12V 120W开关电源设计_毕业设计论文

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education
毕业设计
12V120W开关电源
二○一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
12V 120W开关电源设计
12V 120W Switching power supply design
2013年6月
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摘要
本文介绍了一种电流控制型脉宽调制（PWM）控制器UC3843的特点和工作原理，并分析了其构成开关电源的整体电路结构和工作原理，最后提出了一种基于UC3843的反激式开关电源的设计方法。

电路主要由整流滤波电路和反馈电路两部分组成，用到的两个主要芯片为UC3843、TL431，以UC3843作为控制核心器件，运用脉宽调制的基本原理，反馈电路以TL431和光电耦合器为核心。

采用场效应管作为开关器件，其导通和截止速度很快，并且导通损耗小，这就为开关电源的高效性提供了保障。

高频变压器的设计是电源设计中的核心工作。

高频变压器的参数和制作工艺直接影响开关电源的性能，根据电源功率和开关电源工作频率，选用EC42型铁氧体磁芯，功率容量充分满足设计需要。

同时，电路中辅以过压过流保护电路，为系统的安全工作提供保障。

通过以上设计完成了12V 120W开关电源设计。

关键词：电流控制型；PWM；反激式变换器；TL431；高频变压器；
ABSTRACT
In this article,the features and principle of a current controlling mode pulse width modulation controller UC3843 and introduced. Then it analyzes the basic circuit and operating principle of switching power supply. At last, a kind of designing method of fly-back switching power supply based on UC3843 is presented. It is mainly composed of rectification filter circuit and feedback circuit, two main chip for the UC3843,TL431, with UC3843 as control core devices, by using the basic principle of pulse width modulation, feedback circuit TL431 and photoelectric coupler as the core. Using field effect tube as switching devices, the conduction and deadline fast, conduction loss is small, it can provide guarantee for the efficiency of switch power supply.The design of high-frequency transformer parameters and production process a direct impact on the performance of switching power supply, According to the working frequency of power supply power and switch power supply,chooseEC42 ferrite core, power capacity to fully meet the power capacity to fully meet the design need .At the same time, supplemented by over-voltage and over-current protection circuit in the circuit, while guarantees system of work safety. Through the above design completed the 12v,120w switching power supply design.
Key Words：Current controlling mode；PWM；Flyback converter;TL431；High frequency transformer；
目录
1引言 (I)
2方案论证 (2)
2.1 DC∕DC转换器的选择 (2)
2.2PWM驱动电路开关器件的方案论证 (4)
3原理概述 (5)
4系统组成 (6)
4.1整流滤波电路 (6)
4.1.1EMI滤波器 (6)
4.1.2桥式整流电路 (7)
4.2反馈电路 (9)
5硬件电路设计 (11)
5.1光电耦合器 (11)
5.2 NTC热敏电阻器 (12)
5.3基准电压 (12)
5.4UC3843 (14)
5.4.1 UC3843简介 (14)
5.4.2UC3843原理 (14)
5.5高频变压器设计 (16)
6测试方案与测试结果 (18)
结论 (20)
参考文献 (21)
附录一：系统电路原理图 (22)
附录二：开关电源PCB图 ............................................................................. 错误！未定义书签。

致谢........................................................................................................................ 错误！未定义书签。

天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计
1引言
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。

开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。

用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。

开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。

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，并使开关电源更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。

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，因此国外各在开关电源制造商都致力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。

要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

2方案论证
2.1 DC∕DC转换器的选择
根据高频变换器的工作方式，可分为正激式和反激式等多种。

高频变换器工作时是利用一功率开关器件的高速通断，从而使变换器进行能量传输。

当功率开关器件导通时，变换器进行能量传输，称为正激式；反之，即电子开关截止时，变换器进行能量传输，称为反激式。

方案一：采用正激式变换器开关电源
正激式变换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。

图2-1正激式变换器工作原理图
正激式变换器开关电源工作原理：所谓正激式变换器开关电源，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2-1是正激式变换器开关电源的简单工作原理图，图2-1中U i是开关电源的输入电压，T是高频变压器，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。

需要特别注意的是高频变压器初、次级线圈的同名端。

如果把高频变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图2-2就不再是正激式变换器开关电源了。

正激式变换器开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关K关断的瞬间开关高频变压器的初、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2-1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，在开关电源变换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。

并且，正激式开关电源的体积比较大，应用于较高电压输入，较大功率输出
的场合。

方案二：采用反激式变换器开关电源
反激式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，体积比较小，输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多。

并且在反激式开关电源中，在开关管关断的时候，反激式变换器的变压器储能向负载释放，磁芯自然复位，不需要加磁复位措施。

因此，在一般电器设备中应用广泛。

其核心部件包括开关、变压器、二极管和电容。

开关由脉冲宽度调制（PWM）控制，通过闭合与导通在变压器两端产生高频方波信号。

变压器将产生的方波信号以磁场感应的方式传递到次级线圈。

通过二极管和电容的滤波整流作用，在输出端得到稳定的直流输出。

所谓反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源。

反激式转换器的工作分为两个阶段，开关闭合和开关断开阶段。

在开关闭合阶段，变压器的初级线圈直接连接在输入电压上。

初级线圈中的电流和变压器磁芯中的磁场增加，在磁性中储存能量。

在次级线圈中产生的电压是反向的，使得二极管处于反偏状态而不能导通。

此时，由电容向负载提供电压和电流。

在开关断开阶段，初级线圈中的电流为0。

同时磁芯中的磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压。

此时二极管处于正偏状态，导通的电流流入电容和负载。

磁芯中存储的能量转移至电容和负载中。

图2-2反激式变换器工作原理图
Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。

图2-2（b）是反激式变换器开关电源的电压输出波形。

综上，本设计选择反激式开关电源。

2.2PWM驱动电路开关器件的方案论证
开关电源中的功率开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件。

开关电源所出现的故障中约60%是功率开关晶体管损坏引起的。

用作开关的功率管有双极型晶体管BJT和MOSFET两种。

方案一：功率开关器件使用双极型晶体管(BJT)。

但是由于BJT是电流控制器件，需要直流电流驱动，驱动电路复杂。

开关损耗大，对温度变化十分敏感。

而且工作时较之MOSFET开关管的噪声更大。

方案二：功率开关器件使用场效应管（MOSFET）。

用作功率开关管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。

这是因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型半导体器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区，良好的散热稳定性。

MOSFET的栅极驱动电路直接控制其沟道而使其导通，它是电压驱动，纯电容输入阻抗，低速驱动时不需要直流电流驱动，驱动电路简单。

没有电荷存储效应，对温度不敏感，开关损耗小。

而且开关速度快，具有驱动功率小，导通内阻小，器件功率容量大等优点，是目前广泛应用的开关器件。

PWM驱动电路工作频率为1KHz，电流峰值10A，选用场效应管作为开关器件比较理想。

3原理概述
3.1原理简述
本次12V 120W开关电源设计，采用电压为12V，功率为120W，开关频率为100KHz。

开关电源电路原理图如附录一。

电路主要由整流滤波电路和反馈电路两部分组成。

R31是负温度系数的NTC热敏电阻，对减小启动时的冲击非常有效。

图中的T2、C8、C14、C15和C18组成EMI滤波器。

以改善开关电源的电磁兼容性。

220V交流经过整流滤波后得到300V左右的直流电压。

当电源接通时，高压直流给UC3843供电，UC3843工作后，驱动场效应管，在高频变压器的原边就形成了高压的直流脉动，开关电源正常工作。

同时，也在变压器的两组副边上形成脉冲，一组经过整流滤波后供给UC3843，另一组整流滤波后形成12V直流电压。

反馈电路以TL431和光电耦合器为核心，输出电压经过电阻R32、R40和W1分压后送入TL431的1脚，当电压高于2.495V时，TL431导通，光电耦合器工作，导致UC3843的2脚高电平，PWM关段，输出电压降低。

反之，输出电压升高。

高频变压器的设计是电源设计中的核心工作。

高频变压器的参数和制作工艺直接影响开关电源的性能。

根据电源功率和开关电源工作频率，选择EC42型铁氧体磁芯，功率容量充分满足设计需要。

4系统组成
4.1整流滤波电路
图4-1为整流滤波电路。

该电路主要由NTC热敏电阻器、EMI滤波器和桥式整流电路组成。

图4-1 整流滤波电路
将交流电变换为直流电的过程叫做整流。

整流电路虽然可以帮交流电转换为直流电，但是所输出的都是脉动直流电压，其中含有较大的交流成分，保留脉动电压的直流成分，尽可能的滤除它的交流成分，这就叫滤波。

进行整流滤波的设备叫做整流器。

整流器一般有三部分组成。

(1)整流变压器把输入的交流电压变为整流电路所要求的交流电压值。

(2)整流电路由整流器件组成，他把交流电变换成方向不变但大小随时间变化的脉动直流电。

(3)滤波电路把脉动的直流电变换为平滑的直流电供给负载。

电力系统供电电压的波动，或者负载阻抗发生变化，都会引起整流器输出电压随之变化。

4.1.1EMI滤波器
EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。

干扰从形成特点来看，可分为串模干扰和共模干扰两种。

EMI滤波器对串模、共模干扰都能起到抑制作用。

串模干扰是两条电源线之间的噪声。

共模干扰则是两条电源线对大地的噪声。

因此，EMI滤波器应符合电磁兼容性的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面是要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰。

为减小体积、降低成本。

开关电源一般采用EMI滤波器，图4-2为EMI滤波器的原理图，从图中可以看出C1、C2、
C5、用来滤除串模干扰，C3、C4用来滤除共模干扰。

图4-2 EMI滤波器
4.1.2桥式整流电路
1单相桥式整流电路的结构及工作原理
单相桥式整流电路如图4-3所示，图中T1为电源变压器，它的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压u，R L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4-2是其电路简化画法。

单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。

为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

其波形如图4-4所示。

原理分析:
如图4-4所示，在变压器二次侧电压u的正半周，其极性为上正下负，即a 点电势高于b点，此时二极管D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器。

于是在负载电阻RL上得到一个极性为上正下负的半波电压u0。

在导通时二极管的正向压降很小，可以忽略不计，因此，可认为u0的这半个波和u的正半波是相同的，如图4-5中的0~π段所示。

其电流通路可用图1中实线箭头表示。

在的u的负半周，其极性为上负下正，即a点电势低于b点，此时二极管
D2、D4正向导通，D1、D3反偏截止，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器。

同理，在负载上得到一个半波电压，极性依旧是上正下负，与前面得到的相同，如图4-5中的0~2π段所示。

其电流通路如图4-5中虚线箭头所示。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压（脉动电压即极性一定但大小变化的单向电压）。

图4-3单相桥式整流电路简化画法
图4-4整流变压器二次侧电压u 的波形
图4 -5整流电路相应的输出电压与电流的波形
根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图4-5所示。

由图可见，通过负载R L 的电流i O 以及电压u O 的波形都是单方向的全波脉动波形。

2 单相桥式整流的主要参数和计算
根据以上分析，单相桥式整流得到单向脉冲电压，对于这种电压，常用一个周期的平均值（非有效值）来说明它的大小。

单相桥式全波整流电压的平均值：
（4-1） O 01sin ()0.9U td t U π
ωωπ=
==⎰
式中U 为变压器二次侧电压u 的有效值。

式 (4-1) 表明单相桥式全波整流电压与交流电压有效值之间的关系。

由此得出整流电流（即负载电流）的平均值：
（4-2
）
在以2π为周期的每一个周期内，每两个二极管串联导电时间只有半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即
（4-3）
该电路中还有一个不可忽视的参数，就是二极管反偏截止时所承受的最高反向电压。

从图 1可得，当二极管D 1和D 3导通时，如忽略二极管的正向压降（将其视为导线），处于截止状态的D 2和D 4阴极电势就等于a 点的电势，阳极电势就等于b 点的电势。

