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1、开关电源各功能电路详解（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）一、 开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。 开关电源的电路组成方框图如下：二、 输入电路的原理及常见电路1、AC 输入整流滤波电路原理： 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使
2、高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。2、 DC 输入滤
3、波电路原理： 输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于 C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。三、 功率变换电路1、 MOS管的工
4、作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。 2、 常见的原理图：3、工作原理： R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空
5、比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 。 R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。 Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着
6、脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4和R6为尖峰电压吸收回路。 4、推挽式功率变换电路： Q1和Q2将轮流导通。5、有驱动变压器的功率变换电路： T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。四、 输出整流滤波电路： 1、 正激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成型滤波器。 2、 反激式整流电路：T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成型滤波器。
7、3、同步整流电路：工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经 C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2 为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使 Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成 型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。新型多 功能 反激式开关 电源设计张 厚升 , 赵 艳 雷(山 东 理工 大 学 电气 与 电子 工 程 学院 , 山 东 淄 博 255049摘要 :以 峰 值 电 流型 PWM 控制 芯片 UC3842为 核 心 设 计 了 一 种 新 型多 功 能 反 激
8、 式 开 关 稳 压 电 源 , 该 电 源 具 有 6路直 流 隔 离 电 压 输 出 。 介绍了 其 工 作 原 理 和 外 围 电 路设 计 。 为 了 满 足 电 磁 兼 容 性和 安 全 性 要 求 , 设 计 了 EMI 抑制 电 路 。 详细 介绍了 一 种 新 型 变 压器绕 组 缓 冲 电 路 的 设 计 方 法 , 着 重 介绍了 反 激 式变 换 器 的变 压器设 计 过 程 , 包 括 齐 纳箝 位 电 压 的 计算 、 实 际占空 比 的 计算 、 电 感 值 的 计算 、 磁 芯 的 选择 、 各 路 输 出 绕 组 匝 数 的 确 定 以 及气 隙 的 计算 。
9、实 现了 对输 出电 压 的 负 反 馈调节 及 各种 保 护 机 制 。 实验 结 果 表 明 , 该 开 关 稳 压 电 源 具 有 稳 压 性能优 良 , 纹 波 小 , 电 压调 整 率 、 负 载 调 整 率 高 , 体 积 小 , 质 量 轻 , 电 磁 兼 容 性 好 等 优 点 。关键词 :开 关 电 源 ; 反 激 式变 换 器 ; UC3842; 缓 冲 电 路 ; 变 压器 中 图 分 类 号 :TM 464文 献标识 码 :B 文 章 编号 :1006-6047(2021 01-0113-05收稿 日期 :2021-05-16; 修回 日期 :2021-11-04基金项
