基于单端反激双路输出的115wac-dc电源设计

基于单端反激双路输出的115wac-dc电源设计内容摘要：

② 升压（ BOOST）变换器 此 电路 结构 是在 开关管导通时向电感充电，在开关管截止时由 电源和 电感 以及 电容向负载供电， 实现升压并 稳定 输出电压。 和降压变换器一样，在 直流变换电路的输出和输入的电压 差值在 3 倍以内才有好的效率。 差值越大，效率越低。 ③ 单端正激变换器（ FORWARD） 这种电路是 脉冲变压器的原 /副 边相位 相同 ，在开关管导通，驱动脉冲 驱动 变压器原边时，变压器副边同时对负载供电。 优点：铜损耗底 ， 纹波电压和电流小。 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 49 页 缺点： 电感器饱和 、 线路复杂 、 效率低 、 输出电压不够稳定。 单端正激变换器适合用于低压、大电流、功率较大的场合。 当需要有多台并联工作时，需要均 衡电路。 ④ 单端反激变换器（ FLYBACK） 单端 ——指高频变压 器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原 副 边相位 相反 ， 当开关管导通，驱动脉冲 驱动 变压器原边时，变压器副边不对负载供电，即原 /副 边交错通断 ， 脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决。 优点：转换效率高、电路简单、适用于多组输出要求、多台并联工作容易、可以自动均衡、输入电压在很大范围内波动时，仍有较稳定输出。 缺点：输出电压中存在较大纹波、负载调整精度不高、 适用于相对固定的负载 、 输出功率受到限制，通常应用于 150W 以下。 ⑤ 推挽变换器（ PUSHPULL） 这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。 优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。 缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。 ⑥ 全桥式 （ BRIDGE） 这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。 两 对开关管轮流 导 通 和关 断，在变压器原边线圈中形成正 /负交变的脉冲电流。 主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。 主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。 这种电路结构通常使用在 1KW 以上超大功率开关电源电路中。 ⑦ 半桥式（ HALFBRIDGE） 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管换成了两只等值大电容。 此电路 具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比 全桥电路低等。 这种电路常常被用于各种非稳压输出的 DC 变换器，如电子荧光灯驱动电路中。 IC 的选择 （ 1）利用三级管和电阻电容的组合的 自激式 电路实现开关管的导通与截止， 无须外加信号源能自行振荡 ， 这是一种利用间歇震荡电路组成的开关电源，目前也应用较为广泛。 这对 外部维持振荡 电路的技术要求较高，调试较为困难。 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 49 页 （ 2） 根据激励信号结构分类；可分为 脉冲 调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的宽度 ，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围内，达到稳定电压的效果。 ① 脉冲宽度调制 —— PWM 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行 数模转换。 用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。 噪声 强度 只有在足以将逻辑 1改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时，才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。 在接收端，通过适当的 RC 或 LC 网络可以滤除调制高频方波并将信号 还原为模拟形式。 PWM 特有的 经济、节约空间、抗噪性能强 等特性 ， 成为 在许多 开关电源 设计 中使用的有效技术，也在现在的开关电源 行业 中 被 广泛应用。 ② 脉冲幅度调制 脉冲幅度调制 (PAM)是信号调制的形式，在其中数据被解码为一序列或行列振幅，由规则的周期信号脉冲组成的。 脉冲幅度调制的理论基础是抽样定理。 它是用一个周期矩形脉冲信号去对一个调制信号进行抽 样。 我们知道，抽样定理是用冲激信号抽样而导出的，然而，这种冲激信号在实际中是不可能产生的。 但是，只要我们用很窄的脉冲去代替冲激信号，我们 同样可以利用抽样定理去分析问题。 脉冲幅度调制 需要数模转换才能对模拟信号进行控制，它的抗干扰能力也不如PWM 强，在开关电源 这种有较强干扰的电路 中不被常用。 方 案总结 与确定 考虑 本设计是 在 90290V 大范围 交流电压输入 时，仍有较稳定的 5V 和 两路电压输出 的要求。 追求电路结构简单和成本低，并 结合其转换效率、 输出 中小 功率、 多路输出、能否自动均衡等情况综合考虑。 由以上的方案对比可知，本设计选择 开关电源成本低、高效率、电路简单和容易得到多路输出 的 单端反激变 换 器 结合 PWM 控制技术 来实现本课题的要求。 3 反激 变换器的基本电路 开关电源基本原理 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成为另一形态的主电路都叫开关变换器电路，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。 开关电源就是通过 脉冲 电路控制开关管进行高速的导 通与截止。 将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压， 变压器次级感应出高频电压 ， 经整流滤波供给负 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 49 页 载 ， 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 ， 控制 PWM 占空比 ,以达到稳定输出 所需要的一组或多组电压。 