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1、浙江海洋学院本科生毕业论文毕业设计（论文）课题名称：全桥式小功率开关稳压电源设计学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年级： A07电气（2）班 指导教师： 聂振宇 学生姓名： 雷陈璋 学 号： 070402235 起迄日期： 2010.12.16 2011.5.31 2011年 5月 31日全桥式小功率开关稳压电源设计雷陈璋(浙江海洋学院 机电工程学院，浙江 舟山 316000)摘 要随着全球对绿色环保问题的不断关注和开关电源在电气电子各个领域中的优良表现, 社会对其的需求量在不断的加大, 开关电源也因为其高效率、小体积、轻重量等多方面的优势在很多领域逐步取代了传统的连续工作
2、的线性电源，但同时人们对这种电源的效率、体积、重量、功率因素及可靠性等方面提出了更高的要求。开关变换器的高频化、集成化、小型化、低噪声化、高可靠性化发展也是当今社会的不断追求和努力的方向，目前，开关技术的研究热点主要有新型高频高功率半导体器件开发，外围新器件的开发，同步整流技术优化，电磁兼容优化，高性能数字控制，拓扑结构和参数的最优化，低电压，大电流电源的开发等方面。随着研究的不断深入和电力电子技术的迅速发展，开关电源的工作频率，效率将不断提高，体积将不断减小，性能将更加稳定，品种也将越来越多。近年来开关电源的高频变换器出现了推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等多种形式，新型的软开关控制技术
3、也有零电压和零电流两种。本文介绍了一款基于UC3825的小功率移相全桥零电压软开关控制方式的开关稳压电源，采用市电供电，带隔离变压器，给出了DC-DC变换器、PWM控制及驱动电路的详细设计方法及设计思路,并使用ORCAD/Pspice软件对开关电源主电路系统性能进行了仿真，根据仿真结果显示,该开关稳压电源效率高，输出电压稳定，电路设计较完善，性能稳定。 关键词：开关电源；移相全桥；软开关技术AbstractWith the global keeping attention on the problem of environmental protection and the switching
4、power supply has good performance in all fields of electrical and electronic, the demands of switching power supply keep increasing.Because of its high efficiency, small size, light weight, and many other advantages, the switching power supply gradually replace the traditional linear power in many f
5、ields. But people need higher requirement for the efficiency, volume, weight, power factor and reliability of the switching power supply. The high frequency, integration, small size, low noise, high reliability of switching converters development is the continuous pursuit of todays society and direc
6、tion, at present, the main research of switching technology focus on development of new high-frequency high-power semiconductor device and new external devices, the optimization of synchronous rectification technology and electromagnetic compatibility, high performance digital control, topology and
7、parameter optimization, low-voltage and high-current power supply development and so on. Along with the deepening of the study and the rapid development of power electronics, switching power supplies operating frequency, efficiency will continue to increase, the volume will continue to decrease, the
8、 performance will be more stable, the variety will be more and more. In recent years, there are push-pull, full bridge, half bridge, single-ended forward and single-ended flyback and other forms of switching power supply frequency converter, the new soft-switching control technology has zero voltage
9、 and zero current. The thesis describes a switching power supply with low power phase-shift full-bridge zero-voltage soft-switching control based on UC3825,with electricity supply of 220V and isolation transformers, DC-DC converter, PWM control and drive circuit of the detailed design methods and de
10、sign ideas is given, and make a simulation on the main circuit switching power supply system performance using ORCAD / Pspice. According to the simulation results: the power supply has high efficiency, stable output voltage.It is a perfect circuit design with stable performance.Key words: switching
11、power supply; phase-shift full-bridge; Soft-switching technology目录前言1第1章 绪 论21.1 本文的设计任务21.2 本文的设计方案2第2章 软开关技术52.1软开关的定义52.2软开关的分类52.3全桥移相控制方式5第3章 PWM控制芯片UC382573.1 UC3825简介73.2 UC3825的基本特性73.3 UC3825的工作原理8第4章 主电路的选型与设计114.1 开关电源主电路的结构设计114.2 主电路主要参数的计算114.3 高频变压器的计算与设计134.4 隔离变压器与整流电路的计算与设计154.5 输入
12、滤波电路的计算与设计164.6 输出滤波电路的计算与设计174.7主开关元件计算与选型174.8吸收电路的设计18第5章 控制电路的设计与计算205.1控制电路的设计205.2锯齿波电路的参数计算205.3电压反馈比较电路的参数计算215.4过流保护电路的设计225.5 控制输出电路的设计235.6 软启动电路的设计245.7 软开关电路的设计245.8 控制电路电源的设计245.9 系统原理图25第6章 基于ORCAD的开关电源仿真25结论28致谢29参考文献3032前 言能源问题在全球越来越受到重视，人们对电子产品的能耗问题也变得愈来愈关注，怎样提高供电效率，降低功耗成为一个需要迫切解决的
