1?電源技術(shù)要求

選用單端正激式開關(guān)電源拓?fù)鋱D如下，因?yàn)樗且环N小型、經(jīng)濟(jì)，也是開關(guān)電源應(yīng)用較多一種，并且它功率輸出在50～200W是最合適的。設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

輸入電壓：交流220V±10%

輸出電壓UO：15V

輸出電流IO：10A

紋波電壓UP：0.5V

輸出波動(dòng)電流IP：±0.1A

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開關(guān)電源設(shè)計(jì)步驟

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變壓器設(shè)計(jì)

1、輸出變壓器次級(jí)電壓U2計(jì)算

UL是輸出扼流圈在內(nèi)次級(jí)線圈的電壓降，Uf是輸出二極管的正向電壓。

最低的次級(jí)電壓U2min為：

2、初、次級(jí)線圈計(jì)算

輸入直流電壓U1的最小值使用按輸出電路計(jì)算求得的U1min值。根據(jù)中國(guó)輸配電情況U1=200～253V，則變壓比N為：

根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2磁心材質(zhì)相當(dāng)于TDK的H7C4，最大工作磁道密度Bm可查得。實(shí)際使用時(shí)的磁心溫度約100℃，且要選擇能保持線性范圍的Bm，即0.3T以下。當(dāng)磁心溫度有100℃，工作頻率200KHz時(shí)，約減少0.1T而成為 。根據(jù)線圈計(jì)算公式則

因而次級(jí)N2= 4，式中Bm為磁心的磁通密度（T）；S為磁心的有效截面積（mm2）。初級(jí)線圈的匝數(shù)則是

確定 。次級(jí)線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進(jìn)行ton max

的修正計(jì)算。

Dmax修正結(jié)果為0.42，仍然在0.4～0.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計(jì)算。

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輸出濾波器設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構(gòu)成的“L”型濾波器如下圖。電感線圈對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對(duì)高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達(dá)到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。

1、輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì)

計(jì)算流入輸出扼流圈電流

L為輸出扼流圈的電感（μH）；為輸出電流的10%~30%。則有

電感L值為：

由此可見，需要11.86μH，10A的扼流圈。

2、輸出濾波電容的確定

輸出電容器的選定取決于輸出脈動(dòng)電壓控制在多少毫伏。輸出脈動(dòng)電壓 雖要根據(jù) 和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%～0.5%范圍。

就是在200HKz范圍內(nèi)，需要 值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V，8200 H，則 為31m ，容許脈動(dòng)電流為2.9Ams。

流向電容器的紋波電流為：

3、濾波器電阻設(shè)計(jì)

要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時(shí)，可以假設(shè)電阻值為Rd

則假設(shè)電阻Rd 電耗為Wrd

5、復(fù)位電路計(jì)算

復(fù)位電路如圖所示。開關(guān)功率管VT1接通時(shí)，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲(chǔ)存到T1，當(dāng)VT1截止時(shí)，即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到T1上以在VT1截止時(shí)通過VD1把磁能反饋到輸入。

則磁復(fù)位串接在N3的中二極管VD1承受最大電壓為

那么選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。

6、功率開關(guān)管選擇

下圖為MOSFET型功率開關(guān)管，它主要具有驅(qū)動(dòng)功率小，器件功率容量大；第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR等優(yōu)點(diǎn)，也是目前開關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開關(guān)器件。

根據(jù)單端正激式變換器計(jì)開關(guān)管VT1承受最大電壓公式得：

流過MOSFET開關(guān)管最大電流為：

根據(jù)上面功率MOSFET表，可以選擇2SK2718型號(hào)。它的最高承受電壓為900V，允許最大電流為2.5A，而功率損耗是40W，是上面功率最小損耗的。

7、輸出二極管選擇

輸出二極管有肖特基二極管（SBD），低損耗二極管（LLD）、高速二極管（FRD）。輸出為低壓大電流時(shí)應(yīng)采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。

選擇二極管時(shí)要注意選擇反向恢復(fù)時(shí)間trr快的二極管。這是因?yàn)橹鏖_關(guān)元件閉合時(shí)反向流入二極管的電流會(huì)影響初級(jí)線圈開關(guān)特性并致使損耗增大。同時(shí)，輸出噪聲也會(huì)受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點(diǎn)。

1、選用正向壓降VDF小的整流二極管；

2、選用反向恢復(fù)時(shí)間trr整流二極管；

3、選用正向恢復(fù)電壓VFRm整流二極管；

4、選用反向漏電流IR小整流二極管。

續(xù)流二極管VD2選擇：

續(xù)流二極管VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級(jí)電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式得：

流過它方向電流Ir一般看作與IO大致相同的，即 Ir=Io=10A.

可選擇低損耗二極管MBR1545 作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，Uds=45V， IO=15A，trr＜1.0ns.