10、目 :国 家 自 然 科 学 基 金 资助 项 目 (50807034 电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol. 31No .1 Jan. 2021第 31卷第 1期 2021年 1月随着 全 球 能 源 危 机 和 环 境 污 染 问 题 的 日 益 严 重 , 开 发 利用 清洁 的可 再生 能 源 势 在 必 行 。 风 力发电 并网系统 、 光伏 发电并网系统 成为 研究 热 点 。 而 这些 并网系统的正常 工 作 往往 需要 给其 主 控系统 、 通信 系统 等 功能模 块 提供 多路 稳 定 的 隔 离 直流电源 。
11、 另 外 在变频器 、 适 配器 、 医疗 仪 器 等 精密 电子系统 , 各 类 电器 及 仪 表 中的直流电源 等 功 率 等 级 较 小 的场 合 , 也 广 泛 使 用 了 小功率 电源 。 开关 电源 由 于 具 有 效 率高 、 体 积 小 等 诸 多 优 点 , 近年来 在 这些 领 域 得 到了 越 来 越 多的 应用 。由 于 反激 变换器的电路 拓扑简 单 , 输 出 与输入 电 气 隔 离 , 能高 效 提供 多 组 直流 输 出 , 升 降 压 范 围 宽 , 因 此 在中 小功率 场 合 得 到 广 泛 应用 1。 本文 利用 反激 变换器的 特 点 , 基于 UC3
12、842设计 了一 种 新型 多 功能 隔 离 型 反激式开关 电源 , 能提供 6路 工 作 电 源 , 还 能 自 适应 输入电压波 动 , 随着 输入电压的变 化 能 自 动 调 节 PWM 输 出 来 保 证 输 出 电压的 稳 定 。1设计 要 求多 功能 反激式开关 电源设计 要 求 为 风 力发电并 网系统 提供 驱 动 电压 , 为 光 耦 、 继 电器 、 控制 芯片 等 提 供 工 作 电源 。 具 体 指 标 如 下 :输入 为 交 流 90250V (正常 220V ; 输 出 为 2路 20V /0.5A 输 出 、 1路 15V /0.6A 给 UC3842供 电 、
13、 2路 15V /1A 输 出 、 1路 12V /1A 输 出 、 1路 5V /1A 输 出 , 反 馈 绕 组 无 后 级 线性 调 整 器 , 其 余 各 路 输 出 后 级 均 有 线 性调 节 器 ; 开关 频 率 为 40kHz , 总 输 出功率 为 76W , 效 率 为 85%。2控 制 芯片 选择多 功能 反激式开关 电源 选 用 美 国 Unitrode 公司生 产 的 高 性 能 单 端 输 出 式 电流 控 制 型 脉 宽 调 制 器UC38422作 为 控制 芯片 , 其 内 部 结 构 如图 1所 示 , 该芯片 可 专 门 用 于控制 占 空比 适应负 载 变
14、 化 造 成 的输 出 电压变 化 , 具 有电流 反 馈和电压 反 馈双 环 控制的 特 点 , 负 载 调 整 率 好 , 除 具 有输入 端 过 压 保护 与输 出 端 过 流 保护 功能 之 外 , 还 设有 欠 压 锁 定 电路 , 因 此 , 电路 稳 定 可靠 , 比较 适 合 该 电源的 应用 场 合 。具 有 8脚 双 列 直 插 封 装 的 UC3842芯片 各 引 脚 功能 如 下 。 1脚 (COMP :误差 放 大 器的输 出 端 , 用 于 环 路 补偿 。 2脚 (U FB :误差 放 大 器的 反 相 输入 端 , 通 常 通 过一 个 电 阻 分压器 连至 开
15、关 电源输 出 , 起 电压 反 馈 作 用 。 3脚 (ISEN :电流 取 样 端 。 流 过 开关 管 的 电流 被 检测 电 阻转 换 为 电压 信号 并 被 送 入 此 脚 , 用 来 控制 PWM 锁 存 器 , 调 整 输 出 电压 大 小 。 并 且当该 脚 电压超 过 1V 时 , UC3842关 闭 输 出 脉冲 , 从 而 保护 开关 管不 致 因 过 流 而 损坏 。 4脚 (R T /C T :振荡器 。 外 接 R T 、 C T 定 时 元 件 , 通 过 电 阻 R T 连 接 至 参 考 输 出 引 脚 8以 及 电 容 C T 连 接 至 地 , 使 振荡器
