开关电源的设计设计

1、90W开关电源的设计摘 要本课题是设计一个两路输出的反激式开关电源。220V交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，通过控制开关的导通时间来调节稳定输出电压，主控制芯片采用UC3844实现电压电流双闭环控制，采用PC817、TL431等专用芯片以及其他的电路元件相配合作为光耦隔离反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压及过载保护功能。系统工作频率为52kHz，输出2路隔离的电压。本设计将使用saber对电路结构经行仿真对设计参数进行验证。关键词：开关电源；反激式变换器；高频变压器；UC3844；saber Abstract This paper is to design a flyback SMPS that owns two lines of output. After rectification and smoothing, 220V alternating voltage will turn

2、into direct voltage containing certain components of pulsation. That voltage passes power conversion circuit into high-frequency converter and is converted into square wave of needed voltage value. Finally this square wave voltage will be rectified and smoothed into direct voltage which is in need. The SMPS this paper designs adopts full controlled power electronic device-MOSFET as switcher and adjusts stable output voltage by controlling the switchers turn-on time. The main controlling chip of

3、the SMPS chooses UC3844 to realize dual closed-loop control of voltage and current. Thanks to the adoption of PC 817 and TL431 etc dedicated chips and other matched circuit components as optical coupling isolation feedback circuit, this SMPS will be also in possession of functions of automatic voltage regulation and overload protection. Operating frequency of this system is 52 kHz and this system outputs voltages of the two isolated lines. This design will adopt saber to test and verify design p

4、arameter through emulating the configuration of circuits. Key words: SMPS；Flyback Converter；High-frequency Converter；UC3844；saber第一章 引 言11.1 课题研究的背景及意义11.2 DC_DC变换器主回路使用的元件及其特性21.2.1 开关21.2.2 电感21.2.3 电容31.3 开关电源的技术动态41.4 本课题的主要研究内容41.4.1 开关电源的种类选择41.5反馈电路的基本类型与选择102.1 开关电源的基本原理132.2 开关电源的组成132.3 单端反激式拓扑分析142.3.1 DC-DC主回路拓扑结构142.3.2 工作原理152.3.3 基本关系式18第三章 系统设计203.1 技术指标203.2硬件结构设计203.2.1 UC3842/3/4/5系列电流模式PWMIC203.2.2引脚接线233.3 关键元器件的选择与设计293.3.1 线性光耦合器PC817293.3.2 可调精密并联稳压器TL431303.3.3 高频变压器313.

5、3.4 输入整流滤波电路的电路323.3.5 RCD缓冲器设计333.3.8 RC缓冲器设计353.3.9完整电路363.4硬件参数设计373.4.2计算和选取绕组导线规格403.4.3功率MOSFET的选择403.4.5 RCD缓冲器设计403.4.6输出级设计413.4.7元器件参数选择423.4.8 保护电路的设计423.5 电路工作过程总结434.1软件概要454.1.1主要应用领域454.1.3优势464.1.4特点464.1.5应用504.2仿真过程514.2.1使用Saber Sketch创建设计514.2.6输出电压594.2.7 震荡电路图：604.2.8 mosfed门级电压即3844输出：614.2.10 RC缓冲电路的作用63第五章 设计总结65外文原文与译文67外文原文：67Several notes of switching power supply design67外文翻译:78开关电源设计几项注意78致 谢85第一章 引 言1.1 课题研究的背景及意义随着电子技术的发展，电子设备的广泛应用，这些设备对电源的要求也越来越高，传统线性电源笨重效率低，严重影响

6、电子设备、电子产品的发展。于是，20世纪60年代开关电源诞生了。按电力电子的习惯称谓，ACDC（理解为AC转换成DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）成为整流（包括整流和离线式变换），DC-AC称为逆变，ACAC称为交流交流直接变频（同时也变压），DCDC称为直流直流变换。为达到转换目的，手段是多样的。20世纪60年代前研发了半导体器件，并以此器件为主实现这些转换。电力电子学科从此形成并有了近30年的迅速发展。所以，广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变称为另一种形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源（Switching Power Supply）。开关电源主要组成部分是DCDC变换器，因为它是转换的核心，涉及频率变换。目前DC-DC变换中所用的频率提高最快，它在提高频率中碰到的开关过程，损失机制，为提高效率而采用的方法，也可以作为其他转换方法参考。 值得指出，常见到的离线式开关变换器（Offline Switching Converter）名称，是AC-DC变换，也常称为开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流后又

