60W反激式开关电源的设计毕业设计.docx
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60W反激式开关电源的设计毕业设计
本科生毕业设计
论文题目
：
60W反激式开关电源的设计
姓名
：
聂亚芬
学号
：
201320060119
班级
：
1320604Z班
年级
：
2013级
专业
：
电子信息工程
学院
：
机械与电子工程学院
指导教师
：
邓文娟（副教授）
完成时间
：
2017年月日
作者声明
本人以信誉郑重声明：
所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。
文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。
特此声明。
毕业设计（论文）作者（签字）：
签字日期：
年月日
本人声明：
该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名：
年月日
60W反激式开关电源的设计
聂亚芬
60WFlybackSwitchingPowerSupplyDesign
YafenNie
2017年05月30日
摘要
电源技术是当代科技的重要组成部分，无论是在日常生活还是尖端科技中，电源技术都扮演着一个重要的角色。
我们常见的电源有两类，分别为线性稳压电源和开关电源，但由于开关电源具有体积小、重量轻、低功耗等优点，它已经逐渐取代了线性稳压电源的地位，并且成为了电子计算机、家电、通讯等各个行业的主流产品。
而其中反激式开关电源电路较为简单，成本也相对低廉，市场应用范围更广，所以相对来说更具有研究意义。
此次课题是面向小型工控企业设计的一款高效开关电源，采样反激式拓扑，结合使用了安森美的NCP1253芯片进行功能设计，得到一款输出为60W/12V的反激式开关电源。
整体设计框架是先了解反激式拓扑工作原理，然后进行模块设计，根据企业需求设计相关功能，整体功能测试无误后能够投放于市场。
关键词：
反激式拓扑；NCP1253；模块设计；功能测试
ABSTRACT
Powersupplytechnologyisanimportantpartofmodernscienceandtechnology,powersupplytechnologyplaysanimportantrolebothindailylifeandincutting-edgetechnology.Wehavetwokindsofcommonpowersupply,respectivelylinearregulatedpowersupplyandswitchpowersupply,butbecauseoftheswitchingpowersupplyhastheadvantagesofsmallvolume,lightweight,lowpowerconsumption,ithasgraduallyreplacedthelinearregulatedpowersupplystatus,andbecomethemainstreamproducts,homeappliances,computercommunicationsandotherindustries.Theflybackswitchingpowersupplycircuitisrelativelysimple,thecostisrelativelylow,themarketismorewidelyused,soitismoremeaningful.
Thistopicisahighlyefficientswitchingpowersupplydesignforsmallindustrialenterprises,samplingflybacktopology,combinedwiththeuseoftheNCP1253chipAMorimifunctiondesign,getaoutputflybackswitchingpowersupply60W/12V.Theoveralldesignframeworkistounderstandtheprincipleofflybacktopology,andthendesignthemodule,accordingtotheneedsoftheenterprisedesignrelatedfunctions,theoverallfunctionaltestingcanbeputonthemarket.
