12個步驟設計恆流正激式開關電源

科技 09-18

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摘要

1、電源技術要求

2、設計步驟

3、變壓器設計

4、輸出濾波器設計

5、複位電路計算

6、功率開關管選擇

7、輸出二極體選擇

8、恆流輸出電路設計

9、緩衝吸收電路設計

10、控制電路設計

11、PCB板布線

12、電路模擬

1、電源技術要求

選用單端正激式開關電源拓撲圖如下，因為它是一種小型、經濟，也是開關電源應用較多一種，並且它功率輸出在50～200W是最合適的。設計技術要求如下：

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

輸出波動電流IP：±0.1A

2、開關電源設計步驟

3、變壓器設計

1、輸出變壓器次級電壓U2計算

UL是輸出扼流圈在內次級線圈的電壓降，Uf是輸出二極體的正向電壓。

最低的次級電壓U2min為：

2、初、次級線圈計算

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

根據輸出容量磁心尺寸關係表選取EI-30。它的有效面積為S=111mm2磁心材質相當於TDK的H7C4,最大工作磁軌密度Bm可查得.實際使用時的磁心溫度約100℃，且要選擇能保持線性範圍的Bm，即0.3T以下。當磁心溫度有100℃，工作頻率200KHz時，約減少0.1T而成為。根據線圈計算公式則

因而次級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）。初級線圈的匝數則是

確定。次級線圈所需要的電壓U2min一定要充分，因此要進行ton max的修正計算。

Dmax修正結果為0.42,仍然在0.4～0.45範圍內，可以繼續使用以下計算。

4、輸出濾波器設計

在開關電源中帶磁心的電感器，一般採用電感線圈Lf 與輸出濾波電容器Cf 構成的「L」型濾波器如下圖。電感線圈對高頻成分呈現很高的感抗，而電容對高頻成分呈現很小容抗，已達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計

計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於輸出脈動電壓控制在多少毫伏。輸出脈動電壓雖要根據和輸出電容器的等效串聯電阻確定，但一般規定為輸出電壓的0.3%～0.5%範圍。

就是在200HKz範圍內，需要值在37.5m 以下電容器的。所以可以選擇20V，8200 H，則為31m ,容許脈動電流為2.9Ams.

流向電容器的紋波電流為

3、濾波器電阻設計

要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時，可以假設電阻值為Rd

則假設電阻Rd電耗為Wrd

5、複位電路計算

複位電路如圖所示。開關功率管VT1接通時，變壓器T1的磁通增加，磁能被儲存到T1，當VT1截止時，即放出這種受激磁的磁能下圖複位線圈到T1上以在VT1截止時通過VD1把磁能反饋到輸入。

則磁複位串接在N3的中二極體VD1承受最大電壓為

那麼選擇VD1額定電壓為800V，這樣基本符合要求的。

6、功率開關管選擇

下圖為MOSFET型功率開關管，它主要具有驅動功率小，器件功率容量大；第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高，另外他的熱穩定性優於GTR等優點，也是目前開關變換器廣泛應用的開關器件。

根據單端正激式變換器計開關管VT1承受最大電壓公式得:

流過MOSFET開關管最大電流為

根據上面功率MOSFET表，可以選擇2SK2718型號。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、輸出二極體選擇

輸出二極體有肖特基二極體（SBD）,低損耗二極體（LLD）、高速二極體(FRD)。輸出為低壓大電流時應採用肖特基二極體，其他則採用低損耗或調整二極體。

選擇二極體時要注意選擇反向恢復時間trr快的二極體。這是因為主開關元件閉合時反向流入二極體的電流會影響初級線圈開關特性並致使損耗增大。同時，輸出雜訊也會受很大影響的。所以輸出整流二極體選擇一般原則有四點。

1、選用正向壓降VDF小的整流二極體；

2、選用反向恢復時間trr整流二極體；

3、選用正向恢複電壓VFRm整流二極體；

4、選用反向漏電流IR小整流二極體。

續流二極體VD2選擇

續流二極體VD2上的反向電壓UVD2與輸出變壓器次級電壓的最大值是相同的。根據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.

可選擇低損耗二極體MBR1545 作為續流二極體它參數為，Uds=45V, IO=15A,trr＜1.0ns.

8、恆流輸出電路設計

1、恆流輸出原理

任何電源要實現恆流功能，均需對電源的輸出電流進行檢測取樣，與電流設置值即參考值進行比較，經負反饋放大調節（P、PI、PID）。線性串聯穩壓是調節調整管的壓降，而開關電源是調節變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恆定。

下圖是恆流控制反饋系統圖。圖中Iref是電流設置基準；CR是電流PI調節；Kfi是電流取樣反饋係數；RS、Ro是電流取樣電阻和負載電阻。該系統採用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當地選取反饋係數Kfi, 通過P（比例）、PI（比例積分）、PID（比例積分微分器）實現恆流控制。在反饋係數不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實現恆流值控制。

下圖是恆流電源常用電路，其中採樣電阻RS串聯在功率迴路里，作為迴路電流的採樣元件。它把迴路電流轉換成電壓信號，並與基準電壓Uref在放大器中進行比較放大，然後將其送至調整管VT的基極，驅動調整管VT對輸出電流IO變化進行補償校正。就可以實現恆流輸出的。

9、緩衝吸收電路設計

在開關電源中，由於變壓器的漏感、布線的引線電感存在、開關管在關斷瞬間會產生很高的電壓尖峰脈衝。整流快速恢復二極體由於存在存儲效應，反向恢復過程中也會出現很高的反向恢復的碾壓尖峰脈衝。這些過電壓尖峰脈衝的出現不但危及功率器件的工作安全性，而且形成很強的電磁干擾雜訊。為此必須在功率器件兩端設計尖峰電壓緩衝吸收電路。緩衝電路圖如下

從緩衝電路中均有電容器元件，電容器的端電壓不能突變，當MOSFET功率開關管關斷是形成尖峰電壓脈衝能量轉移到電容器中儲存，然後電容器的儲能通過電阻消耗或返回電源，起到緩衝吸收電壓尖端作用。而輸出二極體兩端產生的反向浪涌電壓同時也受到限制，這樣因此反向浪涌電流就會隨之而減少，以及減少損耗和可能出現振蕩

10、控制電路設計

下面採用是UPC1094C控制電路

1、振蕩器

振蕩器的振蕩頻率fosc有接在引腳6上的定時電阻器R17與接在引腳5上的定時電容器C15決定的。當時振蕩頻率。

2、啟動電路

啟動電路由接在引腳8上R14接上外部電源為晶元工作提供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上電壓低於200mV。當出現過流時，引腳3上的電壓超過200mV的正負閥值，輸出級被鎖定為低電平，下個脈衝周期來之前，過流閉鎖器複位，對下個周期的過電流進行檢測，限制脈衝寬度。

4、過電壓保護電路

過電壓保護電路由光電耦合器PC1、R16組成的。當輸出電壓超過15V時，光電耦合器PC1動作，經過引腳2接入反饋電壓電路，使輸出級鎖定為低電平。

5、最大占空比的設定和軟啟動

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，當電源電壓剛啟動時，與R14並聯的電容器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

輸出電壓可通過調節R5、R6、R7組成分壓電路確定的：

11、PCB布線

在畫PCB布線時，應先確定元器件的位置，然後布置地線、電源線、再安排高速信號線，最後考慮低速信號線。

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

1、電源

在考慮安全條件下，電源線應儘可能近地線，減小差模輻射的環面積，也有助於減小電路的交擾。

2、時鐘線、信號線和地線位置

信號線與地線距離較近，形成的環面積較小；這樣才合理的。

3、按邏輯速度分割

當需要在電路板上布置快速、中速和低速邏輯電路時，高速的器件應按放在緊靠邊緣連接器範圍內，而低速邏輯和存儲器，應放在遠離連接器範圍內。這樣對共阻抗耦合、輻射和交擾的減小都是有利的。

4、應避免PCB導線的不連續性

1）、跡線寬度不要突變；

2）、導線不要突然拐角。

12、電路模擬

國內外電路模擬軟體有：saber、EDA、EWB、Multisim、MATLAB、Special Puipose等，而在這次開關電源設計是利用Multisim電路模擬軟體來測試電路的。Multisim模擬軟體是繼承了EWB軟體的諸多優點的，並且在功能和操作方法上有很大改進的。它可以完成電路的瞬態分析和穩態分析、時域分析、器件的線性和非線性分析、電路的雜訊分析和失真分析等強大的功能的，以幫助設計人員分析電路的合理性

1、模擬原理圖