开关电源课程设计

目录

任务书 (2)

一、开关电源主电路的设计及参数计算 (4)

1.主电路的选型 (4)

2.变压器设计计算 (8)

3.开关器件的选择 (10)

4.整流二极管的选择 (11)

二、开关电源控制电路的设计 (12)

1.控制电路的组成 (12)

2.控制模式的选择 (13)

3.PWM集成控制器的选择 (13)

4.控制电路的整体设计 (15)

三、附录············································

四、参考文献········································

五、心得体会········································

开关电源技术课程设计

一、课程设计的目的

通过开关电源技术的课程设计达到以下几个目的：

1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献

资料。

2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。

3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。

4、培养学生运用仿真工具的能力和方法。

5、提高学生课程设计报告撰写水平。

二、课程设计的要求

1. 题目

题目：反激型开关电源电路设计

主要技术数据

1、单相交流输入电压AC95~270V；

2、直流输出电压5V；

3、输出电流3A；

4、输出纹波电压≤0.2V；

5、工作温度：0~40oC

注意事项：

①学生也可以选择规定题目方向外的其它开关电源电路设计。

② 通过图书馆和Internet 广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文

献资料，确定适应自己的课程设计方案。首先要明确自己课程设计的设计内

容。

设计装置（或电路）的主要技术数据。

开关稳压电源基本原理框图

EMI 滤 波 电 路 整流 滤波 电路 辅助 电路 反馈 电路 高 频 变 换 器 输 出 整 流 滤 波 控 制 电 路 L N +4-16 GND

设计内容：

1）、开关电源主电路的设计及参数计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）注意：开关频率的选择

2）、开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、PWM集成控制器的选择、控制电路的整体设计）

3）、画出完整的主电路原理图和控制电路原理图

2.在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的

思维方式以及创造能力

要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。

3.在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力

要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。

4.课题设计的主要内容是

主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件、变压器的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的完整电路图，

5.课程设计用纸和格式统一

课程设计用纸在学校印刷厂统一购买和装订，封面为学校统一要求。要求图表规范，文字通顺，逻辑性强。设计报告不少于20页

三、课程设计报告基本格式

目录内容：

1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标），最好简述所设计装置的主要用途）

2. 总体方案的确定

3. 开关电源主电路的设计及计算。（主电路的选型、变压器设计计算、开关器件及整流二极管、滤波电容的计算等）

4. 开关电源控制电路的设计。（控制电路组成、控制模式的选择、PWM集成控制器的选择、控制电路的整体设计）

5. 附录（主电路、控制电路、驱动电路整体图）

6. 参考文献

一、开关电源主电路的设计及参数计算

1、主电路的选型

开关电源的电路结构众多，其中适合小功率电源使用的有正激型、反激型和半桥型，适合大功率电源的有正激型、半桥型和全桥型。一般来说，小功率电源（1～100W）宜采用电路简单、成本低的反激型电路；电源功率在100W以上且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁时，则应采用正激型电路；对于功率大于500W，工作条件较好的电源，则采用半桥型或全桥型电路较为合理；如果对成本要求比较严，可以采用板桥型电路；如果功率很大，则应采用全桥型电路；推挽型电路通常用于输入电压很低、功率较大的场合。

由于设计要求直流输出电压为5V，输出电流为3A，输出功率小于100W，

所以使用反

激型电路。

反激（Flyback）型电路的结构如图（1-19a）所示。反激型电路存在电流连续和电流断续两种工作模式。

电流连续工作模式在一个开关周期经历2个开关状态，电路中波形如图

（1-22）所示。

t 0～t 1时段：电路处于开关状态1，S 开通以后，VD 处于断态，绕组W 1中的电流线性增长，其电感储能增加；

t 1～t 2时段：电路处于开关状态2，S 关断后，绕组W 1中的电流被切断，

变压器中的磁场能量通过绕组W 2和二极管VD 向输出端释放。

电流断续工作模式在一个开关周期内相继经历3个开关状态。电路中的波形如图（1-21）所示。

t 0～t 1时段：电路处于开关状态1，S 开通后，二极管VD 处于断态，绕

组W 1的电流线性增长，电感储能增加；

t 1～t 2时段：电路处于开关状态2，S 关断后，绕组W 1中的电流被切断，

变压器中的磁场能量通过绕组W 2和二极管VD 向输出端释放，直到t 2时刻，变压器中的磁场能量释放完毕，绕组W 2中电流下降到零，VD 关断；

t 2～t 3时段：电路处于开关状态3，绕组W 1和W 2中的电流均为零，电容C

向负载提供能量。

图1-20是反激式变压器开关电源，工作于临界连续电流状态时，整流输入电压uo 、负载电流Io ，变压器铁芯的磁通 ，以及变压器初、次级电流等波形。图1-20-a ）中，变压器次级线圈输出电压uo 是一个带正负极性的脉冲波形，一般负半周是一个很规整的矩形波；而正半周，由于输出脉冲被整流二极管限幅，当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时，输出波

