90w开关电源的设计(编辑修改稿)

90w开关电源的设计(编辑修改稿)内容摘要：

容量大、等效电阻 ESR 小、体积小等。 功率因数校正，许多国家也在研究性价比较高的功率因数校正技术。 低压大电流，微处理器性能的不断提高，低压大电流开关电源也随之发展起来。 例如电压低达 ~，而电流高达 50~100A 的开关电源。 另外，还有采用波形交错技术，探寻省略滤波电容的可行性等。 开关电源还朝着模块化方向发展。 本课题的主要研究内容 随着电子技术的高速发展，各种各样的电子设备应运而生，然而这么多电子设备，精密仪器的背后都需要有个稳定输出的电源做支持。 从原有的线性稳压电源到现在的开关稳压电源，不论从体 积、功耗、性能上，都有质的飞跃，并且开关电源更容易实现多路不对称输出。 这使得各种电子设备不同功能的需要都可以得到满足。 本课题主要研究的是输出两路隔离电压的开关电源，研究内容如下： 开关电源的种类选择 开关型稳压电源的种类很多，分类方法也有多种。 从推动功率管的方式来分可分为自激式和它激式，在自激式开关电源中由开关管和高频变压器构成正反馈环路来完成自激振荡。 它激式开关稳压电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截至。 按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半 桥式和全桥式等，单端式开关电源仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用四个开关管。 按开关管的连接方式，开关电源分为串联型与并联型开关电源，串联型开关电源的开关管是串联在输入电压与输出负载之间的，属于降压式稳压电路。 而并联型开关电源的开关管是并联在开关电源之间的，属于升压式电路。 单端反激式开关电源 单端反激式开关电源的典型电路如图 141 所示。 电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。 所谓的反激，是指当开关管 VT1 导通时，高频变压器 T初级绕组的感应电压为上 正下负，整流二极管 VD1 处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。 当开关管 VT1 截止时，变压器 T 副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过 VD1 整流和电容 C 滤波后向负载输出。 单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现单路或多路输出，开关管驱动简单，可通过改变高频变压器的原、副边绕组匝比使占空比保持在最佳范围内，且有较好的电压调整率。 其输出功率为 20～ 100W。 它也有其一定的 5 缺点，如开关管截止期间所受反向电压较高，导通期间流过开关管的峰值电流 较大。 但这可以通过选用高耐压、大电流的高速功率器件，在输入和输出端加滤波电路等措施加以解决。 单端反激式开关电源使用的开关管 VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在 20～ 200kHz 之间。 图 141 单端反激式开关电源 单端正激式开关电源 单端正激式开关电源的典型电路如图 142 所示。 这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。 当开关管 VT1 导通时， VD2 也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感 L 储存能量：当开关管 VT1 截止时，电感 L 通过续流二极管 VD3 继续向负载释放能量。 在 电路中还设有钳位线圈与二极管 VD1，它可以将开关管 VT1 的最高电压限制在两倍电源电压之间。 为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时问应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于 50%。 由于这种电路在开关管 VT1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出 50～ 200W 的功率。 电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。 6 图 142 单端正激式开关电源 自激式开关稳压电源 自激式开关稳压电源的典型电路如图 143 所示。 当接入电源后在 R1 给开关管 VT1提供启动电流，使 VT1 开始导通，其集电极电 流 Ic 在 L1 中线性增长，在 L2 中感应出使VT1 基极为正，发射极为负的正反馈电压，使 VT1 很快饱和。 与此同时，感应电压给 C1 充电，随着 C1 充电电压的增高， VT1 基极电位逐渐变低，致使 VT1 退出饱和区， Ic 开始减小，在 L2 中感应出使 VT1 基极为负、发射极为正的电压，使 VT1 迅速截止，这时二极管 VD1导通，高频变压器 T 初级绕组中的储能释放给负载。 