SHANDONG ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
毕业论文
多路输出单端反激式开关电源设计
学 院： 电气与电子工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
学生姓名： 戚本宇
学 号： 1021042031
指导教师： 孙凯
2012年6月
摘要
开关电源是一种采用PWM等技术控制的开关电路构成的电能变换装置，它广泛应用于交直流或直直流电能变换中，通常称其为开关电源（Switched Mode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦不等，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。开关电源因其体积小、重量轻、效率高、性能稳定等优点而逐渐取代传统的线性稳压电源，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。
本课题是设计一个通用的多路输出的反激式开关电源，电源取自220V 市电。本题目设计的开关电源是采用全控型电力电子器件MOSFET作为开关，利用控制开关的导通时间来调整输出电压，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反馈电路，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。系统工作频率为50kHz，输出7路隔离的电压。
关键词：开关电源，反激式变换器，高频变压器，UC3844
I
Abstract
Switching power supply using the PWM, control switch circuit of the power conversion device, it is widely used in AC to DC or DC to DC can transform, usually called the switching power supply (Switched Mode Power Supply-S MPS) power from zeroranging from a few watts to tens of kilowatts,is widely used in various fields of life, production, research, and military.The switching power supply because of its small size, light weight,high efficiency, stable performance and other advantages of gradually replacing traditional linear power supply, known as energy efficient power supply,has now become the leading product of the power supply.
This project is to design a generic multi-output flyback switching power supply,power supply from the 220V mains. Switching power supply design of this topic is the use of full-controlled power electronic devices MOSFET as a switch, control switch conduction time to adjust the output voltage, the main control chip UC3844 PC817, of TL431 dedicated chipand compatible with other circuit elements as a feedback circuit,voltage and current double closed loop control,the design ofswitching power supply with automatic voltage regulation function. The systemoperating frequency 50kHZ, the output voltage of 7 road isolation.
Keywords:switching power supply, flyback converter, high-frequency transformer, UC3844
II
目录
摘要 ...................................................................................................... ...I ABSTRACT .............................................................................................. ..II 目录..................................................................................................... .III 第一章引言....................................................................................... ..1
1.1课题研究的背景及意义 (1)
1.2开关电源的技术动态 (2)
1.3本课题的主要研究内容 (2)
第二章开关电源的原理 ........................................................................ ..4
2.1开关电源的基本原理 (4)
2.2开关电源的组成 (5)
2.3单端反激式拓扑分析 (5)
2.3.1 工作原理 (5)
2.3.2 基本关系式 (6)
第三章系统设计 ................................................................................... ..9
3.1技术指标 (9)
3.2黑箱设计 (9)
3.3开关电源电路图 (10)
3.4关键元器件的选择与设计 (11)
3.4.1 控制器芯片UC3844 (11)
3.4.1.1 UC3844的内部结构及管脚功能 (12)
3.4.1.2 UC3844的特点 (14)
3.4.2 线性光耦合器PC817 (14)
3.4.3 可调精密并联稳压器TL431 (15)
3.4.4 高频变压器的设计 (16)
III
3.4.4.1 高频变压器作用 (16)
3.4.4.2 高频变压器的设计 (17)
3.4.5 输出级的设计 (19)
3.4.6 功率MOSFET及其驱动电路设计 (21)
3.4.6.1 功率MOSFET的选择 (21)
3.4.6.2 功率MOSFET控制电路及其参数选择 (21)
3.4.7 电压反馈电路设计 (22)
3.4.7.1 电路图及原理 (22)
3.4.7.2 元器件参数选择 (23)
3.4.8 输入启动电路的设计 (23)
3.4.9 输入整流滤波电路的设计 (24)
3.4.9.1 电路原理图 (24)
3.4.9.2 元器件参数选择 (25)
3.4.10 保护电路的设计 (25)
3.5电路工作过程总结 (26)
第四章设计总结 (28)
参考文献 (29)
致谢 (31)
IV
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。
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
1.2 开关电源的技术动态
高频方面。许多国家都步入MHz级别，涌现出众多新型高频磁性材料，其寄生参数和磁损耗减小，散热性增强，如5~6μm超薄钴基非晶态磁带，纳米结晶软磁薄膜也在研究。铁氧体或其他薄膜材料可集成在硅片上等。
高效方面。致力于减小功率器件的通态电阻、降低漏电流等。如高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件，其优点是：禁带宽，工作温度高（可达600°C），通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等等。
电磁兼容方面。主要研究典型电路与系统的电磁干扰建模；PCB板和电源EMC优化设计软件；强磁场对人体的危害；大功率开关电源EMC测量方法的研究等。
新型电容器。研发适合于功率电源的新型电容器和超大电容。要求电容量大、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1.1~1.8V，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。
1.3 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7路隔离电压的反激式开关电源，研究内容如下：
2
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PC817、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7路隔离的电压。
设计流程：
1．熟悉UC3844、PC817、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PC817、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。
3
第二章开关电源的原理
2.1 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（Pulse Width Modulation）控制方式，就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，然后通过滤波电路来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。而开关电源多为对等幅脉冲进行控制，脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节的。当输入电压被斩成交流方波，其输出幅值就可以通过高频变压器来升高或降低。通过改变高频变压器的二次绕组个数就可以改变电压的输出路数。最后这些交流脉冲波形经过整流滤波后就得到所需的直流输出电压。
开关电源的基本工作工程：
1、交流输入经整流滤波变成直流；
2、控制器输出高频PWM信号控制开关管，将直流电压斩波成高频脉冲电压加到高频变压器初级绕组上；
3、高频变压器次级绕组感应出高频电压，经整流滤波供给负载；
4、反馈环节从一部分输出电压采样得到误差电压，经误差放大后输入到控制器，控制占空比，以达到稳定输出电压的目的。[3]
4
2.2 开关电源的组成
图2-1所示为开关电源的结构框图：
图2-1 开关电源的结构框图
AC/DC转换电路是整流滤波电路。
DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以下几种基本类型：buck 型、boost型、buck-boost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。
因设计需求，本设计在主电路拓扑上采用单端反激式。下面就对这一结构主电路进行讨论分析。[3]
2.3 单端反激式拓扑分析
2.3.1 工作原理
图2-2为单端反激式变换器拓扑结构：
5
+
Uo
图2-2 单端反激式变换器拓扑结构
图中变压器的初级绕组与次级绕组同名端相反，
in
U为输入直流电压，开关
S为功率开关管，C为输出滤波电容，R为负载，
L1
i为初级绕组电流，
L2
i为次
级绕组电流；
o
U和
o
i为输出电压和电流，参考方向如图中所示。
单端反激式变换器又称电感储能式变换器，其变压器兼有储能、变压、隔离三重作用。所谓单端，指变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。当功率开
关管S导通时，直流输入电压
in
U加在初级绕组上，在变压器初级电感线圈中储存能量，由于次级绕组感应电压为上负下正，使二极管D反偏截止，次级绕组中无电流，此时电能转化为磁能存储在初级电感中。当S截止时，初级感应电压极性反向，使次级绕组感应电压极性反转，二极管D导通，储存在变压器中的能量传递给输出电容C，同时给负载供电，磁能转化为电能释放出来。当开关管重新导通时，负载电流由电容C来提供，同时变压器初级绕组重新储能，如此反复。从以上电路分析可以看出，S导通时，次级绕组无电流；S截止时，次级绕组有电流，这就是“反激”的含义。
根据次级绕组放电时间的不同，单端反激式变换器分为3种工作模式：不连续工作模式（DCM）、连续工作模式（CCM）和临界工作模式。
2.3.2 基本关系式
1．共同关系式
6
7
开关管S 导通期间，流过初级绕组Np 的电流1i 线性增长，其增量为
DT L U T L U i in on in 1
11==? （2-1） 式中T 为开关周期，D 为占空比。
开关管S 截止期间，流过次级绕组Ns 的电流2i 线性减小，设电流减小的时间是t ?，则流过Ns 的电流增量为
t L U i o ?=?2
2 （2-2） 开关管S 截止期间，Np 上感应电压与电源电压in U 一起加在开关管S 的DS 级上，DS 级承受的电压为 s p o
in DS N N U U U += （2-3）
2．连续工作模式
如果电流连续，T D T t off )1(-==?，输出电压的表达式为 D
D N N U U p s i o -=1 DT L U D I N N DT L U D U I U I in o p s in o o 1
11(max)1212+-=+=
（2-4） 3．断续工作模式
S 导通期间，变压器初级绕组储存的能量2/2(max)11I L W j =，所以电源输入功率i P 为
2(m a x )1121I L T T W P j
i == （2-5） 如果电流断续，S 导通时起始电流为0，则on i T L U I 1
(max)1=
，假设电路没有损耗，输入功率i P 应与输出功率o P 相等，设输出负载电阻为L R ，则有 L
o on in o R U T L T U P 21222== （2-6）
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从而可以得到断续模式输出电压的表达式为
T
L R T U U L on in o 12 （2-7） 由式（2-7）可知，在断续模式下，输出电压与输入电压和导通时间成正比，与负载电阻的平方根成正比。因此，断续模式下负载不能开路。[4]
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第三章 系统设计
3.1 技术指标
本课题是针对现代电子设备对供电电源的需求，以220V 市电为能源供应，经整流滤波、高频变压器、再经过输出整流滤波，得到电子设备所需的±5V 、±12V 、+24V 等电压。本课题设计的电源主电路拓扑采用单端反激式变换器结构，采用UC3844作为PWM 主控IC ，以实现电压和电流的双闭环控制，从而提高负载调整率，电压调整率，以达到电子设备对电源电压稳定性的要求，本电源开关频率设定在50kHz ，同时输出7路相互隔离的电压。
技术指标如下：
1．输入：AC185~250V ，50/60Hz
2．输出：±5V/0.5A （4路），±12V/1A ，+24V/1A
3．开关频率：50kHz
4．效率：大于80%
5．输出文波：最大100mV （峰峰值）
6．输出精度：±5V ，±12V ：最大±5%
24V ：最大±10%
7．最大占空比：45%
3.2 黑箱设计
1．总输出功率：out P =58W
2．估算输入功率：in P =ηout P =72.5W
3．直流输入电压：inl V =2185?AC =262DC V
inh V =2250?AC =354DC V
4．平均输入电流：
10
a ．最大平均输入电流：max in I =inl in V P =0.28A
b ．最小平均输入电流：min in I =inh in V P =0.21A
5．估算峰值电流：pk I =5.5inl out V P =1.22A
6．散热：根据MOSFET 反激式变换器经验方法：