形基本也是矩形波。因此，整流二极管的输入电压uo的正半周幅度与输出电压Uo或储能滤波电容的两端电压基本相同。因此，整流二极管的输入电压uo的幅值Up与半波平均值Upa以及整流输出电压Uo均基本相等。图1-20-b）是变压器铁芯中磁通量变化的过程，在控制开关接通期间，变压器铁芯被磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被退磁。因此，在Ton期间，变压器铁芯中的磁通量是由剩磁S?Br向最大磁通S?Bm方向变化；而在Toff期间，变压器铁芯中的磁通量是由最大磁通S?Bm向剩磁S?Br方向变化。图1-20-c），是反激式变压器开关电源工作于临界电流状态时，变压器初、次级线圈的电流波形。图中，i1为流过变压器初级线圈中的电流，i2为流过变压器次级线圈中的电流（虚线所示），Io是流过负载的电流（虚线所示）。在控制开关接通期间，变压器铁芯被初级线圈电流磁化；在控制开关关断期间，变压器铁芯被被次级线圈电流退磁，并向负载输出电流。从图1-20-c）还可以看出，流过变压器初、次级线圈中的电流是可以突跳的。在控制开关关断的一瞬间，流过变压器初级线圈的电流由最大值跳变到0，而在同一时刻，流过变压器次级线圈的电流由0跳变到最大值。并且，变压器初级线圈电流的最大值正好等于变压器次级线圈电流最大值的n倍（n为变压器次级电压与初级电压比）。

2、变压器设计计算

变压器是开关电源中的核心元件，许多其他主电路元器件的参数设计都以来于变压器的参数，因此应首先进行变压器的设计。

变压器磁芯的选择

如果工作效率是88.2%，则变压器的传输功率为=17w

由于许多因素，例如磁芯材料特性，变压器形状（主要是表面积对体积的比率）、表面的热辐射、允许温度、工作环境无法把传输功率与变压器的大小简单的联系起来。

(1)计算

原边绕组开关晶体管的最大到同时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。假设D==0.5。工作频率60KHz。===16.6us

=D=0.516.6=8.3us

(2)计算最低直流输入电压

设当变换器在最低线路输入电压时发生满载工作。计算它的输入端的直流电压。对于单相交流整流用电容滤波，直流电压不会超过交流输入电压的有效值的1.4倍，也不小于1.2倍。它与电源线路中的电源阻抗、整流电压降、储能电容等效电抗、以及负载大小均有关，再次取1.3.

=951.3=123.5v

(3)选择工作时的磁通密度值

已知，选用PC40EE13-Z的铁芯磁路的有效面积=17对于一般形状的铁芯，当工作在60KHz的频率，80%的饱和值：

(4)计算原边匝数

因为作用电压是一个方波，一个导通器件的伏秒值与原边匝数的关系==192.1匝

(5)计算副边匝数

设整流二极管的压降是0.7v，绕组压降为0.6v，则原边绕组压降电压值为15+0.7+0.6=16.3v

原边绕组每匝伏数==

副边绕组匝数为=匝

(6)确定气隙大小及气隙计算

带气隙的磁芯在一个更大的磁场强度H值下才会产生磁饱和，因此磁芯可经受一个更大的直流成分；另外，当H=0时，更小，磁芯的磁感应强度B 有一个更大的可用工作范围。最后，有气隙时，磁导能力降低，导致每匝的电感量减小，绕组总电感值减小。但气隙的存在减少了磁芯里直流成分的所产生的磁通。

==2.12mH

==0.69mm

由以上数据，所以这里我选择TDK公司下的变压器型号为PC40EE13-Z 的铁芯。此型号的铁芯的基本数据下图给出。

3. 开关器件的选择

变压器设计完毕以后就可以设计开关电源了，首先计算开关器件的电流。他的平均值可以有输出功率与传输效率来得出、还有原边电压共同得出变压器公式为I===0.138A

设

计算完峰值电流后，接下来计算MOSFET能承受的最大反向电压

这里我选择TOSHIBS公司的下的MOSFET型号为2SK2602开关器件查表得出通态电阻为r=0.9Ω计算通态损耗

这个损耗还是比较小的，不需要另外添加散热装置，符合反激型开关电

源的小功率的要求。

另外此型号的开关的基本参数下图给出

有以上数据还可以发现此开关的工作温度为Storage Temperature Range Tstg -55~150 ℃符合课设中所提出的要求0~40，所以此开关符合设计的需要。

4、整流二极管的选择

在整流时整流二极管的所承受的最大电压可由最大输入电压求出，题目中所给的为最大输入电压270v，这个为有效值，这里不能用有效值来算需要乘以所以

经过网上资料的查询有以下几种型号的整流二极管的，其中每个整流二极管的基本参数如图

经过简单分析就可以看到，应该选择型号为IN4004的整流二极管，此型号的整流二极管的最高反向峰值电压为400v，正向压降为 1.0v，在输入95~270v的情况下是可以忽略的。所以型号为IN4004是符合设计要求的，这里用单相桥式整流的方法需要4个此型号的整流二极管。

二、开关电源控制电路的设计

开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成

严重后果，使整个电源停止工作或损坏。电源的很多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也都同控制电路相关。

1、控制电路的组成

a.驱动电路

驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。驱动电路需要有很告的快速性，能提供一定的驱动功率，并具有较高的抗干扰和隔离噪声能力。

b.调节器电路

调节器的作用是将给定量和反馈量进行比较和运算，得到控制量。调节器的核心是运算放大器。

c.并机均流电路

d.保护电路

保护电路具备自身保护和负载保护两方面功能。

自我保护功能有：输入过电压，输入欠电压，系统过热，过电流等。

负载保护功能有：输出过电压，输出欠电压等。

e.PWM控制电路

PWM控制电路的作用是将在一定范围内连续变化的控制量模拟信号转换为PWM信号，该信号的开关频率固定，占空比跟随输入信号连续变化。

通常集成PWM控制器将误差电压放大器、振荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成电路：

（1）基准源：用于提高稳定的基准电压，作为电路中的给定的基准。

（2）振荡器：产生固定频率的时钟信号，以控制开关频率。

（3）误差电压放大器（EA）：实际上就是一个运算放大器，用来构成

电压或电流调节器。

（4）PWM比较器：将调节器输出信号转换成PWM脉冲的占空比，不同的控制模式有着不同的转换方式，电压模式的集成控制中，常采用有振荡器的产生的锯齿波同比较的方式，电流模式控制当中，采用同电感电流瞬时值相比较。分频器用于将单一的PWM脉冲序列分成两路户不对称的PWM脉冲序列，用于双端电路的控制。

（5）驱动电路：通常为推挽结构的跟随电路，用来提供足够的驱动电压，以便有效的驱动主电路的开关。

（6）欠电压保护：对集成的PWM控制电路的电源实施监控，一旦电源跌落至阀值以下时，就封锁输出驱动脉冲，以避免电源掉电过程中，输出混乱的脉冲信号而造成开关器件的损坏。

封锁电路：由外部信号控制，一旦有外部信号触发，立即封锁输出脉冲信号，给外部电路提供了一个可控的封锁信号。

2、控制模式的选择

开关电源中的控制方式，总的来说可以分成电压模式和电流模式两大类。无论是电压模式还是电流模式，都有输出电压反馈和电压调节器，所不同的是电压模式控制系统中，仅有一个电压反馈环节；而电流控制系统中，除了电压反馈控制外，还有电流控制内环。

电压控制优缺点：采用电压模式控制方法的开关电源，其稳定性和动态特性间的矛盾是很突出的。

电流控制模式控制的优点

（1）系统的稳定性增强，稳定域扩大。

（2）系统的动态特性改善。

（3）具有快速限制电流的能力。

目前，电流模式控制还可分为峰值电流模式控制、平均电流模式控制和电荷控制等。本设计决定使用峰值电流模式控制。

3、PWM集成控制器的选择

由于采用峰值电流模式控制，所以选择UC3842作为PWM集成控制器。UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片，是专门用于构成正激型和反激型等开关电源的控制电路。其主要优点是电压调整率可以达到0.01%，工作频率高达500 kHz，启动电流小于1 mA，外围元件少。它适合做20 W～80 W的小型开关电源。其工作温度为0 ℃～70℃，最高输入电压30 V，最大输出电流1 A，能驱动双极型功率管和MOSFET。UC3842采用DIP-8形式封装。其内部结构框图和各引脚的功能见有关手册。