在 VT1 截止时， L2 中没有感应电压，直流供电输人电压又经 R1给 C1 反向充电，逐渐提高 VT1 基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。 这里就像单 端反激式开关电源那样，由变压器 T 的次级绕组向负载输出所需要的电压。 自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。 电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输入和输出相互隔离的优点。 这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。 7 图 143 自激式开关电源 推挽式开关电源 推挽式开关电源的典型电路如图 144 所示。 它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。 电路使用两个开关管 VT1 和 VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器 T 次级绕组得 到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。 这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。 电路的输出功率较大，一般在 100～ 500W 范围内。 图 144 推挽式开关电源 降压式开关电源 8 降压式开关电源的典型电路如图 145 所示。 当开关管 VT1 导通时，二极管 VD1 截止，输入的整流电压经 VT1 和 L 向 C 充电，这一电流使电感 L 中的储能增加。 当开关管 VT1 截止时，电感 L 感应出左负右正的电压，经负载 RL 和续流二极管 VD1 释放电感 L 中存储的能量，维持输出直流电压不变。 电路输出直流电压的高低由加在 VT1 基极 上的脉冲宽度确定。 图 145 降压式开关电源 升压式开关电源 升压式开关电源的稳压电路如图 146 所示。 当开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能量。 当开关管 VT1 截止时，电感 L 感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管 VD1 向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。 图 146 升压式开关电源 反转式开关电源 反转式开关电源的典型电路如图 147 所示。 这种电路又称为升降压式开关电源。 无论开关管 VT1 之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。 当 9 开关管 VT1 导通时，电感 L 储存能量，二极管 VD1 截止， 负载 RL 靠电容 C 上次的充电电荷供电。 当开关管 VT1 截止时，电感 L 中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管 VD1 向负载供电，同时给电容 C 充电。 降压式、升压式、反转式开关电源的高压输出电路与副边输出电路之间没有绝缘隔离，统称为斩波型直流变换器。 图 147 反转式开关电源 一般来说，功率很小的电源（ 1～ 100W）采用电路简单、成本低的反激型电路较好；当电源功率在 100W 以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于 500W、工作条件较好的电源，则采用半桥或全桥电路较为合理；如果对成本要求 比较严，可以采用半桥电路；如果功率很大，则应采用全桥电路；推挽电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。 基于本设计中开关型稳压电源是采用全控型电力电子器件作为开关，利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。 本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为 90W 的通用的小功率开关电源，主要采用UC384X、 PC817A 、 TL431 等专用芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。 因此，本设计就选择了基于 UC384X 系列控制 IC 的单端反激式开 关电源。 10 反馈电路的基本类型与选择 单片开关电源的反馈电路有 4 种基本类型：基本反馈电路；改进型基本反馈电路；配TL431 的光耦反馈电路；配稳压管的光耦反馈电路。 它们的简化电路如图 151 所示。 (a) 基本反馈电路； (b) 改进型基本反馈电路； (c) 配 TL431 的光耦反馈电路； (d) 配稳压管的光耦反馈电路 图 151 反馈电路的 4 种基本类型 (a)基本反馈电路，其优点是电路简单、成本低廉、适于制作小型化、经济型开关电源； 11 其缺点是稳压性能较差，电压调整率 SU=%～ 2%；负载调整率 SI=4%～ +4%。 (b)改进型基本反馈电路，只需增加一支稳压管 VDZ 和电阻 R1，即可使负载调整率达到 2%～ +2%。 VDZ 的稳定电压一般为 22V，需相应增加反馈绕组的匝数，以获得较高的反馈电压 UFB，满足电路的需要。 (c)配 TL431 的光耦反馈电路，其电路较复杂，但稳压性能最佳。 这里用 TL431 型可调式精密并联稳压器来代替稳压管，构成外部误差放大器，进而对 Uo 作精细调整。 这种反馈电路适于构成精密开关电源。 (d)配稳压管的光耦反馈电路，由 VDZ 提供参考电压 UZ，当 Uo 发生波动时，在 LED 上可获得误差电压。 因此，该电路相当于给增加一个外部误差放大器，再与内部误差放大器配合使用，即可对 Uo 进行调整。 由于本设计旨在针对精密开关稳压电源进行的设计与制作，所以选择配 TL431 的光耦反馈电路。 单片开关电源的典型应用电路分析： 系列单片开关电源的典型应用电路如图 152 所示。 由于单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便的实现多路输出，开关管驱动简单，因此该电源采用单端反激式电路。 图 152 单片开关电源的典型应用电路 由图可见，高频变压器初级绕组 NP 的极性与次级绕组 NS、反馈绕组 NF 的极性相 反。 在导通时，次级整流管 VD2 截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当截止时， 12 VD2 导通，能量传输给次级。 高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。 图中， BR 为整流桥， CIN 为输入端滤波电容， COUT 是输出端滤波电容。 交流电压 UAC 经过整流滤波后得到直流高压，经初级绕组加至的漏极上。 在功率 MOSFET 关断瞬间，高频变压器漏感会产生尖峰电压，另外在初级绕组上还会产生感应电压 (即反向电动势 )UOR，两者叠加在直流输入电压巧上，加至内部功率开关管 MOSFET 的漏极上，因此必须在漏极增加钳 位保护电路。 钳位电路由瞬态电压抑制器或稳压管 VDZ1 和阻塞二极管 VD1组成， VD1 宜采用超快恢复二极管。 当 MOSFET 导通时，变压器的初级极性上端为正，下端为负，从而导致 VD1 截止，因而钳位电路不起作用。 在 MOSFET 截止瞬间，初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被 VDZ1 吸收掉。 该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过 VD3， CF整流滤波后获得反馈电压 UFA，经光耦合器中的光敏三极管给的控制端提供偏压。 CT 是控制端 C 的旁路电容。 输出电压 Uo通过电阻分压器 R R2 分压并获得取样电压，与 TL431 中的 基准电压进行比较后输出误差电压，然后通过光耦去改变 TOP246Y 的控制端电流 ，的输出占空比 D 与 IC 成反比，故 D 减小，这就迫使 Uo 降低，达到稳压目的。 反之， Uo 减小，导致 UF 减小， Ic 减小，进而 D 减小，最终使 Uo 减小，同样起到稳压作用。 由此可见，反馈电路正是通过调节的占空比，使输出电压趋于稳定的。 本设计的开关电源是采用全控型电力电子器件 MOSFET 作为开关，利用控制开关器件的占空比来调整并稳定输出电压，主电路采用多路输出单端反激式变换器结构，采用 UC3844控制芯片实现电压电流双闭环控制，采用 PC81 TL431 等专用芯片以及其他的电路元件相配合，作为反馈环节，使设计出的开关电源具有电压自我调节功能。 开关工作频率为 50kHz，输出 2 路隔离的电压。 设计流程： 1．熟悉 UC384X、 PC81 TL431 的结构原理及作用。 2．多绕组高频变压器的设计。 3．输出级设计。 4． MOSFET 开关管的选择及其驱动电路设计。 5．由 PC81 TL431 组成的反馈环路的设计。 6．输入整流滤波电路和输入启动电路的设计。 13 第二章 开关电源的原理 开关电源的基本原理 在线性电源中，功率晶体管工作 在线性模式，线性电源的稳压是以牺牲调整管上的耐压来维持的，因此调整管的功耗成为了线性稳压电源的主要损耗。 与线性稳压电源不同的是，开关电源的功率开关管工作在开关（导通与截至）状态。 在这两种状态中，加在功率开关管上的伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。 功率器件上的伏安乘积就是功率开关管上所产生的损耗。 不同于线性稳压电源，开关电源更为有效的电压控制方式是 PWM（ P。