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1、目 录摘 要1前 言21 绪论41.1 开关电源的发展现状和发展趋势41.1.1 开关电源发展现状41.1.2 开关电源发展趋势41.2 课题背景和研究意义42 开关电源概述62.1 开关电源的分类和结构62.2 开关电源的工作原理62.2.1 开关电源电路的组成62.2.2 反激式开关电源的工作原理73 设计方案的比较与与选择83.1 本课题的设计要求83.2 系统设计整体架构83.3 开关电源控制电路的比较选择83.3.1 控制电路分析83.3.2 UC3842的工作原理和特点93.3.3 TOP243Y工作原理和特点113.4 电力场效应管MOSFET133.5 TL431153.6 系
2、统原理图153.6.1 系统原理163.6.2 电路主要参数的设计174 开关电源系统仿真204.1 NI Multisim 10系统简介204.2 本课题仿真结果21致 谢24参 考 文 献24第26页 共25页100W反激式开关电源设计研究摘 要：随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关电源有多种类型，其中反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。随着计算机技术的发展,开关电源的建模仿真研究对电源的设
3、计起着重要的辅助作用,不仅可以缩短开发周期,而且可以节约成本,所以电源的建模仿真研究已成为当今开发开关电源必不可少的部分,而且随着仿真软件的完善,使得开关电源的仿真越来越简单,可以仿真的部分与功能也越来越多。本文设计了一款100W反激式开关电源。关键词：反激；开关电源；拓扑结构；芯片Abstract：With the development of power electronics, switching power supply used more and more widely. Switching power supply with its small, light weight and
4、high efficiency characteristics, is widely used in various electrical equipment and systems, the merits of their performance is directly related to the realization of the whole system functions. There are many types of switching power supply, including flyback switching power supply With simple circ
5、uit, the fewer components needed, can provide multiple advantages, such isolated output is widely used in low-power power supply field. With the development of computer technology, the modeling and simulation of Switching Power Supply have assistant effects on power design and study; it can not only
6、 shorten the researching and development cycle but also reduce the design cost. The modeling and simulation research of power supply have become the essential part for Switching Power Supply researching and developing, and as simulation software improved, the simulation of Switching Power Supply is
7、simpler, the part and function of Switching Power Supply can be simulation also more and more.The paper designed a 100W flyback switching power supply.Key words: Flyback ;Switching Power supplies;Topology Structure;Chip前言电是工业的动力，是人类生活的源泉，我们都离不开电。而电源是产生电能的装置，表示电源性能的参数有功率、频率、电流、电压、效率、体积、重量等。因此，开关电源凭借着
8、其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用。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度调制（PWM）、控制IC和MOSFET构成。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。正因为如此，1994 年我国原邮电部做出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：1) 电子管稳压电源时期(1950 年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和
9、交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。2) 晶体管稳压电源时期(1960 年代-1970 年代中期)。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。3) 低性能稳压电源时期(1970 年代-1980 年代末期)。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在 20kHz 以下，工作效率 60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率 MOSFET 的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达 l00kHz 以上，并且可并联大电流输出。4) 高性能的开关稳压电源时期(19
10、90 年代至今)。随着新型功率器件和脉宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成 DC-DC 电源。由于开关电源功耗小、效率高(可高达 70%-95%)、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低(一般低于50%)，并且电压转换形式单一(只有降压)等缺点，如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、代线性电源 AD/DA 和取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。开关电源通常由六大部分组成：输入电路、功率因数校正、功率转换、输出电
11、路、控制电路、频率振荡发生器。参考文献24-68-11113-15详细的讲解了各个部分电路的工作原理、功能、设计方法以及参数的计算。参考文献1研究的是共模传导的模型分析了单相小功率回扫式开关电源的传导干扰源和共模干扰传播通道， 在细致分析回扫变压器绕组和屏蔽层作用的基础上， 建立了开关电源的共模传导干扰电路模型。具体说明了各干扰源的作用。文献12介绍了控制芯片UC3842的功能原理和其内部结构以及各管脚的功能。文献7介绍了采用实验和仿真结果建立基于Matlab 环境下的开关电源神经网络模型的方法，以及利用该非线性神经网络模型结合遗传算法理论对开关电源的电路参数进行优化设计的过程。文献3对目前出
12、现的几种典型的开关电源技术作了归纳总结和分析比较，在此基础上指出了开关电源技术的发展状况和开关电源产品的发展趋势。并且对开关电源的发展史、应用范围、主电路的选择作了简要的介绍。1 绪论1.1 开关电源的发展现状和发展趋势1.1.1 开关电源发展现状从开关电源出现以来，其发展大致经历了以下几个阶段：最早出现的开关电源是由分立器件组成的，其开关速度慢、效率低，并且电路复杂、所含器件多、稳定性差、设计和调试都很不容易；20世纪70年代由于大集成电路的出现和不断发展，人们实现了开关电源控制电路的集成化，从而开关电源的体积减小，效率和稳定性得到了很大的提高；20世纪80年代研制成功了单片开关电源，它可以
13、将开关电源的基本功能通过一个集成IC来实现，这种电源属于一种高度集成化的交流一直流变换器；如今,随着各种类型开关电源集成电路的不断发展和控制芯片功能的不断完善，电源的集成化程度越来越高,其效率和稳定性也不断的得到提高。1.1.2 开关电源发展趋势科学技术的日新月异，开关电源取得了快速的发展，其发展趋势大致为：1) 小型化和高频化：开关电源的发展方向之一是小型化，降低其体积和重量，提高功率密度。为了实现电源高功率密度，必须提高 PWM 变换器的工作频率，从而减小电路中储能元件的体积和重量；2) 高效率：减少开关电源损耗，提高电能的转换效率；3) 数字化：在功率电子技术中，控制部分最初是按模拟信号
14、来设计和工作的。随着数字信号处理技术的出现和日趋发展，并且越来越完善和成熟，数字电路显得越来越重要，显示出越来越多的优点。因此数字开关电源已经广泛应用，成为国内外开关电源行业发展的必然趋势；4) 模块化：在设计的开关电源时，应尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用大规模集成电路和模块化设计。通过以上几个方面的不断发展，使开关电源技术的越来越成熟，从而实现了高品质和高效率用电的结合。1.2 课题背景和研究意义在电力电子技术高速发展的时代，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开
15、关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的结构简单。其中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压，通过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制。这样，当输入电压发生变化，或负载变化引起电源的输出电压变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料
16、性能的不断改进，开关频率才得以提高。20世纪60年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJT、GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到10KHZ左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在20世纪70年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHZ。电子技术的迅猛发展一方面带动了电源技术的发展，一方面也对电源产品提出了越来越高的要求。体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源”已成为下一代电源产品的发展趋势
17、。功率密度的急剧增大导致电源内部电磁环境越来越复杂，因之产生的电磁干扰对电源本身及周围电子设备的正常工作都造成威胁。同时随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的EMC性能指标直接关系到其推向市场的时间。高效反激式开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。本设计就是设计一款低功耗的反激式开关电源控制IC。该芯片应具有以下特点：突出的性价比，较少的外围元件；能耗低，具有绿色模式功能，使系统在空载或轻载时工作在较低的频率下，能够有效减少能耗；具备各种完善的保护电路，在各种突发情况下仍能保证系统安全；优秀的抗电磁干扰(Elect
18、romagnetic Interference，EMI)特性；体积小，重量轻，适用于多种便携设备及电源适配器。本课题研究的是开关电源及其几个研究热点，符合开关电源的发展方向，有助于新技术在国内开关电源中的应用。理论联系实际，通过对开关电源的研究，可以使得理论知识应用于实际工程中，同时也培养了我的科研能力和创新意识。2 开关电源概述2.1 开关电源的分类和结构开关电源的结构有多种：1) 按驱动方式分：有自励式和他励式；2) 按电路控制方式分：有脉宽调制式(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)均式和PWM与PFM混合式；3) 按电路组成分：有谐振型和非谐振型；4) 按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方
19、式分：有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光藕耦合式等；5) 按变换器的工作方式分：有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。2.2 开关电源的工作原理2.2.1 开关电源电路的组成开关电源通常由六大部分组成，如图2-1所示。图2-1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压，经第二部分功率因数校正，提高其功率因数，保持输入电流与输入电压同相。第三部分是功率转换，由电子开关和高频变压器完成，把高功率因数的直流电压变换成受控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，将
20、高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经分压、采样后与基准电压进行比较放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉冲调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质就是电源变换。2.2.2 反激式开关电源的工作原理反激式开关电源的反激是指变压器的初级极性与次级极性相反。如果变压器的初级上端为正，则次级上端为负。基本电路如图2-2所示：图2-2 反激式开关电源原理图当PWM控制的MOSFET管导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，二极管VD截止，在变压器
21、次级无电流流过，即没有能量传递给负载当PWM控制的MOSFET管截止时，变压器初级所积蓄的电能向次级传送，这时变压器次级电感线圈中的电压极性反转下端为负、上端为正，使二极管VD正向导通，给输出电容C充电，同时负载上也有电流流过，变压器在电路中既起着变压器的作用，又起着电感储能的作用。当变压器初级储存的电能释放到一定程度后，电源电压通过变压器的初级绕组向三极管VT的集电极充电，又开始储能。上升到一定程度后，三极管VT截止，又开始了新一轮的放电。3 设计方案的比较与选择3.1 本课题的设计要求本课题的设计要求如下：1) 电路形式：单端反激式；2) 输 入： ；3) 输 出：；4) 开关管频率： 3
22、.2 系统设计整体架构本设计单端反激式开关电源系统级设计整体架构如图3-1所示，主要包括：前级保护电路、EMI 滤波电路、整流电路、RCD 钳位电路、反激变换电路、同步整流电路、输出滤波电路、反馈电路、控制电路等。图3-1 系统整体架构图工作过程分析：接入交流电，经过滤波电路之后；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，主电路包括高频变压器、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
23、输出端进行采样，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。3.3 开关电源控制电路的比较选择3.3.1 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。a) 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，
24、然后经过稳压控制系统，最终使输出脉冲宽度改变，从而达到输出稳定电压的目的。即不变，发生变化，即脉冲宽度改变。b) 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。即脉冲宽度不变化，而周期发生变化，即频率改变。c) PWM-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和导通时间两个参数来实现输出电压的稳定。PWM-PFM 兼有 PWM和PFM 的优点。本设计采用第一种 PWM 调制方式，属于 P
25、WM 调制方式中的电流反馈模式。3.3.2 UC3842的工作原理和特点UC3842是国内应用比较广泛的一种电源集成控制器，由尤尼创（Unitrode）公司开发的新型控制器件。它是一种高性能的固定频率电流模式控制型脉宽调制器，所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高。并且为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，这些集成电路具有可微调
26、的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高效益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。主要特点如下：1) 微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比；2) 电流模式工作到500kHZ： 3) 自动前馈补偿；4) 锁存脉宽调制，可逐周限流；5) 内部微调的参考电压，带欠压锁定；6) 大电流图腾柱输出；7) 欠压锁定，带滞后。a) UC3842内部结构UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路。其内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、基准电压、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等。下图3-2示出了UC38
27、42的引脚图，UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如图3-2：图3-2 UC3842引脚排列图脚COMP：误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚:反馈电压输入端，管脚电压与误差放大器同相端的基准电压进行对比，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚：为电流检测输入端，通过一个和开关管串联的电阻将流过变压器初级的电流转换为电压信号，将此电压送入脚，从而来调节脉冲宽度。并且当取样电压大于时，芯片停止工作，起到保护开关管作用；脚：为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，将和脚连接，和地相连，以确定振荡器的频率；脚GND
28、：为公共地端；脚OUTPUT：为推挽输出端，内部为图腾柱式输出，上升、下降时间仅为，驱动能力为 ；脚：是直流电源供电端，该芯片的启动电压为，低压锁定门限。具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为；脚：为基准电压输出端，有的负载能力。b) UC3842 的工作原理UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，主要用于高频中小容量开关电源，用它构成的电路在驱动开关管时，通常将误差比较器的反向输入端通过反馈电路经电阻分压得到的信号与内部基准进行比较，误差比较器的输出端与反向输入端用RC元件接成补偿网络，误差比较器的输出端与电流采样电压进行比较，从而控制PWM序列的占空比，达到电路稳定的目
29、的。它主要包括高频振荡、误差比较、欠压锁定、电流取样比较、脉宽调制锁存等功能电路。芯片工作起动电压是，关闭电压是，的起动与关闭电压差可有效防止电路在阀值电压附近工作而引起的振荡。芯片起动电流为，所以，芯片可以对高压用电阻降压起动，待起动完成后由馈电绕组供电。还提供的基准电压,带载能力。在UC3842的输入端与地之间，还有的稳压管，一旦输入端出现高压，该稳压管就被反向击穿，将供电电压钳位于，保护芯片不致损坏。3.3.3 TOP243Y工作原理和特点TOPSwitch 系列器件是三端离线式 PWM 开关器件(Three terminal off line PWM Switch)。第四代单片开关电源
30、 TOPSwitch-GX 是一个集成的开关模式电源芯片。通过高电压电源 MOS 管的漏极 D 输入量来改变输入占空比的大小从而使输出稳定。在正常工作情况下，功率 MOS 管的占空比随控制引脚电流的增加而线性减少。第四代 TOPSwitch-GX 芯片具有以下特点：1) 功率扩展到最大，适合构成大、中功率的高效率、隔离式开关电源；2) 外围电路简单，成本低廉；3) 完全集成的软启动，限制启动时的峰值电流和电压，显著降低或消除大多数应用中的输出过冲；4) 对于大多电源来说，可宽范围输入，具有更小的输出电容；5) 在 Y/R/F 封装上有离线和电流限制管脚；6) 具有线性限压检测，无关断尖峰干扰；
31、7) 频率抖动可减少 EMI；8) 用单电阻设置可同时实现过压和欠压保护；9) 在轻载时，频率减小能降低开关损耗和维持稳定的输出，保持多路输出电源具有良好的交叉稳压精度，且空载时不需要假负载；10) 有电压前馈，能有效减少电源纹波，增加承受瞬态干扰和浪涌电压的能力。a) TOP243Y内部结构其内部结构图如图3-3：图3-3 TOP243Y 的内部结构图TOP243Y 控制芯片主要由控制电压源、带隙基准电压源、频率抖动振荡器、软启动电路等 18 部分组成,具体结构如上图3-3所示。外部有6个管脚脚，管脚功能描述如下：D 管脚：高电压电源 MOS 管漏极 D 输出。内部起始偏置电流通过一个转换高
32、电压电流源来驱动这个管脚。漏极电流的内部流限检测点。C 管脚：误差放大器和反馈电流输入管脚用于调节占空比的大小。与内部并联调整器相连接，提供正常工作时的内部偏置电流。也用作电源旁路和自动重启动/补偿电容的连接点。L 管脚：对于 OV(过压)，UV(欠压)的输出管脚,线路检测伴随着 减少，开关开通或关断及同步性。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。X 管脚：外部流限调节、远程开/关控制和同步输入引脚。连接至源极引脚则禁用此引脚的所有功能。F 管脚：这个管脚是用来选择输入开环频率的。连接到 S 管脚时，则输出132kHz，如果与 C 管脚相连，则输出为 66kHz。S 管脚：这个引脚是功率 MO
33、S 管的源极连接点，用于高压功率的回路，也是初级控制电路的公共点及参考地点。b) TOP243Y工作原理分析TOP243Y是利用反馈电流IC来调节占空比D，从而达到稳定的目的，属于PWM 型电流反馈模式。当V0降低时，经过光耦反馈电路使得IC减少，则占空比 D相应增大，从而达到稳压目的，反之亦然。芯片内部具体工作过程分析如下：在启动的过程中，当滤波后的直流高电压加在D管脚时，MOS管起初出于关断状态，在开关高电压电流源连接在D管脚和C管脚之间，C 管脚电容被充电。当C管脚的电压VC达到大概5.8V的时候，控制电路被激活并开始软启动。在 10ms 左右时间内，软启动电路使MOS管的占空比从零逐渐
34、上升到最大值。如果在软启动末期，没有内部的反馈和电流回路加在管脚C上，高电压电流源将转向，C 管脚在控制回路之间通过放电来维持驱动电流。对UC3842和TOP243Y的结构特点、功能特点以及优缺点对比，本设计采用UC3842。3.4 电力场效应管MOSFET开关电源中的功率开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件。开关电源所出现的故障中约60%是功率开关晶体管损坏引起的。主电路中用作开关的功率管主要有双极型晶体管和MOSFET两种。随着绿色开关电源的发展，IGBT、BSIT及联栅晶体管（GAT）等新型功率开关器件也不断地涌现。因为开关管的工作频率为100kHz,故选择MOSFET作为开关管。MOS
35、FET分为P沟道耗尽型、P沟道增强型、N沟道耗尽型和N沟道增强型4中类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”（即驱动信号为零时，输出电流为零）特性。在开关电源中，用作开关功率管的MOSFET几乎全部都是沟道增强型器件。这是因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型器件，不存在二次击穿和少数载流子的存储时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。a) 场效应管的主要参数介绍：漏源击穿电压，表征功率管的耐压极限。最大漏极电流，在特性曲线饱和区中,漏极电流达到的饱和值。阀值电压，又称开启电压,是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。当栅源电压
36、大于阀值电压时,功率MOSFET开始导通。阀值电压一般在之间。导通电阻，导通电阻是指在确定的栅源电压下，功率MOSFET处于恒流区的直流电阻，它与输出特性密切相关,在开关电源中，决定了输出电压和自身的损耗。一般导通电阻小,漏源击穿电压高的MOSFET好。现在的工艺水平可以达到1以下。跨导(互导)，表征功率MOSFET的放大性能。最高工作频率，在漏源电压的作用下，电子从源区通过沟道到漏区是需要一定时间的。当栅源之间的控制信号的周期与此时间相当时，电子就来不及跟随控制信号。这个信号的频率就是最高工作频率。我们选用MOSFET的原因之一便是由于它的响应频率较高，一般达到几百KHZ。导通时间，和关断时
37、间，MOSFET是依靠多数载流子传导电流的。一般来说,影响开关速度的主要因数是器件的输入电阻、输入电容、输出电阻、输出电容。导通时间定义为：从输入信号波形上升至幅值10%到输出信号下降至幅值的90%所需时间；关断时间定义为：从输入信号波形下降至幅值的90%到输出信号上升至幅值的10%所需时间:开关时间几乎与温度变化无关，但与栅极驱动电源以及漏极所接的负载性质、大小有关。一般导通时间为几十纳秒，关断时间为几百到几千纳秒。随增加而增加，却随增加而减小。极间电容,极间电容是影响开关频率的主要因数。b) 功率MOSFET与功率晶体管的比较：功率MOSFET比功率晶体管有如下的优点：1) 开关速度非常快
38、;功率MOSFET是多数载流子器件，不存在功率BJT的少数载流子存贮效应,所以具有非常快的开关速度。一般低压器件开关时间为10ns数量级，高压器件为100ns数量级。特别适合于制作高频开关,可以大大减少元件的损耗、尺寸和重量。2) 高输入阻抗和低驱动电流；直流电阻达以上，因而它的输入阻抗极高，是一种理想的电压控制器件。平均直流驱动电流很小，在100nA数量级。3) 安全工作区大;功率MOSFET没有二次击穿。4) 漏极电流为负的温度系数有良好的热稳定性。可以简单地并联以增加其电流容量。c) MOSFET的驱动：功率MOSFET工作频率可以达到很高，但是当功率MOSFET工作在高频时，就会出现振
39、荡。为了防止振荡,应注意两点：1) 尽可能减少功率MOSFET各端点的连线长度，特别是栅极引线。或者在靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡；2) 由于功率MOSFET的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡。3.5 TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从（2.5V）到36V范围内的任何值。基本应用电路如下图3-4：图3-4 TL431基本应用电路图3.6 系统原理图经过对开关电源工作原理的分析与了解，以及对输入电路、主电路、输出电路、反馈电路和控制电路的构成和各电路器件的选择，设计出了本课题要求的
40、原理图如图3-5：图3-5 100W反激式开关电源原理图3.6.1 系统原理本文以UC3842为核心控制部件，设计一款AC 220V输人，DC 12V功率100W输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。主要的功能模块包括:启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。a) 启动电路如图3-5所示，交流电由、进行低通滤波，是单级低通滤波电路。其中、组成抗串模干扰电路，所用的电容啥聚酯电容，用于抑制正态噪声。低通滤波回
41、路啥开关电源输入的“大门”，电网电力就是经低通滤波进入的。它有两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声、高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。滤波后的交流电压经桥式整流以及电解电容滤波后变成的脉动直流电压，此电压经降压后给充电，当的电压达到UC3842的启动电压门槛值时,UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用稳压管限定UC3842的输人
42、电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。b) 短路过流、过压、欠压保护电路由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生。因此，电路必须具有一定的保护功能。如图3-5所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，两端的电压上升，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V(即电流超过1.5A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚6无输出，MOS管截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压(在265V以上)，UC3842
43、无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V,UC3842的脚1电压也下降，当下降1V(正常值是3.4V)以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。因此，此电路具有过压、欠压双重保护。c) 反馈电路反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817（由于仿真软件multisim中没有PC817故用其他元件代替）。利用TL431可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图3-5所示，、是精密稳压源的外接控制电阻，它决定输出电压的高低，和TL431一并
44、组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压也随之升高，设定电压大于基准电压（2.5V），使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压下降，最后趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输人电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。d) 输出整流滤波电路输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。1) 输人电源的噪声，是指输人电源
45、中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输人端加电容，以滤除此噪声干扰。2) 高频信号噪声，开关电源中对直流输人进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。滤波电感采用电感，可滤除高频噪声。3) 采用快速恢复二极管整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。3.6.2 电路主要参数的设计a) 开关稳压电源中 RCD箝位参数计算单端反激式开关电源具有结构简单、输入输出电气隔离、电压升降范围宽、易于多路输出、
46、可靠性高、造价低等优点，广泛应用于小功率场合。然而，反激变换器在功率开关管关断的瞬间，由于变压器漏感的存在，会产生较大的尖峰电压，这个电压可能会超过开关管的额定值，从而给变换器带来严重危害，同时在开关管上产生较大的关断损耗及电磁干扰。为了消除这些隐患，需要在变压器原边侧采用箝位电路和在开关管上并联缓冲电路，在反激式变换器中，箝位电路采用RCD形式具有结构简单，成本低廉等优点，因此这里采用RCD网络作为反激电路的箝位电路和开关管的缓冲电路。下图3-6为RCD 箝位电路：图3-6 RCD 箝位电路图3-6中：箝位电容两端间的电压；输入电压；开关管漏极电压；初级绕组的电感量；初级绕组的漏感量。该图中
47、RCD箝位电路的工作原理是：当开关管导通时，能量存储在和中，当反激式变换器中RCD箝位电路的开关管关闭时，中的能量将转移到副边输出,但漏感中的能量将不会传递到副边。如果没有RCD箝位电路，中的能量将会在开关管关断瞬间转移到开关管的漏源极间电容和电路中的其它杂散电容中，此时开关管的漏极将会承受较高的开关应力。若加上RCD 箝位电路， 中的大部分能量将在开关管关断瞬间转移到箝位电路的箝位电容上，然后这部分能量被箝位电阻消耗。这样就大大咸少了开关管的电压应力。计算箝位电容和箝位电阻可以通过以下公式计算： （3-1） （3-2）式中：箝位电阻消耗的能量；：初级绕组漏感中存储的能量；：次级到初级的折射电压。：箝位电压；将能量转换为平均功率则(3-1)式可变为： （3-3）式中：变换器的工作频率；：初级绕组的漏感量；：开关管的最大峰值电流(即低压满载时的峰值电流)。这样由(3-1)、(3-3)式就可得到箝位电阻的计算公式： （3-4）箝位电容的值应取得足够大以保证其在吸收漏感能量时自身的脉动电压足够小，通常取这个脉动电压为箝位电压的5%-10% ，这样，就可通过下式来确定的最小值。 （3-5