電力電子課程設計--單端反激式開關電源設計

1、<p>　　電力電子課程設計實習報告</p><p>　　---單端反激式開關電源設計</p><p><b>　　課程設計的要求</b></p><p>　　本課程設計要求根據所提供的元器件設計并制作一個小功率的單端反激式開關電源。我設計的是220v/5v的反激式開關電源，要求畫出必要的設計電路圖，進行必要的電路參數計算,成電路的焊

2、接。</p><p><b>　　二、設計原理</b></p><p>　　1、基本反激變換器工作原理</p><p>　　基本反激變換器如圖 1 所示。假設變壓器和其他元器件均為理想元器件，穩(wěn)態(tài)工作。</p><p>　?。?）當有源開關 Q 導通時，變壓器原邊電流增加，會產生上正下負的感應電動勢，從下。而在副邊產生下

3、正上負的感應電動勢，如圖 2(a)所示，無源開關 VD1 因反偏而截止，輸出由電容 C 向負載提供能量，而原邊則從電源吸收電能，儲存于磁路中。（2）當有源開關 Q截止時，由于變壓器磁路中的磁通不能突變，所以在原邊會感應出上負下正的感應電動勢，而在副邊會感應出上正下負的感應電動勢，故 VD1 正偏而導通，如圖 2(b)所示，此時磁路中的存儲的能量轉到副邊，并經二極管 VD1 向負載供電，同時補充濾波電容 C 在前</p>&

4、lt;p>　　一階段所損失的能量。輸出濾波電容除了在開關 Q 導通時給負載提供能量外，還用來限制輸出電壓上的開關頻率紋波分量，使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。</p><p>　　2．反激變換器的吸收電路</p><p>　　實際反激變換器會有各種寄生參數的存在，如變壓器的漏感，開關管的源漏極電容。所以基本反激變換器在實際應用中是不能可靠工作的，其原因是變壓器漏感在開關Q截止時，沒有

5、滿意的去磁回路。為了讓反激變換器的工作變得可靠，就得外加一個漏感的去磁電路，但因漏感的能量一般很小，所以習慣上將這種去磁電路稱為吸收電路，目的是將開關Q的電壓鉗位到合理的數值。在220V AC輸入的小功率開關電源中，常用的吸收電路主要有RCD吸收電路和三繞組吸收電路。其結構如圖3(a)(b)所示。</p><p>　?。╝） (b)</p&

6、gt;<p><b>　　圖2吸收電路</b></p><p>　　3.單端反激式變換器變壓器的設計</p><p>　　在本次實習中提供的變壓器的鐵芯是EE28鐵氧體鐵芯，其在25攝氏度的磁導率為，鐵芯的初始磁導率為。</p><p>　　變壓器選擇的相關參數包括：原副邊匝數比、原邊匝數NS、副邊匝數和氣隙，本次試驗中用到的變壓

7、器的繞組的漆包線已經給定，無需選擇。</p><p>　?。?）原副邊匝數比及其匝數的確定：</p><p>　　根據實習任務的要求;需要的直流輸出電壓為8V和6V，由器件本身的參數可以知道其耐壓。，如果考慮到漏感引起的的電壓尖峰，開關管兩端承受的關斷電壓為：</p><p>　　，一般來說開關管的耐壓需要在這個基礎之上留下至少30%的裕量。假設開關管的耐壓極限為，

8、。</p><p>　　為了保證電路工作于DCM模式，磁路儲能和放電總時間應該控制在0.8T以內，所以,</p><p>　?。?）原副邊匝數的計算：</p><p>　　根據器件的資料，可以查的磁芯的有效磁導面積，原邊的匝數應該保證在最大占空比是磁路仍不飽和，電壓沖量等于磁鏈的變化量，固，通常原邊的匝數取到這個計算之的兩倍。副邊匝數根據變比可以求出。</p&

9、gt;<p>　?。?）氣隙長度的計算</p><p>　　假設變壓器的輸出功率為，效率為，有以下關系成立：</p><p>　　，所以可以得到，其中有以下關系；</p><p>　　，則原邊的峰值電流為：，帶入上式可以得到初級電感。</p><p>　　其中，為電感系數，為磁阻。</p><p><

10、;b>　　氣隙的長度為</b></p><p><b>　　4、控制系統(tǒng)的設計</b></p><p>　?。?）振蕩器：振蕩器的頻率有定時元件，決定，，f選90*2=180KHZ。</p><p>　?。?）電壓誤差放大器：在本次實習中在輸入與輸出的隔離開關電源中，為了減小誤差，通常采用外置電壓環(huán)，即將U3845的內部誤差放

11、大器旁路掉。</p><p>　?。?）電流比較器:電流比較器的門檻值有誤差放大器的輸出給定，當電壓誤差放大器顯示輸出電壓太低時，電流的門檻值就增大，使輸出到負載的能量增加，反之也一樣。</p><p>　　整個控制部分的原理圖如下所示：</p><p><b>　　圖5控制部分原理圖</b></p><p><b

12、>　　（1）UC3845</b></p><p>　　UC3845芯片為SO8或SO14管腳塑料表貼元件。專為低壓應用設計。其欠壓鎖定門限為8.5v（通），7.6V（斷）；電流模式工作達500千赫輸出開關頻率；在反激式應用中最大占空比為0.5;輸出靜區(qū)時間從50%~70%可調；自動前饋補償；鎖存脈寬調制，用于逐周期限流；內部微調的參考源；帶欠壓鎖定；大電流圖騰柱輸出；輸入欠壓鎖定，帶滯后；啟動及

13、工作電流低。</p><p>　　芯片管腳圖及管腳功能如圖6所示。</p><p>　　圖6 UC3845芯片管腳圖</p><p>　?。?）TL431是一個良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。外部有三極分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）、參考端（REF）。其芯片體積小、基準電壓精密可調，輸出電流大等優(yōu)點，所以可以用來制作多種穩(wěn)壓器件。<

14、/p><p>　　其具體功能可用圖7的功能模塊示意。由圖可看出，是一個內部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放特性可知，只有當REF端的電壓十分接近VI時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管，電流將從1到100mA變化。</p><p>　　圖7 TL431的功能模塊示意圖</p><p>　　在開關電源設計中，

15、一般輸出經過TL431（可控分流基準）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調整一個電流模式的PWM控制器的開關時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。</p><p><b>　?。?）PC817</b></p><p>　　PC817是一個比較常用的光電耦合器,內部結構如圖8所示，其中腳1為

16、陽極，腳2為陰極，腳3為發(fā)射極，腳4為集電極。</p><p>　　在開關電源中，當電流流過光二極管時，二極管發(fā)光感應三極管，對輸出進行精確的調整，從而控制UC3842的工作。同時PC817光電耦合器不但可起到反饋作用還可以起到隔離作用。 </p><p>　　圖8 PC817內部框圖</p><p>　　5、具體參數的計算與選擇</p>&l

17、t;p>　　匝數比計算：先計算U=220V，輸出5V。經過整流橋整流以后=1.2*220=264V，，由于變比的取值要小于計算值，于是變壓器的變比取到K=10，下面計算最大占空比：=，在電路的設計中我們取到頻率f=90KHZ，于是S，于是有得到10.7653，實際取到的原邊的匝數為，由原邊匝數及其變壓器的變比得到10副邊繞組的匝數為匝。</p><p>　　原邊電感及其氣隙長度的計算：</p>

18、<p><b>　　由，，</b></p><p><b>　　H，</b></p><p><b>　　輔助繞組的計算</b></p><p>　　輔助繞組的計算和副邊繞組的計算方法一樣，只不過，按照比例關系得變比K=4.62，.由于變比一般取較小的值，因此，K取4，取5匝。</

19、p><p><b>　　電流檢測參數計算</b></p><p>　　電流檢測電阻，所以。但實際選取1歐姆，2瓦的電阻。</p><p>　　電壓反饋控制參數計算</p><p><b>　　, </b></p><p><b>　　所以：</b></

20、p><p>　　，于是根據已有的元件取到</p><p><b>　　所以：</b></p><p><b>　　所以實際取</b></p><p><b>　　選取</b></p><p><b>　　反饋電阻計算：</b></

21、p><p>　　實習中的問題總結及分析</p><p>　　在焊接電路時，同名端連接錯誤。</p><p>　　分析：個人問題，檢查電路時發(fā)現了，及時改了過來。</p><p>　　2、加負載后出現小幅電壓差。</p><p>　　分析：輸出濾波電容沒有選好，適當增大容值可以緩解。</p><p>

22、　　3 芯片7管腳電壓有，但達不到8.5v</p><p>　　分析：與四管腳相連的電容沒有接地。</p><p>　　由于副邊繞組所產生的電壓時12v，而我們所計算出來的上拉電阻為200k多，而實際中我們采用的是150k，因而輔助繞組的所產生的電壓過大而上拉電阻分壓后仍然會有很大的電壓，從而使穩(wěn)壓二極管燒壞。</p><p>　　分析：采用的措施是在給上拉電阻串

23、上一個10k的電阻后不出現此類問題。</p><p>　　上電測試時，變壓器發(fā)出聲音。</p><p>　　分析：我們所設計的頻率為90khz，而這個頻率人耳視聽不見的，所以，這說明我們的振蕩器和濾波電路的選取有所誤差，并不是變壓器的問題。開始我們的濾波頻率過小，后來更改濾波電阻后噪聲不可聽見了。</p><p><b>　　6、調試技巧總結：</b

24、></p><p>　　首先將電路圖畫在紙上，將其分塊，此次課程設計的電路可分為整流塊、變壓器塊、芯片供電塊、電路塊、反饋塊。每焊好一塊測試一塊，這樣可以避免整體焊好之后檢查的時候無從下手。各個模塊都檢查焊好檢查無誤之后，上電整體調試。若無輸出，則應首先檢查3845是否工作。方法是先測8號腳是否輸出5V電壓，若輸出是5V，則芯片工作，若輸出為4V多一點，則還應檢查4號腳是否有RC震蕩波形。若有波形，則384

25、5確實在工作，相反，3845沒有工作，則應查找芯片沒有工作的原因，例如，啟動電阻是否過大，穩(wěn)壓管是否完好等。</p><p><b>　　實驗波形</b></p><p>　　由測試波形可得：紋波的含量仍然比較多，波形質量不是很好。開關管有瞬間斷開。</p><p>　　我們分析，這可能是由于我們的輸出端的電容的取值太小，從而導致紋波的含量較多

26、。</p><p><b>　　課程設計心得與體會</b></p><p>　　通過這次課程設計，對反激式開關電源的工作情況有了深刻的認識，通過對UC3845芯片的學習，了解了它的工作方式，反饋原理，對閉環(huán)開關電源系統(tǒng)有了全面的認識。并且在電源各元件參數的計算，選取中，體會到了實際工程應用與理論計算的關系。</p><p>　　在計算理論值時，

27、應根據實際情況，選取合適的值，并留有一定的穩(wěn)定裕度，安全且方便測試。</p><p>　　在焊接電路時，應該提前規(guī)劃好電路的走向，本著跳線最少，簡單便捷，看著舒服，安全不易造成短路等原則設計電路走向。不要到最后再各種跳線。還有，焊接電路一定要選擇一個好一些的電烙鐵，向我們組的電烙鐵，加熱后碰著焊錫半天沒反應，最后導致焊的電路很難看。</p><p>　　要學會如何快速檢查電路時候被燒壞。這

28、樣便于更換燒壞的器件。</p><p><b>　　9、致謝</b></p><p>　　感謝這兩個周以來各位老師的辛勤指導和熱心幫助，使我們有機會獨立嘗試這種設計電路的工作并圓滿完成，為今后學習和工作打下扎實的基礎。通過親身實踐，我們懂得了實際的工作并不是我們想得那么容易，焊接電路是一種細活，需要我們的耐心和仔細。</p><p>　　同時，