开关电源课程设计59897.docx

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开关电源课程设计59897

太原理工大学课程设计任务书

学生姓名

课程名称

开关电源技术

设计名称

反激型开关电源电路设计

设计周数

2

指导教师

设计

任务

主要

设计

参数

1、交流输入电压单相AC380V，电压波动±50%；

2、直流输出电压15V，6A；

3、输出纹波电压≤0.2V；

4、输入电压在190~570V之间波动时，输出电压误差≤0.02V；

5、开关频率100kHz。

设计内容

设计要求

开关电源主电路的设计和参数选择

IGBT电流、电压额定的选择

开关电源驱动电路的设计

开关变压器设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

电路仿真分析和仿真结果

主要参考

　资　料

1.杨旭等，开关电源技术，机械工业出版社2004年3月

2.张占松，蔡宣三。

开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998

学生提交

归档文件

课程设计说明书一份

指导教师签名：

日期：

前言

随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。

反激式开关电源以其设计简单，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。

开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。

开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。

本论文根据输入电压经EMI滤波设计整流桥，再与直流变压器开关管构成反激电路。

通过输出反馈经UC3842控制占空比，从而使输出电压稳定。

反激电路中开关管开通原边线圈储存能量，副边不导通。

原边关断时，线圈储存的能量通过互感向负载提供能量。

输出电压反馈由TL431和光耦构成，当输出稳定时，有一个稳定的电流；当输出电压增大时，TL431分流增加，发光二极管亮度改变，使三级管电流改变，致使开关管控制导通占空比改变，从而使输出电压减小。

另外，芯片UC3842引脚接一电流反馈，通过控制分压值实现截流保护，防止输出过电流。

设计中，直流变压器的设计是重点，需要计算其原边电感，原副边匝数，铁芯的选择，根据这些参数构造电路图，计算各电容电阻值及二极管承受的反压，选择合适的型号。

论文先介绍了开关电源及反激式开关电源，然后介绍器件选型，再分部分介绍主电路、控制电路和保护电路，最后附表为选择时参数参考表和总电路图。

前言

第一章开关电源概述………………………………………………………………1

1.1开关电源综述……………………………………………………………………1

1.2反激式开关电源介绍……………………………………………………………2

第二章总体方案的确定……………………………………………………………2

2.1总体设计思路及框图……………………………………………………………2

2.2仿真原理图………………………………………………………………………3

第三章具体电路设计………………………………………………………………5

3.1EMI滤波电路……………………………………………………………………5

3.2整流滤波电路设计………………………………………………………………6

3.3高频变压器的设计………………………………………………………………7

3.4控制反馈电路的设计……………………………………………………………15

3.5保护电路的设计…………………………………………………………………17

3.6输出侧滤波电路设计……………………………………………………………18

第四章电路仿真与结果……………………………………………………………19

4.1EMI滤波电路……………………………………………………………………19

4.2整流电路…………………………………………………………………………21

4.3反激型电路………………………………………………………………………22

4.4反馈电路…………………………………………………………………………23

4.5总电路……………………………………………………………………………24

心得体会……………………………………………………………………………25

参考文献……………………………………………………………………………26

反激型开关电源电路设计

第一章开关电源概述

1.1开关电源综述

电源是各种电子设备不可缺少的组成部分，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠的工作。

目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

由于开关电源有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、滤波电容的容量和体积小的优点，目前已成为稳压电源主流产品。

开关电源是由全波整流器，开关管Vi，激励信号，续流二极管VD，储能电感和滤波电容组成。

其核心部分是一个直流变压器。

直流变换器是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。

采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不相同的多种直流供电电压。

开关电源的缺点是存在较严重的开关干扰。

开关电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整机的正常工作。

此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子设备、仪器和家用电器受到严重干扰。

根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：

串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。

其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：

推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：

正激式、反激式、单激式和双激式等多种；

图1.1开关电源典型结构

当交流输入电压、负载等变化时，直流输出电压也会变化。

这是可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输入电压保持稳定。

1.2反激式开关电源介绍

反激式开关电源的典型电路如下图所示。

反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。

开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。

开关电源中的变压器起着储能元件的作用，可以看做是一对互相耦合的电感，其功能有：

一通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三可以实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。

图2.2反激型开关电源原理图

第二章总体方案的确定

2.1总体设计思路及框图

2.1.1设计总体思路

输入——EMI滤波——整流滤波（也就一般的AC/DC类似全桥整流滤波模块）——DC/DC模块（全桥式DC—AC—高频变压器—高频滤波器—DC,）——输出。

系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。

整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。

整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。

直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。

2.1.2开关稳压电源的基本原理框图

如图2.1所示：

EMI滤波电路

整流滤波电路

辅助

电路

反馈

电路

高频变换器

输出

整流

滤波

控制电路

L

N

15V6A66A

图2.1开关稳压电源基本原理框图

2.2仿真原理图

由整流，直流变压器，控制电路，保护电路及芯片UC3842构成

具体原理图见附表。

第三章具体电路设计

3.1EMI滤波电路

为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路如图3.1所示。

图3.1EMI滤波器

标准的EMI滤波器通常由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备（一般来说，就是工频50/60Hz或者中频400Hz），而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。

电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）、滤波电容。

对差模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。

它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。

L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。

当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。

此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。

接于相线和中线之间，称为差模电容，接于相线或中线与地之间，称为共模电容。

和采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01-0.47主要用来滤除差模干扰。

和跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。

和也可并联在输入端，选用陶瓷电容，容量范围是2200-0.1。

为减小漏电流，电容量不得超过0.1，并且电容器中点应与大地接通。

的耐压值均为630VDC或250VAC。

为泄放电阻，可将上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使电源的进线端不带电，保证使用的安全性。

3.2整流滤波电路设计

3.2.1单相桥式不可控整流电路

在整流滤波环节采取的是单相不可控整流滤波电路（主要应用于小功率单相交流输入的场合）。

目前大量普及的微机电视机等家电产品所采用的开关电源中，其整流部分就是单相桥式不可控整流电路，如图3.2所示：

图3.2单相桥式不可控整流电路

已知输入电压为380V*（150%），所以输入电压最大值为570V，最小为190V。

输出为15V,6A。

3.2.2整流桥输出电压

空载时，，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，。

重载时，很小，电容放电很快，几乎失去储能作用。

随负载加重，逐渐趋近于.通常在设计时根据负载情况选择电容值，使，为交流电源的周期，此时输出电压为。

输入整流桥最高承受电压是输入电压为570时，其峰值为

（3-1）

考虑到整流桥需要承受较高的浪涌电压，可以选取该电压的1.5-2倍以上的电压等级，实际可以选取1200-1500电压的整流桥。

输入整流桥承受的最大电流出现在输入电压最低时，估算输出功率为90W时，效率为90%，则输入功率为100W，输入电压为190V时，输入电流有效值为

（3-2）

考虑到启动瞬间的浪涌电流，取整流桥的电流容量为2A以上即可。

二极管承受的电压：

二极管承受的反向电压最大值为变压器二次侧电压最大值即。

3.3高频变压器的设计

3.3.1计算原边绕组流过的峰值电流

每一工作周期能量乘上工作频率为输出功率

（3-3）

设为不连续工作模式，在时间内电流为0至，则

（3-4）

因为

（3-5）

所以

（3-6）

所以

（3-7）

化简得：

（3-8）

为求得，应以最小值代入

==248.70（3-10）

式中的20V假设为直流纹波及二极管压降之和。

设反激变压器最大占空比，代入式（3-8）得