开关电源设计.doc

6.2辅助开关电源设计.在各种控制系统中，控制回路、开关管驱动电路、电压（本系统用到电压、电流检测）检测电路以及监控电路，都需要电压等级不同的直流电源（一般有+5V、12V、15V），我们称之为辅助电源。由于辅助电源路数多，有的又要求互相隔离，如果用线性电源则有许多点缺点，所以人们常常使用开关电源。如果要求设计小功率电源，一般情况下，采用单端反激变换器。反激变换器一般有两种工作方式：1、“完全能量转换”（电感电流不连续方式）：变压器在储能周期中存储的能量在反激周期中都转移到输出端。2、“不完全能量转换”（电感电流连续方式）：存储在变压器中的能一部分能量保留到下一个周期。6.2.1 开关电源的基本原理反激变换器的原理图如图6-3所示。晶体管Tr导通时，进入电能存储的阶段，这时可以把变压器看作一个电感。原边绕组的电流的变化由决定（=电源电压，=原边电流）。磁芯内的磁感应强度将从增加到工作峰值。当Tr关断时，初级电流必定降到零。副边整流二极管D1导通，副边出现感应电流。在反激期间，感应电流将逐渐下降到零。 在稳定状态下，它们的磁通增量在“导通”周期和“反激”周期内的变化量相等。因此有如下公式: （6-1）由上面公式可以看出，当磁通增量相等的工作点建立时，变压器原边绕组每匝的伏-秒值等于副边绕组的每匝伏-秒值。通过改变占空比就可以调节输出电压。图6-3 反激变换器的原理图6.2.2 UC3844的工作原理及方框图UC3844是一种单端输出控制电路芯片。它共有8个引脚。由它的内部原理图6.4可知，可以使用内部E/A误差放大器构成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。使输出关闭的方法有两种，其一是将3脚电压升高到1V；其而是将1脚电压降到1V以下。图6.4 UC3844内部方框图利用UC3844驱动开关管构成的开关电源有如下优点：1、原边电压的微小波动会立即影响电感电流的变化，不需要经过输出电压反馈到误差放大器进行电压调节。当发生连续波动时，电压闭环起作用，从而达到较高的线性调整率。2、误差放大器E/A电路简化。由于检测到的电感电流峰值反映平均电流，整个电路可以看作一个误差电压控制的电流源，所以，变换器的幅频特性有两个极点，因此稳定幅度大频率响应特性好。3、从R8（MOSFET源极D端的采用电阻）检测的电流峰值信号能快速参与当前工作周波的占空比控制，所以过流限制好,如图6.5所示。4、当7脚电压大于34V时，稳压管工作并使内部电路在34V以下可靠工作。芯片的开启阀值为16V，关闭阀值为10V。开启阀值和关闭阀值之间有6V的差值，可以避免芯片发生在工作点振荡现象。6.2.3开关电源的电路图1、关于限流电阻的计算： 假设直流电源的电压为，通过R2接到UC3844的电源7端，而且可知小于16V时，电路耗电，正常工作后，由感应绕组供电，电流上升至。在和的范围内波动。所以有下式： (6-2) (6-3)图6.5 开关电源电路图2、关于R4、C10的选择：如果电流采样电阻R8的电压采样滤波电路的时间常数R4×C7过大，则电流闭环不能起到快速响应的效果。所以应该有下式： (6-4)3、RC振荡频率的计算：UC3844的8端是5V基准电源，接一个RC振荡电路，从而产生芯片正常工作所需要的振荡频率，其计算公式为： (6-5)4、关于MOSFET开关管的选择MOSFET开关管的漏极电压一般要能承受基本电压的2倍以上，按原边额定电压设计，并充分考虑过压倍数，这里选择了耐压为900V的KS962，电流的选择要根据设计变压器的功率，可由下式计算最大电流： (6-6)当电流的采样3端的值大于1.0V时，开关电源会由于过流而保护，为开关管的采样电阻。6.2.4 开关电源的尖峰电压以及尖峰电流分析1、二极管反向恢复时间引起的尖峰电流 二极管的高频见等效电路如图6.6所示。假设为方波，幅值为。在电路图6.3中，功率管VF截止时，VD1导通。但当VF导通时，极性反转。由于二极管的反向恢复特性，VD1不能立即截止，而是在电容、VD1和原边绕组回路中激起一个很大的电流尖峰。VD1反向恢复前期等效电路如图6.7所示。其中为次级绕线电阻，引线电阻及二极管导通电阻之和；为变压器漏感和引线电感之和；为副边滤波电容。 图6.6二极管等效电路 图6.7副边等效电路 由于电容C很大，可以看作恒压源，根据等效电路可得公式（6-7），由此可以看出在很短的时间内会发生很大的尖峰电流。 (6-7)2、实验中遇到的问题及解决方法在调试开关电源时，遇到过这样的问题。电源在轻载时，输出电压正常，但是一旦带大负载时，快恢复二极管FR107很快发热并烧掉。分析原因，应该是二极管反向恢复时间引起的尖峰电流造成的。有两种简单的解决途径：可以减小开关频率；或者使用超快恢复二极管。6.2.5 高频变压器的绕制及磁路中的气隙设计高频变压器兼有储能、隔离、限流的作用。磁芯大小，原边电感、气隙大小、原边绕组的匝数的选择互相影响，设计好变压器是开关电源设计的关键，电源的性能和功率管工作状态的优劣很大程度上取决于变压器的设计。1、变压器中气隙的作用从图6.8可以看出,虽然B/H回线的导磁率是随气隙的大小而变化的,但有无气隙时磁芯的饱和磁感应强度是一样的.有气隙时,磁场强度H明显增大,而剩余磁感应强度则明显减小,这对反激变换器是十分有利的。图6.8 有无气隙时铁氧体变压器磁滞回环有气隙时，B-H特性斜率减小，特性曲线向横轴靠拢，如果在没有气隙时一个直流产生的磁感应强度为，那么在有气隙时要加比大得多的才能产生。气隙对防止磁芯饱和是十分有效的。变压器-扼流圈铁芯的磁通只在磁滞回线的第一象限工作，或者说电流和磁通不会向负的方向转换。要使磁芯不饱和，在选择时要保证在任何时候都要满足： (6-8)为剩余磁感应强度，为运行时最大磁感应强度，为饱和磁感应强度。2、变压器参数计算计算导通时间 开关管的最大导通时间应该发生在输入电压最低负载最大时，设工作频率为30KHz，占空比为0.3。则=10。 计算 所选取的铁心材料在时的饱和磁感应强度为360mT。当工作在30KHz时，取。 计算变压器的原边匝数 原边匝数可用下式计算： (6-9) 式中：为原边匝数；为原边直流电压；为磁芯有效面积。对于所选的铁心材料，250V，所以： (6-10)变压器的幅边匝数计算以输出12V绕组为例，考虑二极管压降0.7V。绕组输出应为12.7V。原边每匝电压为：（匝/伏）副边匝数为：，实际取4匝。气隙的计算有资料提供公式(6-11)可以计算气隙： (6-11)式中：为气隙长度；为原边电感。