《电力电子技术》课程设计报告
课题：25W反激电源的设计
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指导教师
淮阴工学院 电子与电气工程学院
2015年6月
一、设计目的和要求
1.1.1设计目的和任务：
1、分析反激变换器工作原理，深入分析功率电路中各点的电压波形和各支路的电流波形；
2、根据输入输出的参数指标，计算功率电路中半导体器件电压电流等级，并给出所选器件的型号，设计变换器的脉冲变压器及滤波电容。
3、给出控制电路的设计方案，能够输出频率和占空比可调的脉冲源。
4、应用protel软件作出线路图，建立硬件电路并调试。 1.1.2设计要求：
图1示出了反激变换器主电路和电路中关键波形，同正激电路不同，反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。通过本课题的分析设计，可以加深学生对间接的直流变流电路基本环节的认识和理解，并且对隔离的DC/DC电路的优缺点有一定的认识。要求学生掌握反激变换器耦合电感的设计并学会分析该电路的各种工作模态，及开关管、整流二极管的电压电流参数设计和选取，掌握脉冲变压器的设计和基本的绕制方法，建立硬件电路并进行开关调试。
学生需要熟悉基于集成PWM芯片的DC/DC变换器的控制方法，并学会计算PWM控制电路的关键参数。
输入：36～75Vdc，输出：5Vdc/5A
ugOiDDtontTCuQuiQiQRuoOiQOiDOiQmaxtt
图1 反激变换器主电路及关键波形
2 1.2应用背景和研究意义
随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛。反激式开关电源以其设计简单，体积小巧等优势，广泛应用于小功率场合。开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。
传统的反激式开关电源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率开关管(频率较高时一般使用MOSFET)组成，PWM芯片控制环路设计复杂，容易造成系统工作不稳定，功率开关管有时需要外加驱动电路。高效率与小型化在一定程度上是互相限制的，因为实现高效率会要求电路有相当的复杂度，大量的器件对小型化十分不利。在开关电源设计初期，采用的都是分立元件，集成度很低，大部分电路只能在PCB版上实现，极大的限制了小型化实现的可能。而且大量器件暴露在外，也影响了系统的稳定性。
另外，反激变压器的设计也是一个难点，其往往导致电源设计周期延长。随着PI公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代单片开关电源的问世，以上诸多问题都得到了很好的解决。应用TOPSwitch-HX设计开关电源，不仅器件更少，结构更简单，发热量更少，工作更可靠，采用该系列芯片已成为一种高效的反激式开关电源设计方案。
二、
单端反激变换器组成原理及其静态特性分析
2.1变换器组成框图和工作原理
隔离型单端反激变换器的本安结构框图如图 2 所示，其中依次由输入滤波电路、整流滤波电路、基于开关变换器的电压调节电路、多重限流限压电路等组成。
整流滤波：整流部分采用一般的全波整流电路；输入滤波一般采用单一电容滤波或采用 RC 滤波电路较好。滤波电容值不宜过大，因
3 其大小也影响电源输出电路的本安性能，在满足滤波效果的情况下，越小越好；应尽量避免采用电感滤波或 LC 滤波电路，因该种滤波电路对输出本安的影响更为明显，因此本设计中采用单一电容滤波。
变压器调节电路T输出滤波整流滤波VO输出Vi(AC)输入滤波SPWN控制器保护电路
图 2 本质安全型单端反激变换器结构框图
单端反激变换器的主电路结构如图 3 所示。在图 3中，Vi为输入电压、Vo为输出电压、Io为输出电流、S 为开关管、L
1、L2为储能电感、1Li 为流过电感 L1的电流、2Li为流过电感 L2的电流，D 为续流二极管、C 为输出滤波电容、RL为负载电阻。设开关周期为 TS，导通时间为 TON，则开关频率 f=1/TS，开关导通比 d=TON /TS。
