基于TL431的反激式开关电源设计学士毕业论文.doc

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1、基于TL431的反激式开关电源设计张明志淮北师范大学物理与电子信息学院 235000摘要 本设计是基于TL431设计反馈电路的一种反激式开关电源。反激式开关电源的优点是其电路简单、体积小便于携带、输出电压稳定性高。 随着信息技术的迅速发展，反激式开关电源适用于小功率场合且易于推广使用。本电源设计主要讲述了开关电源的基础知识和反激式开关电源的基本原理设计、集成芯片的使用和外围电阻的确定、由TL431和PC817构成的反馈电路及课题研究得出的结果。文讲述了利用反激式开关电源的基本原理设计出了供非常规用电设备使用的非常规开关电源，课题研究结果得出它的输出电压稳定性高，且输出电流大，具有实用性。同时，

2、我们还可以根据本论文的设计原理通过改变占空比和芯片外围电阻值制作不同输出的开关电源（输出功率要在100W以内），供应日常生活的小功率电器使用。关键词 开关电源；反激式；TL431；UC3842；反馈电路The flyback type switch power supply design based on TL431Zhang Mingzhi School of Physics and Electronic Information, Huai Bei Normal University, Anhui Huaibei, 235000Abstract A high precise and reli

3、able single-ended flyback switching power supply was designed and made in this paper,whose current controller consisted of alinear photoelectric couple. The closed-loop feedback of TL431 was used to realize switching power supplys stable equilibrium.Compared with general switching power supply, the

4、powers had been with the advantages of high switch frequency,small switch loss, high reliability and so on.With the rapid development of Information Technology,the flyback switching power supply was used widely in low power application.The design and application of a new single-output single flyback

5、 switching power supply was proposed in this paper.The paper had been analyzed flyback switching power supply of their working principle and the basic knowledge ,and introduced a few major chip functions and the use of the pin and the research results.Of course,the realization of the feedback circui

6、t based on TL431 and PC817 was presented in the paper.An unconventional-output and single-ended flyback switching power supply was designed and made in this paper,whose the basic principle consists of the flyback type switch power supply.The article had been introduced an unconventional flyback powe

7、r supply.The flyback power supply had been with the advantage of output current large and stable voltage.Concurrently, we can also use the small power electrical appliances in the daily life,which we will make according to the principle of the flyback switching power supply in this power.Keywords Sw

8、itching power supply;Flyback;TL431;UC3842;feedback circuit目次1 绪论1 1.1 开关电源简介1 1.2 开关电源基本原理22 基于TL431的反激式开关电源设计42.1 TL431简介4 2.2 PC817简介63 反激式开关电源设计83.1 反激式开关电源主电路8 3.2 反馈电路113.3 电路检测14 3.4 辅助电源204 测试方法与数据21 4.1 测试方法与数据21结论23参考文献24致谢 25 1 绪论1.1 开关电源简介 整个通信系统的动力源是开关电源系统，开关电源系统也被称为通信系统的“心脏”，可见他占有极其重要的地

9、位。随着我国电子技术高速、迅猛的发展，越来越离不开开关电源，同时对开关电源的精度要求也越来越高。开关电源是开关稳压电源的简称，它是一种由周期性通断开关来实现控制开关电源占空比从而调整输出电压的用脉宽调制驱动功率半导体器件的电源电路1。开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路由TL431芯片检测输出电压变化，与基准电压比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整

10、输出电压大小的目的。1. 开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点：1) 功耗小，效率高。再有信号激励的情况下,功率晶体管在饱和导通与截止的卡爱管状态交替工作,转换频率可以达到几十到几百kHz。使得功率管的功耗小，因此电源的效率也得到了很大的提高。2) 体积小，重量轻。由于功率晶体管的功耗小省去散热片的缘故，同时开关电源又省去采用笨重工频变压器的缘故，使得开关管电源的体积不但减小了，而且重量也变轻了。3) 稳压范围宽。当工频电网电压变化较大或者负载变化较大时，开关电源的输出电压任然能够高效稳定的输出，因为输出电压的变化可以通过占空比或调整脉冲宽度来调节。所以它有着较宽

11、的稳压范围和良好的稳压效果2。4) 滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，滤波的效率大为提高。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量大大的缩小了。5) 电路形式灵活多样。在设计开关电源时我们可以采用反激式、正激式；推挽式、板桥式；调频型、调宽型等等。1.2 开关电源基本原理1. 开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。1) 主电路 冲击电流限幅：限制接通电源瞬间来自电网的浪涌电流。 输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍杂波反馈回电网造成污染。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电

12、。2) 反馈电路 经过输出端得到的采样电压与基准电压进行比较后，使得反馈电路起到对电源的保护作用，使得开关电源电压稳定输出。3) 检测电路 通过电路检测得到的正在运行中各种参数和各种仪表数据提供给保护电路。4) 辅助电源 除主电路外的为其他电路单元提供工作的电源。为电源提供芯片的驱动电压，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。 在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所

13、产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压3。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 2 基于T

14、L431的反激式开关电源设计2.1 TL431的简介 本设计的基准电压和反馈电路采用常用的基准稳压器TL431来完成，在反馈的应用中运用采样电压通过TL431限压。 由于TL431具有体积小，基准电压精密度高可调，输出电流大等优点，所以用TL431可以制作多种稳压器。其性能是输出电压连续可调达36V。工作电流范围可达0.1mA100mA。动态电阻典型值为0.22欧姆，输出杂波低。最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA。内基准电压为2.5V，输出电压范围宽2.536V。 TL431是美国一家公司生产稳压器。它的可调范围是2.536V，其性能优良，价格低廉，可广泛应用于单片精密电源或精密线

15、性稳压电源中4。图1 TL431的电器符号图和等效电路图图1，A为阳极，使用时需接地；B为阴极，使用时需经限流电阻接正电源，UREF是输出电压Uo的设定端；外接电阻分压器；NC为空脚5。1. TL431的等效电路图如图所示，主要包括：1) 误差放大器A端，其同向输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相则接内部为2.5V的基准电压Uref,并且使设计的端电压等于其基准电压： UREF=Uref (2-1) 通常情况下UREF也为2.5V，因此也称为基准电压。2) 内部为2.5V的基准电压。3) NPN型晶体管VT，他在电路中起到调节负载电流的作用。4) 保护二极管VD，可防止因K-A电源间极性

16、接反而损坏芯片。TL431的电路图形符号和基本接线如下图2所示。图2 TL431的电路图符号 它相当于一直可调式齐纳稳压二极管，输出电压由外部精密分压电阻设定。其输出电压公式为： U0=(1+R1/R2)*2.5V (2-2) R3是IKA的限流电阻，其稳压原理为：当Uo上升时，取样电压UREF也随之上升，使： UREFUref (2-3) 比较器输出高电平，是VT导通，Uo开始下降。反之，Uo下降会导致UREF也下降，从而使： UREF Uref (2-4) 使比较器在次翻转，输出变成低电平，VT截止Uo上升。这样的循环下去，从动态平衡的角度看，就迫使Uo趋于稳定，从而达到稳压的目的6，并且

17、使： UREF=Uref (2-5)在本设计中就是利用TL431和PC817光耦构成反馈电路，其工作原理就是当输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431的基准电压2.5V进行比较，在阴极上形成误差电压，使LED的电流发生变化，再通过光耦把误差电压改变UC3842芯片控制端的电流大小，调节UC3842的输出占空比，从而达到稳压的目的。 具体工作原理： 当输入电压增大时，输出电压增大导致了输出采样电压增大，这时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大，这也就使得流过限流电阻的电流增大，这样限流电阻的压降增大，而输出电压等于输入电压减限流电阻压降增大值使得输出电压减小 ，实现稳压。2.

18、2 PC817简介 光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件,通常是发光器(发光二极管LED)和受光器（光敏晶体管）封装在同一管壳内，如图3所示：图3 PC817内部结构图 1是阳极，2是阴极，3是发射极，4是集结极。 光电耦合器属于光隔离型器件，他可以在输入和输出完全电绝缘的情况下进行信号的传输，能够执行信号变压器的功能，他具有高速、无触点、无抖动、低功耗、无噪声的优点，用在开关电源反馈电路中，还可以防止输入、输出电路间相互干扰。所以选用PC817光电耦合器件不但能起到反馈作用还能起到隔离作用。 他的工作原理： 当输入端加电信号时，发光器发出光线照射在受光器上，受光器接收到光线后导通，产生光

