1、目錄任務書···············································2一、開關電源主電路的設計

2、及參數計算···················4 1.主電路的選型····························

3、83;········4 2.變壓器設計計算···································8 3.開關器件的選擇···

4、;·······························10 4.整流二極管的選擇················

5、3;···············11二、開關電源控制電路的設計··························12 1.控制電路的組成····&

6、#183;·····························12 2.控制模式的選擇··················&

7、#183;···············13 3. PWM集成控制器的選擇··························13 4. 控制電路的整體設計···

8、;··························15三、附錄·······················

9、;·····················四、參考文獻····························

10、;············五、心得體會·····································

11、;··· 開關電源技術課程設計一、課程設計的目的通過開關電源技術的課程設計達到以下幾個目的：1、培養學生文獻檢索的能力，特別是如何利用Internet檢索需要的文獻資料。2、培養學生綜合分析問題、發現問題和解決問題的能力。3、培養學生運用知識的能力和工程設計的能力。4、培養學生運用仿真工具的能力和方法。5、提高學生課程設計報告撰寫水平。二、課程設計的要求1. 題目題目：反激型開關電源電路設計主要技術數據1、單相交流輸入電壓AC95270V；2、直流輸出電壓5V； 3、輸出電流3A； 4、輸出紋波電壓0.2V；5、工作溫度：040ºC注意事項：學生也可以選

12、擇規定題目方向外的其它開關電源電路設計。 通過圖書館和Internet廣泛檢索和閱讀自己要設計的題目方向的文獻資料，確定適應自己的課程設計方案。首先要明確自己課程設計的設計內容。設計裝置（或電路）的主要技術數據。 EMI濾 波 電 路整流 濾波 電路 輔助 電路反饋 電路高 頻 變 換 器輸 出整 流濾 波控 制 電 路LN+4-16GND 開關穩壓電源基本原理框圖設計內容：1）、開關電源主電路的設計及參數計算。（主電路的選型、變壓器設計計算、開關器件及整流二極管、濾波電容的計算等）注意：開關頻率的選擇2）、開關電源控制電路的設計。（控制電路組成、控制模式的選擇、PWM集成控制器的選擇、控制電

13、路的整體設計）3）、畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖2. 在整個設計中要注意培養靈活運用所學的電力電子技術知識和創造性的思維方式以及創造能力要求具體電路方案的選擇必須有論證說明，要說明其有哪些特點。主電路具體電路元器件的選擇應有計算和說明。課程設計從確定方案到整個系統的設計，必須在檢索、閱讀及分析研究大量的相關文獻的基礎上，經過剖析、提煉，設計出所要求的電路（或裝置）。課程設計中要不斷提出問題，并給出這些問題的解決方法和自己的研究體會。設計報告最后給出設計中所查閱的參考文獻最少不能少于5篇，且文中有引用說明，否則也不能得優）。3. 在整個設計中要注意培養獨立分析和獨立解決問題的能力要求學

14、生在教師的指導下，獨力完成所設計的系統主電路、控制電路等詳細的設計（包括計算和器件選型）。嚴禁抄襲，嚴禁兩篇設計報告基本相同，甚至完全一樣。4. 課題設計的主要內容是主電路的確定，主電路的分析說明，主電路元器件、變壓器的計算和選型，以及控制電路設計。報告最后給出所設計的完整電路圖， 5. 課程設計用紙和格式統一課程設計用紙在學校印刷廠統一購買和裝訂，封面為學校統一要求。要求圖表規范，文字通順，邏輯性強。設計報告不少于20頁三、課程設計報告基本格式目錄內容：1. 設計的基本要求（給出所要設計的裝置的主要技術數據和設計裝置要達到的要求（包括性能指標），最好簡述所設計裝置的主要用途）2. 總體方案的

15、確定3. 開關電源主電路的設計及計算。（主電路的選型、變壓器設計計算、開關器件及整流二極管、濾波電容的計算等）4. 開關電源控制電路的設計。（控制電路組成、控制模式的選擇、PWM集成控制器的選擇、控制電路的整體設計）5. 附錄（主電路、控制電路、驅動電路整體圖）6. 參考文獻一、開關電源主電路的設計及參數計算 1、主電路的選型 開關電源的電路結構眾多，其中適合小功率電源使用的有正激型、反激型和半橋型，適合大功率電源的有正激型、半橋型和全橋型。一般來說，小功率電源（1100W）宜采用電路簡單、成本低的反激型電路；電源功率在100W以上且工作環境干擾很大、輸入電壓質量惡劣、輸出短路頻繁時，則應采用

16、正激型電路；對于功率大于500W，工作條件較好的電源，則采用半橋型或全橋型電路較為合理；如果對成本要求比較嚴，可以采用板橋型電路；如果功率很大，則應采用全橋型電路；推挽型電路通常用于輸入電壓很低、功率較大的場合。由于設計要求直流輸出電壓為5V，輸出電流為3A，輸出功率小于100W，所以使用反激型電路。反激（Flyback）型電路的結構如圖（1-19a）所示。反激型電路存在電流連續和電流斷續兩種工作模式。電流連續工作模式在一個開關周期經歷2個開關狀態，電路中波形如圖（1-22）所示。t0t1時段：電路處于開關狀態1，S開通以后，VD處于斷態，繞組W1中的電流線性增長，其電感儲能增加；t1t2時段

17、：電路處于開關狀態2，S關斷后，繞組W1中的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和二極管VD向輸出端釋放。電流斷續工作模式在一個開關周期內相繼經歷3個開關狀態。電路中的波形如圖（1-21）所示。t0t1時段：電路處于開關狀態1，S開通后，二極管VD處于斷態，繞組W1的電流線性增長，電感儲能增加；t1t2時段：電路處于開關狀態2，S關斷后，繞組W1中的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過繞組W2和二極管VD向輸出端釋放，直到t2時刻，變壓器中的磁場能量釋放完畢，繞組W2中電流下降到零，VD關斷；t2t3時段：電路處于開關狀態3，繞組W1和W2中的電流均為零，電容C向負載提供能量。圖1-20是

18、反激式變壓器開關電源，工作于臨界連續電流狀態時，整流輸入電壓uo、負載電流Io，變壓器鐵芯的磁通 ，以及變壓器初、次級電流等波形。圖1-20-a）中，變壓器次級線圈輸出電壓uo是一個帶正負極性的脈沖波形，一般負半周是一個很規整的矩形波；而正半周，由于輸出脈沖被整流二極管限幅，當開關電源工作于連續電流或臨界連續電流狀態時，輸出波形基本也是矩形波。因此，整流二極管的輸入電壓uo的正半周幅度與輸出電壓Uo或儲能濾波電容的兩端電壓基本相同。因此，整流二極管的輸入電壓uo的幅值Up與半波平均值Upa以及整流輸出電壓Uo均基本相等。圖1-20-b）是變壓器鐵芯中磁通量變化的過程，在控制開關接通期間，變壓器

19、鐵芯被磁化；在控制開關關斷期間，變壓器鐵芯被退磁。因此，在Ton期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由剩磁SBr向最大磁通SBm方向變化；而在Toff期間，變壓器鐵芯中的磁通量是由最大磁通SBm向剩磁SBr方向變化。圖1-20-c），是反激式變壓器開關電源工作于臨界電流狀態時，變壓器初、次級線圈的電流波形。圖中，i1為流過變壓器初級線圈中的電流，i2為流過變壓器次級線圈中的電流（虛線所示），Io是流過負載的電流（虛線所示）。在控制開關接通期間，變壓器鐵芯被初級線圈電流磁化；在控制開關關斷期間，變壓器鐵芯被被次級線圈電流退磁，并向負載輸出電流。從圖1-20-c）還可以看出，流過變壓器初、次級線圈中的電流

20、是可以突跳的。在控制開關關斷的一瞬間，流過變壓器初級線圈的電流由最大值跳變到0，而在同一時刻，流過變壓器次級線圈的電流由0跳變到最大值。并且，變壓器初級線圈電流的最大值正好等于變壓器次級線圈電流最大值的n倍（n為變壓器次級電壓與初級電壓比）。2、變壓器設計計算變壓器是開關電源中的核心元件，許多其他主電路元器件的參數設計都以來于變壓器的參數，因此應首先進行變壓器的設計。變壓器磁芯的選擇如果工作效率是88.2%，則變壓器的傳輸功率為=17w由于許多因素，例如磁芯材料特性，變壓器形狀（主要是表面積對體積的比率）、表面的熱輻射、允許溫度、工作環境無法把傳輸功率與變壓器的大小簡單的聯系起來。(1) 計算

21、原邊繞組開關晶體管的最大到同時間對應在最低輸入電壓和最大負載時發生。假設D=0.5。工作頻率60KHz。=16.6us =D=0.516.6=8.3us(2) 計算最低直流輸入電壓設當變換器在最低線路輸入電壓時發生滿載工作。計算它的輸入端的直流電壓。對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓的有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。它與電源線路中的電源阻抗、整流電壓降、儲能電容等效電抗、以及負載大小均有關，再次取1.3. =951.3=123.5v(3) 選擇工作時的磁通密度值已知，選用PC40EE13-Z的鐵芯磁路的有效面積=17對于一般形狀的鐵芯，當工作在60KHz的頻率，80%

22、的飽和值：(4) 計算原邊匝數因為作用電壓是一個方波，一個導通器件的伏秒值與原邊匝數的關系=192.1匝(5) 計算副邊匝數設整流二極管的壓降是0.7v，繞組壓降為0.6v，則原邊繞組壓降電壓值為15+0.7+0.6=16.3v原邊繞組每匝伏數=副邊繞組匝數為=匝(6) 確定氣隙大小及氣隙計算帶氣隙的磁芯在一個更大的磁場強度H值下才會產生磁飽和，因此磁芯可經受一個更大的直流成分；另外，當H=0時，更小，磁芯的磁感應強度B有一個更大的可用工作范圍。最后，有氣隙時，磁導能力降低，導致每匝的電感量減小，繞組總電感值減小。但氣隙的存在減少了磁芯里直流成分的所產生的磁通。=2.12mH=0.69mm 由

23、以上數據，所以這里我選擇TDK公司下的變壓器型號為PC40EE13-Z的鐵芯。此型號的鐵芯的基本數據下圖給出。3. 開關器件的選擇變壓器設計完畢以后就可以設計開關電源了，首先計算開關器件的電流。他的平均值可以有輸出功率與傳輸效率來得出、還有原邊電壓共同得出變壓器公式為I=0.138A 設計算完峰值電流后，接下來計算MOSFET能承受的最大反向電壓這里我選擇TOSHIBS公司的下的MOSFET型號為2SK2602開關器件查表得出通態電阻為r=0.9計算通態損耗這個損耗還是比較小的，不需要另外添加散熱裝置，符合反激型開關電源的小功率的要求。另外此型號的開關的基本參數下圖給出有以上數據還可以發現此開

24、關的工作溫度為Storage Temperature Range Tstg -55150 符合課設中所提出的要求040，所以此開關符合設計的需要。 4、整流二極管的選擇在整流時整流二極管的所承受的最大電壓可由最大輸入電壓求出，題目中所給的為最大輸入電壓270v，這個為有效值，這里不能用有效值來算需要乘以所以經過網上資料的查詢有以下幾種型號的整流二極管的，其中每個整流二極管的基本參數如圖經過簡單分析就可以看到，應該選擇型號為IN4004的整流二極管，此型號的整流二極管的最高反向峰值電壓為400v，正向壓降為1.0v，在輸入95270v的情況下是可以忽略的。所以型號為IN4004是符合設計要求的，

25、這里用單相橋式整流的方法需要4個此型號的整流二極管。二、開關電源控制電路的設計開關電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關器件的工作，一旦出現失誤，將造成嚴重后果，使整個電源停止工作或損壞。電源的很多指標，如穩壓穩流精度、紋波、輸出特性等也都同控制電路相關。1、控制電路的組成a.驅動電路 驅動電路是控制電路與主電路的接口，同開關電源的可靠性、效率等性能密切相關。驅動電路需要有很告的快速性，能提供一定的驅動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。b.調節器電路 調節器的作用是將給定量和反饋量進行比較和運算，得到控制量。調節器的核心是運算放大器

26、。c.并機均流電路d.保護電路 保護電路具備自身保護和負載保護兩方面功能。 自我保護功能有：輸入過電壓，輸入欠電壓，系統過熱，過電流等。 負載保護功能有：輸出過電壓，輸出欠電壓等。e.PWM控制電路 PWM控制電路的作用是將在一定范圍內連續變化的控制量模擬信號轉換為PWM信號，該信號的開關頻率固定，占空比跟隨輸入信號連續變化。 通常集成PWM控制器將誤差電壓放大器、振蕩器、PWM比較器、驅動、基準源、保護電路等常用開關電源控制電路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成電路：（1） 基準源：用于提高穩定的基準電壓，作為電路中的給定的基準。（2） 振蕩器：產生固定頻率的時鐘信號，以控制開關頻率。（3

27、） 誤差電壓放大器（EA）：實際上就是一個運算放大器，用來構成電壓或電流調節器。（4） PWM比較器：將調節器輸出信號轉換成PWM脈沖的占空比，不同的控制模式有著不同的轉換方式，電壓模式的集成控制中，常采用有振蕩器的產生的鋸齒波同比較的方式，電流模式控制當中，采用同電感電流瞬時值相比較。分頻器用于將單一的PWM脈沖序列分成兩路戶不對稱的PWM脈沖序列，用于雙端電路的控制。（5） 驅動電路：通常為推挽結構的跟隨電路，用來提供足夠的驅動電壓，以便有效的驅動主電路的開關。（6） 欠電壓保護：對集成的PWM控制電路的電源實施監控，一旦電源跌落至閥值以下時，就封鎖輸出驅動脈沖，以避免電源掉電過程中，輸出

28、混亂的脈沖信號而造成開關器件的損壞。封鎖電路：由外部信號控制，一旦有外部信號觸發，立即封鎖輸出脈沖信號，給外部電路提供了一個可控的封鎖信號。2、控制模式的選擇開關電源中的控制方式，總的來說可以分成電壓模式和電流模式兩大類。無論是電壓模式還是電流模式，都有輸出電壓反饋和電壓調節器，所不同的是電壓模式控制系統中，僅有一個電壓反饋環節；而電流控制系統中，除了電壓反饋控制外，還有電流控制內環。電壓控制優缺點：采用電壓模式控制方法的開關電源，其穩定性和動態特性間的矛盾是很突出的。電流控制模式控制的優點（1） 系統的穩定性增強，穩定域擴大。（2） 系統的動態特性改善。（3） 具有快速限制電流的能力。目前，

29、電流模式控制還可分為峰值電流模式控制、平均電流模式控制和電荷控制等。本設計決定使用峰值電流模式控制。3、PWM集成控制器的選擇由于采用峰值電流模式控制，所以選擇UC3842作為PWM集成控制器。UC3842是美國Unitrode公司生產的一種高性能的固定頻率電流型脈寬集成控制芯片，是專門用于構成正激型和反激型等開關電源的控制電路。其主要優點是電壓調整率可以達到0.01%，工作頻率高達500 kHz，啟動電流小于1 mA，外圍元件少。它適合做20 W80 W的小型開關電源。其工作溫度為0 70，最高輸入電壓30 V，最大輸出電流1 A，能驅動雙極型功率管和MOSFET。UC3842采用DIP-8

30、形式封裝。其內部結構框圖和各引腳的功能見有關手冊。UC3842的典型應用電路如圖3所示。該電路的工作原理是：直流電壓加在Rin上，降壓后加在UC3842的引腳7上，為芯片提供大于16 V的啟動電壓，當芯片啟動后由反饋繞組提供維持芯片正常工作需要的電壓。當輸出電壓升高時，單端反激變壓器Tl的反饋繞組上產生的反饋電壓也升高，該電壓經R1和R3組成大分壓網絡，分壓后送入UC3842的引腳2，與基準電壓比較后，經誤差放大器放大，使UC3842引腳6的驅動脈沖占空比減小，從而使輸出電壓降低，達到穩定輸出電壓的目的。此電路結構簡單，容易布線，成本低。但是，UC3842的采樣電壓不是從輸出端取到的，輸出電壓

31、穩壓精度不高，只適合于用在負載較小的場合。為克服上述問題，可以對上述反饋電路進行改進，采用光耦和電壓基準進行反饋控制，可以極大地提高開關電源的穩定性和精度。采用這種方法進行反饋控制時需要從副邊繞組輸出端進行取樣，電路見圖4。4、控制電路的整體設計電壓采樣及反饋電路由光耦PS2701、TL431和阻容網絡組成，圖中R5和C5用于TL431的頻率補償，不能缺少。通過調節由R6，R7組成的分壓網絡后得到采樣電壓，該采樣電壓與三端可調穩壓塊TL431提供的2.5 V基準電壓進行比較，當輸出電壓正常時，采樣電壓與TT431提供的2.5 V電壓基準相等，則TL431的K極電位保持不變，從而流過光耦U3二極

32、管的電流不變，進而流過光耦CE的電流也不變，UC3842引腳2的反饋電位Uf保持不變，則引腳6輸出驅動的占空比不變，輸出電壓穩定在設定值不變。當輸出5 V電壓因為某種原因升高時，分壓網絡上得到的輸出電壓采樣值會隨之升高，從而TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，進而流過CE的電流增大，從而UC3842的引腳2的電位升高。由UC3842內部示意圖可知：誤差放大器A1的輸出電壓Ue減小，亦即電流檢測比較器鉗位電壓減小，所以由圖2 可知：UC3842引腳6輸出驅動的占空比減小，從而使輸出電壓減小，這樣就完成了反饋穩壓的過程。初級線圈充磁峰值電流取樣的內回路反饋也是開關電源設計起決定作用

33、的環節，如果內回路反饋設計不符合電路要求，開關電源就無法正常工作。設計內回路反饋時，需要在開關管上串聯一個以地為參考的取樣電阻Rs（見圖1、圖4中的R1和圖3中的R8），將初級線圈的電流轉換為電壓信號，此電壓由電流檢測比較器A2監視并與來自誤差放大器A1的輸出電平比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由引腳1上的電壓控制，其中： 當電源輸出過載或者輸出取樣丟失時，異常的工作條件將出現，在這些條件下，電流比較器的門限被內部鉗位至1.0 V，則而開關電源初級線圈最大峰值電流為短路保護時變壓器初級線圈流過的最大電流： 式中：IP為初級線圈電感電流;Pout為開關電源設計輸出功率;Vin為開關電源輸入電壓;D為PWM的輸出信號占空比;N為電源效率。根據式（2）、式（3）可以推算：根據計算得出的Rs阻值可以進一步計算出電流取樣電阻的功率：選定電流取樣電阻后，需要通過一個L型的RC低通濾波網絡，將這個采樣信號送給UC3842的電流比較器。L型RC低通濾波網絡的上限截止頻率為：從低通濾波器的對數幅頻特性可知，當輸入信號頻率低于fh時，輸出信號與輸人信號幾乎完全相同;當輸入信號頻率高