7、做了DCDC变换。所谓离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，使输出的直流电（离开了市）线的缘故。所以称离线式开关变换器。 与传统线性稳压电源相比开关电源有以下优点：1效率高，损耗小：开关电源效率通常在75%以上，有的甚至可以达到90%以上。由于开关管损耗小，因而不需要采用大散热器，能有效减小电源体积。损耗小使得电子设备内部温度也相对较低，避免了元件长期在高温环境下损坏，这对电子设备的可靠性和稳定性的提升有明显的作用。2稳压范围宽：输入AC或DC电压在很大范围内变化时，电压变化率很小。而且在输入电压发生较大波动时，电源依然保持较高的效率，因此，开关电源比较适合电网波动较大的地区使用。3体积小，重量轻：开关稳压电源可直接将工频电网电压直接整流成直流后，经过高频变压器获得不同的交流电压，再经整流滤波得到所需的直流电压，这样就可以免去笨重的工频变压器，从而节省线材，减小电源体积和重量。4安全可靠：开关电源一般都具有多种保护电路，保证电源的安全可靠工作。随着电力电子技术的发展和进步，开关电源技术在不断地创新，目前，涌现出许多开关电源的新技术和新产品。开关电源技术是

8、一种普适性、渗透性的绿色化技术，使产品性能可靠、成熟、经济、实用，它在国民经济以及国防，高科技发展中都有广泛的应用前景。1.2 DC_DC变换器主回路使用的元件及其特性 1.2.1 开关 无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件只有电子开关，电感和电容。电子开关只有快速的开通，快速的关断这两种状态，并且快速的切换。只有快速，状态转换引起的损耗才小。目前使用的电子开关多是双极型晶体管，功率场效应管，逐步普及的有IGBT管。还有各种特性较好的新式的大功率开关元件，除了220V整流用的二极管是普通的-整流管外，其他的二极管是开关管，要求是快速的开关。值得指出，主回路也不是绝对不会出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大损耗，而且限于在几十瓦以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的毫伏电压可用来作为当前工作周期进行电流控制或保护的信号。1.2.2 电感 电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此理论损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容公用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句

9、话说，由于“磁通连续”性电感上的电流必须是连续的，否则会产生很大的电压尖峰波。电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题，应用中有允许其饱和的，有允许其从一定电流值起开始进入饱和的，也有不允许其出现饱和的，在具体线路中要注意区分。在多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随端电压与流过的电流而变化。但是，在开关电源中有一个不可忽视的问题，就是电感的绕线所引起两个分布参数（或称寄生参数）的现象。其一是绕线电阻，这是不可避免的；其二是分布式杂散电容，随绕制工艺，材料而定杂散电容在低频时影响不大但是随着频率的提高而逐渐显现出来，到某一频率以上是电感也许变成电容的特性。如果将杂散电容“集成”为一个，则从电感的等效电路可以看出在某一角频率后的电容特性。 在分许电感在线路中工作或绘波形图时，不妨考虑下面几个特点：（1)在电感L中有电流I流过是，储存有； (2)当电感L岭段的电压V不变的时候，依公式可知，忽略内阻R时，电感电流变化率，表明电感电流线性增加； (3)正在储能的电感器，因为能量不能瞬时突变，若切断电感在变压器原边回路时，能量绝大部分经变压器副边出现的电流输送至负载，原，副边耦合中保持相同的安匝数，维持磁场不变，活每匝伏.秒值不变； (4)就像电容器有充，放电流一样，电感器也有充，放电电压。电容上的电压与电流的积分（称为安.秒值）成正比，电感上的电流与电压的积分（称为伏.秒值）成正比，如图下示，只要电感器电压变化，其电流斜率也变化；正向电压使电流从零线性上升；反向电压使电流线性下降。根据能量守恒原理在电感正伏。秒值相等的某一时间上，线性

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