新版开关电源专业课程设计.doc

青 岛 科 技 大 学
本 科 课 程 设 计

开关电源电路设计
题 目 _______________________________

张伟
指引教师__________________________
张伟
辅导教师__________________________
瞿润平
学生姓名__________________________

学生学号__________________________

智能电网信息工程
142
自动化与电子工程
______________________________学院 ____________________________专业________________班
10

7

______年 ___月 ___日

目录

任务书···············································2
一、开关电源主电路设计及参数计算···················4
1.主电路选型·····································4
2.变压器设计计算···································8
3.开关器件选取··································10
4.整流二极管选取································11
二、开关电源控制电路设计··························12
1.控制电路构成··································12
2.控制模式选取··································13
3. PWM集成控制器选取··························13
4. 控制电路整体设计·····························15
三、附录············································
四、参照文献········································

开关电源技术课程设计

摘 要
当前开关电源使用对象涵盖了涉及空间技术、计算机、通信、仪器仪表、汽车电子、照明电器及家用电器等领域，几乎可以说是只要有电子产品地方就有开关电源用武之地。本文以主电路元器件、变压器计算和选型，以及控制电路设计。
等简介开关电源电路。
核心字：主电路选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容计算
一、课程设计目
通过开关电源技术课程设计达到如下几种目：
1、培养学生文献检索能力，特别是如何运用Internet检索需要文献资料。
2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题能力。
3、培养学生运用知识能力和工程设计能力。
4、培养学生运用仿真工具能力和办法。
二、课程设计规定
1. 题目
开关电源电路设计

重要技术数据
1、单相交流输入电压AC95~270V；
2、直流输出电压5V；
3、输出电流3A；
4、输出纹波电压≤0.2V；
5、工作温度：0~40ºC

注意事项：
①学生也可以选取规定题目方向外其他开关电源电路设计。
② 通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计题目方向文献资料，拟定适应自己课程设计方案。一方面要明确自己课程设计设计内容。设计装置（或电路）重要技术数据。

EMI滤 波 电 路
整流 滤波 电路
辅助
电路
反馈
电路
高 频 变 换 器

输 出
整 流
滤 波
控 制 电 路
L
N
+4-16
GND

开关稳压电源基本原理框图

设计内容：
1）、开关电源主电路设计及参数计算。（主电路选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容计算等）注意：开关频率选取
2）、开关电源控制电路设计。（控制电路构成、控制模式选取、PWM集成控制器选取、控制电路整体设计）
3）、画出完整主电路原理图和控制电路原理图
2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学电力电子技术知识和创造性思维方式以及创造能力规定详细电路方案选取必要有论证阐明，要阐明其有哪些特点。主电路详细电路元器件选取应有计算和阐明。
3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题能力
规定学生在教师指引下，独力完毕所设计系统主电路、控制电路等详细设计（涉及计算和器件选型）
4. 课题设计重要内容是
主电路拟定，主电路分析阐明，主电路元器件、变压器计算和选型，以及控制电路设计。
5. 课程设计用纸和格式统一
课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一规定。规定图表规范，文字通顺，逻辑性强。
三、课程设计报告基本格式
目录内容：
1. 设计基本规定（给出所要设计装置重要技术数据和设计装置要达到规定（涉及性能指标），最佳简述所设计装置重要用途）
2. 总体方案拟定
3. 开关电源主电路设计及计算。（主电路选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容计算等）
4. 开关电源控制电路设计。（控制电路构成、控制模式选取、PWM集成控制器选取、控制电路整体设计）
5. 附录（主电路、控制电路、驱动电路整体图）
6. 参照文献
一、开关电源主电路设计及参数计算
1、主电路选型
开关电源电路构造众多，其中适合小功率电源使用有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源有正激型、半桥型和全桥型。普通来说，小功率电源（1～100W）宜采用电路简朴、成本低反激型电路；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；对于功率不不大于500W，工作条件较好电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本规定比较严，可以采用板桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通惯用于输入电压很低、功率较大场合。
由于设计规定直流输出电压为5V，输出电流为3A，输出功率不大于100W，因此使用反激型电路。

反激（Flyback）型电路构造如图（1-19a）所示。反激型电路存在电流持续和电流断续两种工作模式。
电流持续工作模式在一种开关周期经历2个开关状态，电路中波形如图（1-22）所示。

t0～t1时段：电路处在开关状态1，S开通后来，VD处在断态，绕组W1中电流线性增长，其电感储能增长；
t1～t2时段：电路处在开关状态2，S关断后，绕组W1中电流被切断，变压器中磁场能量通过绕组W2和二极管VD向输出端释放。
电流断续工作模式在一种开关周期内相继经历3个开关状态。电路中波形如图（1-21）所示。

t0～t1时段：电路处在开关状态1，S开通后，二极管VD处在断态，绕组W1电流线性增长，电感储能增长；
t1～t2时段：电路处在开关状态2，S关断后，绕组W1中电流被切断，变压器中磁场能量通过绕组W2和二极管VD向输出端释放，直到t2时刻，变压器中磁场能量释放完毕，绕组W2中电流下降到零，VD关断；
t2～t3时段：电路处在开关状态3，绕组W1和W2中电流均为零，电容C向负载提供能量。
图1-20是反激式变压器开关电源，工作于临界持续电流状态时，整流输入电压uo、负载电流Io，变压器铁芯磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。图1-20-a）中，变压器次级线圈输出电压uo是一种带正负极性脉冲波形，普通负半周是一种很规整矩形波；而正半周，由于输出脉冲被整流二极管限幅，当开关电源工作于持续电流或临界持续电流状态时，输出波形基本也是矩形波。。因而，在Ton期间，变压器铁芯中磁通量是由剩磁S•Br向最大磁通S•Bm方向变化；而在Toff期间，变压器铁芯中磁通量是由最大磁通S•Bm向剩磁S•Br方向变化。图1-20-c），是反激式变压器开关电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈电流波形。图中，i1为流过变压器初级线圈中电流，i2为流过变压器次级线圈中电流（虚线所示），Io是流过负载电流（虚线所示）。在控制开关接通期间，变压器铁芯被初级线圈电流磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被被次级线圈电流退磁，并向负载输出电流。从图1-20-c）还可以看出，流过变压器初、次级线圈中电流是可以突跳。变压器初级线圈电流最大值正好等于变压器次级线圈电流最大值n倍
2、变压器设计计算
变压器是开关电源中核心元件，许多其她主电路元器件参数设计都以来于变压器参数，因而应一方面进行变压器设计。
变压器磁芯选取如果工作效率是88.2%，则变压器传播功率为=17w
由于许多因素，例如磁芯材料特性，变压器形状（重要是表面积对体积比率）、表面热辐射、容许温度、工作环境无法把传播功率与变压器大小简朴联系起来。
(1) 计算
原边绕组开关晶体管最大到同步间相应在最低输入电压和最大负载时发生。假设D==0.5。工作频率60KHz。===16.6us=D=0.516.6=8.3us
(2) 计算最低直流输入电压
设当变换器在最低线路输入电压时发生满载工作。计算它输入端直流电压。对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压有效值1.4倍，也不不大于1.2倍。
(3) 选取工作时磁通密度值
已知，选用PC40EE13-Z铁芯磁路有效面积=17对于普通形状铁芯，当工作在60KHz频率，80%饱和值：

(4) 计算原边匝数
由于作用电压是一种方波，一种导通器件伏秒值与原边匝数关系
==192.1匝
(5) 计算副边匝数
设整流二极管压降是0.7v，绕组压降为0.6v，则原边绕组压降电压值为15+0.7+0.6=16.3v原边绕组每匝伏数==副边绕组匝数为=匝
(6) 拟定气隙大小及气隙计算
带气隙磁芯在一种更大磁场强度H值下才会产生磁饱和，因而磁芯可经受一种更大直流成分；此外，当H=0时，更小，磁芯磁感应强度B有一种更大可用工作范畴。最后，有气隙时，磁导能力减少，导致每匝电感量减小，绕组总电感值减小。但气隙存在减少了磁芯里直流成分所产生磁通==2.12mH==0.69mm

3. 开关器件选取
变压器设计完毕后来就可以设计开关电源了，一方面计算开关器件电流。她平均值可以有输出功率与传播效率来得出、尚有原边电压共同得出变压器公式为I===0.138A。设计算完峰值电流后，接下来计算MOSFET能承受最大反向电压。
4、整流二极管选取
在整流时整流二极管所承受最大电压可由最大输入电压求出，题目中所给为最大输入电压270v，这个为有效值，这里不能用有效值来算需要乘以因此通过网上资料查询有如下几种型号整流二极管，其中每个整流二极管基本参数如图

通过简朴分析就可以看到，应当选取型号为IN4004整流二极管，此型号整流二极管最高反向峰值电压为400v，正向压降为1.0v，在输入95~270v状况下是可以忽视。因此型号为IN4004是符合设计规定，这里用单相桥式整流办法需要4个此型号整流二极管。

二、开关电源控制电路设计

开关电源主电路重要解决电能，而控制电路重要解决电信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中开关器件工作，一旦浮现失误，将导致严重后果，使整个电源停止工作或损坏。电源诸多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也都同控制电路有关。

