90w反激型开关电源的仿真设计Word文档下载推荐.doc
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1.2开关电源的发展现状和前景 4
1.3反激型开关电源的研究 4
1.4开关电源的基本原理 4
第二章反激型开关电源系统设计 5
2.1电源系统的整体框架 5
2.2反激变换电路工作拓扑及其工作原理 5
2.3.3高频变压器 10
（1）功率MOSFET的选择 10
（2）反馈电阻的计算 11
（3）RCD缓冲器设计 11
（4）输出级设计 11
（5）元器件参数选择 12
2.3.4主电路图.........................................................................13
第三章仿真过程 14
3.1.1使用SaberSketch创建设计 14
3.1.2仿真参数设置 17
3.1.3变压器设置 19
3.1.4整流桥直流输出：
20
3.1.5供电电路：
21
3.1.6输出电压 23
3.1.7震荡电路图：
24
3.1.8mosfed门级电压即3844输出：
25
3.1.9电流反馈及过流保护环节：
3.1.10RC缓冲电路的作用 27
第四章设计与总结..........................................................................28
Severalnotesofswitchingpowersupplydesign 29
开关电源设计几项注意 33
致谢 36
参考文献 37
第一章绪论
1.1开关电源的研究意义
开关电源不但能够节省能源保护环境还能够带来巨大的经济效益，得到社会的广泛认可而得以迅速的推广。
随着现代电源技术的高速发展，高频化、小型化、集成化成为开关电源的主要发展趋势。
而反激型开关电源由于电路简单、体积小、可靠性高等优点，正好符合这一发展的趋势，所以被常用来设计小功率的开关电源。
1.2开关电源的发展现状和前景
目前开关电源广泛使用在通信设备、家用电器和工业电子设备中。
有源功率因数的开发，去除了电网谐波的影响，可以是开关电源的效率提高到0.95到0.99。
而微处理器监控和开关电源内部通信技术的应用使电源系统的可靠性不断的提升。
由于技术的不断革新，开关电源电路也得到了大幅度的简化。
现在开关电源的发展方向主要是小型、轻薄，许多国家都致力于开发新型高频化元器件，特别是改善二次整流的损耗，变压器的小型化，同时采用先进的表面安装技术在印制电路板的两面都布置元件来使开关电源变得小、轻、薄。
当然开关电源还有一个很大的缺点就是噪音比较大，如果单纯的追求开关电源的高频化，那么噪声也会随之增大，这也是未来开关电源面临的一个问题。
1.3反激型开关电源的研究
开关电源的效率要比线性电源的效率高出很多，其中一个很重要的因素是开关电源中很少使用消耗电能的电阻元件，取而代之的是多使用电容、电感等耗能较少的元器件。
反激型开关电源的工作原理是，当变压器的一次侧线圈正好被直流电压激励时，变压器的二次侧线圈不向负载提供功率输出，只有当变压器的一次侧线圈的激励被关段后二次侧线圈才向负载提供功率输出。
采用反激型电路的原因是，电路使用的元器件个数少，总的电源器件成本会相对于其他电路低。
当输出功率在75W到100W之间时，电压和电流应力增加，使用反激型电路的元器件个数也会增加，成本随之提高，所以说反激型开关电源适合小功率的电子设备电源。
1.4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。
第二章反激型开关电源系统设计
2.1电源系统的整体框架
在学习了一些开关电源的知识后，可以先设计出反激型开关电源的系统级框架如图2.1所示，其中包括输入滤波电路、反激变换电路、整流电路、控制电路、反馈电路和输出滤波电路。
图2.1电源系统框架图
2.2反激变换电路工作拓扑及其工作原理
反激型电路的拓扑图如图2.2所示。
图2.2反激型电路拓扑
反激型电路的工作原理是：
S导通时，VD处于关断状态，N1绕组的电流呈现线性增长，电感再次是储存能量。
S关断时，N1绕组的激励被关断，变压器中的储存能量通过N2绕组和VD向输出端释放。
在控制开关S导通的Ton期间，输入电压向变压器的一次侧线圈N1加电压，一次线圈N1有电流流过，此时变压器N1两端产生自感电动势，N2两端也同时产生了感应电动势，但是由于VD处于关闭状态，所以没有产生回路，变压器的二次线圈处于开路状态，这时变压器一次侧相当于电感，所以流过变压器一次线圈的电流就是励磁电流。
变压器一次线圈绕组产生的自感电动势可以表示为：
（S接通期间）（2.1）
式2.1中，为变压器一次线圈绕组产生的自感电动势；
是变压器一次线圈绕组的电感。
对式2.1进行积分可求：
（S接通期间）
当控制开关S在接通状态时突然变为关断的瞬间，流过变压器一次线圈的电流突然变为0，这说明变压器铁芯中的磁通也产生突变，这是不可能发生的。
如果变压器铁芯中磁通产生突变，变压器一次、二次线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势自己又会产生无限大的电流，但是电流又会抵制磁通变化。