13、问题。而传统的线性稳压电源电路存在着效率低、体积大、消耗铜铁量大，工作温度高及调整范围小等缺点。于是为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源。开关式稳压电源简称开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS），在这种电源中，起调整稳压控制功能的器件始终工作在开关状态。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换。随电力电子技术在半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、发热量低、效率高、纹波小、噪音低等优良特性广泛应用在诸如计算机、电视机、摄像机、游戏机等电子设备上。20世纪50年代，美国宇航局为搭载火箭开发了重量轻、小型化开关电源。195
14、5年美国人罗耶发明了自激震荡晶体管单变压器的推挽DC-DC变换器，开始了开关电源的实际应用研究。1957年查赛发明了自激推挽双变压器变换器。1964年美国人正式提出没有工频变压器的开关稳压电源的思路，并在1969年成功研制了25KHz的开关变换器电源。20世纪70年代开始，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。但就在这个时期研究人员同时也认识到了开关电源中硬开关的不足，开始了对软开关技术进行研究。全谐振变换器技术就是在70年代最先出现的工作模式。接着在20世纪80年代中期出现了准谐振和多谐振变换器技术，末期又发明了
15、零开关变换器技术。20世纪90年代初出现零转换技术。到了21世纪，人们开始关注绿色环保问题。考虑到开关电源的节能和低污染，功率因数校正（PFC）技术产生了，并得到了很广泛应用，从此使开关电源进入了一个新的阶段。随着软开关技术、高频开关器件技术的出现，开关电源技术正向高效率、高频率、轻便化的方向上迅速发展。世界各国都在大力研制开发新型开关电源，因这是节约能源的重大举措。目前，开关电源已成为当今电力和电子产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。国内外对开关电源技术在不同领域都有了很多新的研究热点。第1章 绪 论1.1 本文的设计任务本设计做的是一个小功率带变压器隔离的全桥式开关电源，供电电源采用市电。
16、设计的主要内容是开关电源的主电路和控制电路，和其他的一些辅助电路。并利用Pspice软件对开关电源的主电路进行仿真。开关电源需要满足下列指标要求：（1）输出电压Uo可调范围：20V50V；（2）最大输出电流IOmax：4A；（3）Io从0变到4A时，负载调整率SI5%（U2=40V）；（4）输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP1V（U2=36V,Uo=40V,Io=4A）；（5）DC-DC变换器的效率 70%（U2=36V,Uo=40V,Io=4A）；（6）具有过流保护功能，动作电流IO（th）=4.50.2A要求设计出电路图，包括主电路、控制电路以及选用相应的元器件（包括参数设计，最后利用Psp
17、ice软件仿真验证指标）。1.2 本文的设计方案开关电源一般是由变压器，整流滤波电路，DC-DC变换器，控制电路，保护电路等电路构成。本设计的核心部分，进行功率变换的DC-DC变换器，采用全桥式变换电路，此外还有软启动、过流保护、噪声滤波等电路。通过资料的查阅，设计出了元器件参数，然后选择合适的器件，设计出完整的电气原理总图，如图1.1所示。图1.1 开关电源的电气原理总图1.全桥式DC-DC变换器。全桥式DC-DC变换器的电路结构如图1.2所示，电路中有四个开关管Q1，Q2，Q3和Q4，其中，Q1和Q4同时导通，Q2和Q3同时导通，并且两组开关管轮流导通半个周期。这样在高频变压器的副边绕组两