图 3 单端反激变换器的主电路图
当开关管 S 导通时，续流二极管 D 承受反向偏置电压而截止，流过电感 L1的电流1Li线性增加，储能电感 L1将电能转换成磁能储存在电感 L1中，此时，负载由输出滤波电容 C 供电；当开关管 S 断开时，电流1Li 降为零，续流二极管 D 导通，储能电感 L1将能量通过互感传递给 L2，通过 L2释放能量，流过电感 L2的电流2Li 线性减小，在减小到 Io之前，电感电流一部分给负载供电，一部分
4 给电容充电；减小到小于Io后，电容进入放电状态，负载由电感和电容共同供电，以维持输出电压和输出电流不变。
在开关管 S 断开期间，流过电感 L2的电流2Li 线性减小到零时下一个开通周期还没有到来，则会出现副边电感电流断续的状态。根据副边电感电流是否出现断续将电路的工作方式分为连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM)。
当变换器工作在 CCM 模式时，变换器输出、输入电压增益为
MUoNt1D2onUiN1toffn1D其中 d 为开关周期导通占空比，γ 为变压器的匝比 γ=N2/N1。根据文献[62]，当变换器工作在 DCM 模式时，变换器的电压增益为
MUonDUiRL2fL22.2相关参数计算
（1）选择磁芯的大小：ETD49
△B=0.2T f=50KHz Ae=211m㎡ （2）计算ton：
假设D=ton/Ts=0.5 fs=50KHz Ts=1/fs=20s ton=DTs=10s（3）计算原边匝数： Np=(Vin-min ton)/△Bac×Ae=8.5匝≈9匝 （4）计算副边匝数：
设整流二极管口管压降0.7V,绕组压降为0.6V,则副边绕组 电 压值为（5+0.7+0.6）=6.3V.原边绕组每匝伏数=（Vin-min）/Np=36/9=4V/匝 副边绕组匝数Ns=6.3/4=1.575匝≈2匝 (5) 计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数：
5 新的每匝反激电压是6.3/2=3.15V/匝
Ton=3.15Ts/(3.15+4)=8.8s D=ton/Ts=0.44 (6) 磁芯气隙的大小：
原边 △I=3.57×2/9=0.79A 副边 △i=3.57A Lp=Vs×△t/△I=0.4mH Lg=0.05㎜
(7) 整流二极管的设计：
为了降低功耗，提高电源效率，选用肖特基整流二极管 id=3I0=3×5=15A 整流二极管的反向耐压：Vrm=2(V0+Vimax×Ns/Np)=43.3V 所以选用Fairchild公司的Vrm为45V,id为15A的肖特基二极管 2.3单端反激开关变换器的电感电流分析
电感电流是开关稳压电源的重要指标之一，电感电流的分析对电感的设计具有重要的指导意义，因此，下面对单端反激变换器的电感电流进行深入研究。
2.3.1不同工作模式下的峰值电感电流
由于单端反激变换器的峰值电感电流与其工作模式密切相关，下面将对不同模式下的峰值电感电流进行深入的讨论和分析。 (1) CCM 下的峰值电感电流
当变换器工作在 CCM 时，电感的电流波形如图 4所示。
图 4 CCM 单端反激变换器的电感电流波形
反激变换器电路简单，无需磁场复位电路，在小功率场合应用广泛。缺点是磁芯磁场直流成分大，为防止磁芯饱和，磁芯磁路气隙较大，磁芯体积较大。反激变换器实际上就是带隔离的Buck-Boost变换器。反激变换器能量传输的时机与正激变换器正好相反，它是在开关关断
期间向负载传输能量。由于反激变换器的高频变压器除了起变压作用外，还相当于一个储能电感，因此，反激变换器也称之为“电感储能式变换器”或“电感变换器”。
2.3采用能量回馈技术的单端反激电路结构
采用能量回馈技术的单端反激电路结构如图3所示，其主要波形如图5所示。在本电路中，用电容C
2、电感L
1、二极管VD1和VD2组成变压器初级反峰吸收电路，可使大部分反峰能量回馈到输入电容C 1上，减少了能量损耗，提高了电路效率。
