基于小型开关电源的设计.docx

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基于小型开关电源的设计

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摘要

随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。

传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。

为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，同时还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。

本次开关电源的设计采用单端反激式拓扑结构，采用UC3842作为开关电源的主控芯片，逐一对开关电源的研究现状、发展前景以及本次设计的原理和电路结构进行介绍，其中高频变压器的设计和控制电路的设计是论文的主要内容，而开关电源的基本原理、特点、发展前景等内容简要介绍。

由于开关电源的可靠性和安全性是设计的基本原则，文章涉及了电路保护模块的设计和分析。

关键词：

开关电源；uc3842；高频；变压；单端反激；

Abstract

Astheglobalemphasisonenergyissues，electronicsproductofenergydissipationproblemwillbecomemoreandmoreprominent.Howtoreducethestandbypowerconsumption,improvingtheefficiencyofpowersupplybecomeapressesforsolutionoftheproblem.Althoughthetraditionallinearregulatedpowersupplycircuit,butitthereisalowefficiency,largevolume,copperironconsumptionbig,theordertoimprovetheefficiency,peopledevelopedaswitchregulatedpowersupply,itsefficiencycanreachmorethan85%,widevoltagerange,atthesametimealso,donotusethepowertransformer,stabilizedvoltagesupplyisakindofideal.Thisdesignofswitchpowersupplywithsingle-endedflybacktopology,usingUC3842asmaincontrolchipofswitchpowersupply,onebyone,researchstatusanddevelopmentprospectsoftheswitchpowerandthedesignprincipleandcircuitstructureareintroduced,includingthedesignofofcontrolcircuitisthemaincontentofpaper,andthebasicprincipleofswitchpowersupply,characteristicsanddevelopmentprospectarebrieflyintroduced.Duetotheswitchingpowersupplyreliabilityandsecurityofthebasicprinciplesofdesign,thearticleinvolvesthedesignandanalysisofthecircuitprotectionmodule.

Keywords:

switchingpowersupply;Uc3842.Highfrequency;Transformer;Single-endedflyback;

第一章开关电源概述1

1.1开关电源简介1

1.2开关电源的原理和组成特点1

1.2.1开关电源的原理1

1.2.2开关电源组成特点2

1.3开关电源应用及发展前景3

1.3.1开关电源应用3

1.3.2开关电源发展前景5

第二章开关电源设计方案7

2.1变换器设计方案论证7

2.1.1单端反激式开关电源变换器7

2.1.2单端正激式开关电源变换器电路：

8

2.1.3自激式开关电源变换器电路8

2.1.4推挽式开关变换器9

2.1.5半桥式开关电源变换器10

2.2方案的设计选择11

2.2.1电源设计指标11

2.2.2电源设计方案选择11

第三章开关电源系统设计12

3.1开关电源主电路设计12

3.1.1输入滤波电路的设计12

3.1.2输入整流滤波电路的设计13

3.1.3高频变压器的设计14

3.1.4输出整流滤波电路设计17

3.2控制电路分析设计18

3.3反馈电路及保护电路的设计20

3.3.1反馈电路的设计20

3.3.2保护电路的设计23

第四章单端反激式开关电源电路总结与研究29

4.1总体电路图分析29

4.2单端反激式开关电源的研究31

附录34

致谢37

第一章开关电源概述

1.1开关电源简介

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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源方式。

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外，开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

1.2开关电源的原理和组成特点

1.2.1开关电源的原理

（1）一般的开关电源电路包括整流滤波电路、高频变换电路、控制电路（pwmpfm）、保护电路等模块。

如图1-1所示：

图1-1开关电源基本原理工作框图

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

1.2.2开关电源组成特点

开关电源大致可由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成，四种电路介绍如下：

1、主电路

冲击电流限幅：

限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：

其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：

将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2、控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3、检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4、辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

1.3开关电源应用及发展前景

1.3.1开关电源应用

1.通信电源

通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。

高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。

在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流-直流（DCDC）变换器称为二次电源。

一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。

如在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代，它通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50～100kHz范围内，实现了高效率和小型化。

近几年，一次电源的功率容量不断扩大，单机容量已从48V12.5A扩大到48V200A、48V400A。

通信设备计算速度的不断提高，使得时钟频率不断提高，所用集成电路的种类繁多，其电源电压要求也各不相同，通常超过10种，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压（一般为48V直流）变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。

