多路输出反激式开关电源设计
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Keywords:switch power supply；flyback；UC3844；Modular
多路输出反激式开关电源设计
1
1.1
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电力电子设备都离不开可靠的电源，其供电一般采用开关电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。在建设资源节约型、环保示范型社会的大背景下，具有高效节能、安全环保、短小轻薄等方面优点的开关电源已经成为本学科一个重要的研究热点。
多路输出反激式开关电源设计
摘 要:以UC3844芯片为控制核心，设计并制作了多路输出反激式开关电源。完成了多路输出反激式开关电源系统设计，完成具体模块电路详细设计，包括 EMI 滤波电路、前级保护和整流桥电路、缓冲吸收电路、高频变压器、UC3844的启动与驱动电路、电流检测和过流保护电路等。合理选择、设计和分配了开关电源各电路参数；设计出电路原理图，根据设计规范制作出 PCB，并组装出电源样机，最后对设计的样机进行测试验证。
图3-1变压器的设计基本流程
3.1.1估算输出和输入功率
根据设计输出电压电流的大小，计算总的输出功率如式(3-1)所示：
(3-1)
根据输出功率和效率，计算输入功率如式(3-2)所示：
(3-2)
3.1.2计算最小Байду номын сангаас最大直流输入电压及电流
交流电经过整流桥后，其最小和最大输入直流电压可由式(3-3)和(3-4)计算：
2
本节完成主变换电路拓扑结构的选择，对控制电路调节方式进行选取，分析给出系统整体架构图，为开关电源各电路模块设计奠定基础。
2.1
反激变换器由于电路简单，所用元件少，适用于多输出场合。反激变换器的拓扑结构如图2-1所示，其中T1是高频变压器，Q1是MOS管，C1、C2是滤波电容，D1为整流二极管。其基本工作原理是：当开光管Q1开通时变压器原边导通，输入的直流电压通过初级绕组向变压器灌入能量；Q1关断时变压器内灌注的能量通过次级绕组释放，经D1整流、C2滤波后供负载使用。通过PWM脉冲产生电路改变开关脉冲占空比和变压器的变比可以很容易的实现大范围的电压调整。
3
设计的多路输出反激式开关电源原理图如附录1所示。本章基于系统设计整体架构，根据设计电源的功能要求和性能指标，完成了变压器的设计及各部分具体电路模块分析、设计、参数计算及选取。
3.
变压器的设计在开关电源的设计过程中尤为重要，电源的性能将取决于变压器设计的合理性。如图3-1所示为变压器的设计基本流程。
The higher stability of the output voltage of the switching power supply prototype, the output voltage ripple is small, meet the design specifications to the requirements of less than 80mV; The prototype of the overall test results show that the power of the indicators are in line with the requirements, output stability, better performance.
图2-3 PWM调节方式
2.2.2 PFM脉冲频率调制
PFM调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲周期发生变化的一种调制方式。脉冲频率调制变化如图2-4所示，Ton不变，即脉冲宽度不变化，而周期发生变化，即频率改变。
图2-4 PFM调节方式
2.2.3 PWM-PFM脉宽脉频综合调制
PWM-PFM脉宽脉频综合调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，不但使输出脉冲宽度发生变化，而且频率也同时发生变化的一种调制方式。PWM-PFM调制方式是同时改变周期T和导通时间Ton两个参数来实现输出电压的稳定。PWM—PFM兼有PWM和PFM的优点，调制过程如图2-5所示。
(2)输出电压五组：三路+15V(1.0A)、两路+5V（1.0A）
(3)输出电压纹波:VPP≤80mV
(4)工作频率：100KHz
(5)最大占空比：Dmax=0.42
(6)效率η=75%
(7)总功率：55W
给出电源主电路与控制电路的设计清单。用protel软件进行电源电路原理图与PCB图的设计，进行电路调试，对调试过程中出现的问题进行分析处理，获得多路输出反激式开关电源原理样机。
图2-5 PWM-PFM综合调节方式
本设计采用第一种PWM调制方式，属于PWM调制方式中的电流反馈模式。调制过程是当控制芯片UC3844的检测端电流在规定的范围内，UC3844输出占空比与检测端电流成反比。通过检测端电流的大小来改变占空比的大小，实现PWM调制，从而达到稳定电压的目的。
2.3
多路输出反激式开关电源系统设计整体架构如图2-6所示，主要包括：前级保护电路、EMI滤波电路、整流滤波电路、漏磁吸收回路、输出整流滤波电路、反馈电路、主控制电路等。
通过查阅相关资料，采用CCM可比DCM减小功耗大约为25%左右。对于同样的输出功率，采用CCM可使用功率较小的控制芯片，或者允许控制芯片工作在较低的损耗下。此外，设计成CCM时，初级电路中的交流成分要比DCM低，并能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗。本设计选取 ＜1.0，即工作于CCM模式。
2.2
在开关电源中，控制电路的主要功能是为开关管提供比率可调的驱动脉冲，从而达到稳定输出电压的目的。常用的调制方式有三种：PWM脉宽调制、PFM脉频调制和PWM-PFM调宽调频混合电路。
(3-3)
(3-4)
其中(3-3)式中减去的40V为直流纹波及整流桥压降之和的经验值，在计算最小值时使用。
MOSFET，额定电压为600V，故在VINMAX处，必须保留至少30V的裕量。此种情况下，漏极电压不能超过570V。漏极电压为VIN+Vz，于是有
VIN+Vz=242+Vz≤570(3-5)
Vz≤570一342=228V (3-6)
其中反激式开关电源，是开关电源拓扑中最简单的一种。输出变压器同时充当储能电感，整个电源体积小、结构简单，可同时输出多路互相隔离的电压，所以得到广泛应用。本次毕业设计制作的多路输出反激式开关电源是为各种电力电子器件供电。
1.2
设计多路输出的反激式开关电源，指标如下：
(1)输入电压：AC220V±10%
图2-2工作模式
（2-1）
实际上CCM与DCM之间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入范围， 值较小时对应连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级峰值电流 和初级有效值电流 值较小,这时可选用较小功率的控制器件和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之， 值较大，就表示连续程度较差，初级电感量较小，而 与 较大，此时采用较大功率的控制器件和尺寸较小的高频变压器。
需选择标准的180V稳压管。
若以Vz/VOR为函数画出上述钳位损耗曲线可发现。在所有情况下，VZ/VOR=1.4均为消耗曲线上的明显下降点。因此选择此位作为最优比。则有
(3-7)
5V输出二极管正向压降为0.6V，则匝比为
(3-8)
15V输出电压通常需经后级线性调整器调整。此种情况下，必须使变压器提供高于输出(最终所需的15V）3~5V的电压。为线性调整器正常工作提供必要的裕量。此裕量不仅能满足调整器的最小压差，而且一般也可使其在所有负载情况下均能得到已调整的15V。然而，也有些智能的交叉调整技术使得我们可以省掉此线性调整器。尤其是在对于调整后的15V电压要求不高，或是保证输出为最小负载时。本设计中三路15V无后级调整器，可得15V输出所需匝比为128/(15+l)=8，其中假设二极管有1V压降。
图2-6系统整体架构图
工作过程分析：接入220V交流电ui；经过保护电路之后；进行EMI电磁滤波，滤除电源接入噪声和自身噪声干扰；桥式整流为310V左右的直流电压；通过反激式主变换电路进行电压变换，主电路包括全波整流、滤波、高频变压器、漏磁吸收回路和功率开关管；经过变压器二次侧变换之后送至后级同步整流电路进行整流滤波；如输出滤波效果不明显，可增加后级滤波电路；在交流输入电压波动时，为了保证输出稳定，需要进行负反馈调节，从后级输出Uo端进行采样，采样信号送至控制电路，经过取样、比较、放大等环节产生比率可调的脉冲信号来控制开关管作出相应调整，从而使输出稳定。
开关电源样机输出电压稳定性较高，输出电压纹波较小，符合设计规范小于 80mV 的要求；样机整体测试结果表明，电源各项指标均符合要求，输出稳定，性能较好。
关键词：开关电源；反激式；UC3844；模块化
DesignofMulti-outputFlybackSwitchingPowerSupply
Abstract:It was designed and produced a set of multiple output fly-back switching power supply, using the chip UC3844 as the control core. The design of the system and specific module circuits was completed. The module circuits include EMI filter circuit, level protection and bridge rectifier circuit, snubber circuit, high frequency transformer, start and drive circuit of UC3844, current sensing and over-current protection circuit. The parameters of switching power supply circuit were chose, designed and distributed reasonably. According to the schematic circuit design and design specifications, we produced the PCB, and assembled the prototype of power supply, also finished the test in the final.
图2-1反激变换器的拓扑结构
2.1.1工作方式选取
反激式开关电源主要有两种基本工作模式：(1)连续工作模式，简称CCM；(2)不连续工作模式，简称DCM。两种工作模式的电路原理图如图2-2所示。CCM的工作原理：PWM脉冲激励开关管导通，这时输入电压加在原边绕组上，原边电感储存能量，在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量没有释放完全，使得次级电流没有降到零便开始了下一个过程。DCM的工作原理与CCM相比的不同点是在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量已经释放完全，次级电流已经降到零，下一个过程初级的电流又开始从零增加。所以CCM的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量储存状态开始的。DCM的特点是储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉，可以得出两种模式下纹波电流与峰值电流的不同关系。DCM的开关电流从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零，初级脉动电流 与峰值电流 的比例系数 ＜1.0。DCM的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零， =1.0。利用IR与IPK的比例关系 (0～1.0)的数值，可以定量地描述开关电源的工作模式，其中 的关系如式(2-1)所示
2.2.1PWM脉冲宽度调制
PWM调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生变化的一种调制方式。在调制期间脉冲周期T是固定不变的。不论是负载电流发生变化，还是输入电压发生变化，都会引起输出电压的变化，通过反馈采样这个变化，然后经过稳压控制系统，最终使输出脉冲宽度改变，从而达到输出稳定电压的目的。脉冲宽度调制变化如图2-3所示，T不变，Ton发生变化，即脉冲宽度改变。
多路输出反激式开关电源设计
1
1.1
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电力电子设备都离不开可靠的电源，其供电一般采用开关电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。在建设资源节约型、环保示范型社会的大背景下，具有高效节能、安全环保、短小轻薄等方面优点的开关电源已经成为本学科一个重要的研究热点。
多路输出反激式开关电源设计
摘 要:以UC3844芯片为控制核心，设计并制作了多路输出反激式开关电源。完成了多路输出反激式开关电源系统设计，完成具体模块电路详细设计，包括 EMI 滤波电路、前级保护和整流桥电路、缓冲吸收电路、高频变压器、UC3844的启动与驱动电路、电流检测和过流保护电路等。合理选择、设计和分配了开关电源各电路参数；设计出电路原理图，根据设计规范制作出 PCB，并组装出电源样机，最后对设计的样机进行测试验证。
图3-1变压器的设计基本流程
3.1.1估算输出和输入功率
根据设计输出电压电流的大小，计算总的输出功率如式(3-1)所示：
(3-1)
根据输出功率和效率，计算输入功率如式(3-2)所示：
(3-2)
3.1.2计算最小Байду номын сангаас最大直流输入电压及电流
交流电经过整流桥后，其最小和最大输入直流电压可由式(3-3)和(3-4)计算：
2
本节完成主变换电路拓扑结构的选择，对控制电路调节方式进行选取，分析给出系统整体架构图，为开关电源各电路模块设计奠定基础。
2.1
反激变换器由于电路简单，所用元件少，适用于多输出场合。反激变换器的拓扑结构如图2-1所示，其中T1是高频变压器，Q1是MOS管，C1、C2是滤波电容，D1为整流二极管。其基本工作原理是：当开光管Q1开通时变压器原边导通，输入的直流电压通过初级绕组向变压器灌入能量；Q1关断时变压器内灌注的能量通过次级绕组释放，经D1整流、C2滤波后供负载使用。通过PWM脉冲产生电路改变开关脉冲占空比和变压器的变比可以很容易的实现大范围的电压调整。
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设计的多路输出反激式开关电源原理图如附录1所示。本章基于系统设计整体架构，根据设计电源的功能要求和性能指标，完成了变压器的设计及各部分具体电路模块分析、设计、参数计算及选取。
3.
变压器的设计在开关电源的设计过程中尤为重要，电源的性能将取决于变压器设计的合理性。如图3-1所示为变压器的设计基本流程。
The higher stability of the output voltage of the switching power supply prototype, the output voltage ripple is small, meet the design specifications to the requirements of less than 80mV; The prototype of the overall test results show that the power of the indicators are in line with the requirements, output stability, better performance.
图2-3 PWM调节方式
2.2.2 PFM脉冲频率调制
PFM调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲周期发生变化的一种调制方式。脉冲频率调制变化如图2-4所示，Ton不变，即脉冲宽度不变化，而周期发生变化，即频率改变。
图2-4 PFM调节方式
2.2.3 PWM-PFM脉宽脉频综合调制
PWM-PFM脉宽脉频综合调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，不但使输出脉冲宽度发生变化，而且频率也同时发生变化的一种调制方式。PWM-PFM调制方式是同时改变周期T和导通时间Ton两个参数来实现输出电压的稳定。PWM—PFM兼有PWM和PFM的优点，调制过程如图2-5所示。
(2)输出电压五组：三路+15V(1.0A)、两路+5V（1.0A）
(3)输出电压纹波:VPP≤80mV
(4)工作频率：100KHz
(5)最大占空比：Dmax=0.42
(6)效率η=75%
(7)总功率：55W
给出电源主电路与控制电路的设计清单。用protel软件进行电源电路原理图与PCB图的设计，进行电路调试，对调试过程中出现的问题进行分析处理，获得多路输出反激式开关电源原理样机。
图2-5 PWM-PFM综合调节方式
本设计采用第一种PWM调制方式，属于PWM调制方式中的电流反馈模式。调制过程是当控制芯片UC3844的检测端电流在规定的范围内，UC3844输出占空比与检测端电流成反比。通过检测端电流的大小来改变占空比的大小，实现PWM调制，从而达到稳定电压的目的。
2.3
多路输出反激式开关电源系统设计整体架构如图2-6所示，主要包括：前级保护电路、EMI滤波电路、整流滤波电路、漏磁吸收回路、输出整流滤波电路、反馈电路、主控制电路等。
通过查阅相关资料，采用CCM可比DCM减小功耗大约为25%左右。对于同样的输出功率，采用CCM可使用功率较小的控制芯片，或者允许控制芯片工作在较低的损耗下。此外，设计成CCM时，初级电路中的交流成分要比DCM低，并能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗。本设计选取 ＜1.0，即工作于CCM模式。
2.2
在开关电源中，控制电路的主要功能是为开关管提供比率可调的驱动脉冲，从而达到稳定输出电压的目的。常用的调制方式有三种：PWM脉宽调制、PFM脉频调制和PWM-PFM调宽调频混合电路。
(3-3)
(3-4)
其中(3-3)式中减去的40V为直流纹波及整流桥压降之和的经验值，在计算最小值时使用。
MOSFET，额定电压为600V，故在VINMAX处，必须保留至少30V的裕量。此种情况下，漏极电压不能超过570V。漏极电压为VIN+Vz，于是有
VIN+Vz=242+Vz≤570(3-5)
Vz≤570一342=228V (3-6)
其中反激式开关电源，是开关电源拓扑中最简单的一种。输出变压器同时充当储能电感，整个电源体积小、结构简单，可同时输出多路互相隔离的电压，所以得到广泛应用。本次毕业设计制作的多路输出反激式开关电源是为各种电力电子器件供电。
1.2
设计多路输出的反激式开关电源，指标如下：
(1)输入电压：AC220V±10%
图2-2工作模式
（2-1）
实际上CCM与DCM之间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入范围， 值较小时对应连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级峰值电流 和初级有效值电流 值较小,这时可选用较小功率的控制器件和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之， 值较大，就表示连续程度较差，初级电感量较小，而 与 较大，此时采用较大功率的控制器件和尺寸较小的高频变压器。
需选择标准的180V稳压管。
若以Vz/VOR为函数画出上述钳位损耗曲线可发现。在所有情况下，VZ/VOR=1.4均为消耗曲线上的明显下降点。因此选择此位作为最优比。则有
(3-7)
5V输出二极管正向压降为0.6V，则匝比为
(3-8)
