反激式高频开关电源设计与制作定稿.docx
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反激式高频开关电源设计与制作定稿
2015年度本科生毕业论文（设计）
高频开关电源的设计与制作
院－系：
工学院
专业：
历史学专业
年级：
2010级
学生姓名：
张 华
学号：
201012345678
导师及职称：
李 树 （教授）
2015年6月
2015AnnualGraduationThesis（Project）oftheCollegeUndergraduate
Thedesignandmanufactureofhighfrequencyswitchpowersupply
Department:
HistoryDepartment,SchoolofHumanities
Major:
History
Grade:
2010
Student’sName:
Zhanghua
StudentNo.:
201012345678
Tutor:
ProfessorLiShu
FinishedbyJune,2014
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名：
日期：
毕业论文（设计）授权使用说明
本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。
有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。
保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
张华毕业论文（设计）答辩委员会（答辩小组）成员名单
姓名
职称
单位
备注
主席（组长）
摘要
通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本设计分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力直流操作电源系统中的应用，设计出一种实用于电力系统的高频开关电源，以替代传统的相控电源。
本文利用反激式变压器的特点，设计了以UC3842为核心器件的单端反激式开关电源，可以为外部电路输出可五路电压，并且可以通过调节PWM输出减小输入电压的变化所带来的影响，进而保证输出电压稳定。
论文介绍了几种常用的开关电源拓扑结构，通过对这几种方案的对比分析，选择合适为本文电路的拓扑结构，并详细的介绍分析了所选择的反激式变换结构的参数，同时通过对比开关电源的反馈控制模式优缺点作出了选择。
简单描述了PWM控制芯片UC3842的结构，UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。
其工作原理是：
某时刻由于某种原因使输出电压升高，芯片内部的脉宽调制器就会开始工作，通过改变驱动信号的脉冲宽度（占空比D），从而降低斩波后的平均值电压，进而使得电压稳定输出，反之亦然，适合于制作50～150W小功率开关电源。
由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。
实验结果表明：
所设计的开关电源稳定性好，纹波少，电压调整率高、电磁兼容性好等特点，具有很高的应用价值。
关键词:
高频开关电源；UC3842；脉宽调制；反激式
Abstract
Thecorrespondencepowerswitchisthetelecommunicationnetworkenergy,itspowersupplyqualityrelatesdirectlytotheentiretelecommunicationnetworkunimpededness,ThePaperanalyzethePresentsituationanddevelopmentofh1gh_frequencySwitchingpowersupply（HFSPS）domesticallyandoverseas，studyandresearchthebasalprincipleofHFSPSanditsapplicationinelectricpowersystem，thendesignHFSPSappliedine1eetricpowersysteminordertoreplacetheoldsupplycontrolledbyphaseangle.
Inthispaper,usingthecharacteristicsoftheflybacktransformer,amultiportflybackswitchingpowersupplyisdesignedbasedontheUC3842,whichprovidesfiveoutputvoltageandcanadjustthePWMoutputtoensurestableoutputvoltageastheinputvoltagechanges.UC3842isakindofexcellentperformanceofcurrentcontrolmodepulsewidthmodulator.Ifforsomereasonmaketheoutputvoltagerises,thepulsewidthmodulatorcanchangethedrivesignalofpulsewidth,i.e.dutyratioD,maketheaveragevoltageafterchoppingdown,soastoachievevoltageregulation,andviceversa.UC3842MOStube,IGBT,etc.,canbedirectlydrivenissuitableforproductionof50~150wlowpowerswitchingpowersupply.Duetothedevicedesignisclever,directlybythemainsvoltagestart,requiredlesscomponentcompositioncircuit,veryaccordwiththeprincipleofcircuitdesign.
Experimentalresultsshowthat:
thedesignofswitchingpowersupplyhasstableoutput，lowripple,goodvoltageregulation,niceelectromagneticcompatibility,etc,ithasahighapplicationvalue.
