单端正激开关电源设计

《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：09401170131 指导教师：孔中华

2012 年 5 月25 日

宁波工程学院开关电源论文

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

II

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目录

摘要 ............................................................................................................................. II 第1章绪论 . (1)

1.1 开关电源简介 (1)

1.2设计要求 (2)

1.2.1设计任务 (2)

1.2.2设计要求 (2)

1.2.3设计内容 (2)

第2章开关电源设计 (3)

2.1 400W单端正激开关电源总体设计方案 (3)

2.2 具体方案设计 (4)

2.2.1 主电路设计 (4)

2.2.2 基于UC3842控制电路设计 (6)

2.2.3 变压器设计 (10)

2.2.4 主要开关变换电路设计 (15)

2.2.5 辅助电源的设计 (19)

第3章元件选取 (22)

3.1 控制元件参数 (22)

3.2 变压器设计元件参数选择 (23)

3.2.1 工频变压器设计参数 (23)

3.2.2 高频变压器设计参数 (26)

第4章设计总结 (36)

参考文献 (37)

附录 (38)

III

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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。

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1.2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(9.5V ~10.5V)，输出电流40A(36 ~44A)，开关频率200KHz

c.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。

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第2章 开关电源设计

2.1 400W 单端正激开关电源总体设计方案

图2.1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2.1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2.2(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V 0'（图2.2(b)），V 0'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

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电V 0（图2.2(c)）。显然，输出直流V 0的大小取决于脉冲状交流电V 0'的有效值大小（成正比），而V 0'的有效值又与开关的导通占空比D ＝T ON /T （其中T=T ON +T OFF ）成正比。此外，通过取样比较电路中的取样电阻R 1和R 2对输出电压V 0取样，并使之与基准电压V REF 进行比较，若取样电压高于V REF ，则比较电路输出V e 减小，取样控制占空比控制电路，使T ON /T 下降，从而使V 0下降；若取样电压低于V REF ，则比较电路输出V e 增加，使T ON /T 增加，从而使V 0增加，这样就可以使开关电源的输出电压V 0稳定在一个恒定值上。

图2.2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。

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1

T 1

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：

881010()

on p e e m r E ED

N A B fA B B =

?=??- 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 c

N H H l π=≤，

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其中m I p

on p

V 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。UC3842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。

UC3842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5.0V 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MOSFET 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。

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7 OUTPUT

COMP

V FB I SENSE R T/C T Vref Vcc

GND

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

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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2.5V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=1.8/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 5.0V，允许有+0.1V的偏差。温度系数为0.2mV/℃，稳压性能好，其电压调整率可达0.01%/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。

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图2-6 PWM 脉冲控制驱动电路

图2-6由分压电阻R18提供分得的电压接入uc3842的7（vcc ）管脚，uc3842

启动工作，由○6端（output ）输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当○6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。UC3842内部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16V 和10V ，电源电压接通之后，当7端电压升至16V 时UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为15mA 。

由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如图4－3所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R6两端的电压上升，其中R19和C8组成滤波电路防止脉冲尖峰使电路误操作，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V 达到1V(即电流超过1．5A)时，UC3842的PWM 比较器输出高电平，使PWM 锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚○6无输出，MOS 管S1截止，从而保

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护了电路[8]。

图2-7所示为UC3842单端正激变换器原理图。

图2-7 UC3842单端正激变换器原理图

单端正激变换器滤波电容C 的计算公式为：

2

28o s o

V D T C L V =

? 式中：V o 为输出电压（V ）；D 2为关断时间占空比；T s 为开关周期（s ）；L 为输出电感（H ）；ΔV o 为输出纹波电压（V ）

2.2.3 变压器设计

2.2.

