200W开关电源设计PFC双管正激.doc

200W开关电源设计基于双管正激变换器姓 名：赵永波 专 业：电子信息工程 毕 业 院 校： 所 属 部 门： 指导工程师： 提 交 时 间： 2012 年 05 月 08 日学位论文摘 要开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。本设计的交流输入电压范围是85V265V，输出电压24V，输出功率200W。该设计能够同时实现输入欠压保护、输出过压保护、功率因数校正等功能。本设计主要采用单片开关电源芯片L6562D，NCP1015和NCP1217，线性光耦合器PC817A及可调式精密并联稳压器TL431等专用芯片以及其它的分立元件相配合，使设计出的开关电源具有稳压输出功能。主要用到的开关电源电路拓扑有BUCK电路，BOOST电路和正激电路。关键词：开关电源，功率因数校正，电路拓扑ABSTRACTThe switching power supply is a power conversion device for AC-DC or DC-DC conversion,which is consist of switching circuits controled by duty cycle.Its power varies from a few tenths of watts to tens of kilos watts,and it is widely used in life,production,scientific research, military and other fields.The core of the switching power supply is power electronic circuit.According to the request of steay output voltage or flow characteristics of power from the load,it can use feedback control circuit with duty cycle control method to control the switching circuit. The AC input voltage of this design ranges from 85V to 265V and the output voltage is 24V,the output power 200W.The design can simultaneously realize functions of input under-voltage protection, output overvoltage protection and power factor correction. The design mainly adopts dedicated chips ,such as single switching power supply chip L6562D, the NCP1015 and NCP1217A, a linear optocoupler PC817 and adustable precision shunt regulator control TL431 ,which is matched with other discrete components to make the switching power supply with voltage regulator output function. The main switching power supply circuit topology are Buck Circuit, the Boost Circuit and a Forward Circuit. Key words：the switching power supply,power factor correction,circuit topologyii目 录第1章 开关电源简介11.1开关电源的发展简史11.2开关电源的发展趋势和前景展望11.3本文的主要工作21.3.1基本要求31.3.2发挥部分3第2章 开关电源的分类和基本工作原理42.1开关电源的分类42.2开关电源的基本工作原理42.3PFC原理52.4双管正激式变换器工作原理6第3章 交流输入部分电路的设计与实现83.1原理图设计83.2元件参数与选择83.2.1压敏电阻83.2.2安规电容83.2.3泄放电路93.2.4共模扼流圈93.2.5整流桥和滤波电容9第4章 基于L6562D的连续型APFC电路设计与实现104.1L6562D功能特点及其工作方式104.2设计要求104.3工作原理104.3.1概述104.3.2FOT峰值电流模式分析114.3.3FOT峰值电流模式的输入电流畸变124.3.4输入电流尖峰畸变的补偿电路124.4原理图设计144.5参数设计144.5.1升压电感的设计144.5.2确定电流取样电阻17第5章 基于NCP1217A双管正激变换器电路的设计与实现195.1NCP1217A功能特点195.2设计要求195.3原理图设计195.4参数设计215.4.1变压器和输出电感的设计215.4.2确定次级侧的整流二极管225.4.3确定输出电容器235.4.4脉冲驱动电路的设计235.4.5稳压反馈电路设计24第6章 基于NCP1015的辅助电源设计与实现256.1NCP1015功能特点256.2设计要求256.3原理图设计256.4工作原理25第7章 测试报告267.1概述267.1.1输出电压精度267.1.2线性调整率267.1.3负载调整率277.1.4工作效率287.1.5PF值307.1.6纹波317.2毕设完成指数337.2.1基本要求337.2.2发挥部分33第8章 调试总结348.1.1基于NCP1654的PFC调试348.1.2基于NCP1217A的双管正激调试348.1.3基于L6562D的APFC电路的调试348.1.4联调358.1.5心得体会35参考文献37附录A 原理图38A.1APFC设计部分38A.2双管正激部分39A.3交流输入部分40A.4NCP1217A设计部分40A.5辅助电源设计部分40附录B 器件清单41B.1交流输入部分参数41B.2辅助电源设计部分参数41B.3NCP1217A设计部分参数41B.4APFC设计部分参数42B.5双管正激设计部分参数42附录C APFC电路PCB44附录D 双管正激电路PCB452第1章 开关电源简介1.1 开关电源的发展简史开关电源是相对线性电源说的。输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。由于变压器的磁芯大小与它的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通用都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入高速发展期。并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有30%40%。因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)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要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便不断促进了开关电源的发展和进步。1.2 开关电源的发展趋势和前景展望开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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节约资源及保护环境方面都有深远意义。目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的发展趋势可以概括为以下四个方面：(1) 小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。(2) 可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路提高了平均无故障时间。(3) 低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以低噪声影响是开关电源又一发展方向。(4) 采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、纪录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人们在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性发展。1.3 本文的主要工作开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的单片开关电源芯片进行了稳压电源特性的研究，论文的主要内容如下：开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计是制作出一种单片开关电源，使设计出的开关电源具有以下要求：1.3.1 基本要求1. 输入电压85265VAC；2. 输出电压：24V，电压精度1%；3. 输出电流：8.3A，功率200W；4. 线性和负载调整率1%；5. 功率因素：96%；6. 输出电压纹波：200mV；7. 220VAC输入时，效率：86%；8. 散热方式：被动散热（MOS管、电感器件的温升小于55）；9. 具有短路保护、自恢复功能。1.3.2 发挥部分1. 提高转换效率；2. 降低输出纹波;3. 增加Brown-out功能；4. 增加Trim功能；5. 增加输出过压保护功能；6. 提高输出电压精度；7. 尽量缩小体积。第2章 开关电源的分类和基本工作原理2.1 开关电源的分类开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。从驱动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡；它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路;而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。一般来说，功率很小的电源（1100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种具有自动稳压功能的开关电源。因此，本设计就选择了双管正激式开关电源。2.2 开关电源的基本工作原理目前生产的开关电源大多采用采用脉宽调制方式，少数采用频率调制方式，下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理做简要介绍。脉宽调制型,即为PWM技术：PWM技术，全称脉冲宽度调制（Pulse width Modulation，PWM）技术，是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需波形（含形状和幅值）的。PWM控制技术主要是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从事测量、通信到功率控制与变换的诸多领域。PWM开关稳压电源的基本工作原理就是在输入电压、内部河南机电高等专科学校毕业设计论文 6参数以及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。调宽式开关稳压电源的控制原理如图2.1所示。对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压Uo可由（2.2.1）计算： （2.1）式中Um为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期，Td为矩形脉冲宽度。当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度Td成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳压输出目的。图2.1 脉宽调制式开关电源控制原理图开关稳压电源的电路原理框图如图2.2所示。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，该电压通过功率转换电路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。反馈控制电路为脉冲宽度调制器，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。这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。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。图2.2 开关电源电路框图2.3 PFC原理220V市电是个标准的正弦波，流过阻性负载的电流也是一个同相位的正弦波，但由于电源整流器是非线性元件，使输入的交流电流产生畸变，呈脉冲状，造成的严重后果是谐波对电网的危害作用，变电设备损坏，电能效率降低，能源浪费；在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏等等。功率因素控制（PFC）就是采取一定措施使电流波形相位接近电压波形。图2.3 不带PFC的典型开关电源的输入特性图2.4 带接近完美的PFC典型开关电源的输入特性主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数，通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。图2.5 BOOST电路Boost是一种升压电路，这种电路的优点是可以使输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；该电路的电感电流即为输入电流，因而容易调节；同时开关管门极驱动信号地与输出共地，故驱动简单；此外，由于输入电流连续，开关管的电流峰值较小，因此，对输入电压变化适应性强。利用Boost电路实现高功率因数的原理是使输入电流跟随输入电压，并获得期望的输出电压。因此，控制电路所需的参量包括即时输入电压、输入电流及输出电压。乘法器连接输入电流控制部分和输出电压控制部分，输出正弦信号。当输出电压偏离期望值，如输出电压跌落时，电压控制环节的输出电压增加，使乘法器的输出也相应增加，从而使输入电流有效值也相应增加，以提供足够的能量。在此类控制模型中，输入电流的有效值由输出电压控制环节实现调制，而输入电流控制环节使输入电流保持正弦规律变化，从而跟踪输入电压。本设计采用ST公司推出的L6562D，L6562D是一款很常用的控制IC。它是一款工作方式可以选择的升压调整器，它以PWM方式控制功率开关的导通时间，工作频率可调且可以采用CCM方式工作。2.4 双管正激式变换器工作原理与单管正激变换器的区别时双管正激变换器无需磁复位辅助绕组，在反激时磁复位功能由二极管D1和D2完成，并将开关管集电极-发射极承受的电压钳位在（Vin+VDF）,VDF为二极管的正向压降。双管正激式变换器工作原理除磁复位不同外，工作过程与单管正激式变换器相同。开关管Q1和Q2同时导通或者关断，开通时输送能量到输出端，关断时电感L电流经过D4续流，同时变压器的励磁电流经二极管D1和D2流入电源Vin，励磁能量同样也返回电源。电路设计如下图所示：图2.6 双管正激电路第3章 交流输入部分电路的设计与实现3.1 原理图设计图3.1 交流输入部分3.2 元件参数与选择3.2.1 压敏电阻MOV：压敏电阻，抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器。压敏电阻器主要应用于各种电子产品的过电压保护电路中，它有多种型号和规格。所选压敏电阻器的主要参数（包括标称电压、最大连续工作电压、最大限制电压、通流容量等）必须符合应用电路的要求，尤其是标称电压要准确。标称电压过高，压敏电阻器起不到过电压保护作用，标称电压过低，压敏电阻器容易误动作或被击穿。如果电器设备耐压水平Vo较低，而浪涌能量又比较大，则可选择压敏电压较低、片径较大的压敏电阻器；如果Vo较高，则可选择压敏电压较高的压敏电阻器，这样既可以保护电器设备，又能延长压敏电阻使用寿命。普通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其最大限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。3.2.2 安规电容C1：X电容，也称为安规电容，用于抑制差模干扰；Y1，Y2，Y3：Y电容，抑制共模干扰，为共模干扰提供交流通路；安规电容分为X电容及Y电容。它们用在电源滤波器里,起到电源滤波作用,分别对共模,差模干扰起滤波作用。安规电容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全。X电容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；X电容底下又分为X1, X2, X3。表3.1 X电容X电容区别X1耐高压大于2.5 kV，小于等于4 kV 续上表X电容区别X2耐高压小于等于2.5 kVX3耐高压小于等于1.2 kVY电容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。Y电容底下又分为Y1，Y2，Y3。表3.2 Y电容Y电容绝缘等级额定电压范围Y1双重绝缘或加强绝缘 250VY2基本绝缘或附加绝缘150V 250VY3基本绝缘或附加绝缘150V 250VY4基本绝缘或附加绝缘 (Umult+Ube)，电容C通过R1，R2放电，Uzcd满足： (式4.4)当UzcdTonmin。此种方法为一种前馈补偿，并不影响固定关断时间峰值电流控制基本性能。Toff(归一化处理后的值)在半个输入电压周期内的变化如图4.4所示。图4.4 Toff变化曲线4.4 原理图设计本文在基于FOT-PFC控制模型下，采用ST公司的L6562作为控制芯片，给出了Boost-APFC电路的设计方法。图4.5给出了由L6562构成的APFC电源的实际电路图。图中，输入交流电经整流桥整流后变换为脉动直流，作为Boost电路的输入；电容C3用以滤除电感电流中的高频信号，降低输入电流的谐波含量；电阻R9，R9b，RM，R13b，和RM1，RMb构成电阻分压网络，用以确定输入电压的波形与相位，电容C6用以虑除3号引脚的高频干扰信号；电阻R6作为电感电流检测电阻，用以采样电感电流的上升沿(MOS管电流)，该电阻一端接于系统地，另一端同时接在MOS管的源极，同时接至芯片的4脚；电阻R1a，R1b，R2a，R2b和R3a，R3b，构成电阻分压网络，同时形成输出电压的负反馈回路；电容C2与电容C5和R12分别连接于芯片1、2脚之间，以组成电压环的补偿网络。5脚接CZ2，RZ1，Q2用来控制驱动输出PWM的关断时间。图4.5 APFC原理图4.5 参数设计4.5.1 升压电感的设计1. 确定最小关断时间最小关断系数 (式4.7)最大关断系数 (式4.8)当输入电压最大时，也就是开关频率最高时，fswmax=100kHz，最小关断时间 (式4.9)2. 确定输入功率和峰值电流输入功率 (式4.10)峰值电流 (式4.11)3. 确定纹波电流和升压电感当输入电压最小即Vin=85VAC时，纹波电流最大，纹波因数在这里我们取Kr=0.3，则最大纹波电流 (式4.12)由纹波电流可以求得升压电感 (式4.13)经过电感的电流有效值为 (式4.14)输入电感主要作用是储存输入侧的能量，所以可以考虑选择带气隙的铁氧体磁芯和磁粉芯。磁粉芯内部分布有气隙，能存储能量，其磁导率一般比较低，所以可以可通过比较大的直流分量。磁粉芯根据磁性材料粉末的不同可以分为以下几类，如表4.3所示。表4.3 磁粉芯参