1、控制电路构成
a.驱动电路
驱动电路是控制电路与主电路接口，同开关电源可靠性、效率等性能密切有关。驱动电路需要有很告迅速性，能提供一定驱动功率，并具备较高抗干扰和隔离噪声能力。
b.调节器电路
调节器作用是将给定量和反馈量进行比较和运算，得到控制量。调节器核心是运算放大器。
c.并机均流电路
d.保护电路
保护电路具备自身保护和负载保护两方面功能。
自我保护功能有：输入过电压，输入欠电压，系统过热，过电流等。
负载保护功能有：输出过电压，输出欠电压等。
e.PWM控制电路
普通集成PWM控制器将误差电压放大器、振荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等惯用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功能完整集成电路：
（1） 基准源：用于提高稳定基准电压，作为电路中给定基准。
（2） 振荡器：产生固定频率时钟信号，以控制开关频率。
（3） 误差电压放大器（EA）：事实上就是一种运算放大器，用来构成电压或电流调节器。
（4） PWM比较器：将调节器输出信号转换成PWM脉冲占空比，不同控制模式有着不同转换方式，电压模式集成控制中，常采用有振荡器产生锯齿波同比较方式，电流模式控制当中，采用同电感电流瞬时值相比较。分频器用于将单一PWM脉冲序列提成两路户不对称PWM脉冲序列，用于双端电路控制。
（5） 驱动电路：普通为推挽构造跟随电路，用来提供足够驱动电压，以便有效驱动主电路开关。
（6） 欠电压保护：对集成PWM控制电路电源实行监控，一旦电源跌落至阀值如下时，就封锁输出驱动脉冲，以避免电源掉电过程中，输出混乱脉冲信号而导致开关器件损坏。封锁电路：由外部信号控制，一旦有外部信号触发，及时封锁输出脉冲信号，给外部电路提供了一种可控封锁信号。

2、控制模式选取
开关电源中控制方式，总来说可以提成电压模式和电流模式两大类。
电流控制模式控制长处
（1） 系统稳定性增强，稳定域扩大。
（2） 系统动态特性改进。
（3） 具备迅速限制电流能力。
3、PWM集成控制器选取
由于采用峰值电流模式控制，因此选取UC3842作为PWM集成控制器。UC3842是美国Unitrode公司生产一种高性能固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专门用于构成正激型和反激型等开关电源控制电路。其重要长处是电压调节率可以达到0.01%，工作频率高达500 kHz，启动电流不大于1 mA，外围元件少。它适合做20 W～80 W小型开关电源。其工作温度为0 ℃～70℃，最高输入电压30 V，最大输出电流1 A，能驱动双极型功率管和MOSFET。UC3842采用DIP-8形式封装。其内部构造框图和各引脚功能见关于手册。

UC3842典型应用电路如图3所示。

该电路工作原理是：直流电压加在Rin上，降压后加在UC3842引脚7上，为芯片提供不不大于16 V启动电压，当芯片启动后由反馈绕组提供维持芯片正常工作需要电压。当输出电压升高时，单端反激变压器Tl反馈绕组上产生反馈电压也升高，该电压经R1和R3构成大分压网络，分压后送入UC3842引脚2，与基准电压比较后，经误差放大器放大，使UC3842引脚6驱动脉冲占空比减小，从而使输出电压减少，达到稳定输出电压目。
4、控制电路整体设计
电压采样及反馈电路由光耦PS2701、TL431和阻容网络构成，图中R5和C5用于TL431频率补偿，不能缺少。通过调节由R6，R7构成分压网络后得到采样电压，该采样电压与三端可调稳压块TL431提供2.5 V基准电压进行比较，当输出电压正常时，采样电压与TT431提供2.5 V电压基准相等，则TL431K极电位保持不变，从而流过光耦U3二极管电流不变，进而流过光耦CE电流也不变，UC3842引脚2反馈电位Uf保持不变，则引脚6输出驱动占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出5 V电压由于某种因素升高时，分压网络上得到输出电压采样值会随之升高，从而TL431K极电位下降，流过光耦二极管电流增大，进而流过CE电流增大，从而UC3842引脚2电位升高。　
　　在正常工作条件下，峰值电感电流由引脚1上电压控制，其中：

当电源输出过载或者输出取样丢失时，异常工作条件将浮现，在这些条件下，电流比较器门限被内部钳位至1.0 V，则

而开关电源初级线圈最大峰值电流为短路保护时变压器初级线圈流过最大电流：

式中：IP为初级线圈电感电流;Pout为开关电源设计输出功率;Vin为开关电源输入电压;D为PWM输出信号占空比;N为电源效率。
　　依照式（2）、式（3）可以推算：

依照计算得出Rs阻值可以进一步计算出电流取样电阻功率：

选定电流取样电阻后，需要通过一种L型RC低通滤波网络，将这个采样信号送给UC3842电流比较器。L型RC低通滤波网络上限截止频率为：
　　从低通滤波器对数幅频特性可知，当输入信号频率低于fh时，输出信号与输人信号几乎完全相似;当输入信号频率高于fh时，输出信号会大幅度衰减。
　三、附录

四、参照文献
[1] 周志敏．开关电源分类及应用[M]．电子工业大学出版社，，11：36-39．
[2] 王英剑，常敏慧，何希才．新型开关电源实用技术[M]．电子工业出版社，1999，4．
[3] 李希茜．高频变压器设计[ J ]．当代电子技术，，9 ：7-8．
[4] 黎健荣．开关电源中高频变压器设计[J ]．机械与电子，．
[5] 胡江毅．反激变换器应用研究[D]．南京：南京航空航天大学，．