所以说，变压器铁芯中磁通的变化最终还是会受到变压器一、二次线圈电流的约束。
因此，在控制开关管S关断这段时间内，变压器铁芯中的磁通主要是由变压器二次侧线圈回路中的电流决定的，即
（S断开期间）
（S接通期间）
2.3关键元器件的选择与设计
2.3.1线性光耦合器PC817
光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。
通常是把发光器（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3-4。
当输入端加电信号时，发光器（发光二极管）发出强弱光线，照射在受光器（光敏晶体管）上，受光器接受强弱不同的光线后导通程度也不同，产生不同强度的电流从输出端输出，实现了“电-光-电”的转换。
普通光电耦只能传输开关信号，不能传输模拟信号。
线性光电耦是一种与普通光耦不同的新型光电转换器件，它可以传输模拟电压或电流信号，输入信号的强弱不同，发光器产生相应强弱的光信号，从而使受光器的导通程度也随光信号强弱的不同而输出的电压或电流强度也随之不同并具有线性的对应关系。
PC817属于线性光电耦合器，可以传输模拟信号。
PC817内部结构如图3-3-1所示：
图3-3-1PC817内部结构
图3-3-2PC817集电极发射极电压V与发光二极管正向电流的关系
2.3.2可调精密并联稳压器TL431
本课题所设计的基准电压和反馈电路采用三端稳压器TL431构成。
在反馈电路中用TL431与输出采样电压进行比较，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到UC3844的电压反馈端。
TL431是2.5～36V可调式精密并联稳压器。
其价格低廉，可广泛应用于精密线性稳压电源和单片精密开关电源中。
它可以输出2.5~36V连续可调电压，工作电流范围宽达0.1～100mA，动态电阻典型值为0.22欧，输出杂波低。
TL431的电路图形符号和基本接线如图3-3-3所示。
图3-3-3TL431的电气符号图和等效电路图
图中，A为阳极，需接地使用；
K为阴极，需经限流电阻接正电源；
是输出电压的设定端，根据，外接电阻分压器选择不同的和的值可以得到从2.5~36V范围内连续输出电压。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证阴极电流要大于1mA，以保证TL431正常工作。
TL431内部原理图如图3-3-4示：
图3-3-4TL431内部原理图
2.3.3高频变压器
高频变压器是开关电源的重要组成部件，它不仅是能量转换和传输的主要器件，而且能够实现输入与输出的电器隔离。
其性能的好坏不仅影响变压器本身的效率和发热量，而且还会对开关电源的整体性能和可靠性产生极大的影响。
因此，全面分析设计变压器的材料、损耗、磁通密度、制造工艺就显得尤为重要。
当控制IC输出一个导通脉冲到MOSFET的栅极时，MOSFET饱和导通，变压器初级绕组中电流逐渐增加，而此时初级绕组产生的感应电压使输出回路的整流二极管截止，次级绕组中无电流，能量以磁能的形式存储在初级绕组中。
当截止脉冲到来时，根据楞次定律，次级产生与之前方向相反的感应电压，使整流二极管立即导通，次级线圈产生的感应电压向输出滤波电容充电，即把能量从初级绕组传递到次级的输出电容中，并给负载供电。
变压器周而复始的经历上述能量的存储转换过程，从而实现了能量的传输。
如下图3-3-5所示：
图3-3-5高频变压器
2.3.4硬件参数设计
（1）功率MOSFET的选择
忽略变压器漏感尖峰电压，功率MOSFET的最小电压应力为：
考虑到变压器漏感产生的尖峰电压，并留有裕量，取VDSS为800V或者1000V的管子，本设计中Ipk=2.77A，选用IRG4PH30K.1200V/10AMOSFED。
R5根据经验在10—20之间皆可这里选择15。
（2）反馈电阻的计算
取R14为1%精度的电阻，其值为1，则实际检测电流为Is=2.5V/1=2.50mA。
则
取=470，TL431的=20mA，PC817的=3mA，则上的压降为：
由PC817芯片资料可知，其发光二极管的正向导通压降典型值为1.2V，
则上的压降：
，
又知流过的电流：
，
因此的值为：
（3）RCD缓冲器设计
Vclamp:
箍位电容两端电压
Vin：
输入电压
VD：
开关管漏极电压
Lp：
初级绕组电感量
LIk：
初级绕组漏感量
VOR：
次级绕组到初级之折射电压
VBR（DSS）：
开关管之漏源级击穿电压
Vinmax：
最大输入直流电压
Vclamp=0.9VBR（DSS）-Vinmax=0.9╳1200-378=702V
LIk=1.22╳3%=36.6uH
VOR=（Vout+VD）/（NS/NP）==165.78V
IDS-PEAK=2.77A
R2==
（4）输出级设计
对于反激式拓扑结构：
DC30V：
（5/27）378+30=300V
第一级滤波电容的选择由下式确定：
其中：
