单端反激式开关电源课程设计Word下载.docx
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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
,
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、开关电源稳压过程
一路+5V、+12V、+24V输出电压经
、
分压后与TL431的基准电压值2.5V进行比较,与输出电压的变化产生误差电压,并通过光耦PC817把误差传递给UC3844,由UC3844控制MOSFET的占空比以实现稳压。
当输出电压升高时,输出电压经分压电阻分压得到的采样电压也升高,流过PC817发光二极管的电流增大,发光二极管发光强度增大,光电三极管导通程度加深,集射极电压减小,UC3844的6脚输出驱动信号的占空比减小,于是输出电压下降,达到稳压的目的。
当开关电源输出的电压下降时,上述控制过程正好相反。
第3章设计总结
本课题设计了一个多路输出单端反激式开关电源,主要工作概括如下:
了解了开关电源技术的发展现状,认识了目前广泛使用的几种拓扑类型,主要对反激式拓扑进行了分析研究。
采用UC3844作为控制芯片,充分使用了UC3844电压电流双闭环反馈功能,实现了对输出电压保护与调节。
由于UC3844的功能高度集成,其性能优良、管脚数量少、外围电路简单、价格低廉等优点,为本课题设计降低了难度。
由UC3844构成的开关电源控制性能好,功能完善,可靠性高。
电压采样及反馈电路由光电耦合器PC817、三端可调稳压管TL431组成。
这种拓扑结构外接元件少,负载调整率好,具有良好的稳压效果。
并采用多路反馈,控制更加有效,可以适用于各种负载。
本设计采用单个高频变压器完成7路电压输出,由于本设计是基于单端反激式变换器结构,因此电源的容量取决于高频变压器的性能。
由于高频变压器的设计是比较困难的,因此可以采用多个变压器分担不同输出,将功率进行合理的分配。
参考文献
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人民邮电出版社,2006.9
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高等教育出版社,2004:
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【5】原田耕介.开关电源手册【M】.北京:
机械工业出版社,2004:
18-30.
【6】邱关源,罗先觉.电路【M】.第五版.北京:
高等教育出版社,2006.3
附录
整体电气原理图: