1、電力電子課程設計報告-小功率反激式開關電源設計專業班級：電氣 12-4 班成員實習日期：2015.7.6 2015.7.13寸錄、設計目的.、設計要求三、設計原理及設計思路四、設計參數計算五、電路的布局與布線六、調試遇到的問題與解決辦法七、設計總結一、設計目的（1）熟悉 Power MosFET的使用；（2）熟悉磁性材料、磁性元件及其在電力電子電路中的應用；（3）增強設計、制作和調試電力電子電路的能力。二、設計要求本課程設計要求根據所提供的元器件設計并制作一個小功率的反 激式開關電源。電源輸入電壓 / 輸出電壓： 150/10V, 輸出電流： 1A, 具備過流保護功能。三、設計原理1 、引言

2、電力電子技術有三大應用領域：電力傳動、電力系統和電源。在各種 用電設備中，電源是核心部件之一，其性能影響著整臺設備的性能。 電源可以分為線性電源和開關電源兩大類。線性電源是把直流電壓變換為低于輸入的直流電壓， 其工作原理是在 輸入與輸出之間串聯一個可變電阻（功率晶體管） ，讓功率晶體管工 作在線性模式，用線性器件控制其 “阻值”的大小，實現穩定的輸出， 電路簡單，但效率低。通常用于低于 10W的電路中。通常使用的 7805、 7815 等就屬于線性電源。開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀態，在這兩種狀態中， 加在功率晶體管上的伏 - 安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流 大；關斷時，電

3、壓高，電流小） ，所以開關電源具有能耗小、效率高、 穩壓范圍寬、體積小、重量輕等突出優點，在通訊設備、儀器儀表、數碼影音、 家用電器等電子產品中得到了廣泛的應用。 反激式功率變 換器是開關電源中的一種，是一種應用非常廣泛的開關電源。 2、基本反激變換器工作原理基本反激變換器如圖 1 所示。假設變壓器和其他元器件均為理想 元器件，穩態工作。(1) 當有源開關 Q 導通時，變壓器原邊電流增加，會產生上正 下負的感應電動勢，從下。 而在副邊產生下正上負的感應電動勢，如 圖 2(a) 所示，無源開關 VD1 因反偏而截止，輸出由電容 C 向負載 提供能量，而原邊則從電源吸收電能，儲存于磁路中。 (2)

4、當有源開 關 Q 截止時，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會感 應出上負下正的感應電動勢， 而在副邊會感應出上正下負的感應電動 勢，故 VD1 正偏而導通，如圖 2(b) 所示，此時磁路中的存儲的能量 轉到副邊，并經二極管 VD1 向負載供電， 同時補充濾波電容 C 在前 一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關 Q 導通時給負載提 供能量外， 還用來限制輸出電壓上的開關頻率紋波分量， 使之遠小于 穩態的直流輸出電壓。2反激變換器的吸收電路實際反激變換器會有各種寄生參數的存在， 如變壓器的漏感， 開關管的源漏極電容。 所以基本反激變換器在實際應用中是不能可靠工 作的，其原因是變壓器

5、漏感在開關 Q 截止時，沒有滿意的去磁回路。 為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個漏感的去磁電路， 但因漏感的能量一般很小，所以習慣上將這種去磁電路稱為吸收電 路，目的是將開關 Q的電壓鉗位到合理的數值。在 220V AC輸入的小 功率開關電源中， 常用的吸收電路主要有 RCD吸收電路和三繞組吸收NpUg+VD1NsUo電路。其結構如圖 3(a)(b) 所示。IoC + R U oNcC1Dc(b)a)圖 2 吸收電路四. 設計參數計算在本次實習中提供的變壓器的鐵芯是 EE28鐵氧體鐵芯，其在 25攝氏度的磁導率為 Bmax_25 0.5T ，鐵芯的初始磁導率為 2300u0。 變壓器

6、選擇的相關參數包括：原副邊匝數比、原邊匝數NS、副邊匝數和氣隙， 本次試驗中用到的變壓器的繞組的漆包線已經給定， 無需 選擇。（1）原副邊匝數比及其匝數的確定：根據實習任務的要求 ;需要的直流輸出電壓為 8V 和 6V ，由器件NpUQ Ug ep Ug p （U0 1） 本身的參數可以知道其耐壓。Ns，如果考慮到漏感引起的 0.3Ug 的電壓尖峰，開關管兩端承受的關斷電壓為：NpUQ 1.3U g Np (U 0 1)般來說開關管的耐壓需要在這個基礎之上留N s，下 至 少 30% 的 裕 量 。 假 設 開 關 管 的 耐 壓 極 限 為2UQ 1.3UQ 1.3* (1.3U gNp N

7、p U Q, 1.32U gp (U 0 1) p Q gNs0 ， Ns1.3(U 0 1)為了保證電路工作于DCM 模式，磁路儲能和放電總時間應該控制在Dmax0.8T 以內，所以 ,Npp (U0 1)* 0.8Ns 0Np(Ug 1) Np (U0 1)2）原副邊匝數的計算：根據器件的資料， 可以查的磁芯的有效磁導面積 Ae ，原邊的匝數 應該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化U g D maxTNp量，固Bmax Ae ，通常原邊的匝數取到這個計算之的兩倍。副邊 匝數根據變比可以求出（3）氣隙長度的計算假設變壓器的輸出功率為 P0 ，效率為 ，有以下關系成立：12

8、 LpIsp2 P0 TLp2 p sp ，所以可以得到2P0T2I sp ，其中有以下關系；U g I1a U g 1 I spDT / Tg 1a g 2 sp ，則原邊的峰值電流為：2P0I spsp UgD ，帶入上式可得到初級電感l Felg1 lLPNp / Rmp , RmpRmFe Rm0A A A ( lg)Fe e o e 0 e r其中， Al 為電感系數， Rmp為磁阻。l0 Ae lFe0 Ae lFerLprN2plg AL氣隙的長度為4、控制系統的設計（1）振蕩器： 振蕩器的頻率有定時元件 RT ，CT 決定， f 1.8R C ， f 選 90*2=180KHZ

9、 。（2）電壓誤差放大器： 在本次實習中在輸入與輸出的隔離開關電 源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環，即將 U3845 的內部誤 差放大器旁路掉。（3）電流比較器 : 電流比較器的門檻值 Verror 有誤差放大器的輸出給 定，當電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時，電流的門檻值就增大， 使輸出到負載的能量增加，反之也一樣。 整個控制部分的原理圖如下所示：圖 5 控制部分原理圖1)UC3845UC3845芯片為 SO8或 SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設 計。其欠壓鎖定門限為 8.5v （通），7.6V（斷）；電流模式工作達 500 千赫輸出開關頻率； 在反激式應用中最大占空比為 0.

10、5; 輸出靜區時間 從50%70%可調；自動前饋補償；鎖存脈寬調制，用于逐周期限流； 內部微調的參考源； 帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出； 輸入欠壓鎖定， 帶滯后；啟動及工作電流低。芯片管腳圖及管腳功能如圖 6所示。圖 6 UC3845芯片管腳圖（2） TL431是一個良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。 外 部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）、參考端（REF）。 其芯片體積小、基準電壓精密可調，輸出電流大等優點，所以可以用 來制作多種穩壓器件。其具體功能可用圖 7 的功能模塊示意。由圖可看出，是一個內部的 2.5V 基準源， 接在運放的反相輸入端。 由運放特性可知，

11、只有當 REF 端的電壓十分接近 VI 時，三極管中才會有一個穩定的非飽和電流通 過，而且隨著 REF 端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從 1 到 100mA 變化。圖 7 TL431 的功能模塊示意圖在開關電源設計中，一般輸出經過 TL431（可控分流基準）反饋 并將誤差放大， TL431 的沉流端驅動一個光耦的發光部分， 而處在電 源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓， 用來調整一個電流模式的 PWM 控制器的開關時間，從而得到一個穩定的直流電壓輸出3) PC817PC817 是一個比較常用的光電耦合器 ,內部結構如圖 8 所示，其 中腳 1為 陽極，腳 2 為陰極，腳 3為發射極，

12、腳 4 為集電極。 在開關電源中，當電流流過光二極管時，二極管發光感應三極管，對 輸出進 行精確的調整，從而控制 UC3842 的工作。同時 PC817光 電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。圖 8 PC817 內部框圖5 、參數的計算與選擇( 1)根據輸入最高直流電壓和開關管 Q的耐壓確定原副邊匝數比： 由電路要求輸入 U=150V，輸出 10V經過整流橋整流后 Ug 1.2U1 1.2* 150 180V ，取UQ 600V22k Np UQ 1.3 Ug 600 1.3 *180 20.68，由于變比的取值要小于計算Ns 1.3(U O 1)1.3* (10 1)值，于是變壓器

13、的變比取到 k=20.計算最大占空比：Np p (Uo 1)* 0.8DmaxNs (Uo 1)*0.8 20*(10 1)* 0.80.44，由于占空比的取值(Ug 1) Np (Uo 1) (180 1) 20* (10 1) 0.44Ns要小于計算值，取 D=0.4取開關頻率 f=75KHZ，得 N pU g Dmax TBmax Ae180 * 0.44*75 *10000.5* 80.9* 10 626.1，為使磁路不飽和， 取實際原邊的匝數 Np 60由原邊匝數及其變壓器的變比得到 10 副邊繞組的匝數為 Ns 3。2)原邊電感及其氣隙長度的計算由Lp 2PI0s2Tp ，IspU

14、2Pg0Dsp g2P0T2*10*10.8 * 180* 0.40.347A ，Lp2P0TIs2pI sp2* 10*1* 10.8*0.374570200 2.77 10-3H ，lgl Fe 4 10 7 80.9 10 6 51.4 10 Lp r N2p0 Ae2.77 10 3260231.1 10 4 m 0.11mm 23003)輔助繞組的計算輔助繞組的計算和副邊繞組的計算方法一樣，取 U 0 12VNp U Q 1.32 U gNs1.3(U O 1)2600 1.32 *18017.51.3* (12 1)取 N p 15 NsNpp (Uo 1)* 0.820*(12

15、1)* 0.8 0.47(180 1) 20 * (12 1)Ns o Np(Ug 1) Np (Uo 1)取 D=0.4NpU g DmaxTBmax Ae1180 * 0.47 *75* 1000 27.890.5* 80.9*10 6正常取2 倍的值，所以 Np 60 Ns 44) 供電電路參數計算R a1U g 38.5 180-38.5 171.5k10 3 10-35)電流檢測參數計算電流檢測電阻 Rs 0.7V 0.7 1I pk0.347 2.02 ，所以 Rs 2 。但實際選取1 歐姆， 2瓦的電阻。6)電壓反饋控制參數計算R1500 1K5.0mA, 取 Uf 1.2VUk

16、a min 2.5V所以： R2 U 0U f U kamin 10-1.2-2.5 0.847.57.5U0 U f U R250kamin 10 -1.2 - 2.5 0.126 ，于是根據已有的元件取到50I R3 I ka I f 20-3 17mAUR3 UR2 U f If R2 Uf 0.003 0.5 1.2 1.2015VU R3I R370.71.2015-317 10-3U 2.5R6 U ref 2.5 12.5K6 200 A 200選取 R6 10k反饋電阻計算：R5 （Uo Uref ） R6 10 2.5 10 30KU ref2.5五、電路的布局與布線六、調試

17、中遇到的問題和解決辦法 （1）電路焊接完成初次調試時，空載穩壓輸出 10V 可以實現，但是 帶負載時電路沒有輸出。經過檢測輔助繞組邊為 UCB3845芯片供電回路的穩壓二極管兩端的 電壓為 7.9V ，未達到供電的 8.5V, 我們嘗試修改 Ra1的阻值使電壓達 到，但是都沒有太大變化。于是我們修改了變壓器輔助繞組的匝數， 由之前的 5 匝改為 7 匝，測試后燒壞了穩壓管， 于是我們又將匝數調 整成 6 匝，最后是二極管兩側電壓為穩定的 11.4V，實現了帶負載時 的穩壓輸出。（2）過流保護時采樣電阻的選取， 電阻大時限流值大， 帶 1A 負載時 壓降小；反之限流值小，壓降大，合適值很難選取。我們穩壓時芯片 3 管腳采用了 104 的電容，電流達到 2A時仍沒有過 流保護。于是選用了 471 的電容，但是在未達到 1A時壓降就產生而 且在 1A 時很大，限流值也無法滿足要求。所以又選用了電容較大的 472，采樣電阻在 1 到 5 變化時電壓均可以穩住但無法限流，又將 電阻改為 12 時限流產生但壓降過大，后來有逐步減小電阻，最后 測量 6.7 時壓降為 2V 左右，