基于UC3842的反激式开关电源的设计

目录1.前言 (2)1.1为什么要有开关电源？ (2)1.2开关电源背景 (3)2.系统总体构成框图 (4)2.1反激式开关电源的核心原理说明 (4)2.2系统设计构成框图 (6)2.3各部分电路功能概述 (7)2.4总体实现电路图 (8)3.系统硬件设计 (8)3.1EMI滤波电路 (8)3.2钳位电路 (9)3.3开关控制电路 (10)3.4变压器参数设计 (11)3.5输出滤波电路 (16)3.6反馈取样电路 (17)4.开关电源的安全 (19)5.致谢 (21)参考文献 (21)反激式开关电源设计周平（湖北师范学院物理与电子科学学院湖北黄石 435002）摘要：在电子信息高速发展的时代，电源占据着重要的低位，尤其在弱电领域，人们不断地追求着低功耗，高效率，环保的高品质生活，这样对电源的研究就成了其中一个重要的话题，本论文意在学习和设计一种反激式开关电源，并从理论的角度分析高频变压器的设计。

关键词：反激，开关电源，高频变压器中图分类号：TQ351Designing Switching Power SuppliesZhou Ping( College of Physics and Electronic Science,Human Normal University, Huangshi 435002, China )Abstract: In the era of rapid development of electronic information , the power to occupy an important low , especially in weak areas , people continueto pursue low-power , high efficiency , environmentally friendly highquality of life , so that the power has become one of the important thetopic of this paper is intended to study and design of a flyback switchingpower supply , high frequency transformer design and analysis from atheoretical point of view .Key words: Flyback ,Switching Power supplies , High-frequency transformer反激式开关电源设计1.前言1.1为什么要有开关电源？电源的优劣直接影响到各类电子设备的性能。

电源可分为三类: 直流电源、交流电源和特种电源。

而开关电源是直流电源中的一种。

假如现有一用电设备其额定电压为5V , 而我们只有一50V 的直流电源。

要让电源给负载供电时可采用两种方法见图1、图2:图1通过串联可调电阻的方法来实现在负载上获得5V的直流电压；图2 通过开关的通断使负载上获得平均电压为5V 的直流电压。

图2 中, 当开关合上时, 负载上瞬时电压大小为50V , 开关断开时负载上的瞬时电压为0V。

我们设开关周期为T , 通过某种方法，在一个周期内让开关合上T/ 10, 断开9T/10, 这样用方法2 获得的平均电压即为所需大小的电压。

两种方法中方法1 效率只有10%, 而方法2 理想情况下效率为100%，方法2的效率远远高于方法1。

方法1就是线性电源的实质，而方法2就是开关电源的实质，我们的目的就是研究和实现这种“开关”的方法。

从以上分析可以看出, 开关电源相对于线性电源来说, 显著的优点就是效率高。

我们可以让功率器件工作于开关状态, 这样的话功耗就小, 因而开关源可对市电进行直接整流、滤波、调整后通过功率开关管进行调整, 不需工频变压器; 隔离式的DC/ DC 变换器使用变压器时, 由于功率开关管开关频率高, 所用变压器为高频变压器, 功率相同的前提下,高频变压器比工频变压器要轻小很多; 同时功率器件功率小, 所需的散热器件也小; 此外功率开关管开关频率高, 所需的电感电容数值较小; 所以开关电源相对于线性电源来说效率高、体积小、重量轻, 这在很多场合下更符合人们对便携式的需求。

1.2开关电源背景在电力电子技术高速发展的时代，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

目前开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

2.系统总体构成框图2.1 反激式开关电源的核心原理说明工作原理：假定开关晶体管、二极管均是理想元件，电感、电容是理想元件，输出电压中的纹波电压与输入电压的比值小到允许忽略。

图2-1-1 反激式开关变换器原理图当PWM控制的N_MOSFET管导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载。

当PWM控制的N_MOSFET管截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过，变压器在电路中既起着变压器的作用，又起着电感储能的作用。

图2-1-2 开关管导通与截止的等效电路图当反激式变换器原边开关管导通时，变压器原边绕组的作用相当于一个电感，电压加在原边电感上，开关导通期间，原边电流持续上升。