16、频 率 和 最 大 输 出 占 空比 可调 , 振荡频 率 为 f =1.72/(R T C T , 工 作 频 率 可 达 500kHz 。 5脚 (GND :控制电路和电源的 公U R T /U REF V mA图 1UC3842的 内部 结构 图Fig.1Internal structure of UC3842.第 31卷电 力 自 动 化 设 备 共 地 。 6脚 (OUT :推 挽 输 出放 大 器的输 出 端 , 为图 腾 柱 式 输 出 , 可直 接 驱 动功率 管 MOSFET 的 栅 极 。 驱 动 电流的 平 均 值 可 达 200mA , 最 大 可 达 1A 峰 值 电
17、流 。 7脚 (U cc :电源输入 端 。 外 接 电源电压 U cc , UC3842的 开 启 电压 为 16V , 关 断电压 为 10V , 其 内 部 有 一 个 34V 的 稳 压 管 , 可 以 保 证 内 部 电路 工 作 在 34V 以 下 。 该 电源电压 经内 部 基 准 电压电路的 作 用 产 生 5V 基 准 电压 , 作 为 UC3842的 内 部 电源 使 用 , 并 经 衰 减得 到 2.5V 电 压 作 为 内 部 比 较 器 的 基 准 电 压 。 8脚 (U REF :参 考 输 出 引 脚 。 它 通 过 电 阻 R T 向 电 容 C T 提 供 充
18、 电电流 。 UC3842还 包括 过 压 、 欠 压 保护 电路 , 当 供 电电源电压低于 10V 时 , 芯片 停 止 工 作 3。3开 关 稳 压 电源 的工 作原 理与设计3.1工 作原 理图 2为 所 设计的多 功能 反激式开关 电源的 原 理 图 。 开 机 后 , 220V 市 电 经 过 EMI 滤 波 器 、 整 流 桥 V BR1和滤波电 容 C 5、 C 6后 , 转化 为约 310V 的直流电 ; 电 容 上 310V 的电压 通 过 启 动 电 阻 R 1对 电 容 C 13充 电 , 当 UC3842的 7脚 (U cc 端 达 到 导 通 门 槛 电 压 (16
19、V 后 , UC3842开 始 工 作 , 此后 芯片 由 反 馈 绕 组 供 电 , 电压维 持 在 13V 左右 。 反 馈 绕 组 N S 两端 的电 压 经 由 V D2、 C 14、 C 15整 流滤波 、 R 10分压 后 , 从 2脚 送 入 UC3842的 误差 放 大 器 反 相 输入 端 , 反 馈电压与基 准 电压 (2.5V 经 误差 放 大 器 比较 放 大 后 , 调 整 PWM 输 出 脉冲 的 宽 度 , 从 而 稳 定 输 出 电压 。 主 回 路电流 由 电 阻 R S 进行取 样 , 取 样 电压 经 3脚 加 到 UC3842内 的电流 比较 器的 一
20、个 输入 端 , 与 误差 电压 放 大 器的 输 出进行 比较 , 当该 取 样 电压 等 于 误差 电压 (最 大 值 为 1V 时 , UC3842的输 出 脉冲 被 中断 , 从 而 实 现 限 流 保护 4-5。 该 电源 用 UC3842的 PWM 输 出 经 驱 动 电 阻 后 直 接 驱 动 开关 管 。3.2电 磁干 扰 的 抑 制高 频 开关 电源 产 生 的电磁 干 扰 (EMI 主 要以 传 导 干 扰和 近 场 干 扰 为 主 , 电磁 干 扰有 共 模干 扰和 差 模 干 扰 2种 状 态 。 EMI 滤波器 是 目 前 使 用最 广 泛 、 也是 最 有 效 的
21、开关 电源传 导 干 扰 抑 制方法 之一 , EMI 滤波 器 不但 要 抑 制 共 模干 扰 , 也 必须 抑 制 差 模干 扰 6-8。 图 2给 出 了 所 设计的 EMI 滤波器 , 它接 于电源输入 端 与 整 流 器 之 间 , 内 含 共 模 扼 流 圈 L 2和 滤 波 电 容 C 1C 4, 共 模 扼 流 圈 也 称 共 模 电感 , 主 要 用 来 滤 除 共 模干 扰 。 它由 绕 在同 一 高 磁 导 率 上 的 2个 同 向 线 圈 组 成 , 可 抵 消 差 分电流 。 其 特 点 是 对 电网 侧 的 工 频电 流 呈 现 较 低 阻 抗 , 但 对 高 频
22、共 模干 扰 等效 阻 抗 却很 高 。 C 2和 C 3为 Y 电 容 , 跨 接 在输入 端 , 并 将 电 容 器的 中 点 接地 , 能 有 效 抑 制 共 模干 扰 , 其 容量 约为 2.2nF0.1F ; C 1和 C 4为 X 电 容 , 用 于滤 除 差 模干 扰 , 其 典 型 值 在 0.010.47F 之 间 。 3.3缓冲 电 路 设计3.3.1变 压器 缓 冲 电 路设 计图 2所 示 反激式 变换器中 , 开关 节 点 A 、 B 的电 流 、 电压波形 如图 3、 4所 示 。 图 中 , U O 为 二 次 侧 输 出 电压 ; I O 为 二 次 侧 输 出