一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。

因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。

2.高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。

由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流（AC-DCAC-DC）变换的方法。

50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。

采用微处理器作为脉冲宽度调制（PWM）的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压60～75V，电流调节范围5～300A，重量29kg。

3.大功率开关型高压直流开关电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。

电压高达50～l59kV，电流达到0.5A以上，功率可达100kW。

自从上个世纪70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。

进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。

德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。

在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。

4.电力操作电源

在上个世纪90年代之前，电力操作电源几乎全部选用相控电源，即采用可控硅整流充电设备，由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意，监控系统也不够完善，尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控，对直流系统的性能和可靠性要求更高，因此90年代之后更新换代为开关电源。

变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的，它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。

它的性能优劣直接关系到变电所的正常安全供电，进而关系到生产设备的正常运行。

采用高频开关后，输出电压精度高，其输出纹波系数从2%提高到0.1%，电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%，能够保证对蓄电池的平稳充放电，延长了电池使用寿命。

由于采用模块化结构和N+1备份方式，可根据实际负载容量的大小，选择合适的整流模块数量。

当1台电源故障时，只需将该模块退出检修，而其它模块仍可继续运行，在保证系统充电容量的前提下，为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。

以往的可控硅整流相控电源系统，其备件需要1个同样大小的硅整流模块，而改用高频开关后，只需备1～2个高频开关单元就可以了，减少了备件储备成本。

由于高频开关电源的功率因数大于0.9，而常规整流功率因数仅为0.7左右，对同样的负载，采用高频开关模块可节省输入功率30%。

1.3.2开关电源发展前景

开关电源的发展方向是频率更高、体积更小、电压更低、电流密度更大、效率更高。

随着电力电子器件开关频率的不断提高，使得开关电源的频率进一步提高，小功率DC—DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上。

频率的提高使体积进一步缩小，开关电源在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展，目前薄型封装尺寸已可达到7.5mm、8.5mm和10mm。

半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。

1991年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W，现在输出功率每立方英寸可达数百瓦。

日本TDK公司的分布式隔离型DC—DC转换器，输出电压12V、输出电流27A、效率为95%，功率密度已达每立方英寸236W。

而各种软开关技术的应用及用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，即将达到92%（5V）、90%（3.3V）、87.5%（2V）。

总体来讲可概括为五个方面：

1、高频化技术

随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。

小功率DCDC变换器的开关频率将上升到MHz。

但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI等新的问题也将随之产生。

2、数字化技术

在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作。

目前，在整个的电子模拟电路系统中，电视、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就是电源领域。

近年来，数字电源的研究势头不减，成果也越来越多。

在电源数字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。

3、软开关技术

为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关零电流开关（ZVSZCS）谐振、准谐振、零电压零电流脉宽调制技术（ZVSZCS-PWM）以及零电压过渡零电流过渡脉宽调制（ZVTZCT-PWM）技术等。

采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。

4、功率因数校正技术（PFC）

由于ACDC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为0.6～0.65。

采用PFC（功率因数校正）变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD小于20%。

既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。

这一技术称为有源功率因数校正APFC单相，APFC国内外开发较早，技术已较成熟。

目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两大类，采用PFC技术可以提高ACDC变化器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染，但还有待继续研究发展。

5、模块化技术

模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。

近年来，有些公司把开关电源的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。

实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流、毛刺）。

为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。

由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

第二章开关电源设计方案

2.1变换器设计方案论证

2.1.1单端反激式开关电源变换器

单端反激式电源变换器如图图2-1所示。

图2-1单端反激式开关电源变换器电路

（1）工作原理：

图中Ui是市电AC经过整流滤波后的直流电，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感，当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出，由于开关频率很高，使得输出电压，即滤波电容两端的电压基本维持恒定，从而实现稳压的目的。

（2）特点：

电路结构简单，成本低，低耗，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，有较好的电压调整率，但是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

2.1.2单端正激式开关电源变换器电路：

单端正激式变换器电路如图2-2所示：

图2-2单端正激式开关电源变换器电路

（1）工作原理：

当开关管VT1导通时，原边绕组接向电源Ui，以同名的工作关系，VD2也导通，这时复变绕组能量传递到输出端，同时滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量，继续对负载RL供电。

