毕业设计论文小功率电源开关的设计.docx
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毕业设计论文小功率电源开关的设计
毕业设计
题题：
小功率电源开关的设计
学校：
陕西航空职业技术学院
系别：
电子工程系专业：
汽车电子技术
班级：
学号：
学生：
指导老师：
2011年4月
课题摘要
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。
开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。
电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。
开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。
本次设计采用典型的反激式开关电源结构设计形式，以UC3842作为控制核心器件，运用脉宽调制的基本原理，并采用辅助电源供电方式为其供电，有利于增大主电源的输出功率。
采用场效应管作为开关器件，其导通和截止速度很快，导通损耗小，这就为开关电源的高效性提供保障。
同时，电路中辅以过压过流保护电路，为系统的安全工作提供保障，本电路注意改善负载调整率,降低了电磁串扰，达到绿色环保的目的。
输出电压可调，使其可适用于不同场合。
目次
1引言
电是工业的动力，是人类生活的源泉。
电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。
我们用的电，一般都需经过转换才能适合使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。
按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转化为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。
为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。
自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。
所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。
在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（SwitchingPowerSupply）。
2系统方案选择和论证
2.1设计要求
在电压220V、50HZ，电压变化范围+15%~-20%条件下：
（1）输出电压可调范围：
+12V
（2）最大输出电流：
10A
开关电源通常由：
输入电路、功率转换、输出电路、控制电路、频率振荡发生器五大部分组成。
如下图所示：
图2-1开关电源系统框架图
2.3.1主电路方案
根据高频变换器的工作方式，可分为正激式和反激式等多种。
高频变换器工作时是利用一功率开关器件的高速通断，从而使变换器进行能量传输。
当功率开关器件导通时，变换器进行能量传输，称为正激式；反之，即电子开关截止时，变换器进行能量传输，称为反激式。
方案一：
采用正激式变换器开关电源
正激式变换器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。
图2-2正激式变换器工作原理图
正激式变换器开关电源工作原理：
所谓正激式变换器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。
图2-2是正激式变换器开关电源的简单工作原理图，图2-2中Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。
需要特别注意的是高频变压器初、次级线圈的同名端。
如果把高频变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图2-2就不再是正激式变换器开关电源了。
正激式变换器开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关K关断的瞬间开关高频变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。
因此，在图2-2中，为了防止在控制开关K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变换器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管D3。
方案二：
采用反激式变换器开关电源
反激式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用广泛。
所谓反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源。
图2-3反激式变换器工作原理图
Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。
图2-3（b）是反激式变换器开关电源的电压输出波形。
方案三：
采用半桥式变换器
为了减小开关三极管的电压承受电压，可以采用半桥式变换器，它是开关电源比较好的拓扑结构。
电容C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成变换器，如图2-4所示。
桥的对角线接高频变压器TR的初级绕组。
如果C1、C2容量、耐压均相等，在某一只开关晶体管导通时，绕组上的电压只有电源电压Vin的一半。
在稳定的条件下，VT1导通，C1上的电压1/2Vin加在变压器的初级线圈上。
由于初级绕组和漏感的作用，电流继续流入初级绕组黑点标示端。
如果变压器初级绕组漏感储存的电能足够大，二极管VD6导通，钳位电压进一步变负。
在VD6导通的过程中，反激能量对C2进行充电。
连结点A的电压在阻尼电阻的作用下，以振荡形式最后回到中间值。
