3.3V10A通信开关电源的设计毕业论文 (6)
3.3V/10A通信开关电源设计
学生专业：电气工程及其自动化学生姓名：范会磊
导师姓名：于雁南
摘要
开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流－直流或直流—直流电能变换，通常称其为开关电源。其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单管正激和单管反激等形式。
本论文以正激电路为核心，采用PWM脉宽调制芯片UC3844作为主控制芯片，变压器隔离，并且加了输入滤波器和输出整流滤波电路，对输入干扰和输出纹波电压有了很好的消除作用。电路中加入了两个辅助电源，一个是给UC3844芯片供电，一个是给TL431供电，使电路更加稳定，并根据闭环反馈信号对PWM信号作出调整，实现具有输出直流10A，稳定电压3.3V。
关键词：正激变换电路磁复位PWM脉宽调制直流稳压图腾柱
ABSTRACT
A kind of switch power supply controlled by the duty ratio of switch circuit is composed of electric energy conversion device, used in AC-DC or DC-DC can transform, usually referred to as switching power supply. Its power from zero a few watts to tens of kilowatts, widely used in the life, production, scientific research, military and other fields. At the core of switching power supply for power electronic switch circuit, depending on the load of power supply output voltage or current regulator is proposed by the characteristics of the request, using the feedback control circuit, the duty cycle control method, to control the switching circuit. A lot of switch power supply high frequency conversion circuit form, commonly used conversion circuit has push-pull, bridge, half bridge, single tube is excitation and single pipe flyback form.
In this thesis, forward circuit core, using UC3844 PWM pulse width modulation chip as the main control chip, transformer isolation, and added input filter and output rectifier filter circuit, the input and output ripple voltage interference suppression have a good effect. Added two auxiliary circuit power supply, one for UC3844 chip supply, one for TL431 powered, the circuit is more stable, and according to the closed-loop feedback signal to the PWM signal is adjusted to achieve an output DC 10A, stable voltage 3.3V.
Keywords:Forward converter circuit magnetic reset PWM pulse width modulation Totem Pole
目录
摘要................................................... II ABSTRACT ................................................ III 目录................................................... IV 第1章绪论.. (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.2 研究的目的和意义 (3)
1.3 国内外正激式开关电源的发展状况 (3)
1.4 设计的主要内容 (5)
第2章正激式开关电源的总体设计 (6)
2.1 开关电源变换电路的选择 (7)
2.2 控制电路的方案选择 (8)
2.3 电流工作模式的方案选择 (10)
2.4 输出整流电路的选择 (10)
第3章单管正激式开关电源主电路的设计 (12)
3.1 单管正激式变换器的工作原理 (12)
3.2 变压器的设计和参数的计算 (18)
3.2.1 变压器的设计 (18)
3.2.2变压器的参数计算 (21)
3.3 输入EMI滤波器设计 (27)
3.4 磁复位电路的设计 (29)
3.5 输出滤波器的设计和参数计算 (32)
3.5.1 输出滤波器的设计 (32)
3.5.2 输出滤波器的参数计算 (40)
3.6 MOSFET开关管的设计 (43)
第4章控制电路的设计和元器件的原理 (45)
4.1 UC3844芯片原理 (45)
4.2 UC3844工作性能 (47)
4.3 外围电路的设计 (50)
4.4 反馈电路的设计 (51)
4.5 反馈电路中元件的原理 (54)
第5章辅助电源的设计 (57)
5.1 辅助电源电路的设计 (57)
5.2 辅助电源的工作原理 (58)
5.3 辅助电源的参数 (59)
结论 (60)
致谢 (61)
参考文献 (62)
附录1 (65)
CONTENTS
Abstract (Chinsese) .......................................................................... II English Abstract ............................................................................. III The first chapter Introduction (1)
1.1 background (1)
1.2 The purpose and significance of the research (3)
1.3 Development situation of domestic (3)
1.4 The main content of the design (5)
The second chapter overall design of flyback switching power supply.. 6
2.1 Transform circuit of switch power supply selection (7)
2.2 Select the control circuit (8)
2.3 Select the current mode of operation scheme (10)
2.4 The choice of output rectifier circuit (10)
