单端正激开关电源设计 Prepared on 22 November 2020《开关电源》作品设计论文设计题目：单端正激开关电源设计学院名称：电子与信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：电气091班姓名：陈永杰学号：***师：***2012 年 5 月 25 日摘要开关电源非常广泛地应用在通讯、计算机、汽车和消费电子产品等领域。

电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。

在深入研究分析各种开关电源原理和特点的基础上，根据导师根据项目布置的指标要求，论文设计了一种单端正激式高频单路输出开关电源。

该开关电源的特点是以单端正激式为主拓扑，以电流型控制芯片UC3842和高频变压器为核心，采用EMI滤波器、MOSFET、输出滤波电路、采样反馈通道等主要元器件和电路模块，实现了单路稳定输出。

论文所设计的开关电源输入为市电220V交流，输出电压为10V直流电压，输出最大电流为40A，开关频率为200KHZ。

论文采用面积乘积法(AP)，确定了高频变压器的原副边形式以及铁芯材料的选择，设计了输出电路、系统补偿器以及启动电路和EMI滤波电路。

论文设计好后，对所设计的单端正激式高频开关电源电路系统进行全面仿真，仿真结果表明，各项指标符合要求。

而后，做出实物，调试显示：该开关电源的输出电压调整特性、负载调整率、输出纹波、动态响应、温度变化等均满足了项目的指标要求，并且具有良好的过载、短路保护特性和波形特性，各项技术指标能够达到信息平台的供电要求。

关键词：高频开关电源；单端正激式；AP法变压器目录第1章绪论1.1开关电源简介电源[power supply; power source] 向电子设备提供功率的装置。

把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。

通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。

能提供信号的电子设备叫做信号源。

晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。

晶体三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。

整流电源、信号源有时也叫做电源。

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。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。

开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。

设计要求1.2.1设计任务设计并制作一个AC-DC-AC-DC高频单端正激开关电源，输入电压为220V，输出稳定电压为10V，最大负载电流有效值为40A。

1.2.2设计要求a.输入电压AC220V(±10电压波动），频率50Hz。

b.输出电压10V ~，输出电流40A(36 ~44A)，开关频率200KHzc.主电路可以自己选择单端正激拓扑结构。

d.要求计算出选用管子的参数及变压器和滤波电感电容的设计。

e.报告名称单端正激开关电源设计f.具有过流过压保护电路，具有一定的带负载能力，即在负载范围内输出电压保持稳定不变。

1.2.3设计内容本文详细讨论和分析了单端正激式开关电源和电源管理芯片UC3842的基本原理；重点分析了高频变压器的设计方法并采用面积乘积（AP）法设计了本电源中的高频变压器；全面掌握开关电源的设计流程，设计出一个完整的开关电源电路原理图；采用仿真软件对设计电路进行了全面的仿真验证。

并做出实物，调试测量参数。

第2章开关电源设计2.1400W单端正激开关电源总体设计方案图所示是开关电源电路的典型结构，它主要由整流滤波电路、DC/DC变换电路、开关占空比控制电路以及取样比较电路等模块构成。

前级整流滤波电路用来消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散，并将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。

变换器是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

输出整流滤波电路将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。

取样电路和开关占空比控制电路通过检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大，调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

图开关电源典型结构开关电源的基本工作原理：输入交流电（市电）首先经过整流滤波电路形成直流V S，该直流电V。

再经过通、断状态。

如图(a)所示波形V。

控制的电子开关电路后，变换成脉冲状态交流电V0'（图(b)），V'再经电感、电容等储能元件构成的整流滤波电路平滑后，输出直流电V0（图(c)）。

显然，输出直流V的大小取决于脉冲状交流电V'的有效值大小（成正比），而V0'的有效值又与开关的导通占空比D＝TON/T（其中T=TON +TOFF）成正比。

此外，通过取样比较电路中的取样电阻R1和R2对输出电压V 0取样，并使之与基准电压VREF进行比较，若取样电压高于VREF，则比较电路输出Ve 减小，取样控制占空比控制电路，使TON/T下降，从而使V下降；若取样电压低于VREF ，则比较电路输出Ve增加，使TON/T增加，从而使V增加，这样就可以使开关电源的输出电压V稳定在一个恒定值上。