如果这时VT2的基极有触发脉冲，则VT2导通，初级绕组黑点标示端电压变负，Ip电流加上磁化电流流经初级绕组和VT2，然后重复前面的过程。
不同的是Ip变换了方向。
二极管VD5对三极管VT1的导通钳位，反激能量再对电容C1进行充电。
图2-4半桥式变换器工作原理图
方案四：
采用桥式变换器开关电源
桥式变换器由4只开关晶体管组成，与半桥式变换器相比多了两只晶体管，如下图所示。
在一个电子开关周期中，4只晶体管中每一条对角线上的两只管子为一组。
它们的“开”和“关”与占空比有关。
当给VT1、VT3以等量触发脉冲时，两只晶体管同时导通，等到触发脉冲消失后，两只晶体管又同时截止。
电源电压经VT1流入变压器初级绕组Np,并经VT3到电源负极。
在这一过程中，变压器初级电流Ip逐渐升高。
这时，变压器的次级得到感应电压，使整流二极管VD1的电压上升，VD2的电压下降。
这一变化的快慢是由次级绕组Ns的漏感及二极管VD1、VD2的性能决定的。
输出大电流、低电压时，工作频率的影响更大。
由于变压器初级电压增加，次级绕组的感应电流也跟着上升，二极管VD2慢慢进入反向偏置状态，二极管VD1却进入正向导通，电感L的电压紧跟着上升。
L上的电感在反向电势的作用下，对变压器的初级绕组进行“磁化”，“磁化”的结果是使VT1、VT3截止。
VT2、VT4在Vin电压的作用下趋向导通，又开始了新一轮的“开”和“关”工作循环。
桥式变换器和正激式变换器的输出电压相同。
图2-5桥式变压器
2.3.2主电路功率模块
功率开关器的选择
开关电源中的功率开关器件是影响电源可靠性的关键器件。
开关电源所出现的故障中约60%是功率开关器件损坏引起的。
用作开关的器件主要有大功率晶体管、MOSFET管与IGBT等。
方案一：
MOSFET
在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。
这是因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极性器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。
MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极性功率晶体管具有明显的优势。
所有类型的有源功率因数矫正器都是为驱动功率MOSFET而设计的。
MOSFET功率管的特点
（1）MOSFET是电压控制型器件因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；
（2）输入阻抗高，可达108Ω以上；
（3）工作频率范围宽，开关速度快（开关时间为几十纳秒到几百秒）开关损耗小；
（4）有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作Hi-Fi音响；
（5）功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。
方案二：
绝缘栅双极性晶体管
绝缘栅双极性晶体管（IGBT）μs，在开关电源中作功率开关用，具有MOSFET与之不可比拟的优点。
IGBT的特点：
（1）IGBT是一种电压控制的功率开关器件：
IGBT等效于用MOSFET做驱动级的一种压控功率开关器件。
（2）IGBT比MOSFET的耐压高，电流容量大：
IGBT导通时正载流子从P＋层流人N型区并在N型区积蓄，加强了电导调制效应，这就使IGBT在导通时呈现的电阻比高压（300V以上）MOSFET低得多，因而IGBT容易实现高压大电流。
前级是个电流较小的MOSFET，允许导通电阻较大，Nˉ层可以适当地加厚，耐压可以提高。
（3）开通速度比MOSFET快：
由于IGBT中小电流MOSFET的开通速度很快，在开通之初后级PNP型晶体管的基极电流上升很快，使IGBT的开通速度不但比双极性晶体管快，而且开通延迟时间td（on）比同容量的MOSFET还短。
（4）关断速度比MOSFET慢：
虽然IGBT中前级MOSFET的关断速度很快，但后级PNP型晶体管是少子功率的开关器件，少数载流子要有复合、扩散和消失的时间，在电流迅速下降到约1/3时，下降速度明显变慢，俗称“拖尾”。
后级PNP型管的集一射极之间有基一射极PN结压降和MOSFET的压降，故集一射极不进入深饱和状态，关断速度较快。
随着生产工艺的改进，关断速度也有明显的提高。
2.3.3控制电路的选择
方案一：
TL494集成控制器
TL494是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应用在各种开关电源中。
TL494管脚配置及其功能：
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
图2-6是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
图2-6TL494管脚图
方案二：
UC3842集成控制器
UC3842是国内应用比较广泛的一种电源集成控制器，是由尤尼创（Unitrodc）公司开发的新型控制器件。
利用UC3842设计的电流制型脉宽调制开关稳压电源，克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单，成本低、体积小、易现实。
该稳压电源是目前实用和理想的稳压源，具有很大的发展前景。
2.3.3系统方案确定
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（1）主电路模块：
采用正激式变压器开关电源；
（2）主电路功率模块：
功率开关晶体管的选择采用功率开关MOSFET；
（3）控制电路：
脉宽调制器选择采用UC3842电源集成控制器。
3系统设计与实现
开关电源是进行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率交换的装置。
这些变换由主电路和控制回路两部分完成。
主回路将输入的交流电传递给负载，它决定开关电路的结构形式、变换要求、功率大小、负载能力等；控制回路按输入、输出的条件检测、控制主回路的工作状况。
