1、多路输出反激式开关电源设计摘 要:以 UC3844 芯片为控制核心，设计并制作了多路输出反激式开关电源。完成了多路输出反激式开关电源系统设计，完成具体模块电路详细设计，包括 EMI 滤波电路、前级保护和整流桥电路、缓冲吸收电路、高频变压器、UC3844 的启动与驱动电路、电流检测和过流保护电路等。合理选择、设计和分配了开关电源各电路参数；设计出电路原理图，根据设计规范制作出 PCB，并组装出电源样机，最后对设计的样机进行测试验证。开关电源样机输出电压稳定性较高，输出电压纹波较小，符合设计规范小于 80mV 的要求；样机整体测试结果表明，电源各项指标均符合要求，输出稳定，性能较好。关键词：开关电
2、源；反激式；UC3844；模块化Design of Multi-output Flyback Switching Power Supply Abstract: It was designed and produced a set of multiple output fly-back switching power supply, using the chip UC3844 as the control core. The design of the system and specific module circuits was completed. The module circuits i
3、nclude EMI filter circuit, level protection and bridge rectifier circuit, snubber circuit, high frequency transformer, start and drive circuit of UC3844, current sensing and over-current protection circuit. The parameters of switching power supply circuit were chose, designed and distributed reasona
4、bly. According to the schematic circuit design and design specifications, we produced the PCB, and assembled the prototype of power supply, also finished the test in the final.The higher stability of the output voltage of the switching power supply prototype, the output voltage ripple is small, meet
5、 the design specifications to the requirements of less than 80mV; The prototype of the overall test results show that the power of the indicators are in line with the requirements, output stability, better performance.Keywords: switch power supply；flyback ；UC3844；Modular目 录1 概 述 .11.1 课题研究背景与意义 .11.
6、2 课题设计内容 .12 反激式开关电源系统分析 .12.1 反激变换器工作原理分析 .12.2 控制电路分析 .32.3 系统整体架构 .53 系统设计 .53.1 变压器设计 .53.2 控制芯片选择 .103.3 控制芯片驱动电路及定时电阻电容计算 .123.4 缓冲吸收电路 .163.5 前置保护电路 .173.6 EMI 滤波电路选择与设计 .173.7 输入整流滤波电路 .183.8 反馈电路设计 .203.9 电流检测和过流保护电路 .213.10 软启动电路 .223.11 MOS 管瞬态抑制保护电路 .224 系统调试 .234.1 硬件调试 .234.2 空载输出电压波形测
7、量 .234.3 纹波测量与分析 .235 结 束 语 .27参考文献 .28致 谢 .29附 录 .30附录 1 多路输出反激式开关电源原理图 .31附录 2 多路输出反激式开关电源 PCB 图 .32附录 3 多路输出反激式开关电源系统元器件清单 .33南通农业职业技术学院学生毕业论文0多路输出反激式开关电源设计1 概 述 1.1 课题研究背景与意义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，而电力电子设备都离不开可靠的电源，其供电一般采用开关电源。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
8、度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET构成。在建设资源节约型、环保示范型社会的大背景下，具有高效节能、安全环保、短小轻薄等方面优点的开关电源已经成为本学科一个重要的研究热点。其中反激式开关电源，是开关电源拓扑中最简单的一种。输出变压器同时充当储能电感，整个电源体积小、结构简单，可同时输出多路互相隔离的电压，所以得到广泛应用。本次毕业设计制作的多路输出反激式开关电源是为各种电力电子器件供电。1.2 课题设计内容设计多路输出的反激式开关电源，指标如下：(1) 输入电压： AC220V10%(2) 输出电压五组：三路 +15V(1.0A)、两路+5V（1.0A ）(3) 输出电压纹波 :VPP
9、80mV(4) 工作频率： 100KHz(5) 最大占空比： Dmax=0.42(6) 效率 =75%(7) 总功率： 55W给出电源主电路与控制电路的设计清单。用 protel 软件进行电源电路原理图与PCB 图的设计，进行电路调试，对调试过程中出现的问题进行分析处理，获得多路输出反激式开关电源原理样机。2 反激式开关电源系统分析本节完成主变换电路拓扑结构的选择，对控制电路调节方式进行选取，分析给出系统整体架构图，为开关电源各电路模块设计奠定基础。2.1 反激变换器工作原理分析反激变换器由于电路简单，所用元件少，适用于多输出场合。反激变换器的拓扑结构如图 2-1 所示，其中 T1 是高频变压
10、器， Q1 是 MOS 管，C1、C2 是滤波电容，D1 为整流二极管。其基本工作原理是：当开光管 Q1 开通时变压器原边导通，输入的直流电压通过初级绕组向变压器灌入能量；Q1 关断时变压器内灌注的能量通过次级绕组释放，经 D1 整流、C2 滤波后供负载使用。通过 PWM 脉冲产南通农业职业技术学院学生毕业论文1生电路改变开关脉冲占空比和变压器的变比可以很容易的实现大范围的电压调整。R LV o u tC 2D 1N 2G N DQ 1N 1G N DV i nC 1T 1P W M 脉冲产生电路图 2-1 反激变换器的拓扑结构2.1.1 工作方式选取反激式开关电源主要有两种基本工作模式：(1
11、)连续工作模式，简称 CCM；(2) 不连续工作模式，简称 DCM。两种工作模式的电路原理图如图 2-2 所示。CCM 的工作原理：PWM 脉冲激励开关管导通，这时输入电压加在原边绕组上，原边电感储存能量，在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量没有释放完全，使得次级电流没有降到零便开始了下一个过程。DCM 的工作原理与 CCM 相比的不同点是在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量已经释放完全，次级电流已经降到零，下一个过程初级的电流又开始从零增加。所以 CCM 的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量储存状态开始的。DCM 的特点是储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放
12、掉，可以得出两种模式下纹波电流与峰值电流的不同关系。DCM 的开关电流从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零，初级脉动电流 与峰值电流 的比例系数 1.0。DCM RIPKIRPK的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零， =1.0 。利用 IR 与 IPK RP的比例关系 (01.0) 的数值，可以定量地描述开关电源的工作模式，其中 RPK的关系如式 (2-1)所示RPIPIPKR P 1 . 0KR P= 1 . 0IRIRC C M 连续工作模式D C M 不连续工作模式图 2-2 工作模式南通农业职业技术学院学生毕业论文2（2-1）PKRI实际上 CCM 与 DCM 之
13、间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入范围， 值较小时对应连续的工作模式和相对较大的初级电感量，RPK并且初级峰值电流 和初级有效值电流 值较小,这时可选用较小功率的控制IRSMI器件和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之， 值较大，就表示连续程RP度较差，初级电感量较小，而 与 较大，此时采用较大功率的控制器件和PKI尺寸较小的高频变压器。通过查阅相关资料，采用 CCM 可比 DCM 减小功耗大约为 25%左右。对于同样的输出功率，采用 CCM 可使用功率较小的控制芯片，或者允许控制芯片工作在较低的损耗下。此外，设计成 CCM 时，初级电路中的交流成分要比 DCM低，并
14、能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗。本设计选取 1.0，即工作于RPKCCM 模式。2.2 控制电路分析在开关电源中，控制电路的主要功能是为开关管提供比率可调的驱动脉冲，从而达到稳定输出电压的目的。常用的调制方式有三种：PWM 脉宽调制、PFM 脉频调制和 PWM-PFM 调宽调频混合电路。2.2.1 PWM 脉冲宽度调制PWM 调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生变化的一种调制方式。在调制期间脉冲周期 T 是固定不变的。不论是负载电流发生变化，还是输入电压发生变化，都会引起输出电压的变化，通过反馈采样这个变化，然后经过稳压控制系统，最终使输出脉冲宽度改变，从而达到输出稳
15、定电压的目的。脉冲宽度调制变化如图 2-3 所示，T 不变，Ton 发生变化，即脉冲宽度改变。T o nT o f f( a )( b )( c )T o n 变宽T o n 变窄T 不变南通农业职业技术学院学生毕业论文3图 2-3 PWM 调节方式2.2.2 PFM 脉冲频率调制PFM 调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲周期发生变化的一种调制方式。脉冲频率调制变化如图 2-4 所示，Ton 不变，即脉冲宽度不变化，而周期发生变化，即频率改变。( a )( b )( c )T o n T o f f周期变小频率变高周期变大频率变低图 2-4 PFM 调节方式2.2.3 PWM-
16、PFM 脉宽脉频综合调制PWM-PFM 脉宽脉频综合调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，不但使输出脉冲宽度发生变化，而且频率也同时发生变化的一种调制方式。PWM-PFM调制方式是同时改变周期 T 和导通时间 Ton 两个参数来实现输出电压的稳定。PWMPFM 兼有 PWM 和 PFM 的优点，调制过程如图 2-5 所示。T o n T o f f( a )( b )T 改变T o n 变化图 2-5 PWM-PFM 综合调节方式本设计采用第一种 PWM 调制方式，属于 PWM 调制方式中的电流反馈模式。调制过程是当控制芯片 UC3844 的检测端电流在规定的范围内， UC3844 输出占空
17、南通农业职业技术学院学生毕业论文4比与检测端电流成反比。通过检测端电流的大小来改变占空比的大小，实现 PWM 调制，从而达到稳定电压的目的。2.3 系统整体架构多路输出反激式开关电源系统设计整体架构如图 2-6 所示，主要包括：前级保护电路、EMI 滤波电路、整流滤波电路、漏磁吸收回路、输出整流滤波电路、反馈电路、主控制电路等。变 压 器 及漏 磁 吸 收 回 路输 出 模 块整 流滤 波快 速 自 恢 复 保 险主 控 制 芯 片光 耦 隔 离反 馈 模 块TL431比 较 模 块输 入 模 块EMI滤 波前 置 保 护全 波 整 流滤 波u i2 2 0 V功率开关管图 2-6 系统整体架
18、构图工作过程分析：接入 220V 交流电 ui；经过保护电路之后；进行 EMI 电磁滤波，滤除电源接入噪声和自身噪声干扰；桥式整流为 310V 左右的直流电压；通过反激式主变换电路进行电压变换，主电路包括全波整流、滤波、高频变压器、漏磁吸收回路和功率开关管；经过变压器二次侧变换之后送至后级同步整流电路进行整流滤波；如输出滤波效果不明显，可增加后级滤波电路；在交流输入电压波动时，为了保证输出稳定，需要进行负反馈调节，从后级输出 Uo 端进行采样，采样信号送至控制电路，经过取样、比较、放大等环节产生比率可调的脉冲信号来控制开关管作出相应调整，从而使输出稳定。3 系统设计设计的多路输出反激式开关电源原理图如附录 1 所示。本章基于系统设计整体架构，根据设计电源的功能要求和性能指标，完成了变压器的设计及各部分具体电路模块分析、设计、参数计算及选取。
