开关电源课程设计

目录

前言 (1)

第一章开关电源技术课程设计任务书 (2)

第二章主电路原理设计 (7)

第三章开关变压器设计 (9)

第四章主要元器件的选型 (16)

第五章电路仿真及结果 (23)

总结

参考文献

附表一

附表二

前言

电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。

第一章开关电源技术课程设计任务书

一、课程设计的目的

通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文

献资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求

一、题目

题目：反激型开关电源电路设计

注意事项：

①学生也可以选择规定题目方向外的其它开关电源电路设计。

②通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内容。

设计装置（或电路）的主要技术数据

开关稳压电源基本原理框图主要技术数据

1、交流输入电压AC190V~570V

2、直流输出

①3.3V 1.5A

②5V 500mA

③15V 100mA

3、输出纹波电压≤0.2V；

设计内容：

开关电源主电路的设计和参数选择

IGBT电流、电压额定的选择

开关电源驱动电路的设计

开关变压器设计

画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

电路仿真分析和仿真结果

2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技

术知识和创造性的思维方式以及创造能力

要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。

3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的

能力

要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

4.课题设计的主要内容是

主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的完整电路图，

5.课程设计用纸和格式统一

课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一

要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于20页三、课程设计报告基本格式

目录内容：

1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）

2. 总体方案的确定

3. 具体电路设计（主电路设计、控制电路设计、变压器设计等以及

参数计算）

4. 电路仿真和结果

5. 附录（电路图，仿真结果图等）

6. 参考文献

第二章主电路原理设计

2.1设计总体思路

输入——EMI滤波——整流（也就一般的AC/DC类似全桥整流模块）——DC/DC模块（全桥式DC—AC—高频变压器—高频滤波器—DC,）——输出。系统可以划分为变压器部分、整流滤波部分和DC-DC变换部分，以及负载部分，其中整流滤波和DC-DC变换器构成开关稳压电源。整流电路是直流稳压电路电源的组成部分。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。直流/直流转换电路,是整个开关稳压电源的核心部分。开关稳压电源的基本原理框图如图2-1所示：

图2-1开关稳压电源基本原理框图

2.2设计基本原理

开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于弱点电路，但它控制这主电路的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成严重后果，是整个电源停止工作或损坏。本设计的控制电路中PWM 模块使用UC3842PWM控制器。

硬件电路图：附图二

系统工作原理:380V的交流输入电压经保险管和EMI滤波器（滤除电网上的高频电压成分同时防止开关稳压电源自身产生的高频串入电网）后整流并滤波平滑后为电路提供约500V直流工作电压,起动电路由电容C12和R18,R19构成,C12经电阻R 18,R19 充电,C12的电压达到16V时,UC3842启动并有输出,使MOS开关Q(型号2SK725耐压500V，电流15A，功率125W)导通, 量存贮在变压器T1中。此时,由于二次侧各路整流二极管反向偏置,故能量不能传到T1的二次侧,T1的一次侧电流通过电阻R22检测并UC3842内部提供的1V基准电压进行比较,当达到这一电平时,Q关断,所有变压器的绕组极性反向,输出整流二极管正向偏置,存贮在T1中的能量传输到输出电容器中。启动结束后,反馈线圈Nc的电压整流后经取样电阻分压回送到误差放大器的反向端(脚2)和UC3842 内部的2.5V基准电压作比较来调整驱动脉冲宽度,从而改变输出电压以实现对输出的控制。这样,能量周而复始地存贮释放,给输出端提供电压。C12在刚开始时必须存贮足够的能量才能维持控制系统工作。

第三章 开关变压器设计)2(

反激式变压器是反激开关电源的核心，它决定了反激变换器一系列的重要参数。变压器适用场合：交流电压变化范围190V~570V ，工作频率为100kHz ，直流输出为①3.3V ，1.5A ；②5V ，500mA ；③15V ，100mA 。 （1）计算原边绕组流过的峰值电流pk I

每一工作周期能量乘上工作频率f 为输出的功率0p

f I L p pk p ?=

2

02

1……………………………………............（3.1.1） 设为不连续工作模式，在on t 时间内电流p I 为0至pk I ，则

on

pk p

a t I L V =

因为a on T D t max = 所以a

pk p

a T D I L V max =……………………………………………（3.1.2）

式 （3.1.1）与（3.1.2）之比为

pk

p pk p s I L D I L V p 2max

2

0=

化简得：

max

2D V p I a pk =

……………………………………（3.1.3）

为求得pk I ，s V 应以最小值带入

)(246204.1190(min)V V s =-?=

式中的20V 假设为直流纹波及二极管压降之和。设反激变压器最大占空比45.0max

)(16.045

.0246)

