精品基于TL431的反激式开关电源设计学士毕业论文设计.docx
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精品基于TL431的反激式开关电源设计学士毕业论文设计
基于TL431的反激式开关电源设计
张明志
淮北师范大学物理与电子信息学院235000
摘要本设计是基于TL431设计反馈电路的一种反激式开关电源。
反激式开关电源的优点是其电路简单、体积小便于携带、输出电压稳定性高。
随着信息技术的迅速发展，反激式开关电源适用于小功率场合且易于推广使用。
本电源设计主要讲述了开关电源的基础知识和反激式开关电源的基本原理设计、集成芯片的使用和外围电阻的确定、由TL431和PC817构成的反馈电路及课题研究得出的结果。
文讲述了利用反激式开关电源的基本原理设计出了供非常规用电设备使用的非常规开关电源，课题研究结果得出它的输出电压稳定性高，且输出电流大，具有实用性。
同时，我们还可以根据本论文的设计原理通过改变占空比和芯片外围电阻值制作不同输出的开关电源（输出功率要在100W以内），供应日常生活的小功率电器使用。
关键词开关电源；反激式；TL431；UC3842；反馈电路
TheflybacktypeswitchpowersupplydesignbasedonTL431
ZhangMingzhi
SchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaiBeiNormalUniversity,AnhuiHuaibei,235000
AbstractAhighpreciseandreliablesingle-endedflybackswitchingpowersupplywasdesignedandmadeinthispaper,whosecurrentcontrollerconsistedofalinearphotoelectriccouple.Theclosed-loopfeedbackofTL431wasusedtorealizeswitchingpowersupply’sstableequilibrium.Comparedwithgeneralswitchingpowersupply,thepower’shadbeenwiththeadvantagesofhighswitchfrequency,smallswitchloss,highreliabilityandsoon.WiththerapiddevelopmentofInformationTechnology,theflybackswitchingpowersupplywasusedwidelyinlowpowerapplication.Thedesignandapplicationofanewsingle-outputsingleflybackswitchingpowersupplywasproposedinthispaper.Thepaperhadbeenanalyzedflybackswitchingpowersupplyoftheirworkingprincipleandthebasicknowledge,andintroducedafewmajorchipfunctionsandtheuseofthepinandtheresearchresults.Ofcourse,therealizationofthefeedbackcircuitbasedonTL431andPC817waspresentedinthepaper.Anunconventional-outputandsingle-endedflybackswitchingpowersupplywasdesignedandmadeinthispaper,whosethebasicprincipleconsistsoftheflybacktypeswitchpowersupply.Thearticlehadbeenintroducedanunconventionalflybackpowersupply.Theflybackpowersupplyhadbeenwiththeadvantageofoutputcurrentlargeandstablevoltage.Concurrently,wecanalsousethesmallpowerelectricalappliancesinthedailylife,whichwewillmakeaccordingtotheprincipleoftheflybackswitchingpowersupplyinthispower.
KeywordsSwitchingpowersupply;Flyback;TL431;UC3842;feedbackcircuit
目次
1绪论…………………………………………………………1
1.1开关电源简介…………………………………1
1.2开关电源基本原理……………………………2
2基于TL431的反激式开关电源设计………………………4
2.1TL431简介……………………………………4
2.2PC817简介……………………………………6
3反激式开关电源设计………………………………………8
3.1反激式开关电源主电路………………………8
3.2反馈电路………………………………………11
3.3电路检测………………………………………14
3.4辅助电源………………………………………20
4测试方法与数据……………………………………………21
4.1测试方法与数据…………………………………21
结论……………………………………………………………23
参考文献……………………………………………………………24
致谢……………………………………………………………25
1绪论
1.1开关电源简介
整个通信系统的动力源是开关电源系统，开关电源系统也被称为通信系统的“心脏”，可见他占有极其重要的地位。
随着我国电子技术高速、迅猛的发展，越来越离不开开关电源，，同时对开关电源的精度要求也越来越高。
开关电源是开关稳压电源的简称，它是一种由周期性通断开关来实现控制开关电源占空比从而调整输出电压的用脉宽调制驱动功率半导体器件的电源电路[1]。
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。
开关电源的基本构成DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。
输出采样电路由TL431芯片检测输出电压变化，与基准电压比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
1.开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点：
1）功耗小，效率高。
再有信号激励的情况下,功率晶体管在饱和导通与截止的卡爱管状态交替工作,转换频率可以达到几十到几百kHz。
使得功率管的功耗小，因此电源的效率也得到了很大的提高。
2）体积小，重量轻。
由于功率晶体管的功耗小省去散热片的缘故，同时开关电源又省去采用笨重工频变压器的缘故，使得开关管电源的体积不但减小了，而且重量也变轻了。
3）稳压范围宽。
当工频电网电压变化较大或者负载变化较大时，开关电源的输出电压任然能够高效稳定的输出，因为输出电压的变化可以通过占空比或调整脉冲宽度来调节。
所以它有着较宽的稳压范围和良好的稳压效果[2]。
4）滤波电容的容量和体积大为减小。
开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，滤波的效率大为提高。
在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量大大的缩小了。
5）电路形式灵活多样。
在设计开关电源时我们可以采用反激式、正激式；推挽式、板桥式；调频型、调宽型等等。
1.2开关电源基本原理
1.开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。
1）主电路
冲击电流限幅：
限制接通电源瞬间来自电网的浪涌电流。
输入滤波器：
其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍杂波反馈回电网造成污染。
整流与滤波：
将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
2）反馈电路
经过输出端得到的采样电压与基准电压进行比较后，使得反馈电路起到对电源的保护作用，使得开关电源电压稳定输出。
3）检测电路
通过电路检测得到的正在运行中各种参数和各种仪表数据提供给保护电路。
4）辅助电源
除主电路外的为其他电路单元提供工作的电源。
为电源提供芯片的驱动电压，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压[3]。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。
也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。
他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。
2基于TL431的反激式开关电源设计
2.1TL431的简介
本设计的基准电压和反馈电路采用常用的基准稳压器TL431来完成，在反馈的应用中运用采样电压通过TL431限压。
由于TL431具有体积小，基准电压精密度高可调，输出电流大等优点，所以用TL431可以制作多种稳压器。
其性能是输出电压连续可调达36V。
工作电流范围可达0.1mA~100mA。
动态电阻典型值为0.22欧姆，输出杂波低。
最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA。
内基准电压为2.5V，输出电压范围宽2.5~36V。
TL431是美国一家公司生产稳压器。
它的可调范围是2.5~36V，其性能优良，价格低廉，可广泛应用于单片精密电源或精密线性稳压电源中[4]。
图1TL431的电器符号图和等效电路图
图1，A为阳极，使用时需接地；B为阴极，使用时需经限流电阻接正电源，UREF是输出电压Uo的设定端；外接电阻分压器；NC为空脚[5]。
1.TL431的等效电路图如图所示，主要包括：
1）误差放大器A端，其同向输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相则接内部为2.5V的基准电压Uref,并且使设计的端电压等于其基准电压：
UREF=Uref（2-1）
通常情况下UREF也为2.5V，因此也称为基准电压。
2）内部为2.5V的基准电压。
3）NPN型晶体管VT，他在电路中起到调节负载电流的作用。
4）保护二极管VD，可防止因K-A电源间极性接反而损坏芯片。
TL431的电路图形符号和基本接线如下图2所示。
图2TL431的电路图符号
它相当于一直可调式齐纳稳压二极管，输出电压由外部精密分压电阻设定。
其输出电压公式为：
U0=（1+R1/R2）*2.5V（2-2）
R3是IKA的限流电阻，其稳压原理为：
当Uo上升时，取样电压UREF也随之上升，使：
UREF>Uref（2-3）
比较器输出高电平，是VT导通，Uo开始下降。
反之，Uo下降会导致UREF也下降，从而使：
UREF使比较器在次翻转，输出变成低电平，VT截止Uo上升。