Lf DC V L T DC V t L V I on pk ⨯⨯=⨯⨯== (1.1)这里，DC(Duty Cycle)是占空比，f(frequency)是开关频率，T=1/f 是开关周期，L 为励磁电感，此方程适用于变换器工作于电流DCM(断续模式)的反激式变压器，开关管导通期间原边电流波形如图2-1-3所示。

图2-1-3断续模式下反激式变压器的电流波形由电路分析中电感存储能量公式得到：)(21)()()()(200000t Li t E Lidi t E d d di Li t E t E t t +=+=+=⎰⎰ξξ (1.2)式中i(t)表示t 时刻电感中的瞬时电流值，L 为电感的电感值。

E 的单位为焦耳，L 的单位为亨利，i 的单位为安培。

当初始储能为零时：)(21)(2t Li t E =（1.3） 设电流的峰值大小为pk I ，由上式(1.3)可知，反激式变压器每次储存的能量取决于峰值电流的大小：221pk LI E =(1.4)将(1.1)式代入(1.4)式，得 Lf DC V L f DC V L LI E pk 222222)(2121=⨯⨯== (1.5) 因此在理想条件下变压器传输功率即为：fLDC V Ef P 222== (1.6) 又因为 Tt DC on =, 代入上式，可以得到： Lt V f f fL t V T t fL V fL DC V P on on on 2)(2)(2222222222⋅=⨯=== （1.7） 从式（1.7）可以看出，只要反馈环保持on t V ⋅恒定，即可保持输出电压恒定；另外从公式可以知道，当on t V ⋅恒定，如果要提高输出功率，那么只有通过提高开关频率或者减小电感量来实现。

对于开关频率不变的电路中，由于实际的电感都有一个最小值，所以断续模式反激式变换器是有最大输出功率的限制(通常为50W~150W)。

2.2 系统设计构成框图图2-2 系统构成框图2.3 各部分电路功能概述整体电路可分为主电路和控制电路两部分：主电路：由交流输入EMI防电磁干扰电源滤波器、二极管整流与电容滤波、DC/ DC 功率变换器三个部分组成。

控制电路：通过反馈信号与给定信号相比较的结果产生恰当的控制信号, 并对控制信号进行隔离与放大, 以保证能控制与驱动主电路正常工作, 使得输出符合要求, 同时也起到对主电路保护的作用。

开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压，然后又将交变的电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，因此开关稳压电源又称为DC/DC变换器（或称为直流直流变换器）。

DC/DC 变换器是开关电源中最主要的功率变换环节。

DC/DC 变换器有输入输出无隔离即直通型和输入输出隔离型两种类型。

直通型DC/ DC 变换器典型的电路有Buck (降压)型、Boost (升压)型、Buck—Boost(升降压)式和Cuk 型等几种类型; 输入与输出隔离型的DC/DC 变换器典型的电路有单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等几种类型。

但无论哪种类型的DC/DC 变换器的开关电源其基本原理都是开关管工作于开关状态下, 通过改变开关管导通与关断的时间关系来改变输出电压的。

输出电压的稳定依靠电容电感的滤波和反馈电路来实现。

本次设计的开关电源为单端反激式，实现的是交流85V~265V /50HZ宽范围输入，输出电压12V最大电流5A。

电路中输入的工频电通过EMI滤波，能够对来自电网电源线的外来噪声进行衰减，减小电磁干扰，防止下级连接的电路或部件以及接于输出端的设备产生勿动作。

桥式全波整流是将交流电变换成纹波较小的脉动直流给DC / DC变换器提供输入。

DC / DC变换器是整个电路的核心，也是本设计的重难点，它是实现开关电源高效率、小体积的关键。

输出滤波电路是为了将开关电源产生的传导噪声或辐射噪声进行衰减，不至于对其他电子设备产生电磁干扰。

闭环反馈是选用的是电压负反馈，因为负反馈可以实现稳压的作用，电压反馈可以降低输出阻抗，提高带负载的能力。

2.4 总体实现电路图系统总体简化图3.系统硬件设计系统的硬件设计分几个模块，从输入到输出方向来看，分别为EMI滤波电路的设计，钳位电路的设计，开关控制电路的设计，变压器参数设计，输出滤波电路设计，反馈取样电路设计等构成。