开关电源设计.doc

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1、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

2、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 UC3

3、844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

4、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

5、。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R4C7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

6、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

7、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

8、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

9、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。