Keywords:
flybacktopology;NCP1253;moduledesign;functiontest
绪论
由于电源技术是一门结合了现代电子技术、电力变换技术，以及自动控制技术等多门学科的技术，所以它的可适用范围非常广。
如今电源技术已经成为当代科技比较重要的组成部分，无论是日常生活还是尖端科技，都与电源技术息息相关。
随着市场需求不断扩大，对电源的技术要求也越来越高，而其中的开关电源是采用大功率开关管的高频整流电源，它与传统采用工频变换技术的相控电源相比，具有能够更方便地得到不同的电压等级，以及同时还能去除掉大型的工频变压器及滤波电感电容等优点，所以相对其他传统电源来说，开关电源更具有研究意义。
开关电源行业虽然发展较为迅速且已经进入相对成熟化，但是它的发展始终是由市场需求决定的，若想使开关电源成为市场常青树，那么就要使开关电源在现有的基础上更加优化，而其中反激式开关电源相对于其他种类的开关电源来说，电路较为简单，成本也相对低廉，它的输出电压受占空比的调制幅度也相对较高。
正是由于这些优点，使得反激式开关电源在家电领域中和小型工控企业中被广泛应用。
因此，反激式开关电源也成为各大企业优先考虑目标。
电源技术行业已经成为了我国具有国际竞争力的电子行业之一，即使在前几年全球金融危机的冲击下，电源技术行业达到的产值仍是同行业之最。
随着国家一系列宏观调控政策的落实以及全球经济又逐渐趋于稳定之后，电子电源行业借势而上，产值规模更是又攀高峰，开关电源又是电子电源的主要产品，由于其重量轻、小型化、输入电压范围宽、功率密度/转换效率高、待机功耗小等众多种优点，所以发展迅速，如今开关电源已经取代线性工频电源，应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电子行业。
开关电源技术是当今最重要的支撑科技，也是电力电子技术的其中一种。
据美国权威机构对电力电子技术的研究，他们提出了一个观点，当今社会国家的科技离不开七个领域：
环保、资讯与通信、能源、交通和材料、生命科学。
这些领域却又都和电力电子技术有着密切联系，而开关电源又是其中的一个重要方面，所以开关电源有着长远的发展前景。
由于开关电源技术与这些方面息息相关，所以下面这几点也将成为开关电源的未来发展方向：
（1）提高频率，使动态响应变快，由此去配合微处理器工作，使其达到高速工作状态。
（2）控制开关电源的体积大小，对相关器件如：
变压器、电容、电感等都要最优化的减小体积。
（3）提高效率，由此去减少热能的产生，使散热更加容易，也可以达到高功率密度。
开关电源是开关稳压电源的简称，一般指输入为交流电压、输出为直流电压的AC/DC变换器。
开关电源内部的功率开关管工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达75%-90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。
下图为电源分类表：
开关电源变换器可以看做开关元件，它是通过呈周期性的导通和关断，来控制占空比从而达到稳定输出电压的目的。
开关电源的组成架构如下：
开关电源的特点：
（1）高效率、低功耗：
开关电源具有高效节能性，被誉为高效节能电源。
（2）输出电压的变化范围大：
输出电压与输入电压无关，既可以比它低也可以比他高；还可以改变电压的极性。
（3）外围器件的尺寸：
在输出为相同的纹波的情况下，开关电源所需要的外部器件尺寸会随着开关频率变高而变小。
（4）高可靠性：
通常会在电路中设置保护电路。
当今开关电源技术有四大发展趋势：
（1）非隔离DC/DC技术发展迅速。
（2）开关电源吹响数字化号角。
目前在整个电子模拟电路系统中，电势、
音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的堡垒即使电源领域了，近年来数字电源的研究石头不减，成果也越来越多；
（3）初级PWM控制IC不断优化。
（4）同步整流技术实现高效。
开关电源未来的发展趋势也将体现在以下几个方面。
（1）绿色化，绿色化的开关电源产品将得到广泛应用；绿色开关电源产品
具体是指显著的节能性能和不对公用电网产生污染的特点；
（2）小型集成化，小型的开关电源已经成为现代供电设备的主流。
电源的
小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。
因此，提高开关电源的功率密度和电源转换效率，使之小型化、轻量化、是人们不断努力追求的目标。
高频化、软开关技术、模块化作为电源小型化的主要技术手段之一；
（3）数字化，数字化电源将开关电源的高效与数字芯片的智能控制相结合，并运用适当算法对电压、电流进行调整。
