开关电源专业课程设计.doc

目录一、引言21.1设计背景21.2设计基本规定2二、功率开关管选取3三、 UC3842简介.43.1 UC3842构造43.2 UC3842功能5四、变压器设计64.1估算输入和输出功率64.2计算最小和最大输入电流74.3计算脉冲信号最大占空比84.4磁芯参数拟定办法8五、 光耦信号传播电路95.1保护采样电路95.2微机解决芯片电路95.3变频器控制方式选取10六、输出滤波电路11七、整体电路与实物.12八、心得体会14一、引言1.1设计背景开关电源是运用当代电力电子技术，控制开关管开通和关断时间比率，维持稳定输出电压一种电源，开关电源普通由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。当前，开关电源以小型、轻量和高效率特点被广泛应用几乎所有电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少一种电源方式。单管DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。开关电源工作过程相称容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上伏-安乘积是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上伏安乘积就是功率半导体器件上所产生损耗。1.2设计基本规定（1）设计一款72V多路输出flyback拓扑开关电源。（2）规定： 输入电压：60-85V；（3）输出：5V/1.5A；15V/1.2A；需与输入隔离；（3）控制芯片：UC3842；二、功率开关管选取第一步是选用N沟道还是P沟道。这是设计选取对的器件第一步。在典型功率应用中，当一种场效应管接地，而负载连接到干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道场效应管，这是出于对关闭或导通器件所需电压考虑。当场效应管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。普通会在这个拓扑中采用P沟道场效应管，这也是出于对电压驱动考虑。第二步是选取场效应管额定电流。视电路构造而定，该额定电流应是负载在所有状况下可以承受最大电流。与电压状况相似，设计人员必要保证所选场效应管能承受这个额定电流，虽然在系统产生尖峰电流时。两个考虑电流状况是持续模式和脉冲尖峰。在持续导通模式下，场效应管处在稳态，此时电流持续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦拟定了这些条件下最大电流，只需直接选取能承受这个最大电流器件便可。第三步：拟定热规定。选取场效应管下一步是计算系统散热规定。设计人员必要考虑两种不同状况，即最坏状况和真实状况。建议采用针对最坏状况计算成果，由于这个成果提供更大安全余量，能保证系统不会失效。在场效应管资料表上尚有某些需要注意测量数据；例如封装器件半导体结与环境之间热阻，以及最大结温。第四步：决定开关性能。选取场效应管最后一步是决定场效应管开关性能。影响开关性能参数有诸多，但最重要是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，由于在每次开关时都要对它们充电。场效应管开关速度因而被减少，器件效率也下降。为计算开关过程中器件总损耗，设计人员必要计算开通过程中损耗(Eon)和关闭过程中损耗(Eoff)。场效应管开关总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能影响最大。三、UC3842简介3.1 UC3842构造3.2 UC3842功能各管脚功能简介如下：1脚COM是内部误差放大器输出端，普通此脚与2脚之间接有反馈网络，以拟定误差放大器增益和频响。 2脚Vfb是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端基准电压(普通为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲宽度。 3脚Isen是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管(如VMOS管)源极串接一种小阻值取样电阻，将脉冲变压器电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管电流增大，当取样电阻上电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。 4脚RT/CT是定期端，锯齿波振荡器外接定期电容C和定期电阻R公共端。 5脚GND是接地。 6脚OUT是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是lA。