18、端分别形成相位相反的交流电压，Q1，Q4导通时，二极管D5处于导通状态，Q2，Q3导通时，二极管D6处于导通状态，在负载端形成矩形电压脉冲，因此通过调整Q1和Q4，Q2和Q3两组开关管的的导通时间就可以调整输出电压的占空比，从而调整输出电压的平均值，达到稳定输出电压的目的。图1.2 全桥式DC-DC变换器2.隔离变压器和整流滤波电路。本文设计的开关电源变压整流电路如图1.3所示，先把220V的市电通过隔离变压器转变成36V的交流电，对电网中的杂波、瞬间过电压进行过滤吸收。再通过桥式电路，将36V交流电转变成波动的直流电，然后经电感电容进行滤波，从而得到平稳的直流电压，为DC-DC变换器供电。3
19、.PWM控制电路。本文设计的控制电路图1.3 整流滤波电路图1.3 PWM控制驱动电路是由两片UC3825为核心组成的脉宽控制电路，如图1.4所示，控制芯片通过内部震荡电路、电压比较电路等其他相关电路，能够使其输出端输出控制电压，每块芯片电路输出两路，然后通过变压器隔离驱动功率管交替开通和关断，产生高频的开关电压，进而驱动高频变压器进行电压的变换。此电路还设计反馈电路，将输出电压的大小变化反馈到UC3825中，使芯片通过检测输出电压的变化调整脉宽的占空比，从而能够精确地调整输出电压值，达到稳压的效果。图1.4 PWM控制电路4.阻容吸收装置。因为此开关电源中的电源采用220V的市电，而市电电网
20、中很容易会产生瞬时过电压，这种过电压如果通过隔离变压器耦合到开关电源中，会对开关电源中的器件产生影响，严重时会烧毁器件，所以在变压器的输入端要设置阻容吸收装置。同时，基于电路中电感的存在，四个功率管开关的时候，会在器件的两端形成很高的过电压，这样的过电压也很可能会超过器件的耐压而使器件被击穿，造成不可挽回的后果，所以，在四个功率管的两端也应设置阻容吸收装置。此外在输出端上的整流二极管，同样因为电感的存在而产生过压，也需要在整流二极管两端设置阻容吸收装置。5.输出滤波电路。输出滤波是将高频变压器产生的矩形波电压通过电感电容滤波，得到平稳的输出电压供给负载。本设计使用倒L型滤波电路，通过计算选型能
21、够得到十分稳定的输出电压。6.过流保护装置。根据设计任务的要求，该开关电源需要具备过流保护功能，动作电流IO（th）=4.50.2A。本设计中，为了实现过流保护功能，在输出电路中串联一个小电阻，通过小电阻检测输出电路的电流，进而反馈给PWM控制芯片，当输出电流超过设定值，控制芯片即封锁输出脉冲，从而实现过流保护的作用。7开关电路的优化，软启动和软开关电路。以上部分组成的开关电路，能形成最基本的开关功能，其输出电压就能够十分稳定。但是，在实际应用中还有很多不足，最主要的是开关损耗，而且频率越高损耗越大。另外，在整个电源通电的一瞬间，由于电路中的电容以及受控制电路的影响，电路中会产生很大的冲击电流
22、，此冲击电流会对器件造成很大的影响，所以我们采用软启动电路和零电压软开关电路来抑制电路上电时的冲击电流。第2章 软开关技术2.1软开关的定义因为功率开关管的开通和关断过程在实际中不是瞬间的，是需要一定时间的，所以功率管在开通和关断的时候电压和电流都不为零，会产生损耗，此损耗称为开关损耗，并且其损耗会随频率增高而增大，制约了开关电源的高频率化。“软开关”就是能使开关功率管在其两端的电压为零时导通，或是使流过开关功率管的电流为零时关断的控制方法，是与“硬开关”相对而言的。这种方法大大的减少了传统的硬开关的开关损耗，从而提高了功率变换器的传输效率。最理想软开关的开关损耗可以为零。2.2软开关的分类软
23、开关分为软开通和软关断，软开通又有零电压开通和零电流开通，当然软关断也有零电压关断及零电流关断。1.零电压关断是开关功率管在其两端的电压是为零时实行关断。其器件中的电流直到下降到断态值后，两端的电压才会经通态值下降到断态值，从而使开关器件截止。2.零电流关断是开关功率管中的电流从通态值下降到零后，其端电压才从通态值上升到断态值，从而使开关器件截止。3.零电压开通是开关功率管在其两端的电压为零实行开通时。其器件中的电流由断态值上升到通态值，进而开关器件开通。4.零电流开通是开关功率管在其电流为零实行开通。其端电压经断开值下降到开通值后，其中的电流才会由断开值上升到开通值，使开关器件导通。2.3全
24、桥移相控制方式近年来图2.1 移相全桥零电压软开关电路，在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制方式是结合了谐振变换技术和PWM技术的移相控制方式。主要有超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关的零电压开关方式，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电流开关零电流开关方式，超前桥臂实现零电压开关, 滞后桥臂实现零电流开关的零电压零电流开关方式的3 种方式。本设计采用移相全桥零电压软开关，此电路简单，只是在一般的全桥电路上增加了一个谐振电感，电路的主要结构如图2.1所示。这种电路控制方式的特点为在一个开关周期TS内，每一个开关功率管导通的时间都略小于TS/2，而关断的时间都要略大于TS/2。即使是同一个半桥中上下两
25、个开关管也要不同时处于通态，这使得每一个开关功率管由关断到另一个开关功率管的开通都必须要留有一定的死区时间。对于互为对角的两对开关管S1-S4和S2-S3，开关管S1的波形要比S4超前0TS/2时间，开关管S2的波形比S3超前0TS/2时间，所以称S1和S2为超前的桥臂，而称S3和S4为滞后的桥臂。移相全桥零电压控制方式的谐振元为开关管的并联电容（C1、C2 、C3、C4）和串联电感（Lr）。四个开关管依次在零电压下导通是通过电感储存的能量对开关管的两端并联的输出电容充放电来实现的。其工作过程如图2.2所示。t0t1时段：S1与S4都导通，直到t1时刻S1关断。t1t2时段：t1时刻S1关断后
26、，C1、C2与Lr构成谐振回路，谐振开始时uA(t1)=Ui（图2.1中A点的电压），在谐振过程中，uA不断下降，直到uA=0，开关管寄生的反向二极管VDS2导通，iLr通过VDS2续流。图2.2 移相全桥零电压软开关工作过程t2t3时段：t2时刻S2开通，由于VDS2导通，因此S2开通时电压为零，开通过程中不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到t3时刻S4关断。t3t4时段：t4时刻开关S4关断后，C3、C4与Lr构成谐振回路，谐振过程中iLr不断减小，B点（如图2.1）电压不断上升，直到开关管寄生的反向二极管VDS3导通；这种状态维持到t4时刻S3开通，S3开通时VD
27、S3导通，因此S3是在零电压的条件下开通，开通损耗为零。 t4t5时段：S3开通后，iLr继续减小，下降到零后反向，再不断增大，直到t5时刻iLr=IL/kT，iVD1下降到零而关断，电流IL全部转移到变压器副边的整流二极管VD2（如图2.1）中。 t0t5时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期t5t0时段中，电路的工作的过程与t0t5时段完全对称。从以上分析，可以得到以下结论：全桥逆变电路其开关器件能在零电压的情况开通，是通过谐振电容（与开关管并联的电容）和谐振电感（串联电感）的谐振作用，当谐振电容电压过零是，开关管内部寄生的二极管开通，将漏源两端的电压钳制为零伏，此时将开关管开通，变
28、为零电压开通。使开关管的损耗在理论上几乎为零。第3章 PWM控制芯片UC38253.1 UC3825简介UC3825是一款针对开关电源的高频率高效率PWM控制芯片，它使用电压控制模式，其最高工作频率可达1MHz，带有基准电压输出、软启动和过流保护模块。其脉宽比较器的输入端可以用负载输出的电压信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。使用UC3825的开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都较高。因此UC3825是比较理想的PWM控制芯片。3.2 UC3825的基本特性UC3825的封装形式与引脚图如图3.1所示，下面介绍各引脚的功能：（
29、1）引脚1（INV）：闭环系统中接反馈信号，为误差放大器反相输入端，用于形成电压比较电路。（2）引脚2 (NV)：此脚为与INV端行比较的误差放大器同相输入端。通常是设置的基准电压。图3.1 UC3825的封装与引脚图（3）引脚（3E/A Out）：与INV端构成比例积分反馈电路的误差放大器的输出端。（4）引脚4（Clock）：两片PWM芯片链接运行时，提供给芯片同步时钟信号的时钟输出端。输出与震荡频率一致的时钟信号。（5）引脚5和引脚6 (CT和RT)：这两脚设置芯片的工作时钟，通过接不同的电容和电阻，形成不同的锯齿波信号。（6）引脚7（Ramp）：此脚为斜坡补偿端。（7）引脚8 (Soft
