准谐开关电源的设计毕业论文.doc 41页

'长春工程学院毕业设计（论文）准谐开关电源的设计毕业论文目录1绪论11.1引言11.2选题的目的和意义21.3课题可行性分析32开关电源42.1开关电源的种类及特点42.2开关电源的效率分析143电路设计163.1软开关电路的种类、特点163.2软开关电路的选用原则194准谐振开关电源的设计224.1主电路的设计224.2软开关的设计244.3控制电路的设计274.4交流滤波整流输入的设计345结论37参考文献38致谢3940 长春工程学院毕业设计（论文）附录一控制电路图40附录二原理图总图411绪论1.1引言随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而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、电子检测设备控制设备等都已广泛地使用了开关电源，正是由于开关电源的广泛应用和普及，使开关电源技术得到迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制和调节开关晶体管开通和关断，维持输出电压稳定的一种电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。随着集成电路的集成度的提高，微型计算机的体积也随之不断的减小，这时线性直流稳压电源已不再适应现代设备的工作应用。于是，开关型直流稳压电源替代了线性电源，并使微型计算机实现了微型化。时至今日，几乎所有的微机、笔记本电脑的电源适配器都是开关电源的电路结构。直流电源是将工频电网电能转变成直流形式电源的一种电子仪器设备。直流电源已经广泛应用于各行各业。随着科学技术的不断发展进步，科学研究和工程应用实践对电源的需求逐年增多，对其精度、性能、规格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多新的要求，现有的直流电源已经不能满足各领域中的许多要求，研究和开发适合要求的多种新型直流电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比较显著。近几年，随着电力电子技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了大功率、高密度的开关电源，同线性电源相比较高频率开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、设计制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的线性直流电源。采用脉宽调制技术，实现了对输出电压稳压和输出电流的限流功能。40 长春工程学院毕业设计（论文）本设计采用的是半桥变换器和零电流软开关技术结合。将工频电压双路整流，一路作为半桥功率变换的功率输入，一路经滤波稳压后为PWM控制电路提供稳定工作电压。设计具有完善控制和保护功能的电源系统，使我们设计的开关电源的效率达到85%以上。通过这次设计使我们掌握了开关电源设计技术，提高我们综合运用知识的能力以及设计和开发能力，为以后进一步学习和工作打下良好的基础。1.2选题的目的和意义1.2.1选题目的准谐振开关电源广泛应用于电子、IT等产业。尤其随着电力电子器件和相关应用技术的发展，作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好等特点，正逐步取代传统电源的位置，成为了电源行业的主流形式。通常，把开关元件上的电压波形为正弦波状的变换器称为电压谐振变换器，即以零电压开关ZVS（ZeroVoltageSwitching）方式工作，把流过开关的电流波形为正弦波状的称为电流谐振变换器，即以零电流开关ZCS（ZeroCurrentSwitching）方式工作。以上两种变换器均称为准谐振变换器，谱振仅在开关管导通或截止时发生，使用了这类开关的变换器称为部分谐振变换器。部分谐振变换器叫做准谐振变换器，其中的零电压开关和零电流开关叫做软开关。20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小电源体积。高频化使电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。实现准谐振开关电源的发展要求。1.2.2选题意义40 长春工程学院毕业设计（论文）随着电力电子应用技术的迅速发展，要求电子仪器和设备的可靠性不断提高、功能不断增加、使用趋向自动化及智能化、体积小型化。开关电源的优势便显示出来，它已经广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的支撑。另一方面，由于集成电路技术的普及及应用，也促进了电子设备的小型化和多功能化，使电子仪器和设备的成本不断降低。但限制开关电源体积减小和重量减轻，主要是开关电源的变压器、电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器作用。虽说可通过提高开关频率、减小磁性元件和平滑电容器的尺寸，却带来元器件损耗增大、温升增高。同时经开关频率提高后，受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样不仅会影响周围电子设备，而且还会大大降低电源装置本身的可靠性。目前，提高开关电源工作频率的最有效的方法，是采用软开关技术，即在开关管导通时加在开关两端的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可以减少开关损耗，又可以控制浪涌的发生，使得噪声很小。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。基于以上考虑，针对于准谐振式开关电源的设计，既可以采用零电压开关，也可以采用零电流开关，使整个电源达到体积小、重量轻、电磁兼容性好、成本低、可靠性高等特点。1.3课题可行性分析目前，世界各国正在大力研制开发新型准谐振开关电源，包含新的电源理论、新型模块化电路、新型电子器件等，以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。如何进一步提高开关稳压电源的效率，经历了谐振式开关模式、无源无损耗缓冲电路和同步整流器等几个过程。最初，阻碍开关稳压电源效率提高的最主要的因素是开关管的开关损耗，因此在这一阶段，提高开关稳压电源效率是以减小或消除开关损耗为目的。这种电路拓扑可以与PWM控制方式兼容。在这个时期，还有最具代表性的电路拓扑:移相零电流开关半桥变换器电路拓扑，电路拓扑得到了比较广泛的应用。开关电源效率的进一步提高成为社会需求的更高目标。用原有的改善效率的解决方案无法达到目的，需要重新以电子器件的最新发展为基础，研究高效率功率变换的基本思想和实现方式。通过上述的措施可以将开关电源的效率提高到85%以上。减小开关损耗的各种软开关技术受到了人们的青睐，软开关技术使开关管工作在零开关状态，从而大大减小了开关损耗，提高了开关变换器的效率。准谐振开关技术结合了谐振技术和PWM技术的优点，代表了开关电源的一个发展方向，但在整机产品的普及方面还需要许多工作。