19、电流从输出端输出，从而实现了“电光电”的转换。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器，能够传播连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光线号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流程度也不同7。3 反激式开关电源设计3.1 反激式开关电源主电路 反激式开关电源主回路主要由变频变压器和由PWM控制的开关管构成，实现DC-DC的变换，即把输入端的直流电压通过变压器降压转变成交流电，然后在变压器的次级输出端通过接二极管和电解电容整流滤波得到直流电压，从而输出的直流电压提供给负载。图4 反激式开关电源电路原理图图4中的数值参数如下表所示： 表1电容电阻参数表电容

20、参数 电 阻 参数 C0 0.1uF/AC275V R1 47K/2WC1 103/400V Rst1 100K/2WC2 22Uf/400V Rst24KC3 104/25VR210KC4 47uF/30V R4 22C5X 104 R6 1KC6 470 R7 247C7 103/25V R8 22C8 0.1uF R10 22Cvref 104 R11 47KCt1 3300 R13 10K/t1 10K/Rfb1 8.8K/Rls1 1K/ Rs1 0.2另：开关电源NMOS 5N60 6005A106W2.5欧姆。 220AC交流电输入后，经过承受能力为5A的自动恢复保险丝，经过简单

21、高频滤波后通过四个整流二极管整流、C2滤波得到的直流电压提供给反相端变压器，变压后得到13V的电压再进一步经过整流二极管整流和电解电容滤波得到稳定的直流电压提供给负载。反相端变压器T?的初级接有整流二极管D5，瓷片电容C1，R1构成的回路是为了保护变压器由于初级线圈能量饱和而使变压器损毁而设计的。3.1.1 自复保险丝 在本设计中，首先我们在输入端接有一个自复保险丝，使用它的好处是，该保险丝比较适合在电源中使用，他的自身阻抗较低，正常工作时自身功率损耗小，而且表面温度低。由于自身材料特性，他的过流状态响应比其他保险丝的过流状态响应快得多。在过流状态下，自复保险丝以及小的电流锁定在高阻状态，只有

22、切断电源或电流过失后才会恢复低阻状态，自锁运行。在排除故障后可自行复位，无需拆换。同时，自复保险丝还具有极好的耐大电流能力。3.1.2 电流限幅 220AC的交流电输入端接有X电解电容，目的是限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流过大，用X电容可以滤除公共电网中的杂波，同时也滤除系统内部所产生的到电网中对公共电网造成的污染，同时起到冲击电流限幅作用。3.1.3 整流滤波 输入的交流电需要转变为直流电才能进一步实现DC-DC的电路功能，现在我们接入如上图所示的接法的四个大功率二极管进行整流，此时整出来的电流还会有杂波，为了进一步得到较为平整的直流电压，我们需要进一步滤除杂波，所以在整流之后又接入了电解

23、电容22uF和瓷片电容103以达到滤除高频杂波得到较为平整直流电的效果，供下一级使用。3.1.4 输出整流滤波 变压器副边的电压为交流电压，具有杂音和纹波。我们为了得到稳定可靠的直流电源，就需要滤除杂音和纹波，我们可以接入二极管进行整流， 104电解电容和103CBB电容滤除杂波，从而得到较为平整的直流电。3.1.5 负载 输出电压与负载电阻有关：负载电阻越大输出电压就越高，反之，负载越小输出电压就越低，这也是反激式变换器的工作特点。因此空载时必须接上假负载，否则会造成因为输出电压过高而烧坏开关管。这里，我们接入30欧100W电阻作为假负载。（此外，输出电压还随输入点的改变而改变并随导通时间的

24、延长而增大）。32 反馈电路3.2.1 反馈电路原理 由主电路的输出端输出电压特性可以知道，输出的电压很难达到稳定，为了使输出电压稳定，我们需要设计反馈电路使其达到稳压的目的。也就是从输出端取样然后通过逆变器改变脉宽使输出稳定。 上面已经讲述了TL431，本设计的基准电压和反馈电路采用常用的基准稳压器TL431来完成，在反馈的应用中运用采样电压通过TL431限压，通过TL431和PC817把误差电压传给UC3842改变他的控制端的电流来间接改变PWM波，从而实现稳压的目的。本设计中，TL431和 PC817的功能和原理前面都已经作了详细介绍，这里不再遨述，本设计由TL431和 PC817构成反