这样的循环下去，从动态平衡的角度看，就迫使Uo趋于稳定，从而达到稳压的目的[6]，并且使：
UREF=Uref（2-5）
在本设计中就是利用TL431和PC817光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431的基准电压2.5V进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的电流发生变化，再通过光耦把误差电压改变UC3842芯片控制端的电流大小，调节UC3842的输出占空比，从而达到稳压的目的。
具体工作原理：
当输入电压增大时，输出电压增大导致了输出采样电压增大，这时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大，这也就使得流过限流电阻的电流增大，这样限流电阻的压降增大，而输出电压等于输入电压减限流电阻压降增大值使得输出电压减小，实现稳压。
2.2PC817简介
光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件,通常是发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内，如图3所示：
图3PC817内部结构图
1是阳极，2是阴极，3是发射极，4是集结极。
光电耦合器属于光隔离型器件，他可以在输入和输出完全电绝缘的情况下进行信号的传输，能够执行信号变压器的功能，他具有高速、无触点、无抖动、低功耗、无噪声的优点，用在开关电源反馈电路中，还可以防止输入、输出电路间相互干扰。
所以选用PC817光电耦合器件不但能起到反馈作用还能起到隔离作用。
他的工作原理：
当输入端加电信号时，发光器发出光线照射在受光器上，受光器接收到光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电光电”的转换。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器，能够传播连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光线号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流程度也不同[7]。
3反激式开关电源设计
3.1反激式开关电源主电路
反激式开关电源主回路主要由变频变压器和由PWM控制的开关管构成，实现DC-DC的变换，即把输入端的直流电压通过变压器降压转变成交流电，然后在变压器的次级输出端通过接二极管和电解电容整流滤波得到直流电压，从而输出的直流电压提供给负载。
图4反激式开关电源电路原理图
图4中的数值参数如下表所示：
表1电容电阻参数表
电容
参数
电阻
参数
C0
0.1uF/AC275V
R1
47K/2W
C1
103/400V
Rst1
100K/2W
C2
22Uf/400V
Rst2
4K
C3
104/25V
R2
10K
C4
47uF/30V
R4
22
C5X
104
R6
1K
C6
470
R7
247
C7
103/25V
R8
22
C8
0.1uF
R10
22
Cvref
104
R11
47K
Ct1
3300
R13
10K
/
/
t1
10K
/
/
Rfb1
8.8K
/
/
Rls1
1K
/
/
Rs1
0.2
另：
开关电源NMOS5N60600\5A\106W\2.5欧姆。
220AC交流电输入后，经过承受能力为5A的自动恢复保险丝，经过简单高频滤波后通过四个整流二极管整流、C2滤波得到的直流电压提供给反相端变压器，变压后得到13V的电压再进一步经过整流二极管整流和电解电容滤波得到稳定的直流电压提供给负载。
反相端变压器T?
的初级接有整流二极管D5，瓷片电容C1，R1构成的回路是为了保护变压器由于初级线圈能量饱和而使变压器损毁而设计的。
3.1.1自复保险丝
在本设计中，首先我们在输入端接有一个自复保险丝，使用它的好处是，该保险丝比较适合在电源中使用，他的自身阻抗较低，正常工作时自身功率损耗小，而且表面温度低。
由于自身材料特性，他的过流状态响应比其他保险丝的过流状态响应快得多。
在过流状态下，自复保险丝以及小的电流锁定在高阻状态，只有切断电源或电流过失后才会恢复低阻状态，自锁运行。
在排除故障后可自行复位，无需拆换。
同时，自复保险丝还具有极好的耐大电流能力。
3.1.2电流限幅
220AC的交流电输入端接有X电解电容，目的是限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流过大，用X电容可以滤除公共电网中的杂波，同时也滤除系统内部所产生的到电网中对公共电网造成的污染，同时起到冲击电流限幅作用。
3.1.3整流滤波
输入的交流电需要转变为直流电才能进一步实现DC-DC的电路功能，现在我们接入如上图所示的接法的四个大功率二极管进行整流，此时整出来的电流还会有杂波，为了进一步得到较为平整的直流电压，我们需要进一步滤除杂波，所以在整流之后又接入了电解电容22uF和瓷片电容103以达到滤除高频杂波得到较为平整直流电的效果，供下一级使用。
3.1.4输出整流滤波
变压器副边的电压为交流电压，具有杂音和纹波。
我们为了得到稳定可靠的直流电源，就需要滤除杂音和纹波，我们可以接入二极管进行整流，104电解电容和103CBB电容滤除杂波，从而得到较为平整的直流电。
3.1.5负载
输出电压与负载电阻有关：
负载电阻越大输出电压就越高，反之，负载越小输出电压就越低，这也是反激式变换器的工作特点。
因此空载时必须接上假负载，否则会造成因为输出电压过高而烧坏开关管。
这里，我们接入30欧100W电阻作为假负载。
（此外，输出电压还随输入点的改变而改变并随导通时间的延长而增大）。
