅助电源采用工频变压器降压、经整流滤波稳压实现。
现代辅助电源通常是一个自启动小功率开关电源。
本设计辅助电源如图2-5所示。
图2-5辅助电源
市电经变压器变压，得到双18V交流电，两路交流经过一个全桥整流得到±
18V，+18V提供给调整管，作为对外电源输出，同时经过三端稳压器，分别得到±
15V，+5V作为系统本身工作电源。
2.5过流过压保护电路
2.5.1电流保护电路
过流电路分两种，一种是限流式保护，另一种是截流式保护。
他们都采用那个电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图2-6所示。
电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。
开关管上的电流变化会使UR2变化，UR2接入UC3842的保护输入端⑶脚，当UR2＝1V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。
通过调节R1、R2的分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。
输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。
两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。
采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。
图2-6过流保护电路
2.5.2电压保护电路
图2-7所示为输出过电压保护电路。
稳压管VS的击穿，电压稍大于输出电压额定值，输出正常时，VS不导通，晶闸管V的门极电压为零，不导通。
当输出过压时，VS击穿，V受触发导通，使光电耦合器输出三极管电流增大，通过UC3842控制开关管关断。
图2-7输出过电压保护电路
2.6变换电路的设计
在高频开关电源中，高频开关变换器是核心部分，围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路，变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数，也会对系统的其它各部分产生相应的影响[5]，所以，高频开关变换器的设计是很重要的一个环节，本设计变换电路采用带隔离变压器的推挽式直流斩波电路，如图2-8所示。
当VT1导通，VT2截止时，在变压器的一次绕组中建立磁化电流，此时二次绕组上的感应电流使VD1导通，将能量传给负载；
当VT1截止，VT2导通时，在变压器的一次绕组中建立磁化电流，此时二次绕组上的感应电压使二极管VD2导通，将能量传给负载，忽略开关器件的饱和压降，在VT1导通，VT2截止时，加在一次绕组上的电压为Ui,由于一次侧两个绕组匝数相等，在一次侧一个绕组感应出的电压也是Ui，其极性为上负下正，所以VT2所承受的电压为2Ui。
这种电路优点是：
输入电压直接加在高频变压器上，因此只用两个高压开关管就可以获得较大的输出功率；
两个开关管的射极相连，两组基极驱动电路无需彼此绝缘，所以驱动电路也比较简单。
而且这种电路整合了高频变压器和整流滤波电路，使三个模块于一体，电路简单。
图2-8推挽式直流斩波电路
2.6.1变换器中的开关元件
功率场效应晶体管MOSFE即是MOS（MetalOxideSemiconductor，金属氧化物半导体FET（FieldEffectTransistor），场效应晶体管），即以金属层（M）栅极隔着氧化层（O），利用电场的效应来控制半导体（S）效应晶体管。
功率场效应管由于采用单极性多子导电，使开关时间显著地减小，很容易达到1MHz的开关工作频率，但是MOSFET提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件的内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。
绝缘栅双极晶体管IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。
其应用范围一般都在耐压为600V以上、电流为10A以上、频率为1kHz以上的区域。
2.6.2功率开关管的选择
如何选择到性能参数合适的主开关与控制电路直接影响到变换器的性能。
在这里需要清楚的是作为主开关的晶体管、MOSFET、IGBT或晶闸管的性能均耐压的上升而下降，因此在选择耐压时并不是超高越好，而是适可而止。
由于本次课程设计中，电路图里边直流变换器中开关管承受的最大电压约为400V左右，所以开关管只能用IGBT,而不适宜用功率MOSFET。
另外，相对MOSFET，IGBT耐压更高，电流容量更大，开通速度比MOSFET快但关断速度比MOSFET稍小。
2.6.3变压器的设计
高频变压器是开关电源中的核心元件，许多其他的主电路元器件的参数设计都依赖于变压器的参数[10]。
高频变压器在开关电源中的主要目的是传输功率，将电源的能量瞬时的传输给负载，此外，变压器还提供其它重要的功能：
一．通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压；
二．增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压；
三．为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便的提供安全隔离。
变压器设计的好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，同时也影响到开关电源的技术性能和可靠性。
变压器的工作原理是用电磁感应原理工作的。
变压器有两组线圈。
初级线圈和次级线圈。
次级线圈在初级线圈外边。
当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。
变压器的线圈的匝数比等于电压比。
例如：
初级线圈是500匝，次级线圈是250匝，初级通上220V交流电，次级电压就是110V。
变压器能降压也能升压。
如果初级线圈比次级线圈圈数少就是升压变压器，可将低电压升为高电压。
由于实际变压器存在线圈电阻、漏磁通等一些电磁损耗，按理论计算的副线圈匝数，在实际上感应的电压达不到额定值。
因此，副线圈的实际匝数要比理论匝数多，在设计和生产时，要根据变压器的容量和铁芯构成情况设计，并经测试调整后确定。
变压器容量越大，铁芯构成越好，转换效率就越高，实际匝数就越接近理论匝数。
高频变压器是相对低频变压器而言，二者在基本原理上是相同的，都是利用电磁感应原理实现信号的转换（关于电磁感应现象及原理可另外参阅相关资料），但是应用不同。
低频变压器主要用做交流电源，其目的是实现电压升或降（即变压）。
高频变压器（RFTransformer）的主要应用则是实现阻抗变换、平衡与不平衡之间的转换。
高频变压器主要应用的是阻抗变换的结果，相反低频变压器应用的则是电压变换的结果，应用的侧重点不同。
关于平衡-不平衡变换的应用则要从信号的相位考虑，若初级（或次级）线圈两端信号相位相差180度，则称为平衡信号，若相位相同则称为不平衡信号。
高频变压器和低频变压器的工作原理一样。
就是频率不同所用的铁芯材料不同[11]。
低频变压器一般用铁芯，高频变压器用铁氧体磁芯或空芯。
l．确定变压器的铁心
此环节包括两方面的确定：
变压器容量的确定和铁心材料及尺寸的选择。
（1）变压器容量的确定
按照磁通变化会感应电动势的原理，可得出电压的平均值和磁通峰值成正比的关系，而电流的有效值影响导线电阻发热，是选择导线截面积的因素，所以各绕组的电压平均值和电流有效值之积是影响变压器尺寸的重要参数之一。
对于正弦波电压的变压器来说，因电压习惯于用有效值来表示，所以各绕组的容量定义喂该绕组电压和相应电流有效值之积，变压器容量为一次绕组容量和二次绕组容量的平均值。
对于脉宽调制的变换器来说，电压为正，负面积相等的准方波（或方波），其电压平均值等于电压幅值乘以2倍占空比，即2D。
（2）铁心材料及尺寸的选择
通常变换器的开关频率在数万赫兹及以上，变压器常采用铁氧体磁芯或微晶合金铁心。
铁氧体磁芯的式样，尺寸品种多，框架，精度，工艺问题成熟；
微晶合金铁心用于100KHz以下，制成大，小环型磁芯，与铁氧体竞争。
微晶合金铁心易制成大功率，在数千瓦及以上的大功率已显示其优势。
一．磁通密度的选择：
涉及工作的稳定，功率损耗，散热，铜损，铁损的优化等复杂问题，要反复设计，制作才能完善。
其最基本要求是：
①磁通密度必须小于饱和磁通密度；
②当频率达到100K
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