15V输出电压通常需经后级线性调整器调整。此种情况下，必须使变压器提供高于输出(最终所需的15V）3~5V的电压。为线性调整器正常工作提供必要的裕量。此裕量不仅能满足调整器的最小压差，而且一般也可使其在所有负载情况下均能得到已调整的15V。然而，也有些智能的交叉调整技术使得我们可以省掉此线性调整器。尤其是在对于调整后的15V电压要求不高，或是保证输出为最小负载时。本设计中三路15V无后级调整器，可得15V输出所需匝比为128/(15+l)=8，其中假设二极管有1V压降。
图2-6系统整体架构图
工作过程分析：接入220V交流电ui；经过保护电路之后；进行EMI电磁滤波，滤除电源接入噪声和自身噪声干扰；桥式整流为310V左右的直流电压；通过反激式主变换电路进行电压变换，主电路包括全波整流、滤波、高频变压器、漏磁吸收回路和功率开关管；经过变压器二次侧变换之后送至后级同步整流电路进行整流滤波；如输出滤波效果不明显，可增加后级滤波电路；在交流输入电压波动时，为了保证输出稳定，需要进行负反馈调节，从后级输出Uo端进行采样，采样信号送至控制电路，经过取样、比较、放大等环节产生比率可调的脉冲信号来控制开关管作出相应调整，从而使输出稳定。
开关电源样机输出电压稳定性较高，输出电压纹波较小，符合设计规范小于 80mV 的要求；样机整体测试结果表明，电源各项指标均符合要求，输出稳定，性能较好。
关键词：开关电源；反激式；UC3844；模块化
DesignofMulti-outputFlybackSwitchingPowerSupply
Abstract:It was designed and produced a set of multiple output fly-back switching power supply, using the chip UC3844 as the control core. The design of the system and specific module circuits was completed. The module circuits include EMI filter circuit, level protection and bridge rectifier circuit, snubber circuit, high frequency transformer, start and drive circuit of UC3844, current sensing and over-current protection circuit. The parameters of switching power supply circuit were chose, designed and distributed reasonably. According to the schematic circuit design and design specifications, we produced the PCB, and assembled the prototype of power supply, also finished the test in the final.
图2-1反激变换器的拓扑结构
2.1.1工作方式选取
反激式开关电源主要有两种基本工作模式：(1)连续工作模式，简称CCM；(2)不连续工作模式，简称DCM。两种工作模式的电路原理图如图2-2所示。CCM的工作原理：PWM脉冲激励开关管导通，这时输入电压加在原边绕组上，原边电感储存能量，在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量没有释放完全，使得次级电流没有降到零便开始了下一个过程。DCM的工作原理与CCM相比的不同点是在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量已经释放完全，次级电流已经降到零，下一个过程初级的电流又开始从零增加。所以CCM的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量储存状态开始的。DCM的特点是储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉，可以得出两种模式下纹波电流与峰值电流的不同关系。DCM的开关电流从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零，初级脉动电流 与峰值电流 的比例系数 ＜1.0。DCM的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零， =1.0。利用IR与IPK的比例关系 (0～1.0)的数值，可以定量地描述开关电源的工作模式，其中 的关系如式(2-1)所示
2.2.1PWM脉冲宽度调制
PWM调制方式就是控制芯片根据输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生变化的一种调制方式。在调制期间脉冲周期T是固定不变的。不论是负载电流发生变化，还是输入电压发生变化，都会引起输出电压的变化，通过反馈采样这个变化，然后经过稳压控制系统，最终使输出脉冲宽度改变，从而达到输出稳定电压的目的。脉冲宽度调制变化如图2-3所示，T不变，Ton发生变化，即脉冲宽度改变。