課程設(shè)計(jì)--小功率開(kāi)關(guān)電源

1、<p>　　電力電子應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　院系 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān)業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班級(jí) 電氣1094 學(xué)號(hào) </p><p>　　姓名

2、 </p><p>　　2012 年 3 月</p><p>　　課 題 摘 要</p><p>　　隨著開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對(duì)其需求量日益增長(zhǎng), 并且對(duì)電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開(kāi)關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)在很

3、多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線(xiàn)性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性?xún)r(jià)比等特性。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。本次設(shè)計(jì)采用典型的反激式開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，以UC3842作為控制核心器件，運(yùn)用脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，

4、有利于增大主電源的輸出功率。采用場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開(kāi)關(guān)電源的高效性提供保障。同時(shí)，電路中輔以過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，為系統(tǒng)的安全工作提供保障，本電路注意改善負(fù)載調(diào)整率,降低了電磁串?dāng)_，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。輸出電壓可調(diào)，使其可適用于不同場(chǎng)合。</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言

5、1</b></p><p>　　2 系統(tǒng)方案選擇和論證2</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)要求2</p><p>　　2.2系統(tǒng)基本方案2</p><p>　　2.3方案選擇和論證3</p><p>　　2.3.1 主電路方案3</p><p>　　2.3.2 主電路功率模

6、塊6</p><p>　　2.3.3 控制電路的選擇8</p><p>　　2.3.3 系統(tǒng)方案確定9</p><p>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件的基本組成10</p><p>　　3.2 主要單元的電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 主要

7、電路部分電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.2 控制回路單元的設(shè)計(jì)14</p><p>　　4 主要元件介紹16</p><p>　　4.1 光電耦合器17</p><p>　　4.2肖特基二極管17</p><p>　　4.3 基準(zhǔn)電壓18</p><p>　　4.4 UC3

8、842介紹19</p><p><b>　　結(jié) 論21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p>　　附錄一 元器件清單23</p><p>　　附錄二 總原理圖24</p><p><b>　　1 引言</b>

9、;</p><p>　　電是工業(yè)的動(dòng)力，是人類(lèi)生活的源泉。電源是生產(chǎn)電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。</p><p>　　按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)化為直流；AC/AC稱(chēng)為交流變交流，即為改變頻

10、率；DC/AC稱(chēng)為逆變；DC/DC為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。</p><p>　　自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開(kāi)關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開(kāi)關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時(shí)，以自動(dòng)控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源（Switching Power Supply）。&

11、lt;/p><p>　　2 系統(tǒng)方案選擇和論證</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　輸入交流電壓220V（50~60Hz）</p><p>　　輸出直流電壓5V，輸出電流500mA</p><p>　　輸入交流電壓在100~260V之間變化時(shí)，輸出電壓相對(duì)變化量小

12、于2%</p><p>　　輸出電阻R0＜0.1</p><p>　　輸出最大紋波電壓小于10mV</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)基本方案</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)電源通常由：輸入電路、功率轉(zhuǎn)換、輸出電路、控制電路、頻率振蕩發(fā)生器五大部分組成。如下圖所示：</p><p>　　圖2

13、-1開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框架圖</p><p>　　2.3方案選擇和論證</p><p>　　2.3.1 主電路方案</p><p>　　根據(jù)高頻變換器的工作方式，可分為正激式和反激式等多種。高頻變換器工作時(shí)是利用一功率開(kāi)關(guān)器件的高速通斷，從而使變換器進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱(chēng)為正激式；反之，即電子開(kāi)關(guān)截止時(shí)，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱(chēng)為反激式。

14、</p><p>　　方案一：采用正激式變換器開(kāi)關(guān)電源</p><p>　　正激式變換器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動(dòng)，在一些對(duì)輸出電壓參數(shù)要求比較高的場(chǎng)合，經(jīng)常使用。</p><p>　　圖2-2正激式變換器工作原理圖</p><p>　　正激式變換器開(kāi)關(guān)電源工作

15、原理：所謂正激式變換器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈正好有功率輸出。圖2-2是正激式變換器開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)單工作原理圖，圖2-2中Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，L是儲(chǔ)能濾波電感，C是儲(chǔ)能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。</p><p>　　需要特別注意的是高頻變壓器初、次級(jí)線(xiàn)圈的同名端。如果把高頻變壓器初線(xiàn)圈或次級(jí)線(xiàn)圈的同