本文以UC3867为核心芯片设计了一款零电流准谐振开关电源。2开关电源2.1开关电源的种类及特点顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”40 长春工程学院毕业设计（论文），使电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式：频率可变、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。频率可变、脉冲宽度固定模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；频率固定、脉冲宽度可变模式和频率、脉冲宽度可变模式多用于开关稳压电源。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：单端变换和双端变换等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、自激式和它激式等多种。下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。2.1.1串联式开关电源的工作原理图2-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图，图2-1-a中Ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压；K是控制开关，R是负载。当控制开关K接通的时候，开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton，幅度为Ui的脉冲电压Up；当控制开关K关断的时候，又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff，幅度为0的脉冲电压。这样，控制开关K不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo。图2-1-b是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波，脉冲幅度Up等于输入电压Ui，脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton，由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：（1）40 长春工程学院毕业设计（论文）uoUi、UpUaTonToffTb0图2-1串联式开关电源电路图及其输出波形式中Ton为控制开关K接通的时间，T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间Ton与关断时间Toff的比例，就可以改变输出电压uo的平均值Ua。一般人们都把称为占空比（Duty），用D来表示，即：（2）（3）串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui，其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui，因此，串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以，串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出；但如果用于稳压输出，则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰和底板带电，当输入电压为市电整流输出电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。2.1.2反转式串联开关电源的工作原理40 长春工程学院毕业设计（论文）图2-2是另一种串联式开关电源，一般称为反转式串联开关电源。这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反；并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。在一般电路中大部分都是使用单极性电源，但在一些特殊场合，有时需要两组电源，其中一组为负电源。因此，选用图2-2所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图2-2中，Ui为输入电源，K为控制开关，L为储能电感，D为整流二极管，C为储能滤波电容，R为负载电阻。当控制开关K接通的时候，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。图2-2反转式串联开关电源电路图2.1.3并联式开关电源的工作原理并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5V或3V，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰。图2-3-a中Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，K是控制开关，R是负载。图2-3-b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源输出的平均电压。40 长春工程学院毕业设计（论文）当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。uoUpUaTonToffTbUi0t图2-3a是并联式开关电源的最简单工作原理图b是并联式开关电源输出电压的波形在Ton期间，控制开关K接通，储能滤波电感L两端的电压eL正好与输入电压Ui相等，即：——K接通期间（4）对上式进行积分，可求得流过储能电感L的电流为：——K接通期间（5）式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值，t为时间变量，i（0）为流过储能电感的初始电流，即：开关K接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比D小于或等于0.5时，i（0）=0，由此可以求得流过储能电感L的最大电流ILm为：——K接通期间（D=0.5）（6）式中Ton为控制开关K接通的时间。当图2-3-a中的控制开关K由接通状态突然转为关断时，储能电感L会把其存储的能量（磁能）通过反电动势进行释放，储能电感L产生的反电动势为：——K关断期间（7）40 长春工程学院毕业设计（论文）式中负号表示反电动势eL的极性与（4）式中的符号相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对（7）式阶微分方程求解得：——K关断期间（8）式中C为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出C，由于控制开关K由接通状态突然转为关断时，流过储能电感L中的电流iL不能突变，因此，i(Ton+)正好等于流过储能电感L的最大电流ILm，所以（8）式可以写为：——K关断期间（9）图2-3-a并联式开关电源输出电压uo等于：——K关断期间（10）由（10）式可以看出，当t=0时，即：K关断瞬间，输出电压有最大值：——K关断瞬间（11）当t等于很大时，并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压Ui，但这种情况一般不会发生，因为控制开关K的关断时间等不了那么长。从（11）式可以看出，当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。2.1.4正激式变压器开关电源正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。图2-4是正激式变压器开关电源的简单工作原理图，图2-4中Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。在图2-40 长春工程学院毕业设计（论文）4中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图2-4就不再是正激式变压器开关电源了。图2-4正激式变压器开关电源电路图我们可知，改变控制开关K的占空比D，只能改变输出电压的平均值Ua，而输出电压的幅值Up不变。因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方式。图2-4中，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是电压平均值输出滤波电路。其工作原理与图2-2的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同，这里不再赘述。正激式变压器开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关K关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此，在图2-4中，为了防止在控制开关K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管D3。反馈线圈N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。40 长春工程学院毕业设计（论文）由于控制开关突然关断，流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0，此时，流过反馈线圈N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置，即：流过反馈线圈N3绕组中电流是由最大值逐步变化到0的。由此可知，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势在对电源进行充电的同时，流过反馈线圈N3绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。2.1.5反激式变压器开关电源工作原理反激式变压器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用最广泛。buoUpaUaTonToffT0UpaUpUoUaUpt图2-5反激式变压器开关电源电路图所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。图2-5-a是反激式变压器开关电源的简单工作原理图，图2-5-a中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。图2-5-b是反激式变压器开关电源的电压输出波形。把图2-5-a与图2-4-a进行比较，如果我们把图2-5-a中开关变压器次级线圈的同名端对调一下，原来变压器输出电压的正、负极性就会完全颠倒过来，图2-5-b所示的电压输出波形基本上就是从图2-5-b的波形颠倒过来的。不过，因为图2-5-b的波形对应的是纯电阻负载，而图2-5-b的负载是一个储能滤波电容和一个电阻并联。由于储能滤波电容的容量很大，其两端电压基本不变，变压器次级线圈输出电压uo相当于被整流二极管和输出电压Uo进行限幅，因此，图2-5-b中输出电压uo的脉冲尖峰完全被削除，被限幅后的剩余电压幅值正好等于输出电压Uo的最大值Up，同时也等于变压器次级线圈输出电压uo的半波平均值Upa。2.1.6双端式变压器开关电源40 长春工程学院毕业设计（论文）所谓双端式变压器开关电源，就是指在一个工作周期之内，变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。与单激式变压器开关电源不同，双端式变压器开关电源一般在整个工作周期之内，都向负载提供功率输出。双端式变压器开关电源输出功率一般都很大，因此，双端式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。这种大功率双激式变压器开关电源最大输出功率可以达300瓦以上，甚至可以超过1000瓦。推挽式、半桥式、全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源。（1）推挽式变压器开关电源在双激式变压器开关电源中，推挽式变压器开关电源是最常用的开关电源。由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关K1和K2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。（2）半桥式变压器开关电源半桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一。在半桥式变压器开关电源中，也是两个控制开关K1和K2轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，因此，半桥式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合。图2-6是交流输出半桥式变压器开关电源的工作原理图。图中，K1、K2是两个控制开关，它们工作的时候，总是一个接通，另一个关断，两个控制开关轮流交替工作；电容器C1、C2是储能滤波电容，同时也是电源分压电容，它们把电源电压一分为二；一个充满电的电容，我们可以把它看成是一个电源，因此，我们可以把电容器C1、C2看成是两个电源串联对变压器负载供电；T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈，Ui为直流输入电压，R为负载电阻；uo为输出电压，io为流过负载的电流。40 长春工程学院毕业设计（论文）从图2-6原理图中可以看出，电容器C1和C2与控制开关K1和K2正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。但由于电容器C1和C2的参数或电压基本上没有跟随控制开关K1和K2的导通和截止同步变动，并且在实际应用中为了节省成本，经常只使用一个电容器C1或C2，因此，我们把图2-6的电路称为半桥式开关电源电路，或半桥式变压器开关电源。图2-6中，电容器C1、C2首先要被输入电源Ui充电，两个充满电的电容器相当于两个电源串联。当控制开关K1接通时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同时，由于互感的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。当控制开关K1由接通转为关断时，控制开关K2则由关断转为接通，电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。由于电容器C1放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器次级线圈N2绕组的两端输出电压uo是一个脉冲宽度与控制开关K1（或K2）接通时间对应的方波。由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此，在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。图2-6半桥式变压器开关电源40 长春工程学院毕业设计（论文）半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，半桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，输出电压的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波和电流纹波就可以达到非常小。半桥式变压器开关电源最大的优点是，对两个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半。因为，半桥式变压器开关电源两个开关器件的工作电压只有输入电源Ui的一半，其最高耐压等于工作电压与反电动势之和，大约是电源电压的两倍，这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半。因此，半桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是用半桥式变压器开关电源。半桥式开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组，这也是它的优点，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便。但对于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势，因为，大功率开关电源变压器的线圈需要用多股线来绕制。半桥式变压器开关电源的缺点主要是电源利用率比较低，因此，半桥式变压器开关电源不适宜用于工作电压较低的场合。另外，半桥式变压器开关电源中的两个开关器件连接没有公共地，与驱动信号连接比较麻烦。半桥式开关电源最大的缺点是，当两个控制开关K1和K2处于交替转换工作状态的时候，两个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两个控制开关同时处于接通状态。这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程；而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程。当两个开关器件分别处于导通和截止过渡过程时，即两个开关器件都处于半导通状态时半导通状态时，相当于两个控制开关同时接通，它们会造成对电源电压产生短路；此时，在两个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载。因此，在两个控制开关K1和K2同时处于过渡过程期间，两个开关器件将会产生很大的功率损耗。为了降低控制开关过渡过程产生的损耗，一般在半桥式开关电源电路中，都有意让两个控制开关的接通和截止时间错开一小段时间。40 长春工程学院毕业设计（论文）单电容半桥式变压器开关电源比双电容半桥式变压器开关电源节省一个电容器，这是它的优点。另外，单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作的时候，输出电压差不多比双电容半桥式变压器开关电源是输出电压高一倍，这种特点最适用于作为荧光灯电源，例如，节能灯或日光灯以及LCD显示屏的背光灯等。（3）全桥式变压器开关电源全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源。它同时具有推挽式变压器开关电源电压利用率高，又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特点。因此，全桥式变压器开关电源经常用于工作电压高，输出大功率大的场合。2.2开关电源的效率分析现在的电源对于效率的要求越来越高了，从节能方面的要求讲也是希望提高效率，但是效率提高的随之带来的是成本的提高，所以在效率与成本的权衡下选择效率提高的方式，下面简单介绍一下开关电源中提高效率的方法。2.2.1开关损耗开关电源中的开关损耗占得比重是很大的，包括开关元器件MOSFET和次级Diode的开关损耗，所以为了减小开关损耗，我们可以通过更改Mosfet的驱动电路来实现。使Mosfet的上升速度和下降速度比较快，这个样子可以实现开关损耗的减小。另外Mosfet的选取也是比较重要的，我们应该选取一些极间寄生电容比较小的Mosfet，这样子也是可以提高开关速度。对于次级Diode的选取的话，我们可以通过选取一些Trr短的二极管，肖特基二极管。另外影响开关损耗的另一个关键的因素是变压器的漏感，如果可能的情况下，我们可以通过减小变压器的漏感来减小整个开关电源的开关损耗。还有就是开关电源工作的时候，我们应该设计的回路，尽可能的减小磁滞回线包含的面积，这个样子也能减小开关电源的损耗，提高效率。还有就是选用谐振模式或者准谐振模式的电路拓扑结构，一样可以减少开关损耗。2.2.2导通损耗由于各个元器件并不是理想的元器件，所以工作的时候都有压降，这个过程中就产生了导通损耗。对于Mosfet来说，他有个阈值电压，当Gs电压大于阈值电压时，就认为Mosfet打开了，但是我们要让他们工作在过驱动状态，这个样子能减小通态电阻，减小导通损耗还有就是一个次级的整流二极管的导通损耗，很显然，减小Vf可以降低导通损耗。对于变压器来说，提高线径，可以减少DCR,进而减小导通损耗。2.2.3其它的因素对于整流来说，我们可以采用同步整流的方法，用Mosfet来做，这个样子，可以减少用二极管来整流的导通损耗。40 长春工程学院毕业设计（论文）3电路设计3.1软开关电路的种类、特点新型的软开关电路根据发展历程可分成三类:一类是以谐振技术为代表的准谐振电路,一般采用变频控制(PFM);第二类是零开关电路;第三类是零转换电路。第二类和第三类一般采用脉冲宽度控制(PWM)。3.1.1准谐振型电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波,因此称之为准谐振。准谐振电路可以分为零电压开关准谐振电路,零电流开关准谐振电路,零电压开关多谐振电路。图3-1所示为准谐振电路的基本开关单元。图3-1-b所示为零电压开关准谐振电路及工作波形。电路中所增加的谐振电感Lr和谐振电容Cr与电路中的滤波电容C和滤波电感L相比要小得多。当软开关电路中S关断后,谐振电感Lr和谐振电容Cr发生谐振,电路中电压或电流的波形类似于正弦半波。开关S两端的电压在开通前就已经降为了零。从图3-1-b可以看出谐振的引入使得电路的开关损耗和开关躁声都大大下降,但也带来一些负面问题;谐振电压峰值高,要求电力电子器件的耐压必须提高;而谐振电流的有效值很大,电路中存在大量的无功功率的交换,导致电路导通损耗加大;谐振周期随输入电压、负载变化而变化。a零电压开关准谐振电路的基本开关单元　b零电流开关准谐振电路的基本开关单元c零电压开关多谐振电路的基本开关单元图3-1准谐振电路的基本开关单元3.1.2零开关PWM电路这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于开关过程前后，零开关PWM电路可分为零电压开关PWM电路(ZVS—40 长春工程学院毕业设计（论文）PWM)和零电流开关PWM(ZCS-PWM)。图3-2所示为零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元。其中S1为主开关，S2为辅助开关。a零电压开关PWM电路基本开关单元　b零电流开关PWM电路基本开关单元图3-2零电压开关和零电流开关PWM电路基本开关单元Vgs1Vgs2Vg1Vg2Ig1Ig2(b)aZCS—PWM的电路　bZCS—PWM的波形图图3-3ZCS—PWM电路及波形图40 长春工程学院毕业设计（论文）图3-3所示为ZCS—PWM电路及波形图，为了使主开关S1零电流关断，又引入了辅助开关S2。主开关S1首先开通,通过开关S1的电流逐渐增加至输入电流值,此时二极管VD1、VD2关断,电容Cr反向充电至Vo；辅助开关S2开通后,电容Cr与Lr2谐振,当电容Cr两端电压降至零时，二极管VD1导通,电容Cr与电感Lr1、Lr2谐振至二极管VD3、VD4开通,两开关S1、S2实现ZCS关断。此电路可以使开关S1、S2实现了ZCS关断,但两开关是硬开通,电容Cr与电感Lr2,电容Cr与电感Lr1、Lr2的谐振回路要通过输出端,会增大输出端的电压波动。从图3-3可以看出,零开关电路同谐振电路相比有很多明显优势:电压和电流基本上是方波,只是上升沿和下降沿较缓,开关承受的电压明显降低,电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。3.1.3零转换PWM电路这类软开关电路仍然采用辅助开关控制谐振的开始时刻,谐振电路是与主开关并联的,因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小,电路在很宽的输入电压范围内从零负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小,这使得电路效率有了进一步提高。此类电路可分为零电压转换PWM(ZVT—PWM)和零电流转换PWM(ZCT—PWM)。如图3-4所示为零电压转换和零电流转换PWM电路的基本开关单元。(a)零电压转换基本开关单元　(b)零电流转换基本开关单元图3-4零电压转换和零电流转换PWM电路基本开关单元图3-5所示电路为ZVT—PWM电路及波形图。主开关S1关断后,其寄生电容Cr1被恒流充电至输出电压VO,为辅助开关S2提供ZV-ZCS关断,此时二极管VD0及VD4导通;开关S2关断后,电感Lr与开关S2寄生电容Cr2发生谐振至开关S2两端电压等于VO,二极管VD3导通;当流过电感Lr的电流减少至零时,40 长春工程学院毕业设计（论文）电感Lr与开关S1、S2的寄生电容Cr1、Cr2谐振,谐振结束时,开关S1和S2两端电压与流过两开关的电流均为零,开关S1和S2实现了ZV-ZCS开通。此电路使开关S1、S2实现ZV-ZCS开通,S1实现了ZVS关断,二极管的反向恢复得到抑制,开关电压电流应力较小电路结构简单。但电感Lr始终有电流流过,导致电流中环流较大,增大通态损耗。Vgs1Vgs2Vg1Vg2Ig1Ig2(b)aZVT—PWM的电路　bZVT—PWM的波形图图3-5ZVT—PWM电路及波形图3.2软开关电路的选用原则40 长春工程学院毕业设计（论文）开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.5~1）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点。3.2.1输出电流的选择因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为：Is=KIf式中：Is—开关电源的额定输出电流；If—用电设备的最大吸收电流；K—裕量系数，一般取1.5~1.8；3.2.2接地开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000．EN61000．FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。3.2.3保护电路开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。3.2.4开关电源技术的发展动向40 长春工程学院毕业设计（论文）开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。40 长春工程学院毕业设计（论文）4准谐振开关电源的设计4.1主电路的设计准谐振开关电源是一个完整的闭环系统，它包括主回路、控制回路和保护环节等。准谐振开关电源的系统图如图4-1所示。保护电路检测整流滤波功率主回路DC/DC变换输出整流滤波隔离驱动控制电路反馈及零检测辅助电源ACDC图4-1准谐振开关电源的系统框图由图4-1可看出准谐振开关电源的组成与传统PWM开关电源的结构类似，有所不同的是准谐振电源的功率环节是准谐振变换器，控制电路采用频率调制而不是脉宽调制。另外，准谐振开关电源比PWM开关电源多了一个零检测环节，以实现零电压或零电流准谐振变换器。4.1.1半桥变换器电路半桥变换器电路如图4-2所示:图4-2半桥电路原理图电路的工作过程：Sl与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压。改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。40 长春工程学院毕业设计（论文）S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。Sl或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的最高电压为Ui。由于电容的隔离作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。当滤波电感L的电流连续时输出电压的计算：(12)如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压为：(13)4.1.2反馈和调节电路设计反馈和调节电路是系统的关键环节。首先设计反馈电路，反馈量通常由分压电阻或电流采样电阻上获得。电流反馈取样电路如图4-3。输出电流的检测采用检测初级电流的方法。电路如图4-3，通过电流互感器，初级电流只是一匝，次级经整流后再经滤波稳压取样送至UC3867的10脚关闭端。图4-3反馈和调节电路4.1.3输出电路40 长春工程学院毕业设计（论文）输出电路如图4-4所示。这里主开关变压器的次级设计成匝数相等的两个绕组，分别与输出整流管VD1、VD2组成半波整流电路。L与C7组成对型π输出平滑电路对整流后的电流进行平波，从而得到稳定的电压输出。C6与R7组成吸收电路，以吸收输出整理二极管通断和所接次级线圈产生的浪涌电流。R8为假负载电阻，使开关电源可空载运行。图4-4输出电路4.2软开关的设计对于开关电源大家并不陌生,电视、电脑中使用的都是开关电源,只是以往在电影行业中用得较少,电影从业人员因而可能接触较少。以前的开关电源大多数采用脉宽调制技术(PWM),称为“硬开关”(HARDSWITCH)电源。20世纪60年代开始得到发展和应用的“硬开关”功率变换技术,功率开关管导通或关断时,开关上的电压和电流不等于零,因此,功率管的导通和关断都会有较大的功率损耗。而且,开关频率越高,开关损耗越大,变换器效率大为降低。提高开关频率是现代开关变换技术的重要发展方向之一。开关变换器的高频化可以使变换器的体积、重量大为减小,从而提高开关变换器的功率密度,提高设备的集成化程度。此外,提高开关频率也有利于降低开关电源的音频噪声和改善动态效应。同时“硬开关”电源产生的电磁干扰较大,所以对解码器、功放干扰大,可靠性也不高,不适合用于电影行业。我们都有这样的经验,合上电闸时会产生火花,断开电路时也会产生火花,通常断开电路所需时间比接通时要长,产生的火花要大,我们称之为拉闸电弧。为什么会产生这种现象呢?原因是电路中有寄生电感和电容。在50Hz交流电中寄生电感起主要作用,寄生电感流过电流时便会存储磁场能量,断开电路时电感阻碍电流的变化,产生很高的感应电压,通过电火花,电弧把磁场能量释放掉。这部分能量是白白消耗掉的,称之为开关损耗,而且会使闸刀发热,烧蚀,因此频繁开关会导致闸刀损坏。如果我们能在交流电压过零时合闸,在接通电路瞬间电流为零,就不会有火花产生;同理在电流过零时拉闸,断开电路瞬间寄电感储能为零,40 长春工程学院毕业设计（论文）也不会产生拉闸电弧。这样,开关损耗为零,闸刀也就不会发热烧蚀,工作很安全,这就是软开关的最原始概念。当然开关电源不是闸刀,它是通过改变通断时间来调控输出电压的。其中通断一次的能量损耗乘以开关工作频率即为开关损耗,为了减小体积和重量,频率越高越好。但是频率升高开关损耗随之变大,电磁干扰变大。软开关技术在这种要求下应运而生,使开关电源能够在高频下高效率地运行。软开关技术是应用谐振原理,使开关变换器的开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化,当开关管电流自然过零时,使开关管关断;开关管电压自然过零时,使开管导通,从而使开关管关断和导通损耗为零,实现了开关电源高频化的设计,提高了电源效率,温升亦低,工作可靠。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中,或是加于其上的电压为零,即零电压开关,或是通过开关器件的电流为零,即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开关过程中激起的振荡,可以大幅度地提高开关频率,为开关电源小型化、高效率。创造了条件。谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器、零电压开关脉冲调宽变换器、零电流开关脉冲调宽变换器、零电压转换脉冲调宽变换器、零电流转换脉冲调宽变换器、移相控制零电压转换全桥直流/直流变换器、移相控制零电流转换全桥直流/直流变换器及钳位吸收技术均可实现软开关电源。图4-5所示为零电流准谐振开关变换器的工作原理。图中,为谐振电感，是谐振电容。假定各元件都是理想的》,则滤波环节及负载可看成恒流源。电路的工作过程可分成四个阶段来分析。图4-5半波半桥次级谐振零电流准谐振变换器原理图40 长春工程学院毕业设计（论文）四个阶段分别是电感充电阶段、谐振阶段、电容阶段和续流阶段，如图4-6所示。(a)电感充电阶段(t0，t1)(b)谐振阶段(t1，t2)(c)电容放电阶段(t3,t4)(d)续流阶段(t3，t4)图4-6零电流准谐振变换器工作时的等效电路图(1)电感充电阶段(t0，t1)在这一阶段内续流二极管导通，谐振电感L。内电流线性增加。此阶段内的状态方程为：（14）(2)谐振阶段(t1，t2)在t1时刻，上升到负载电流I0，S1导通，VD截止，电流（t）一I0对充电，和进入谐振阶段。满足如下方程：(15)(3)电容放电阶段(t2，t3)在t2时刻Sr关断，通过输出回路以电流I0线性放电，直到电压降为零。此阶段的谐振电压状态方程为：(16)40 长春工程学院毕业设计（论文）(4)续流阶段(t3，t4)此阶段电路通过续流二级管续流。上述阶段是开关Sl和电感工作，当S2是导通时进入下一个工作周期，周期中工作。Vgs1(b)Vgs2Ilr2VcrI0I0Ilr1t0t1t2t3t4图4-7半波式零电流准谐振变换器工作波形由上述工作原理的分析可以得出零电流准谐振变换器输出电压稳态关系式为：=（／２＋＋）／２Ｎ　　　　　　　（17）式中，是变压器的输出、输入电压,，，是各阶段的持续时间,是开关频率,N是高频变压器变比。当电路参数确定后，开关管的导通时间就确定了，因此，零电流准谐振变换器是恒导通时间控制的，输出电压与开关频率成正比。从图4-7可以看出，在谐振阶段中，谐掇电感与电容发生谐振，使流过电感和。中的电流按正弦规律变化，这就为S1和S2的零电流开关提供丁条件。同时，开关电流与开关电压没有重叠部分，从而实现了软开关。4.3控制电路的设计40 长春工程学院毕业设计（论文）作为开关电源的核心，控制电路要实现以下功能：通过对逆变桥的控制，实现能量的传递和升压，要求保证两个MOSFET的驱动脉冲宽度要相等，使正、反向平均磁通相等，不产生偏磁;起动时，一定要限制脉宽，即必须要软起动，使脉宽在起动最初若干个周期中慢慢上升；防止直通；电路要闭环控制，输入与输出要隔离，不能将强电带入控制电路；尤其高电压数值的获取；输出值设定；电路的过流保护。功率变换主电路功率输出UC3867电流检测电压反馈图4-8控制电路结构框图在选择控制芯片时，有UC3867、UC3525系列和494系列芯片可供选择，其中UC1525为军用芯片，UC2525为工业用芯片，UC3525为民用芯片，这三款适合驱动功率MOS管，而494系列适合驱动双极性晶体管。故本设计选用民用UC3867做为控制芯片。控制电路结构框图如图4-8所示。控制电路由UC3867为控制芯片组成，完成输出值设定、并将电源的输出值转换为电路所需的控制信号形式，输出各开关管所需的PWM驱动信号，完成系统的软启动控制，过流保护控制等功能，半桥逆变管为了避免上下管直通，占空比应小于45%（此数值与功率MOSFET的开关动作速度和开关频率有关，如果功率MOSFET的开关动作速度较慢，开关频率高，占空比应更小）。综合各方面要求和信息，设计中驱动变压器将控制序列信号和功率变换器隔离；控制电路采用UC3867作为PWM的控制核心芯片，输出电流的检测是采用电流互感器，初级大电流只是一匝，次级再整流滤波，形成输出电流的感应电压，送至UC3867的关闭脚10去做过流保护和短路关闭。输出电压通过误差放大器比较后输出的信号控制锁定PWM输出，调节取样电压输入确定输出电压值。40 长春工程学院毕业设计（论文）UC3867是Unitrode公司生产的零电流准谐振控制芯片。其主要特点是过零终止单稳脉冲，具有故障软起动的电路，可编程的故障后重新启动延时时间，设定VCO的最低／最高谐振频率，频率范围可达10kHz-1MHz，具有1A的驱动电流，欠压封锁等功能。它的最高、最低频率由Range，Rmin和Cvco决定，输出脉冲的最宽和最窄脉宽由RC管脚的电阻电容决定。输出电压经分压电阻反馈到UC3867放大器反相输入端，与基准电压比较后控制芯片内部的压控振荡器（VCO）的输出频率。当输出电压变大时。VCO输出脉冲的频率升高，反之则降低。由式(4)知道，输出电压与频率成正比，开关频率的变化达到稳定输出电压的目的。零电流准谐振开关电源的另一个重要环节是零电流检测环节，电路中用电流互感器实现。主电路中电流信号经互感器T2加到UC3867的Zero端，控制内部单稳态输出实现零电流关断。UC3867输出的驱动脉冲经变压器T3隔离后加到主开关上。当故障信号出现时．UC3867封锁两路脉冲起到保护主电路的作用。4.3.1控制芯片UC3867的特点目前使用零电流开关工作方式的电源很多，其中MC340066就是一个很不错的零电流控制芯片，但是最近传来MC340066停产的消息,为了寻求一个替代品,笔者选用了另外一种芯片UC3867,通过实践应用对芯片有了一定的认识。PwrGndSoft-Ref151623467810故障逻辑控制电压控制单稳态逻辑编程输出驱动基准5VUVLO5VSigGndVccBOutAOut91513141211FaultNIINVE/AOutRangeRminCvcoZeroRC0.5V图4-9控制器框图UC3867的主要特点是：(1)编程VCO振荡器频率在10Khz-1Mhz之间。40 长春工程学院毕业设计（论文）(2)输出为一对可驱动功率MOSFET的反相蹋腾柱结构，输出峰值电流达1A。(3)具有ZERO端，使驱动脉宽受ZERO端输入信号脉宽的调制，目的是实现开关的零电流导通。(4)故障产生后．具有可编程延时再次启动功能。(5)芯片工作后可产生5v的电压基准，供内外电路使用。(6)根据欠压镟定门限的不同，芯片分为2种。门限为16V／10v，选UC3865：门限为8V／7V则选UC3867。图4-9为控制器的内部框图，大致可分成4个部分：误差放大及电压控制振荡器、ONESHOT部分电路、欠压锁定与软启动部分电路和逻辑驱动电路，下文将逐一解析各部分电路的组成及功能。4.3.2误差放大及电压控制振荡器单稳态触发E/AOutNIINVRangeRminCvcoZeroRC5V+-IminIrange5V15KVth215KVth112K0.5V3V/2VSRclock图4-10误差放大电压控振荡器及单稳态部分电路从图4-10可见，NI端、INV端和E／A40 长春工程学院毕业设计（论文）OUT端同内部比较器构成1个误差放大器电路：电阻Range、Rmin和电容Cvco构成1个Rc振荡器，而误差放大器E／A的输出端直接控制Rc振荡器。当三极管截止时，电流Imin通过电阻Rmin向振荡器供电，产生最低振荡频率Fmin（18）当三极管导通时，电流Irange通过电阻Range，电流Imin通过电阻Rmin，同时向振荡器供电，产生最离振荡频率Fmax（19）振荡电路如图4-11所示。首先，振荡器的时基电容C9放电电路与充电电源分开，设引脚7，引脚7。C9放电通过外接电阻R19至7脚，改变R19值就可改变C9的放电时间，也改变了死区时间。而C9的充电电流则是由R18规定的电流源决定的。3脚专为外同步用，对于多个UC3867的联用极为方便。同步脉冲的频率要求应比振荡器的固有频率低些。图4-11振荡电路4.3.3单稳态部分电路从图4-10看RC端、ZERO端电路部分，有3个比较器电路1个比较器的门限为0.5V，另外2个比较器的门限分别为：(20)(21)外围电阻、电容Rc和内部三极管构成1个Rc振荡器，该振荡器受CLOCK信号控制．形成1个振荡器。当Clock为l时，三极管导通，电容放电，输出OneShot为低电平。当Clock为0时，三极管截止，电容充电。当Zero端输入信号低于0．5V时(或接地)，RC端充电超过Ⅵn。的1．4V电平，sR触发器被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最小脉宽决定：(22)当Zero端输入信号高于0．5V时，需分3种情况：1)当Zero端输入信号脉宽<定时最小脉宽时，只有当RC端充电超过Vth140 长春工程学院毕业设计（论文）的1．4v电平，sR触发器才被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最小脉宽决定。2)当定时最小脉宽定时最大脉宽时，只有当Rc端充电超过vtn的3．2V电平，sR触发器才被触发置0，输出OneShot的脉宽由定时最大脉宽决定：(23)4.3.4欠压锁定与软启动部分电路欠压锁定电路包括2部分：电源Vcc检测电路和5v基准发生器，见图4-12所示。5VSigGndPwrGnd5V发生器S故障RS重启RVthOn/off5VUVLO输出端故障输出端4V4.9V3.0V0.2VFault20Ω稳压5V软启动0或5μA重启20μAVccSoft-Ref图4-12压锁定、故障及软启动部分电路该UC3867具有欠压锁定功能，其内部有2个门限：Vcc-on门限(sv)和Vcc—off(7V)门限，当Vcc电压商于Vec—on门限，则UVLO信号置0，5V电压发生器工作，有驱动信号产生：当Vcc电压低于Vce—off门限，则UVLO信号置1，5V电压发生器关闭，无驱动信号产生；同时锁定故障锁存器和延时锁存器，启动20uARestart40 长春工程学院毕业设计（论文）Delay电流源，给Soft—Ref端放电：若5v电压发生器有问题，输出电压低于4．9V，则UVLO信号置1，无驱动信号产生。当Fault端的故障电平低于3v门限时，故障锁存器输出Q端置0，即Fault置0，有输出驱动信号产生；当Fault端的故障电平超过3v门限时．故障锬存器输出口端置1．即Fault置1．关闭输出驱动信号；同时延时锁存器也被触发，其Q端置1，启动20uARestartDelay电流源，给Soft—Ref端放电，直至Soft—Ref端电平低于0．2V，故障锁存器和延时锁存器被复位，故障锁存器输出0端置o，Soft—Ref端放电停止．启动0．5uARestartDelay电流源，给Soft—Ref端充电，直至Soft—Ref端电平达到系统基准电压4V；这时若Fault端仍有高于3v的高电平存在，Fault仍为1，无输出驱动信号，同时延时锁存器将再被触发，再启动20uARestartDelay电流源，再给Solt-Ref端放电。之后再充电，这种连续型故障的延时再启动时间：(24)对于单次故障而言，故障后延时再启动时间要长于连续型，因为放电是从4v开始而不是从5v开始，因此单次故障的延时再启动时间(25)若想减短故障延时再启动时间可在旁路电容两端并联1个≥20KQ的电阻，即可将故障延时再启动时间限制在近似3倍的。T单稳态故障发生器UVLOVCCOUTAOUTBPwrGnd图4-13UC3867逻辑驱动电路4.3.5逻辑驱动电路图4-14为UC3867逻辑驱动电路，从图4-13可见，输出驱动为一对反相的图腾柱结构，腾柱结构的前级是OneShot信号和UVLO、FaultLatch信号构成的门电路。当UVLO、FauitLatch信号都置0时，即无UVLO故障和FauIt故障时，在OutA和OutB端产生1A峰值电流的驱动信号；当UVLO、FaultLatch信号有1个置l时，即有UVLO故障或者Fault故障时，在OutA和Out40 长春工程学院毕业设计（论文）B端将无的驱动信号产生。UC3867、UC3867的逻辑驱动电路和输出驱动波形如下：图4-14逻辑驱动电路输出驱动波形(UC3867)图4-15UC3867的输出驱动波形4.4交流滤波整流输入的设计EMI滤波器由电感与电容组成的低通滤波器构成，安装在电力线与开关电源之间，对频率相对较高的噪声信号有较大的衰减作用。常用EMI滤波器结构如图4-16所示。图4-16EMI滤波器电路拓扑结构图4-16中，C1为差模滤波电容，C2为共模滤波器电容；L1为共模扼流圈，L2为独立电感。要使EMI滤波器有良好的工作特性，元件在选材时有很多需要注意的地方。差模滤波电容(C1)通常选取金属膜电容，金属膜电容具有较大的电容值，自谐振频率在1～2MHz之间，对于较低频率的差模干扰信号有非常好的抑制效果，设计时通常选取值为0.1～1μF。共模滤波器电容(C2)选用瓷片电容，具有高达10MHz以上的自谐振频率，所以对较高频率的共模干扰信号有较好的抑制效果，设计时通常选取值为2200～6800pF。共模电容因为要进行接地，所以在C2上会产生漏电流，其计算公式：40 长春工程学院毕业设计（论文）（26）式中，f为电网频率(50Hz)；C为共模滤波电容，取值2×C2；U为C2承受的电压，取值110V。出于安全考虑，漏电流要尽量小，通常应小于1．0mA。为了取得良好的滤波器效果，共模扼流圈磁心尽量选用起始磁导率高，高频性能好的磁心，这样对共模噪声有很好的抑制效果。绕制共模扼流圈的时候尽量让导线均匀包裹住磁心，以减少漏感，这样绕制出的电感线圈与设计值更为接近。EMI滤波器在设计时，需要针对共模干扰与差模干扰不同的截止频率，分别设计相对应的元件的参数。其中Vs,cm为等效噪声电压，Vo,cm为噪声信号通过滤波器以后的电平值。图4-17共模滤波器等效及简化电路图由图28可以得到EMI滤波器抗共模部分的截止频率的计算式:（27）通过上式可得：（28）在实际设计的过程中，首先选定C2的值，再代入式（26），计算出Iid是否超过安全限定值。滤波器的截止频率一般要求在开关电源工作频率1／10附近，通过确定需要配套使用的开关电源频率就可以确定抗共模噪声的截止频率。将前面得到的C2的值及确定的入式（28），可得共模扼流圈L1的值。图4-18差模滤波器等效及简化电路图（29）在实际的计算过程中，也如同计算共模滤波器的步骤一样，首先确定需要的CDM以及的大小，再带入由式（29）推导出来的式（30）中，计算出LDM的值。再由式（31）计算出L2的大小。一般情况下共模扼流圈的漏感取值为自身电感量的0.5％～2％。40 长春工程学院毕业设计（论文）（30）（31）经过上面的步骤以后,可以得到针对不同频率开关电源的EMI滤波器中所有元件的参数。40 长春工程学院毕业设计（论文）5结论本论文研究以开关电源为背景，对大功率、高功率密度电源进行了深入的设计研究。在对高功率密度开关电源基本情况调查研究的基础上，首先针对设计的具体研究，对开关变换器各种拓扑结构加以分析和论证，选用适合的结构形式。其次，根据系统主电路的结构和技术要求计算各元件参数，同时与主回路对应，设计出系统的控制电路。最后对所设计的电源进行调试分析论证是否达到设计指标的要求。通过对高功率密度开关电源的设计研究，可以总结出：对于系统既要求输出功率大，又要求纹波很小的情况，应选用复合结构的主电路结构，将斩波调压电路与半桥相组合会得到非常好的效果。高效率电源一直是开关电源和电力电子电路设计所追求的目标，通过对影响开关电源效率的一系列因素及提高电源效率方式的分析，减小开关元件的通态损耗和开关损耗，有效地提高开关电源的效率。采用低导通电阻的MOSFET和同步整流器技术是有效降低导通损耗的最有效的方法；开关损耗的减小需要应用软开关技术，而在软开关技术中，零电压开关技术是最简单、最有效的。功率半导体器件的进步、先进的电路拓扑是效率提高的根本所在。本课题中通过采用零电流开关同步整流方式，选用导通压降较低的二极管、功率MOSFET，使开关管的开关损耗、整流损耗达到最低，提高了电源的效率。本课题主控制芯片UC3867内置的许多功能也为设计者提供了方便，简化了许多外围保护电路，提高了电路工作的安全性与可靠性。40 长春工程学院毕业设计（论文）参考文献[1]周文良谷树忠电子工艺及电子电路设计吉林科学技术出版社2000[2]蔡宣三龚绍文高频功率电子学中国水利水电出版社1993[3]王增福李昶魏永明软开关电源原理与应用.电子工业出版社2006[4]华成英童诗白编著模拟电子技术基础北京高等教育出版社2008[5]王增福主编软开关电源原理与应用电子工业出版社2007[6]江超王又青小功率气体激光器软开关电源的研究电工技术2006[7]王志强郑俊杰开关电源设计与优化电子工业出版社2006[8]张占松蔡宣三编著开关电源的原理与设计电子工业出版社1999[9]王聪软开关功率变换器及应用科学出版社2000[10]杨旭王兆安.开关电源技术机械工业出版社2004[11]张占松蔡宣三开关电源的原理与设计电子工业出版社2005[12]徐德高金刚脉宽调制变换器型稳压电源.科学出版社1983[11]赵德申胡雪梅软开关电路的原理与分析电气开关2007[12]陈永真开关电源进入高效率功率变换时代电源世界2007[13]候振义直流开关电源技术及应用电子工业出版社2006[16]严百平刘健程红丽不连续导电模式高功率因素开关电源科学出版社2000[17]周立夫林明耀EMI电源滤波器的设计和仿真分析低电压器2004[18]王京梅,兰中文零电压一零电流PWM软开关技术研究电子器件2002[19]熊飞高效率功率变换2007[20]陈永真开关电源进入高效率变换时代2005[21]张恩利侯振义一种零电压零电流开关PWM全桥变换器的设计电源世界200440 长春工程学院毕业设计（论文）致谢我的论文的选题来源于毕业后所从事工作的需要，在具体的研究设计过程中，我的导师周文良教授给我我很多的关心和指导，他治学严谨，认真负责，从他那里我受益匪浅。在毕业设计过程中，他给了我很多具体的意见，很多解决问题的思路，使我在设计过程中少走了很多弯路，节省了很多时间，周老师广博的知识，对工作严肃认真的态度，对问题刻苦钻研的精神是我一生学习的典范。在这里我向给我帮助最大的老师表示最衷心的感谢。在课题的进行过程中，我身边的很多老师和同学都给了我很多关心、鼓励和帮助，使我在学业上，在精神上收获很大，在这里一并表示感谢，并祝他们工作顺利！最后，我要感激我的家人，他们在生活上给了我最大的支持和帮助！40 长春工程学院毕业设计（论文）附录一控制电路图40 长春工程学院毕业设计（论文）附录二原理图总图40'