如果将控制回路集成化，就称之为开关电源集成控制器；如果将主回路和控制回路集成一起，就称之为开关电源模块化。
开关电源集成控制器中一般包含有振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器，高品质的还有高功率开关管、电流比较器以及各种功能保护电路等。
3.2主要单元的电路设计
3.2.1主要电路部分电路设计
（1）EMI滤波器及桥式整流电路饿的设计
交流电压由C1、L1、C2以及C3、C4进行低通滤波。
C1、C2组成抗干扰电路，用以仰制正态噪声；C3、C4、L1组成抗共模干扰电路，用于仰制共态噪声干扰。
它们的组合应用对电磁干扰有很强的衰减旁路作用。
滤波后的交流电压经VD1至VD4桥式整流以及电解电容C5滤波后变成310V的脉动直流电压。
图3-1滤波及整流电路
（2）高频变压器的设计
正激式变换器的占空比不得大于，工作频率应低于100KHz，这对高频变压器的和开关功率管来说比较有利。
输入：
85V~265V，AC,50Hz。
输出：
12V/10A，DC。
1工作频率的确定
工作频率的确定，输出电压高，响应速度快，调整范围大，但是场效应管、整流二极管以及变压器等发热多。
损耗大，噪声大。
现选用100kHz，电源效率取80%。
工作周期为：
2最大导通时间Ton（max）的确定
正激式变压器的占空比D（max）应该低于0.5，现选用D（max）=0.45，D（min），得：
3变压器次级输出电压（Vs）的计算
这公式中Vo为肖特基二极管的正向压降，取值，VL为滤波电感器的压降，取值为。
4变压器匝数比（n）的计算
变压器初级的最低直流电压为
，一般设
。
5输入功率的计算
表1输出功率与磁芯尺寸的关系
尺寸
磁芯型号
A/H
（max）
B/h
（max）
C
（max）
D
（max）
有效截面积（mm2）
输出功率Po（W）
窗口面积
Be（mm2）
50kHz
100kHz
150kHz
200kHz
EE16
16/8
12/6
4
18
8
12
16
18
9
EE19
19/7
14/6
4
5
20
15
20
30
40
EE22
22/11
19/8
6
6
36
20
30
50
80
EE25
25/17
19/13
7
6
42
40
55
90
130
18
EE28
28/17
20/8
78
50
90
140
200
EE30
38/21
21/17
11
115
95
130
210
260
EE35
35/20
28/18
11
10
110
120
170
300
440
EE40
40/27
35/21
12
138
190
290
420
550
EE45
45/30
38/23
13
12
156
220
350
510
650
75
根据输出功率与磁芯尺寸的关系（见表1），选用EE35，其有效截面积
。
6变压器次级匝数
的计算
Bm为磁通密度，实际应用磁芯的最高温度为100℃，可以选用0.3T以下。
对于正激式变压器，它是单向励磁。
考虑到剩磁问题和工作频率，现选用
为0.2T。
7反馈绕组
的计算
的最低启动电压为16V，正常工作电压为20V，加上整流二极管
的管压降，所以反馈绕组
的供电电压为。
8重新确定
是否达到要求
占空比：
占空比符合要求，未超过设计范围，匝数成立，假设可行。
9扼流圈电感的计算
扼流圈
在电路中起着平滑滤波的作用，它的大小对输出波纹电压的大小似乎起不到很大的作用，但它对于维持负载最小电流却起着很大的作用。
中的电流在连续和断续两种模式下工作，不论哪种模式，只要输入输出电压不变，电流波形的斜率不会因负载电流的增大或减小的改变。
实践表明，在不连续工作状态下，为达到输出电压稳定，占空比调节量的大小是由负载和输入电压变化量的大小同决定的。
当输出电流因负载变化而降低时，占空比较小，调节输出电压不变；如果电路负载恒定，占空比下降，这时输出电压也会下降。
这种现象是非常不好的，这是因为主输出扼流圈电感不是处于连续状态。
增大扼流圈的电感，输出回路虽然可以在工作连续模式下，但对电源的效率、体积以及安装都会带来限制，同时输出电流变化率将出现较大的变化。
认真计算和调试选用扼流圈非常重要。
流经扼流圈的电流
一般是输出电流
的20%
扼流圈的电感量L为
要求输出纹波电压应小于输出电压的1%。
10计算变压器初级电感量
初级有效电流：
初级最大电流：
初级电感量：
求磁芯气隙δ
（3）正激式变换电路设计
所谓正激式是指变压器的初级与次级同相位。
正激式变换器的优点是铜损低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率将降低。
它适用于低电压、大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。
它还具有多台电源并联使用而互不受影响的特点，而且可以自动均衡，而反激式却不能做到这点。
C13、VD7、R12是开关晶体管钳位消噪电路；VD8是肖特基整流二极管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗损失在整流二极管上；RF是自动恢复开工，它的功能是自动恢复电阻，在电路中起着过流、短路保护作用。
图3-2正激式变换电路原理图
3.2.2控制回路单元的设计
（1）控制电路的设计
本次设计是以UC3842为核心设计控制部件，根据其特点设计一个AC为220V输入、DC为12V输出的单端正激式开关稳压电源。
开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。
UC3842既可制成正激式也可以做成反激式。
正激式的主要特点：
①：
固定频率，通过调节占空比去控制输出电压。
②：
工作频率可高到500KHZ而不发生磁饱和，电压调整率可达到0.01%，启动电流小于1MA。
③：
结构简单，体积小，调试容易，性价比高。
④：
具有欠压、过流、过压等多种保护功能。