16、名端弄反，圖2-2就不再是正激式變換器開(kāi)關(guān)電源了。</p><p>　　正激式變換器開(kāi)關(guān)電源有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，就是在控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的瞬間開(kāi)關(guān)高頻變壓器的初、次線(xiàn)圈繞組都會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是由流過(guò)變壓器初線(xiàn)圈繞組的勵(lì)磁電流存儲(chǔ)的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖2-2中，為了防止在控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)擊穿開(kāi)關(guān)器件，在開(kāi)關(guān)電源變換器中增加一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)能量吸收反饋線(xiàn)圈N3繞組，以及增加了一個(gè)削反峰二極管

17、D3。</p><p>　　方案二：采用反激式變換器開(kāi)關(guān)電源</p><p>　　反激式變換器開(kāi)關(guān)電源工作原理比較簡(jiǎn)單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級(jí)線(xiàn)圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變換器的次級(jí)線(xiàn)圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級(jí)線(xiàn)圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開(kāi)關(guān)電源稱(chēng)為反激式開(kāi)關(guān)電源。</

18、p><p>　　圖2-3反激式變換器工作原理圖</p><p>　　Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，C是儲(chǔ)能濾波電容，R是負(fù)載電阻。圖2-3（b）是反激式變換器開(kāi)關(guān)電源的電壓輸出波形。</p><p>　　方案三：采用半橋式變換器</p><p>　　為了減小開(kāi)關(guān)三極管的電壓承受電壓，可以采用半橋式變換器，它是開(kāi)關(guān)電源比較

19、好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容C1、C2與開(kāi)關(guān)晶體管VT1、VT2組成變換器，如圖2-4所示。橋的對(duì)角線(xiàn)接高頻變壓器TR的初級(jí)繞組。如果C1、C2容量、耐壓均相等，在某一只開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通時(shí)，繞組上的電壓只有電源電壓Vin的一半。在穩(wěn)定的條件下，VT1導(dǎo)通，C1上的電壓1/2 Vin加在變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈上。由于初級(jí)繞組和漏感的作用，電流繼續(xù)流入初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端。如果變壓器初級(jí)繞組漏感儲(chǔ)存的電能足夠大，二極管VD6導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。在VD6導(dǎo)

20、通的過(guò)程中，反激能量對(duì)C2進(jìn)行充電。連結(jié)點(diǎn)A的電壓在阻尼電阻的作用下，以振蕩形式最后回到中間值。如果這時(shí)VT2的基極有觸發(fā)脈沖，則VT2導(dǎo)通，初級(jí)繞組黑點(diǎn)標(biāo)示端電壓變負(fù)，Ip電流加上磁化電流流經(jīng)初級(jí)繞組和VT2，然后重復(fù)前面的過(guò)程。不同的是Ip變換了方向。二極管VD5對(duì)三極管VT1的導(dǎo)通鉗位，反激能量再對(duì)電容C1進(jìn)行充電。</p><p>　　圖2-4半橋式變換器工作原理圖</p><p>

21、;　　方案四：采用橋式變換器開(kāi)關(guān)電源</p><p>　　橋式變換器由4只開(kāi)關(guān)晶體管組成，與半橋式變換器相比多了兩只晶體管，如下圖所示。在一個(gè)電子開(kāi)關(guān)周期中，4只晶體管中每一條對(duì)角線(xiàn)上的兩只管子為一組。它們的“開(kāi)”和“關(guān)”與占空比有關(guān)。當(dāng)給VT1、VT3以等量觸發(fā)脈沖時(shí)，兩只晶體管同時(shí)導(dǎo)通，等到觸發(fā)脈沖消失后，兩只晶體管又同時(shí)截止。電源電壓經(jīng)VT1流入變壓器初級(jí)繞組Np,并經(jīng)VT3到電源負(fù)極。在這一過(guò)程中，變壓器