The third chapter single forward design of main circuit of switch power supply (12)
3.1 The working principle of single flyback converter (12)
3.2 Design and calculation of parameters of the transformer. (18)
3.2.1 Transformer design (18)
3.2.2Calculation of transformer parameters (21)
3.3 Design input EMI filter (27)
3.4 The design of magnetic reset circuit (29)
3.5 Design and calculation of parameters of the output filter (32)
3.5.1 Design of output filter (32)
3.5.2 Calculation of parameters of the output filter (40)
3.6 Design of MOSFETswitch (43)
The fourth chapter Design principle and components of the control
circuit (44)
4.1 Principle of UC3844 chip (45)
4.2 The performance of UC3844 (47)
4.3 The peripheral circuit design (50)
4.4 The design of feedback circuit (51)
4.5 The principle of feedback circuit element (54)
The fifth chapter Design of the auxiliary power supply (57)
5.1 Design of the auxiliary power supply circuit (57)
5.2 The working principle of the auxiliary power supply (58)
5.3 The parameters of the auxiliary power supply (59)
Conclusion (60)
Acknowlegement (61)
Reference documentation (62)
Appedendix (65)
第1章绪论
1.1 课题研究的背景
现代电子设备使用的电源大致分为线性稳压电源和开关电源两大类，线性电源的效率低，而开关电源的效率较高。其优越性主要表现为功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等方面。开关电源相关技术的研究正处于迅速发展阶段，以下几个方面将是开关电源发展的方向。]1[
低噪声：开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。高频化：在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。小型化：开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。高可靠性：开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。采用计算机辅助设计和控制：采用CAA 和CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。
开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高压快速晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100W以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入21世纪后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。]2[
1.2 研究的目的和意义
随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是社会生活和工业的基础。
本论文的目的就是查阅相关资料，掌握单管正激开关电源的内部结构，以及设计原理，设计出输入DC41~57V，输出DC3.3V，10A，并具有体积小、重量轻、工作稳定、输出纹波小、稳定电压的特性。为以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。
当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，正激式开关电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，正激式开关电源变换器在中小功率隔离降压型DC／DC电源模块中有着广泛的应用。其主变压器只是作为传递能量和电压变换的作用，启动电流、输出纹波和所需要的滤波电容均较小。在开关转换过程中不存储能量，少量的剩余能量，可以通过简单的复位电路设计，就可以保证其在大动态重负载下不会磁饱和，电路工作稳定。由于其磁芯不需要开气隙，因而漏感较小，具有小的电压尖峰。另外，其峰值电流也较小，传输能量大，相同的传输功率所需要的磁芯较小，易于集成。因此，正激式开关电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其它多项高新技术的发展基础。正激式开关电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。
1.3 国内外正激式开关电源的发展状况
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载
火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。从上世纪90年代以来，随着电源技术的发展，低电压、大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人们的重视。在开关电源模块中，正激式有着电路拓扑简单，输入输出电气隔离的优点，广泛应用于中小功率电源和低电压、大电流的变换场合。]3[与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。
开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。在电源模块中，正激式开关电源变压器的铜损较
低，同时，正激式电路副边纹波电压电流衰减交反激明显慢很多，在低压、大电流场合中一般都用正激式变换器。
1.4 设计的主要内容
本论文是通过查阅大量的资料以及结合实际情况设计了单管正激式开关电源10A，DC3.3V的直流稳压输出，设计的输入加了一个输入滤波器，以减少输入对电路的干扰，通过隔离变压器的降压，再经过输出整流和滤波电路得到输出纹波小、电压稳定的电压。控制电路采用的是UC3844芯片控制，闭环光电隔离反馈。
1. 研究了正激式开关电源的国内外发展情况
2. 设计了正激式开关电源的主电路
3. 设计了正激式开关电源的隔离变压器以及参数的计算。
4. 输出滤波器的设计和参数计算
5. 控制电路的设计
6. 闭环反馈电路的设计和计算
7. UC3844的工作原理
8. 辅助电路的设计
第2章正激式开关电源的总体设计