注：

由于正激变换器的隔离元件T1纯粹是个变压器，因此输出端要加一个电感器L作为能量的储藏及传递元件。

变压器的另一个绕组与VD1串联后接到Ui，主要起去磁复位的作用。

（2）特点：

输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率，但变压器结构复杂，体积较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

2.1.3自激式开关电源变换器电路

自激式开关稳压电源变换器如图2-4所示：

图2-4自激式开关电源变换器电路

（1）工作原理：

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。

与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。

在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。

（2）特点：

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。

电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。

2.1.4推挽式开关变换器

推挽式开关电源变换器电路如图2-5所示：

图2-5推挽式开关电源变换器

（1）工作原理：

两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

（2）特点：

两个开关管容易驱动，但是开关管的耐压达到两倍电压峰值，对器件的耐压要求较高。

2.1.5半桥式开关电源变换器

半桥式开关电源变换器原理图如图六所示：

图2-6半桥式开关电源变换器

工作原理：

稳态条件下，C1=C2，Tr1导通，C1上的12Vs加在原边线圈上，Tr1流过负载电流Io折算至原边电流加上磁化电流，经过占空比所定的时间后，Tr1关断。

此时，由于原边绕组和漏电感的作用，电流续流流入原边绕组黑点标示端。

但B点摆动到负电位（A为0电位）。

如果原边绕组漏电感储存能量足够大，二极管D4将导通，钳位电压进一步变负。

D4导通的过程，把反激能量再生，对C2进行充电。

如果Tr2加有导通脉冲，Tr2导通，原边绕组黑点处变为负。

Io折算电流加上磁化电流，经原边绕组和Tr2，然后重复以前的过程。

当Tr1导通时，副边绕组电压使D1导通，电流通过二极管D1、电感L、负载R构成回路，当Tr1关断，两个绕组电压变为零。

Tr2导通时，D2导通，负载上的电流与电压方向没有发生改变，由此形成的方波电压，经过D和C3构成的滤波环节产生稳定的输出电压Vo。

特点：

晶闸管导通时，绕组电压为电源电压一半，关闭后开关管承受一半的电压，但会出现偏磁现象，控制较为复杂。

同时，因为高频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，与推挽式电路相比，欲输出相同的功率，则开关晶体管必须流过2倍的电流。

2.2方案的设计选择

2.2.1电源设计指标

本设计电源设计参数如下：

输入电压：

AC220V；

输入电压变化的范围：

120v~240v；

输入频率：

50HZ；

输出电压：

24v；

输出电流：

5A；

输出效率按80%计算；

2.2.2电源设计方案选择

综合以上开关电源变换器的拓扑结构和特点可知：

单端正激开关电源由于变压器结构复杂，绕制方法困难，并且变压器体积较大，每组输出都需要额外加一个大的电感组成LC滤波来消除纹波，在开关电源设计中很少运用，所以本次设计不采用该拓扑结构。

自激式开光电源结构复杂，但是设计过程中涉及自激振荡电路，脉冲宽度调制的控制系统，取样系统等，电路参数难易确定。

推挽式开关电源两个开关器件需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压的两倍。

因此，推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。

而半桥式变换器虽然初级绕组只用一个，结构简单，但是两个开关管可能会出现同时导通的状态，并且电源利用率比较低，这里也不选用此变换器。

又根据电源设计指标可得：

输出功率：

P=U*I=24V*5A=120W；（0~150w）属于小型开关电源类型，这里选择单端反激式拓扑结构，主电路结构简单，易控制，采用UC3842做主回路的主控芯片产生PWM控制开关管。

由于开关电源的体积的大小很大一部分取决于开关频率，开关频率越大，所用的电容和变压器体积越小，UC3842的开关频率选择100k。

由于此次设计电路元件不完全是按照计算出的数据，电路保护模块添加单片机AD模块，检测保护电路电压，反馈主控芯片或直接将掉电、报警等保护方式。

第三章开关电源系统设计

3.1开关电源主电路设计

3.1.1输入滤波电路的设计

随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现，电磁干扰成为一种公害，这种干扰可能导致电子设备无法正常工作，特别是瞬间电磁干扰，其电压幅度高、上升速率快、持续时间短、随机性强容