22、初級(jí)電流Ip逐漸升高。這時(shí)，變壓器的次級(jí)得到感應(yīng)電壓，使整流二極管VD1的電壓上升，VD2的電壓下降。這一變化的快慢是由次級(jí)繞組Ns的漏感及二極管VD1、VD2的性能決定的。輸出大電流、低電壓時(shí)，工作頻率的影響更大。由于變壓器初級(jí)電壓增加，次級(jí)繞組的感應(yīng)電流也跟著上升，二極管VD2慢慢進(jìn)入反向偏置狀態(tài)，二極管VD1卻進(jìn)入正向?qū)?，電感L的電壓緊跟著上升。L上的電感在反向電勢(shì)的作用下，對(duì)變壓器的初級(jí)繞組進(jìn)行“磁化”，“磁化”的結(jié)果是使VT

23、1、VT3截止。VT2、VT4在Vin電壓的作用下趨向?qū)?，又開(kāi)始了新一輪的“開(kāi)”和“關(guān)”工作循環(huán)。橋式變換器和正激式變換器的輸出電壓相同。</p><p><b>　　圖2-5橋式變壓器</b></p><p>　　2.3.2 主電路功率模塊</p><p><b>　　功率開(kāi)關(guān)器的選擇</b></p>&

24、lt;p>　　開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)器件是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開(kāi)關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約60%是功率開(kāi)關(guān)器件損壞引起的。用作開(kāi)關(guān)的器件主要有大功率晶體管、MOSFET管與IGBT等。</p><p>　　方案一：MOSFET</p><p>　　在開(kāi)關(guān)電源中，用作開(kāi)關(guān)功率管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強(qiáng)型器件。這是因?yàn)镸OSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極性器件，不存在二

25、次擊穿和少數(shù)載流子的儲(chǔ)存時(shí)間問(wèn)題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非常快的開(kāi)關(guān)速度。MOSFET在大功率開(kāi)關(guān)電源中用作開(kāi)關(guān)，比雙極性功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所有類(lèi)型的有源功率因數(shù)矯正器都是為驅(qū)動(dòng)功率MOSFET而設(shè)計(jì)的。</p><p>　　MOSFET功率管的特點(diǎn)</p><p>　　MOSFET 是電壓控制型器件 因此在驅(qū)動(dòng)大電流時(shí)無(wú)需推動(dòng)級(jí)，電路較簡(jiǎn)單；</p&g

26、t;<p>　　輸入阻抗高，可達(dá) 108Ω 以上； </p><p>　　工作頻率范圍寬，開(kāi)關(guān)速度快 ( 開(kāi)關(guān)時(shí)間為幾十納秒到幾百秒 ) 開(kāi)關(guān)損耗?。?</p><p>　　有較優(yōu)良的線(xiàn)性區(qū)，并且 MOSFET 的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作 Hi-Fi 音響；</p><p>　　功率 MOSF

27、ET 可以多個(gè)并聯(lián)使用，增加輸出電流而無(wú)需均流電阻。</p><p>　　方案二：絕緣柵雙極性晶體管</p><p>　　絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）是一種大電流密度、高電壓激勵(lì)的場(chǎng)控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為600～1800V，電流容量為100～400A，關(guān)斷時(shí)間低至0.2μs，在開(kāi)關(guān)電源中作功率開(kāi)關(guān)用，具有MOSFET與之不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。</p>

28、<p><b>　　IGBT的特點(diǎn)：</b></p><p>　　(1)IGBT是一種電壓控制的功率開(kāi)關(guān)器件：IGBT等效于用MOSFET做驅(qū)動(dòng)級(jí)的一種壓控功率開(kāi)關(guān)器件。</p><p>　　(2)IGBT比MOSFET的耐壓高，電流容量大：IGBT導(dǎo)通時(shí)正載流子從P＋層流人N型區(qū)并在N型區(qū)積蓄，加強(qiáng)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這就使IGBT在導(dǎo)通時(shí) 呈現(xiàn)的電阻比高壓

29、（300V以上）MOSFET低得多，因而IGBT容易實(shí)現(xiàn)高壓大電流。前級(jí)是個(gè)電流較小的MOSFET，允許導(dǎo)通電阻較大，Nˉ層可以適當(dāng) 地加厚，耐壓可以提高。</p><p>　　(3)開(kāi)通速度比MOSFET快：由于IGBT中小電流MOSFET的開(kāi)通速度很快，在開(kāi)通之初后級(jí)PNP型晶體管的基極電流上升很快，使IGBT的開(kāi)通速度不 但比雙極性晶體管快，而且開(kāi)通延遲時(shí)間td（on）比同容量的MOSFET還短。</

