90W反激型开关电源的仿真设计.doc

1、兰州交通大学毕业设计（论文）- I -摘 要开关电源不但能够节省资源保护环境，还为人们带来巨大的经济效益，这使得开关电源的发展成为一种必然趋势。而反激型开关电源使用到的元器件的个数少、电路简单、成本低、可靠性高，伴随着人们对小型化消费类电子产品的需求日益增高，小功率开关电源的需求也随之增高，所以反激型开关电源得到了广泛的应用。反激型开关电源主要由 4 个部分组成，即主电路、控制电路、检测及保护电路和其他电路。主电路也就是反激型电路，控制电路采用 UC3842 这种 PWM 集成控制芯片组成。在确定了反激型开关电源的整体拓扑后，联系需要达到的技术指标，通过计算可以得到主要元器件母线电容、变压器、

2、MOSFET 的相关参数。对于一些辅助型器件的参数可以在仿真软件中进行调试得到。功率因数的校正使用有源功率因数校正，可以达到 0.99 以上。在 Multisim 仿真软件中对设计出的电路拓扑进行调试和仿真验证，在整体仿真图中可以看到输出电压为 20V 左右，等待输出电压稳定之后电压波形为一条直线，其输出负载的电流为 4.2A 左右，在需要达到的技术指标中输出电压为 20V，输出电流为4.5A，结果与实际需要达到的指标有一定的误差，误差在允许的范围之内，所以 90W反激型开关电源的仿真设计完成。关键词：开关电源；反激；仿真；调试兰州交通大学毕业设计（论文）- II -AbstractSwitc

3、hing power supply will not only be able to save resources to protect the environment, but also bring huge economic benefits for people, which makes the development of the switching power supply has become an inevitable trend. The number of flyback switching power supply using fewer components to the

4、 circuit is simple, low cost, high reliability, along with the demand for miniaturization of consumer electronics products of the increasing demand for small switching power supply also will increased, so the flyback type switching power supply has been widely used. Flyback switching power supply is

5、 mainly composed of four parts, namely the main circuit, control circuit, detection and protection circuits and other circuits. The main circuit is a flyback circuit, PWM control circuit using UC3842 this integrated control chips. In determining the overall topology flyback switching power supply af

6、ter contact technical indicators need to reach, you can get the main components bus capacitor, transformer, MOSFET related parameters by calculation. For some parameters of the device can be assisted in the simulation software debug obtained. Power factor correction using active power factor correct

7、ion, can reach more than 0.99.In Multisim software to design a circuit topology for debugging and simulation, the overall figure can be seen in the simulation output voltage of about 20V, output voltage stability after waiting voltage waveform is a straight line, the output load current is 4.2A abou

8、t the need to meet the technical specifications of the output voltage is 20V, output current is 4.5A, and the actual results of the indicators needed to achieve a certain error, the error is within the allowable range, so the 90W flyback switching power supply design simulation completed.Key Words:

9、Switching power supply, Flyback, Simulation, Debugging兰州交通大学毕业设计（论文）- III -目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III1 绪论.11.1 开关电源的研究意义.11.2 开关电源的发展现状和前景.11.3 反激型开关电源的研究.12 反激型开关电源系统设计.22.1 电源系统的整体框架.22.2 反激变换电路工作拓扑及其工作原理.22.3 依据技术指标设计相应的反激型电路.32.3.1 对于母线上电容的计算.42.3.2 变压器的计算.52.3.3 反激型电路中 MOSFET 的计算 .72.3.4 二极管

10、的计算.82.3.5 反激型电源电路中用到控制芯片 UC3842 的介绍 .92.4 输入 PFC 电路的计算设计 .102.4.1 电感的计算.102.4.2 整流桥的计算.112.4.3 输入 PFC 中 MOSFET 的计算 .122.4.4 二极管的计算.133 电路仿真.153.1 仿真软件 Multisim 的介绍 .153.2 整流电路部分的仿真与说明.153.3 控制芯片输出的仿真.163.4 输出电路的仿真与分析.17结 论.19致 谢.20参考文献.21附 录.22兰州交通大学毕业设计（论文）- 4 -1 绪论1.1 开关电源的研究意义开关电源不但能够节省能源保护环境还能够

11、带来巨大的经济效益，得到社会的广泛认可而得以迅速的推广。随着现代电源技术的高速发展，高频化、小型化、集成化成为开关电源的主要发展趋势。而反激型开关电源由于电路简单、体积小、可靠性高等优点，正好符合这一发展的趋势，所以被常用来设计小功率的开关电源。1.2 开关电源的发展现状和前景目前开关电源广泛使用在通信设备、家用电器和工业电子设备中。有源功率因数的开发，去除了电网谐波的影响，可以是开关电源的效率提高到 0.95 到 0.99。而微处理器监控和开关电源内部通信技术的应用使电源系统的可靠性不断的提升。由于技术的不断革新，开关电源电路也得到了大幅度的简化。现在开关电源的发展方向主要是小型、轻薄，许多

12、国家都致力于开发新型高频化元器件，特别是改善二次整流的损耗，变压器的小型化，同时采用先进的表面安装技术在印制电路板的两面都布置元件来使开关电源变得小、轻、薄。当然开关电源还有一个很大的缺点就是噪音比较大，如果单纯的追求开关电源的高频化，那么噪声也会随之增大，这也是未来开关电源面临的一个问题。1.3 反激型开关电源的研究开关电源的效率要比线性电源的效率高出很多，其中一个很重要的因素是开关电源中很少使用消耗电能的电阻元件，取而代之的是多使用电容、电感等耗能较少的元器件。反激型开关电源的工作原理是，当变压器的一次侧线圈正好被直流电压激励时，变压器的二次侧线圈不向负载提供功率输出，只有当变压器的一次侧

13、线圈的激励被关段后二次侧线圈才向负载提供功率输出。采用反激型电路的原因是，电路使用的元器件个数少，总的电源器件成本会相对于其他电路低。当输出功率在 75W 到 100W 之间时，电压和电流应力增加，使用反激型电路的元器件个数也会增加，成本随之提高，所以说反激型开关电源适合小功率的电子设备电源。2 反激型开关电源系统设计2.1 电源系统的整体框架在学习了一些开关电源的知识后，可以先设计出反激型开关电源的系统级框架如图2.1 所示，其中包括输入滤波电路、反激变换电路、整流电路、控制电路、反馈电路和输出滤波电路。兰州交通大学毕业设计（论文）- 5 -输入滤波电路反激变换电路整流电路输出滤波电路输出控

14、制回路 反馈回路控制电路部分主功率电路部分图 2.1 电源系统框架图2.2 反激变换电路工作拓扑及其工作原理反激型电路的拓扑图如图 2.2 所示。V Dui+N1W1SN2W2+-+-图 2.2 反激型电路拓扑反激型电路的工作原理是：S 导通时，VD 处于关断状态， N1 绕组的电流呈现线性增长，电感再次是储存能量。S 关断时，N 1 绕组的激励被关断，变压器中的储存能量通过 N2绕组和 VD 向输出端释放。在控制开关 S 导通的 Ton 期间，输入电压 向变压器的一次侧线圈 N1 加电压，一次线iu圈 N1 有电流 流过，此时变压器 N1 两端产生自感电动势， N2 两端也同时产生了感应电动

15、1i势，但是由于 VD 处于关闭状态，所以没有产生回路，变压器的二次线圈处于开路状态，这时变压器一次侧相当于电感，所以流过变压器一次线圈的电流就是励磁电流。变压器一次线圈绕组产生的自感电动势可以表示为：（S 接通期间） (2.1)i11dutLe式 2.1 中， 为变压器一次线圈绕组 产生的自感电动势； 是变压器一次线圈绕1e1N1L组 的电感。1N对式 2.1 进行积分可求：兰州交通大学毕业设计（论文）- 6 -（S 接通期间） )0(1i1Lu当控制开关 S 在接通状态时突然变为关断的瞬间，流过变压器一次线圈的电流 突然1i变为 0，这说明变压器铁芯中的磁通也产生突变，这是不可能发生的。如

16、果变压器铁芯中磁通产生突变，变压器一次、二次线圈回路就会产生无限高的反电动势，反电动势自己又会产生无限大的电流，但是电流又会抵制磁通变化。所以说，变压器铁芯中磁通的变化最终还是会受到变压器一、二次线圈电流的约束。因此，在控制开关管 S 关断 这段时间ofT内，变压器铁芯中的磁通主要是由变压器二次侧线圈回路中的电流决定的，即（S 断开期间）o22dutiLe（S 接通期间）)0(2o2ii2.3 依据技术指标设计相应的反激型电路对于本次设计，首先可以根据确定出来的反激型开关电源的系统级框架画出大概的电路图，如整流部分、反激型电路部分、控制部分等等。在画出的大致电路图中相关元器件的参数是不能够确定

17、的，在本题目中给出了一定的技术指标，即输入 AC85265V，输出电压值为 20V，输出的电流值为 4.5A。根据题目提供的要求，首先需要进行的是反激型开关电源部分主要元器件的相关参数计算，其中主要的元器件有母线电容、高频变压器、MOSFET 管耐压等级以及二极管的计算。2.3.1 对于母线上电容的计算母线上电容的计算原则有大致可以分为 3 个:(1) 为了能够保证比较小的母线上的电压纹波，应该有超过需求一定量的电容量；(2) 如果在遇到输入电压跌落时，而要求输出电压保持一定的时间的话，则可能需要进一步扩大原有电容的电容量；(3) 母线上的纹波电流应能被选用的电容所承受 1。在本次的设计中，可

18、以根据二级管中的电流值计算出流过母线上电解电容的电流，进而可以计算出电容电压的纹波。(2.2)tniCuDd10选用母线电容为 47 F 时，按式 2.2 可以计算出电压纹波的幅度大致为 1.3V。如果考虑到有输入电压跌落，但是输出的电压保持时间为 20ms 这类要求，这时需要母线上电压从 400V 跌到 300V 的时间控制在 20ms 以上。在这段时间内，母线上的电容需要向负载侧提供一段时间的能量，假设输出的功率大约为 90W，在考虑到后面电路上的损耗，母线电容应该提供的功率为 95W 左右，则 20ms 这段时间内提供的能量为95W 0.02s=1.9J，而如果要能够提供 1.9J 的能量，需要的电容量为： )(212UCE兰州交通大学毕业设计（论文）- 7 -)F(54V30J9.122UEC这样考虑到富裕度，可以选用电容量为 68 的电解电容。