1、摘 要反激式开关电源因其结构简单，成本低被广泛应用。本文介绍了反激式开关电源的工作原理，比较了电流控制，电压控制和 V2控制三种控制模式，重点阐述了电流控制模式的原理和优点。介绍了 UC3843 的特点，并基于该芯片从数学上建立稳态模型，得到有力的理论依据，为高频变压器和其它电路设计提供了技术参数。最后在硬件实现了一个有很好电压调整率，负载调整率，纹波小的反激式开关电源。关 键 词 ： 反 激 式 开 关 电 源 ， UC3843， 高 频 变 压 器 ， 纹 波ABSTRACTFor simple circuit and low cost, flyback switching power s
2、upply is widely used. This paper introduce the introduces the working principle of current-mode flyback switching power supply ,made a Comparison of several regular controlling methods of itBased on the comparison between the different mode，it emphasizes the working principle and advantages of the c
3、urrentmode switching power supply. And then introduce the internal structure and working principal of UC3843Based on it, a stable mathematical mode of current was built. It provides the evidence to design， analyse，and calculate the stability and dynamic characteristic of the following circuit.At las
4、t, produced a flyback switching power supply with good voltage regulation, load regulation, small ripple was produced.Key word: flyback switching power supply, UC3843, high frequency transformer, ripp目 录第 1 章 绪论 .11.1 开关电源概述 .11.1.1 开关电源发展历史 .11.1.2 开关电源分类 .31.1.3 开关电源的发展趋势 .71.2 本课题选题 的依据和现实意义 .81.
5、2.1 选题来源 .81.2.2 选题的意义 .91.3 本文的主要内容及工作 .101.3.1 课题内容 .101.3.2 课题拟解决的主要问题 .101.3.3 课题的创新点与难点 .10第 2 章 电流型反激式开关电源的工作原理 .122.1 引言 .122.2 电流型开关电源的结构框图及工作原理 .122.3 峰值电流型控制方法的特点 .132.3.1 峰值电流型控制的优点 .132.3.2 峰值电流型控制的缺点 .152.4 控制电路的专用芯片 .162.5 本章小结 .16第 3 章 反激式开关电源数学模型 .173.1 引言 .173.2 原边绕组回路模型的建立 .173.3 副
6、边绕组回路模型的建立 .193.4 电压电流检测回路模型的建立 .203.4.1 电压检测电路： .203.4.2 电流检测电路 .213.5 电流型反激式单输出开关电源系统的稳态数学模型 .223.6 本章小结 .23第 4 章 电流型反激式开关电源的设计与硬件实现 .244.1 引言 .244.2 功率要求和性能指标计算 .254.2.1 开关电源的基本参数 .254.2.2 最大占空比的确定 .254.2.3 初级钳位保护电路 .254.2.4 电源输出整流电路 .264.2.5 功率开关管的选择 .264.3 高频变压器的设计和绕制方法 .274.3.1 引言 .274.3.2 开关电
7、源高频变压器的参数计算 .274.3.3 高频变压器的绕制 .294.3.4 设计单片开关电源高频变压器时的注意事项 .304.4 本章小结 .31第 5 章 实验结果与分析 .325.1 试验结果与波形 .325.2 试验结果分析 .34第 6 章 结论与展望 .356.1 结论 .356.2 展望 .35参考文献 .36致 谢 .37外文资料原文 .38外文资料译文 .41第 1 章 绪论1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源发展历史现实生活中常用的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两类。自然界并没有可以直接利用的电源，人类所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转化而来的。
8、这种把其他能源通过转换而得到的电源称为发出电能的电源，像发电机、电池等。在很多情况下，发出电能的电源并不符合使用的要求，需进行再一次变换，这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能。像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变换电能的电源。开关电源就是属于变换电能的电源，此种电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。由于，开关电源即节能又将带来巨大经济效益，因而引起社会各界的重视而得到迅速推广。开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的结构框图 图 1.1 所示。图中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压 UO 反馈电路对稳压调整管的基极电流进行负反馈控制
9、。这样，当输入电压队发生变化，或负载变化引起电源的输出电压 UO 化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来使输出电压UO 稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性稳压电源。图 1.1 线性稳压电源的结构框图线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量(精度、纹波等)的要求，但有两个严重的缺点：一是调整管工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器，使得电源体积很大。开关电源出现之前，各种电子装置和电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。但随着半导体器件的发展，计算机等电
10、子装置的集成度不断增加，功率越来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的动力。开关电源的典型结构如 图 1.2 所示，开关电源和交流电网连接的电路通常是二极管整流电路，这种电路的输入电流不是正弦波，而是脉动波，这种波形中含有大量的谐波成分，对电网会造成严重的污染，并且该电路的功率因数也较低。当公用电网上接有大量的开关电源负载时，就会对电网产生严重的谐波污染。为了降低开关电源对电网的谐波污染，提高开关电源的功率因数，就需要对电流的脉动进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波。从而减小开关电源对交流电网的污染，随后整流电压经过主变换
11、电路变换，由于主电路输出的电压含有交流成分，所以在负载前端得加整流滤波电路进一步处理，使负载得到直流电压。若输出电压由于某种原因上升时，反馈电路会对输出电压进行采样，并把所采的信号送到控制电路中进行比较放大处理，使输出的 PWM 脉冲占空比减小，最终使二次侧的电压回到稳定值；反之，当输出电压下降时，反馈电路同样会把信号送到控制电路，而后又使 PWM 脉动占空比增大，同样可稳定输出电压。图 1.2 开关电源典型框图早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率才得以提高。20 世纪 60 年代末，垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管(亦称巨型晶体管、BJ
12、T、GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到 10KHz 左右时，变压器、电感等磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪声，并进一步减小电源体积，在 20 世纪 70 年代，新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的20KHz。开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。后来，随着电力 MOSFET 的应用，开关电源的开关频率进一步提高。20 世纪 80 年代，绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 出现，IGBT 可以看成是 MOSFET 和 GTR 复合而成的器件。其具有 MOSFET 的电
13、压型驱动、驱动功率小的优点，同时又具有 GTR饱和压降低和可耐高压、大电流等一系列应用上的优点。使得开关电源的容量进一步增大，在许多中等容量范围内，迅速取代了晶闸管相控电源。并且，IGBT 的开关速度也很高，通态压降低。在一些发达国家研制出开关频率高达100KHz 的开关电源，到了 90 年代，在美国首先出现了单片开关电源了，其工作频率高达 135KHz。使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。开关频率的提高使开关电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这些问题，20 世纪 80 年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，也就是我们所说的软开关技术，这种电路利用以谐振
14、为主的辅助换流手段，即使开关开通或关断前的电压、电流分别为零。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而，使开关电源进一步向体积小、重量轻、效率高、功率密度大的方向发展。1.1.2 开关电源分类1 按输出输入电压分类开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输入输出电压可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类。 DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均己成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但 AC/DC
15、 变换器因其自身特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源作简要地介绍。(1) DC/DC 变换器随着电力电子的发展，开关电源的 DC/DC 变换器型式和种类越来越多，主要类型有如下几种 反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。 正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第 1 象限，没有得到充分
16、的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦数千瓦的开关电源中。 半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。 全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦数千瓦的各种工业用开关电源中。 推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功
17、率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的 V-S 积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。今天，随着软开关技术的发展，DC/DC 变换电路有了质的飞跃。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，使 DC/DC 变换器进一步模块化、绿色化，且使变换器的重量减轻了。日本 Nemiclambda 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块 RM 系列，其开关频率为200300kHz，采用同步整流器，使整个电路效率提高到 90；美国 Vicor 公司设计制造的多种 ECI 软开关 DC/DC 变换器，其最大输出功率300W、600W
18、、800W 等，效率为 90以上。(2) AC/DC 变换AC/DC 变换电路是指能够直接将交流电能变换为直流电能的电路，泛称整流电路。在所有的电能基本变换形式中，AC/DC 最早出现，自 20 世纪 20 年代迄今已经历了以下几个发展阶段： 旋转式变流机组(电动机一发电机组)； 静止式离子整流器(由充气闸流管和汞弧整流管组成 )； 静止式半导体整流器(低频型、高型)；整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有： 按组成的器件被控程度可分为不可控、半控、全控三种； 按电路结构可分为桥式电路和零式电路； 按交流输入相数分为单相电路和多相电路； 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电
19、路和双拍电路。图 1.3 输入电压电流波形图AC/C 变换器输入为 50/60 Hz 的交流电，其频率为工频，以致整流滤波时需要体积较大的滤波电容器，另外，整流器和电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压 M 为正弦波，但输入交流电流西波形却严重畸变，呈脉冲状，如 图 1.3 所示。交流输入侧必须加 EMC 滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制 AC/DC 电源体积的小型化；同时，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决电磁兼容(EMC)问题难度加大，也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求，从而限制了 AC/DC 变换的模块化。2 按控制方式分开关电源按
20、控制方式可分为：(1)电压控制型、(2) 电流控制型、(3)V2 控制型三种。以下对这三种控制方法作简要介绍。(3) 电压控制型目前，开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，其结构框图如 图 1.4所示。从图可以看出，电压型控制方法是：利用输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压巩，进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压以。误差电压与振荡器生成的锯齿波珥进行比较生成一脉宽与以大小成正比的方波。波经过锁存器和驱动电路(图中未画出驱动电路)来驱动开关管的导通和关断，实现开关变换器输出电压的调节。电压型控制方法只有一个控制环，因而设计分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，所以
21、抗干扰能力比较强。 图 1.4 电压控制型开关电源结构图(4) 电流控制型电流型 PWM 技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的一些缺点而发展起来的，结构框图如 图 1.5 所示。它除保留了电压控制的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。所谓电流型控制，就是在脉宽比较器的输人端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐渐增大，当电流在采样电阻上的幅度达到 Ue 时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动脉冲撤除，功率管从导通转为截止。这样，逐个检测和调节电流脉冲，就可达到控制电源输出的目的。与电压型 PWM 比较，电流型具有以下优点： 电流型 PWM 开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率； 系统的稳定性和动态特性会有明显改善； 其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠。特别是电流型制应是未来开关电源较为理想的工作方式。图 1.5 电流控制型开关电源结构图(5) V2 控制型V2 控制型是在电流控制型的基础上产生的，结构框图如 图 1.6 所示:
