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1、电子线路系统设计课程论文题0：12V开关电源设计电路姓名：陈婉如学号：20194518同组姓名：彭树琴专业班级：2019级电子信息工程二班指导老师：谢铁强老师评分标准:论文结构完整（20分）参数设计精确（20分）论文格式规范（20分）文字表述清晰（20分）设计符合要求（20分）总分(100)摘要随着电子科技的不断发展，越来越多的电器设备走进了千家万户，要想让这些电器为我们服务，又离不开电源的驱动。而开关电源因其高效率、低体积、低功耗、高牢靠性等一系列的优点受到了人们的亲赖。开关电源（电源适配器）实质上就是一个将高压沟通电转换成低压直流电的装置。本论文采纳了反激式的拓扑结构，所谓反激式即在MOS
2、FET管关断的时候次级的二极管才导通，这时候储存在变压器的能量才会传递到次级，供输出所用。本次设计UC3842作为核心芯片,它同时具备了过负载爱护、过电压爱护、过温爱护等功能，在很大程度上简化了电路。在这些的基础上运用脉冲宽度调制（PWM）的原理来完成设计，脉宽调制是通过固定脉冲周期，变更占空比来限制MOSFET管导通和断开的比率从而限制输出。使得电路更简洁，精度更高，同时也能满意不同的电器对输入电范围，输出电压大小不同的要求。为了实现电压输出的稳定，同时考虑到各国的市电电压和频率的不同，电路中集合了许多模块，比如EV1.滤波电路、变压电路、输出整流滤波电路、光电耦合反馈回路、尖峰电压汲取回路
3、等。这样不但可以提高电路的精度和效率，同时也使得电路稳定性和平安性得到大幅度的提高。该电路具有宽电压输入，多路稳定输出、纹波和噪声可限制等优点。在完成电路的探讨和焊接后进行了PCB板的;则试，通过不断的改进及完善，最终得到的结果基本符合预期，效果比较志向。关键词：反激式，开关电源，脉宽调制，拓扑结构，电源适配器目录摘要错误!未定义书签。本课题的设计要求与目的错误!未定义书签，第1章绪论41.1 开关电源的发展及国外现状41.2 国内开关电源的发展及现状7第2章开关电源整体结构与分析3Pu1.seWidthModUIation）限制芯片，极大地提高了开关电源的牢靠性，并进一步减小了体积。在随后的
4、几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MoSFET）相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，牢靠性也显著增加。到80年头中后期，绝缘栅双极性晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多实行PWM集成限制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管（VMOS管）和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管（IGBT）,具有软复原特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制限制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，
5、为高频开关电源向大功率、高效率、高牢靠性方向发展奠定了良好基础。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深化，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件限制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加牢靠、稳定、高效、小型、平安。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，乂开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了PwM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变更及电压、电流幅度大的缺点。采纳这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但
6、提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的平安工作区，在肯定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的牢靠性。1.2国内开关电源的发展及现状建国初期，我国邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源。在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，及工厂共同研制胜利国产XZ1.系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，起先用硒整流器装备通信局(站)，替换原有的电动发电机组，这标记着我国国产通信电源设备跃到一个新的水平。但后来，我国的通信电源发展相当缓
7、慢。1963年起先研制和采纳可控硅(SCR)整流器，1965年着手研制逆变器和晶体管宜流一宜流(DC/DC)变换器，当时及发达国家相比只落后五六年.后由于十年动乱，研制工作始终停滞不前，除了可控硅整流器于1967年在武汉通信电源厂起先形成系列化生产，供通信设备作一次电源运用，并不断得到改进，性能和质量逐步提高外，其它方面进展特别缓慢。始终到80年头才起先生产20KHZDC/DC变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的一次电源运用。只是作为通信设备的二次电源运用(二次电源对元器件的耐压及电流要求较低)。直到上世纪90年头初，我国大多数通信设备所用的一次电源仍旧是可控硅整
8、流器。这种电源工作于工频50Hz,有浩大的工频变压器、电感线圈、电解电容等，笨重浩大、效率低、噪声大、性能指标低，不易实现集中监控。由于通信事业发展的须要，八十年头后期，邮电部加强了通信电源技术发展的各项工作，制订了“通信基础电源系统设备系列暂行规定”，“通信局（站）电源系统总技术要求”和电源设备行业标准等文件，多次派代表参与国际电信能源会议，并在八十年头后期才第一批引进了澳大利亚生产的48V50A（开关频率为40KHZ）和48V100A（开关频率为20KHZ）的高频开关电源，在汲取国外先进技术的基础上，投入较大的力气，起先研制自己的开关电源。邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以
9、PWM方式工作的开关电源，并推向电信行业应用，取得了较好的效果.随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控（包括远程监控）的要求，众多厂家都投入力气研制开发，推出了采纳PWM技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案，短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采纳叫M集成限制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极晶体管的半桥或全桥电路，其开关频率为几十100KHZ、效率高于90%、功率因数接近1。稔压精度优于0.5做模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。总的说来，开关电源的发展趋势为:接着向高频、高效、高牢靠、高密度化、低耗、低噪声
10、、抗干扰和模块化发展。(2)输出整流二极管的电流输出整流二极管流出的电流即为流过输出滤波电感的电流，所以其有效值为5.25o依据以上分析，同时考虑肯定的裕量，选取RuRU30120作为输出二极管。该二极管的耐压为120V,额定电流为30A。3.3.2输出滤波电感依据相关文献的公式可以得到:1.誓他打2/0min选/Omin为额定负载电流的5乐即/Omin=5X5%=0.25AT=1.f=1.3010=33.3uS了。min=(Dmin*D/2=4.2uSV2max=783.6V此时的电感电流增量不得大于2/0min，所以1.=V2悔、T,口血叮minJ,2力m.2x0-6=4.9410H2mi
11、nmn2x0.25所以选取滤波电感为4.9410-1H3.3.3输出滤波电容(1)依据输出纹波电压/Wo来计算滤波电容的大小：C=V-min)-22(1.-0.252)_.66X02F32f21.fVo323002x4.9x03x0.1(2)依据输1B电压动态幅度()来求出滤波电容的大小C-01.maxVp2-V()其中，/Omax为输出电流的最大值取5A，VP为电源从满载突变到空载时输出电压的上冲幅度，取该值为221V因此，输出滤波电容为：=334UF5.9IO352-221-22()r取以上两者最大值，并考虑肯定裕量，最终取C=500uF3.4爱护电路的设计3.4.1 过流爱护开关电源通常
12、设有电流爱护电路，当负载电流超过设定值或发生短路时，对电源本身供应爱护，系统的过流爱护在系统的平安性方面占有重要的地位，过流爱护我们采纳了三重爱护:一是在系统的输入级的三相沟通引入处安置熔断保险管，在系统出现短路和其它意外重大故障的时候切断外部电源的输入以爱护系统免受损坏；二是在用于限制软启动的触发器后级安置熔断保险管，以防止启动浪涌电流的过大而破坏功率器件；三是系统的最主要的过流爱护部分，通过对系统电流的检测来限制PWM信号脉宽从而达到过流爱护的目的，过流爱护电路的型式有三种。下面将具体介绍。切断式爱护。切断式爱护的原理框图如图4-10所示。图3-2切断式爱护电路原理框图电流检测电路检测电流
13、信号，经电流一电压转换电路转换成电压信号，再经过比较电路进行比较，当负载电流达到某设定值时，信号电压大于比较电压，比较电路产生输出触发故障锁存器，使限制电路失效，稳压电源输出被切断。限流式爱护。限流式爱护的原理框图如图4-11所示。图3-3限流式爱护电路原理框图限流式爱护电路和切断式爱护电路的差别在于电压比较电路的输出不是使整个限制电路失效，而是取代误差放大器限制V/W电路输出的脉冲宽度。当负载电流达到设定值时，爱护电路工作，使V/W电路输出脉宽变窄，稳压电源输出电压便下降，以维持输出电流在某设定的范围内。限流一切断式爱护。限流一切断式爱护电路分两个阶段进行，当负载电流达到某设定值时，爱护电路
14、动作，输出电压下降，负载电流被限制：假如负载电流增大至其次个设定值时，爱护电路进一步动作，将电源切断。这是上述两种爱护方式相结合的产物。本系统采纳的是第三种过流爱护方式，设定了两个整定值，1.0V和1.2V当电流检测电路的输出超过1.0V时，启动限流爱护方式，输出脉冲终止，当电流检测电路的输出超过1.2丫时，启动切断爱护方式，故障锁存器置位，系统重新软启动，这部分的功能全部由UC3825自动完成。外部电路只需完成电流检测和I/V转换，并将转换的电压信号输入到UC3825的第9脚。电流检测电路如图4-12所示。图3-4过流爱护电流采样电路图4T2中，Q表示待检测的电流，指的是高频变压器ri的原边
15、输入电流，C是用来检测电流的类似于电流互感器的电流变压器，因为心是高频变更的沟通，所以变压器门的副边要经过整流，人9接到UC3825的第九个端口，通过UC3825来限制过流后的一系列动作。具体状况在上面UC3825的电路分析中已经说明。图4-12中的电容C是噪音滤波电容器，用来滤掉干扰，以防止过流爱护电路的误动作。3.4.2 过压爱护为了爱护负载，开关电源须要设计输出过电压爱护电路，过电压爱护电路如图4-13所示。图中UG表示光耦合器,选用TI1.1.17,T1.表示一个可编程的精密电压基准43I1.,主电路的输出电压VoUr过N、R2、R3、以分压后加入到精密电压基准的基准(R)端，的阴极接
16、到光耦合器的3端,从图4-13中可以知道，当基准电压匕4达到2.5V时，阴极电流突然增大，使得光耦合器工作，UA6变为低电平，而以6连接到UC3825的输入启动端(SS),这样迫使启动电容放电，系统重新软启动，实现过压爱护的目的，爱护负载的平安。图3-5过压爱护电路第4章总结及展望近年来，随着电力电子技术飞速的发展，一些直流用电设备对口流电源系统的要求越来越高，不但输出电流大，而且对电压纹波、稳压精度、过载实力、效率等指标要求也很高，因此，探讨大容量、高性能宜流电源系统是很有必要的。本文提出了大功率直流开关电源系统主电路、限制电路以及监控系统的具体设计方案。在此基础上完成了硬件电路的设计，得出
17、以下几点结论：(D在高频变压器的设计中，磁芯的选择、绕组的绕制等多个环节可能须要反复设计试验才能达到志向的效果。3.4.3 PBM驱动电路的设计是特别关键的，MoSFET的驱动波形的好坏也干脆关系到整个电源系统的整体性能。(3)此外，直流滤波环节参数的选取也很重要，须要反复试验才能达到较好的滤波效果。(4)通过并联均流限制，多个电源模块并联运行时，按平均值的均流方法可以得到很好的均流效果。由于时间的限制，还有以下一些后续工作有待完成：(1)高频变压器的更进一步优化设计，高频变压器存在着温升偏高的问题，开关噪声偏大。可以在磁芯选择，制作工艺上做一些优化工作。(2)汲取回路的一些参数须要优化，汲取
18、回路的一些汲取电阻功率偏高，影响装置的牢靠性。(3)装置的散热风路有待重新设计，使得系统散热效果加强，延长装置运用寿命。(4)电源效率还有较大的提高余地，离高效率电源还有较大差距。(5)电磁版容的设计有待进一步深化。通过对高频开关电源基本理论的探讨，对开关变换器各种拓扑结构的分析论证，期望设计出一种好用于电力系统直流操作电源的高频开关电源整流模块，以替代现在运用的相控整流电源，为电力系统供应一种重量更轻、体积更小、效率更高、平安性更好的一种整流模块。参考文献1王水平.武芒.开关电源及其发展动态.电子科技.1996(2):3王2张占松.蔡宣三.开关电源的原理及设计.北京：电子工业出版社，2019
19、:2953023张占松.蔡宣三.开关电源的原理及设计(修订版).北京：电子工业出版社，2019:6154贾正春.马志源.电力电子学.北京：中国电力出版社，2019:2702795李爱文.现代通信基础开关电源的原理和设计.北京:科学出版社，2019:1-106汪阳.智能高频开关电源的探讨,武汉高校硕士学位论文，20197唐敏.黄刚.开关电源及其功率材料的现状及发展.科技动态，2019(2):23248张为佐.漫话功率半导体器件40年.电源技术应用，2019年合订本：129吴含钧.电力半导体器件及其模块的发展趋势.电源技术应用，2019年合订本:36”0汪建，孙开放，章述汉.VCS-96系列单片机
20、原理及应用技术.武汉:华中理工高校出版社，2019:353-35511陈坚.电力电子学.北京:高等教化出版社，2019:2512许文龙.胡信国.现代通信电源技术.北京：人民邮电出版社，201913王水平.付敏江.开关稳压电源.西安:西安电子科技高校出版社，2019附录图附录总电路工作过程及原理分析：上图是本次设计的电源原理图，电路中CYKCY2组成共模滤波滤除两线间的非对称的共模干扰；C1.、和C2用于涯除差模干扰，1.2用于衰减共模干扰及变压器初级绕组并联的RI、C3、和D3构成消振回路，当开关晶体管开通和关断是开关管两端会出现很大正向和反向振荡波形，这样的波形简洁对开关管造成二次击穿，由它
21、们组成的消振衰减电路可有效抑制这种现象.24V的直流电经）2、R3启动UC3842和开关电源工作，开关电源工作后反馈绕组上感应电压经D4、R6整流滤波后再向UC3842电路供电。在振荡器产生的脉冲限制下，当限制脉冲为上升沿时,该脉冲信号由UC3842得6脚输出经R12并通过稳压管DZ稳压后，为开关功率管供应基极偏流，使开关管导通，变压器储积能量负载靠输出滤波电容（CI6、CI7、C1.8、和C19）供电,在限制脉冲的下降沿时，开关管的基极电压下降，集电极电流减小，开关管快速截止，宜至下一个脉冲的上升沿来到时，开关管才重新导通，如此周而熨始，感应电势向负载和电容供电。开关管的集电极电流通过耦合电
22、感的作用使其电流反应到检测电阻R15上，转换成相应的电压，该电压经RI6、C7、和C8构成的滤波器后送至UC3842的3脚，此信号及片内的误差放大器输出信号送至PWM比较器的两个输入端，产生调制脉冲。该电路的爱护原理如下：因某种缘由引起过大电流，开关功率管的集电极电流将有较大的增加，引起感应电流的增大,检测电阻上电压增大，当3脚电压增大至IV时,UC3842片内PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出，6脚无输出电压，开关功率管截止，从而爱护了电路，UC3842的2脚为取样输入，反馈信号由输出端经T1.431和光点耦合器PC817送入,当负载增加（或减小）引起输出电压下降（或增大）时，分压电阻的作用，使得T1.431参考端的电压发生变大（或减小）维而影响到光耦PC817发光二极管上电流的减小（或增加）,通过光电耦合的作用，检测电阻R13上的电压就会减小（或增加），将其上的电压及2脚内的参考电压2.5V作比较，从而变更输出波形的占空比，增加开关功率管的导通时间，于是传到次级绕组上的电能增加，使输出电压增加，反之亦然，这样就使输出电压保持恒定不受负载变更的影响。