23、负 载 电流 ; U IN 为 交 流输入 整 流电压 ; 下 标 R 表 示 折 算 值 ; U INR =U IN /n 为 加 在 二 次 绕 组上 的 折 算电压 ; U OR 为 二 次 侧 电压 U O (忽 略 二 极 管 压 降 等 因 素 折 算 到一 次 侧 的电压 值 , U OR =U O n , n为 变压器变 比 ; I L 为 二 次 绕 组 电感 平 均 电流 , 即 电感 电流的 斜坡 中 心 值 , 且 有 I L =I O /(1-D ; I L R 为 二 次 侧 的电感电流 折 算 到一 次 侧 的 斜坡 中 心 值 , I L R =I L /n =
24、I OR /(1-D , 其 中 , I OR 为 折 算的 负 载 电流 , I OR =I O /n 。反激式 变换 器 的 变 压 器 除 具 有 隔 离 变 压 作 用 外 , 还 起 到 电感 储 能 、 释 能 作 用 。 漏 感可 以 看 作 是 与 变压器 一 次 侧 电感 串 联的 寄 生 电感 , 是未 能 耦 合 到 二 次 侧 的 一 次 电感 部 分 , 它 不 参 与有 效 能量 从 输入V BR14C 3C 2C 1F 1U ACL 1C 5+C 6V Z1R 2R 3R 6V T1V D4R SC 13R 4R 7R 8C 15C 14+LEDR 9V Z2V
25、D1D2EMI L 22315UC38427684V Z3C 9C 10C 11C 12C 13+R 10C 8N SB 7820V C 16+C 17C 18+20VGND17820V D6C 19C 20C 21+20V GND27815V D7C 22C 23C 24+15V GND37815V D8C 25C 26C 27+15V GND47812V D9C 28C 29C 30+12V GND57805V D10C 31C 32C 33+5V GND6C 75图 2基 于 UC3842的 反 激 式 开 关 电源 原 理 图Fig.2Flyback switching power s
26、upply based on UC3842R 1D3张 厚 升, 等 :新型多 功能 反激式开关 电源设计第 1期 到 输 出 的传 递 。 图 3中可 以 看 出 , 当 开关关 断 时 , 一 次 电感 所 存 储 的 能量 可 沿 续 流 通 路 (通 过 输 出 二 极 管 传 递 , 但 漏 感 能量 却 无传 递 通 路 , 所 以它 就 以 高 电压 尖峰 的形 式 表 现 出 来 , 二 次 侧 无 此 电压 尖峰 。 若 不尽 量 吸收 此 漏 感 能量 , 则 将 引起很 大 的电压 尖峰 , 从 而 导致 开关 损坏 。 因 漏 感 能量 无法传 递 到 二 次 侧 ,
27、故常 用 以 下 2种 处 理 方法 :重 新 利用 使其 返 回 输入 电 容 ; 将 其 消 耗 。 后 者 方法 比较简 单 , 最 实 用 的方法 是 直 接 用 齐 纳 二 极 管 箝 位 , 当 然 齐 纳 电压 必须 根据 开关所 能 承 受 的 最 大 电压 来 选 择 。 通 过 详细 计算可 得 齐 纳 管 所 消 耗 的 总 能量 为P z =1L LK I 2PKU ZZ OR(1 其 中 , L LK 为一 次 漏 感 , I PK 为 开关 峰 值 电流 , U Z 为 齐纳 管 箝 位 电压 。由 式 (1 可 以 看 出 , 齐 纳 管 所 消 耗 的 总 能量
28、 为 漏 感 能量 L LK I 2PK /2乘 以 U Z /(U Z -U OR , 所 附 加部 分 来 自于 一 次 电感 。 具 体 计算 时 需要 注 意 , 若 齐 纳 管 稳 压 电压 太 接近 所 选 U OR , 箝 位 损耗 就会 猛 增 , 因 此 U OR 的 选 择 需要 小 心 。 若 以 U Z /U OR 为 函 数 画 出 箝 位 损耗 曲 线 便 可发 现 , 在 所 有 情况 下 , U Z /U OR =1.4均 为 消 耗 曲 线 上 的 明显 下 降 点 9, 因 此 选 择 此值作 为 最优 比 。 具 体 计算 参 见 变压器设计 部 分 。开