KeywordsHFSwitchpower；UC3842；Pulsewidthmodulation；Flyback
1.绪论
通信用高频开关电源，是将直流电转化为高频率的交流电继而提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多是转化为高频交流电的主要原因，正是基于高频变压器的轻巧化，目前市场上开关变压器可以做的很小，而且工作时也不会很热。
开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。
与普遍通过电压来实现脉宽调制（PWM）原理的传统的开关电源相比，近年来电流型PWM技术得到了飞速发展。
电流型PWM的电压调整率和负载调整率相比较于电压型脉宽调制更加优越，而芯片利用其自身内在的限流能力和并联均流能力提高了控制电路的简洁性和稳定性。
随着电流型PWM控制器的集成化、产品化，推动了小功率开关电源的快速发展和广泛应用，电流型PWM控制小功率电源利用其高稳定性已经逐步取代电压型PWM控制小功率电源的市场份额。
1.1本设计研究的意义
随着通信业的迅速发展，通信电源得到了充分的发展，通信系统中处于核心地位的开关电源，已成为现代通信供电系统的主流。
在通信领域中，所谓的一次电源通常是指高频整流器，二次电源通常指的是直流/直流变换器。
由于集成电路的发展，迫切希望能够电源模块实现小型化，因而需要采用新的电路拓扑结构进而不断提高开关频率，这就对高频开关电源技术提出了更高的要求。
通信高频开关电源模块的应用上面，有以下几个方面的要求：
一．体积小，重量轻
相比于传统电源中的大而粗笨的工频变压器，高频变压器使得电源越来越小型化、轻量化。
二．工作频率高
提高系统的工作频率，可以使输出滤波电路实现小型化。
三．效率高，节省能源
高频开关电源模块的效率一般在88～95%，传统电源一般在70%以下。
四.动态响应好
高频开关电源模块的工作频率高，对负载和电网的动态响应远远优于传统电源。
五．纹波小
高频开关电源模块的输出纹波一般都比传统电源小。
六．噪音低
高频开关电源模块的工作频率在人的听觉范围之外，可闻噪音要比传统电源低很多。
七．扩容方便
高频开关电源模块一般采用模块式结构，维护、扩容比较方便。
本文正是基于这样的背景，设计和研究了小型化的反激式高频开关电源。
1.2国内外的研究现状
80年代，通信系统一次电源主要有大功率AC／DC开关电源（400VAC输入、输出48VDC、500W-6kW），二次电源主要有48V/±5A，±12VDC／DC开关变换器模块和铃流模块。
开关整流器与相控整流器比较，无论是在体积、重量，还是效率方面都表现的更为优越。
随着微处理器体积的轻巧化，而供电电源的尺寸与微处理器却不能很好的相融合，因此社会迫切研究和生产小型轻型电源；并且小型化、轻量化的电源对便携式通信设备显得尤为重要。
为实现体积小效率高的开关电源，必须提高开关电源工作频率。
下随着时代的发展未来的微处理机还要求更低输出电压（≤1V）的开关电源。
因此，在这样的时代发展背景下对通信开关电源的更为严格的要求是：
能够达到高功率密度，外形尺寸尽可能小，效率、性能、可靠性都要比传统的电源更高，并且能够实现智能化、低成本、EMI小、可制造性（Manufacturability）、分布电源结构（DistributedPowerArchitecture）等。
20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：
1．新型高频功率半导体器件
2．软开关技术
3．控制技术
4．有源功率因数校正技术
5．Magamp（磁性放大器）后置调节器技术
6．饱和电感技术
7．分布电源技术、并联均流技术
8．电源智能化技术和系统的集成化技术
进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。
1．探索研制耐高温的高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件
2．平面磁心及平面变压器技术
3．集成高频磁元件技术及阵列式（Matrix）磁元件技术
4．磁电混合集成技术
5．新型电容器
6．S4功率因数校正（PFCorrected）AC／DC开关变换技术
7．输出1V/50A的低电压大电流DC／DC变换器
1.3设计内容
关于通讯高频开关电源的设计，其设计的产品主要应用于通信工程、无线及航天等领域。
设计参数：
1．输入电压：
245-350V；
2．输出电压：
48V；
3．输出电流：
2.5A；
4．开关频率50KHz。
2.主电路的设计
2.1高频开关电源的基本原理
将交流输入（单相或三相）电压变成所需的直流电压的高频开关电源，其基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图2-1所示，高频开关电源主要由滤波器整流、高频变换电路、高频整流滤波器、控制电路、过流过压保护电路辅助电源等几部分组成。
其基本工作流程是：
输入的交流电经电网滤波整流得到一直流电压，所得到的直流电压通过高频变换器变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，将存储在高频变压器的磁能转换成高频交流电压，最后利用整流滤波电路在输出端得到最初所设计的直流电。
图2-1开关电源基本原理框图
图2-2表示了交流输入电压到最后输出所需直流电压的各环节波形变换流程。
下面就图2-2中每一部分的作用、原理分别简述如下:
（1）输入滤波器：
仰制市电的谐波分量，以及周围电子元器件工作瞬间suo产生的尖峰干扰。
（2）输入整流滤波器：
