毕业设计（论文）-多路输出单端反激式开关电源设计文档格式.docx
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3.4.1.2UC3844的特点 14
3.4.2线性光耦合器PC817 14
3.4.3可调精密并联稳压器TL431 15
3.4.4高频变压器的设计 16
3.4.4.1高频变压器作用 16
3.4.4.2高频变压器的设计 17
3.4.5输出级的设计 19
3.4.6功率MOSFET及其驱动电路设计 20
3.4.6.1功率MOSFET的选择 20
3.4.6.2功率MOSFET控制电路及其参数选择 21
3.4.7电压反馈电路设计 22
3.4.7.1电路图及原理 22
3.4.7.2元器件参数选择 22
3.4.8输入启动电路的设计 23
3.4.9输入整流滤波电路的设计 24
3.4.9.1电路原理图 24
3.4.9.2元器件参数选择 24
3.4.10保护电路的设计 25
3.5电路工作过程总结 26
第四章 设计总结 28
参考文献 29
致 谢 31
第一章 引 言
1.1课题研究的背景及意义
随着电子技术的发展，电子设备的广泛应用，这些设备对电源的要求也越来越高，传统线性电源笨重效率低，严重影响电子设备、电子产品的发展。
于是，20世纪60年代开关电源诞生了。
与传统线性稳压电源相比开关电源有以下优点：
1.效率高，损耗小：
开关电源效率通常在75%以上，有的甚至可以达到90%以上。
由于开关管损耗小，因而不需要采用大散热器，能有效减小电源体积。
损耗小使得电子设备内部温度也相对较低，避免了元件长期在高温环境下损坏，这对电子设备的可靠性和稳定性的提升有明显的作用。
2.稳压范围宽：
输入AC或DC电压在很大范围内变化时，电压变化率很小。
而且在输入电压发生较大波动时，电源依然保持较高的效率，因此，开关电源比较适合电网波动较大的地区使用。
3.体积小，重量轻：
开关稳压电源可直接将工频电网电压直接整流成直流后，经过高频变压器获得不同的交流电压，再经整流滤波得到所需的直流电压，这样就可以免去笨重的工频变压器，从而节省线材，减小电源体积和重量。
4.安全可靠：
开关电源一般都具有多种保护电路，保证电源的安全可靠工作。
随着电力电子技术的发展和进步，开关电源技术在不断地创新，目前，涌现出许多开关电源的新技术和新产品。
开关电源技术是一种普适性、渗透性的绿色化技术，使产品性能可靠、成熟、经济、实用，它在国民经济以及国防，高科技发展中都有广泛的应用前景。
1.2开关电源的技术动态
高频方面。
许多国家都步入MHz级别，涌现出众多新型高频磁性材料，其寄生参数和磁损耗减小，散热性增强，如5~6µ
m超薄钴基非晶态磁带，纳米结晶软磁薄膜也在研究。
铁氧体或其他薄膜材料可集成在硅片上等。
高效方面。
致力于减小功率器件的通态电阻、降低漏电流等。
如高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件，其优点是：
禁带宽，工作温度高（可达600°
C），通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等等。
电磁兼容方面。
主要研究典型电路与系统的电磁干扰建模；
PCB板和电源
EMC优化设计软件；
强磁场对人体的危害；
大功率开关电源EMC测量方法的研究等。
新型电容器。
研发适合于功率电源的新型电容器和超大电容。
要求电容量大、等效电阻ESR小、体积小等。
功率因数校正。
许多国家也在研究性价比较高的功率因数校正技术。
低压大电流。
微处理器性能的不断提高，低压大电流开关电源也随之发展起来。
例如电压低达1.1~1.8V，而电流高达50~100A的开关电源。
另外，还有采用波形交错技术，探寻省略滤波电容的可行性等。
开关电源还朝着模块化方向发展。
1.3本课题的主要研究内容
随着电子技术的高速发展，各种各样的电子设备应运而生，然而这么多电子设备，精密仪器的背后都需要有个稳定输出的电源做支持。
从原有的线性稳压电源到现在的开关稳压电源，不论从体积、功耗、性能上，都有质的飞跃，并且开关电源更容易实现多路不对称输出。
这使得各种电子设备不同功能的需要都可以得到满足。
本课题主要研究的是输出7路隔离电压的反激式开关电源，研究内容如下：
本设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，利用控制开关器件的占空比来调整并稳定输出电压，主电路采用多路输出单端反激式变换器结构，采用UC3844控制芯片实现电压电流双闭环控制，采用
PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合，作为反馈环节，使设计出的开关电源具有电压自我调节功能。
开关工作频率为50kHz，输出7路隔离的电压。
设计流程：
1.熟悉UC3844、PC817、TL431的结构原理及作用。
2.多绕组高频变压器的设计。
3.输出级设计。
4.MOSFET开关管的选择及其驱动电路设计。
5.由PC817、TL431组成的反馈环路的设计。
6.输入整流滤波电路和输入启动电路的设计。
第二章 开关电源的原理
2.1开关电源的基本原理
在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。
与线性稳压电源不同的是，开关电源的功率开关管工作在开关（导通与截至）状态。
