基于小型开关电源的设计毕业论文.doc

1、摘要随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达 85% 以上，稳压范围宽，同时还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。本次开关电源的设计采用单端反激式拓扑结构，采用 UC3842 作为开关电源的主控芯片，逐一对开关电源的研究现状、发展前景以及本次设计的原理和电路结构进行介绍，其中高频变压器的设计和控制电路的设计是论文的主要内容，而

2、开关电源的基本原理、特点、发展前景等内容简要介绍。由于开关电源的可靠性和安全性是设计的基本原则，文章涉及了电路保护模块的设计和分析。关键词：开关电源；uc3842；高频；变压；单端反激；AbstractAs the global emphasis on energy issues，electronics product of energy dissipation problem will become more and more prominent.How to reduce the standby power consumption, improving the efficiency of

3、power supply become a presses for solution of the problem.Although the traditional linear regulated power supply circuit has simple structure, reliable operation, but it there is a low efficiency, large volume, copper iron consumption big, the high working temperature and the adjusting range is smal

4、l. In order to improve the efficiency, people developed a switch regulated power supply, its efficiency can reach more than 85%, wide voltage range, at the same time also has regulated characteristics such as high precision, do not use the power transformer, stabilized voltage supply is a kind of id

5、eal. This design of switch power supply with single-ended flyback topology, using UC3842 as main control chip of switch power supply, one by one, research status and development prospects of the switch power and the design principle and circuit structure are introduced, including the design of high-

6、frequency transformer and the design of control circuit is the main content of paper, and the basic principle of switch power supply, characteristics and development prospect are briefly introduced. Due to the switching power supply reliability and security of the basic principles of design, the art

7、icle involves the design and analysis of the circuit protection module.Key words: switching power supply; Uc3842. High frequency; Transformer; Single-ended flyback;第一章 开关电源概述 .11.1 开关电源简介 .11.2 开关电源的原理和组成特点 .11.2.1 开关电源的原理 .11.2.2 开关电源组成特点 .21.3 开关电源应用及发展前景 .31.3.1 开关电源应用 .31.3.2 开关电源发展前景 .5第二章 开关电源

8、设计方案 .72.1 变换器设计方案论证 .72.1.1 单端反激式开关电源变换器 .72.1.2 单端正激式开关电源变换器电路： .82.1.3 自激式开关电源变换器电路 .82.1.4 推挽式开关变换器 .92.1.5 半桥式开关电源变换器 .102.2 方案的设计选择 .112.2.1 电源设计指标 .112.2.2 电源设计方案选择 .11第三章 开关电源系统设计 .123.1 开关电源主电路设计 .123.1.1 输入滤波电路的设计 .123.1.2 输入整流滤波电路的设计 .133.1.3 高频变压器的设计 .143.1.4 输出整流滤波电路设计 .173.2 控制电路分析设计 .

9、183.3 反馈电路及保护电路的设计 .203.3.1 反馈电路的设计 .203.3.2 保护电路的设计 .23第四章 单端反激式开关电源电路总结与研究 .294.1 总体电路图分析 .294.2 单端反激式开关电源的研究 .31附录 .34致谢 .37河南理工大学毕业设计（论文）说明书0第一章 开关电源概述1.1 开关电源简介开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广

10、泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不

11、断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外，开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.2 开关电源的原理和组成特点1.2.1 开关电源的原理（1） 一般的开关电源电路包括整流滤波电路、高频变换电路、控制电路（pwm/pfm） 、保护电路等模块。如图 1-1 所示：河南理工大学毕业设计（论文）说明书1整流滤波脉宽调制高频变换 调宽滤波A C输出振荡器比较器 取

12、样器基准电压控制芯片U C 3 8 4 2图 1-1 开关电源基本原理工作框图交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。1.2.2 开关电源组成特点开关电源大致可由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成，四种电路介绍如下：1、主电路冲击电流限幅：限

13、制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，河南理工大学毕业设计（论文）说明书2使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。3、检测电路提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。4、辅助电源实现电源的软件（远程）启动，为保护

14、电路和控制电路（PWM 等芯片）工作供电。1.3 开关电源应用及发展前景1.3.1 开关电源应用随着电力电子技术的发展，特别是大功率 MOS 管技术的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到 150200 kHz，这使得功率损耗更小，电源的效率可达 90%95%。用高频变压器取代工频变压器可大大减小体积，降低重量； 同时输出电压纹波降低到0.05%以内，稳定度可达 0.5%1%，抗干扰能力强而且智能化程度高，因为这些优良的特性，高功率开关电源主要应用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用领域中，电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上，体积和重量只有线性

15、电源的几十分之一。而小功率开关电源主要应用于家电、IT 等领域，如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。下面简要介绍几种相关电源：1.通信电源通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流- 直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为 48V 的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代，它通过 MOSFET 或 IGBT 的高频工作，开关频率一般控制在 50 100kH

16、z 范围内，实现了高效率和小型化。近几年，一次电源的功率容量不断扩大，单机容量已从 48V/12.5A 扩大到 48V/200A、 48V/400A。通信设备计算速度的不断提高，使得时钟频率不断提高，所用集成电路的种类繁多，其电源电压要求也各不相同，通常超过 10 种，在通信供电系统中采用高功率密度的高频 DC- DC 隔离电源模块，从中间母线电压(一般为 48V 直流)变换成所需的各种直河南理工大学毕业设计（论文）说明书3流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。2.

17、高频逆变式整流焊机电源高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于 IGBT 大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。逆变焊机电源大都采用交流- 直流- 交流- 直流(AC- DCAC-DC)变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流，IGBT 组成的 PWM 高频变换部分将直流电逆变成 20kHz 的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器作为

18、脉冲宽度调制( PWM) 的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率 IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流 300A，负载持续率 60%，全载电压 6075V，电流调节范围 5300A，重量 29kg。3.大功率开关型高压直流开关电源大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用 X 光机和 CT 机等大型设备。电压高达 50l59kV ，电流达到 0.5A 以上，功率可达 100kW。自从上个世纪 70 年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为 3kHz

19、左右的中频，然后升压。进入 80 年代，高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到 20kHz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到 55kV，电流达到 15mA，工作频率为 25.6kHz。4.电力操作电源在上个世纪 90 年代之前，电力操作电源几乎全部选用相控电源，即采用可控硅整流充电设

20、备，由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意，监控系统也不够河南理工大学毕业设计（论文）说明书4完善，尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控，对直流系统的性能和可靠性要求更高，因此 90 年代之后更新换代为开关电源。变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的，它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。它的性能优劣直接关系到变电所的正常安全供电，进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后，输出电压精度高，其输出纹波系数从 2%提高到 0.1%，电源稳压、稳流精度从 2%减小到 0.5%，能够保证对蓄电池的平稳充放电，延长了电池使用寿命。由于采用模块化结构和 N

21、+1 备份方式，可根据实际负载容量的大小，选择合适的整流模块数量。当 1 台电源故障时，只需将该模块退出检修，而其它模块仍可继续运行，在保证系统充电容量的前提下，为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统，其备件需要 1 个同样大小的硅整流模块，而改用高频开关后，只需备 12 个高频开关单元就可以了，减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于 0.9，而常规整流功率因数仅为 0.7 左右，对同样的负载，采用高频开关模块可节省输入功率 30%。1.3.2 开关电源发展前景开关电源的发展方向是频率更高、体积更小、电压更低、电流密度更大、效率更高。随着电力电子器件开关

22、频率的不断提高，使得开关电源的频率进一步提高，小功率 DCDC 变换器的开关频率已将现在的 200500kHz 提高到 1MHz 以上。频率的提高使体积进一步缩小，开关电源在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展，目前薄型封装尺寸已可达到 7.5mm、8.5mm 和 10 mm。半导体工艺等级在未来十年将从0.18 微米向 50 纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将为 0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。1991 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为 25W，现在输出功率每立方英寸可达数百瓦。日本 TDK 公司的分布式隔离型 DCDC 转换器，输出电压12V、输出电流 27A、效率为 95%，功率密度已达每立方英寸 236W。而各种软开关技术的应用及用 MOSFET 代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，即将达到 92% (5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。总体来讲可概括为五个方面：1、高频化技术随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率 DC/DC 变换器的开关频率将上升到 MHz。但随着开关频率