《开关电源基础与应用》课件第6章.ppt

1、第6章 开关电源设计 第6章 开关电源设计 6.1 小功率开关电源 6.2 大功率开关电源 6.3 逆变电源 6.4 便携式开关电源 6.5 多输出高精度直流电源 6.6 通信系统电源 第6章 开关电源设计 6.1 小功率开关电源小功率开关电源6.1.1 50W电源设计电源设计本节以小型电源的设计为例，说明电源设计的方法。1电源设计指标电源设计指标典型小功率电源输入、输出参数如下：输入电压：AC 220V；输入电压变动范围：190240V；输入频率：50Hz；输出电压：12V；输出电流：2.5A。第6章 开关电源设计 控制电路形式为它激式，采用UC3842为PWM控制电路。电源开关频率的选择决

2、定了变换器的特性，开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但随着频率的提高，诸如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗等会越来越突出，而且频率越高，对磁性材料的选择和参数设计的要求会越苛刻。另外，高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会比较困难。在本电源中，选定工作频率为85kHz。第6章 开关电源设计 2电路结构的选择电路结构的选择小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路，电源结构简单，工作可靠，成本低。与单端反激式电路相比，单端正激式电路开关电流小，输出纹波小，更容易适应高频化。用电流型PWM控制芯片UC38

3、42构成的单端正激式开关稳压电源的主电路如图6-1所示。第6章 开关电源设计 图6-1 UC3842构成的单端正激式开关稳压电源主电路 第6章 开关电源设计 单端正激式开关稳压电源加有磁通复位电路，以释放励磁电路的能量。在图6-1中，开关管VT导通时VD1导通，次级绕组N2向负载供电，VD4截止，反馈电绕组N3的电流为零；VT关断时VD1截止，VD4导通，N3经电容C1滤波后向UC3842的7脚供电，同时初级绕组N1上产生的感应电动势使VD3导通并加在RC吸收回路。由于变压器中的磁场能量不像一般的RCD磁通复位电路消耗在电阻上，而是通过N3泄放，因此可达到减少发热、提高效率的目的。第6章 开关

4、电源设计 3变压器和输出电感的设计变压器和输出电感的设计依据UC3842应用方式，选用定时电阻RT=18k，定时电容CT=3300pF。确定开关频率f=30kHz，周期T=33.3s。选电源占空比D=0.5，得ton=TD=16.65s (6-1)选择磁芯截面积S=1.13cm2，磁路有效长度l=6.4cm，=2000(MXO材料)，则电感系数为(6-2)H44.4104.06lSL变压器初级绕组匝数N1为(6-3)SBtUNmaxoni1第6章 开关电源设计 初级绕组电感为87211NLLmH 次级绕组匝数为DUUUUNNLiVD1o12)(6-4)式中：UVD1为整流二极管VD1的压降，U

5、L为输出电感L的压降。取UVD1+UL=0.7V，代入式(6-4)，得N2=28匝。由式(6-2)，次级绕组电感为48.3222NLLmH(6-5)第6章 开关电源设计 设开关管断开时，N1两端感应电动势e=300V；反馈绕组向UC3842的7脚提供工作电压，设电容C1上的电压UC=16V，由N3=(UC/e)N1，得N37.5，取8匝。变压器次级电流为矩形波，其有效值为(6-6)A 77.1707.05.2o2DII导线电流密度取4A/mm2，所需绕组导线截面积为1.77/4 0.44mm2。同样可选择初级绕组导线，初级电流有效值为(6-7)21o10.35ANIIDN第6章 开关电源设计

6、导线截面积为 0.35/4=0.0875 mm2，选用截面积为 0.1 mm2的导线。取输出电感的电流变化量 IL=0.2Io=0.5 A，则输出电感为 onoVD12tIUUULL (6-8)式中，U2为次级绕组电压。计算得：4.25VD1o2DUUUULV (6-9)取 UVD1=0.5 V，Uo=12 V，代入式(6-8)得 L=429.57 H。根据输出电感上的电流 IL=Io，绕组导线截面积约为 2.5/4=0.65 mm2，选择截面积为 0.75 mm2的导线。第6章 开关电源设计 4开关管、整流二极管和续流二极管的选择 由于开关管断开时初级绕组 N1两端的感应电动势限制为 eL

7、300 V，交流输入电压经全波整流、电容滤波后，直流输入电压的最大值 为 3392240maxiUV (6-10)整流二极管所承受的最高反向电压为 6012DNNeU V (6-11)续流二极管所承受的最高反向电压为 6812maxiFNNUU V (6-12)整流二极管和续流二极管的最大电流为 75.21.1oVD2VD1III A (6-13)第6章 开关电源设计 5反馈电路的设计反馈电路的设计电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图6-2所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使UR2变

8、化，UR2接入UC3842的保护输入端3脚，当UR2=1V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节R1、R2的分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。第6章 开关电源设计 电压反馈电路如图6-3所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的1脚，调节R1、R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压Uo升高，集成稳压器

9、TL431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即UC3842的1脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压Uo减小。同样，如果输出电压Uo减小，可通过反馈调节使之升高。第6章 开关电源设计 图6-2 电流反馈电路 第6章 开关电源设计 图6-3 电压反馈电路 第6章 开关电源设计 6保护电路的设计保护电路的设计图6-4所示为变压器过热保护电路，NTC为测变压器温度的一个负温度系数的热敏电阻。由NTC、R2、运放A1构成滞环比较器。在正常工作时，变压器温度正常，NTC的阻值较大，运放两输入端电压U+U-，运放的输出电压较高，使三极管VT饱和导通，将电源内部的