图5 初级反峰吸收电路
三、多路输出反激式开关电源系统级分析
3.1电源系统整体构架
本设计多路输出反激式开关电源系统级设计总体框架如图6所示，主要包括输入滤波电路、上电切换电路、反激变换电路、整流电路、输出滤波电路、控制电路、反馈回路等。
图6电源系统框架图
3.2 DC-DC变换电路概述
最基本的DC．DC变换电路拓扑有降压型(Buck)变换器、升压型(Boost)变换器、升降压型(Buck．Boost)变换器三种。而这三种变换器和高频变压器组合在一起又可以衍生出正激式、反激式等变换器，由正激、反激变换器又可以衍生出推挽、半桥、全桥等变换器。可以说DC．DC变换电路拓扑结构多种多样，这就需要我们在实际应用中根
据不同的场合选择合适的电路拓扑结构，从而能使电源的性能达到最佳。下面对单端反激式变换器的DC-DC变换电路拓扑做简要介绍：如图6所示，单端反激式变换器是在Buck-Boost变换器的基础上演变而来的。与正激变换器不同的是，在开关管导通时，能量先储存，到开关管关断时，再向输出端提供能量。因此高频变压器不仅起到电气隔离作用，还具有储能作用。反激式变换器的高频变压器为保证在能量不完全传递的情况下磁芯不饱和，必须加入气隙，而且又要满足在二次侧电流不连续，即在能量没有完全传送的条件下稳定输出电压v咖的要求，也必须增加气隙来调整电感量，而随之带来的缺点就是在开关管关断时会引起电压尖峰，损害开关管，因此必要时要在电路中增加吸收电路。
图 7单端反激式变换器
3.3 PWM调制的原理及特点
PWM调制即定频调宽，其特点是开关周期T恒定，通过改变导通时间Ton来调节占空比。在输入电压发生变化时，控制芯片根据反馈电路提供的误差信号，对脉冲的宽度进行调节，从而改变占空比的大小，保持伏秒积恒定，如此反复，达到稳定输出电压的目的。目前，PWIVl调制方式在开关电源中的应用最为广泛，由于频率一定，其噪音低，滤波电路也容易设计。而且价格低、性能好的PWM调制方式控制芯片也有很多，例如TIA9
4、UCx842／x843／x844／x845等。 3.4 多路输出反激式开关电源的实验波形及分析 实验波形图如下： 第一组：
输入电压36V，输入电流0.67A；输出电压10V，输出电流0.9A
(a) Ugs波形
(c) Ud波形
第二组：
输入电压46V，输入电流0.45A；输出电压10V，输出电流0.91A
(a) Ugs波形
(b ) Ud波形
第三组：
输入电压56V，输入电流0.38A；输出电压10V，输出电流0.9A
(a) Ugs波形
(b ) Ud波形
第四组：
输入电压64V，输入电流0.29A；输出电压10V，输出电流0.9A
(a) Ugs波形
(b ) Ud波形
四、总结
4.1 设计工作总结
实际应用中变压器是存在漏感的（漏感的能量是不会耦合到次级的），MOS管也不是理想的开关，还有PCB板的布局及走线带来的杂散电感，使得MOS的Vds波形往往大于Vin+Vf。
说到漏感的能量不能耦合到次级，那么MOS关断的时候，漏感电流也不能突变，所以会产生个很高的感应电动势，因无法耦合到次级，会产生个很高的电压尖峰，可能会超过MOS的耐压值而损坏MOS管，所以我们实际使用时会在初级加一个RCD吸收电路，把尖峰尽可能的吸到最低值，来确保MOS管工作在安全电压。 4.2 总结
在信息和数字时代，所有电子设备都需要有一个稳定可靠的电源来提供能量。因此开关电源的发展对于国家的发展与建设有及其重要的作用。经过几十年的发展，开关电源方面的技术已经有了长足的发展。
13 20W单端反激开关电源，所谓单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。设计要求中指出，输入的是单相交流电，于是便需要一个整流滤波的过程，采用4个二极管两两并联整流，滤波采用并联一个电容，整流滤波过后便得到直流电，再逆变为交流电，然后再与高频变压器相连，在开关器关断后，得到稳定电压，再采用上述的方法再将其整流滤波，得到了设计要求中所需要的直流稳压输出。 14 附 录