损耗的35%是由MOSFET 产生的，损耗的60%是由整流部分产生
的，5%是由其他部分产生的。
效率80%时的损耗为14.5W 。
a ．MOSFET ：Dmosfet P =6.7W
b ．整流部分：V D P 5=0.375W
V D P 12=1.8W V D P 24=3.6W
3.3 开关电源电路图
设计的完整开关电源电路图如下：
AC1
AC2
GND GND
-5V
-12V
图3-1 本设计开关电源电路图
3.4 关键元器件的选择与设计
3.4.1 控制器芯片UC3844
UC3844 PWM控制IC是高性能频率固定的电流型PWM控制器，它为实际设计提供了一种电路简单、外围元件少、带负载能力强而又经济的解决方案。
这种控制IC的特点是：有一个可微调的振荡器，用来精确地控制占空比；有一
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个经过高温补偿的基准电压；一个高增益误差放大器和一个电流感应比较器；一个适用于功率MOSFET的图腾柱大电流推挽输出以及过压过流保护功能。
3.4.1.1 UC3844的内部结构及管脚功能
图3-2 UC3844的引脚图
图3-3 UC3844的内部结构
该芯片虽然只有8个管脚，但是却有两个闭环控制回路，一个为内部误差放大器所构成的电压闭环控制回路，它将输出电压反馈到第2管脚，同2.5V基
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准电压比较，形成误差电压。另一个为内部电流感应比较器所构成的电流闭环控制回路，变压器初级绕组中的电流在反馈电阻Rs 上产生的压降，通过第3脚，与误差电压进行比较，调节PWM 波的占空比。这两个控制回路都是在固定频率下工作的。
1脚为补偿端，该管脚为误差放大器的输出，外接RC 网络对误差放大器的频率响应进行补偿。
2脚为电压反馈端，取样电压加在误差放大器的反相输入端，与2.5V 的基准电压进行比较，产生误差电压。
3脚为电流检测输入脚，外接电流检测电阻，将流过初级绕组上的电流实时反馈到控制器，当3脚电压等于或高于1V 时，电流检测比较器输出高电平，复位PWM 锁存器，从而关闭输出脉冲，起到过流保护作用。
4脚外接定时RC 网络，用以确定振荡器的工作频率，其频率通过式)(8.1kHz C R f t
t 确定。 5脚是地，是控制电路和电源的公共地。
6脚为输出端，采用图腾柱式输出，最大峰值电流为1A ，能直接驱动功率MOSFET 的栅极。
7脚为集成电路的正电源，其开启电压为16V ，关闭阀值为10V 。一旦芯片开始工作，该芯片就能在10-16V 之间波动的电源供电条件下正常工作，6V 的差值电压可有效地防止电路在给定工作电压附近振荡。当开关电源通电瞬间，高压直流电通过一个大阻值的电阻降压供给UC3844，当7脚的电压大于16V 时，芯片立即启动，此时启动电流小于1mA ，此时无输出，6脚输出正脉冲，使变压器也启动工作，变压器一路输出绕组专门给UC3844供电，以保持芯片继续正常工作，此时的工作电流约为15mA 。在第7脚设有一个 34V 的齐纳管稳压管，用于保证其内部电路绝对工作在34V 以下，防止高压可能带来的损坏。
8脚为基准电压输出，产生精确的+5V基准电压，并具有一定的带载能力，带载能力可达50mA。通常我们通过测量该脚是否有稳定的+5V输出来判断该IC 是否正常工作。
UC3844的最大的优点就是外围元件少，外电路装配简单，且成本低，适用于20~100W小功率开关电源的驱动电路设计。
3.4.1.2 UC3844的特点
UC3844具有如下特点：
(1)电压调整率(抗电压波动能力)非常好
(2)有很好的负载调整率
(3)频响特性好，稳定幅度大
(4)过流限制特性好
(5)具有过压保护和欠压锁定功能。
(6)UC3844控制的开关电源工作占空比D<50%[5]
3.4.2 线性光耦合器PC817
光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。通常是把发光器（发光二极管LED）和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内如图3-4。当输入端加电信号时，发光器（发光二极管）发出强弱光线，照射在受光器（光敏晶体管）上，受光器接受强弱不同的光线后导通程度也不同，产生不同强度的电流从输出端输出，实现了“电-光-电”的转换。
普通光电耦只能传输开关信号，不能传输模拟信号。线性光电耦是一种与普通光耦不同的新型光电转换器件，它可以传输模拟电压或电流信号，输入信号的强弱不同，发光器产生相应强弱的光信号，从而使受光器的导通程度也随光信号强弱的不同而输出的电压或电流强度也随之不同并具有线性的对应关系。PC817属于线性光电耦合器，可以传输模拟信号。[7]
PC817内部结构如图3-4所示：
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图3-4 PC817内部框图
图3-5为PC817集电极发射极电压V 与发光二极管正向电流f I 的关系：
图3-5 PC817集电极发射极电压V 与发光二极管正向电流f I 关系
3.4.3 可调精密并联稳压器TL431
本课题所设计的基准电压和反馈电路采用三端稳压器TL431构成。在反馈电路中用TL431与输出采样电压进行比较，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到UC3844的电压反馈端。
TL431是2.5～36V 可调式精密并联稳压器。其价格低廉，可广泛应用于精密线性稳压电源和单片精密开关电源中。它可以输出2.5~36V 连续可调电压，