10、假负载R7自动接入。当电源接入负载RL时，R8上的压降使U+U，运放的输出电压为零，VT截止，将R7断开。第6章 开关电源设计 图6-5 输出过电压保护电路 第6章 开关电源设计 图6-6 空载保护电路 第6章 开关电源设计 7调试调试在输入电压为220V的条件下，输入功率是个脉冲序列，周期为10ms，即每半个工频周期电源输入端通过整流桥为输入平滑滤波电容充一次电。在各种不同的负载状况下，当输入电压从90V变化到250V时，相应的输出电压的测试结果如表6-1所示。第6章 开关电源设计 表 6-1 不同负载下的输出电压 输出电压/V 输入电压/V 空载 半载(10)满载(5)90 12.456

11、12.360 12.242 110 12.459 12.368 12.247 220 12.467 12.375 12.265 250 12.471 12.381 12.262 第6章 开关电源设计 实测各种负载状况下的效率如表6-2 所示。表 6-2 不同负载下的效率 负 载 空 载 半 载(10)满 载(5)输入功率/W 3.00 20.03 36.02 输出功率/W 0 15.29 30.04 效率 0 76.34%83.40%第6章 开关电源设计 6.1.2 120W/24V电源设计电源设计1设计要求设计要求以图6-7所示的120W、24V开关稳压电源原理图来说明其设计步骤。设计指标为

12、：输入电压：AC 185265V，50Hz；输出电压：DC 24V；输出电流：5.0A；电压调整率：1%。第6章 开关电源设计 图6-7 120W、24V开关稳压电源原理图 第6章 开关电源设计 2器件选择器件选择选择TOP系列的TOP248Y作为开关器件。由于TOP248Y工作在输出功率的上限，电流设定在最大值，即将TOP248Y的X端直接与源极相连。过压值设定在DC 450V，若输入电压超过此值，则TOP248Y将自行关断，直到输入电压恢复正常值时TOP248Y自行恢复启动。频率选择端F也与源极直接相连，此时开关工作频率设定在130kHz。第6章 开关电源设计 3脉冲变压器的设计脉冲变压器

13、的设计脉冲变压器的初级电感L中的电流与电压的关系为0LUIL(6-14)式中：U0为初级电感两端的电压；为开关脉冲宽度。脉冲变压器的初级电感值在3003000H之间，输出功率大时应取下限，反之则取上限。变压器初级电感值不能太小，否则会造成TOP248Y中的功率MOSFET的漏极电流太大，使开关损耗增加，同时易造成过流保护动作，使电源难以启动。同样，初级电感值也不能太大，否则不能满足输出功率的要求。第6章 开关电源设计 4电源次级电路的设计 次级电路设计主要是选择整流管和滤波电容。整流管的选择应根据输出电流和电压进行，其最大值为 10522oRLC IIA (6-15)URLC nUimax (

14、6-16)minomax iDUUn (6-17)式中：Uo为输出电压；Io为输出电流；Ui max为最大直流输入电压；Dmin为开关的最小占空比；n 为脉冲变压器的变比。第6章 开关电源设计 将 Ui max=375 V，Uo=24 V，Dmin=0.25 代入式(6-17)，得到脉冲变压器的变比为 n 4。此时脉冲变压器的初级励磁电流为 51.25 A4LI (6-18)此值远小于 TOP248Y 的漏极电流 7.2 A。电源次级整流管在输出电压较低的情况下采用肖特基二极管，以减小二极管的损耗。当输出电压较高时，则需要采用快恢复二极管。当开关频率较高时，应采用超快恢复二极管作整流管，以减小

15、其反向电流对初级的影响。滤波电容 C7的容量应满足输出电压纹波的要求，L1及 C9应能有效地滤除开关过程所产生的高频噪声干扰。第6章 开关电源设计 5反馈电路的设计反馈电路的设计图6-7所示电路的反馈电路采用光电耦合器和可调式三端稳压器VZD2以及RP6、R10、R11组成的输出电压调整电路，R5为光电耦合器的限流电阻。在启动瞬间，检测的电流通过光电耦合器改变IC1控制端的电流，实现预调整，以确保电源在低电网电压和满载启动时达到规定的调整值。C3和C4、R4组成环路补偿电路。第6章 开关电源设计 6.2 大功率开关电源大功率开关电源6.2.1 技术指标技术指标交流输入电压：三相，380(120

16、%)V，50Hz；输出直流电压：0300V；输出直流电流：020A；稳压稳流精度：0.01%；效率：95%；运行方式：100%连续。第6章 开关电源设计 6.2.2 功率变换部分功率变换部分电路的功率变换部分是采用IGBT模块组成半桥式电路，如图6-8所示。此部分是开关电源的核心，其性能的好坏直接影响整个电源的性能与可靠性。第6章 开关电源设计 图6-8 功率变换部分电路图 第6章 开关电源设计 1主电路主电路经过VD1VD6组成的三相全波整流后，得到约560V直流电压，再经输入滤波电容C2、C3分压，它们各承受约280V电压。当VT1的门极电压U1达到一定电平值时，VT1导通，电容器C2经过VT1的漏极和源极、变压器T的初级绕组放电，给次级传递能量。当VT1截止时，VT2的门极电压U2也达到一定的电平值，使VT2由截止转为导通，电容器C3经T的初级绕组及VT2的漏极和源极放电，给次级传递能量。为了避免因VT1与VT2同时导通造成直通故障而损坏，必须要保证VT1和VT2的门极驱动电压有一个共同截止的时间，称为控制脉冲的“死区”时间，要求“死区”时间必须大于VT1和VT2的最长导通饱和延