電氣工程課程設(shè)計(jì)-反激型開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2012年 7月 18 日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課程 電氣工程課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題目

2、 反激型開關(guān)電源電路設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓名 學(xué)號(hào) </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　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(jì)算和選型，以及控制電路設(shè)計(jì)

3、。報(bào)告最后給出所設(shè)計(jì)的完整電路圖。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1、交流輸入電壓AC190V~570V</p><p><b>　　2、直流輸出</b></p><p>　?、?.3V 1.5A ②5V 500mA ③15V 100mA</p>

4、<p>　　3、輸出紋波電壓≤0.2V；。</p><p><b>　　參考資料：</b></p><p>　　[1]楊旭，裴云慶，王兆安．開關(guān)電源技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．</p><p>　　[2]張占松，蔡宣三. ．開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) [M]．北京：電子工業(yè)出版社，1998．</p><

5、p>　　[3]王兆安，劉進(jìn)軍．電力電子技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．</p><p>　　[4]童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]．北京：高等教育出版社，2006．</p><p>　　[5]詹艷君，楊筆鋒，涂永生．基于UC3842反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)．</p><p>　　完成期限 2012.7.10至2012.7.18 &l

6、t;/p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　2011年 7 月 9 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)

7、要求2</b></p><p>　　2 電路的設(shè)計(jì)原理2</p><p>　　2.1 電路的總體方案設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.2開關(guān)穩(wěn)壓電源原理2</p><p>　　3 開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.1 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)原理錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p&g

8、t;　　4 主要元器件的選型8</p><p>　　4.1 EMI濾波電路8</p><p>　　4.2 整流電路的設(shè)計(jì)8</p><p>　　4.3 控制電路模塊9</p><p>　　4.4反饋電路的設(shè)計(jì)9</p><p>　　4.5輸出電流反饋10</p><p>　　4.6輸

9、出整流濾波電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　5 電路仿真與結(jié)果12</p><p><b>　　6 結(jié)論12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)13</b></p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　?。?）開

10、關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇。</p><p>　?。?）IGBT電流、電壓額定的選擇。</p><p>　　（3）開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　（4）開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)。</p><p>　　（5）畫出完整的主電路原理圖和控制電路原理圖。</p><p>　?。?）電路仿真分析和仿真結(jié)果。</p&g

11、t;<p><b>　　2 電路的設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　2.1 電路的總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入—EMI濾波—整流(也就一般的AC/DC類似全橋整流模塊)—DC/DC模塊(全橋式DC—AC—高頻變壓器—高頻濾波器—DC)—輸出。系統(tǒng)可以劃分為變壓器部分、整流濾波部分和DC-DC變換部分，以及負(fù)載部分，其中整流濾波和DC-DC變

12、換器構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源。整流電路是直流穩(wěn)壓電路電源的組成部分。整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。直流/直流轉(zhuǎn)換電路,是整個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分。開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理框圖如圖2.1所示。</p><p>　　2.2開關(guān)穩(wěn)壓電源原理</p><p>　　圖2.1開關(guān)穩(wěn)壓電源原理框圖</p><p>　　開關(guān)電

13、源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號(hào)，屬于弱點(diǎn)電路，但它控制這主電路的開關(guān)器件的工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴(yán)重后果，是整個(gè)電源停止工作或損壞。本設(shè)計(jì)的控制電路中PWM模塊使用UC3842PWM控制器。</p><p>　　系統(tǒng)工作原理：380V的交流輸入電壓經(jīng)保險(xiǎn)管和EMI濾波器（濾除電網(wǎng)上的高頻電壓成分同時(shí)防止開關(guān)穩(wěn)壓電源自身產(chǎn)生的高頻串入電網(wǎng)）后整流并濾波平滑后為電路提供約500V直流工作電壓,起

14、動(dòng)電路由電容C12和R18,R19構(gòu)成，C12經(jīng)電阻R 18,R19 充電，C12的電壓達(dá)到16V時(shí),UC3842啟動(dòng)并有輸出,使MOS開關(guān)Q(型號(hào)2SK725耐壓500V，電流15A，功率125W)導(dǎo)通，量存貯在變壓器T1中。此時(shí)，由于二次側(cè)各路整流二極管反向偏置,故能量不能傳到T1的二次側(cè)，T1的一次側(cè)電流通過電阻R22檢測并UC3842內(nèi)部提供的1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到這一電平時(shí)，Q關(guān)斷，所有變壓器的繞組極性反向,輸出整流二極

15、管正向偏置，存貯在T1中的能量傳輸?shù)捷敵鲭娙萜髦?。啟?dòng)結(jié)束后,反饋線圈Nc的電壓整流后經(jīng)取樣電阻分壓回送到誤差放大器的反向端(腳2)和UC3842 內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，,從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的控制。這樣，能量周而復(fù)始地存貯釋放,給輸出端提供電壓。C12在剛開始時(shí)必須存貯足夠的能量才能維持控制系統(tǒng)工作。</p><p><b>　　3 開關(guān)變壓器設(shè)計(jì)</b>

16、</p><p>　　反激式變壓器是反激開關(guān)電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)。變壓器適用場合：交流電壓變化范圍190V~570V，工作頻率為100kHz，直流輸出為①3.3V，1.5A；②5V，500mA；③15V，100mA。</p><p>　　計(jì)算原邊繞組流過的峰值電流</p><p>　　每一工作周期能量乘上工作頻率f為輸出的功率</p&

17、gt;<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　設(shè)為不連續(xù)工作模式，在單位時(shí)間內(nèi)電流為0至，則</p><p><b>　　因?yàn)?lt;/b></p><p>　　所以 （3-2）</p><

18、;p>　　式 （3-1）與（3-2）之比為</p><p><b>　　化簡得： </b></p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　為求得，應(yīng)以最小值帶入</p><p>　　式中的20V假設(shè)為直流紋波及二極管壓降之和。設(shè)反激變壓器最大占空比，代入式（3-3）得：&

19、lt;/p><p>　　求出原邊繞組的電感值</p><p><b>　　由式（3-2）得：</b></p><p>　　假設(shè)電壓波動(dòng)下限為7%，則，</p><p><b>　　求</b></p><p>　　在時(shí)，有最小占空比。當(dāng)輸入電壓由最大到最小變化時(shí)，占空比由最小變化到

20、最大。其關(guān)系可表示為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中k——電壓,按峰值時(shí)向上波動(dòng)10%計(jì)算，即：</p><p>　　假設(shè)直流紋波電壓及二極管管壓降之和為15V，故上式中減去15V</p><p>　　代入式（3.1.4）</p><p><b&g

21、t;　　選擇磁芯尺寸</b></p><p>　　計(jì)算磁芯面積乘積AP。AP為（磁芯窗口面積）和（磁芯有效截面積）的乘積。在廠商資料目錄中查處AP值。設(shè)計(jì)者根據(jù)客戶要求的限高等尺寸和形狀來決定使用哪一種經(jīng)濟(jì)的磁芯及其形狀和大小。</p><p>　　如果原邊繞組的線徑為，帶繞組的磁芯所占的AP值為，可按下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?/p>

22、3-5）</b></p><p>　　式中表明工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值取飽和值的一半。例如TDK H7CL的材料，E-E形式的磁芯，100℃時(shí)，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 TDK H7CL磁芯B-H特性曲線</p><p>　　如果我們引用歐美國家常用的單位密耳，可寫為（mil）。用它時(shí)對(duì)選擇導(dǎo)線會(huì)簡單一些。所謂密耳是導(dǎo)線直徑或薄板厚度的

23、單位。</p><p>　　1 mil=0.001 英寸</p><p>　　直徑為1密耳的金屬絲面積稱為圓密耳，可寫為（），換算時(shí)，可考慮其關(guān)系為：</p><p>　　1圓密耳=（英寸）=（）</p><p>　　附表一列出美式線規(guī)AWG重薄膜絕緣的導(dǎo)線規(guī)格，包括直徑大小標(biāo)稱的圓密耳和每千英尺的電阻值。</p><p&

24、gt;　　設(shè)我們選擇導(dǎo)線時(shí)，確定電流密度值為，則通過0.16A電流時(shí)需要的圓密耳為。參閱附表一選取NO.31AWG，其直徑最大為0.0108。</p><p>　　所以，代入式（3-5）得：</p><p>　　占窗口大部分面積的是副邊繞組（因電流大，導(dǎo)線多股等原因）和絕緣材料，一般只為AP的（1/4~1/3）以下，取</p><p><b>　　所以&l

25、t;/b></p><p>　　又TDK產(chǎn)品目錄中可查出EE19/8/9的磁芯與線圈骨架乘積為：</p><p>　　,選取此型號(hào)磁芯與線圈骨架合適。</p><p>　　磁芯具體尺寸為19.05cm，8.05cm，8.71cm。</p><p><b>　　計(jì)算氣隙長度</b></p><p&

26、gt;　　由于反激工作模式是單向激磁，為防止磁飽和，應(yīng)加氣隙。氣隙會(huì)產(chǎn)生較大的磁阻，而且大多數(shù)變壓器所存儲(chǔ)的能量是在氣隙所構(gòu)成的體積中，故有：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中 H——?dú)庀洞艌鰪?qiáng)度 </p><p>　　——空氣導(dǎo)磁率=1；</p><p><b>　　—

27、—?dú)庀兜捏w積，</b></p><p><b>　　整理上式得</b></p><p><b>　　（3-7）</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　因此，應(yīng)在磁芯中心柱打磨出氣隙0.013cm，或在磁芯兩外側(cè)心柱各打磨出0.0065c

28、m，在這個(gè)基礎(chǔ)上再進(jìn)行調(diào)整。也可以選取已有氣隙相近的磁芯，并直接進(jìn)行調(diào)整。</p><p><b>　　原邊繞組匝數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　用或</b></p><p>　　進(jìn)行計(jì)算。前式算得，后式算得。取。</p><p><b>　　副邊繞組匝數(shù)計(jì)算</b>

29、;</p><p>　　按輸入最小電壓，導(dǎo)通占空比最大，算得副邊繞組的匝數(shù)：</p><p><b>　　因?yàn)?lt;/b></p><p>　　整理得： （3-8）</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)：</b></p><p

30、>　　因?yàn)楦边叴嬖诶@阻壓降和二極管導(dǎo)通壓降，故取。</p><p>　　當(dāng)輸出電壓為3.3V時(shí)，</p><p>　　考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此2.91取整數(shù)值為3。</p><p>　　當(dāng)輸出電壓為5V時(shí)，</p><p>　　同樣考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此4.0

31、7取整數(shù)值為5。</p><p>　　當(dāng)輸出電壓為15V時(shí)，</p><p>　　同樣考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此10.85取整數(shù)值為11。</p><p>　　輔助電路輸出的電壓為10—34V，取16V，則</p><p>　　同樣考慮到E型磁芯磁路可能產(chǎn)生磁飽和。使變壓器的調(diào)節(jié)性能變差，因此11.53取整

32、數(shù)值為12。</p><p><b>　　副邊繞組的線徑</b></p><p>　　同樣按照400c·m/A考慮，通過1.5A電流需要：圓密耳，應(yīng)選取AWGNO22型導(dǎo)線；通過500mA電流需要：圓密耳，應(yīng)選取AWGNO27型導(dǎo)線；通過100mA電流需要：圓密耳，應(yīng)選取AWGNO33型導(dǎo)線。最后對(duì)變壓器的原邊副邊參數(shù)見表3-2。</p>&l

33、t;p>　　表3-2 變壓器原邊副邊參數(shù)表</p><p>　　4 主要元器件的選型</p><p>　　4.1 EMI濾波電路</p><p>　　為減小體積、降低成本,單片開關(guān)電源一般采用簡易式單級(jí)EMI濾波器,典型電路圖4.1所示。圖中的L、C1和C2用來濾除共模干擾,C3和C4濾除串模干擾。R為泄放電阻,可將C3上積累的電荷泄放掉,避免因電荷積累而影

34、響濾波特性;斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電,保證使 用的安全性。EMI濾波器能有效抑制單片開關(guān)電源的電磁干擾。</p><p>　　圖4.1 EMI濾波電路</p><p>　　EMI電路C2為X電容，C3、C4為Y電容，L為濾波電感</p><p>　　表4.1 電容電感型號(hào)圖</p><p>　　4.2 整流電路的設(shè)計(jì) </

35、p><p>　　在整流濾波環(huán)節(jié)采取的是單相整流濾波電路，本電路常用于小功率的單相交流輸入的場合。目前大量普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中所采用的開關(guān)電源中，</p><p>　　電容濾波的單相不可控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)，二極管承受最大正反向電壓均為。在此后的電路中，涉及到選管子，選型號(hào)，故此處的電壓取最大值，即整流后的值。</p><p>　　表4.2 二極管兩端的耐壓

36、參數(shù)選擇</p><p>　　4.3 控制電路模塊</p><p>　　控制電路方面選擇UC3842芯片，UC3842是單電源供電，帶電流正向補(bǔ)償，單路調(diào)制輸出的集成芯片。UC3842 是一種高性能的固定頻率電流型控制器, 是專為離線式直流變換電路設(shè)計(jì)的,它集成了振蕩器、有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及PWM 鎖存器電路。該芯片主要有

37、以下性能：(1) 可調(diào)整振蕩器的放電電流以產(chǎn)生精確的占空比；(2) 最高開關(guān)頻率可達(dá)500kHz;f=1.8/(Rt.Ct) Rt 單位為KΩ,Ct 單位UF,f 單位為KHz；(3) 帶鎖定的PWM ( Pulse Width Modulation) ,可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的電流限制；(4) 具有內(nèi)部可調(diào)整的參考電源, 可以進(jìn)行欠壓鎖定；(5) 圖騰柱輸出電路能夠提供大電流輸出,輸出電流可達(dá)1A , 可直接對(duì)MOSFET 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；(6)