UC3842的典型应用电路如图3所示。

该电路的工作原理是：直流电压加在Rin上，降压后加在UC3842的引脚7上，为芯片提供大于16 V的启动电压，当芯片启动后由反馈绕组提供维持芯片正常工作需要的电压。当输出电压升高时，单端反激变压器Tl的反馈绕组上产生的反馈电压也升高，该电压经R1和R3组成大分压网络，分压后送入UC3842的引脚2，与基准电压比较后，经误差放大器放大，使UC3842引脚6的驱动脉冲占空比减小，从而使输出电压降低，达到稳定输出电压的目的。

此电路结构简单，容易布线，成本低。但是，UC3842的采样电压不是从输出端取到的，输出电压稳压精度不高，只适合于用在负载较小的场合。

为克服上述问题，可以对上述反馈电路进行改进，采用光耦和电压基准进行反馈控制，可以极大地提高开关电源的稳定性和精度。采用这种方法进行反馈控制时需要从副边绕组输出端进行取样，电路见图4。

4、控制电路的整体设计

电压采样及反馈电路由光耦PS2701、TL431和阻容网络组成，图中R5和C5用于TL431的频率补偿，不能缺少。通过调节由R6，R7组成的分压网络后得到采样电压，该采样电压与三端可调稳压块TL431提供的2.5 V基准电压进行比较，当输出电压正常时，采样电压与TT431提供的2.5 V电压基准相等，则TL431的K极电位保持不变，从而流过光耦U3二极管的电流不变，进而流过光耦CE的电流也不变，UC3842引脚2的反馈电位Uf保持不变，则引脚6输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出5 V电压因为某种原因升高时，分压网络上得到的输出电压采样值会随之升高，从而TL431的K极电位下降，流过光耦二极管的电流增大，进而流过CE的电流增大，从而UC3842的引脚2的电位升高。由UC3842内部示意图可知：误差放大器A1的输出电压Ue减小，亦即电流检测比较器钳位电压减小，所以由图2 可知：UC3842引脚6输出驱动的占空比减小，从而使输出电压减小，这样就完成了反馈稳压的过程。

初级线圈充磁峰值电流取样的内回路反馈也是开关电源设计起决定作用的环节，如果内回路反馈设计不符合电路要求，开关电源就无法正常工作。

设计内回路反馈时，需要在开关管上串联一个以地为参考的取样电阻Rs （见图1、图4中的R1和图3中的R8），将初级线圈的电流转换为电压信号，此电压由电流检测比较器A2监视并与来自误差放大器A1的输出电平比较。

在正常的工作条件下，峰值电感电流由引脚1上的电压控制，其中：

当电源输出过载或者输出取样丢失时，异常的工作条件将出现，在这些条件下，电流比较器的门限被内部钳位至 1.0 V，则

而开关电源初级线圈最大峰值电流为短路保护时变压器初级线圈流过的最大电流：

式中：IP为初级线圈电感电流;Pout为开关电源设计输出功率;Vin为开关电源输入电压;D为PWM的输出信号占空比;N为电源效率。

根据式（2）、式（3）可以推算：

根据计算得出的Rs阻值可以进一步计算出电流取样电阻的功率：

选定电流取样电阻后，需要通过一个L型的RC低通滤波网络，将这个采样信号送给UC3842的电流比较器。L型RC低通滤波网络的上限截止频率为：从低通滤波器的对数幅频特性可知，当输入信号频率低于fh时，输出信号与输人信号几乎完全相同;当输入信号频率高于fh时，输出信号会大幅度衰减。

利用示波器可以测量Rs采样电阻上的信号频率，因此，选择低通滤波器的RC参数时必须要保证Rs电阻上正常的采样电压不能被滤波器衰减。

设计开关电源时，如果RC参数选择不当，使滤波器的上限截止频率fh偏小，导致正常的Rs采样信号被衰减，这样当负载增大时，PWM无法将控制脉冲的占空比调大，变压器会因为负载过重而发生啸叫。为解决这一问题，将滤波