多路输出开关电源毕业设计.docx
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多路输出开关电源毕业设计
摘要I
AbstractI.L.
第一章绪论1
1.1设计的背景及意义1
1.2设计的主要内容和技术指标3
1.2.1设计的主要内容3
1.2.2技术指标3
第二章系统的总体结构及方案设计5
2.1方案比较5
2.2方案设计6
2.3主电路的结构7
2.4开关电源的基本工作原理7
2.5高频开关电源的结构8
第三章主电路设计10
3.1.滤除干扰电路10
3.1.1开关电源电磁干扰的产生机理10
3.1.2滤除电磁干扰电路设计11
3.1.3.电磁脉冲（EMP电路的设计14
3.1.4.电磁兼容（EMC的设计14
3.2•整流、滤波电路15
3.3电路拓扑结构选择15
3.3.1反激式电路16
3.3.2单激式变压器开关电源的工作原理16
3.3.3正激式变压器开关电源工作原理17
3.3.4双激式变压器开关电源18
3.3.5反激式变压器开关电源工作原理18
3.3.6反激式电路拓扑稳压过程22
3.4输出整流滤波电路22
3.4.1稳压输出23
3.4.2三段集成稳压器23
3.4.3稳压输出电路25
3.5变压器参数的计算26
第四章控制电路的设计30
4.1PWM技术简介30
4.1.1PWM控制技术概述30
4.1.2PWM控制的基本原理30
4.1.3PWM控制的基本概念32
4.2电流型PW控制原理及优点33
4.2.1电流型PWMI制原理33
422电流型PWM控制芯片34
423UC3842的性能特点34
4.2.4UC3842的引脚排列及内部框图35
4.3反馈电路的设计38
4.3.1反馈绕组设计38
4.3.2反馈电路设计39
4.4保护电路40
4.4.1过电流保护原理40
4.4.2过压保护原理41
4.5场效应管MOSFET41
4.5.1功率MOSFE驱动电路42
4.5.2MOS管的缓冲保护电路43
4.6系统稳定性45
4.6.1系统稳压过程45
4.6.2稳定分析46
4.6.3故障分析46
第五章系统仿真49
5.1仿真软件介绍49
5.2系统仿真49
第六章设计总结55
参考文献57
外文翻译58
致谢82
附录：
83
摘要
本文阐述了一种多路输出的反激式开关电源电路的设计及应用。
设计中主要
包括UC3842芯片，MOS管，TL431和光电耦合器组成的反馈电路，高频变压器，以及由二级管、电容构成的滤波电路。
通过将交流输入整成高压直流，再用单端反激式的DC—DC变换电路实现电压变换。
且在4路输出中设有主回路和辅助回路，其中主回路通过电压、电流反馈来控制PWM脉冲输出宽度，最终构成了一个能够输出稳定电压的多路输出开关电源。
关键字：
反激；开关电源；高频变压器
Abstract
Thedesignandapplicationofamulti-outputsingleflybackswitchingpowersupplyisproposedinthispaperthedesignmainlyincludesUC3842chip,MOStube,TL431photoelectriccouplerandcomposedoffeedbackcircuit,highfrequencytransformers,andbydiodes,capacitorconsistsofthefiltercircuitByexchangetheACinputintothehighvoltageDC,thenusethesingleflybacktypeoftransformcircuitimplementationDC-DCvoltagetransform.Andinthefourwaysofoutputcontainsmainloopandwithauxiliaryloop,ofwhichmainloopcontrolPWMpulseoutputwidththroughbythevoltageandcurrentfeedback.Finallyformamulti-channelswitchpowerwhichcanformatestableoutputvoltage.