29、 关 管 缓 冲 电 路设 计开关 管 在 关 断的 瞬 间 会产 生 很 高 的电压 尖峰 脉 冲 , 这不 仅 很 容 易 使 开关 管 由 于电压 急剧 升 高 而 损 坏 , 而 且 使 电流 采 样 和输 出 电压的波形 出 现 很 尖 的 脉冲 10, 影响 系统的 稳 定 工 作 。 为 此 , 由 V D4、 R 6、 C 13组 成 缓 冲 吸收 电路 , 文 献 11-12给 出 了 缓 冲 电路的 设计方法 。3.4UC3842的 启 动 过 程 与 启 动电 路 设计首先 , 由 电源 通 过 启 动 电 阻 R 1提供 电流 给 电 容 C 13充 电 , 当 C 1
30、3电压 达到 UC3842的 启 动 电压 门 槛 值 16V 时 , UC3842开 始 工 作 并 提供 驱 动 脉冲 , 由 6脚 输 出 驱 动 开关 管 V T1工 作 , 输 出 信号 为 高 低电压 脉 冲 。 高 电压 脉冲 期 间 , 绝 缘 栅 场 效 应 管 V T1导 通 , 电流 通 过 变压器 原 边 , 同 时 把 能量 储 存 在变压器中 。 根据同 名 端 标 识 情况 , 此 时 变压器 各 路 副边 没 有 能量 输 出 。 当 6脚 输 出 的 高 电压 脉冲 结束 时 , V T1截 止 。 根 据 楞 次 定 律 , 变压器 为 维 持 电流 不 变
31、 产 生 下正 上 负 的 感 应 电 势 , 此 时 副边 各 路 二 极 管 导 通 , 向外 提供能量 , 开 关 变 压 器 的 反 馈 绕 组 N S 两 端 电 压 经 由 V D2、 C 14、 C 15、 V D3整 流滤波 后向 UC3842供 电 。 UC3842内 部 设 有 欠 压 锁 定 电路 , 其 开 启 和 关 闭 阈 值 分 别 为 16V 和 10V 。 在 开 启 之 前 , UC3842消 耗 的电流在 1mA 以 内 。 电 源 电 压 接 通 以 后 , 当 7端 电 压 升 至 16V 时 UC3842开 始 工 作 , 启 动 正常 工 作后 ,
32、 它 消 耗 的电流 为 15mA , 因 为 UC3842的 启 动 电流在 1mA 以 内 , 设 计 时参 照这些 参 数 选 取 R S 8。 一般 , 随着 UC3842的 启 动 , R 1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 来为 UC3842供 电 。 3.5反 馈 电 路 设计由 于 该 电源的输 出 为 多路 , 不 适 合 仅 对 某 一 路 进行 反 馈调 节 , 故 采 用 反 馈线 圈 N S 来 输 出 一 个 反 馈 电压 , 对 多路输 出 同 时 进行 控制 。 V D2、 C 14
33、、 C 15、 V D3为 整 流滤波电路 , 得 到一 个 稳 定 的 反 馈电压 , 该 电压同 时 也 作 为 UC3842正常 工 作 时 的 供 电电压 。 3.6电 流 取 样 与 过 流 保护 设计电流的 取 样 由 取 样 电 阻 R S 完成 , 其 峰 值 电流 由 误差 放 大 器控制 。 由 于电流 检测 比较 器的 反 向 输入 端 钳 位 电压 为 1V , 故 最 大 电流 限 制在 I S =1/R S , 当 电流超 过 这个值 时 , UC3842自 动 闭 锁 输 出 , 以 保护 电 路 。 R 4、 C 8为 滤波电路 , 用 以 滤 除 开关 管 开
34、通 电流 尖 峰 , 防 止 误触 发 , RC 滤波器的 时 间 常 数应 接近 于电 流 尖峰 的 持 续 时 间 , 通 常 为 几 百 纳 秒 。 3.7变压器 设计 3.7.1确定 U OR 与 U Z最 大 输入电压 时 , 加 在变换器 上 的 整 流直流电 压 为U IN , max =姨 U AC , max =姨 250=354(V 选 用 的 MOSFET 额 定 电压 为 600V , 故在 U IN , max 处 必须 保 留 至 少 30V 的 裕 量 。 由图 3可 知 , 此种 情况 下 , 漏 极 电压 (U IN +U Z 不 能 超 过 570V , 于
35、 是 有U IN +U Z =354+U Z 570(V U Z 570-354=216(V 可 选 择 标准 的 180V 的 齐 纳 稳 压 管 。U OR =U Z /1.4 0.7U Z =0.7180=128(V 3.7.2计算 匝 比5V 输 出 二 极 管 的正 向 压 降 为 0.7V , 绕 组 压 降 约为 0.6V , 后 级 线性调 整 器 约为 1V , 此种 情况 下 , 必须 使 变压器 提供高 于输 出 35V 的电压 , 为 线性调 整 器正常 工 作 提供 必 要 的 裕 量 。 则 匝 比 为n =U DR /(U O +U yu =128/(5+3 =1