30、 Start)：此引脚接一个电容，在整个电路上电时可以抑制电路的冲击电流，为软启动端，有保护功率元件的作用。（8）引脚9 (ILIM/SD)：此引脚具有过流保护的功能，只要将输出电流反馈至此端，当电源输出短路情况或者输出电流过大出时，即一旦超过内部设定值，芯片可以迅速封锁输出，让整个电路处于关闭状态。（9）引脚10，引脚13和引脚15（Gnd，Pwr Gnd和Vcc）：这些脚分别接信号地，功率地，和电源电压。（10）引脚11和引脚14（Out A和Out B）：这两脚输出互补的高低驱动脉冲信号。（11）引脚13和引脚16 (Vc和Vref)：引脚13是为了能够获得足够的驱动能力或者配合不同的驱
31、动电压等级设置的驱动电路的电压输入端，设计者可以随意调整。引脚16为稳定的5.1V基准电压输出端。UC3825具有的特点：（1）既能作为电压型控制器，也可作为电流型PWM集成控制器。（2）实际工作开关频率高达1MHz。（3）传输延迟时间为50ns。（4）双推挽大电流输出，峰值可达1.5A。（5）内部有宽频带误差放大器。（6）双脉冲抑制和完全锁存的逻辑电路。（7）电流脉冲的逐个限制。（8）最大占空比的设置和上电软启动。（9）精度高达1%的参考电压。（10）1.1mA的低启动电流和欠电压时的锁定。3.3 UC3825的工作原理UC3825的内部电路包含多个功能的子模块，有锯齿波和时钟产生，误差放大
32、与比较，电源和内部故障检测，软启动，过流保护和输出逻辑控制驱动等模块，框图如图3.2所示。图3.2 UC3825的内部电路框图1.锯齿波和时钟产生模块。此模块的逻辑电路如图3.3所示。引脚5接芯片内部3V的稳定电压，引脚6接芯片内部的一个恒流源。如果引脚5和对地端接上一个电阻，电阻上就会流过电流Ir，芯片内部经过检测引脚5上的电流而产生一个与之一样的恒定充电电流Ic=Ir。如果在引脚6和对地端接一个电容，这个充电电流Ic就对电容C进行恒流充电，CT端电压就会呈线性的斜坡增加（如图所示），在刚开始的时候，引脚6端电压较低，与之连接的电压比较器输出为低电平，图中的两个三极管截止。可是当引脚6端的电
33、压大于迟滞比较器的预定值时，电压比较器的输出跳变为高电平，使两个三极管迅速开通，与引脚6连接的三极管使电容C中的电荷迅速释放，与引脚4连接的三极管开通，Clock端就输出高电平。当外接电容的电压降至使迟滞比较器的输出为低电平后，两个三极管截止。然后外接电容重新进行恒流充电，电路进入下一个工作周期，线性度良好的锯齿波信号就是在这样过程中不断产生的。图3.3 锯齿波和时钟产生电路2.误差放大与比较模块，此模块构成如图3.2所示，由引脚1,2,3连接成的一个反相误差放大器和一个电压比较器组成。电压比较器通过误差放大器将电路输出的电压信号转换后与引脚7接入锯齿波电压相比较，随之输出高低电平。由此可得：
34、比较器输出的高低电平时间是由误差放大器的输出电压与锯齿波电压相比较决定的。若误差放大电压越小，比较器输出的高电平时间越长，反之越短。由此就形成了工作波形如图3.4所示的基本PWM控制功能。3.电源欠压保护和内部故障检测模块。如图3.2下方所示，两个电压比较器组成了此模块的功能。电源欠压保护通过输入电源电压与一个9V的稳定电压进行比较实现，内部故障检测通过由稳压器得到的基准电压与一个4V电压进行比较实现。只有当电源电压和基准电压都正常稳定时，后方电路才正常工作，从而使芯片正常工作。如果有一个电压不稳定，后方电路就会使输出驱动电路停止工作，从而达到保护主电路的目的。4.软启动模块。因为整个电路刚上
35、电的瞬间，电路输出电压值很小，反馈给给误差放大电压值比较大，误差放大的电压接近饱和，进而使输出端的占空比接近最大，使驱动电路输出电压极高，形成很大的冲击电流，很有可能会损坏开关器件。软启动模块是就是在引脚8外接一个充电电容，使该脚上的电压不能突变为0V。在电路刚上电时封锁了误差放大器的电源地，使误差放大器在这一瞬间丧失作用。然后芯片内部的恒流源持续对引脚外接的电容进行充电，使“inhibit”三极管基极电压逐渐升高，使之逐渐导通，进而使误差放大器逐渐获得电源进入工作，输出电压也随着逐渐升高。经过一定时间的充电，三极管完全导通，此时电路输出电压已经升高到一定程度，误差放大器进入正常工作状态。5.
36、过流保护模块。此芯片引脚9与内部的一个电压比较器相连，可以将外部电路输出采样到的电流信号通过电阻变成电压信号，然后通过引脚9与一个1V电压进行比较，只要比较电压大于1V，电压比较器就输出高电平，进而封锁驱动输出电压，实现限流。如果之后输出电流还在不断增加，反馈的电压信号增大至1.4V时，则另一个电压比较器就会跳为高电平从而进一步封锁驱动电路的脉冲，实现二次保护。6. 输出逻辑控制驱动模块。逻辑控制电路由一个电压比较器，若干个或非门，SR锁存器和T触发器组成。首先，误差放大器输出的误差电压（Ue）与引脚7的锯齿波电压比较，形成脉冲宽度与比较电压的大小成比例的方波电压（图3.4中Ua波形），此方波
37、信号通过SR锁存器和一个或门，将信号传递入T触发器中。根据Ua波形的脉冲频率，T触发器的输出波形如图中Q和Q非所示，这两个脉冲电压能控制两个输出端的或非门，使他们相继开通，并且两个输出在同一个时刻不能同时导通。这种相继导通的驱动方式，正是全桥式DC-DC变换器所需要的驱动方式，这样，通过芯片内部各个模块，该芯片能够通过检测电路输出电压的大小调整驱动电路脉冲的占空比，从而调整电路输出的电压平均值，达到稳压的作用。图3.4 UC3825内部工作波形第4章 主电路的选型与设计4.1 开关电源主电路的结构设计本设计按照要求的目标完成一个交流输入采用市电，带隔离变压器的全桥式开关电源，要求其输出电压调整
38、范围为20V50V，最大输出电流4A，开关电源的效率70%。现拟采用图4.1所示的电路图，它由变压整流，输入滤波，全桥式DC-DC变换器和输出滤波电路组成，现分析其具体工作原理。图4.1 开关电源主电路图整个电路由交流220V的市电供电，通过一个熔断器FU和电阻R11电容C33输入隔离变压器T1。熔断器FU的主要起短路保护的作用，电阻R11和电容C33共同组成了输入变压器的阻容吸收装置，能够吸收电网的瞬间过电压，保护变压器。隔离变压器将220V电压转换成36V交流电，经过D1D4组成的桥式整流电路，形成脉动的直流电压。图中的电感L1和电容C1共同组成了倒L型滤波电路，主要对脉动的直流电起滤波作
39、用，这样就得到了平稳的直流电压供给DC-DC变换器。四个开关管Q1，Q2，Q3，Q4和高频变压器共同组成了全桥式DC-DC变换器，通过Q1、Q3和Q2、Q4两组开关管的轮流导通，在变压器副边绕组两端分别形成相位相反的交流电压，经过二极管D3和D4整流，然后经一个倒L型滤波电路，得到稳定的输出电压。在电路工作时，四个开关管工作在高速开关状态，因为电路中电感以及高频变压器漏感的存在，在开关管关断瞬间会产生很高的冲击电压，所以在每个开关管边并联一个阻容吸收装置，用于吸收过电压。4.2 主电路主要参数的计算1.高频变压器次级输出电压。本设计要求输出电压Uo为20V到50V可调，最大输出电流Io为4A，
40、同时，为了不使两组开关管Q1，Q2或Q3，Q4同时导通而发生短路的情况发生，必须设置一定的死区时间，即设置一组开关管的最大占空比，这里定。所以，高频变压器的次级输出电压应能够在最大输出占空比的情况下能够保证=50V，并且不能忽略二极管的压降，即：（4-1） 式中为整流二极管D3和D4的压降，取1V。2.高频变压器初级输入电压。隔离变压器次级输出的交流36V电压经桥式整流和倒L型滤波，得到稳定的直流电压，考虑10%的线路损耗，这样就可以得到高频变压器初级输入电压，即： （4-2） （4-3）式中：为MOSFET的导通压降，通常取为2V。由此可得高频变压器的匝数比： （4-4）3.输入功率和输出功