30、p><p>　　(4)關(guān)斷速度比MOSFET慢：雖然IGBT中前級(jí)MOSFET的關(guān)斷速度很快，但后級(jí)PNP型晶體管是少子功率的開(kāi)關(guān)器件，少數(shù)載流子要有復(fù)合、擴(kuò)散和 消失的時(shí)間，在電流迅速下降到約1/3時(shí)，下降速度明顯變慢，俗稱(chēng)“拖尾”。后級(jí)PNP型管的集一射極之間有基一射極PN結(jié)壓降和MOSFET的壓 降，故集一射極不進(jìn)入深飽和狀態(tài)，關(guān)斷速度較快。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，關(guān)斷速度也有明顯的提高。</p>&

31、lt;p>　　2.3.3 控制電路的選擇</p><p>　　方案一：TL494集成控制器</p><p>　　TL494是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開(kāi)關(guān)電源中。</p><p>　　TL494管腳配置及其功能：</p><p>　　TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)

32、整電路、兩個(gè)誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖2-6是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加0～3.3V電壓時(shí)可使截止時(shí)間從2%線(xiàn)懷變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為T(mén)L494內(nèi)部?jī)蓚€(gè)末級(jí)輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時(shí)為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳

33、時(shí)為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。</p><p>　　圖2-6TL494管腳圖</p><p>　　方案二：UC3842集成控制器</p><p>　　UC3842是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)（Unitrodc）公司開(kāi)發(fā)的新型控制器件。</p>&

34、lt;p>　　利用UC3842設(shè)計(jì)的電流制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電壓控制型脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點(diǎn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易現(xiàn)實(shí)。該穩(wěn)壓電源是目前實(shí)用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。</p><p>　　2.3.3 系統(tǒng)方案確定</p><p>　　經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：</p><

35、;p>　?。?）主電路模塊：采用正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源；</p><p>　　（2）主電路功率模塊：功率開(kāi)關(guān)晶體管的選擇采用功率開(kāi)關(guān)MOSFET；</p><p>　?。?）控制電路：脈寬調(diào)制器選擇采用UC3842電源集成控制器。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)

36、硬件的基本組成</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源是進(jìn)行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率交換的裝置。這些變換由主電路和控制回路兩部分完成。主回路將輸入的交流電傳遞給負(fù)載，它決定開(kāi)關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式、變換要求、功率大小、負(fù)載能力等；控制回路按輸入、輸出的條件檢測(cè)、控制主回路的工作狀況。如果將控制回路集成化，就稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電源集成控制器；如果將主回路和控制回路集成一起，就稱(chēng)之為開(kāi)

37、關(guān)電源模塊化。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源集成控制器中一般包含有振蕩器、誤差放大器、PWM觸發(fā)器、狀態(tài)控制器，高品質(zhì)的還有高功率開(kāi)關(guān)管、電流比較器以及各種功能保護(hù)電路等。</p><p>　　3.2 主要單元的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 主要電路部分電路設(shè)計(jì)</p><p>　?。?） EMI濾波器及橋式整流電路餓的設(shè)計(jì)<

38、;/p><p>　　交流電壓由C1、L1、C2以及C3、C4進(jìn)行低通濾波。C1、C2組成抗干擾電路，用以仰制正態(tài)噪聲；C3、C4、L1組成抗共模干擾電路，用于仰制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對(duì)電磁干擾有很強(qiáng)的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)VD1至VD4橋式整流以及電解電容C5濾波后變成310V的脈動(dòng)直流電壓。</p><p>　　圖3-1 濾波及整流電路</p><p&

39、gt;<b>　　高頻變壓器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　正激式變換器的占空比不得大于0.5，工作頻率應(yīng)低于100KHz，這對(duì)高頻變壓器的和開(kāi)關(guān)功率管來(lái)說(shuō)比較有利。</p><p>　　輸入：100V~260V，AC,50Hz。</p><p>　　輸出：5V/500mA，DC。</p><p><b>

40、　　工作頻率的確定</b></p><p>　　工作頻率的確定，輸出電壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場(chǎng)效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大?，F(xiàn)選用100kHz，電源效率取80%。</p><p><b>　　工作周期為：</b></p><p>　　最大導(dǎo)通時(shí)間Ton（max）的確定</p><