Keywords:
Flyback;SwitchingPowersupplies;High-frequencytransformer
第一章绪论
1.1设计的背景及意义
随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的生活、工作的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻，薄、小和高效率为发展方向。
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。
这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠等优点。
但通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态，为保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率低，一般只有45%
左右。
另外由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备的发展要求。
20世纪50年代，美国宇
航局以小型化，重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
在电力电子技术高速发展的时代，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM控制IC
和MOSFE构成。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。
其效率可高达70%~95%而功耗小，散热器也随之减小。
开关稳压电
源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。
此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小，应此开关电源具有体重轻、体积小等优点。
另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。
而且对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V_10%,而开关型稳压电源字电网电压为
110~260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。
开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻变化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。
21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几
十千赫；采用MOSFE的开关电源转换频率可达几百千赫。
为提高开关频率，必需采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作
方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。
21世纪开关电源的追求和
发展趋势可以概括为以下四个方面。
1小型化、薄型化、轻量化、高频化。
开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性原件和电容）决定的，因此开关频率的小型化，实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。
在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此，
高频化时开关电源的主要发展方向。
2高可靠性。
开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了
可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。
3低噪声。
开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术，在原理上可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能的降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
4采用计算机辅助设计和控制。
采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机监测和控制，
可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高
频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率
MOSFETIGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁性元件的结构及设计方法，提高电容的介电常数及降低其等效串联电阻，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
现代电子系统，即便是最简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲，其电源电压，一般也要由+5V,土15V或土12V等多路组成，而对较复杂的电子系统来讲，不同的电子系统，不仅对上述各种电压组合有严格的要求，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压精度，电压的负载
能力（输出电流），电压的纹波和噪声，起动延迟，上升时间，恢复时间，电压过冲，断电延迟时间，跨步负载响应，跨步线性响应，交叉调整率，交叉干扰等。
对于电源应用者来讲，一般都希望其所选择的电源产品为“傻瓜型”的，即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，而各路电源电压依然精确无误。
1.2设计的主要内容和技术指标
1.2.1设计的主要内容
本设计中的电路总体上可以分为主回路和控制回路，主回路包括高压整流滤波、DC-DC变换电路、高频变压器、低压整流滤波几部分，控制回路由PWM脉冲
信号发生电路、反馈回路、过流保护、过压保护几部分组成，首先我们要选定主电路的拓扑结构，要求适合中小功率的多路输出开关电源的设计，其次是功率管的选择，在高频开关电源中要求功率管的响应时间快，即可快速关断、导通。
还有高频变压器的设计，在单端反激式电路拓扑结构中要求变压器不仅具有变压器的基本作用，还具有电感储能的作用。
在控制回路的设计中我们选用了UC3842
芯片，其内部具有电流、电压双反馈回路，而且具有过流过压自动保护功能，使得电路结构大为简化。
其内部结构及具体功能在下文介绍。
输出整流滤波部分由于接在高频变压器的副边绕组上，对整流二极管由严格要求，并在输出部分接了三端集成稳压器件，使得输出电压的精度得以提高。
最终将整个电路按一定的结构连接起来，组成一个能输出高精度电压的多路输出开关电源。
1.2.2技术指标
1）设计出能达到要求的多路输出开关电源的主电路；
2）设计出能达到要求的控制电路；
3）确定开关电源的拓扑结构和控制方式；
4）驱动电路和保护电路的设计：
过电流检测、过电压检测、过电流保护及过电压保护；
5）完成相应的滤波电路分析和变压器设计；
6）完成相关电气元件的选型要有详细的计算书（其中包括理论分析、设计计算、实验及数据处理、设备及元器件选择等）；
7）主要技术指标：
输入电压：
交流50Hz，220V±10%
输出电压：
直流+5V,±12V,+24V
输出最大电流：
3A
电压稳定度：
输出电压土0.3%
第二章系统的总体结构及方案设计
2.1方案比较
稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证来确定我们到底要用哪个方案。
方案一：
采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5V、土12V、+24V电压。
如图1.1所示。
但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。
图2.1直流稳压电源基本组成框图
方案二：
多路输出开关电源的关键点是电源电压只要不超过最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，各路输出电压依然精确无误。
本次设计采用变压器耦合反激式电路，开关管的“开通”和“关断”通过UC3842组成的控制电路电路实现，输出以+5V为主，—12V、+24V为辅。
其结构如图所示。
方案一中从220V交流电输入经过滤波稳压后得到一个相对稳定的电压，在经过变压器对其进行变压，然而在变压后其波中还有杂波，电压也不稳定，再对其进行滤波稳压，但是当运用于输出负载时对其输出电压有冲击影响，所以使用
反馈电路使其对电压进行调节来实现输出稳压，主要是通过输出端的电压反馈和输入端的电流反馈使输出电压更加稳定。
下面方案二是它的改进型。
方案二在方案一的基础上使用了反馈电路，用反馈电路控制器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。
在这现代科技的高速发展，功率器件的不断更新，使得对直流稳压电源的要求越来越高，电压的稳定与否直接影响到器件的工作效率，在方案一中其使用的器件虽具有稳压滤波并且成本低能广泛应用，但是在一定的工作场所上其稳压滤波性能不是太精确，而方案二中在这一点上就优于方案一，在工作时也能很快地
调节因负载引起的电压波动，因此本设计使用方案二
