反激电路设计DCDC-6.5V4A要点.pdf
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1、开关电源设计报告 一、 系统原理与理论分析计算 本文以 UC3842为核心控制部件, 设计一款 DC36V60V 输入,DC6.5V/4A 输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、 电流双闭环控 制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点,因此,增益带宽乘积得到了提 高,稳定幅度大,具有良好的频率响应特性。其电路原理图如图1 所示。 1000u C5 16V FR105 UH20 2.2n C1 5K R1 FR105 22u C2 25V IFR630 10K R4 0.1/2W R3 43K R2 22 R5 100pF C7 COMP 1 VFB 2 ISEN 3 RT
2、/CT 4 GND 5 OUT 6 VCC 7 VREF 8 UC1 T1 13:3:7 1K R14 470 R7 150 R8 10K R9 2.7K R10 2.2nF C10 100pF C12 U1 PC817 20K R6 40K R13 1000u C4 16V 1000u C3 16V 0.1u C6 470p C8 R11 1k 20K R15 2.2nF C9 1 2 3 D2 TL431 输入电压:3660VDC (调至1K左右) (调至 16K 左右) 0.01uF C11 图 1 电路原理图 1、简要介绍其工作原理: 本电路有三部分组成: 主电路,控制电路和保护电路。
3、 其中主电路采用的是 单端反激式电路, 它是升降压变换器的推演并加隔离变压器而得。此电路的优点 是:电路简单, 能高效提供直流输出, 且它是所有电路拓扑中输入电压范围最宽 的。这对于输入环境恶劣发热负载时比较好的。它的缺点是:输出纹波较大,但 这可以通过在输出端增加一级LC 滤波器来减小纹波。 这种电路通常适合应用在 输出功率在 250W 以下,电压和负载的调整率在5%8%左右的电路中。反激式 电路也有电流连续和电流断续两种工作模式,但值得注意的是反激式电路工作于 电流连续模式下会显著降低磁芯的利用率,所以本文设计电路工作在电流断续模 式下。 控制电路是开关电源的核心部分,控制的好坏直接影响电
4、路的整体性能, 在这个电路中采用的是以UC3842为核心的峰值电流型双闭环控制模式。即在输 出电压闭环的控制系统中增加直接或间接的电流反馈控制。电流模式控制可以使 系统的稳定性增强, 稳定域扩大, 改善系统的动态性能, 消除了输出电压中由输 入电压引入的低频纹波。 保护电路是开关电源中必不可少的补充,在这个电路中引入了输入过流保 护、输出过流保护、输出过压保护、过热保护等。其中输入过流保护是通过在原 边引入取样电阻 R14 ,接到UC3842 的3脚,当R14 上的电压超过 1V,会关断 PWM的输 出从而起到保护作用, 输出过压保护是通过输出电压分压后送到误差放大器的反 相端,和电压基准比较
5、从而来控制R9 的电压,来控制 UC3842 的输出占空比, 达到 输出电压稳压的作用。 C6 用来滤除芯片反馈网络调节误差比较器的输出端(1脚) 的高频迭加信号。 R5 为开关管的驱动电阻,一般在10100取值,本电路取 22 。R5 越大,开关管导通越慢 , 开关管上的损耗也越大。 R4取10k左右,主要 是防止 MOS 管栅极悬空。 C10 、R10 起对三端稳压管 TL431 内部放大器进行相位补 偿的作用。 C7 、R13 是UC3842 误差放大器的补偿网络。 当系统输入电压时,电路先由启动电阻R2(43k)提供启动电流后,由自 馈线圈、二极管 FR107、C2构成辅助电源 , ,
6、使UC3842的7脚电压达到 16V时,使 UC3842 启动并有输出 , 使MOS 开关管导通 , 能量存贮在变压器 T 1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 T 1 的二次侧 , T 1 的一次侧 电流通过电阻 R14 检测并与 UC3842 内部提供的 1V 基准电压进行比较 , 当达到 这一电平时 ,开关管关断 , 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 T 1 中的能量传输到输出电容器中。启动结束后, 反馈线圈的电压整 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
7、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。 2、电路主要参数的设计 1) 、反激变压器设计 变压器的设计计算是整个电源设计的关键,它的设计好坏直接影响电源性能。 已知要求 输入电压: Vmin=36VDC Vmax=60VDC 输出电压: Vo=6.5V 输出电流: Io=4A (1)工作频率和最大占空比确定 选定开关频率 f=100kHz,则周期10Tus。因为宽输人范围,采用电流断续 模式。在宽电压输人时当输入电压为最小时取最大占空比 max 0.42D, 复位占空 比0.45 r D,保证整个输入电压范围下()1 r DD。 (2