是由UC3842构成的开关电源电路，220V市电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻Rt1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降压后加到UC3842的供电端（⑦脚），为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的副绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另一方面经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。
④脚和⑧脚外接的R6、C8决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。
R5、C6用于改善增益和频率特性。
⑥脚输出的方波信号经R7、R8分压后驱动MOSFEF功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到副边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。
电阻R10用于电流检测，经R9、C9滤滤后送入UC3842的③脚形成电流反馈环.所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的③脚电压高于1V时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。
图3-3UC3842构成的开关电源
（2）反馈电路的设计
关电耦合反馈控制是这样的：
IC2是关电耦合器，型号是NEC2501。
IC3是精密稳压源，型号是TL431。
由IC3、R11、R12组成外部误差放大器。
误差放大器的频率响应由C12、R10、R11决定。
当输出负载变小时，R9用于提高输出电压的稳定性。
当12V输出电压由于负载减轻而升高时，经电阻R11、R12分压后所得到的取样电压与精密稳压源的2.5V标准电压进行比较，其差值必然增大，使IC3的阴极K的电位降低，发射二极管的工作电流IF上升，发光强度增大，通过光电耦合使光电接收三极管的电流IC升高。
这样使得开光电源控制集成电路IC1的①脚的补充输入电流增大，促使片内对PWM比较器进行调节，使占空比减小，输出电压下降，达到稳压的目的。
图3-4反馈电路的设计
4主要元件介绍
4.1光电耦合器
光电耦合器（OpticalCoupler,OC）也叫光电隔离器（OpticalIsolation,OI）,简称光耦。
它是一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：
一是发光体，实际上是一只发光二极管，受输入电流控制，发出不同强度的红外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，产生光电流并从输出端输出。
它的光——电反应也是随着光的强弱改变而变化的。
这就实现了“电——光——电”功能转换，也就是隔离信号传递。
光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离。
不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。
因为它是一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小。
可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等。
在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈回路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压。
达到稳定输出电压的目的；通过光电耦合器进行脉冲转换。
在设计本次开关电源时，对光耦的选取原则是：
①电流传输比CTR的允许选取范围是80%～250%。
当CTR为80%时，光电耦合器中的发光二极管需要较大的工作工作电流（>5.0MA）才能控制电路的占空比。
这样做的结果是增加了光电耦合器的功耗。
当CTR>250%时，若启动电流或输出负载发生突变，有可能发生误触发，即误关断，影响正常工作。
②要采用线性良好的光电耦合器。
因为光电耦合器具有良好的线性时，电源控制调整十分有序，输出稳定可靠。
因此，本设计中对光电耦合器的采用为：
光耦NEC2501。
光耦NEC2501参数如下：
型号：
NEC2501；电流传输比CTR：
80%～160%；反向击穿电压V（BR）CEO：
40V；生产厂商：
NEC；封装形式：
DIP4
肖特基二极管SBD（SchottkyBsrrierDiode）是一种N型半导体器件，工作在低电压、大电流状态下，反向恢复时间短，只有纳秒，正向导通压降为0.4V，而整流电流达数百安。
它是最近在开关电源中应用得最多的一种器件。
区分肖特基二极管和超快速恢复二极的方法是二者的正向压降不同，肖特基二极管的正向压降为0.3V，超快速恢复二极管的正向压降啊0.6V。
值得注意的是：
肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100V，它适合用在低电压、大电流的开关电源中。
因此，在本设计中肖特基二极管的采用为MBR1045。
肖特基二极管MBR1045参数如下：
型号：
MBR1045；反向峰值电压Vrm：
45；平均整流电流Id：
10A；反向恢复时间Trr：
<10ns；生产厂商：
Motorola
4.3基准电压
Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
图4-1该器件的电路符号。
3个引脚分别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
图4-1TL431电路符号和等效电路
由图4-2可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压
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