3．2反馈电路
3.2.1反馈电路原理
由主电路的输出端输出电压特性可以知道，输出的电压很难达到稳定，为了使输出电压稳定，我们需要设计反馈电路使其达到稳压的目的。
也就是从输出端取样然后通过逆变器改变脉宽使输出稳定。
上面已经讲述了TL431，本设计的基准电压和反馈电路采用常用的基准稳压器TL431来完成，在反馈的应用中运用采样电压通过TL431限压，通过TL431和PC817把误差电压传给UC3842改变他的控制端的电流来间接改变PWM波，从而实现稳压的目的。
本设计中，TL431和PC817的功能和原理前面都已经作了详细介绍，这里不再遨述，本设计由TL431和PC817构成反馈回路。
本设计中他们的接法如上图4所示。
图4中，R4为22；C5X为104；R6为1K；R为247K；R11为42K；R13为10K。
电源输出端的电压可根据基准电压源TL431的基准电压计算得到：
U0=（1+R11/R13）2.5V（3-1）
我们知道TL431内部的基准电压为：
Uref=2.5V（3-2）
为了使输出电压达到稳定，我们需要将输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431的基准电压：
Uref=2.5V（3-3）
进行比较，在阴极上形成误差电压。
所以我们设定的TL431外部的基准电压为：
UREF=2.5V（3-4）
3.2.2分压电阻的确定
根据前面的介绍，已经知道TL431和PC817的用法，现在只需要确定其接入和分压电阻值。
我们首先确定电路中R6的取值。
高压控制端的电流由R6的取值所决定的，现在我们用的是PC817（U1-B）芯片,由信息手册知道：
CTR=0.8-1.6（3-5）取低限电阻0.8，那么经过发光二极管的最大电流为Ix：
Ix=6/0.8mA（3-6）
所以R6的值：
R6<=（15-2.5-1.2）/7.5（3-7）光二极管能够承受的最大电流为50mA左右，TL431为100mA,所以我们取流过R6的最大电流为50mA[8]。
R6>（13-2.5-1.3）/50（3-8）所以R6的取值在这两者之间：
0.148K为了保证输出端能给负载提供更大的电流以满足负载稳定工作，这里我们尽量取较大阻值的电阻，所以我们取R6为1K。
PC817二极管正向电流If为3mA。
而TL431的技术参数知其基准电压在2.5V~36V可调，其内部的电流相应的在1mA~100mA以内很大范围里变化，当工作电流取20mA时不仅可以稳定工作还可以为一部分死负载提供工作电流，因此只需要选3-5mA左右的电流。
然后我们就可以确定各个电阻值了，根据TL431的性能，R11、R13、Vo、Vr有固定的关系：
Vo=（1+R11/R13）*Ur（3-10）
式中：
Vo—开关电源的输出电压。
Vr—TL431的基准电压。
所以取R11为42K。
（假设电阻R13为10K）。
接下来我们再确定R6和R7的阻值。
有前所述，光电耦合器的工作电流If是3mA，我们取值R6为1K，那么它两端的压降是：
Vr6=If*R6（3-11）
其二极管的正想向压降Vf典型值是1.2V，则可以确定R7的压降：
Vr7=Vr6+Vf（3-1）上所述介绍了TL431，它的工作电流取20mA，根据图6，我们可以得到流经R7的电流值的大小：
Ir7=Ika–If（3-12）
那么我们可以得到R7的阻值为：
R7=Vr7/Ir7（3-13）
根据以上计算我们可以知道TL431的阴极电压Vka:
Vka=Vo’-Vr7（3-14）
式中：
Vo’—它的取值要比Vo大0.1-0.2V即可。
3.2.3TL431的稳压原理
其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压UREF就与TL431的基准电压Uref进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED得电流发生变化，在通过光耦把误差电压改变UC4832芯片控制端。
3.3电路检测
该设计中UC3842通过反馈的电压检测和电流检测来改变输出信号占空比大小控制开关管导通或截止来改变输出的电压，实现稳压的效果。
3.3.1UC3842简介
UC3842芯片主要由欠电压封锁电路、振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存器、推拉输出电路组成。
该芯片所需要的外部元器件较少，从而可以降低开关电源的价格。
该芯片不但能够对占空比进行精确的控制和振荡器可以微调的功能，还能够对温度参考点进行温度补偿和使误差放大器的增益达到更高。
它还具有电流取样比较和大电流图腾柱式输出的特点，是MOSFET开关管驱动的最佳芯片选择。
UC3842的简易方框图如下：
图5UC3842的简易方框图
UC3842管脚连接图:
图6UC3842管脚连接图
UC3842是采用脉冲宽度可控制的固定工作频率的方式，一共有8个引脚各引脚的功能如下：
1脚为误差放大器补偿脚。
该脚与误差放大器之间接入阻容器，可以改善误差放大器的性能。
2脚为反馈电压的输入端，反馈电压接入该脚，与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，以便设定误差电压，从而可以控制脉冲的宽度；
3脚为电流检测比较器的同相输入端，电流取样电阻两端的压降加到该脚，与误差放大器的反相输入端的误差电压进行比较，当检测的电压比1V大时，PWM脉冲宽度缩小，电源处于间歇工作状态；
4脚为定时端，该脚与基准电压输出脚接入定时电阻，该脚与地之间接入定时电容，内部振荡器的工作
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