25、馈回路。本设计中他们的接法如上图4所示。图4中，R4为22；C5X为104；R6为1K；R为247K；R11为42K；R13为10K。 电源输出端的电压可根据基准电压源TL431的基准电压计算得到： U0=(1+R11/R13)2.5V (3-1) 我们知道TL431内部的基准电压为： Uref=2.5V (3-2) 为了使输出电压达到稳定，我们需要将输出电压发生波动时，经分压电阻得到的取样电压就与TL431的基准电压： Uref=2.5V (3-3) 进行比较，在阴极上形成误差电压。所以我们设定的TL431外部的基准电压为： UREF=2.5V （3-4)3.2.2 分压电阻的确定 根据前面

26、的介绍，已经知道TL431和PC817的用法，现在只需要确定其接入和分压电阻值。我们首先确定电路中R6的取值。 高压控制端的电流由R6的取值所决定的，现在我们用的是PC817(U1-B)芯片,由信息手册知道： CTR=0.8-1.6 （3-5）取低限电阻0.8，那么经过发光二极管的最大电流为Ix： Ix=6/0.8mA （3-6） 所以R6的值： R6(13-2.5-1.3)/50 （3-8）所以R6的取值在这两者之间： 0.148KR6=Vo（1-D）/(2Io*f) (3-22)In为NMOS管可以承受的最大电流值。E为原边绕组电压。Lp为原边绕组电感。Ton为开关管的导通时间。Ip1为原

27、边本来存在的电流。Vo电源输出端电压。D占空比。Io电源输出端电流。f电源工作频率。 当开关管截止时，副边二极管开始导通，如果忽略二极管的导通压降，则副边绕组电压值约等于输出电压值，分别令变压器原边绕组匝数为Np和变压器副边绕组匝数为Ns，那么原边感应电压： Vlp=(Np/Np)*Vo (3-23)由此可以知道在开关管的截止期间所能承受的最大电压是： VCE=E+Vlp （3-24)根据输入直流电压E为300V，我们可以粗略估计出来我们要选择的开关管所能承受的最大电流值In和最大电压值VCE： VCE=E+Vlp600V （3-25） In=E/Lp*Ton + Ip13A （3-26） 式

28、中：Ton取值9.225us。 综上考虑，我们选择的开关管型号为NMOS 5N60 6005A106W2.5欧姆，上升时间35ns，下降时间60nS。3.4 辅助电源 这里的芯片工作电压都是利用设计电阻分压直接供电的，TL431是通过由输出端电阻分压为其提供2.5V的基准电压工作的，PC817由UC3842的1脚直接供电的，开关管的源极电压由变压器的初级直接提供，UC8342的工作电压是由电阻分压为其提供的工作电压。4 测试方法与数据4.1 测试数据和方法表2电源指标内容 指标名称 对应输出值 参数值输入电压Uin1为220V时输出电压Uo1：12.96V电压调整率：0.54%输入电压Uin2

29、为110V时输出Uo2：13.03V输出电流Iin1为0A时输出端电压Uoi1：13.19V负载调整率：0.69%输出电流Iin2为2.3A时输出端电压Uoi2：13.04V电源输入功率Pin 35.42W电源效率：84.70%电源输出功率Po 30W测试仪器： 50MHz的示波器GOS6051和4位的数字万用表FLUKE111。1. 测试电压调整率时，在输出电流Iin2为2.3A的条件下，分别测量输入电压Uin2、Uin1分别为110V和220V时对应的输出电压值Uo2、Uo1，计算公式为： Su=(Uo2-Uo1)/Uo1*100% (4-1）Su电压调整率。UO1、Uo2不同输入电压下对应的电压输出值。2. 测试负载调整率时，在输入电压不变Uin2为220V的条件下，分别测量负载阻值为空载（即电流Iin1为0A）和满载（即电流Iin2为2.3A）时分别对应输出的电压值Uoi1、Uoi2， 负载调整率Sv就是指输出电压的相对变化量与标准电压的比值，计算公式为： Sv=(Uoi2-Uoi1)/Uoi1*100% （4-2)Sv电压调整率。Uoi1、Uoi2负载阻值为空载和满载时分别对应输出的电压