1.0155.055.13.3(22max 0A D V p I a pk =??+?+??==

（2）求出原边绕组的电感值 由式（3.1.2）得：

pk

a

s p I T D V L max (min)=

假设电压s V 波动下限为7%，)(78.228)07.01(246(min)V V s =-?=则，

mH L p 43.61010016.045

.078.2283

=???=

（3）求min D

在(max)s V 时，有最小占空比min D 。当输入电压s V 由最大到最小变化时，占空比由最小变化到最大。其关系可表示为：

max

max max

min )1(D k D D D +-=

…………………………………（3.1.4）

式中k ——电压(max)s V ,按s V 峰值时向上波动10%计算，即：

)(3.8611.1)154.1570((max)V V s =?-?=

假设直流纹波电压及二极管管压降之和为15V ，故上式中减去15V

76.378

.2283

.861(min)

(max)==

=

s s V V K

代入式（3.1.4）

18.045

.076.3)45.01(45

.0min =+?-=

D

（4）选择磁芯尺寸

计算磁芯面积乘积AP 。AP 为w A （磁芯窗口面积）和e A （磁芯有效截面积）的乘积。在厂商资料目录中查处AP 值。设计者根据客户要求的限高等尺寸和形状来决定使用哪一种经济的磁芯及其形状和大小。

如果原边绕组的线径为w d ，带绕组的磁芯所占的AP 值为P AP ，可按下式计算：

B

d I L AP w pk p P ?=

8

2

10)33.6(…………………………………（3.1.5）

式中s B B 2

1

=

?表明工作磁感应强度变化值取饱和值s B 的一半。例如TDK H7CL 的材料，E-E 形式的磁芯，100℃时T G B s s 39.03900==，如图3-1所示。

图3-1 TDK H7CL 磁芯B-H 特性曲线

)(19502

3900

GS B ==

? 如果我们引用欧美国家常用的单位密耳，可写为（mil ）。用它时对选择导线会简单一些。所谓密耳是导线直径或薄板厚度的单位。

1 mil=0.001 英寸

直径为1密耳的金属丝面积称为圆密耳，可写为（m c ?），换算时，可考虑其关系为：

1圆密耳=610*78.0-（英寸2

）=310*5.0-（2mm ）

附表一列出美式线规AWG ##358-重薄膜绝缘的导线规格，包括直径大小标称的圆密耳和每千英尺的电阻值。

设我们选择导线时，确定电流密度值为A m c /400?，则通过0.16A 电流时需要的圆密耳为）m c ?=?(6440016.0。参阅附表一选取NO.31AWG ，其直径最大为0.0108。

所以0108.0=w d ，代入式（3.1.5）得：

039.0101950

0108.016.01043.633.682

3=?????=

-P AP 占窗口大部分面积的是副边绕组（因电流大，导线多股等原因）和绝缘材料，一般p AP 只为AP 的（1/4~1/3）以下，取

AP

AP p 25.0=

所以p AP AP 4=

156.0039.04=?==e w A A AP

又TDK 产品目录中可查出EE19/8/9的磁芯与线圈骨架乘积为：

163167

.010.4170.39=?=e w A A AP A A e w >=163167.0,选取此型号磁芯与线圈骨架合适。 磁芯具体尺寸为19.05cm ，8.05cm ，8.71cm 。 （5）计算气隙长度g l

由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和，应加气隙。气隙会

产生较大的磁阻，而且大多数变压器所存储的能量是在气隙所构成的体积G V 中，故有：

8210*)2

1(21G pk p V H B I L ???=………………………………（3.1.6） 式中 H ——气隙磁场强度 )(4.00e O B

H π

μ??=

0μ——空气导磁率=1；

G V ——气隙的体积，)(3cm l A V g e G ?= 整理上式得

)

(104.082

2

cm B

A I L l e pk

p g ??=

π （3.1.7）

则013.0101950

41.016.01043.64.08

2

23=?????=-πg l 因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0.013cm ，或在磁芯两外侧心柱各打磨出0.0065cm ，在这个基础上再进行调整。也可以选取已有气隙相近的磁芯，并直接进行调整。 (6)原边绕组匝数计算 用pk

g p I Bl N π4.0?=

或810??=

B

A I L N e pk p p

进行计算。前式算得126=p N ，后式算得128=p N 。取127=p N 。 (7)副边绕组匝数计算

按输入最小电压(min)s V ，导通占空比最大，算得副边绕组的匝数： 因为p

s S D N N

D D V V V ?-=+max max (min)

01

整理得：max

(min)max 0)1)((D V N D V V N s p

D s -+= （3.1.8）

代入数据：

因为副边存在绕阻压降和二极管导通压降，故取V V D 1=。 当输出电压为3.3V 时，91.245

.078.228127

)45.01)(13.3(1=??-+=

s N

考虑到E 型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此2.91取整数值为3。 当输出电压为5V 时，07.445

.078.228127

)45.01)(15(2=??-+=

s N

同样考虑到E 型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此4.07取整数值为5。 当输出电压为15V 时，85.1045

.078.228127

)45.01)(115(3=??-+=

s N

同样考虑到E 型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，因此10.85取整数值为11。 辅助电路输出的电压为

10—34V ，取16V ，则

53.1145

.078.228127

)45.01)(116(4=??-+=

s N

同样考虑到E 型磁芯磁路可能产生磁饱和。使变压器的调节性能变差，

因此11.53取整数值为12。

（8）副边绕组的线径

同样按照400c·m/A考虑，

通过1.5A电流需要：)

=

?圆密耳；

c?

