开关电源课程设计.docx

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1、太原理工高校课程设计任务书学生姓名课程名称开关电源技术设计名称反激型开关电源电路设计设计周数2指导老师设计任务主要设计参数1、沟通输入电压单相AC380V,电压波动土50%：2、直流输出电压15V,6A；3、输出纹波电压WO.2V；4、输入电压在190570V之间波动时,输出电压误差0.02V；5、开关频率100kHzo设计内容设计要求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限制电路原理图电路仿真分析和仿真结果主要参考资料1.杨旭等，开关电源技术,机械工业出版社2019年3月2.张占松，蔡宜三。开关电源的原理及设计，

2、电子工业出版社，2019学生提交课程设计说明书一份归档文件指导老师签名:日期:前言随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。反激式开关电源以其设计简洁，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣干脆关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简洁，所须要的元器件少，能够供应多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。本论文依据输入电压经EMI滤波设计整流桥，再及直流变压器开关管构成反激电路。通过输出反馈经UC3842限制占空比，从而使输出电压稳定。反激电路中开关管

3、开通原边线圈储存能量，副边不导通。原边关断时,，线圈储存的能量通过互感向负载供应能量。输出电压反馈由T1.431和光耦构成，当输出稳定时，有一个稳定的电流：当输出电压增大时，T1.431分流增加，发光二极管亮度变更，使三级管电流变更，致使开关管限制导通占空比变更，从而使输出电压减小。另外，芯片UC3842引脚接一电流反馈，通过限制分压值实现截流爱护，防止输出过电流。设计中，直流变压器的设计是重点，须要计算其原边电感，原副边匝数，铁芯的选择，依据这些参数构造电路图，计算各电容电阻值及二极管承受的反压，选择合适的型号。论文先介绍了开关电源及反激式开关电源，然后介绍器件选型，再分部分介绍主电路、限制

4、电路和爱护电路，最终附表为选择时参数参考表和总电路图。书目,-1.58,选此型号磁芯及线圈骨架合适。3. 3.5计算气隙长度/,由于反激工作模式是单向激磁，为防止饱和，应加气隙。气隙会产生较大磁阻，而且大多数变压器所储存的能量是在气隙构成的体积匕中，故有：2=；A/?xx%)xW(3-27)式中H-A隙磁窗强度；4空气磁导率为1；Vc一气隙的体积，Vg=A,X1.(cmi)o由式(5)得:(?)(3-28)=3理卫生Xd=O.(M7n(3-29)1.27195()所以因此，应在磁芯中心柱打磨出气隙0044，或在磁芯两外侧新柱各打磨出0.022cm,在这个基础上再进行调整。也可以选取已有气隙相近

5、的磁芯，并干脆进行调整。3. 3.6原边绕组匝数计算用(3-30)或(3-31)进行计算：a1950x0044=43(匝)(3-32),1hi.61x1043(匝)(3-33)p1.27x195()取Np=43(匝)。3.3. 7计算副边绕组匝数按输入最小电压Vmw导通占空比最大，算得副边绕组匝数:因为vij+vj=v411.1.i,)-2三-X丛(3-34)整理得：N=(匕+y)N2(3-35)代入数据：5心、N,(5X1.-0.45)43-1(匝)248.7x0.45因副边存在绕组压降和二极管导通压降，故取%=W3.3.8 副边绕组的线径按400c*mA考虑,通过6.A须要：考虑集肤效应及

6、绕制便利选5股线并绕,每股为2400/5=480圆密耳，参见附表AGWM).19导线。其圆密耳为1290(c*M0只要其他器件允许，导线实际可通过的电流值为：3.3.9 检测磁芯窗口面积副边电流为(3-36)I2=6v1.D=4.0254因为(3-37)故原边电流导线电流密度为44/,故每匝导线的截面积为：（3-38）导线选型时，要留出2-3倍裕量绕组的截面积为S=SX“=0.19-0.28,经计算得gsSAj所以选择的磁芯窗口面积合适。3. 3.10检测磁芯磁通密度和饱和区间检测磁芯的最大感应强度可确保供应一个最大的工作值和饱和值之间的适度区间。在任何状况下包括瞬时负载和高温，应避开磁芯饱和

7、采纳计算磁芯饱和边界来检测。计算沟通磁通产生磁感应强度变更幅值：NAr43x127其中(3-39)-DmT-0.45I=4.5SEm*10010(3-40)(3-43)依据此感应强度及直流电流的关系计算直流成分九假设磁芯全部磁阻都集中在气隙中，明显，作为一个比较保守的结果，可以求得一个较高的直流磁感应强度。此近似值允许运用一个简洁的等式：(3-41)式中M0=410-7(yn)%-原边线圈匝数1.一有效的直流电流，起先导通时的电流幅值（八）（一气隙长度（恤）本例中B-=M-FF1=OM42）沟通和直流磁场感应强度相加之和得到磁感应强度的最大值B1.1.1.iix=fi+=0.0205+0.2

8、0.2205T已知EE40的饱和磁感应强度在I(Mrc是390/,1,ax16U时输入电压施密特比较器送出高电平到5V蕨稳压器，产生5V基准电压，此电压方面供销内部电路工作，另一方面通过8脚向外部供应参考电压。一旦施密特比较器翻转为高电平(芯片起先工作以后)，匕可以在10V-34V范国内变更而不影响电路的工作状态。当匕低于IoV时，施密特比较器又翻转为低电平，电路停止工作。当基准稳压源有5V基准电压输出时，基准电压检测逻辑比较器即达出高电平信号到输出电路。同时，振荡器将依据4脚外接七、g参数产生的振荡信号，此信号路干脆加到图腾柱电路的输入端，另一路加到PWM脉宽市制RS触发器的置位端，RS型

9、PWM脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为占空调整限制端，当R电压上升时，Q端脉冲加宽，同时6脚送出脉宽也加宽（占空比增多）：当R端电压下降时，Q端脉冲变窄，同时6脚送出脉宽也变变窄（占空比减小）。2脚一般接输出电压取样信号，也称反馈信号。当2脚电压上升时，1脚电压将卜.降，R端电压亦随之下降，于是6脚脉冲变窄：反之，6脚脉冲变宽。3脚为电流传感端，通常在功率管的源极或放射极串入一小阻值取样电阻，将流过开关管的电流转为电压，并将此电压引入引脚。当负载短路或其它缘由引起功率管电流增加，并使取样电阻上的电压超过IVIbt6脚就停止脉冲输出，这样就可以有效的爱护功率管不受损坏。3.4.2

10、T1.431介绍T1.431为可调式精密并联稳压器，如图3.5所示,依靠电阻R”段分压获得基准电压，通过调整两个电阻的数值可以达到输出稳定电压，G为T1.431的补偿电容，可以提高其瞬态频率响应。PS2501为线性光耦合器，能够将放射极电流通过RI转化为电压送至UC3842电压反馈端，用来调整占空比。当输出电压15V有波动时，通过取样电阻R,、用分压后，得到取样电压及T1.431中的带隙基准电压2.5V进行比较。当输出电压经过取样后大于2.5V时，使T1.431阴极电位下降，进而流过光电二极管的工作电流上升，光敏三极管电流增加，进而使得UC3842电压反馈值增加，使开关管占空比减小，最终使输出

11、电压15V稳定。图3.5T1.431工作原理图3.4.3 3脉宽调制器开关电源的限制方式主要包括脉宽调制，脉冲频率调制。脉冲频率调制是将脉冲宽度固定，通过调整工作频率来调整输出电压。沟通输入电压经过整流滤波后变为脉动的直流电压，供应功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极由脉宽调制器的脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源，误差放大器，PWM比较器和锯齿波发生器组成，如图3.6为三角波输出波形。图3.6三角波输出波形开关电源的输出电压和基准电压进行比较，放大，然后将其差值送到脉冲调制器。脉冲调制的频率是不变的，当输出电压下降时，及基准电压比较的差值增加，经放大后输入到PWM比较器，加宽了

12、脉冲宽度。宽脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压上升，然后耦合到次级，经过二极管整流和电容滤波后，输出电压上升，反之亦然。3. 5爱护电路的设计过电流爱护如图3.7所示图3.7过流爱护电路过流爱护电路由RIO、R9以及C9组成。R9上的电压反映了电流瞬时值，当开关电源发生过电流时，开关管S1.漏极的电流会增大，UIW会增大，力9接入UC3842的爱护输入端3脚，当Ua=W时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调整RIo和R9的分压比可以变更开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式爱护。输出脉冲关断，实现对电流平均值爱护，属于截流式爱护。3.6输出侧浊波

13、电路设计变压器输出侧滤波电路如图3.8所示。图3.8变压落输出侧滤波电路为保证滤除谐波的充分性，采纳C1.C型滤波，也称万型滤波,该电路纹波系数更小。3.6.1计算输出滤波电容由课设的要求输出纹波电压0.2V,若C1.C滤波为负载电流的20%。输出纹波电流为(3-44)(3-45)0.2111=0.26=1.2一级电容为1.乙刖Kr7.2x0.011_rC4=一=396ur4V0)因为采纳的是双滤被环节，讦算二次滤波电容(3-46)C=kmaxq=72().011=&卢02即选择一个和C1.一样的电容。依据查询得知选择电解电容，选择KEMET公司生产的电容型号T510X337M010AS330

14、3. 6.2计算输出滤波电感1.1.参考导磁率及直流偏置曲线。在可能的直流偏置下所选的磁导率不能过低。这里选择磁场强度为400T时,60的磁芯：N=*-=400x15=47(匝)0.4o0.4x3.14x1人3.6.3选择二极管V输出整流二极管耐压为V2Vaw=30V相对磁导率大于(3-47)n6A(3-48)(3-49)故选取MBR20190CT型二极管。第四章电路仿真及结果3.1. EMI滤波电路EM1.仿真电路图,如图4.1：图4.1EMI滤波仿真电路输入沟通电压及输出电压波形，如图4-2（八）,图4-2(b)图4.2（八）输入电压波形图4.2(b)输出电压波形假如输入有高频电压干扰，通

15、过EMI滤波电路其将会被灌掉，结果输出波形仍是50Hz的沟通正弦电压波。4. 2整流电路整流仿真电路图，如图4.3图4.3整流电路沟通整流后输出波形：图4.4整流后输出电压波形输入幅值380的沟通电，整流输出约为380V,输出波形符合计算值结果。4.3反激型电路仿真电路如图4.5图4.5反激型电路图4.5输出直流波形在ORCAD仿真中的总限制电路原理图见图4.6图4.6限制电路原理图输出端电压波形如图4.7所示：图4.76引脚推挽输出波形4.4反馈电路反馈电路实行采样电压和固定频率的单极性三角波比较的方式，当三角波高于输出采样电压时TAB1.E元件输出高电压，当三角波低于输出采样电压时TAB1

16、E元件输出低电压。当输出采样电压上升时，TAB1.E元件输出的电压占空比减小，此电压加在Sbreak上，限制其开断，使输出电压降低，从而达到稳定输出电压的作用。图4.8反馈电路图4.9带有反馈的输出电压波形图4.10三角波的输出电压波形4.5总电路总电路如图4.12图4.11总电路图心得体会本次课设内容为设计一个反激式开关电源，并用ORCAD仿真出结果波形，最先进行电路的设计，发觉对电子器件及应用了解的很少，对器件型号了解不透彻，对电路图功能理解不好。设计主电路最难的部分是直流变压器，须要计算的参数许多，而且型号，特性曲线不易找到。搭好电路后进行初步仿真，由于是不行控桥整流输出电压值偏大，所

17、以对限制电路进行设计，主要用到UC3842,T1.431和光耦组成电压反馈，所以对这两个器件进行深化了解，建立好限制电路，并设置电压反馈，加过流爱护，由于过压欠压爱护须要继电器，没有进行电路构造。最难的部分是电路仿真，对软件的不熟识致使搭建，运行起先都出现错误，最终的不到仿真结果，换用其他芯片仍无法得到。通过这次课设对开关电源有了深一步的了解，明白设计一件物品的不易，同时也看到开关电源强大的功能。，知道了仿真的重要性。.致谢感谢许老师的细心指导，引领我的思路到正确的方向，感谢同学的耐性帮助，解决实际问题。参考文献1杨旭等，开关电源技术，机械工业出版社，2019年3月2张占松，蔡宣三，开关电源的原理及设计，电子工业出版社，20社年3李希茜.高频变压器的设计J.现代电子技术，2019,9：7-8魏雄,陆玲OrCAD和PADS1.ayout电路设计及实践，西安电子科技高校出版社，2019年3月5吴国平，基于KA51.0380的三相四线反激式开关电源探讨，中国农业高校2019年