图开关电源工作波形2.2 具体方案设计2.2.1 主电路设计单端正激变换器当Buck 电路的开关管T r 与续流二极管D 之间加入变压器隔离器T 1便得到图2-3所示的单端正激变换器主回路电路图。

图2-3 单端正激变换器主回路电路图由于正激式变换器的隔离元件T 1是个典型变压器，因此在变压器副边电路中必有一个整流二极管D 2和一个续流二极管D 3，同时也要注意到变压器原边和副边线圈的同名端有相同的相位。

由于是正激工作方式，在两只二极管后要加一个电感器L 作为能量的储藏及传递元件。

一般电感量大些，使得I p 较小。

变压器T 1的并绕一个绕组P 2与二极管D 1串联后接至V s ，这个绕组主要起去磁复位的作用，同时把漏感存储的能量回传给电源。

单端正激变换器中的高频变压器，其磁通只工作在磁滞回线的第一象限，应遵循磁通复位的原则。

但其变压器不像单端反激变换器的变压器那样有储能作用，因此单端正激变换器的变压器的设计方法与反激式有很大差异。

与脉冲变压器相同，单端变换器的变压器设计必须满足两个条件，一是服从电磁感应定律，二是在开关管导通期间确保磁芯不会饱和。

下面给出计算公式：原边绕组匝数为：式中E 为原边绕组输入电压值，D 为脉冲占空比，A e 是铁芯截面积（cm 2），B m 是最大磁感应强度（G ），Br 是剩余磁感应强度（G ）。

为了确保在开关管导通期间铁芯不发生饱和，磁场强度H 应当满足：m max I 0.4p cN H H l π=≤，其中m I pon pV t L ，H 是磁场强度，lc 是铁芯平均磁路长度（cm ），Im 是磁化电流（A ），Lp 是原边绕组励磁电感。

2.2.2 基于UC3842控制电路设计2.2.2.1UC3842的简介继MC1394、AN5900之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动集成电路。

其特点是除内部PWM 系统外，还设有多路保护输入和稳定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。

典型的UC3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前广泛被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。

是美国Unitrode 公司[14]生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。

为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图1所示。

主要由基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM 锁存器、高增益E/A 误差放大器和适用于驱动功率的大电流推挽输出电路等构成。

端1为COMP 端；端2为反馈端；端3为电流测定端；端4接Rt 、Ct 确定锯齿波频率；端5接地；端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；端7为集成块工作电源电压端，可以工作在8～40V ；端8为内部供外用的基准电压5V ，带载能力50mA 。

UC3842是一种电流型开关电源集成控制器，其最大优点是外接元件少，外电路装配简单等。

UC3842的管脚配置如图2-4所示。

UC3842采用固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度，图2-5给出了芯片内部原理图。

UC3842共八个引脚，各引脚功能如表2-1。

图2-4 UC3842封装外形图2-5 UC3842内部功能框图表2-1 UC3842引脚功能介绍其内部基准电路产生+5V基准电压作为UC3842内部电源，经衰减得电压作为误差放大器基准，并可作为电路输出5V/50mA的电源。

振荡器产生方波振荡，振荡频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻R T与接在4脚与地之间的电容C T共同决定了振荡器的频率f=R T C T。

反馈电压由2脚接误差放大器反相端。

1脚外接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性。

6脚输出驱动开关管的方波为图腾柱输出。

3脚为电流检测端，用于检测开关管的电流，当3脚电压大于或等于1V时，UC3842就关闭输出脉冲，保护开关管不至于过流损坏。

UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路。

其开启阀值为16V，关闭阀值为10V。

正因如此，可有效地防止电路在阀值电压附近工作时的振荡。

UC3842的最高开关频率可达500kHz，其采用图腾柱输出电路，能够提供大电流输出，输出电流可达1A，可直接对双极型晶体管和MOSFET进行驱动。

内部有高稳定度的基准电源，典型值为，允许有+的偏差。

温度系数为℃，稳压性能好，其电压调整率可达%/V，能同第二代线性集成稳压器相媲美。

启动电流小于1mA，正常工作电流为15mA。

带锁定的PWM可以进行逐个脉冲的电流限制，具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定。

2.2.2.2利用UC3842设计单端正激变换器图2-4所示为UC3842单端正激控制原理图。