在这两种状态中，加在功率开关管上的伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；
关断时，电压高，电流小）。
功率器件上的伏安乘积就是功率开关管上所产生的损耗。
不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是PWM（PulseWidthModulation）控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。
而开关电源多为对等幅脉冲进行控制，脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节的。
当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。
通过改变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。
最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。
开关电源的基本工作工程：
1、交流输入经整流滤波变成直流；
2、控制器输出高频PWM信号控制开关管，将直流电压斩波成高频脉冲电压加到高频变压器初级绕组上；
3、高频变压器次级绕组感应出高频电压，经整流滤波供给负载；
4、反馈环节从一部分输出电压采样得到误差电压，经误差放大后输入到控制器，控制占空比，以达到稳定输出电压的目的。
[3]
2.2开关电源的组成
图2-1所示为开关电源的结构框图：
AC
前置滤波电路
输入整流电路
滤波电路
DC
功率变换
电路
高频
变压器
输出整流滤波
取样器
控制电路
基准电压
振荡器
比较器
脉宽调制
图2-1 开关电源的结构框图
AC/DC转换电路是整流滤波电路。
DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以下几种基本类型：
buck型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。
因设计需求，本设计在主电路拓扑上采用单端反激式。
下面就对这一结构主电路进行讨论分析。
2.3单端反激式拓扑分析
2.3.1工作原理
图2-2为单端反激式变换器拓扑结构：
iL1
.
L1
S
D
i
o
.L2
C
R
+
T
Uin Uo
iL2
图2-2 单端反激式变换器拓扑结构
图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，Uin为输入直流电压，开关S为功率开关管，C为输出滤波电容，R为负载，iL1为初级绕组电流，iL2为次级绕组电流；
Uo和io为输出电压和电流，参考方向如图中所示。
单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。
所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。
当功率开关管S导通时，直流输入电压Uin加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。
当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。
当
开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。
从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；
S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。
根据次级绕组放电时间的不同，单端反激式变换器分为3种工作模式：
不连续工作模式（DCM）、连续工作模式（CCM）和临界工作模式。
2.3.2基本关系式
1.共同关系式
开关管S导通期间，流过初级绕组Np的电流i1线性增长，其增量为
1
Di=UinT =UinDT
（2-1）
L
on
1 1
式中T为开关周期，D为占空比。
开关管S截止期间，流过次级绕组Ns的电流i2线性减小，设电流减小的时间是Dt，则流过Ns的电流增量为
Di2
=UoDt
（2-2）
2
开关管S截止期间，Np上感应电压与电源电压Uin一起加在开关管S的
DS级上，DS级承受的电压为
UDS
=Uin
Np
+UoN
（2-3）
2.连续工作模式
如果电流连续，Dt=Toff
s
=（1-D）T，输出电压的表达式为
Uo=Ns D
Ui Np1-D
I =UoIo
+U1
DT=Ns
Io +UinDT
（2-4）
1（max）
UinD
2L1
Np1-D
3.断续工作模式
S导通期间，变压器初级绕组储存的能量W
=LI2
/2，所以电源输入
功率Pi为
j
P=Wj=1LI2
11（max）
（2-5）
i T 2T
如果电流断续，S导通时起始电流为0，则I
=UiT
，假设电路没有
1（max） on
损耗，输入功率Pi应与输出功率Po相等，设输出负载电阻为RL，则有
U2T2 U2
P=inon=o
（2-6）
2L1T RL
RL
2L1T
从而可以得到断续模式输出电压的表达式为
Uo=U
inTon
（2-7）
由式（2-7）可知，在断续模式下，输出电压与输入电压和导通时间成正比，与负载电阻的平方根成正比。
因此，断续模式下负载不能开路。
[4]
第三章 系统设计
3.1技术指标