数字电源与模拟电源相比，对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测更精确;可以实现快速，灵活的控制设计。
第二章开关电源的原理
2.1开关电源的原理分析
开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通和截止，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50赫兹高很多，所以开关变压器可以做得很小，而且工作时发热很小。
简单的说，开关电源原理是：
1、交流电源输入经过整流滤波成直流；
2、通过高频PWM脉冲宽度调制信号控制开关管，将整流后的直流加到开关变压器初级上；
3、开关变压器初级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；
4、输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，直接控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。
一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。
如果细致的划分，它包括：
输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大器、振荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。
输入滤波器一般是由工模、差摸电感和X电容、Y电容等组成的，滤除掉电源对电网和周边器件的干扰，并防止别的设备干扰电源自身；
整流器是把AC部分整流成波动的DC部分；
PFC的意思是功率因数校正，主要用于表征电子产品对电能的利用效率，功率因数越高，说明电能的利用率越高，计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会照成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数，它主要分为主动式和被动式，被动式用在功率因数和谐波较低的场合，主动式则反之；
原边电源主要给芯片和保护电路供电的辅助电源；
变压器是传递能量的主要器件，由它来进行电磁转换，并进行电气隔离；
输出电路包括整流和滤波，使输出稳定的直流电压。
2.2反激式拓扑电路工作原理
上图为反激式拓扑方框图。
反激式拓扑电路主要运用于小功率电源，它在开关导通时，变压器存储能量，负载电流由输出滤波电容供给；开关关断时，变压器将存储的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。
反激拓扑在输出功率为5-150W电源中应用非常广泛，它的最大优点是不需要接次级输出电感，不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小。
它的工作模式有两种：
连续模式和不连续模式。
2.2.1不连续模式下反激变换器的工作原理
上图为工作于不连续模式下的波形图，即次级电流在下一个周期开始前下降到零。
当Q1导通时，所有的整流二极管都截止，输出电容给负载供电。
原边变压器线圈相当于一个纯电感，流过Np的电流线性上升，达到幅值Ip。
当Q1关断时，初级存储的能量传送到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。
从反激式拓扑可以看出，电路有一主一辅两个输出，主输出电路接负反馈闭环。
V02的采样电压与参考电压相比较，产生的误差信号控制Q1的导通时间，使输出采样电压在输入电压和负载变化时跟随参考电压变化。
辅输出对输入电压的变化调整得很好，但对负载变化调整稍差。
虽然辅输出调整效果不如主输出好，但比正激变换器辅输出调整得好。
从上图所示的变压器次级同名端标识很容易判别出其为反激变换器。
Q1导通时，所有绕组同名端的电压相对于异名端为负；输出整流管D1、D2反偏，C1、C2单独想负载供电。
C1、C2电容的选择应保证提供负载电流的同时能满足输出电压温纹波和压降的要求。
Q1导通期间，原边绕组电压恒定，其电流线性上升，斜率为di/dt=（Vdc-1）/Lp。
其中，Lp是初级励磁电感。
在导通结束之前，初级电流上升达到Ip=（Vdc-1）Ton/Lp。
此时变压器存储的能量为
（2.1）
式中，E的单位为焦耳，L的单位为亨利，I的单位为安培。
Q1关断时，励磁电感的电流使各绕组电压反向，设此时次级只有一个主次级绕组Nm，没有任何其他辅绕组。