38、 帶滯環(huán)的欠壓鎖定電路可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)的振蕩等。</p><p>　　UC384芯片需要外擴(kuò)電路實(shí)現(xiàn)其控制電路的目的。輸入電壓經(jīng)過降壓電阻接入給3842提供16V的啟動(dòng)電壓，使3842工作。</p><p><b>　　參數(shù)的選擇：</b></p><p>　　啟動(dòng)降壓電阻：因?yàn)檎鬏敵鰹?37V，=16V，，故</p

39、><p>　　反饋回路：管承受的反壓為，故去二極管的型號(hào)為FR105,電容C3大小為100u。</p><p>　　開關(guān)管VT:承受的反壓為，型號(hào)為IRFBE30</p><p>　　振蕩電路：因?yàn)?，，故?lt;/p><p><b>　　所以</b></p><p>　　4.4反饋電路的設(shè)計(jì)</p

40、><p>　　反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL43l和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖4.4所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓VR7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓(TL431的基準(zhǔn)電壓為2．5V)，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)

41、動(dòng)三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時(shí)，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對(duì)PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　圖4.3 電壓反饋電路</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：&l

42、t;/b></p><p>　　光耦器件選擇PC817，穩(wěn)壓管選型TL341</p><p><b>　　4.5輸出電流反饋</b></p><p><b>　　圖4.4 過流保護(hù)</b></p><p>　　過流保護(hù)電路是由R10、R9以及C9組成。R9上的電壓反映了電流瞬時(shí)值，當(dāng)開關(guān)電源發(fā)

43、生過電流時(shí)，開關(guān)管S1漏極的電流會(huì)增大,會(huì)增大，接入U(xiǎn)C3842的保護(hù)輸入端③腳，當(dāng)=1V時(shí)，UC3842芯片的輸出脈沖將關(guān)斷。通過調(diào)節(jié)R10和R9的分壓比可以改變開關(guān)管的限流值，實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)值的逐周期保護(hù)比較，屬于限流式保護(hù)。輸出脈沖關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流平均值的保護(hù)，屬于截流式保護(hù)。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　由第三章可知，原邊

44、輸出電流，UC3842輸出電流，所以三極管漏極電流。假設(shè)，濾波電容C9=470pf。所以流過R9的電流。所以</p><p>　　4.6輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4.5 輸出濾波電路</p><p>　　輸出電壓經(jīng)過二極管的半波整流以及LC濾波輸出穩(wěn)定的直流3.3V/1.5A，5V/0.5A，15V/0.1A</p><p>

45、;<b>　　參數(shù)的計(jì)算，</b></p><p>　　3.3V側(cè)濾波電路參數(shù)</p><p>　　同理，5V側(cè)濾波電路參數(shù)</p><p>　　15V側(cè)濾波電路參數(shù)</p><p><b>　　5 電路仿真與結(jié)果</b></p><p><b>　　三路輸出電壓波

46、形：</b></p><p>　　圖5.1 三相輸出電壓波形</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　通過對(duì)開關(guān)電源主電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇的仿真結(jié)果分析，仿真結(jié)果與預(yù)期要求一致。主電路中存在整流電路，控制電路模塊運(yùn)行良好。輸出電流電壓穩(wěn)定，在保護(hù)電路中起到至關(guān)重要的作用。反激型開關(guān)電源電路對(duì)電氣的額定值要

47、求低，啟動(dòng)開關(guān)電源時(shí)，保證電壓電流不至于過載，導(dǎo)致元件損壞，并且使電器運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，開關(guān)損耗幾乎為零。反激型開關(guān)電源電路適用于各種功率較低、額定值較低的電器當(dāng)中，因?yàn)橐陨戏N種優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)被廣泛推廣使用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]楊旭，裴云慶，王兆安．開關(guān)電源技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．</p>

48、;<p>　　[2]張占松，蔡宣三. ．開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì) [M]．北京：電子工業(yè)出版社，1998．</p><p>　　[3]王兆安，劉進(jìn)軍．電力電子技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．</p><p>　　[4]童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M]．北京：高等教育出版社，2006．</p><p>　　[5]詹艷君，楊筆鋒，涂永生．

49、基于UC3842反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)．[J].北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　[6]孫瑩，王奎. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化[M].北京：中國電力出版社，2004.</p><p>　　[7]楊存智,王伯華,孟凡芹,萬榮乾.基于矢量控制的機(jī)場加油系統(tǒng)性能仿真研究[J]. </p><p>　　機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010年02期</p>&