8、)计算变比: 变比可由下式计算得到: 1 2 i T or UDL n LUD 式中 T为变压器效率, i U 和 o U 为变压器初级电压和次级电压;一般变压器 效率 T=0.950.98 ,包含导线铜损耗、磁芯损耗以及漏感引起的籍位损耗,这 里取 T=0.95。 minminiis UUU , s U 为输人电路所有压降,这里取1V; 2oo UUU , 2 U 输出 电路中所有压降,包括整流器压降、电流取样电阻压降和线路压降等,这里取 1V。于是有: 1 2 35 0.42 0.954.36 7.5 0.45 i T or UDL n LUD (3)次级电感量 2 L 和初级电感量 1
9、L 2 2 2 or o U D L fP ,式中 o P 为变压器输出功率。代入数据得: 2 2 23 (7.50.45) 1.9 22 100107.54 or o U D LuH fP 根据变比得到初级电感量 1 L 为 22 12 4.361.936.1Ln LuH (4)初级峰值电流 1 1 35 0.42 10 4.072 36.1 ion p U T IA L 平均电流 11 1 4.0720.42 0.855 222 ponp ITID IA T2 pon I T Ipav T (5)选择磁芯材料和尺寸 选择 Magnetics 公司 P材料, 100饱和磁感应 100 0.3
10、9 sC BT ,查磁芯手册 可知 频率为 100k 时损耗(mw/cm 3 ) 与频率、磁感应关系为: 1.632.623 0.0434(/)PfBmw cm 式中:f为频率( kHz),B 为磁感应强度(kGs) ,如果 3 100/Pmw cm, 100fkHz,则解得0.109BT 应用经验公式,则 4/34/3 6 41 max2 36.1 104.0720.855 0.11 0.1090.006 L p IL I Acm BK (6)磁芯选择 根据 p A 4 0.11cm,选择 EI-28, 其 p A 4 0.60cm (7)计算匝数 次级峰值电流 2 p I为: 2 224
11、17.8 0.45 o p r I IA D 次级匝数: 2222 2 max 1.9 17.8 10102.58 2 0.109 0.6 p e L I N BA ,取 3 匝,则有: 1 4.36 313.08N,取 13匝。初级匝数取整对变比影响很小,占空比、初 级电流等不必重算。 辅助绕组的匝数根据UC3842的工作电压在1016V,通过电压与匝比的关 系,可以确定副边绕组的匝数约为7 匝。 (8)气隙长度计算 2 0pe g p uNA l L 式中 g l 气隙长度 mm ; 0 u 7 410; p N 原边匝数; p L 原边电感 mH ; e A 磁芯面积 2 mm。代入数据
12、得: 2 72 04101383.6 0.49 0.0361 pe g p uNA lmm L (9)计算导线尺寸和线圈结构 次级电流有效值 2 I 为: 22 0.45 17.86.89 33 r rmsp D IIA 选取电流密度 5A/ 2 mm, 导线面积 2 A 为 2 2 6.89 1.378 5 Amm 初级电流总有效值 1 I 为 1 0.42 4.0721.52 33 prmsp D IIA 初级导线截面积 1 A 为 3 0.2 10m 27 0.314 10 4 wireAm 2 6 6 1.52 0.304 10 5 10 prms wp c I A J m 2 6 7
13、 0.30410 9.68 0.31410 wp np A S wireA 取10 np S 62 1.37810 rms ws c I A J m 2 43.89 ws ns A S wireA 取44 ns S (10)变压器绕组的绕制结构 因为变压器绕制结构的好坏, 会直接影响电源输出的纹波的大小,因而在本 电路采用三明治绕法: 首先将一次侧绕组并绕于第一层上;然后绕二次侧, 最后 将辅助供电绕组绕于最上层。 (11)实测电感值 绕完变压器后,经测试一次侧的电感实际值为35.8uH,二次侧的电感值为 1.89uH, 漏感为 3.6uH。 2) 、开关管的选择 因为开关管的工作频率为100
14、kHz,故选择 MOSFET 作为开关管,选择管子的漏 极电压应满足: 1 (min)(max) 2 DSoi N UUU N (max) 60 i UVdc 故 1 (min)(max) 2 13 7.56092.5 3 DSoi N UUUV N (忽略漏感引起的尖峰) 取 200V 漏极电流 D I :对于反激式变换器,选择开关管的额定平均电流时,大约取最 大输入平均电流的1.5 倍是比较理想的。 1.5 0.8551.28 D IA 可以选用管子 IRF610(200 DS UV ,3.3 D IA)(实际因没买到 IFR610 的 开关管,采用了 IRF630(200 DS UV ,
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