则由于电感电流不能突变，在Q1关断瞬间，变压器次级电流幅值为
（2.2）
几个开关周期之后，次级直流电压上升到Vom。
Q1关断时，Nm同名端电压为正，电流从该端流出并线性下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls。
其中，Ls为次级电感。
若次级电流Is在Q1再次导通之前降到零，则变压器存储的能量在Q1再次导通前已全部传送到负载，变压器工作于不连续模式。
由于一个周期内传递的能量即为输入功率，一个周期T内直流母线电压Vdc提供的功率为
（2.3）
又因，
则有，
从上式可见，只要反馈环保持VdcTon恒定，即可保持输出恒定。
2.2.2连续模式下反激变换器的基本工作原理
两种模式下的电路拓扑相同，如图（3a）所示。
决定电路工作模式的参数是变压器的励磁电感和电路的输出负载电流。
励磁电感给定后，若负载电流超出规定范围，电路就会脱离原先设计的不连续工作模式而进入连续模式。
所谓连续模式是开关管关断时，关断电流未降到零，在下周期开始时，次级仍然维持有电流。
2.2.3两种模式的区别
两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。
不连续模式电路德响应更快且电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低。
但由分析可见，不连续模式下次级峰值电流为连续模式下的2-3倍。
次级电流平均值即为直流负载电流。
另外，若设两种模式下的关断时间基本相等，且波形平均值相同，则不连续模式的三角波峰值明显比连续模式下的梯形波峰值高很多。
连续模式下次级电流峰值大，将在关断瞬间产生较大的输出电压尖峰，从而需要较大的LC滤波器。
另外，不连续模式关断瞬时，大的峰值电流会造成严重的RFT问题。
即使输出功率不是很大，关断瞬间次级大电流尖峰流入，输出电感造成较大的di/dt，也会在输出母线产生严重的噪声。
不连续模式下次级电流有效值可达到连续模式下的两倍。
因此，不连续模式要求大的导线尺寸和耐高纹波的输出滤波电容。
由于次级有效电流较大，连续模式下的整流二极管的温升也更高。
不连续模式下的初级电流峰值约为连续模式下的两倍。
这同样是因为若二者的平均值相等，则三角波的电流峰值一定比梯形电流峰值高。
由于不连续模式下的初级电流值较高，就要求使用更大电流且可能更昂贵的开关管。
另外，不连续模式下的初级电流更大也会导致更严重的RFI问题。
虽然不连续模式存在诸多的缺点，但它比连续模式应用更广泛。
原因有两个：
第一，不连续模式本身的变压器励磁电感小从而响应更快，且输出负载电流和输入电压突变时，输出电压瞬态尖峰小；第二，由于连续模式本身的特性，必须大幅减小误差放大器带宽才能使反馈稳定。
2.2.4反激拓扑的缺点
尽管反激变换器有许多的优点，但它有以下缺点：
1、较大的输出电压尖峰
导通时间结束时的初级峰值电流可由式（3.12）计算出来。
导通结束时，初级即流过值为初级峰值与匝比Np/Ns乘积的电流，该电流后来会线性下降，如图（3b）所示。
大多数情况下变换器的输出电压低而输入电压高，这将造成大的Np/Ns及大的次级电流。
开关管开始关断时刻，从Co看进去的阻抗远低于Ro，所有的次级电流都流入Co及其等效串联电阻Resr。
这将产生窄而高的输出电压尖峰Ip（Np/Ns）Resr。
尖峰的宽度通常小于0.5us（随时间常数ResrCo不同而不同）。
通常，电源技术是以有效值或峰-峰基值来规定输出电压纹波要求的。
由于这样的高尖峰的有效值很小，当选用大容值输出滤波电容时，电流很容易满足有效值纹波要求，但电源会输出危害很大的尖峰电压。
因此，通常要在反激变换器主储能电容后加小型LC滤波器。
L值和C值可以很小，因为它们只用来滤掉宽度小于0.5us的尖峰。
虽然该电感明显比正激变换器的电感小很多，但它仍需占用空间。
误差放大器应在LC滤波器之前对输出电压进行采样。
2、需要大容量且能耐高纹波电流的输出纹波电容
反激变换器输出滤波电容的容量比正激变换器大很多。
对正激变换器，开关管关断时，滤波电容和滤波电感的储能同时向负载提供电流。
但对反激变换器，滤波电容必须更大，因为在开开关管导通时只能由它的储能向负载提供电流。
输出纹波主要由滤波电容的等效串联电阻ESR决定。
但输出纹波电压要求并不能最终决定滤波电容的选择，而是由根据纹波电压要求初选的电容的纹波电流额定值决定的。
对于正级变换，输出滤波电容纹波电流受到与之串联的输出电感的抑制。
但对于反激变换器，开关管导通时，全部直流电流由接地端向上流过电容；开关管关断时，同样大小的电流电容以补偿来管管导通时电容损失的能量。
假设如图（3a）所示，电路导通时间与复位时间之和为开关周期的80%，则电容纹波电流有效值约为