转 化 为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要 比 50HZ 高很多。 所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热 ， 成本很低。 本课题设计 整体 电路框图 如图 所示。 图 整体 电路框图 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， 该电压进人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。 控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。 这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电 路。 控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。 开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。 它们的功能是： （ 1） 输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。 （ 2） 输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。 （ 3） 变换器：是开关电源的关键部分。 它把直流电压变换成高频交流电压，并且 起到将输出部分与输入电网隔离的作用。 （ 4） 输出整流 滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。 （ 5） 控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。 调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。 （ 6） 保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停防雷单元 EMI电路 整流 、 滤 波波 稳压环路 过 流保护 脉宽调制单元 输出过压保护 功率变换 5V 输出 取样 输入过欠压保护单元 整流滤波 交流输入 过压保护 过流保护 BUCK输出 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 49 页 止工作以保护负载和电源本身。 反激拓扑 基本电路 反激 电路 简介 单端反激 变换器电路是 脉冲变压器的原 副 边 轮流工作 ，输入输出电气隔离，能量由变压器 传送。 当开关管导通 时 ， 输入电压对 变压器原边 储能，变压器副 边不对负载供电。 当 开关管 截止时 ，变压器原边 不工作，副边靠线圈感应开关管导通时原边储存的磁能向负载提供能量， 得到输出电压。 反激电路 的工作原理 反激电路的 主回路结构缩略图如图 2。 图 主回路结构图 （ 1） 反激电路中的变压器起着储能元件的作用 ,可以看作是一对相互耦合的电感。 其 工作过程 如下 : ① Q1 导 通后 ， D1 处于断态 ， 原边 绕组的电流线性增长 ,电感储能增加。 ② Q1 截止 后 ,原边 绕组的电流被切断 ,变压器中的磁场能量通过 副边 绕组和 D1 向输出端释放。 Q1 关断后的电压为 ： Us=Ui+Np*Uo/Ns （ 31） 式中 Us—— 原边两段的电压 ； Ui—— 输入直流电压 ，图 中 Ui=Vin； Np—— 原边匝数 ； Ns—— 副边匝数 ； Uo—— 输出电压。 （ 2） 反激电路的工作模式 : ① 电流连续模式 :当 Q1 导 通时 ,Ns 绕组中的电流尚未下降到零。 输出电压关系 : T1v inD1Co RoC inQ1 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 49 页 Uo/ Ui =Ns*ton/Np*toff （ 32） 式中 ton—— 开关管的导通时间 ； toff—— 开关管的关断时间。 ② 电流断续模式 :Q1 导 通前 ,Ns 绕组中的电流已经下降到零。 输出电压高于式 （ 32） 的计算值 ,并随负载减小而升高 ,在负载为零的极限情况下 ,因此反激电路不应工作于负载开路状态。 （ 3） 反激电路波形 分析 反激电路的理想化波形如图。 图 反激电路的理想化波形 图 中 is—— 变压器原边电感的电流； VDi —— 二极管 D1 两端的电流波形。 在开关管导通期间的变压器原边的电压 Us=Vin，其相位 与开关管截止时的电压相位相反。 变压器原边电流 is 在开关管导通时线性 增 加 ,电感储能增加。 当开关管截止的时候，变压器原边电压 值为式（ ）。 整流二极管两端的电流线性下降。 在实际电路中，变压器原边电压和电流以及后级整流二极管的电流都会在开关管导通和关断时刻出现尖峰，这也就需要增加缓冲和吸收电路。 4 变压器的设计 反激 变压器的基础知识 反激式电源变换器设计的关键因素之一是变压器的设计。 在此所说的变压器不是真正意义上的变压器，而更多的是一个能量存储装置。 在变压器初级导通期间能量存储在磁芯的气隙中，关断期间存储的能量被传送给输出。 初次级的电流不是同时流动的，因 XXX 大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 49 页 此它更多的被认为是一个带有次级绕组的电感。 反激 变压器的设计是反激 变换器的设计难点，因为输入电压范围宽，在反激变换器中，一般存在以下两种工作方式。 （ 1）完全能量转换（电感电流不连续方式）：在储能周期（ ont ）中，变压器中储存的所有能量在反激周期（ offt ）中都转移到输出端。 （ 2）不完全能量转换（电感电流连续方式）：储存在变压器中的一部分能量在 offt末保留到下一个 ont 的开始。 这两种方式的小信号传递函数是极不相同的动态分析时要做不同的处理；在实际应用中，当变压器输入电压在一个较大范围内发生变化，或 /和负载电流在交大范围内变化时，必然要跨越着这两中工作方式。 特别是在低电压输入，满负载条件下变压器会工作在连续电流模式（ CCM），而在高低压输入，轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式（ DCM）；如果反激变换器的设计均按完全能量传递方式（ DCM 模式）或临界模式来计算，这样的设计将无法 真是反映变压器的实际工作模式，这时变压器的工作状态可能不是最佳， 这就对变压器的设计提出更高的要求。 正因为如此，反激式变压器设。