41、;p>　　正激式變壓器的占空比D（max）應(yīng)該低于0.5 ，現(xiàn)選用D（max）=0.45 ，D（min）=0.2，得：</p><p>　　變壓器次級(jí)輸出電壓（Vs）的計(jì)算</p><p>　　這公式中Vo為肖特基二極管的正向壓降，取值0.7V，VL為濾波電感器的壓降，取值為0.3V。</p><p>　　變壓器匝數(shù)比（n）的計(jì)算</p><

42、;p>　　變壓器初級(jí)的最低直流電壓為，一般設(shè)。</p><p><b>　　輸入功率的計(jì)算</b></p><p>　　表1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系</p><p>　　根據(jù)輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系（見(jiàn)表1），選用EE16，其有效截面積。</p><p>　　變壓器次級(jí)匝數(shù)的計(jì)算</p><

43、;p>　　Bm為磁通密度，實(shí)際應(yīng)用磁芯的最高溫度為100℃，可以選用0.3T以下。對(duì)于正激式變壓器，它是單向勵(lì)磁?？紤]到剩磁問(wèn)題和工作頻率，現(xiàn)選用為0.2T。</p><p><b>　　反饋繞組的計(jì)算</b></p><p>　　的最低啟動(dòng)電壓為16V，正常工作電壓為20V，加上整流二極管的管壓降0.7V，所以反饋繞組的供電電壓為20.7V。</p>

44、;<p>　　重新確定是否達(dá)到要求</p><p>　　占空比： </p><p>　　占空比符合要求，未超過(guò)設(shè)計(jì)范圍，匝數(shù)成立，假設(shè)可行。</p><p><b>　　扼流圈電感的計(jì)算</b></p><p>　　扼流圈在電路中起著平滑濾波的作用，它的大小對(duì)輸出波紋電壓的大小似乎起不到很大

45、的作用，但它對(duì)于維持負(fù)載最小電流卻起著很大的作用。中的電流在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下工作，不論哪種模式，只要輸入輸出電壓不變，電流波形的斜率不會(huì)因負(fù)載電流的增大或減小的改變。</p><p>　　實(shí)踐表明，在不連續(xù)工作狀態(tài)下，為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，占空比調(diào)節(jié)量的大小是由負(fù)載和輸入電壓變化量的大小同決定的。</p><p>　　當(dāng)輸出電流因負(fù)載變化而降低時(shí)，占空比較小，調(diào)節(jié)輸出電壓不變；如果電路負(fù)

46、載恒定，占空比下降，這時(shí)輸出電壓也會(huì)下降。這種現(xiàn)象是非常不好的，這是因?yàn)橹鬏敵龆罅魅﹄姼胁皇翘幱谶B續(xù)狀態(tài)。</p><p>　　增大扼流圈的電感，輸出回路雖然可以在工作連續(xù)模式下，但對(duì)電源的效率、體積以及安裝都會(huì)帶來(lái)限制，同時(shí)輸出電流變化率將出現(xiàn)較大的變化。認(rèn)真計(jì)算和調(diào)試選用扼流圈非常重要。</p><p>　　流經(jīng)扼流圈的電流一般是輸出電流的20%</p><p>

47、;<b>　　扼流圈的電感量L為</b></p><p>　　要求輸出紋波電壓應(yīng)小于10mV</p><p>　　計(jì)算變壓器初級(jí)電感量</p><p>　　初級(jí)有效電流： </p><p><b>　　初級(jí)最大電流： </b></p><p><b>　　初級(jí)

48、電感量： </b></p><p><b>　　求磁芯氣隙δ</b></p><p><b>　　正激式變換電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　所謂正激式是指變壓器的初級(jí)與次級(jí)同相位。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)是銅損低，因?yàn)槭褂脽o(wú)氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低；缺點(diǎn)是電路較為復(fù)雜，所

49、用元器件多，如果有假負(fù)載存在，效率將降低。它適用于低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源，多用于150W以下的小功率場(chǎng)合。它還具有多臺(tái)電源并聯(lián)使用而互不受影響的特點(diǎn)，而且可以自動(dòng)均衡，而反激式卻不能做到這點(diǎn)。</p><p>　　C13、VD7、R12是開(kāi)關(guān)晶體管鉗位消噪電路；VD8是肖特基整流二極管，它的作用非常重要，差不多40%的功耗損失在整流二極管上；RF是自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)工，它的功能是自動(dòng)恢復(fù)電阻，在電路中起著過(guò)流、短路保護(hù)