若根据输出纹波电压初选的电容不能达到上式额定纹波电流的要求，则应选择更大容量的电容，或使用多个电容并联工作。
第3章60W反激式开关电源的设计
3.1需求分析
此次课题主要是对开关电源市场进行分析，出于成本、体积、性能等多方面考虑决定设计一款60W的反激式开关电源，它是适用于小型工控企业，其输出功率为60W，输入电压的范围为90~264VAC，输出电压12V。
它具有短路/过载/过压等保护功能，它工作时适用的温度范围较宽为（-25℃~70℃）。
而且，设计时该电源的电解电容全采用105℃时长寿命日系电解电容，所以该电源能经受住100%满载老化测试，具有高效率、高可靠性和长寿命。
工控电源它的工作环境是非常恶劣的，所以整个反激式电源的设计核心是高可靠性。
经过对60W反激式开关电源的各个方面的需求分析，制定如下规格书：
产品名称
12V60W反激式开关电源
输出
输出组数
V1
直流输出
12V
输出轻载整定范围@25℃
/
输出额定电流
4.5A
输出电流范围
0-4.5A
额定输出功率
54W
总峰值输出功率
/
纹波噪声
（Ta为环境温度）度）
0<120mVp-p
-25<300mVp-p
输出调节范围@25℃
/
稳压精度@-25~70℃
±3%
2%
源调整率@-25~70℃
±1%
0.5%
负载调整率@-25~70℃
±2%
2%
温度系数@-25~70℃
±0.03%/℃
输出启动时间@25℃
≤1s（220Vacinput,2.25Aload）
输出上升时间@25℃
≤50mS
输出保持时间@25℃
≥100mS（220Vacinput,2.25Aload）≥20mS（120Vacinput,Fullload）
电压过冲@-25~70℃
<5%
容性负载@-25~70℃
>10000UF
输入
输入电压范围
90Vac~264Vac
额定输入电压范围
100Vac~240Vac
频率范围
47Hz~63Hz
启动电压-25~70℃
83Vac
效率@25℃
>83%
输入电流@25℃
<1.5A
启动冲击电流@25℃
<40A@冷机、220Vac
功率因数@25℃
/
待机功耗@25℃
/
泄漏电流@25℃
输入对输出≤0.2mA输入对大地≤3.5mA
保护功能
输入
欠压告警保护点
90~110Vac，保护时P2关断
欠压告警恢复点
90~110Vac，恢复时P2开通，回差大于5Vac
过压告警保护点
245~265Vac,保护时P2关断
过压告警恢复点
245~265Vac,恢复时P2开通，回差大于5Vac
输出
过功率保护
59.4W~97.2W荡机
过压保护
12.6V~16V
过流保护
4.725A~8.1A荡机
短路保护
长期,荡机、自恢复
过温保护
工作
环境
工作温度及湿度
-25℃~70℃;30%~90%RHNocondensing
储存温度及湿度
-40℃~85℃;5%~95%RHNocondensing
振动
10~150Hz,2G10min./1cycle,periodfor60min.eachalongX,Y,Zaxes
冲击
20G/11mSpulse,3timesateachX,Y,Zaxes
海拔高度
5000m
三防要求
□防潮□防霉□防盐雾
安全及电磁兼容标准@25℃
安全标准
GB4943/EN60950■参考□认证
■参考□认证
绝缘强度
输入-输出：
3KVac/10mA;输入-大地：
2KVac/10mA;
输出-大地：
0.5KVac/10mA;测试时间为1min
接地测试
测试条件：
32A/2分钟；接地阻抗：
＜0.1ohms
绝缘阻抗
输入-输出：
100Mohms;输入-大地：
100Mohms;
输出-大地：
100Mohms;
电磁干扰性
传导干扰
EN55022，FCCPART15CLASSB
辐射干扰
EN55022，FCCPART15CLASSB
谐波（Harmaoniccurrent）
/
电磁抗干扰性
传导骚扰
/
辐射骚扰
/
工频骚扰
/
静电骚扰
CompliancetoEN6100-4-2level4CriteriaB
快速脉冲群
CompliancetoEN6100-4-4level4CriteriaB
雷击（浪涌）
CompliancetoEN6100-4-5level4CriteriaB
中断,跌落
CompliancetoEN6100-4-11
其他
产品安装方式
尺寸（长*宽*高）
111.6*51*29mm
包装
净重（每台）；数量（每箱）/毛重（每箱）/体积
（每箱长*宽*高）
连接端子
输入：
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