是输出端的额定电流，单位为A；
是在高输入电压和轻载下所估计的最小占空比（估计值为0.1是比较合适的）；
是最大的输出电压纹波峰峰值，单位为mV。
DC+30V：
，这里取346。
DC-30V：
这里取180。
第二级经LC滤波使不满足文波要求的电压再次滤波。
通常滤波电感可以选择0.3μH，输出滤波电容器不仅要考虑输出纹波电压是否可以满足要求，还要考虑抑制负载电流的变化，在这里C16，C18可以选择100uF。
启动电阻由于电压波动在144V——378V之间，而3844启动电流小于1mA，启动电压20V则启动电流=，符合启动条件。
电源通过启动电阻给电容充电，当电压达到UC3844的启动电压门限值（+16V）时，UC3844开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出驱动开关管工作。
随着UC3844的启动，的工作也就基本结束，7脚电压可以小于16V，余下的任务交给输出绕组Ns18V，由输出绕组Ns18V来为UC3844供电，由于R1参考安森美推荐设计取：
R1=，C7=100uf。
（5）元器件参数选择
C1、C2为抑制串模干扰，其容值不需要很大，一般取0.01~0.47薄膜电容，这里取0.1/400V的薄膜电容。
共模扼流圈L，对共模信号呈现很大的阻抗，他通常由线圈绕在高磁导率、低损耗的铁氧体磁环上制作完成的。
其电感通常取几毫亨至十几微亨，视额定电流而定。
额定电流I/A
1
3
6
10
12
15
电感量范围/mH
8~12
2~4
0.4~0.8
0.2~0.3
0.1~0.15
0.07~0.08
L典型值/mH
8
2.5
0.78
0.225
0.11
0.073
这里选择L值为8mH。
C3、C4跨接在输出端接地，能有效抑制共模干扰。
一般采用陶瓷电容，电容量在2200~4200pF之间。
这里取3300pF。
为了降低500kHz以下的传导噪声，一般VD1、VD3采用快恢复二极管，这里取FR156，VD2、VD4取1N4007。
输入滤波电容C5的选取可以根据经验公式：
在AC120~270V输入时，一般（2~3）/W。
这里实际取470/400V铝电解电容。
R9，C14电流检测滤波电路借鉴成熟设计R9取1K，C14取470pF。
R16接地电阻取2K。
R7,R8分压电阻随便取2K，1K。
2.3.5完整电路
第三章电路的仿真
3.1仿真过程
3.1.1使用SaberSketch创建设计
我将使用SaberSketch画出整个电路的原理图。
1.调用SaberSketch（Sketch），将出现一个空白的原理图窗口。
再saber安装完成之后，点击进入sabersketch，然后选择file—>
new—>
schematic，进入原理图绘制画面，如图3—2—1所示：
图3—2—1
2.按以下方法为设计提供名称
通过选择File＞SaveAs…菜单项，存储目前空白的设计。
此时将出现一个SaveSchematicAs对话框，如图3—2—2所示。
图3—2—2
3.放置部件
在这一部分你将按图3—3—10所示在原理框图上放置符号。
图中增加了部件标号以便参照。
按以下方式查找和放置元件符号：
1）单击PartsGallery图符出现PartsGallery对话框，如图4—2—3所示。
图3—2—3
2）按以下方式查找并放置1只电阻符号：
在PartsGallery中，字段设置如下：
SearchString res
在PartsGallery中，单击Search按钮。
在下拉列表中，选择Resistor
（1）或者Resistor（—）。
图3—2—4
按同样的方法分别查找cap，diode，uc3844，transform,gnd，voltagesource，inductor,tl431,irfbe20,u4n24,找到合适的元件放置在界面之中如图3—2—5所示：
图3—2—5
3）按照电路图布局连线修改参数。
双击元件就可以弹出属性框于其中修改元件属性。
单击Save图符以保存设计。
此时，你已拥有一个可用于分析的完整设计，接着就可以仿真了
完整电路原理图：
3-2-6完整电路原理图
仿真时用峰值电流为310的交流电源模拟市电电网。
考虑到仿真最核心的参数并减小仿真误差。
省略了EMI前置滤波电路，并且将二极管全置换为理想二极管，并且由于原件库过时缺少相应的器件，用性能差不多u4n24光耦代替目前常用的pc817。
3.1.2仿真参数设置
Saber仿真参数设置及其重要，设置不得当将导致仿真不收敛得不到合适的仿真结果。
经查阅资料及实践我将仿真时间设置为20ms，这已经能满足观察输出波形的需要。
下面的设置为默认即可如图图3—2—7（a），（b）所示：
图3—2—7（a）
图3—2—7（b）
在operatingpoint/transient窗口中，如上图basic栏里，EndTime指的是仿真结束的时间本例是20ms，这个时间指的是电路运行的时间跨度，而不是仿真软件工作的时间，在本示例中，由于在系统中没有时变量
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