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开关电源本科毕业论文
开关电源本科毕业论文
摘要
该文叙述了单管反激式开关电源的设计制作过程。
设计采用了适合
中小功率降压式变化器的单管反激式结构,充分地考虑的设计成本和电
路效率。
该设计了UC3842作驱动芯片,配合场效应管和高频变压器,
这种工作在高频状态下的开关电源变换器具有体积小重量轻等显著特
点。
同时,该单管反激开关电源输出部分采用了TL431加光耦的高精度
快速取样反馈电路,使输出精度和稳压性能大大超越一般的取样反馈形
式。
关键词
开关电源;反激;场效应晶体管;光耦。
1.引言................................................................................................................................1
2.设计方案思路................................................................................................................3
3.总体设计........................................................................................................................4
4.元件选择及其参数计算................................................................................................44.1主要元件选择...........................................................................................................4
4.1.1脉宽调制芯片的选择........................................................................................4
4.1.2选择变压器磁芯................................................................................................6
4.1.3选择开关管........................................................................................................6
4.1.4选择输出整流管和滤波电感磁芯....................................................................6
4.1.5取样和反馈器件的选择....................................................................................74.2关键参数计算.........................................................................................................8
4.2.1UC4842A振荡频率...........................................................................................8
4.2.2变压器线圈匝数................................................................................................9
4.2.3电流取样电阻和输出取样电阻计算..................................................................95.电路设计......................................................................................................................10
5.1电路原理图设计.....................................................................................................10
5.1.1UC3842A周边相关电路.................................................................................10
5.1.2变压器周边电路............................................................................................10
5.1.3输出滤波整流电路..........................................................................................11
5.1.3取样和管够反馈电路....................................................................................115.2特殊元件布局规划.................................................................................................125.3电路PCB布线设计...............................................................................................126.制作与调试..................................................................................................................13
6.1硬件电路的布线与焊接.........................................................................................136.2调试.........................................................................................................................13
7.结论..............................................................................................................................14
参考文献.............................................................................................................................15
谢辞.................................................................................................................................16
1.引言
开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电
源)已有30多年历史,最早出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相
仿。
随着功率晶体管被用于开关电源,脉宽调制(PWM)控制技术有了发展,随之
出现了PWM开关电源,它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM驱动开关管,其电源效率可达65~70%,而线性电源的效率只有30~40%。
“乱世出枭雄”,中国的这句古话印证了开关电源技术的发展历程。
1973年,第四次中东战争爆发,石油输出国组织为了为了打击对手以色列和支持以色列的西方国
家,宣布石油禁运,暂停出口,造成油价上涨,西方国家陷入能源恐慌。
在发生世界
性能源危机的年代,能源的利用效率成了人们普遍关系的问题,开关开源高出一倍于
线性电源的效率引起了人们的极大关注。
线性电源工作于工频,因此用工作频率为
20KHz的开关电源替代可以大幅度节约能源,这在电源技术发展史上称为20KHz革命。
随着各种芯片尺寸越来越小,电源尺寸显得越来越不协调,尤其航天、潜艇、军
用开关电源以及用电池的便携式电子设备上更需要小型化、轻量化的电源,因此对开
关电源提出了小型轻量的要求,这就要求磁性元件和电容的体积和重量要小。
此外要
求开关电源效率要高,性能更好,可靠性更高等。
相比于国际开关电源技术的发展,我国的电源技术水平与之存在5~10年的差距。
70年代起,我国开始在黑白电视机和中小型计算机中开始应用20KHz工作频率的AC-DC开关电源,并在80年代进入大规模生产和应用阶段,期间还开发研究0.5~5MHz的准谐振软开关电源。
80年代中期,我国的通信电源在AC-DC、DC-DC开关电源应用领域所占的比重还比较低。
而到了80年代末,我国通信电源开始大规模更
新换代,传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管相控稳压电源被大功率AC-DC开关电源所替代,并同时开始在办公自动化设备中得到应用。
工业方面,在锅炉火焰控制、继
电保护、激光、彩色电视、离子管灯丝发射电流调节、离子注射机、卤钨灯控制等系
统中均有应用。
当时间进入90年代,我国又研制了一批新型专用非开关电源,典型
的例子如:
1.卫星开关电源。
东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用
了开关电源。
特点是:
多路输出,不可维修性,要求长期不改变性能,设置冗余模块,
可靠性高,EMC满足空间环境条件,高效,轻小。
2.远程火箭控制系统的DC-DC
1
开关电源,要求发射过程中高度可靠。
3.1000kW牵引变流器4500V/1200AGTO门控250W开关电源。
4.40kW固体脉冲激光器的软开关电源。
用4台10kw全桥多谐振ZVS变换器并联。
5.焊机用双IGBT管正激车电压转换一脉定调制(ZVT-PWM)软开关电源。
输出20kW,500A,开关频率40kHZ,效率92%。
特点是负载大范围变化频繁,工作环境恶劣。
要求电源冲击电流小,动态特性好,无过冲,负
载个影响软开关性质。
6.变电所在流操作系统开关电源。
供继电保护和自动装置及蓄
电池充电用。
代替晶闸管调压系统,输出10A,180~286V。
主开关管用IGBT或功率MOSFET。
7.单相和三相高功率因数整流器。
90年代,中小型(500W以下)AC-DC和DC-DC开关电源的特点是:
高频化(300-400KHz)、高效化、低电压输出(?
3V)、AC输入高功率因素等。
从技术上看,几十年来推动开关电源性能和技术不断提高的主要标志是:
1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。
如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管,从而使中小型开关电源下作频率可达到
400kHZ(AC-DC)和1MHZ(DC-DC)的水平。
超快恢复功率二极管,MOSFET同步整流技术的开发也为高效低电压输出(例如3V)开关电源的研制有了可能。
现
正在探索研制耐高温的高性能碳化砖功率来导体器件。
2.软开关技术使高效率高频
开关变换器的实现有了可能。
PWM开关电源按硬开关模式工作(开关过程中电压下
降上升和电流上升下降波形有交叠),因而开关损耗大。
开关电源高频化可以缩小体
积重量,但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。
为此必须研究软开关技术(相
对于PWM硬开关技术而言),小功率软开关电源效率可提高到80—85%。
70年代的谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。
以后新的软开关技术不断涌现,如准谐振
(80年代中)全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM(80年代末)ZVS-PWM有源钳位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(90年代中)等。
3.控制技术研究的进展。
如电流型控制及多环控制、电荷
控制、周期控制、功率因数控制、DSP控制;加上相应专用集成控制芯片的研制成功
等,使开关电源动态性能有很大提高,电路也大幅度简化。
4.有源功率团数校正技术(APFC)的开发,提高了AC-DC开关电源功率因数。
由于输入端有整流—电容元件,AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备(如逆变器,UPS)等的电网测量功率因数仅为0.65,80年代用APFC技术后可提高到0.95~0.99,既治理
2
了电网的谐波“污染”,又提高了开关电源的整体效率。
单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用,而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和控制技术的结合。
5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。
如集成磁路,平面型磁心,超薄型(Lowprofile)变压器;以及新型变压器如压电式,无磁心印制
电路(PCB)变压器等,使开关电源的尺寸重量都可减少许多。
6.新型电容器和EMI滤波器技术的进步,使开关电源小型化并提高了EMC性能。
7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用,提高了电源系统的可靠性。
90年代末又提出了新型开关电源的研制开发,这也是新世纪开关电源的发展远
景。
如:
用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流,并具有功率因数校正功能,
称为单管单级(SingleSwitch,SingleStage)或4S高功率因数AC-DC开关变换器;输出1V,50A的低电压大电流DC-DC变换器,又称电压调节模块VRM,以适应下一代超快速微处理器供电的需求;多通道(Multi-Channel或Multi-Phase)DC-DC开关变换器;网络服务器(Server)的开关电源刊可携带式电子设备的高频开
关电源等。
2.设计方案思路
目前开关电源技术发展已相当成熟,根据不同原理主要有一下几种类型。
第一类
式非隔离式,非隔离式电路主要有串联式、并联式和极性反转型三种,非隔离式电路
安全性不高,一般不用于消费类电子产品中;另一大类就是隔离式开关拓扑结构,其
主要包括单端反激式、推挽式、全桥式、半桥式。
首先,现根据各种不同拓扑结构特点,选择能够满足设计任务书中所述功率100W输出5V的要求的结构类型。
分析设计任务要求后表明,几种不同拓扑结构都可以满
足设计要求。
虽然从功率和输出电压上看,拓扑结构的选择似乎是任意的,但是结合
成本考虑,最终决定既能够满足设计要求又可以实现成本最低的单端反激是拓扑结
构。
其次,为实现任务要求不大于1%的输出纹波电压,并且前后级隔离的要求,考
虑采用精密稳压芯片配合光耦的输出反馈结构。
由精密取样电路和告诉光耦构成的输
出取样反馈电路能够满足电路工作在高频状态,因此电路将具有较高的效率和较高的
动态调整范围。
3
鉴于任务中要求过流和短路保护,考虑采用下述方案实现。
由电流取样电路对变
压器原边电流进行取样,通过一般现存开关电源芯片都具备的电流取样输入进行控
制,当输出过载时,原边电流将增大到预先设定的阀值电流,此时的取样信号使芯片
输出关断,同时配合由电容构成的延时电路实现一定时间的过流保护,当过载情况解
除后电路将进入正常工作状态。
对短路保护的处理考虑采用保险丝熔断保护方式。
3.总体设计
单端反激式开关电源主要由输入整流、脉宽调制芯片、反激变压器、开关管、
输出整流滤波电路、取样电路、反馈电路和其他附属电路构成。
输入整流电路负责将
市电220V直接转换成高压直流,脉宽调制芯片负责产生脉宽调制信号驱动开关管,
由开关管控制变压器原边的导通和截止,经过变压器转换的低压高频交流电经整流滤
波后就获得了低压直流输出,其中输出电压的由取样和反馈电路将取样信号反馈到脉
宽控制芯片内部从而控制驱动信号占空比实现稳压,总体原理框图如下所示。
整流滤波变压器输出整流滤波+5V输出
电流取样开关管
脉宽调制芯片市电电网隔离反馈输出取样
图3.1总原理框图
4.元件选择及其参数计算
4.1主要元件选择
4.1.1脉宽调制芯片的选择
脉宽调制芯片是开关电源的核心,其主要负责驱动波形的产生、反馈电压和电流
的处理,以及脉宽控制。
目前市场上的脉宽调制芯片种类繁多,每种不同的拓扑结构
4
都可以有多种选择,本设计既然定位为单端反激的拓扑结构,那么那些具有多路输出
的芯片就不在考虑之列,结合市场的好评度和价格等优势,本设计最终选用安森美半
导体公司生产的高性能固定频率电流模式脉宽调制芯片UC3842。
UC3842内部集成了可微调的振荡器、占空比控制、温度补偿、高增益误差放大器等,该芯片采用电流
取样比较器和大电流图腾柱式输出,可以直接驱动MOSFET。
由于UC3482是电流型控制器,因此其在电路中不需要专门的辅助电源为芯片供电,而只需要一个启动电阻
对电容充电来启动芯片,当进入工作状态后芯片可自行从反馈绕组获得供电,这种无
需辅助电源的结构是中小功率开关电源的首选,其内部原理图如下所示。
图4.1UC3842内部结构图
UC3842各引脚功能:
1脚,输出/补偿,内部误差放大器的输出端。
通常此脚与2脚之间接反馈网络,以确定误差放大器的增益和频响。
2脚,电压反馈输入端。
此脚与内部误差放大器同向输入端的2.5V基准电压进行比较,产生控制电压控制输出脉宽。
3脚,电流取样输入端。
在开关管的源极串联一个小阻值的取样电阻,将变压器
的电流转换成电压,此电压送入3脚,控制脉宽。
当功率开关管的电流增大,取样电
阻上的电压超过1V时UC3842就停止输出,能够实现有效的电流保护。
4脚,R/C。
锯齿波振荡器的外接定时电容和定时电阻的公共端。
TT
5脚,接地端。
5
6脚,输出端。
驱动能力1A。
7脚,电源引脚。
当开关电源启动是7脚供电电压应高于16V,若低于16V则UC3842不能启动,此时电流在1mA以下。
芯片稳定工作后,电源由反馈绕组提供,
允许+10V至+30V之间波动,低于10V则芯片停止工作,芯片功耗为15mW。
8脚,5V基准输出。
4.1.2选择变压器磁芯
根据UC3842A数据手册,该芯片振荡器频率频率典型值是52KHz,其要求开关变压器必须由高频材料制成,同时反激变压器必须便于开气隙。
又变压器必须满足
100W的功率要求,因此本设计选用PC40铁氧体材料的EE40高频磁芯,根据磁芯参数手册,该型号磁芯可以工作在50KHz频率下满足100W的功率要求并具有一定
的余量。
4.1.3选择开关管
开关管是通过驱动信号将高压直流通过开关动作变成脉冲直流的器件,工作在高
压高频状态下的开关管有特殊的要求。
首先,开关管耐压值(V)必须是开关过程最DS
大尖峰电压的1.5倍以上,这样才能保证不被击穿;其次,开关管工作电流必须满足
设计功率要求,本设计中功率为100W,高压直流的理想工作电流将不小于320毫安;第三,高频状态下的开关管的开关速度必须满足所选工作频率的速度要求;第四,开
关管结电容将不能被忽略,不论是MOSFET还是三极管,过大的结电容都将会导致
额外损耗和自激振荡。
综合以上四点,本设计选用仙童公司的型号为FQP10N60C的MOSFET作为开关管,该管子的耐压值为600V,最大工作电流9A,栅极电容18pF,开关速度为4.5V/ns,以上参数完全能够满足设计要求并具备足够余量。
4.1.4选择输出整流管和滤波电感磁芯
高频变压器副边输出的脉冲交流电必须经过整流滤波后才能获得稳定的直流电
压。
根据设计100W的功率要求,输出整流二极管最大将承受20A的电流和不少于5V的反向电压;其次,因为副边输出的脉冲频率和变压器原边一致,所以整流二极
管必须具备足够快的回复速度;最后,由于最大输出电流为20A,故二极管的管压降应尽可能小,否则在整流管上的损耗将大到不可接受的程度。
据此,本设计选用型号
6
为S20C60的肖特基二极管作为整流二极管,该型号肖特基二极管最大电流20A,反向耐压60V,管压降0.57V,恢复时间为20ns,完全能满足设计要求。
由于整流输出的杂波的频率依旧很高,故输出滤波电感将采用铁氧体材料的高频
磁环,计算电流承受能力后由相应多股漆包线绕制。
4.1.5取样和反馈器件的选择
取样的反馈电路的精度决定的输出电压的精度,为此本设计选用了仙童公司的型
号为4N35的高速光耦配合安森美半导体公司的精密可编程参考稳压芯片组成输出取
样反馈电路,既能实现高精度的输出,又可以实现输入和输出的隔离。
TL431的内部代表性框图如图4.2所示,TL431内部拥有一个精度为?
0.4%的2.5V基准电压源和一个高增益的运放,其全范围温度系数达到了50ppm/?
。
图4.2TL431内部代表性框图
TL431的开环增益和工作频率关系曲线如图4.3所示,有图中可知,TL431完全能够工作在本设计频率条件下。
图4.3TL431开环增益与工作频率关系曲线图
7
4.2关键参数计算
4.2.1UC4842A振荡频率
根据UC3842A数据手册可知,该芯片典型振荡频率为52KHz。
其振荡器频率由定时元件Rt和Ct决定。
电容Ct由5.0V的参考电压通过电阻Rt充电,充至约2.8V,再由内部电流源放电至1.2V。
在Ct放电期间,振荡器产生一个内部消隐脉冲保持或
非门的中间输入为高电平,这导致输出为低状态,从而产生了一个可控的输出死区时
间。
其定时电阻Rt和振荡频率关系曲线如图4.2所示,定时电阻Rt和输出死区时间关系如图4.3所示。
根据手册数据和关系曲线,取定时电阻R为2.4K,定时电容Ct为0.01μF,此时振荡频率为50KHz。
图4.2定时电阻Rt和振荡频率关系曲线
图4.3定时电阻Rt和输出占空比关系曲线
8
4.2.2变压器线圈匝数
在高频开关电源功率转换电路中,单端变换器高频变压器的磁芯只工作在第一象
限,即处于磁滞回线的一边,单端反激式变换器原边主功率开关管与副边整流管的开
关状态相反,当前者导通时后者截止,反之当前者截止时后者导通。
单端反激式开关
电源的变压器,既是作为变压器,又是作为储能电感。
首先计算变压器原边线圈匝数:
,原边绕组上的电压为U;副边绕组匝数为N,副边设定原边绕组的匝数为Npps上的电压为U,则根据法拉第定律可得:
s
U=K
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