36、63.7.3计算 实 际占空 比实 际 占 空比 很 重要 , 因 为 占 空比 若 有 小幅 度 上 升 (从理论上 100%的 效 率 , 将 可 导致 工 作 的 峰 值 电 流 及 其 相应 磁场 能量 均 有 较 大增 量 13。t offt ontOI LO tI L R I A 图 3开 关 节 点 A 、 B 上的 电 流 波 形 Fig.3Current waveforms on switch node A and B I B U U IN +U Z U IN +U ORU INO U B U O O-U INRoffont 图 4开 关 节 点 A 、 B 上的 电 压 波
37、 形Fig.4Voltage waveforms on switch node A and B若 将 76W 的输 出功率 集 中在 一 个 等效 的 5V 单 输 出 上 , 则 可 得 5V 输 出负 载 电流 为I O =76/5=15. 2(A 折 算 到一 次 侧 的 负 载 电流 I OR 为I OR =I O /n =15.2/16=0.95(A 设低网输入 时 效 率 为 70%, 输入 功率 为P IN =P O /=76/0.7=108.57(W 可 得 平 均 输入电流 为I IN =P IN /U I N =108.57/127=0.855(A 于 是 可 得 实 际
38、占 空比 为D =I IN /(I IN +I OR =0.855/(0.855+0.95 =0.4743.7.4计算 电 感 值二 次 电流 斜坡 中 心 值 (集 中 功率 时 为I L =I O /(1-D =15.2/(1-0.474 =28.9(A 一 次 电流 斜坡 中 心 值 为I L R =I L /n =28.9/16=1.806(A 由 此 可 得 所 选 电流 纹 波 率 (r =0.5 情况 下的 峰值 电流 为I PR =(1+r /2 I L R =1.251.806=2.258(A 根据此 估算 值 , 即 可设 定 控制器的 最 大 电流 值 。 输入 为 最
39、低输入电压 U IN , min 时 , 在 开关 管 导 通时 间 内 加 在电感 两端 的电压 为 U on =U IN =127V , 导 通时间 为 t on =D f=0.47440103=11.85(s , 所 以 伏 秒 数 为Et =U on t on =12711.8510-6=1504.9510-6(V s 根据 “ L I ” 规 则 可 得 一 次 电感 值 为L P =1L R Et =1504.9510-6=1.67(mH 3.7.5选择 变 压器磁 芯设计磁性 元 件 与 特 制 或成 品 电感 不 同 , 需 加 气 隙 以 提高 磁 芯 的 能量 储 存 能
40、力 , 若 无 气 隙 , 磁 芯 一 旦 存 储 少 许 能量 就 容 易 饱 和 。 但 对 应 所 需 r 值 , 还 应 确 保 L 值 大 小 。 若 所 加 气 隙 太 大 , 则 必 然 导致 匝 数 增 多 , 增大 绕 组 的 铜 损 , 也 使 绕 组 占 用 更 大 的 窗 口 面 积 。 故 必须 就 实 用进行 折 中 选 择 , 通 常 采 用 如 下 体 积 公式 (一般 应用 于 铁 氧 体 磁 芯 , 且 适用 于 所 有 拓扑 :U e =0.7(2+r 2/r (P IN /f 其 中 , f 的 单 位 为 kHz 。 于 是 开 始 选 择 这个 体
41、积 (或 更 大 的磁 芯 , 在 EE40参 数 表 中可 以 找 到 其 等效 长 度 为 l e =7.74cm , 磁 芯 面 积 为 A e =1.39cm 2; 则 其 体 积 刚好 满 足 要 求 。3.7.6确定 绕 组 匝 数适用 于 所 有 拓扑 结 构 的 匝 数 求解 公式 为n =(1+2/r U on D /(2B PK A e f 其 中 , 磁 通 密 度的变 化 B PK 不 能 超 过 0.3T , 则 一 次绕 组 匝 数 为n p =1+2! 1270.474=90.22匝 数取 为 91匝 , 需 验 证此值 是 否 适 合 磁 芯 的 窗口 面 积
42、、 骨 架 、 隔 离 带 、 安 全 胶 带 、 二 次 绕 组 和 套 管等 , 通 常在 反激式 变换器中 这些都不 成 问题 。5V 输 出 的 二 次 绕 组 匝 数 为n 5S =n p /n =91/16=5.69匝 数取 为 6匝 , 则 每 匝 绕 组上 的电压 值 为 U n =86=1.33(V 。 于 是 可 以 求 得 12V 输 出 的 绕 组 匝 数 为n 12S =(12+3 /1.33=91/16=11.28匝 数取 为 12匝 , 同 理 可 以 求 得 15V 输 出 的 绕 组 匝 数 为 14匝 。3.7.7确定 气 隙 大 小考虑 材 料 的磁 导
43、率 , 电感 值 L P 和磁 导 率 的 相 关方程 为L P =1z 0A e l en 2p其 中 , 为 所 选 材 料 的磁 导 率 ; 0为 空 气 的磁 导 率 , 0=410-7; n p 为一 次 绕 组 匝 数 ; z 为气 隙 系 数 , z =(l e +l g /l e , 注 意 z 不 可 取 小 于 1(无 气 隙 的 任 何 值 , 折 中 选 择 1020较 好 。 从 而 可 以 求 得 气 隙 长 度 为 l g =0.44mm 。4实 验验 证依 据 前 述分析 , 研制 了一 台 多 功能 开关 电源 , 并 对 系统的性 能进行 了 测 试 , 表
44、 1给 出 了 开关 电源的 电压调 整 率 、 负 载 调 整 率 、 纹 波和 效 率 。 由 表 可 见 , 在 宽 电压输入变 化 范 围 内 输 出 电压 稳 定 。 图 5给 出 了 采 样 电 阻 上 的电压 (U R S 波形和 驱 动 脉冲 (U G 波形 。 从 图 中可 以 看 出 电流 上 的 尖峰 脉冲 经 过 滤波 以 后 比 较 理 想 , 这 说 明 采 用 本文 设计的 缓 冲 电路 是 可 行 的 。测 式 项 目 输 出 /V测 试 环 境测 试 结 果电压 调 整 率5121520U IN =100240V 0.60%0.42%0.37%0.32%负 载
45、 调 整 率5121520U IN =220V I O =0. 51A I O=0. 51AI O =0. 51A I O =0.250.5A2.20%0.36%0.23%0.10%输 出 纹 波 (峰峰 值 5121520U IN =220V 40mV 50mV 55mV 75mV 效 率U IN =220V81%表 1开 关 电源 性 能 测试 结 果Tab.1Results of performance test第 31卷电 力 自 动 化 设 备t :10s /divU G :10V /d i v , U R S :0. 5V /d i v图 5采样 电 阻上 的 电 压 波 形 与
46、驱 动 波 形Fig.5Voltage waveform of sampling resistorand driving voltage waveformDesign of multifunctional flyback switching power supplyZHANG Housheng , ZHAO Yanlei(School of Electrical &Electronic Engineering , Shandong University ofTechnology , Zibo 255049, China Abstract :With the peak current PWM c
47、ontrol IC UC3842as its core , a multifunctional flyback switching power supply is designed , which has 6channels of isolated DC voltage output. Its operating principle and peripheral circuit are introduced. The EMI suppression circuit is designed to meet the requirements of electromagnetic compatibility and safety. The design of a new -type snubber circuit for transformer windings is introduced in detail and the design of its transformer is emphasized , including the calculation of Zener clamping voltage , actual duty -cycle ratio and inductance , the selection