将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。
而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量能使开关电源输出维持一定的时间。
（3）高频开关变换器（DC／AC）：
它是开关电源的关键部分。
它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
（4）控制电路：
检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
一般控制电路还包括启动及禁止电路。
（5）保护电路：
在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。
有的还有发出报警信号的功能。
（6）辅助电源：
为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。
辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。
图2-2电压波形
2.2滤波电路的设计
由于各种电子设备的快速普及，电子系统中的电磁环境越来越复杂，电磁干扰（EMI）现象越来越引起电子设计人员的关注，并且成为电子设计者不得不去解决的一个突出障碍。
电磁干扰（EMI）通俗的解释就是电子装置所产生的电磁波对周围电子装置的干扰能力。
因此在系统设计时可以从产生电磁干扰必须具备三个条件：
产生干扰的源头、传播干扰的通道和易受干扰的设备来设计抗干扰设计的措施：
抑制产生干扰的源头、切断干扰传播途径和提高敏感元器件的抗干扰性能。
并且在开关电源的电磁兼容（EMC）设计时应尽量减少各种滤波器、变压器、开关技术、PCB布线的EMC设计所带来的电路影响。
图2-3EMI滤波器的基本原理
本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2-3所示，它由电感和电容组成。
其中，电感L是绕在同一铁心上的共模电感，其匝数和绕向均相同：
电容C1、C2、C3、C4起滤波的作用，并且，电感L与C3、C4两个电容组成共模噪声滤波器，目的是滤除电源线上的共模噪声。
在设计工程设计中，电感器的绕制工艺不可能保证L两个完全相等，因此两者之差恰好形成了一个差模电感。
差模电感与C1、C2两个电容共同构成差模噪声滤波器，目的是滤除差模噪声。
通常取电感量是十毫亨，由其形成的差模电感一般为L的1.5％～2％。
四个电容通常均选用陶瓷电容，C1和C2电容量大小一般选0.1μF～0.47μF；C3和C4电容量一般选2200pF～0.1μF。
本系统设计的C1～C4电容值均选为0.1μF，可达630V的耐压值。
L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，参见表2-1实际中取L为33mH即可使滤波器可靠工作。
表2-1电感范围与额定电流大小的关系
额定电流I（A）
1
3
6
10
12
15
电感量范围L（mH）
8-23
2-4
0.4-0.8
0.2-0.3
0.1-0.15
0.0-0.08
2.3整流电路的设计
工频整流电路采用单相桥式整流电路，滤波电路采用LC-
型滤波电路，整流输出后脉动电压经2次滤波后，脉动会变的很小，滤波效果更好。
电路如图2-4所示。
图2-4
图2-4整流电路的基本原理
由于整流输出端接电容C1，因而输出直流电压得到提高。
整流输出UO1（AV）和S1应满足≈桥式整流电容滤波电路的关系式，即
其中RL为电感L、电容C2和负载RL合成的阻抗。
考虑电感对直流量而言，其上压降很小，因此负载RL上的UO（AV）满足UO（AV）≈UO1（AV）
因此，取C1=2000
F，C2=470uF,RL=40W,L=10mH则整流后
2.4辅助电源
一般开关电源都要有一个辅助电源，提供控制、保护、驱动和显示电路提供能量。
开关电源的启动，首先应启动辅助电源。
辅助电源的输出功率是消耗掉的，不参与能量传输，直接影响开关电源的效率[25]。
因此，要求辅助电源启动可靠，效率高，控制容易且成本低。
小功率开关电源的辅助电源功率小，一般采用自举电路；大功率常采用独立的辅助电源。
本设计采用独立的辅助电源。
开关电源的辅助电源不仅提供PWM控制芯片电源，而且还提供显示、报警和外部控制通信等多种用途，同时为保证输入与输入信号隔离常需要多路输出，一般辅助电路供电采用独立辅助电源。
如果开关电源输入是交流电网，早先辅助电源采用工频变压器降压、经整流滤波稳压实现。
现代辅助电源通常是一个自启动小功率开关电源。
本设计辅助电源如图2-5所示。
图2-5辅助电源
市电经变压器变压，得到双18V交流电，两路交流经过一个全桥整流得到±18V，+18V提供给调整管，作为对外电源输出，同时经过三端稳压器，分别得到±15V，+5V作为系统本身工作电源。
2.5过流过压保护电路
2.4.1电流保护电路
过流电路分两种，一种是限流式保护，另一种是截流式保护。
他们都采用那个电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图2-6所示。
电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。
开关管上的电流变化会使UR2变化，UR2接入UC3842的保护输入端⑶脚，当UR2＝1V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。
通过调节R1、R2的分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。
输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。
两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。
采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。
图2-6过流保护电路
2.5.2电压保护电路
图2-7所示为输出过电压保护电路。
稳压管VS的击穿，电压稍大于输出电压额定值，输出正常时，VS不导通，晶闸管V的门极电压为零，不导通。
当输出过压时，VS击穿，V受触发导通，使光电耦合器输出三极管电流增大，通过UC3842控制开关管关断。
图2-7输出过电压保护电路
2.6变换电路的设计
在高频开关电源中，核心部分是高频开关变换器，对变换器的种类至关重要，因为它的的选取将会决定整个功率器件耐压程度等很多参数，对系统的其它各部分也具有一定的影响，所以，高频开关变换器的设计是系统稳定运行的重要条件，本设计变换电路采用带隔离变压器的推挽式直流斩波电路，如图2-8所示。
当VT1导通，VT2截止时，在变压器的一次绕组中建立磁化电流，此时二次绕组上的感应电流使VD1导通，将能量传给负载；当VT1截止，VT2导通时，在变压器的一次绕组中建立磁化电流，此时二次绕组上的感应电压使二极管VD2导通，将能量传给负载，忽略开关器件的饱和压降，在VT1导通，VT2截止时，加在一次绕组上的电压为Ui,由于一次侧两个绕组匝数相等，在一次侧一个绕组感应出的电压也是Ui，其极性为上负下正，所以VT2所承受的电压为2Ui。
这种电路优点是：
输入电压直接加在高频变压器上，因此只用两个高压开关管就可以获得较大的输出功率；两个开关管的射极相连，两组基极驱动电路无需彼此绝缘，所以驱动电路也比较简单。
而且这种电路整合了高频变压器和整流滤波电路，使三个模块于一体，电路简单。
图2-8推挽式直流斩波电路
2.6.1变换器中的开关元件
功率场效应晶体管MOSFE是一种具有正向受控作用的半导体器件，内部结构是以金属层栅极隔着氧化层，原理是利用电场的效应来控制半导体效应晶体管。
由于其工作原理上是采用单极性多子导电，显著地减小了开关导通时间，因此很容易达到1MHz的开关工作频率，但是由于为了提高器件阻断电压，设计时必须加宽器件的漂移区，造成器件的内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。
绝缘栅双极晶体管IGBT相当于MOSFE的优化产品，不仅具有功率MOSFET的高速性能，还拥有双极的低电阻性能。
其应用范围一般都在耐压为600V以上、电流为10A以上、频率为1kHz以上的区域。
2.6.2功率开关管的选择
如何选择到性能参数合适的主开关与控制电路直接影响到变换器的性能。
在这里需要清楚的是作为主开关的晶体管、MOSFET、IGBT或晶闸管的性能均耐压的上升而下降，因此在选择耐压时并不是超高越好，而是适可而止。
由于本次课程设计中，电路图里边直流变换器中开关管承受的最大电压约为400V左右，所以开关管只能用IGBT,而不适宜用功率MOSFET。
另外，相对MOSFET，IGBT耐压更高，电流容量更大，开通速度比MOSFET快但关断速度比MOSFET稍小。
2.6.3变压器的设计
传输功率，将电源的能量瞬时的传输给负载是高频变压器在开关电源中的主要目的，此外，变压器还提供其它重要的功能：
一．通过调节初级与次级匝数比，获得所需要的输出电压；
二．通过增加多个不同匝数的次级，便可以获得多路输出电压；
变压器设计的好坏在很大程度上影响变压器本身的发热和效率、开关电源的技术性能和可靠性。
变压器是利用电磁感应原理工作的，工作流程是:
变压器有两组线圈，初级线圈和次级线圈。
次级线圈在外边，初级线圈在里边。
当给初级线圈输入交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，此时次级线圈便能产生相应的感应电动势。
基于变压器的线圈的匝数比等于电压比，变压器能降压也能升压。
如果初级线圈圈数小于次级线圈圈数，变压器的作用便是升压，将低电压升为高电压，反之亦然。
由于变压器不非理想，实际中不可避免的存在线圈电阻、漏磁通等一些电磁损耗，经理论分析计算得到副线圈匝数，在实际上经变压器输出电压是达不到额定值。
因此，在实际制作变压器的时候，副线圈的匝数要比理论匝数多，并且在设计和生产时，还需要充分考虑从变压器的容量和铁芯的情况对其进行设计，最终经过测试调整后确定。
通过实践设计证明：
变压器容量越大，铁芯构成越好，转换效率就越高，实际匝数就越接近理论匝数。
高频变压器是相对低频变压器而言，二者在基本原理上是相同的，都是利用电磁感应原理实现信号的转换（关于电磁感应现象及原理可另外参阅相关资料），但是应用不同。
低频变压器主要用做交流电源，其目的是实现电压升或降（即变压）。
高频变压器（RFTransformer）的主要应用则是实现阻抗变换、平衡与不平衡之间的转换。
高频变压器主要应用的是阻抗变换的结果，相反低频变压器应用的则是电压变换的结果，应用的侧重点不同。
关于平衡-不平衡变换的应用则要从信号的相位考虑，若初级（或次级）线圈两端信号相位相差180度，则称为平衡信号，若相位相同则称为不平衡信号。
高频变压器和低频变压器的工作原理一样。
就是频率不同所用的铁芯材料不同[11]。
低频变压器一般用铁芯，高频变压器用铁氧体磁芯或空芯。
l．确定变压器的铁心
此环节包括两方面的确定：
变压器容量的
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