41、率。根据电路的最大输出电流和最大输出电压，可以得出电路的最大输出功率，即： （4-5）电源电路的输入功率等于开关电路的输出功率加上电路的损耗及控制电路所消耗的功率，可近似的当做线路的总体损耗来计算，考虑10%的电路损耗，得: （4-6）其中：，。4.开关电路的工作频率。基于人的听力范围为20Hz到20KHz，开关电路工作频率应大于20KHz。因为开关电路工作时，频率如果低于20KHz的话，高频的噪声就会被人体感觉到，造成不良的影响。再者，开关频率的提高能够减小滤波电感电容的大小，以及高频变压器的体积，从而使高频率的开关电源能够做的很小。通过图3.4的芯片工作电压波形可以发现，芯片震荡频率为芯片
42、实际输出的驱动电压波形频率的两倍。所以在设置芯片的工作频率就就要使其为大于40KHz，因为电路在有一个周期驱动是不工作的。从芯片资料可知UC3825是实际工作频率可以达到1MHz的高频率的PWM控制芯片，能完全满足设计的要求。基于频率越高，开关损耗越大的考虑，这里初定芯片工作频率为80KHz。由图3.3的锯齿波形成电路可以得出，充电电容的放电可以近似看成是恒流放电，从芯片资料中查得其放电电流为10mA，这样就可以算出充电电阻及电容的值： （4-7）由于没有的电阻供选择，取， （4-8）由于没有10.4nF的电容器供选择，取的容量为10nF，则电路的实际工作频率为： （4-9）可得开关管的工作频
43、率为 ，满足设计要求。4.3 高频变压器的计算与设计开关电源的核心部分，承担了主要功率变换的作用是高频变压器，全桥式DC-DC变换器实际上就是一个中心带抽头的高频变压器。因为开关电源的工作频率远远大于工频，本设计中已经达到了83KHz，它的工作状态不同于普通的工频变压器。其磁性的材料，绕组都需要重新计算和设计。1.变压器磁芯的选择。因为变压器在高频开关状态下工作，为了变压器磁芯能在这种高频率的工作电压下能快速恢复，就要求其具有很好的去磁能力，还有工作的磁滞回线包围的面积要尽量小。于是，本设计选用TDK公司生产的PC40型铁氧，它是低磁导率的铁氧体磁芯，具有优良磁导性能，可以适应高工作频率、宽范
44、围工作电压、大功率输出，而且具有适用范围广、热稳定性能高等特点。输出功率很大程度上决定了磁性的大小型号，电路的输出功率越大，磁芯的体积也就越大，本设计要求的输出功率Po=200W，所以需要计算磁性的最大输出功率来确定磁芯的大小型号。表4.1 EI型铁氧体磁芯的主要参数图 4.2 EI型铁氧体磁芯外形表4.1为EI型铁氧体磁芯的主要参数，其中：Ae为磁芯的有效截面积，AL为磁芯无气隙时的等效电感，Le为磁路长度。图4.2为EI型铁氧体磁芯的外形尺寸，接下来计算各种型号磁芯的输出功率，通过查资料得工程上，可以根据式（4-10）进行近似计算。 （4-10） 式中：m为系数，对于推挽式电路取3.2；f
45、为变压器开关的频率，单位Hz；Ae为磁芯有效面积，单位CM2；AW为磁芯的窗口面积，单位CM2。选择EI50型磁芯进行计算，由表中查得：，由式（4-10）算得：通过以上计算可以得出：本设计选用EI50型铁氧体磁性就可以满足电路输出功率的要求。2.变压器初级绕组匝数。变压器初级绕组的匝数与最大工作磁通密度（高斯）之间的关系为： （4-11）式中，S为磁芯的有效截面积（），为开关管的最大导通时间（s），为初级输入的最小电压。图4.3为PC40铁氧体磁芯的B-H特性曲线，设定变压器的工作温度为100，此时铁氧体磁芯的饱和磁通B=0.4T，为使变压器工作在线性状态下，其B-H曲线要呈线性状态，一般取。由式（4-11）和式（4-12）求得变压器初级绕组匝数N1：图4.3 PC40铁氧体磁芯B-H曲线 （4-12）3.变压器次级绕组匝数。由式（4-4）求得的匝数比可以得到变压器的次级绕组匝数N2： （4-13）由此可以得出，高频变压器的初级绕组绕8匝，两个次级绕组各绕19匝，就能够满足设计要求。4.绕组导线规格。确定了变压器的初级和次级绕组匝数，接着就要确定绕组导线。一般频率高于20KHz的变换器，因为集肤效应的存在，导线的交流电阻变大了，并且电流密度在导线截面上分布十分的