图2.2多路输出开关电源框图
2.2方案设计
2.2.1方案基本原理
设计中电路主要包括EMI滤波，输入整流滤波，DC-DC转换，输出整流滤波，采样电路，反馈电路和UC3842芯片几部分，其中EMI滤波电路由电容和电感组成，干扰源包括电网中的电磁干扰和高频开关的电力电子器件在电路中引起的干扰。
输入整流滤波由二极管组成的桥式不可控整流电路和电容组成，将输入
的220V电压整成约300V的直流电压输出。
DC—DC转换器具有多种电路结构形式，如反激式、正激式、推挽式、全桥、半桥等。
经过比较分析单端反激式电路最适合于中小功率的多路输出开关电源的设计。
UC3842芯片具有电流电压双环
反馈，电流为内环，电压为外环，将变压器电感电流与整流输出的电压分别采样引入芯片的2脚和3脚，在芯片内部通过比较产生不同脉宽的PWM&号来驱动高频开关电子管。
并且UC3842芯片兼有过流保护和过呀保护功能，使得电路结构大为简化。
反馈电路通过光耦PC817和三端稳压集成器件TL431实现，其中TL431可以等效为一个运放和一个晶体管连接，将采样电压输入运放的比较端，与基准
电压比较后输出电压到光耦中，其中光电耦合管由放光二极管和一个三极管构成，若采样电压增大，使得与TL431连接的发光二极管中流过的电流增大，将三极管可以等效为一个电阻，由“电流一发光一电流”的工作过程可得到反馈到2
脚的电压增大，通过芯片内部比较将减小输出的PW脉宽。
通过高频变压器将输出高频低压直流电，最后通过整流、滤波、和三端稳压集成器件，输出稳定的直流电。
222主电路的结构
从方案二可以看出其输出电压部分由主回路和辅助电路组成，将+5V的输出
设置为主回路，并设有反馈回路，+12V,-12V和24V电压的输出设置为辅助输出。
整体电路结构如下所示。
图2.3隔离式PWMDC/D转换器组成框图
（1）逆变。
由于高频变压器只能传递交流功率，所以必须用逆变器将直流输入电压转换成高频交流电压。
频率越高变压器的体积越小。
（2）变压。
由逆变器得到的高频交流电压，经过高频变压器变压，降低到设计的数值范围。
（3）整流。
将高频交流电压，整流成直流脉动电压。
（4）滤波。
采用大容量的电容，滤除交流成分，得到较纯的直流输出电压。
2.3开关电源
2.3.1基本原理
相对于线性稳压电源功耗较大的缺点，开关电源的效率可达90沖上，而且
造价低、体积小。
开关电源的工作原理如图1所示，它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等构成。
在图2.4中，三角波发生器的输出波形加到比较器的反相端，其同相端接比较放
大器的输出M。
当三角波的幅度小于比较器的同相输入时，比较器输出高电平，对应调整管导通的时间为ton。
反之，当三角波的幅度大于比较器的同相输入时，对应调整管的截至时间为toff。
为了稳定电压输出，按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器之间的联系。
假设输出电压增加，则FV,增加，比较
放大器的输出乂减小，那么比较器的输出波形中toff增加，从而使调整管的导通时间减小，输出电压下降，起到稳压的作用。
如果忽略电感的直流电阻，那么输
出电压V0为调整管发射极电压Ve的平均分量，于是在输入电压一定的时候，输出电压与占空比正比，通过改变比较器输出波形的占空比就可以控制输出电压的幅值。
图2.4开关电源工作原理
2.3.2高频开关电源的结构
图2.5高频开关电源的基本原理电路的框图
上图所示的通用高频开关电源框图，由以下四部分电路组成的：
一是市电输入的整流滤波电路，其作用是将市电输入的交流电压uac转换成纹波较小的直流
电压Ude；二是开关电源的主要组成部分，也是开关电源的核心DC/DC转换器。
其作用是将市电输入经过整流滤波的直流电压Ude,进行PW控制和DC/DC转换，
得到另一种数值的直流稳定电压U0;三是检测控制电路。
其作用是通过R和R2组成的分压器检测出输出电压U＞的值，将通过误差放大器与参考电压Uref进行比较，得到误差电压uea，将a通过脉宽调制器PWM与锯齿比电压进行比较，得到PWM矩形波脉冲，此脉冲列通过驱动器并以负反馈的方式，对DC/DC转换器进行PWM控制，并将Udc转换成另一种数值的直流稳定电压U0,达到稳定输出电压的目的；四是开关电源保护电路，其作用是保护开关电源安全稳定的工作。
第二章主电路设计
3.1.滤除干扰电路
3.1.1开关电源电磁干扰的产生机理
开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。
现在按噪声干扰源来分别说明二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中
有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。
（1）开关管工作时产生的谐波干扰：
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。
输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。
当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。
另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
（2）交流输入回路产生的干扰：
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡，产生干扰。
开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。
这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
（3）其他原因：
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
抑制干扰的几种措施：
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。
因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。
首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的
传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。
本次设计采用的抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道。
使用的方法是屏蔽、接地和滤波。
1采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。
功率开关管和
输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。
器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个
问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，切
断了射频扰向输入电网传播的途径。
2电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。
例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好,这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。
电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。
因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。
在电路系统设计中遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该回路时将产生磁感应噪声，实际上很难实现“一点接地”。
因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面（底板或多层印制板电路的导电平面层等）作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。
为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。
在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、咼频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。
3滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。
在电源输入端接上滤波器，可
以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。
在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。
恰当地设计或选择滤波器，
并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。
EMI滤波技术是一
种抑制尖脉冲干扰的有效措施，可以滤除多种原因产生的传导干扰。
3.1.2滤除电磁干扰电路设计
1.构造原理
电源噪声是电磁干扰（EMI）的一种，它属于射频干扰（RFI），其传导噪声的频谱大致分为10kHz~
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