这种图腾柱构造对被驱动功率管关断有利，由于当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗反向抽取电流回路，加速功率管关断。 7脚VCC是电源。当供电电压低于 16V时，UC3842不工作，此时耗电在1mA如下，输入电压可以通过一种大阻值电阻从高压降压获得，芯片工作后，输入电压可在+10+30V之间波动，低于+10V停止工作。工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。 8脚Vref是基准电压输出，可输出精准+5V基准电压，电流可达50mA。 四、变压器设计4.1估算输入和输出功率总输出功率：假设效率为100%，则=25.5W4.2计算最小和最大输入电流4.3计算脉冲信号最大占空比式中：是二次侧反射电压。在反激式开关电源中，固定不变，普通取值范畴85-165V，本设计计算取=110V。为主开关导通时D、S间压降，典型值为10V。通过计算得到：4.4磁芯参数拟定办法4.4.1磁芯材料选取开关电源中高频变压器大某些采用EE或者EI型磁芯。它们外形分别如图所示。EE型磁芯有形状简朴、磁芯有效面积较大、可靠性高、热特性好、小漏感等长处，局限性是方形截面不易饶制粗线，磁屏蔽较差。本设计中使用EE磁芯，惯用EE磁芯尺寸如表所示 EI型 EE型图3-1磁芯材料型号图3-2EE型磁芯规格本文选用EE型镍锌铁氧体磁芯。4.4.2磁芯尺寸选取拟定磁芯尺寸有两种办法，涉及读表法和计算法。其中计算法又涉及几何参数法和磁芯面积乘法。本次设计使用磁芯面积乘法。其中为变压器视在功率，为波形系数，取=4。为磁芯磁感密度，取=G=0.2T。是电流密度系数。X是常数，普通由磁芯决定，如下图表所示。图3-3磁芯种类表通过与表中参数对比，与之最接近磁芯为EE22。4.4.3变压器绕组计算（1） 计算变压器原边电感量其中Z是损耗分派因子。如果Z=1，所有损耗都在次级边。如果Z=0，所有损耗都在初级边。简朴说，Z就是次级与总损耗比率。如果计算没有给出Z值，普通取作0.5。计算可得：uH（2） 计算初级绕组匝数.8取=33匝取=17匝（3）5V输出绕组匝数：，实取5匝15V输出绕组匝数则取15匝。五、光耦信号传播电路电路中采用一片TOP104Y三端单片开关电源集成电路，主输出绕组电压通过二极管和电容滤波后，得到+5V电压，二极管采用MBR340T3型40V/3A肖特基二极管，此外一种+15V输出电流较小，故整流管选取SF31型50V/3A超快恢复二极管。由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成漏极保护电路，可以吸取尖峰电压，保护芯片内部功率场效应管MOSFET不受损坏。六、 输出滤波电路典型滤波概念，是依照傅里叶分析和变换提出一种工程概念。依照高等数学理论，任何一种满足一定条件信号，都可以被当作是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率正弦波线性叠加而成，构成信号不同频率正弦波叫做信号频率成分或叫做谐波成分。只容许一定频率范畴内信号成分正常通过，而制止另一某些频率成分通过电路，叫做典型滤波器或滤波电路。由于正激式开关电源电路拓扑通过输出滤波电感平滑了逆变器输出电流，因而需要输出整流滤波电容器滤除交流分量仅为开关电源额定输出电流20%如下，需要电容器性能规定不是很高；反激式开关电源规定输出整流滤波电容器“短路”逆变器输出电流所有交流电流成分，因而将流过非常高有效值电流，规定电容器具备可以承受这个电流能力；不但如此，为了尽量将所有交流电流分量“短路”规定输出滤波电容器均由尽量低ESR，因而输出整流滤波电容器将需要极低ESR“高频低阻”铝电解电容器或低ESR钽电解电容器以及陶瓷贴片电容器。选取普通低阻铝电解电容器实则需要更多数量才干满性能规定。七、整体电路与实物八、 心得体会亲手调试这样一种开关电源，让我对课本理论知识有了更深理解。从最初原理拓扑图，到最后实际电路图，以主干电路，不断进行丰富和完善，使一种正激电路逐渐完善。每一次实验都是对电力电子知识不断进一步和摸索，这样经历让我印象深刻。还记得一开始始终没有调试出来，先是检查出来稳压管坏了，之后又发现变压器绕反了，这些错误虽然细小，甚至很难发现，但对一种电路正常运营至关重要，因而需要严谨地排查错误，细心地分析每一块电路出错地方，我相信这才是本次课程设计目所在。参照文献1马洪涛，沙占友.开关电源制作与调试.中华人民共和国电力出版社2杨荫福。段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社，3 王兆安，刘进军. 电力电子技术.机械工业出版社，4 张小林冉建桥李贤云国内开关电源发展思考微电子学5 郑国川李洪英 实用开关电源技术福建科学技术出版社 6 王水平贾静方海燕等 开关稳压电源原理及设计 人民邮电出版社