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1、-本科学生毕业论文单管正激式开关稳压电源的设计系部名称： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气11-1班 学生姓名： 吴位信 指导教师： 葛洪军 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一五年六月The Graduation Thesis for Bachelors Degree Design of the single pipe is shock type switch regulated power supplyCandidate：Wu WieixinSpecialty：Construction MachineryClass：11-1Supervisor：Associate Prof
2、. Ge HongjunHeilongjiang Institute of Technology2015-06Harbin-第 27 页- 摘 要 开关稳压电源有多种类型，其中正激式开关电源因其电路简单可靠，抗过载能力强，所需要的元器件较少，容易集成，不易饱和且能够提供多路隔离输出等优点而被广泛应用于中、小功率电源领域。为了保证电路的稳定可靠，本次设计采用的是隔离型电路，其中以单端正激型变换器作为主电路，其主要由高频变压器与开关管构成，主要功能是处理电能。本文分析了PWM脉宽调制芯片UC3844构成开关电源的整体结构电路，并以UC3844作为主芯片控制功率MOS管P60NF06的导通与截止，而
3、UC3844的启动电压由三端稳压器LM7818输出提供，采样反馈电路以TL431和光电耦合器PC817为核心，而输入滤波电路和输出整流滤波电路主要由电容构成，且对输入干扰和输出纹波电压有了很好的消除作用，使系统更加的稳定可靠，从而完成了单管正激式开关电源的设计。关键词：开关电源，正激型变换器，PMW，UC3844ABSTRACT With the rapid development of power electronic technology, the application of switching power supply is also more and more widely. The
4、re are different types of switching power supply, which is the IP switch power supply because of its circuit is simple, reliable, strong overload capacity, the required components less, ease of integration, not easily saturated and can offer the advantages of multiple output isolation and widely app
5、lied in the medium and small power sources. This design is given priority to with single correct type excitation converter circuit, mainly consists of high frequency transformer and switch tube, its main function is to deal with electricity. This paper analyzes the PWM pulse width modulation chip UC
6、3844 constitute integral circuit structure and working principle of switch power supply, and by UC3844 as the main control chip control switch tube P60NF06 conduction and deadline, sampling feedback circuit TL431 and photoelectric coupler PC817 as the core, and the input filter circuit and output re
7、ctifier filter circuit is mainly composed of capacitor, and the input and output ripple voltage has the very good elimination effect, make the system more stable and reliable, thus complete the single pipe is shock type switching power supply design.Key words: Switching power supply；Normal shock typ
8、e converter；PWM；UC3844目 录摘 要Abstract第一章 引 言11.1 开关电源的国内外发展概况11.2 课题研究的目的和意义11.3课题研究的主要内容2第二章 正激式开关电源总体方案的设计32.1开关电源变换电路的选择32.2 控制电路的选择32.2.1单片机控制电路32.2.2芯片控制电路42.3正激式开关电源的电路结构图42.4本章小结4第三章 单管正激式开关电源的设计53.1正激式开关电源的工作原理53.2变压器的设计63.2.1铁芯材料的选择63.2.2变压器AP公式推导63.2.3变压器的原副边匝数83.2.4原副边线径93.2.5变压器的缠绕93.3电感的
9、设计93.3.1导磁材料103.3.2电感感值103.3.3电感电流峰值113.3.4电感匝数11 3.3.5线径123.4部分元器件123.4.1 MOSFET开关管123.4.2 输出电压采样电阻133.5输出滤波电路143.5.1输出滤波电容143.5.2输出整流二极管143.5.3输出整流滤波电路的设计143.6辅助电源153.7控制电路153.7.1 PWM控制芯片UC3844163.7.2控制回路的设计163.8输入滤波电路173.9 反馈电路173.9.1 光电耦合器173.9.2可控精密稳压源TL431183.9.3采样反馈电路的设计183.10单管正激式开关电源电路的设计18
10、3.11本章小结19第四章 单管正激式开关电源电路调试与结论204.1电路板调试204.1.1通电前调试204.1.2通电调试204.2指标测试204.2.1输出电压电流的测试204.2.2纹波电压214.2.2负载效应测试214.2.3效率214.3测试结论224.4本章小结22结 论23参考文献24致 谢25附 录26附录A 系统电路图26附录B 实物图27附录C 元器件清单28第一章 引 言1.1 开关电源的国内外发展概况自开关电源出世以来，就意味着人们已经慢慢进入高新技术时代。相控稳压电压在上个世纪中承担着一个电源支柱的角色。由于当代社会发展的需要，电力电子技术得到迅速发展，电源技术也
11、在不断地进步。直到直流开关稳压电源的出现，其逐渐替换了之前的相控稳压电源。从上个世纪九十年代到现在，伴随着电力电子技术的发展，大电流、低电压的直流开关稳压电源因为其技术含量比较高，且应用广泛，所以越来越受到人们的青睐。在世界的范畴中，我国作为一个发展中国家，各项电源技术的房展道路与发达国家存在不小的距离，毕竟国内的电源技术起步比较晚，从1977年才进入电源的初步发展期，所以技术相对来说比较落后。因此，我国需要进行电源技术的高新发展。在这个方面来说，电源技术在我国也得到许多侧重，所以越来越多高性能开关电源的身影也逐渐出现在工业和生活中。21世纪初，国外成功研制出隔离式PWM型单片开关电源，之后又
12、生产出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品，这意味着开关电源已经进入一个新时代。电源技术发展的基础是功率器件的发展，因为功率器件就是开关稳压电源的开关，它控制着电源的导通与关断。由最初的GTR，到MOSFET，再到之后的IGBT，功率器件的发展也是非常的迅速，而且功能也是越来越强，对开关稳压电源的影响也是越来越大。所以功率器件的研究生产对开关电源而言非常重要，世界各国也都正在对这一方向进行研究，提高其性能，这样开关电源的生产就能更好的完善。此外，变压器和磁性元件也都是电源中非常重要