所以，处于截止状态的二极管所承受的最大反向电压就是变
，即
（4-4）
流过负载的脉动电压中含有直流分量和交流分量，可将脉动电压作傅立叶分析，分析结果为
（4-5）
4.2反馈电路
目前大多数开关电源都采用离线式结构，一般从辅助供电绕组回路中通过电阻分压取样，该反馈方式的电路简单，但由于反馈直接从输出电压取样，没有隔离，抗干扰能力也差，所以输出电压中仍有2%的纹波。

本电
O 0.9O L L U U I R R ==D O 10.452L U I I R =
=RM U
=O 2
44(cos2cos4)315u t t ωωπππ=--+
路中为解决这个问题采用了可调式精密并联稳压器TL431和光电耦合器PC817构成反馈电路。

如图附录一所示，反馈电路以TL431和光电耦合器为核心，输出电压经过电阻分压后送入TL431的1脚，当电压高于2.495V时，TL431导通，光电耦合器工作，导致UC3843的2脚高电平，PWM减小，输出电压降低。

反之，输出电压升高。

TL431和光电耦合器在第5部分主要元件介绍里做了详细介绍。

5硬件电路设计
5.1光电耦合器
光电耦合器（Optical Coupler,OC）也叫光电隔离器（Optical Isolation,OI）,简称光耦。

它是一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：一是发光体，实际上是一只发光二极管，受输入电流控制，发出不同强度的红外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，产生光电流并从输出端输出。

它的光——电反应也是随着光的强弱改变而变化的。

这就实现了“电——光——电”功能转换，也就是隔离信号传递。

光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离。

不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。

因为它是一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小，可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等。

在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈回路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压，达到稳定输出电压的目的，并可以通过光电耦合器进行脉冲转换。

在光电内部，由于发光管和受光器之间的耦合电容很小（2pF以内）所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因而共模抑制比很高。

输出特性的输出特性是指在一定的发光电流IF下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流IC之间的关系，当IF=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。

当IF>0时，在一定的IF作用下，所对应的IC基本上与VCE无关。

IC与IF之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。

在设计本次开关电源时，对光耦的选取原则是：
①电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。

当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。

采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～300%(如4N35)，而pc817则为80%～160%。

当CTR为80%时，光电耦合器中的发光二极管需要较大的工作工作电流（>5.0MA）才能控制电路的占空比。

这样做的结果是增加了光电耦合器的功耗。

当CTR>160%时，若启动电流或输出负载发生突变，有可能发生误触发，即误关断，影响正常工作。

②要采用线性良好的光电耦合器。

因为光电耦合器具有良好的线性时，电源控制调整十分有序，输出稳定可靠。

因此，本设计中光电耦合器的采用为：光耦PC817。

5.2 NTC热敏电阻器
NTC是英文Negative Temperature Coefficient的缩写。

其含义为负温度系数。

NTC热敏电阻器是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏陶瓷组件。

它的电阻值随温度的升高而降低。

应用热敏电阻器时，必须对它的几个比较重要的参数进行测试如标称阻值、额定功率、B值范围等。

一般来说，热敏电阻器对温度的敏感性高，所以不宜用表来测量它的阻值。

这是因为万用表的工作电流比较大，流过热敏电阻器时会发热而使阻值改变。

但用万用表也可简易判断热敏电阻器能否工作。

在开机瞬间，电容器对电源几乎呈短路状态，其冲击电流很大，造成变压器过载。

串联上NTC热敏电阻，这样在开机瞬间，电容器的充电电流便受到NTC元件的限制。

开机15S后，NTC元件升温相对稳定，其上的分压也逐步将至零点几伏。

这样小的压降，可视此元件在完成软启动功能后为短接状态，不会影响电器的正常工作。

应用热敏电阻器时，必须对它的几个比较重要的参数进行测试如标称阻值、额定功率、B值范围等。

NTC热敏电阻器工作原理为：当温度低时，这些氧化物材料的载流子数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。

NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10~1000000欧姆，温度系数2%~6.5%。

NTC热敏电阻器可广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。

如图5-1为负温度系数热敏电阻曲线图。

图5-1负温度系数热敏电阻曲线图
5.3基准电压
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值，典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳。