毕业设计(论文)-多路输出单端反激式开关电源设计.docx
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SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
毕业论文
多路输出单端反激式开关电源设计
学院:
电气与电子工程学院专业:
电气工程及其自动化学生姓名:
学号:
指导教师:
2012年6月
摘 要
开关电源是一种采用PWM等技术控制的开关电路构成的电能变换装置,它广泛应用于交直流或直直流电能变换中,通常称其为开关电源(SwitchedModePowerSupply-SMPS)其功率从零点几瓦到数十千瓦不等,广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。
开关电源因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点而逐渐取代传统的线性稳压电源,被誉为高效节能电源,现己成为稳压电源的主导产品。
本课题是设计一个通用的多路输出的反激式开关电源,电源取自 220V市电。
本题目设计的开关电源是采用全控型电力电子器件 MOSFET作为开关,利用控制开关的导通时间来调整输出电压,主控制芯片采用 UC3844实现电压电流双闭环控制,采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为反馈电路,使设计出的开关电源具有自动稳压功能。
系统工作频率为50kHz,输出7路隔离的电压。
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 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 引 言 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2开关电源的技术动态 2
1.3本课题的主要研究内容 2
第二章 开关电源的原理 4
2.1开关电源的基本原理 4
2.2开关电源的组成 5
2.3单端反激式拓扑分析 5
2.3.1工作原理 5
2.3.2基本关系式 6
第三章 系统设计 9
3.1技术指标 9
3.2黑箱设计 9
3.3开关电源电路图 10
3.4关键元器件的选择与设计 11
3.4.1控制器芯片UC3844 11
3.4.1.1UC3844的内部结构及管脚功能 12
3.4.1.2UC3844的特点 14
3.4.2线性光耦合器PC817 14
3.4.3可调精密并联稳压器TL431 15
3.4.4高频变压器的设计 16
3.4.4.1高频变压器作用 16
3.4.4.2高频变压器的设计 17
3.4.5输出级的设计 19
3.4.6功率MOSFET及其驱动电路设计 20
3.4.6.1功率MOSFET的选择 20
3.4.6.2功率MOSFET控制电路及其参数选择 21
3.4.7电压反馈电路设计 22
3.4.7.1电路图及原理 22
3.4.7.2元器件参数选择 22
3.4.8输入启动电路的设计 23
3.4.9输入整流滤波电路的设计 24
3.4.9.1电路原理图 24
3.4.9.2元器件参数选择 24
3.4.10保护电路的设计 25
3.5电路工作过程总结 26
第四章 设计总结 28
参考文献 29
致 谢 31
第一章 引 言
1.1课题研究的背景及意义
随着电子技术的发展,电子设备的广泛应用,这些设备对电源的要求也越来越高,传统线性电源笨重效率低,严重影响电子设备、电子产品的发展。
于是,20世纪60年代开关电源诞生了。
与传统线性稳压电源相比开关电源有以下优点:
1.效率高,损耗小:
开关电源效率通常在75%以上,有的甚至可以达到90%以上。
由于开关管损耗小,因而不需要采用大散热器,能有效减小电源体积。
损耗小使得电子设备内部温度也相对较低,避免了元件长期在高温环境下损坏,这对电子设备的可靠性和稳定性的提升有明显的作用。
2.稳压范围宽:
输入AC或DC电压在很大范围内变化时,电压变化率很小。
而且在输入电压发生较大波动时,电源依然保持较高的效率,因此,开关电源比较适合电网波动较大的地区使用。
3.体积小,重量轻:
开关稳压电源可直接将工频电网电压直接整流成直流后,经过高频变压器获得不同的交流电压,再经整流滤波得到所需的直流电压,这样就可以免去笨重的工频变压器,从而节省线材,减小电源体积和重量。
4.安全可靠:
开关电源一般都具有多种保护电路,保证电源的安全可靠工作。
随着电力电子技术的发展和进步,开关电源技术在不断地创新,目前,涌现出许多开关电源的新技术和新产品。
开关电源技术是一种普适性、渗透性的绿色化技术,使产品性能可靠、成熟、经济、实用,它在国民经济以及国防,高科技发展中都有广泛的应用前景。
1.2开关电源的技术动态
高频方面。
许多国家都步入MHz级别,涌现出众多新型高频磁性材料,其寄生参数和磁损耗减小,散热性增强,如5~6µm超薄钴基非晶态磁带,纳米结晶软磁薄膜也在研究。
铁氧体或其他薄膜材料可集成在硅片上等。
高效方面。
致力于减小功率器件的通态电阻、降低漏电流等。
如高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件,其优点是:
禁带宽,工作温度高(可达600°C),通态电阻小,导热性能好,漏电流极小,PN结耐压高等等。
电磁兼容方面。
主要研究典型电路与系统的电磁干扰建模;PCB板和电源
EMC优化设计软件;强磁场对人体的危害;大功率开关电源EMC测量方法的研究等。
新型电容器。
研发适合于功率电源的新型电容器和超大电容。
要求电容量大、等效电阻ESR小、体积小等。
功率因数校正。
许多国家也在研究性价比较高的功率因数校正技术。
低压大电流。
微处理器性能的不断提高,低压大电流开关电源也随之发展起来。
例如电压低达1.1~1.8V,而电流高达50~100A的开关电源。
另外,还有采用波形交错技术,探寻省略滤波电容的可行性等。
开关电源还朝着模块化方向发展。
1.3本课题的主要研究内容
随着电子技术的高速发展,各种各样的电子设备应运而生,然而这么多电子设备,精密仪器的背后都需要有个稳定输出的电源做支持。
从原有的线性稳压电源到现在的开关稳压电源,不论从体积、功耗、性能上,都有质的飞跃,并且开关电源更容易实现多路不对称输出。
这使得各种电子设备不同功能的需要都可以得到满足。
本课题主要研究的是输出7路隔离电压的反激式开关电源,研究内容如下:
本设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关,利用控制开关器件的占空比来调整并稳定输出电压,主电路采用多路输出单端反激式变换器结构,采用UC3844控制芯片实现电压电流双闭环控制,采用
PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合,作为反馈环节,使设计出的开关电源具有电压自我调节功能。
开关工作频率为50kHz,输出7路隔离的电压。
设计流程:
1.熟悉UC3844、PC817、TL431的结构原理及作用。
2.多绕组高频变压器的设计。
3.输出级设计。
4.MOSFET开关管的选择及其驱动电路设计。
5.由PC817、TL431组成的反馈环路的设计。
6.输入整流滤波电路和输入启动电路的设计。
第二章 开关电源的原理
2.1开关电源的基本原理
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。
开关电源的基本工作工程:
1、交流输入经整流滤波变成直流;
2、控制器输出高频PWM信号控制开关管,将直流电压斩波成高频脉冲电压加到高
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- 毕业设计 论文 输出 单端反激式 开关电源 设计