本设计的原理框图如图2-1所示，由输入滤波器、DC／DC变换器、输出滤波器、控制电路、辅助电源等几部分组成。其基本原理是：直流输入电压经EMI滤波得到一直流电压，通过DC／DC变换器，最后经过输出滤波器，得到需要的直流电压。
输出
图2-1 系统原理图
（1）输入滤波器：消除来自输入对正激式电源的各种干扰，如电器开关的合闸与关断，雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止正激式开关电源产生的高频噪声向输入扩散而污染电网。
（2）磁复位：正激变换器中为了防止高频变压器的磁饱和，用磁复位电路把剩余磁能送到输入电网中。
（3）DC／DC变换器：它是单管正激式开关电源的关键部分。它把输入的直流电压进行升压或降压成所需要的直流电压。
（4）输出整流滤波：将经高频变压器变换过来的电流进行整流、滤波。以得到含交流成分较少的直流电流。
（5）控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。
（6）保护电路：在正激式开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。
（7）辅助电源：为单管正激式开关电源控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产。]4[
2.1 开关电源变换电路的选择
开关电源的电路组成主要是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。输入输出隔离的方式由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，但是却很安全，而本论文没有要求输入输出隔离还是非隔离，为了提高开关电源的安全性，所以此设计选择隔离方式，我们知道隔离型开关电源有五种可能形式：单管反激式、单管正激式、半桥式、全桥式、推挽式，各种形势的开关电源对功率的要求是不一样的，根据功率的要求可知：单管反激式功率范围：1—100W；
单管正激式功率范围：1—200W；
推挽式功率范围：200—500W；
半桥式功率范围：200—500W；
全桥式功率范围：500—2000W；
根据论文要求，为小功率高频开关电源的设计，而单管反激式和单管正激式功率范围可以达到要求，由于反激式开关电源中的高频变压器起到储能电感的作用，因此反激式高频变压器类似于电感的设计，但需注意防止磁饱和的问题。而正激式开关电源变换器在中小功率隔离降压型DC／DC开关电源中有着广泛的应用。其主变压器只是作为传递能量和电压变换的作用，启动电流、输出纹波和所需要的滤波电容均较小。在开关转换过程中不存储能量，少量的剩余能量，可以通过简单的复位电路设计，就可以保证其在大动态重负载下不会磁饱和，电路工作稳定。由于其磁芯不需要开气隙，因而漏感较小，具有小的电压尖峰。另外，其峰值电流也较小，传输能量大，相同的传输功率所需要的磁芯较小，易于集成，电路也相对的简单。这样不仅在经济方面节省了投资，电路工作也很稳定。
鉴于上面分析，主电路选择单管正激式电路。
2.2 控制电路的方案选择
2.2.1 单片机控制电路分析
采用单片机或DSP控制产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。]5[
2.2.2 芯片控制电路分析
采用电流模式脉宽调制控制器UC3844，这个芯片是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为
设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET 的理想器件。
其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO-14）。SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。是专门设计用于离线和直流到直流交换器应用的高性能，固定频率，电流模式控制器。为设计者提供使用最少外部元件的高性能价格比的解决方案。
UC3844能自动前馈补偿、锁存脉宽调制，可逐周限流、内部微调的参考电压，带欠压锁定、大电流图腾柱输出、欠压锁定，带滞后、低启动和工作电流、电流模式工作到500KHZ 、输出静区时间从50%到70%可调。
1
2
3
4
5
6
78
5
图2-2 UC3844简化方框图
鉴于上面分析，选用芯片控制电路。
2.3 电流工作模式的方案选择
2.3.1 电流连续模式的分析
电流连续模式。电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。这种模式的设计要考虑电感的储能时间，不容易控制，所发实现起来是很复杂的。
2.3.2 电流断续模式的分析
电流断续模式。断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。但是这种模式工作设计不复杂、容易控制。]6[
鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式。
2.4 输出整流电路的选择
近年来随着电源技术的发展，电源正在向低电压、大电流输出的DC／DC变换器中迅速推广应用。DC／DC变换器的损耗主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管或超快恢复二
极管可达1.0～1.2V ，即使采用低压降的肖特基二极管，也会产生大约0.6V 的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。而同步整流技术一起开关管分担的压降小，高效而广泛应用。如图2-3，同步整流技术的原理。]7[
.IRF640
+-
L
Vin
T
图2-3 同步整流器的基本原理图
工作原理：单端正激、隔离式降压同步整流器的基本原理如图2-3所示，V1及V2为功率MOSFET ，在次级电压的正半周，V1导通，V2关断，V1起整流作用；在次级电压的负半周，V1关断，V2导通，V2起到续流作用。同步整流电路的功率损耗主要包括V1及V2的导通损耗及栅极驱动损耗。当开关频率低于1MHz 时，导通损耗占主导地位；开关频率高于1MHz 时，以栅极驱动损耗为主。
由上所述：我们可以看出同步整流的技术，它的压降是由二个功率MOSFET 承担，损耗也小，效率也高，但相对肖特基整流它在经济上花费比较大，需要两个功率MOSFET 。电路也比价复杂，驱动电路更复杂，所以这次论文选择肖特基整流。
第3章 单管正激式开关电源主电路的设计
3.1 单管正激式变换器的工作原理
单管正激式变换器电路在其输入和输出回路之间加入安全隔离措施。一般情况下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。在电路中，它是以变压器的形式出现的，但实际上它起的作用是扼流圈，所以应该称它为变压器——扼流圈。 典型的单管隔离正激式变换器电路结构如图3-1所示：
R1
C3
图3-1 单管正激式变换器主电路图
开关管Q 按PWM 方式工作，D01和D02是输出整流二极管，D03和D04是续流二极管，L 是输出滤波电感，C5和C6是输出滤波电容。变压器有三个绕组，P N 原边绕组，S N 副边绕组，m N 复位绕组。]8[
开关管Q 导通，电源电压Vin 加在原边绕组上，变压器铁芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：
V G V P Vin
-(N M /N P )Vin
Im
V m Im1
Vs V 1V L i L V DS
t
t t
t
t
t
t
t
t
t
(N S /N P )Vin
-(Ns/Nm)Vin
(N S /N P )Vin
V O (N S /N P )Vin-V O -V O
I O Vin+(N P /N M )Vin
Vin
00
00
图3-2 单管正激式开关电源主电路各参数的波形图