5.1m

600

400

(

参见附表一选取AWGNO22型导线。

通过500mA电流需要：)

c?

?圆密耳；

=

400

(

200

5.0m

参见附表一选取AWGNO27型导线。

通过100mA电流需要：)

c?

?圆密耳；

=

400

1.0m

(

40

参见附表一选取AWGNO33型导线。

最后对变压器的原边副边参数见表3-2

第四章主要元器件的选型

4.1EMI滤波电路

为减小体积、降低成本,单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器,典型电路图4-1所示。图中的L、C1和C2用来滤除共模干扰,C3和C4滤除串模干扰。R为泄放电阻,可将C3上积累的电荷泄放掉,避免因电荷积累而影响滤波特性;断电后还能使电源的进线端L、N不带电,保证使用的安全性。EMI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。

图4-1 EMI滤波电路

EMI电路C2为X电容，C3、C4为Y电容，L为滤波电感

4.2 整流电路设计

在整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路，本电路常用于小功率

的单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，其整流电路就是图4-2-1所示的单相不可控整流电路

图4-2 整流电路

电容滤波的单相不可控整流电路带阻感负载时，二极管承受最大正反向电压均为22U U d =。在此后的电路中，涉及到选管子，选型号，故此处的电压取最大值，即整流后的值V U U d 834590222=?== 参数的选择：二极管两端的耐压为

4.3控制电路模块

控制电路方面选择UC3842芯片，UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，其内部组成框图如图3-4-1所示。UC3842 是一种高性能的固定频率电流型控制器, 是专为离线式直流变换电路设计的,它集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM 锁存器电路。

该芯片主要有以下性能:(1) 可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比;(2) 最高开关频率可达500kHz;f=1.8/(Rt.Ct) Rt 单位为K Ω,Ct 单位UF,f 单位为KHz 。(3) 带锁定的PWM ( Pulse Width Modulation) ,可以实现逐个脉冲的电流限制;(4) 具有内部可调整的参考电源, 可以进行欠压锁定;(5) 图腾柱输出电路能够提供大电流输出,输出电流可达1A , 可直接对MOSFET 进行驱动;(6) 带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡等。

图4-3 uc3842内部结构图

UC384芯片需要外扩电路实现其控制电路的目的。输入电压经过降压电阻2R 接入CC V 给3842提供16V 的启动电压，使3842工作。单管驱动隔离变压器TC 主绕组N 1电流，C 2、R 3可以提供变压器原边泄放通路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源CC V 由2R 从整流后电压提供。

CC V 同时也作为辅助反馈绕组N 4的反馈电压。电路振荡器频率由式

T

T t C R f 75

.1

决定。反馈比较电路信号是从辅助绕组N 4经过V 1、V 2、C 3、C 4

等整流滤波后得到的CC V 分压提取的。C 6、R 7构成信号的有源滤波。开关管电流被R 10取样后，经R 9、C 7滤波，送芯片ISENSE 端，当反馈信号值超过阈值1V 时，确认过载，关断电源输出。芯片输出部分由OUT 端驱动单MOSFET 管，C 8、V 3对开关管有电压钳位作用。 参数的选择：

启动降压电阻：因为整流输出为537V ，CC V =16V ，mA I st 1=，故

Ω=-=

k I V R st

SS

5215372 反馈回路：1S V 管承受的反压为V 2，故去二极管的型号为FR105 ,电容C3大小为100u 。

开关管VT:承受的反压为V V S 7592=，型号为IRFBE30 振荡电路：因为T

T t C R f 75

.1=

，kHZ f t 100=，故取pF C T 4700= 所以Ω==

k f C R t

T T 7.375

.1 4.4反馈电路的设计

反馈电路采用精密稳压源TL43l 和线性光耦PC817。利用TL43l 可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图2所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为2．5V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo 下降，最后Vo 趋于稳定；

反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM 比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。电路图如图4-4

图4-4 电压反馈电路

参数计算：

b

REF

I V V R -=

01 A R V I REF b μ25010105

.232=?== Ω=?-=

-3200102505

.23.36

1R

4-4

光耦器件选择PC817 稳压管选型TL341

4.5 输出电流反馈