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降压设计

全国大学生电子设计竞赛论文

单端反激开关电源设计（D题）

【08组】

2015年7月29日

摘要

开关电源被誉为高校节能电源，它是利用现代电力电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的期间比率，来维持输出电压稳定的一钟电源，具有体积小、重量轻、功率小、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等优良特性，广泛应用于计算机、电视机、摄像机等电子设备上。

开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制、IC和MOSFET构成。

本设计在大量前人设计开关电源的基础上，以反激式电路的框架，用CR6853构成12V、5A开关电源模块，通过整流桥输出到高频变压器一次侧，在二次侧经次级整流滤波输出。

输出电压经采样与TL431稳压管内部基准电压进行比较，经过线性光电耦合PC817变CR6853的占空比，从而使电路能直流稳压输出。

关键词：

开关电源，反激式，脉冲宽度调制（PWM）,光电耦合PC817，CR6853。

目录

1系统方案3

1.1开关电源3

1.1.1国际发展史3

1.1.2国内发展史3

1.1.3开关电源优点3

1.1.4开关电源的种类4

1.2CR6853芯片的论证与选择6

1.3光耦PC817的论证与选择7

1.4TL431介绍8

2系统理论分析与计算9

2.1反激式开关电源工作原理9

2.2反馈电路12

2.3整流滤波电路13

3电路设计14

3.1系统总体框图14

3.2子电路的设计14

3.2.1整流滤波电路14

3.2.2脉冲宽度调制（PWM）电路15

3.2.3输出电压取样电路15

3.2.4光耦合电路15

4参考文献17

附录1：

电路原理图18

附录2：

物料清单19

附录3：

实物图21

单端反激开关电源设计（D题）

【08组】

1系统方案

1.1开关电源

1．1．1国际发展历史

1955年，美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁心的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

20世纪60年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压、大电流的功率开关晶体管出现，从此，直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电，终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压器甩掉了，从而迅速地扩大了它的应用范围，在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。

1．1．2国内发展史

我国的开关电源设计、研制和生产开始于20世纪60年代初期，到60年代中期进入了实用阶段。

70年代初期开始设计、研制和生产无工频降压变压器的开关电源。

1974年研制成功了我国第一台工作频率为10kHZ、输出直流电压为5V的无工频降压变压器的开关电源。

虽然这些年取得了进步但和发达国家相比我们的技术还很落后。

由于我国的半导体技术与工艺跟不上时代发展，导致我们自己研制和生产的无工频降压变压器的开关电源关键器件，如开关晶体管，高频开关变压器磁性材料都是国外的。

因此，我们最根本的问题是要提高我国的半导体技术和工艺。

1．1．3开关电源优点

（1）内部功率损耗小，转换效率高。

（2）体积小，重量轻。

（3）稳压范围宽，线性调整率高。

（4）滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。

（5）电路形式灵活多样。

与线性稳压电源相比，其工作频率比线性电源工频高了几个数量级，开关电源比普通的线性电源效率高。

由于线性电源功率管工作在线性区，由P=UI得，随着I越来越大功率就越大。

而开关电源工作在开、关两种状态，当电阻很小时为开，当电阻很大时为关。

当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。

这就是开关电源效率高的原因。

1．1．4开关电源的种类

（1）按激励方式划分

①它激式开关电源电路。

这种形式电路具有工作稳定、可靠和便于控制的优点。

一般应用于大功率和超大功率输出场合。

图1它激式开关电源电路

②自激式开关电源电路。

该电路中的功率开关管既作功率开关，又作PWM驱动信号产生的振荡管。

具有内部损耗小，转换效率高，成本低等优点。

应用于小功率和中功率输出场合。

图2自激式开关电源电路

（1）按功率开关的连接方式划分

①单端正激式开关电源。

图3

②单端反激式开关电源。

图4

③推挽式开关电源。

图5

④半桥式开关电源。

图6

⑤全桥式开关电源。

图7

1.1.4开关电源的典型结构

图8开关电源的典型结构图

1.2CR6853芯片的论证与选择

CR6853是一款高集成度，低功耗的电流模 PWM 控制芯片，该芯片适用于离线式AC-DC 反激拓扑的小功率电源模块。

芯片可以通过外接电阻改变工作频率；在轻载和无负载情况下自动进入PFM和CRM，这样可以有效减小电源模块的待机功耗，达到绿色节能的目的。

CR6853具有很低的启动电流，因此可以采用一个2MΩ的启动电阻。

为了提高系统的稳定性，防止次谐波振荡，CR6853内置了同步斜坡补偿电路；而动态峰值限制电路减小了在宽电压输入（90V～264V）时最大输出 功率的变化；内置的前沿消隐电路可以消除开关管每次开启产生的干扰。

CR6853内置了多种保护功能：

过压保护、逐周期峰值电流限制、欠压锁定 （可以用它实现短路和过流保护）以及输出驱动的高电平钳位在18.0V以下。

而驱动输出采用的图腾柱和软驱动有效降低了开关噪声。

图9CR6853芯片的内部结构框图

1.3光耦PC817的论证与选择

PC817是常用的线性光耦，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当做耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。

图10PC817内部结构框图

图11光耦PC817应用电路

1.4TL431介绍

（1）TL431是一种并联稳压集成电路。

因其性能好、价格低，因此广泛应用在各种电源电路中。

其封装形式与塑封三极管9013等相同，如图a所示。

同类产品还有图b所示的双直插外形的。

图a

图b

图12TL431引脚图

封装形式：

TO-92、SOT-89、SOT–23

图13TL431内部结构框图

2系统理论分析与计算

2.1反激式开关电源工作原理

图14a是反激式变压器开关电源的简单工作原理图，图14a中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。

图14b是反激式变压器开关电源的电压输出波形。

a

b

图14

下面分析反激式变压器开关电源的工作过程。

图14a中，在控制开关K接通的Ton期间，输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电，初级线圈N1绕组有电流i1流过，在N1两端产生自感电动势的同时，在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势，但由于整流二极管的作用，没有产生回路电流。

相当于变压器次级线圈开路，变压器次级线圈相当于一个电感。

因此，流过变压器初级线圈N1绕组的电流就是变压器的励磁电流，变压器初级线圈N1绕组两端产生自感电动势可由下式表示：

（式1）

或

（式2）

上式中，e1为变压器初级线圈N1绕组产生的自感电动势，L1是变压器初级线圈N1绕组的电感，N1为变压器初级线圈N1绕组线圈绕组的匝数，为变压器铁心中的磁通。

对（式1）和（式2）式进行积分，由此可求得：

（式3）

（式4）

上式中，i1是流过变压器初级线圈N1绕组的电流，为变压器铁心中的磁通；i1（0）为变压器初级线圈中的初始电流，即：

控制开关刚接通瞬间流过变压器初级线圈N1绕组的电流；（0）为初始磁通，即：

控制开关刚接通瞬间变压器铁心中的磁通。

当开关电源工作于输出临界连续电流状态时，这里的i1（0）正好0，而（0）正好等于剩磁通S•Br。

当控制开关K将要关断，且开关电源工作于输出电流临界连续状态时，i1和均达到最大值：

（式5）

（式6）

（式5）、（式6）中，i1m为流过变压器初级线圈N1绕组的最大电流，即：

控制开关关断瞬间前流过变压器初级线圈N1绕组的电流；为变压器铁心中的最大磁通，即：

控制开关关断瞬间前变压器铁心中的磁通，S为变压器铁心导磁面积，Br为剩余磁感应强度，Bm为最大磁感应强度。

当控制开关K由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流i1突然为0，这意味着变压器铁心中的磁通也要产生突变，这是不可能的，如果变压器铁心中的磁通产生突变，变压器初、次级线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流又会抵制磁通的变化，因此，变压器铁心中的磁通变化最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。

因此，在控制开关K关断的Toff期间，变压器铁心中的磁通主要由变压器次级线圈回路中的电流来决定，即：

（式7）

 或

（式8）

上式中，e2为变压器次级线圈N2绕组产生的感电动势，L2是变压器次级线圈N2绕组的电感，N2为变压器初级线圈N2绕组线圈绕组的匝数，为变压器铁心中的磁通，uo为变压器次级线圈N2绕组的输出电压。

由于反激式变压器开关电源的变压器次级线圈N2绕组的输出电压都经过整流滤波，而滤波电容与负载电阻的时间常数非常大，因此，整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。

对（式7）和（式8）进行积分，并把uo用Uo代之，即可求得：

（式9）

（式10）

式中，i2是流过变压器次级线圈N2绕组的电流，为变压器铁心中的磁通；i2（0）为变压器次级线圈N2绕组的初始电流，（0）为初始磁通。

实际上，i2（0）正好等于控制开关刚断开瞬间流过变压器初级线圈N1绕组的电流被折算到次级绕组回路的电流，即：

i2（0）=i1m/n；而（0）正好等于控制开关刚断开瞬间变压器铁心中的磁通，即：

（0）=S•Bm。

当控制开关K将要关断时，i2和均达到最小值。

即：

（式11）

（式12）

（式11）式中，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

当开关电源工作于电流临界连续工作状态时，（式11）中的i2x等于0，而（式12）中的x等于S•Br。

由（式5）和（式11），或者（式6）式和（式12），并注意到，变压器次级线圈与初级线圈的电感量之比正好等于n2，就可以求得反激式变压器开关电源的输出电压为：

（式13）

（式13）中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

这里还需提请注意，在决定反激式开关电源输出电压的（式13）式中，并没有使用反激输出电压最大值或峰值Up-的概念，而式使用的正好是正击式输出电压的峰值Up，这是因为反激输出电压的最大值或峰值Up-计算比较复杂，并且峰值Up-的幅度不稳定，它会随着输出负载大小的变化而变化；而正击式输出电压的峰值Up则不会随着输出负载大小的变化而变化。

2.2反馈电路

反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817。

利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。

。

当输出电压升高时，取样电压也随之升高，设定电压大于基准电压（TL431的基准电压为2．5V），使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得CR6853的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。

2.3整流滤波电路

  输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。

开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。

（1）输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。

解决的方案是在电源输入端加电容C5，以滤除此噪声干扰。

（2）高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。

还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。

对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用π型滤波的方式。

滤波电感采用150μH的电感，可滤除高频噪声。

  （3）采用快速恢复二极管D6、D7整流。

基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。

3电路的设计

3.1系统原理图

图15系统原理图

3.2子电路的设计

3.2.1整流滤波电路

开关电源的输入滤波器的主要作用是抑制电网中的噪声，使电子设备抗干扰能力大大加强，仅使电源工作频率附近的频率成分顺利通过，衰减高次频率成分。

它还能抑制开关电源所产生的共模干扰和差模干扰进入交流电网，避免干扰其他电气电子设备。

图16整流滤波电路

3.2.2脉冲宽度调制（PWM）电路

图17脉冲宽度调制（PWM）电路

3.2.3输出电压取样电路

图18输出电压取样部分

3.2.4光耦合电路

光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。

它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。

当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了"电-光-电"转换。

以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

图19光耦合电路

4参考文献

[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：

电子工业出版社，2004

[2]吕利明，肖建平，钟智勇，石玉.高频开关电源单端反激变压器的原理与设计方法[J].工艺技术应用.2006,36（8），24-32.

[3]张刚，刘志刚，岳岱巍，沈茂盛.基于及的单端反激式开关电源设计[J].电源技术应用，2007

[4]孙海峰，蒋红梅，崔玲玲.单端反激电路中高频变压器的设计[J].电源世界，2007.

[5]张忠仕，汪伟，陈文，李卫.开关电源变压器磁芯气隙量的计算[J].磁性材料及器件，2008

[6]周志敏，周纪海.开关电源实用技术——设计与应用[M].北京：

人民邮电出版社，2005. 

[7]赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：

人民邮电出版社，2007.  

[8]刘岩.电流控制型开关电源[J].现代电子技术,2001（10）:

60-62.  

[9]何希才.新型开关电源设计与维修[M].北京：

国防工业出版社，2004.  

[10]胡雪梅，韩金铃.开关电源的分类应用及发展[J].江西电力职业技术学院学报，2006,19（4），73-97. 

附录1：

电路原理图

图20电路原理图

附录2：

物料清单

序号

名称

型号规格

封装

用量

位号

备注

1

安规X1电容

0.1uF/275V

DIP10mm

1

C3

2

安规Y1电容

2200pF/400V

DIP

1

C5

3

保险丝

AC250V/2A

4*10

1

F1

4

场效应管

4N60or8N60

To-220

1

Q1

5

电解电容

22uF/50V

6*10

1

C2

6

电解电容

47uF/400V

16*25

1

C1

7

电解电容

470uF/35V

10*16

2

C9C10

8

二极管

1N4007

DO-41

4

D1D2D3D4

9

二极管

FR107

DO-41

2

D5D6

10

发光管

3mmredofgreen

DIP

1

LED1

11

功率电感

3.3uH/5A

DIP

1

L2

12

光耦

EL817BorJC817

DIP

1

IC2

13

集成电路

CR6853TorOB2263

DIP

1

IC1

14

集成电路

TL431

SOT-23

1

IC3

15

滤波器

EMIFILTER1

UU9.8

1

L1

16

螺母

M3

铁镀镍

2

固定散热片

17

螺丝

M3*8

铁镀镍

2

固定散热片

18

散热片

52*20*1.5

铝合金

2

安装于线路板

19

贴片电容

4700pF/50V

0805

2

C4C7

20

贴片电容

0.1uF/50V

0805

1

C11

21

贴片电容

1000pF/200V

0805

1

C8

可以不焊接

22

贴片电阻

IK

0805

1

R16

23

贴片电阻

5.IK

0805

1

R18

24

贴片电阻

10K

0805

1

R8

25

贴片电阻

10R

0805

3

R6R7R13

26

贴片电阻

100K

0805

1

R3

27

贴片电阻

200K

1206

2

R4R5

28

贴片电阻

470R

0805

1

R9

29

贴片电阻

680K

1206

2

R1R2

30

贴片电阻

100R

0805

1

R14

可以不焊接

31

贴片电阻

2K

0805

1

R17

可以不焊接

32

线路板

PCB80*42

20130914

1

33

肖特基管

MBR10200

To-220

1

D7

34

直插电容

2200pF/1000V

DIP

1

C6

序号

名称

型号规格

封装

用量

位号

备注

35

贴片电阻

2K

0805

1

R15

12V/5A

36

贴片电阻

3.3K

0805

1

R21

12V/5A

37

贴片电阻

13K

0805

1

R20

12V/5A

38

变压器

12V5A

PQ2620

1

T1

12V/5A

39

直插电阻

0R33

1/2W

1

R10

12V/5A

40

二极管

IN4148

LL34

1

D8

附录3：

实物图