8、恒流輸出電路設(shè)計(jì)

① 恒流輸出原理

任何電源要實(shí)現(xiàn)恒流功能，均需對(duì)電源的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)取樣，與電流設(shè)置值即參考值進(jìn)行比較，經(jīng)負(fù)反饋放大調(diào)節(jié)（P、PI、PID）。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定。

下圖是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中Iref是電流設(shè)置基準(zhǔn)；CR是電流PI調(diào)節(jié)；Kfi是電流取樣反饋系數(shù)；RS、Ro是電流取樣電阻和負(fù)載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測(cè)變換器輸出電流，適當(dāng)?shù)剡x取反饋系數(shù)Kfi， 通過P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實(shí)現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實(shí)現(xiàn)恒流值控制。

下圖是恒流電源常用電路，其中采樣電阻RS串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并與基準(zhǔn)電壓Uref在放大器中進(jìn)行比較放大，然后將其送至調(diào)整管VT的基極，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管VT對(duì)輸出電流IO變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。就可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出的。

9、緩沖吸收電路設(shè)計(jì)

在開關(guān)電源中，由于變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開關(guān)管在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰脈沖。整流快速恢復(fù)二極管由于存在存儲(chǔ)效應(yīng)，反向恢復(fù)過程中也會(huì)出現(xiàn)很高的反向恢復(fù)的碾壓尖峰脈沖。這些過電壓尖峰脈沖的出現(xiàn)不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強(qiáng)的電磁干擾噪聲。為此必須在功率器件兩端設(shè)計(jì)尖峰電壓緩沖吸收電路。緩沖電路圖如下

從緩沖電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當(dāng)MOSFET功率開關(guān)管關(guān)斷是形成尖峰電壓脈沖能量轉(zhuǎn)移到電容器中儲(chǔ)存，然后電容器的儲(chǔ)能通過電阻消耗或返回電源，起到緩沖吸收電壓尖端作用。而輸出二極管兩端產(chǎn)生的反向浪涌電壓同時(shí)也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會(huì)隨之而減少，以及減少損耗和可能出現(xiàn)振蕩。

10、控制電路設(shè)計(jì)

下面采用是UPC1094C控制電路

① 振蕩器

振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時(shí)電阻器R17與接在引腳5上的定時(shí)電容器C15決定的。當(dāng) 時(shí)振蕩頻率 。

② 啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路由接在引腳8上R14接上外部電源為芯片工作提供Vcc=15V電源，而接在引腳9上是通過R10接在外部電路提供集電極電壓。

③ 限流電路

過流保護(hù)電路由R18、R19 、C16組成。它們是接到引腳3上的，在正常情況下，引腳3上電壓低于200mV。當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，引腳3上的電壓超過200mV的正負(fù)閥值，輸出級(jí)被鎖定為低電平，下個(gè)脈沖周期來之前，過流閉鎖器復(fù)位，對(duì)下個(gè)周期的過電流進(jìn)行檢測(cè)，限制脈沖寬度。

④ 過電壓保護(hù)電路

過電壓保護(hù)電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當(dāng)輸出電壓超過15V時(shí)，光電耦合器PC1動(dòng)作，經(jīng)過引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級(jí)鎖定為低電平。

⑤ 最大占空比的設(shè)定和軟啟動(dòng)

最大占空比是由電阻器R14、R15分壓比來確定的。為了防止變壓器的磁飽和，當(dāng)電源電壓剛啟動(dòng)時(shí)，與R14并聯(lián)的電容器C14上電壓不能突變，引腳1上電壓為UREF，占空比為最大的。

⑥ 輸出電壓控制電路

輸出電壓可通過調(diào)節(jié)R5、R6、R7組成分壓電路確定的。

11、PCB布線

在畫PCB布線時(shí)，應(yīng)先確定元器件的位置，然后布置地線、電源線、再安排高速信號(hào)線，最后考慮低速信號(hào)線。

元器件的位置應(yīng)按電源電壓、數(shù)字及模擬電路、速度快慢、電流大小等進(jìn)行分組，以免相互干擾。格局元器件的位置可以確定PCB連接器各個(gè)引腳的安排。所有連接器應(yīng)安排在PCB的一側(cè)，盡量避免從兩側(cè)引出電纜，減少共模輻射。

① 電源

在考慮安全條件下，電源線應(yīng)盡可能近地線，減小差模輻射的環(huán)面積，也有助于減小電路的交擾。

② 時(shí)鐘線、信號(hào)線和地線位置

信號(hào)線與地線距離較近，形成的環(huán)面積較小；這樣才合理的。

③ 按邏輯速度分割

當(dāng)需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時(shí)，高速的器件應(yīng)按放在緊靠邊緣連接器范圍內(nèi)，而低速邏輯和存儲(chǔ)器，應(yīng)放在遠(yuǎn)離連接器范圍內(nèi)。這樣對(duì)共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

④ 應(yīng)避免PCB導(dǎo)線的不連續(xù)性

1）、跡線寬度不要突變；

2）、導(dǎo)線不要突然拐角。

12、電路仿真

國(guó)內(nèi)外電路仿真軟件有：saber、EDA、EWB、Multisim、MATLAB、Special Puipose等，而在這次開關(guān)電源設(shè)計(jì)是利用Multisim電路仿真軟件來測(cè)試電路的。Multisim仿真軟件是繼承了EWB軟件的諸多優(yōu)點(diǎn)的，并且在功能和操作方法上有很大改進(jìn)的。它可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時(shí)域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析等強(qiáng)大的功能的，以幫助設(shè)計(jì)人員分析電路的合理性

① 仿真原理圖

2、進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)與波形仿真測(cè)試

（1）、 市電輸入交流電為220V，萬用表讀數(shù)輸入電壓波形圖如下：

（2）功率開關(guān)管出發(fā)脈沖圖測(cè)試：

（3）輸出穩(wěn)壓波形測(cè)試：

（4）變壓器經(jīng)過整流后二次直流電壓測(cè)試：

（5）輸出電流測(cè)試：

（6）功率測(cè)試：

最后，通過對(duì)整體電路的功能和典型性能參數(shù)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果均達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，證實(shí)了方案可行性與理論分析的正確性。