50、作用。</p><p>　　圖3-2正激式變換電路原理圖</p><p>　　3.2.2 控制回路單元的設(shè)計(jì)</p><p>　?。?） 控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)是以UC3842為核心設(shè)計(jì)控制部件，根據(jù)其特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)AC為220V輸入、DC為12V輸出的單端正激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

51、。UC3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特點(diǎn)：</p><p>　?、伲汗潭l率，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比去控制輸出電壓。</p><p>　?、冢汗ぷ黝l率可高到500KHZ而不發(fā)生磁飽和，電壓調(diào)整率可達(dá)到0.01%，啟動(dòng)電流小于1MA。</p><p>　?、郏航Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，調(diào)試容易，性?xún)r(jià)比高。</p><p>　?、埽壕哂星穳?/p>

52、、過(guò)流、過(guò)壓等多種保護(hù)功能。</p><p>　　是由UC3842構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源電路，220V 市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt1 限流，再經(jīng)VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓后加到UC3842 的供電端（⑦腳），為UC3842 提供啟動(dòng)電壓，電路啟動(dòng)后變壓器的副繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸

53、入端②腳，為UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性。⑥腳輸出的方波信號(hào)經(jīng)R7、R8 分壓后驅(qū)動(dòng)MOSFEF 功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到副邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻R10 用于電流檢測(cè)，經(jīng)R9、C9 濾濾后送入U(xiǎn)C3842 的③腳

54、形成電流反饋環(huán). 所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842 的③腳電壓高于1V 時(shí)振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過(guò)流而損壞。 </p><p>　　圖3-3 UC3842構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電源</p><p>　　(2) 反饋電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　關(guān)電耦合反饋控制是這樣的：IC2是關(guān)電耦合器，型號(hào)是NEC2501。IC3是精密

55、穩(wěn)壓源，型號(hào)是TL431。由IC3、R11、R12組成外部誤差放大器。誤差放大器的頻率響應(yīng)由C12、R10、R11決定。當(dāng)輸出負(fù)載變小時(shí)，R9用于提高輸出電壓的穩(wěn)定性。</p><p>　　當(dāng)12V輸出電壓由于負(fù)載減輕而升高時(shí)，經(jīng)電阻R11、R12分壓后所得到的取樣電壓與精密穩(wěn)壓源的2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值必然增大，使IC3的陰極K的電位降低，發(fā)射二極管的工作電流IF上升，發(fā)光強(qiáng)度增大，通過(guò)光電耦合使光電

56、接收三極管的電流IC升高。這樣使得開(kāi)光電源控制集成電路IC1的①腳的補(bǔ)充輸入電流增大，促使片內(nèi)對(duì)PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使占空比減小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　圖3-4 反饋電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4 主要元件介紹</b></p><p><b>　　4.1 光電耦合器</b><

57、;/p><p>　　光電耦合器（Optical Coupler,OC）也叫光電隔離器（Optical Isolation,OI）,簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。它是一種以紅外光進(jìn)行信號(hào)傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實(shí)際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流控制，發(fā)出不同強(qiáng)度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光——電反應(yīng)也是隨著光的強(qiáng)弱改變而變化的。這就實(shí)現(xiàn)了“電——光——電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔

58、離信號(hào)傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向信號(hào)傳輸，輸入端和輸出端完全實(shí)現(xiàn)了隔離。不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。因?yàn)樗且环N發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高，而且體積小。可廣泛用于級(jí)間耦合、信號(hào)傳輸、電氣隔離、電路開(kāi)關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等。在開(kāi)關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋回路，通過(guò)光電耦合器來(lái)調(diào)整、控制輸出電壓。達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過(guò)光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)本次開(kāi)關(guān)電源時(shí)，對(duì)

59、光耦的選取原則是：</p><p>　　①電流傳輸比CTR的允許選取范圍是80%～250%。當(dāng)CTR為80%時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管需要較大的工作工作電流（>5.0MA）才能控制電路的占空比。這樣做的結(jié)果是增加了光電耦合器的功耗。當(dāng)CTR>250%時(shí)，若啟動(dòng)電流或輸出負(fù)載發(fā)生突變，有可能發(fā)生誤觸發(fā)，即誤關(guān)斷，影響正常工作。</p><p>　?、谝捎镁€(xiàn)性良好的光電耦合器。

60、因?yàn)楣怆婑詈掀骶哂辛己玫木€(xiàn)性時(shí)，電源控制調(diào)整十分有序，輸出穩(wěn)定可靠。</p><p>　　因此，本設(shè)計(jì)中對(duì)光電耦合器的采用為：光耦NEC2501。</p><p>　　光耦NEC2501參數(shù)如下：</p><p>　　型號(hào)：NEC2501；電流傳輸比CTR：80%～160%；反向擊穿電壓V（BR）CEO：40V；生產(chǎn)廠商：NEC；封裝形式：DIP4</p>

61、;<p><b>　　4.2肖特基二極管</b></p><p>　　肖特基二極管SBD（Schottky Bsrrier Diode）是一種N型半導(dǎo)體器件，工作在低電壓、大電流狀態(tài)下，反向恢復(fù)時(shí)間短，只有納秒，正向?qū)▔航禐?.4V，而整流電流達(dá)數(shù)百安。它是最近在開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和超快速恢復(fù)二極的方法是二者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降

62、為0.3V，超快速恢復(fù)二極管的正向壓降啊0.6V。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過(guò)100V，它適合用在低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源中。</p><p>　　因此，在本設(shè)計(jì)中肖特基二極管的采用為MBR1045。</p><p>　　肖特基二極管MBR1045參數(shù)如下：</p><p>　　型號(hào)：MBR1045；反向峰值電壓Vrm：45；平均整流電流I

63、d：10A；反向恢復(fù)時(shí)間Trr：<10ns；生產(chǎn)廠商：Motorola</p><p><b>　　4.3 基準(zhǔn)電壓</b></p><p>　　德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊

64、納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。</p><p>　　圖4-1該器件的電路符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF）。</p><p>　　圖4-1 TL431電路符號(hào)和等效電路</p><p>　　由圖4-2可以看到，VI是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只

65、有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管圖4-2的電流將從1mA到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開(kāi)啟思路，理解電路都是很有幫助的。</p><p>　　圖4-2 TL431 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p>

66、;<p>　　4.4 UC3842介紹</p><p>　　UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀

67、態(tài)；④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。如圖4-3</p><p>　　圖4-3 UC3842簡(jiǎn)化方框圖</p>&

68、lt;p>　　圖4-4 UC3842外部引腳圖</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)本次電力電子課程設(shè)計(jì)，我們懂得了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。從實(shí)驗(yàn)中我對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源電路有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，并且對(duì)UC3842進(jìn)行了一定的了解，明白了UC3

69、842作為控制核心器件，運(yùn)用脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，有利于增大主電源的輸出功率。做到了從電路原理出發(fā)，利用電力電子理論知識(shí)來(lái)分析電路的工作原理，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。學(xué)習(xí)了電力電子這門(mén)課以后，對(duì)理論性的知識(shí)了解了許多，但真正怎么來(lái)用知識(shí)尚不了解。經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，我?guī)е郧坝龅降膯?wèn)題，運(yùn)用理論知識(shí)，在實(shí)踐調(diào)試電路中一一深入理解， 感覺(jué)收獲挺多，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。不管怎

70、樣，這些都是一種鍛煉，一種知識(shí)的積累，能力的提高。完全可以把這個(gè)當(dāng)作基礎(chǔ)東西，只有掌握了這些最基礎(chǔ)的，才可以更進(jìn)一步，取得更好的成績(jī)。很少有人會(huì)一步登天吧。永不言棄才是最重要的。而且，這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱苦</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

71、t;　　1 高曾輝,于相旭.單端反激式開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性分析.重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2001.012 丁道宏.電力電子技術(shù). 航空工業(yè)出版社.1992</p><p>　　3 沙占友,龐志鋒.新型特種集成電源及應(yīng)用.北京人民郵電出版社.1998</p><p>　　4 葉慧貞.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源.北京國(guó)防工業(yè)出版社.1990</p><p>　　5 朱小龍,滕國(guó)仁.脈寬集

72、成控制器UC3842在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用.華北礦業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào). 2001.06 </p><p>　　6 何希才.新型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，20017 沙占友.新型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001</p><p>　　8 張乃國(guó)，李厚福：小功率電源變壓器，7lI昌霄電出版讓</p><p>　　9 葉慧貞：