200W输出可调型开关电源 工业电气自动化专业毕业设计 毕业论文.doc

河南机电高等专科学校毕业设计论文设计题目：200w输出可调型开关电源设计者：xxx指导教师：xxx电气工程系工业电气自动化专业xxx班xxxx年x月x日毕业设计任务书指导教师职称教研室学生姓名班级田效伍讲师自动化贾军辉自动化215设计题目：200w输出可调型开关电源设计时间：二零零四年三月至五月设计任务：1、研究开关电源的工作原理。 2、研究开关电源高频变压器的设计方法。 3、设计200w输出可调型开关电源的硬件电路。毕业设计成绩教师评阅成绩指导教师认定成绩小组答辩成绩答辩时间答辩委员会评定成绩答辩委员会主任(签名)本页内容由指导教师亲自填写河南机电高等专科学校毕业论文摘要由于新的电子器件，新的电磁材料，新变换技术，新控制理论及新的软件，不断地出现并应用到开关电源的缘故。使得开关电源更上一层楼，达到频率高，功率密度高，功率因数高，可靠性高。开关电源的种类很，本次设计仅针对正激式变换器电路所设计的开关电源电路。从整体来看，该设计电路与其他的开关电源电路没有很大的变化。就局部来看，电源电路由整流、滤波、变换电路组成。变换电路中由mosfet管作驱动，与其他开关电源电路不同的是采用了sg1525a芯片。第一章是概论部分，概述了开关电源的特性以及环境影响.第二章详细地对整流、滤波电路进行介绍。然后，对正激式变换电路进行分析。通过对它的分析，进一步讲述200w输出可调型开关电源的总体设计方案，从该电路的工作原理开始，逐步分析之后。又研究了 开关电源高频变压器的设计方法。通过一个例子讲述了变压器的设计过程。设计200w输出可调型开关电源中运用了一个新的芯片。因此，第三章又对该芯（sg1525a）片进行介绍。该电路中的驱动电路中运用了mosfet管，因而也对该管也有简单地介绍。最后一章对该设计的开关电源是否满足你对它的要求进行检验，这一章主要是对设计电路的检验。从几个方面进行考虑。分析设计电路的可行性。目录第一章概论 11.1开关电源的概述 11.2电气技术指标 11.3机械结构 41.4环境条件 4第二章200w输出可调型开关电源的总体设计52.1工作原理52.2电路分析52.3变换电路82.4使用mosfet管正激式变换电路 14第三章开关电源电路局部器件 163.1集成控制器163.2功率mosfet管18第四章200w输出可调型开关电源的实验结果22主要参考文献27河南机电高等专科学校毕业论文第一章 概论1.1 开关电源的概述开关电源是调整元件工作在开关状态的一类电源。由于它们具有体积小、重量轻和效率高等优点，因而发展非常迅速，应用范围日益扩大。按照输出是否与由调整元件（开关元件）等构成的其他部分隔离，这种电源可分为非隔离型和隔离型两种类型；按照开关元件的激励方式，可分为自激式和他激式类型；按照调整输出电压的方式，可分为脉宽调制（pwm）式、频率调制式和脉宽频率混合调制式三各类型；按照电源的输入，可分为ac/dc和dc/dc两种类型；按照开关元件的连接开工，可分为串联型和并联型两种类型。开关电源还可按其他方式分类，这儿不再一一列举。1.2电气技术指标1.2.1 输入技术指标作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范围、频率输入电流等。输入电源一般为单相2线制和3相3线制，还有单相3线制及3相4线制等。电源的额定电压因各国或地区不同而异，例如，美国规定的交流输入电源电压为120v，欧洲220240v，日本为100v及200v，我国为220v及380v。，输入电压的变化范围一般为10%，加上配线路径及各国的具体情况，输入电压的变化范围多为15%，10%。开关电源的输入几乎都是用电容进行平波的电容输入方式，因此，有高次谐波失真带来的电压尖峰的问题，但通常在正弦波的情况下保证上述给定的指标。3相输入时虽有相电压的不平衡，但规定在输入电压的变化范围之内。工频频率为50 hz或60 hz，在频率变化范围不影响开关电源的特性时多半为4863hz。还有船舶用的特殊电源频率为400hz，但因输入电容滤波器的电容电流及输入整流二极管的损耗增加等，降低了效率，若考虑要满足emi的规定，可以采取措施减小此影响。开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时，输出电压及电流为上限值时的输入电流。额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流为额定时的电流。开关电源的输入平波方式是电容输入方式，有较大的峰值电流，要有考虑电流的波峰系数（最大值/有效值之比，通常为3.5）以及功率因数的规定。输入电压瞬时跌落或瞬时断电时，在额定输出电压与电流条件下规定的输入电压是额定输入电压。瞬时断电有10ms与20ms，若实用时按规定瞬时断电，多数情况下不会有问题。在输入的下限，输出保持时间变得很短，但100%输出时，在较低额定输入条件下，实用上问题也不大。在规定的时间间隔对输入电压进行通断时，输入电流达到稳定状态之前流经的最大瞬时电流为冲击电流。对于开关电源是输入电源接通时与其后输出电压上升时流经的电流，这是由于输入开关的承受能力所限制，峰值电流，由于每隔几十秒通断时防止功能不能动作，因此，也要规定通断的重复时间。漏电流是流经输入侧地线的电流，从安全考虑一般规定为0.51 ma。效率是指输入输出为额定值时，其输出功率与输入有效功率之比值。效率随输出电压、电流与输出路数及开关方式不同而异，多为70% 80%。并随输入与输出的条件而变化，因此，要注意电子设备的散热条件等。1.2.2 输出技术指标输出端的直流电压的值称为额定输出电压，对于其公称电压规定有精度与纹波系数等。额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电流不变。市售的开关电源产品为其使用通用性，多是在初级侧允许功率范围以内，增大次级侧各路输出功率。稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率，输出电压变动有多咱原因。例如：（a）静态输入电压的变动，这是指在其他指标为额定情况时，在规定的范围内输入电压缓慢变动时输出电压的变动。（b）静态负载的变动，这是指其他指标为额定条件下，输出电流在规定的范围内缓慢变动时的输出电压的变动。在规定负载变动范围，由于多路输出的条件有非稳定输出的情况，包括规定最低负载电流。最低负载电流以下的规定精度一般是指保护功能不动作的范围内的情况。另外，对于多路输出的电源，电路方式的不同也会以其他输出负载变动的影响。（c）环境温度的变动，这是指在规定的温度范围内，其他指标为额定值时输出电压的变动。（d）初始特性的变动，这是指输入输出为额定时，接入输入电源之后到规定时间旱输出电压的变动，多为接入输入电源后30分钟时的值。（e）经时特性的变动，这是指输入输出为额定时，接入输入电源后的规定时间到下一次规定时间时输出电压的变动，也称为长时间特性的变动，一般多为接入电源后30分钟到8小时的值。（f）动态输入电压的变动，这是批以规定的变化幅度输入电压急剧变化时输出电压的变动，一般是把输入电压的上限与额定输入电压以及额定输入电压与输入电压的下限作为变动幅度。（g）动态负载的变动，这是指规定的变化幅度，输出电流急剧变化时输出电压的变动，后述的脉冲负载的规定等情况除外。输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度下，由外部可能调整的输出电压范围，一般为5%或10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值。若由电子设备的结构决定负载电流时，输出电流的变动范围则是电流变动较小的负载、感性负载等冲击电流较大的脉冲式负载的电流变动范围。纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量，有峰峰值表示，一般为输出电压的0.5%以内。噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分量，也用峰峰值表示，一般为输出电压的1%，也包括与纹波沿用明确区分的部分，规定是纹波与噪声总合值，多数场合是规定皮噪声总合的情况，为输出电压的2%以内。1.2.3附属功能（a）过电流保护输出短路或过负载时对电源或负载要进行保护，即为过电流保护。保护特性有额定电流下垂特性，即字型特性、恒流特性、恒功率特性，多数为下垂特性。过电流的设定值一般为额定电流的110%130%。但在不损坏电源与负载的范围内，特别不规定短路保护时，电流值的情况也很多。一般为自动恢复型。（b）过电压保护过电压保护就是输出端出现过大电压时对负载进行保护的功能，过电压保护值一般规定为额定输出电压的130%150%。对于输出电压可调范围比较大的电源，过电压保护值规定为电压上限时不会发生误动作即可。发生过电压时使开关电源停振，断开输出。恢复的方法一般是再接通输入电源或加复位信号使开关电源恢复正常工作状态。（c）欠压保护在输出电压达到规定值以下时，检测输出电压下降值，为保护负载以及防止负载误动作，使电源停止工作，并送出报警信号。（d）过热保护电源内部异常或使用方法不当，电源温升超过规定值以上时，电源停止工作，并送出报警信号。强制风冷情况下，当冷却功能异常时，多数情况规定使用部件最高温度以内使电源动作。（e）远程通/断控制规定由外部信号通/断电源的输出所采用的装置，例如，采用ttl等半导体器件或继电器与开关等开环通/断控制。还必要规定采用继电器与开关时的机械振荡持续时间。（f）顺序不仅要规定输出电压的上升与下降时间，还要规定电源准备就绪的各种信号。（g）远程检测用输出端到电压检测点的输出引线对电压降进行补偿对于大电流与高精度输出的电源这种功能不太适用。该功能的补偿电压降一般为额定电压的5%，在输出电压的可调范围内。时要根据负载条件而定，以免引起振荡等故障。（h）接口规定输入、输出以及信号等用端子，除端子开关、配列形式与接插件的名称以外，还要标记端子的编号。这时输入部与输出部及信号端子要很好分离开。有接任件时要标记对方的编号，以免弄错。（i）绝缘用500v摇表测得输入端与框体间以及输入输出端子间绝缘电阻一般要为50m以上，用100v摇表测得输出与框体间绝缘电阻一般要为10m以上。绝缘耐压根据输入电压的不同而异，但除各种安全规格规定以外，输入在子间以及输入与框体间每分钟为交流1000v、1250v或1500v，输出与框体间一般没有其他特殊的规定。输出端子间必要时要规定特殊的绝缘。1.3 机械结构机械结构规定的项目有：机箱的开关，外形尺寸与公差，装配位置，装配孔及螺钉的长度等，框体的材料及表面处理，冷却条件，如强制风冷还是自冷、通风方向与风量及开口尺寸，机外温升，接口位置及显示，操作部件的位置及文字显示的位置、重量等。1.4 环境条件规定的使用温度范围随使用场所不同而异，一般为550，保存温度一般为2575。在温度急剧变化的场所使用时，有必要规定温度斜率，一般为15/小时以内。规定的使用温度范围一般为20%85%，保存温度范围一般为18%90%，结露时必须有相应指示。一般规定常温与常湿的环境为1535及25%85%。对于耐振动的规定，多是在振动频率为1055hz时，工作时耐振动力为0.51.0g，不工作时为2.54g。耐冲击的规定随电源产品不同而异，为10100g数量级。第二章200w输出可调型开关电源的总体设计2.1工作原理图21是说明开关电源的框图和波形图。图21（a）由开关元件、控制电路和滤波电路三部分组成。开关串联在电源的输入和负载之间，构成串联型的电源电路。实际的开关元件常常是功率开关晶体管或mos场效应管。它在控制电路的控制之下，或者饱和导通，或者截止。开关接通时，uduin，输入电压uin 通过滤波器加在负载电阻上。开关截止时，ud 等于零。开关交替通断，则在滤波器的输入端产生矩形脉冲波。此矩形脉冲再经滤波电路滤波，即可在负载两端产生平滑的直流电压uo 。很明显，直流电压uo 的大小与一个周期中开关管接通的时间ton成正比。ton越长，uo越大。因为开关管截止时，从扼流圈流过的电流不能立刻降到零，故增设了一只续流二极管，为此电流提供一条返回通路。图2-1开关电源 （a）框图 (b)波形图2.2电路分析2.2.1整流电路整流电路是利用二极管的单向导电性，将交流电压变换成单向脉动电压。一. 桥式整流简介图22是单相桥式整流电路，它由整流变压器、整流元件二极管d及负载电阻rl组成。由于4只整流二极管d1d4接成桥形，故有桥式整流电路之称。图22单相桥是式整流电路设整流变压器副边电压为：当u2在正半周时，a点电位高于b点电位，二极管d1，d3受正向电压而导通，d2，d4受反向电压而截止。电流i1的通路是ad1rld3ba，如图21中实线箭头所示，这时负载电阻rl上得到一个半波电压u01。当u2在负半周时， b点电位高于a点电位，二极管d2，d4导通，d1，d3截止。电流i2的通路是bd2rld4 ab，同样，在负载rl上得到一个半波电压u02。 可见，变压器副边交流电压的极性虽然在不停地变化，但流经负载电阻rl的电流方向却始终不变，rl上得到一人全波电压u0。二. 整流电压、整流电流平均值的计算整流电路负载上得到的是方向不变而大小随时间变化的单向脉动电压，通常用一个周期的平均值来衡量它的大小。如图23所示，使矩形面积等于半个正弦波与枢轴所乌黑的面积，则矩形的高度就是这个半波的平均值u0，又称为恒定量或直流分量。图2-3半波电压uo的平均值平均值的数学表达式为单向桥式整流电压的平均值为（21）负载上的直流电流平均值为 （22）三. 整流二极管的选择二极管主要根据流过管子的正向平均电流和所承受的最高反向电压来选择。在桥式整流电路中，二极管d1，d3，和d2，d4是轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为负载电流的一半。（23）二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压如图113（e）所示，其大小均为电源电压u2的最大值。如当d1和d3导通时，截止管d2和d4的阴极电位为a点电位，阳极电位为b点电位，所以d2，d4所承受的最高反向电压udrm为2 u2，即 （24）选择二极管时，其最大整流电流要大于id，其最高反向工作电压应大于udrm。桥式整流电路的优点是输出电压脉动较小，管子承受的反向电压较低，变压器的利用谐调。因此，这种电路被广泛用于小功率整流电源。电路的缺点是二极管用得较多。2.2.2 滤波电路整流电路输出的电压是一个脉动电压，含有较强的交流分量。这样的直流电源公在某些要求不高的设备中（如电解，蓄电池充电）可以使用。而大多数要求直流电压比较平衡的设备就不能使用。因此要加接滤波装置，使输出电压的脉动程度降低。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、电感电容滤波等。本节着重分析电容滤波电路。一. 电容滤波电路电容滤波电路是在整流电路的输出端与负载并联一个电容器构成的，图22是具有电容滤波的单单相桥式整流电路。电容滤波电路是依据电容两端电压不能突变的特性而工作的。 图24单相桥式整流电容滤波电路对上图分析，可知带电容器滤波的整流电路具有如下特点：1.输出的直流电压脉动减小，电压平均值提高。输出电压的脉动程度与电容器的放电时间常数rl c有关。rl c 越大，脉动就越小，负载电压平均值就越大。为了得到比较平衡的输出电压，一般要求rlc（35）t/2 （25）式中t是电源交流电压的周期。通常取u0 （1.11.2）u2（26）2.二极管导通时间缩短，导通角小于180，流过二极管的电流幅值增加而形成较大的冲击电流。由于在一个周期内电容器的充电电荷等于放电电荷，即通过电容器的电流平均值为零，可见在二极管导通期间其电流id的平均值近似等于负载电流的平均值il，因此id的峰值必然较大，产生电流冲击，容易使管子损坏。因此，在选用二极管时，一般取额定正向平均电流为实际流过的平均电流的2倍左右。单相桥式整流电路带电容滤波后，二极管承受的最高反向电压udrm仍为2 u2。3.输出的直流电压平均值受负载的影响较大。图2-5外特性曲线负载直流电压u0与负载电流il的变化关系曲线称为外特性曲线。图25是图24电路的外特性曲线。在空载（rl）和忽略二极管正向压降的情况下，u0 2u2 1.4u2，随着负载的增加（il增大，rl减小）一方面放电回忆，另一方面整流电路内阻压降增加，它们均使u0下降。与无电容滤波时相比，外特性曲线变化较大，即外特性较差。当il增大时u0下降较大，也即电路带负载能力较差。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小（数十毫安）并且变化也较小的场合。2.3 变换电路2.3.1 隔离型变换电路与非隔离型电源的基本电路相比，变压器耦合具有如下优点：（1）输出在电气上与输入隔离。（2）通过选择匝比，可产生与输入电压差别很大的输出电压；而基本的降压型、升压型和倒置型电路的输出电压在1/10或10倍输入电压之内。以变压器耦合后，隔离型电路已不再受基本电路的极性和升降压型的限制。（3）次级可绕制一个或一个以上的线圈，以此获得一个或多个输出。然而，变压器的引入显著增加了开关电源的尺寸和重量，电路的损耗也增加了。而且，变压器泄漏电感还可能在电路内导致高的电压尖峰脉冲。根据能量传递方式上的差异，隔离型开关电源可分为正激、推挽、半桥、全桥和反激等五种基本电路。下面分别讨论这些电路，然后，列表比较它们的主要性能。2.3.2单端正激变换器的设计的概述图26示出单端正激变换器主回路图。它是在buck电路的开关s与续流二极管d之间加入单端变压隔离器而得到的。图26 正激变换器主回路电路图由于正激式变换器的隔离元件t1纯粹是个变压器，因此在输出端要附加一个电感器l作为能量的储藏及传送元件。电路中必有一个续流二极管，同时也要注意到变压器原边和副边线圈具有相同的同铭端。由于是正激工作方式，副边有电感器，折算至原边电感量较大。一般电感量越大越好，使得ip较小。变压器t1的另一个绕组p2与二极管d1串联后接至vs。这个绕组主要起去磁复位的作用。2.3.3 单端正激变换器的设计的工作原理对于正激变换器，在原边绕组接向电源vs的同一时间内，副边绕组把能量传递到输出端。当tr关断时，续流二极管d3和储能元件l构成放能的回路，继续对负载电阻r0供能。当晶体管tr导通时，设副边电压为vs，则电感l内的电流将直线增加，如下式所示：（27）当晶体管tr关断时，由于反激作用，电感上电压反向，d3导通，构成续流回路，而电感上的电压等于输出电压v0（忽略二极管压降），l上电流il的衰减由下式定义：（28）由上式可知，电感l的大小，只是影响，或者说，影响电流的峰峰值。也可看出电感电流平均值就与输出电流i0相等。正激变换器输出电压的大小取决于变压器的匝比和晶体管tr的导通占空比： （29）式中副边与原边的匝比；导通时间与周期的比，即导通占空比；vs原边绕组施加的电源电压（v）。当输入电压及占空比固定时，输出电压与负载电流无关。因此，这个电路结构提供了特有的低输出阻抗的特点。下面分析一下电感线圈限制因素。一、 电感的最小值与最大值l的最小值一般由所需维持最小负载电流的要求来决定。电感l中的电流分连续和不连续两种工作情况。不论何种情况，只要输入输出电压保持不变，电流小型的斜率不会因负载电流的减小而改变。如果负载电流i0逐步降低，在l中的波动电流最小值刚好为0时，即定义为临界情况。这时，临界负载电流ioc（等于平均波动电流，或电流峰峰值的一半，即：（210）当i0ioc时，il将进入电流不连续状况。否则，为连续状况。在临界点上下，传递函数是突然改变的。当高于临界电流时，输出电压与负载电流变动无关（参见3-9式）。当低于电流时（不连续工作状况），研究表明为达到稳压效果，占空比调节量由负载和输入电压变量共同决定。图27为单端正激变换器闭环控制电路图。图中cc是支磁复位绕组p2的分布电容。连续状况的传递函数有两个极点；不连续状况只有一个极点，如要在状态转换中都能稳定工作，必须小心进行设计。l值的另一限制因素将出现在应用于多输出电压的情况。因为控制环只与一个相关的输出端闭环，当此输出端电流低于临界值时，占空比将减小以保持此输出端输出电压不变。对于其它辅助输出端，假定其所带的是恒定负载，在上述占空比下降的情况下，其电压也下降。很明显，这不是我们所希望的。因此，在多输出电压时，为了保持辅助输出电压不变，l值就大于所需最小值。也就是，如果辅助电压要保持在一定的波动范围内，则主输出的电感必须一直超过临界值，即一直在连续状态。图27 单端正激开关电源电感的最大值通常受效率、体积、造价的限制。带直流电流运行的大电感造价是昂贵的。从性能角度看，l过大则限制了负载出现较大瞬时变化时输出电流的最大变化率。二、 多路输出只要增加变压器的副绕组、电感器和二极管就可以得到多路直流电压输出。每个绕组将遵循正、反向伏秒值相等的原则。倘若负载在合理范围变化时，如果主输出电压不变，辅助输出也将不变。若某一输出负载降到电感临界电流以下，这线路的输出电压将上升。最后，在负载为零时它将等于变压器副边峰值电压。由于正激变换器负载电流低于临界电流时输出电压升高，因此，应使最小负载电流仍在电感临界电流值之上。这是设计时要注意的。若有负载为0的情况时，则只能加固定电阻作为假负载，以求得电压的稳定。多路输出时也可以用电感耦合的方法来解决，或者充分利用一个有抽头的副边绕组，正半波时接到一组滤波器得到正输出电压；负半波则接向另一组滤波器得到负输出电压。这时，正、负输出电压是共地的。三、 能量再生线圈p2的工作原理在tr导通时，变压器接受的能量除磁化电流外都传递到输出端。在tr关断，反激作用期间，输出二极管d1反偏而不可能有钳位作用或能量泄放的回路。磁化能量将引起较大反压加在tr的集射极之间。为防止高反压的出现，设置“能量再生线圈”p2，经二极管d3，使储存的能量返送回电源vs中。只要有n p1np2的关系，d3流过电流时，vp2vs，tr上承受的集射极电压为2vs。为了避免在p1和p2间存在的漏电感过大和因此产生的晶体管集电极的电压过高，一般采用原边绕组p1与能量再生线圈p2双线并绕的方法。在这种配置中，二极管d3接在能量再生线圈（图示位置）是非常重要的。理由是，双线并绕引起的内部杂散电容cc是tr集电极与p2、d3连结点之间的寄生电容。按图22按法，在tr导通时因二极管d3反向，而隔开了集电极，没有任何电流在tr瞬时导通时流进cc中。（注意，线圈p1和p2的非同铭端同时变负，而且cc的两端电压不会改变）。另外，在反激期间，cc提供晶体管tr的钳位作用，任何过电压的趋势将引起cc流过电流，而且经d3反馈到电源线上。如果寄生电容不够大，只靠磁耦合钳位电压超值时，常可在cc位置外接电容补充，以改善其钳位作用。然而，如果电容值太大。会使得输出电压线上有vs电压纹波频率调制的电压分量，所以要小心地选用附加电容cc。由于存在高电压vs时双线并绕之间电压应力较高的情况，常要求有较高绝缘处理。然而，如果确实采用钳位电容时，能量再生绕组也可以不用双线并绕，而绕在另一绝缘层。这在没有削弱钳位作用的情况下减少了电压应力。另一方法，可以使用低耗能量缓冲器线路。四、 正激变换器的优缺点主要是与同容量的反激变换器相比较。1. 优点（1）正激变换器的铜损较低。因为使用无气隙的铁芯，电感值较高，原边与副边的峰值电流较小。因此，铜损较小。在多数情况下，减小程度不足以允许使用小一级尺寸的铁芯，但会使变压器的温度稍为降低一些。（2）副边纹波电流明显衰减。因为，在一定输出负载时，输出电感器和续流二极管的存在使得储能电容电流保持在较的数值上。正激变换器的能量储存于输出电感器是有利于负载的，储能电容可以取得很小，因它只用和来协助降低输出纹波电压。而且相对反激变换器而言，电容上通过纹波电流定额值要求小一些。（3）开关管tr的峰值电流较低。理由同（1）。（4）因为纹波电流小，波电压小。2.缺点（1）因为线路复杂，元件成本增加，工时增加，成本上升。（2）因为l进入不连续状态时，在辅助输出绕组上产生过电压。如果加假负载，则效率会有所下降。所以有可能出现输出电压升高的现象。3.应用场合在同等功率输出下，正激变换器集电极峰值电流小得多。相反，反激变换器虽然不需要电感，但有开关管（包括原边和副边绕组）和滤波电容纹波电流大的不足。一般认为，正激变换器适合应用在低压、大电流、功率较大的场合。反激变换器适用在功率较小的场合。它的单台容量虽小，但它有并联工作容易、可以自动均衡的特点。正激并联却需要均衡电路。所以多台并联时采用反激为多。在高电压应用，例如1000v以上时，也采用反激。2.3.4变压器设计方法设计方法有多种，可根据情况选择。一般从计算原边圈数开始，除了按最大占空比和正常的直流电压vs来计算原边线圈之外，正激变换器与反激变换器设计思路非常相似，一般前者原边匝数多近1倍。按上述方法设计的理由是，副边绕组都有一个电感器，当有突变负载时，输出电流的变化率受到限制。为了补偿这个缺陷，控制线路就能把占空比调到最大。在这种瞬变条件下，高的原边电压和最大导通脉宽同时加上，尽管时间很短，如果变压器设计没有考虑这种情况，也会引起磁饱和。控制电路设计为：在最大输入电压时，限制控制电路的脉宽和变化的速率，这样可防止两个参数同时在最大值。上面说过能量再生绕组的必要性，说明正激变换器的铁芯有残存能量是不好的。为了确保磁通在反激期间恢复到低的剩磁水平，并考虑偶而出现的较大磁密不致出现磁芯饱和，加一很小气隙是必要的。下面举例说明变压器设计方法，一般有两种方法。在这里只介绍一种方法。以下面的要求为例：设计电压在110/220v，工作频率32khz工，输出40v/5a的正激变换器的变压器并计算晶体管等的额定值。（1）根据输出功率选择磁芯p0=405=200(w)考虑6%的余量。 2001.06=212瓦，选择一个传递功率为212瓦的铁芯，铁芯有效截面积ae=181(mm2)。（2）选择最佳磁感应强度为避免铁芯饱和，总损失最小(铁损与铜损相等)选择工作磁感应强度变化值。在传递功率为212瓦频率32khz时，最佳(有最小损耗)磁感应强度单向摆幅值bopt150(mt)。说明推挽工作时，2150=300(mt)有最小损耗。为了有最大效率，单端正激变换器磁感应强度峰值变化也应选300(mt)。但是考虑到单端正激变换器只使用到bh特性的第一象限，如图2-4(b)，为了避免饱和，为剩磁的存在、高温效应，瞬变情况等留一些安全裕量是必要的。本例选择磁感应强度峰值的75%，即b=225(mt)。这种小于最佳磁感应强度值的设计法，叫“饱和限制法”。用此法设计的变压器参数，铁损略低于铜损。（3）计算原边绕组匝数周期时间ts= ，最大导通占空比：。当市电110（v）时，倍压整流电路所得电压vs为最小原边绕组匝数为：（211）（4）计算副边绕组匝数利用式(39)，需考虑市电110v下波动的情况，设向下波动为-20%，则：输出电压v0需考虑整流二极管和绕组的压降，设在5a时为+10%，则40v的绕组直流电压为。(5)功率晶体管的选择电流额定值通常在最大原边电流条件下，选择有较大电流增益和较好饱和特性的管子作为功率开关晶体管。 当最小线电压输入时：vs(min)=217.4(v)效率稍低，设为则=75%则输入功率 130（w）在导通占空比最大为dmax=0.5时，pi就为平均功率：（212）考虑磁化电流和纹波电流的斜率，ic应有10%的裕度ic=1.21.1=1.32(a)为了可靠并考虑调整电感量大小时电流不可避免的失控，实际选定管子电流容量至少是两倍于此值。电压额定值设市电电压向上波动18%，110v倍压整流上限值为：由于能量再生绕组工作时晶体管承受两倍vs值。同时，由于漏电感的缘故，一般会在电压最高值上出现一个尖峰值，此值随工艺水平差而增加，一般按电源电压vs的10%考虑。故：vce=2vs+0.1vs=2.1vs （213） 尚须设计正确的基极驱动小型以及缓冲器网络，使集电极电流在高电压vce出现之前，ic已降到零，否则有二次击穿(双极型晶体管)的可能。（6） 输出端电容的选择正激变换器输出电容，比反激变换器的相对小一些。因为它的选择主要是按它可提供输出纹波电压而非纹波电流。然而，若系统的电感(快速反应系统即此)则纹波电流的要求仍是选择电容的主要考虑。在电容选定后，尚就考虑负载突然转变为零时电感器中储能使电容电压上冲，交校验引起的过电压是否在允许值之内。过电压值的计算可用下面简单的方法。图28 正激变换器副边回路及电压响应曲线图2-8示出正激变换器副边电路及电压响应曲线。设有载时电压为v0，电感l流过电流为il，储有的能量；电容电压为v0，储有的能量。若rr0，当s开关打开(卸载)时，电感保持电流不变，即向电容充电，充电经t=t1后电压达vcp。此时vcp相应能量将是开关s打开前l、c的储能之和。据此：所以，电容上高压值（214）简单估算可认为s打开时l、c谐振，四分之一周期到达峰值vcp，然后c上能量消耗在电阻r上，vcp按cr时间常数下降，最终恢复到输出电压v0值2.4 使用mosfet管正激式变换电路图29是以mosfet功率管制作的正激式变换器电路。输入经整流、滤波加在变压器初级线圈和开关管v1的两端。v1在脉宽调制控制电路sg1525a的控制之下导通或截止。于是，变压器次级感应出交变电压；经l、c滤波后输出。输出电压经光电耦合器隔离后，接控制电路sg1525a的第“1”脚，并用此信号调整sg1525a第“14”脚输出脉冲的点穴比和变压器次级的感应电压，从而达到稳压的目的。图中r5、r12、c9与sg1525a配合，形成限流电路，防止电源的输出电流超过额定的输出电流。图29使用mosfet管的正激式变换器电路第三章开关电源电路局部器件3.1 集成控制器电压型pwm集成控制器sg1525asg1525a系列脉宽调制器是电压型pwm集成控制器，外接元件少，性能好，具有外同步、软启动、“死区”调节、欠锁定、误差放大以及关闭输出驱动信号等功能。1.主要特点：工作电压8v至35v;5.1v基准；振荡器频率范围100hz至500khz;分离的振荡器同步端；可调的死区时间控制；软启动时间可由外设电容值整定；逐个脉冲关闭；具有滞后电压的欠压锁定电路；防止多重脉冲的pwm锁存器；双源出/吸入驱动器。2.内部原理框图与引出端功能 sg1525a的内部原理框图如图图5-1所示。它内部含有基准电源，欠压锁丁电路、振荡器、误差放大器、脉宽比较器、锁存器，并能实现软启动和关闭控制等。图3-1内部原理图 基准电源能提供5.1v的电压。同步输入可使主电路带几个从电路同步工作，单个电路可由系统外的时钟同步。振荡器的工作频率由rt端和ct端所接的电阻和电容值来定，f=1/ct (0.7rt+3rd)，在ct端和放电端加一个电阻rd就可使死区时间在宽范围内调节，rd阻值越大，死区时间越长。在软启动端外接一个电容器就可实现软启动，电容量越大，软启动时间越长。关闭端能控制软启动电路和输出极，向关闭端加上正5v电压，则pwm锁存器就发出关闭信号使电路关闭。同时，外接的软启动电容上电荷也可通过内部电路放电，在关闭端正电压信号去除后，软启动又可起作用。欠压锁定电路在输入电压抵于正常工作电压时，使软启动电容放电，输出关断，欠压锁定电路中的500mv滞后电压使电路工作稳定。sg1525a系列电路的显著特点是在脉宽调制比较器的输出端连接一个锁存器，然后再送到双路输出的或非门。该锁存器由关断电路置位 ，并由时钟脉冲复位。这样它可保证每周期内只有pwm比较器送来的单脉冲，而将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动或振荡消除掉。当一个电流信号引起关断时，即使该信号已消失，锁存器可维持一个周期关断输出，直到下一个周期的时钟信号使锁存器复位为止。所以关断电路能有效地控制输出。 sg1525a系列电路的输出级为推挽输出，它具有500ma的负载能力。sg1525a系列电路的输出级是“非”逻辑电路，在关态时输出低电平，它适应n沟道mosfet。sg1525a系列电路的输出端功能为：1端（in-）误差放大器反向输入端；2端（in+） 误差放大器同相输入端；3端（syn）同步端； 4端（outosc）振荡器输出端：5端（ct）外接定时电容； 6端（rt） 外接定时电阻；7端（dis）放电端； 8端（ss） 软启动端；9端（comp）误差放大器输出补偿端；10端（sd） 关闭端；11端（outa）a输出端； 12端（gnd） 地；13端（uc） 集电极b输出端； 14端（outb） b输出端；15端（vcc）电源电压输出端； 16端（uref） 基准电源输出端；3.主要电气参数表32额定值参数数值参数数值电源电压（vcc）+40v功耗（ta=+25时）1000mw集电极电源电压（uc）+40v热阻（结至环境）100/w逻辑输入-0.3v至5.5v功耗（在tc=+25时）2000mw模拟电流-0.3v至+uin热阻，结至外壳60/w输出电流（源出或吸入）500ma工作温度范围-55至150基准电源输出电流50ma贮存温度范围-65至150振荡器充电电流5ma引线温度（焊接时间10s）300工作温度范围sg1525a/sg1527a-55+125sg1525a/sg1527a-25+85sg1525a/sg1527a-0+70表33推荐工作条件参数数值参数数值电源电压（+vcc）+8v至+35v吸入（源出）负载电流（峰值）0至400ma集电极电源电压+4.5v至+35v基准电源输出电阻0至20ma吸入/源出负载电流（稳态）0至100ma震荡器频率范围100hz至400khz振荡器定时电阻2000至15000欧姆振荡器频率范围0至500欧振荡器定时电容0.0013.2 功率mosfet功率场控制管简称功率mosfet，它是一种单极型的电压控制器件，不但有关断能力，而且有驱动功率小，工作速度高，无二次击穿问题，安全工作区宽等显著优点，但实现低导通电阻与高耐压较困难，目前已研制开发电流为100a，电压为1000v的功率mosfet模块。功率mosfet与功率晶体管不同，无载流注入，工作速度高，工作速度主要器件的电容的充放电时间常数所决定，与工作温度关系不大，现以图33来说明功率mosfet的开关状态。功率mosfet的漏极电流上升时间（tr）与栅源极间电压ugs变化趋势一致。也就是说，ugs的变化趋势就是通过栅极电阻rg，对电容cgs，cgd充电的时间常数。而关断时，其变化趋势由这电容的放电时间常数所决定。（a）功率mosfet的电容；（b）开关速度图34功率mosfet的开关工作状态（1）输出特性输出特性如图3-4所示。随着栅极电压的增大，漏极电流增大，但ugs10v时，漏极电流与漏源极间电压成线性关系，具有电阻特性。这斜率为mosfet的通态电阻，是导通损耗的主要因素。图3-5功率mosfet的输出特性（2）通态电阻通态电阻是影响最大输出的重要参数，在开关电路中它决定了信号输出幅度与自身损耗。通态电阻有受栅极电压支配的范围，为使通态电阻最小，上述输出特性中通态电阻范围为ugs10v。不必要时若用高电压驱动，会对电容过充电，使关断时间变长，这点需要注意。通态电阻也受到漏极电流与温度的影响。特别是温度影响较大，通态电阻随温度上升线性增大，因此，实际使用时要考虑这一点。（3）跨导表示功率mosfet的增益特性称为跨导，它定义为gfsid/ugs，一般来说，晶体管放大工作时采用这种特性，而开关工作时不大采用这种特性。（4）栅极阈值电压栅极阈值电压ugs（th）表示开始有规定的漏极电流时的最低栅极电压。阈值电压大小与耗尽区内单位面积的窨电荷数量以及氧化膜中单位面积正电荷数量有关。在工业应用中，常将漏极短接条件下id等于1ma时的栅极电压定义为阈值电压。阈值电压还随结温而变化，并且具有负温度系数，大约结温每增高45阈值电压下降10%，即温度系数为67mv/。（5）功率mosfet的电容功率mosfet的栅极有绝缘层，极间存在着绝缘电容。应用上表示这些电容为输入电容（cisscgdcgs），输出电容（cosscgdcds）和反馈电容（crsscgs），参见图36（a）。这些电容大小与偏置电压有关，cgd随漏源极间电压动态变化。因此，开关时cgd变化较大所以高电压开关工作时要注意这一点。这些电容对开关过程有直接影响，在开通延迟时间，上升时间以及下降时间，由于uds2ugs，所以，cgd较小，一般为几十pf。在关断延迟时间，由于udsugs，cgd为几千pf。（6）栅极电荷特性图36示出功率mosfet的栅极电荷特性，按照电荷量划分为三个区域。区对应着开通延迟时间；区对应着上升时间；区对应着导通期间。根据斜率cgscgddqg/dugs可计算出不同偏置条件时电容大小。另外，根据栅极驱动电路供给的功率pqgugsf较容易计算电容大小，反向偏置时，可以考虑延长区。图39示出元件电容不同时，栅极电流的大小。左图36栅极电荷右图37开关时栅极电流 （7）开关特性图38示出功率mosfet的输入电压与输出电压对应的波形关系。定义开通时间ton为从输入信号ui波形上升到其幅值的10%的时刻开始到输出信号u0波形下降到其幅值的90%的时刻为止所需的时间，ton可细分为延迟时间td和上升时间tr。定义关断时间toff为从输入信号波形下降到其幅值的90%的时刻开始到输出信号波形上升到其幅值的10%的时刻为止所需的时间，toff可细分为存储时间ts和下降时间tf。开通时间ton与功率mosfet的阈值电压，栅源间电容cgs和栅漏间电容cgd有关，也与信号源的上升时间和内阻的影响。关断时间toff则由功率mosfet漏源间电容cds和负载。图38功率mosfet的输入电压与输出电压对应的波形正向偏置安全工作区功率mosfet的正向偏置安全工作区（fb-soa）如图39所示。它是由四条边界极限所包围的区域，这四条边界极限线是：最大漏源电压线（a）；最大功耗限制线（b）；最大漏极电流线（c）和漏源通态电阻线（d）。图39正向偏置安全工作区开关电源中功率mosfet应用时应注意以下几点：栅极电路的阻抗非常高，易受静电损坏。直流输入电阻高，但输入容量大，高频时输入阻抗低，因此，需要降低驱动电路阻抗。并联工作时容易产生高频振荡。