1、 电力电子技术课程设计报告题 目： 单端反激式开关电源的设计 学 院： 信息与控制工程学院 1、课程设计目的（1）熟悉 Power MosFET 的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在电力电子电路中的使用；（3）增强设计、制作和调试电力电子电路的能力；2、课程设计的要求与内容本课程设计要求根据所提供的元器件设计并制作一个小功率的反激式开关电源。我设计的是一个输入 190V，输出 9V/1.1A 的反激式开关电源，要求画出必要的设计电路图，进行必要的电路参数计算,完成电路的焊接任务。有条件的可以用 protel99 SE 进行 PCB 电路板的印制。3、设计原理1、开关型稳压电源的电路结构（
2、1）按驱动方式分，有自激式和他激式。（2）按 DC/DC 变换器的工作方式分：单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。（4）按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM)式；脉冲频率调制(PFM)式；PWM 与 PFM 混合式。DC/DC 变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。DC/DC 变换器有 5 种基本类型：单端
3、正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图1 所示。图 1 电路结构图电路工作过程如下：当 M1 导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管 VD 处于反偏压状态，所以二极管 VD 截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当 M1 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使 VD 导通，给输出电容 C 充电，同时负载 R 上也有电流I 流过。M1 导通与截止的等效拓扑如图 2 所示。 图 2 M1 导通与截止的等效拓扑 2、反激变换器工作原理基本反激变换器如图 3 所示。假设变压器和其他元器件均为
4、理想元器件，稳态工作如下：（1） 当有源开关 Q 导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，如图3（a）所示，无源开关 VD1 因反偏而截止，输出由电容 C 向负载提供能量，而原边则从电源吸收能量，储存于磁路中。（2） 当有源开关 Q 截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，故 VD1 正偏而导通，如图 3（b）所示，此时磁路中存储的能量转到副边，并经二极管 VD1 向负载供电，同时补充滤波电容 C 在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关 Q 导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率
5、纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。（a）（b）图 3 反激变换器工作状态反激变换器的工作过程大致可以看做是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次 Q导通之前，副边已将磁路的储能放光，即副边电流变为零，则称变换器运行于断续电流模式（DCM） ，反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q 又导通，则称变换器运行于连续电流模式（CCM） 。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM）下。当变换器工作于 CCM 下时，输出与输入电压、电流之间的关系如下：gMU0， 0I，其中 ， 。)1(DNMSP当变换器工作于
6、 DCM 下时，上述关系式仍然成立，只不过此时的增益 M 变为：，KDUMg0 22)1(DNRfLsm可以看出，改变开关器件 Q 的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。3、反激变换器的吸收电路由于在实际中反激变换器存在各种寄生参数，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关 Q 截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁回路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁回路称为吸收电路，目的是将开关 Q 的电压钳位到合理的数值。在220VAC 输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路
7、主要有 RCD 吸收电路。其结构如图 4 所示。图 4 吸收电路4、反激式变换器变压器的设计在本次实习中提供的变压器的铁芯是 EE28 铁氧体铁芯，其在 25 摄氏度的磁导率为 ，铁芯的初始磁导率为 。TB5.02max_023u变压器选择的相关参数包括：原副边匝数比、原边匝数、副边匝数和气隙，本次试验中用到的变压器的绕组的漆包线已经给定，无需选择。（1）原副边匝数比及其匝数的确定：根据实习任务的要求;需要的直流输出电压为 7V，由器件本身的参数可以知道其耐压。 ，如果考虑到漏感引起的 的)1(0UNeUspgpgQ gU3.0电压尖峰，开关管两端承受的关断电压为：，一般来说开关管的耐压需要在
8、这个基础之上留下至少)1(3.10NUspgQ30%的裕量。假设开关管的耐压极限为 ，)1(3.1(*3.10, UNUspgQ。)1(3.02,gQsp为了保证电路工作于 DCM 模式，磁路储能和放电总时间应该控制在 0.8T 以内，所以, )1()1(8.0*maxUNDspgs（2）原副边匝数的计算：根据器件的资料，可以查的磁芯的有效磁导面积 ，原边的匝数应该保eA证在最大占空比是磁路仍不饱和，电压冲量等于磁链的变化量，固，通常原边的匝数取到这个计算之的两倍。副边匝数根据变比可egpABTDUNmax以求出。（3）气隙长度的计算假设变压器的输出功率为 ，效率为 ，有以下关系成立：0P，所
9、以可以得到 ，其中有以下关系；TPILsp0212spITL，则原边的峰值电流为： ，带入上式可DIUIspgag/10 DUPIgsp02以得到初级电感。 )(1,/ 002 grFeeoeFmFempP lAllRRNL 其中， 为电感系数， 为磁阻。lAp气隙的长度为 rFeprFeLg lNAll 2005、控制系统的设计（1）振荡器：振荡器的频率有定时元件 ， 决定， ，我的TRCTCRf8.1频率选为 90KHZ。（2）电压误差放大器：在本次实习中在输入与输出的隔离开关电源中，为了减小误差，通常采用外置电压环，即将 U3845 的内部误差放大器旁路掉。（3）电流比较器:电流比较器的
10、门槛值 有误差放大器的输出给定，当eroV电压误差放大器显示输出电压太低时，电流的门槛值就增大，使输出到负载的能量增加，反之也一样。整个控制部分的原理图如下所示；图 5 控制部分原理图几个重要器件的介绍:（1）UC3845UC3845芯片为 SO8或 SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v（通） ，7.6V（断） ；电流模式工作达500千赫输出开关频率；在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%70%可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制，用于逐周期限流；内部微调的参考源；带欠压锁定；大电流图腾柱输出；输入欠压锁定，带滞后；启动及工作电流低。芯片管脚图及管脚
11、功能如图6所示。图6 UC3845芯片管脚图1脚：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 2脚：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（2.5 V）进行比较，调整脉宽。3脚：电流取样输入端。4脚：R T/CT 振荡器的外接电容 C 和电阻 R 的公共端。通过一个电阻接Vref 通过一个电阻接地。5脚：接地。6脚：图腾柱式 PWM 输出，驱动能力为土1A.7脚：正电源脚。8脚：V ref，5V 基准电压，输出电流可达50mA.（2）TL431TL431 是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。 外部有三极分别为：阴
12、极（CATHODE） 、阳极（ANODE） 、参考端（REF） 。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可 以用来制作多种稳压器件。其具体功能可用图 7 的功能模块示意。由图可看出，VI 是一个内部的 2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。由运 放特性可知，只有当REF 端的电压十分接近 VI 时，三极管中 才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 REF 端电压的微 小变化，通过三极管，电流将从 1 到 100mA 变化。+-EFI(ref)ANODTH图 7 TL431 的功能模块示意图在开关电源设计中，一般输出经过 TL431（可控分流基准）反馈并将误 差放大，TL431 的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的 光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的 PWM 控制器的开关 时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。（3）PC817PC817 是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图 8 所示，其中脚 1 为 阳极，脚 2 为阴极，脚 3 为发射极，脚 4 为集电极。在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管，对输出进行精确的调整，从而控制 UC3842 的工作。同时 PC817 光电耦合器不但可起到反馈作用还可以起到隔离作用。图 8 PC817 内部框图6、总体设计电路图图 9 开关电源总体设计原理图