13、的功能元件，这也都是国内外目前正在研究的。进入二十一世纪以来，随着电力电子技术的迅速发展，其装置的市场需求也越来越大，电源技术的应用也越来越广泛。由于很多大型工业的发展与完善，许多微电子生产技术得到了很大的进步，包括电力设备、仪器仪表、家用电器等均得到了飞速发展，而这些小型电子设备都离不开直开关稳压电源。所以开关电源体积和质量的生产对设备的要求及其重要。从开关电源技术的发展过程可以看到，开关电源的未来发展方向主要是利用最低成本生产出性能最好的产品。1.2 课题研究的目的和意义伴随着当今社会的发展，人类已经进入工业时代，而且正在转入另一个时期，那就是高新技术产业，所以在以后的社会生活当中人类都离
14、不开电源，因为电源是向负载提供优质电能的供电设备。生活中的很多东西其实都是息息相关的，因为电源技术的不断发展，很多高新半导体、新控制技术及软开关技术都已逐渐用于开关电源，使开关电源的发展上升到另外一个阶段，逐步完善其高效率、高频率、高功率因数等性能。现在的生活中，我们都应用了很多的小型电子设备，比如电源适配器、仪器仪表等，而这些小型电子设备需要能够提供稳定的电源，才能满足人们的需求。而直流开关稳压电源中，正激型变换器中变压器的铜损较低，输出纹波电压较小，电路稳定可靠，电路简单且易于实现。基于这个思想，本次设计了一个小功率单管正激式开关稳压电源。通过此次对开关电源的深入研究，希望能够具备掌握电路
15、设计的能力，提高对所学专业知识的综合应用能力，包括资料检索、专业文献阅读、设计能力和实践能力。1.3课题研究的主要内容在本次设计中，主要采用UC3844芯片组成控制电路产生PWM信号控制开关管，从而制作一个稳定可靠，价格低廉，高效率，电路简单且容易实现的单管正激式开关稳压电源。主要通过对正激型变换电路和PWM控制电路的深入学习和研究，设计出整个系统的总体电路，并完成实物的制作。 1、设计技术指标： （1）输入直流电压：2028V （2）输出直流电压：7.5V （3）输出电流：2A （4）额定效率：80% （5）频率：=75KHz （6）电压调整率： （7）负载调整率： 2、设计中需要解决的一些
16、关键技术： （1）DC/DC变换器的选择； （1）变压器的设计； （2）电感的设计； （3）PWM控制电路的设计； （5）驱动功率开关管； （6）反馈电路的设计。第二章 正激式开关电源总体方案的设计 本次设计的主要任务是制作出一个可靠稳定，价格低廉，高效率，电路简单且容易实现的单管正激式开关电源。所以选择一个好的设计方案是很重要的，下面对此设计的主电路与控制电路的选择进行了分析。2.1开关电源主电路的选择开关电源变换电路主要分为隔离和非隔离两种方式，为了提高开关电源的安全性，本次设计中选择的是隔离方式。隔离型电路主要包括正激型电路、反激型电路、全桥型电路、半桥型电路和推挽型电路。其中后面三个电
17、路可以应用在大功率的领域，而只有正激型和反激型变换电路常用在功率较小的领域中。因为本次设计是小功率的开关稳压电源，所以应该选择正激型变换电路或者反激型变换电路。反激型和正激型电路之间有一定的区别，反激型变换器中的高频变压器相当于电感，其作用是是储能，而且在设计时需要还考虑磁饱和的问题。而正激型变换器高频变压器的作用是变压和传递能量，而且在导通与关断转换过程中是不存储能量的，所以，我们需要消除少量的剩余能量，不过，在设计时只要增加一个简单的磁复位电路就可以保证其在大动态重负载下不会磁饱和，而且正激型变换器的输出纹波、启动电流和所需滤波电容都较小，电路工作也很稳定。因为正激型电路的漏感比较小，所以
18、峰值电流也较小。所以本次设计主电路选择单管正激型电路。2.2 控制电路的选择 控制电路的设计主要是使开关电源在各种工作状况下都能够稳定的工作，并且达到要求的动态性能。电源的很多指标也都与控制电路有关，比如开关电源的稳压稳流精度、纹波、输出特性等。与电源的主电路不同，控制电路主要处理电信号，它控制开关电源主电路开关管的开通与截止，工作状态如果出现故障，将会使整个电源停止工作甚至损坏。所以在设计中我们需要选择一个既简单有可靠的控制电路。2.2.1单片机控制电路控制电路利用DSP或者单片机产生脉PWM信号，来控制开关的截止和导通，若使输出的电源电压稳定在最初设定时的数据，那么可以根据A/D转换模块的
19、转换后的反馈电压，从而改变占空比。不过这个方案不仅涉及到硬件，还需要有软件的设计，所以实现起来比较复杂。2.2.2芯片控制电路脉冲控制信号也可以通过采用电流模式控制器控制产生。在各种开关电源的设计中一般都采用电流模式控制器或者电压模式控制器构成的控制电路，其最大的优点就是外围电路非常简单，稳定性非常好，而且价格便宜。综上所述，考虑到系统的稳定、成本及难易程度等因素，所以本次设计选择常用的UC3844作为PWM控制电路的主芯片。2.3正激式开关电源的总体框图本次设计的单管正激式开关电源主要由主电路和辅助电路组成。如图2.1所示，主电路由磁复位电路、DC/DC变换电路、输入滤波电路和输出整流滤波电
20、路等四部分组成，辅助电路主要由辅助电源电路、PWM控制电路和采样反馈电路采样反馈电路等六部分组成。其中，DC/DC变换电路采用正激型变换电路，控制电路以UC3844为核心来控制开关管的导通与截止，隔离反馈电路主要由PC817和TL431构成。图2.1 系统总体框图2.4本章小结 本章首先通过比较各种隔离型变换电路，确定本设计的主电路采用正激型变换电路，然后通过比较确定了控制电路，本系统采用UC3844作为主控制芯片，这样整个系统的主要部分已经确定，最后经过正激电路基本拓扑的分析设计出整个系统的原理框图。第三章 单管正激式开关电源的设计3.1单管正激型电路的工作原理 隔离型变换电路应该在输入和输
21、出的回路之间加一个隔离器件，其主要作用就是电气隔离，一般都是采用变压器作为电路的主隔离器件。另外，为了防止由剩磁通累加而导致的磁芯饱和，所以在设计电路时需要采用磁复位技术。本次设计中采用简单的辅助磁通绕组复位技术，主要方法就是在设计变压器的时候增加一个附加线圈（励磁绕组）。如图3.1所示为单管正激型电路原理图，其中去磁绕组N3和嵌位二极管D2构成磁复位电路。 图3.1 单管正激型电路的原理图 当正激型电路工作在电感电流连续状态的时候，开关管Q导通和关断的工作过程分别如下： t0t1时段：t0时刻电路开关管Q导通时，变压器初级绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的次级绕组N2两端的电压与N1一
22、样，也是上正下负。因此VD1处于导通状态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增大，直到t1时刻Q关断；t1t2时段:t1时刻电路开关管Q关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，电感L的电流逐渐下降。开关管Q关断后,变压器的励磁电流经励磁绕组流回电源，所以Q关断后承受的电压为 （3.1）分析其工作过程，可以得出正激型电路电流连续状态的波形图。如图3.2所示。图3.2 正激型电路工作于电流连续状态的波形图3.2变压器的设计3.2.1铁芯材料的选择因为铁氧体材料价格便宜，工艺性能也好，所以本次设计选用的磁性材料是日本TDK公司的PC40型号。3.2.2变压器AP公式推导在开关电源中，高频变压器的磁心尺
23、寸的选择很重要，因为它与电源的输出功率、工作频率以及电路结构等因素都有关系。（1）从电磁感应定律考虑 （为截面积） （3.2） （3.3） （3.4）原边匝数不能太少，太少，就会太大，则有可能饱和。同时匝数不能取太大，因为取太大了占空比就容易超过0.5。（2）从窗口角度考虑 (为单匝线圈的截面积) （3.5） （为原边的面积系数，为填充系数） （3.6） （3.7）由公式3.3和3.6可得 （3.8）取占空比 （3.9）又因为当电感足够大的时候，足够小，所以近似为一条直线，即，如图3.3所示。图3.3 变化图所以 （3.10）而 （） （3.11） （3.12） （为方均根电流系数） （3.1
24、3）所以 （3.14）又因为的平均值就是 （取） （3.15） （） （3.16）（3）确定所需值 （3.17）令， （3.18）（4）选磁芯型号 在设计中选择的时候，既要保证磁芯不饱和，还要使铜线能够很好地绕制，所以本次设计的变压器选择的型号是PC40EE25（），其值远远大于实际制作的变压器的确定所需值，所以满足条件。3.2.3变压器的原副边匝数（1）原边匝数因为 令，所以 （3.19）（2）计算匝数比 （3.20） 由伏秒积平衡得 （3.21）所以 （3.22）（3）副边匝数 （3.22） 本次设计副边匝数取15匝。（4）重新核算 （3.23） 不能取太大，取太大，则上升，有可能大于0.
25、5，所以取匝。（5）磁复位绕组 （匝） （3.24）3.2.4原副边线径 取 （3.25） 则 （3.26） 所以 （3.27）又 （3.28）所以 （3.29）在本次设计中，原边与副边的线径取已有规格的0.47mm。又因为励磁电流非常小，所以取0.21mm即可。3.2.5变压器的缠绕在缠绕正激式变压器时，从上往下看，变压器的骨架上有标识的位置是一脚，逆时针排列依次为28脚。先缠原边1脚进，从下往上一匝一匝挨着向上绕一直到顶，外缠绝缘胶布，再从上往下绕，直到匝数够了，再缠一层绝缘胶带，把引出线刮漆后缠在2脚上，再焊接上；同样道理，再缠副边从7脚进8脚出，出线刮漆后并焊接上，再缠一层胶带，最后缠
26、励磁绕组从3脚进4脚出，出线刮漆后并焊接上，再缠一层胶带就可以了。最后把磁粉芯从上往下扣上，再缠紧胶带，因为不紧的话，会使气隙增大，导致驱动芯片过热。3.3电感的设计电感（电感线圈）是开关电源中常用的元器件，主要是用绝缘导线绕制而成。其主要的作用是对交流信号进行隔离、滤波。3.3.1导磁材料本次设计导磁材料选择的是铁粉芯，其特点：颜色不同磁导率不同，铁粉芯的效率低，电流纹波大，价格低廉且运用广泛。选择型号：本案选择铁粉芯的型号为T106-26，即铁粉芯里的26号铁粉芯。T106-26参数如下： ; 内径：； 厚度：； 外径：； 长度：； 截面积：； 体积：； 饱和磁感应强度：。3.3.2电感感
27、值因为在这里电感的作用为滤波，所以我们将其电感设计大一点，工作在连续模式。 （3.30） （3.31）因为在电感里D是变化的，所以当时有；当时有。 （3.32）由伏秒积平衡得 （3.34） （3.35） （3.36）故 （3.37） （3.38）3.3.3电感电流峰值当时，对应的最大，所以 （3.39）其中 （3.40）即 （3.41）所以 （3.42）3.3.4电感匝数 （3.43）其中 ；所以 （3.44） 本次设计取46匝。当然，在缠完后可以用电感表测电感值，如有太大误差，可以增减电感线圈的匝数。用电感表测电阻时，要先把探针短路读初值，然后测电感L，再减掉初值；测量时把铜线线头的漆刮掉，
28、用2mH的档位测量。3.3.5线径铜线粗细的选择：铜线选细的会太热，选粗的又浪费，且铜线通过电流时有要求。发热与电流密度J有关，散热条件好的可以选J大点的，散热条件不好的可选J小点的。而发热又与电感电流的有效值有关。电感电流的有效值 （3.45）直流时，完全相等，的平均值为Io，算线径Io要取额定值。所以，取最大值（2A）。截面积 （3.46） 因为 （3.47） 所以 （3.48）本设计取已有规格为0.8mm的铜线。平均匝长： （3.49）每匝长度： （3.50）总长度： （3.51）所以本案中总长度选取2m。 因为 （3.52） 所以 （3.53） 所以本次设计的磁感应强度符合设计要求。3
29、.4部分元器件3.4.1MOSFET开关管功率开关管它是一种电压控制器件，因为其所需功率比较小，热稳定性高，开关速度很快，所以被广泛应用于小功率的电源装置中。本次设计选用的功率MOSFET开关管是P60NF06，其开关速度很快，导通电阻很小，这样既减少了开关损耗，也降低了本身寄生电阻的损耗。需要注意的是，在实际应用开关管的时候，为了防止开关管温度过高影响开关性能甚至损坏，应该安装一个散热器。P60NF06参数如下： ； ； ；如图3.4.1所示P60NF06的引脚1,2,3对应图3.4.2电气符号图中的G（栅极）,D（漏极）,S（源极）。GSD321 图3.4.1 P60NF06的引脚图 图3
30、.4.2 P60NF06电气符号图3.4.2 输出电压采样电阻取R12=4.7 K。其实用1 K、2.2 K、10 K都可以，但是电阻取太大的话，分流小，会影响分压，取太小的话，耗损又太大，所以这里我们选择R12=4.7 K。因为TL431的基准电压为： （3.54）所以 （3.55）解得 因为没有9.4 K的电阻，所以本次设计采用两个4.7 K的电阻串联代替。3.5输出滤波电路3.5.1输出滤波电容假设纹波电压 （3.56）则 （3.57） 又因为 （3.58）所以 （3.59）且 所以 （3.60）因为实际上电容值要比下限值大得多，所以本案选择220F/25V的电容。为了使输出电路的滤波效
31、果更好，所以我们在设计滤波电路时应该再并联一个高频电容（0.01F或0.1F的陶瓷电容就可以），这里我选择的是104瓷片电容。3.5.2输出整流二极管（1）二极管两端最大阻断压降: （3.61）（2）二极管电流最大值: （3.62）本次设计采用比较熟悉的肖特基二极管作为整流器件，它的为3A；反向耐压为40V；不大于0.55V。3.5.3输出整流滤波电路的设计本次设计采用的是由D4和D5构成的半波整流电路，在整流电路的输出端串联一个电感L1、并联两个电容（C6和C7）组成滤波电路，如图3.10所示。其中，电感滤波主要是利用电感的储能作用来减小输出电压脉冲的。 图3.10 输出整流滤波电路3.6辅
32、助电源 因为UC3844的启动电压为16V，所以本次设计采用比较常用的三端稳压器LM7818组成稳压电源，这种稳压电源电路不仅内部有过流和过热的保护电路，外围元件很少，价格低，且具有很好的实用性。当然，我们在实际应用三端稳压器的时候，为了防止稳压管温度过高影响稳压性能甚至损坏，应该在三端集成稳压电路上安装散热器。由LM7818构成的三端稳压集成电路如图3.5所示，其作用是向UC3844提供启动电压。图3.5 辅助电源电路图3.7控制电路3.7.1 PWM控制芯片UC3844UC3844芯片体积很小，所需外围原件也很少，成本低廉，稳定性好，且具有欠压锁定和过压保护的作用，因此多用于构成各种开关电
33、源的控制电路。如图3.6所示，UC3844芯片的内部结构主要有误差放大器、振荡器、内部基准源电压、电源欠压锁定单元、锁存脉冲调制器和PWM比较器等。UC3844芯片总共只有八个引脚，引脚功能如图3.7所示。 图3.6 芯片UC3844的内部框图 图3.7 UC3844芯片引脚图（俯视图）3.7.2控制回路的设计单管正激式开关电源的控制电路如图3.8所示。电路启动后，UC3844的8引脚输出一个基准参考电压，4引脚则产生稳定振荡波形(振荡频率)，6引脚为输出端产生PWM信号控制MOS管P60NF06的导通与截止。3脚为电流检测输入，为了防止电流波形前沿尖脉冲所导致电路的不稳定，所以需要在3脚与主
34、电路之间接一个RC滤波电路（由R2和C3构成）。图3.8 单管正激式开关电源的控制电路3.8输入滤波电路 由于本次设计的正激式变换器输入电压是直流，直流的波动比较小，所以输入滤波电路主要由电解电容器构成，如图3.9所示。本次设计输入滤波电路中选用的是470F/63V的电解电容器，如图所示，其作用是滤波和储能，在变换器刚启动，输入电源还来不及供电的时候，它可以供电，从而使输入波动较小。 图3.9输入滤波电路3.9 反馈电路3.9.1 光电耦合器光耦合器是由LED和光敏三极管组成的，其作用是进行电气隔离，同时又进行信号的传输。本次设计光电耦合器采用的是常用的线性光耦PC817，因为其传输距离远、效
35、率高等优点，所以常被应用在仪器仪表、电气设备等领域中。3.9.2可控精密稳压源TL431可控精密稳压源TL431不仅性能好，而且价格低，所以被广泛应用在各种电源电路中，其基本接线如图3.11所示，内部线路图如图3.12所示。 图3.11 TL431基本接线图 图3.12 内部线路图3.9.3采样反馈电路的设计如图3.13所示，采样反馈电路主要由TL431、PC817和电压采样电阻（R11与R12）构成。图3.13 采样反馈电路3.10单管正激式开关电源电路的设计本次设计的单管正激式开关电源电路主要由PWM控制电路、输出整流滤波电路、直流变换电路、辅助电源模块、输入滤波电路和采样反馈电路等六部分
36、组成。其中，直流变换电路采用正激型变换电路，输入和输出滤波部分主要由电解电容构成，控制电路主要以UC3844为核心来控制开关管的导通与截止，且UC3844内部电路有过电压保护电路，辅助电源电路主要由三端稳压管LM7818组成，隔离反馈电路主要由TL431和PC817构成。如附录A（系统电路图）所示。3.11本章小结本章开始简单的说明了单管正激型开关电源的工作原理，然后对一些电力电子器件的工作原理及主要参数进行了详细的介绍，主要包括变压器、电容、电感、MOSFET管和二极管等，在此基础上还介绍了UC3844的外围电路。最后分别对各辅助电路进行分析与设计。第四章 单管正激式开关电源的调试与结论4.1电路板调试4.1.1通电前调试把系统的电路原理图部分都完成之后，就是制作实物了。为了电路板能够正常工作，同时方便以后电路板的调试，在焊接电路前，应该确定每个元器件都是正常的，且在焊接电路时一定要避免虚焊。通电前检测的目的是排除硬件故障，以免电路板通电后发生故障。在实物制