3.1变压器工作原理

变压器室一种利用互感涡合的电感器件。它由磁芯和绕组组成，磁芯其导磁作用，并使变压器的电性能和经济指标大大变好。接输入端的是初级绕组，起激磁和从输入端获取电能的作用，并通过它将输入电能转换为磁场能。输出端的是次级绕组，它将磁场能转换为电能供给负载。

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变压器的工作原理，可概括为空载、负载两种工作状态的三个物理过程。如图2-8所示：当开关K 在断开位置时，匝数为1N 的初级绕组，接通交流电源1V 后，变压器处在空载状态。此时第一个物理状态：初级绕组产生激励电流1I ，磁势

110I N E ?=,其产生磁场

e m

m m m e

m A B B H L I N H φμ=

=?=

,1

1

式中，m B 为磁感应强度，m φ为磁通量，e L 为磁芯有效长度，e A 为磁芯有效截面积，μ为磁芯磁导率，1I 为初级绕组电流。

空载第二个过程书：据电磁感应定律，磁心里的交变磁通，在初级绕组两端产生自感电势1E ，在次级绕组两端产生互感电势2E ，此时称为磁生电过程。根据空载状态时，初级绕组的自感电势1E 的瞬时值为

t

d d N

e φ

?

-=11 设t m ωφφcos ?=，则可得电压有效值e m f A B fN K E 11=（其中f K 为波形系数，1N 为初级绕组匝数，m B 为磁感应强度，e A 为磁芯有效截面积，f 为电源频率）由电磁感应定律，次级绕组互感电动势的瞬时值为

t

d d N

e φ

?

-=22 设t m ωφφcos ?=，则可得电压有效值e m f A B fN K E 22=（2N 为次级绕组匝数）。设初、次级电阻为零，则有2211E V E V ==，，并可得1

2

12N N V V =，这是变压器的变压原理。

将图2-8中开关K 置于接通位置，变压器便进入负载状态，出现地三个物理过程：在次级绕组中互感电势使负载电路流过负载电流2I ，且2211N I N I =，这是变压器的交变原理。

D 横跨线必需贴胶带隔离

E.疏绕完全均匀疏开

F. 密绕排线均匀紧密

G. 线圈两边与绕线槽边缘保持足够的安全距离

H. 套管长度必须足够,一端伸入绕线管的安全胶带以内,另一端伸出BOBBIN上沿

面,但不得靠近PIN

I. 最外层胶带切割在铁芯组合面,切割处必须被铁芯覆盖。

J. 胶带边缘与绕线槽平齐,胶带不歪斜,不反摺不破损。

K. 跨越线底下须贴胶带,保持跨越线与底下线圈绝缘。

缠线

A 立式BOBBIN ：粗线:：0.8φ以上缠线1圈；细线0.2-0.8φ缠线1.5圈；极细线0.2φ以下缠线圈。

立式BOBBIN缠法之原则：缠线尽量压到底以不超过凸点为原则。

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B卧式BOBBIN ：约缠2-3圈,疏绕不要压到底,以免焊锡时烫伤BOBBIN,如果有宽度限制且规格严格时才用此方式，将缠线压到底后焊锡，再剪边PIN，以减少整个变压器的宽度。

C 横式（卧式，BOBBIN之缠法：约缠2-3圈疏绕，不要压到底以免焊锡时烫伤BOBBIN。

注：如果产品有宽度限制且规格紧必须将缠线部分剪短时为特例，此时即必须将缠线尽量压到底。

套管

一般套管之位置规则：

外部：套管未端与PIN之距离愈短愈好，但切记绝对不可将套管缠在PIN上会造成空焊现象。

内部：a无边墙配合，平贴BOBBIN约1/2L的长度；b.有边墙配合，套管一定要在档墙内。

档墙胶带（margin tape）其宽度及材料不可任意更换，因为在设计变压器时其宽度及材质都是涉及安规需特别注意。

档墙胶带之宽度：一般需与绕线绕组的高度等高，以防止在绕线时铜线叠在假墙上，但如果因装core困难时有时会包约1/2-3/4的高度,但以绕线不叠在假墙为原则.

技巧: 有时因出入线粗又有套管时如果会影响其厚度时可采用跳过引出线的做法,此时要特别注意套管的位置,一定要有足够安全距离(深入假墙之宽度) 此点一定要深入假墙内有时因假墙缺口较大时或铜箔与M/F并绕时,无明显判别是否深入假墙或线上M/T时必须选用与M/T同宽度的安全棒,每颗进行测量.

铜片之绕制原则,一般有以下几种方式：

A. 一圈不接引线,头尾不可短路,头尾之间有绝缘材料隔离

B. 一圈接引线,胶带宽度必需大于铜片的宽度,

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C.一圈以上之铜片两根引线

D. 中间抽拓型之铜片,三根引线

理线

1）直立式理线标准

A.细线，粗线均需理满一圈以上，理线位置介于底座与凸台的2/3高处（不足者增加理线圈数）

B.线头长不可超过相邻两脚距离的一半且最长不可超过1mm。

C.多组线并绕理线，细线放在最上层且不可理完一股再理另外一股。

D.如有套管时，套管的长度不低于底座

E同槽不同脚理线时，同向而绕则。

2）卧式理线标准

A.理线平均分布在脚上，线头至少要超过线脚的一半（不足者增加理线圈数补足，但最多不可超过线脚长）

B.理线自脚根部理起螺旋向上且最少理满一圈以上。

C.线头长不可超过相邻两脚距离的一半且最长不可超过1mm。

D.多组线并绕理线，细线放在最上层且不可理完一股再理另外一股。

E.同槽不同脚理线时，同向而绕则可以且套管的长度不低于底座，不靠近PIN。

焊锡

1）焊锡后PIN脚平整光滑，不沾异物。

2）线头不高于凸点。

3）焊锡后BOBBIN完整，无容损及脚短现象。

4）焊油残留少，无沾锡，无短路。

5）胶带无容损。

6）焊锡最少焊满一圈。

7）焊锡后不能有横向锡尖。

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组合

1） 铁芯组合面平整，无歪斜。

2） BOBBIN ，CORE ，接线脚保持整洁，无沾附杂质及胶类。 3） 认清有GAP 的CORE 放在哪个方向。

4） EE ，EI ，UU 型CORE 最大歪斜不可大于0.5mm 或1/10CORE 宽度。

2.2.4 主要开关变换电路设计

2.2.4.1 滤波电路

输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图2-10所示滤波电路是一种复合式EMI 滤波器，L 1、L 2和C 1构成第一级滤波，共模电感L 3和电容C 2、C 3进行第二级滤波

图2-10输入滤波电路

C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R 给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器[7]。

2.2.4.2整流电路

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。

下面分析整流电路时，为简单起见。把二极管当作理想元件来处理。即认为它的正向导通电阻为零，而反向电阻为无穷大。

电路如图 2.15(a)所示，图中乃为电源变压器，它的作用是将交流电网电压

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V 0变成整流电路要求的交流电压RL t,sin V V 22ω=。是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1~D4。接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。图5.1(b)是它的简化画法。

在电源电压V 2的正、负半周（设a 端为正，b 端为负时是正半周）内电流通路分别用图2-11(a)中实线和虚线箭头表示。负载足，上的电压V 0的波形如图2-12所示。电流的波形与V 0的波形相同。显然，它们都是单方向的全波脉动波形。单相桥式整流电压的平均值为

?

==

=

π

π

ωωπ

22209.02

221

V V t td Sin V V

图2-11单相桥式整流电路图

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图2-12单相桥式整流电路波形图

直流电流为

I 0=0.9V 2/R L

在桥式整流电路中，二极管D 1、D 3和D 2、D 4。是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为

I d =0.5I L

二极管在截止时管子承受的最大反向电压可从图2.15(a)看出。在V 2正半周时，D 1、D 3导通，D 2、D 4截止。此时所承受到的最大反向电压均为V 2的最大值，即

2R D M V 2V

同理，在V 2的负半周D 1、D 3也承受同样大小的反向电压。

桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，效率较高。

因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。

2.2.4.3反馈电路

电流反馈电路