本课题是针对现代电子设备对供电电源的需求，以220V市电为能源供应，经整流滤波、高频变压器、再经过输出整流滤波，得到电子设备所需的±
5V、
±
12V、+24V等电压。
本课题设计的电源主电路拓扑采用单端反激式变换器结构，采用UC3844作为PWM主控IC，以实现电压和电流的双闭环控制，从而提高负载调整率，电压调整率，以达到电子设备对电源电压稳定性的要求，本电源开关频率设定在50kHz，同时输出7路相互隔离的电压。
技术指标如下：
1．输入：
AC185~250V，50/60Hz
2．输出：
±
5V/0.5A（4路），±
12V/1A，+24V/1A
3.开关频率：
50kHz
4.效率：
大于80%
5.输出文波：
最大100mV（峰峰值）
6．输出精度：
5V，±
12V：
最大±
5%
24V：
10%
7．最大占空比：
45%
3.2黑箱设计
1.总输出功率：
Pout=58W
2.估算输入功率：
Pin=Pout
h=72.5W
3．直流输入电压：
Vinl=AC185´
Vinh=AC250´
4．平均输入电流：
=DC262V
=DC354V
a.最大平均输入电流：
Iinmax=PinVinl=0.28Ab．最小平均输入电流：
Iinmin=PinVinh=0.21A5．估算峰值电流：
Ipk=5.5PoutVinl=1.22A
6．散热：
根据MOSFET反激式变换器经验方法：
损耗的35%是由MOSFET产生的，损耗的60%是由整流部分产生的，5%是由其他部分产生的。
效率80%时的损耗为14.5W。
a．MOSFET：
PDmosfet=6.7W
b.整流部分：
PD5V=0.375W
PD12V=1.8W
PD24V=3.6W
3.3开关电源电路图
设计的完整开关电源电路图如下：
FU
NTCR
D1
D3
VSR
C1
C2
C5
D2
D4
+Vo
AC1
AC2
C3 C4
GND
GND GND
C13
C14
C6
R1
C7
R2
D12
C15
L3
C16
D6
D13
D7
D15
C8
L4
C17
C18
C12
C11
3
4
UC3844
8
7
6
5
C9
C19
L5
C20
D8
R7
R6
D14
D9
R14
R3
L6C21
C22
R4
C27
C10
R5
R15
C23
L7
C24
D10
D11
L8C25
C26
R16
+5V +12V+24V
R8
PC817
R9 R11 R12 R13
TL431
R10
T D5 L2
+5V
GNDGND
-5V
+12V
-12V
+24V
图3-1本设计开关电源电路图
3.4关键元器件的选择与设计
3.4.1控制器芯片UC3844
UC3844 PWM控制IC是高性能频率固定的电流型PWM控制器，它为实际设计提供了一种电路简单、外围元件少、带负载能力强而又经济的解决方案。
这种控制IC的特点是：
有一个可微调的振荡器，用来精确地控制占空比；
有
一个经过高温补偿的基准电压；
一个高增益误差放大器和一个电流感应比较器；
一个适用于功率MOSFET的图腾柱大电流推挽输出以及过压过流保护功能。
3.4.1.1UC3844的内部结构及管脚功能
图3-2 UC3844的引脚图
图3-3 UC3844的内部结构
该芯片虽然只有8个管脚，但是却有两个闭环控制回路，一个为内部误差放大器所构成的电压闭环控制回路，它将输出电压反馈到第2管脚，同2.5V基
准电压比较，形成误差电压。
另一个为内部电流感应比较器所构成的电流闭环控制回路，变压器初级绕组中的电流在反馈电阻Rs上产生的压降，通过第3脚，与误差电压进行比较，调节PWM波的占空比。
这两个控制回路都是在固定频率下工作的。
1脚为补偿端，该管脚为误差放大器的输出，外接RC网络对误差放大器的频率响应进行补偿。
2脚为电压反馈端，取样电压加在误差放大器的反相输入端，与2.5V的基准电压进行比较，产生误差电压。
3脚为电流检测输入脚，外接电流检测电阻，将流过初级绕组上的电流实时反馈到控制器，当3脚电压等于或高于1V时，电流检测比较器输出高电平，复位PWM锁存器，从而关闭输出脉冲，起到过流保护作用。
4脚外接定时RC网络，用以确定振荡器的工作频率，其频率通过式
f=1.8
RtCt
（kHz）确定。
5脚是地，是控制电路和电源的公共地。
6脚为输出端，采用图腾柱式输出，最大峰值电流为1A，能直接驱动功率
MOSFET的栅极。
7脚为集成电路的正电源，其开启电压为16V，关闭阀值为10V。
一旦芯片开始工作，该芯片就能在10-16V之间波动的电源供电条件下正常工作，6V的差值电压可有效地防止电路在给定工作电压附近振荡。
当开关电源通电瞬间，高压直流电通过一个大阻值的电阻降压供给UC3844，当7脚的电压大于16V
时，芯片立即启动，此时启动电流小于1mA，此时无输出，6脚输出正脉冲，使变压器也启动工作，变压器一路输出绕组专门给UC3844供电，以保持芯片继续正常工作，此时的工作电流约为15mA。
在第7脚设有一个34V的齐纳管稳压管，用于保证其内部电路绝对工作在34V以下，防止高压可能带来的损坏。
8脚为基准电压输出，产生精确的+5V基准电压，并具有一定的带载能力，带载能力可达50mA。
通常我们通过测量该脚是否有稳定的+5V输出来判断该
IC是否正常工作。
UC3844的最大的优点就是外围元件少，外电路装配简单，且成本低，适用于20~100W小功率开关电源的驱动电路设计。
3.4.1.2UC3844的特点
UC3844具有如下特点：
（1）电压调整率（抗电
升级会员 