发布时间 : 星期三 文章基于单片机的PWM脉宽调制开关电源更新完毕开始阅读8cacb9065a8102d276a22ffa
3.2.5 输入整流器/滤波器部分的设计
输入整流/滤波电路在开关电源中不被人重视。典型的输入整流/滤波电路由三到五个部分组成：EMI滤波器、启动浪涌电流限制器、浪涌电压抑制器、整流级（离线应用场合）和输入滤波电容。许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正（PFC）。在EMI滤波器后面一般接一个热敏电阻，以保护整流器。热敏电阻低温时的阻值在6～12欧姆之间，启动后，热敏电阻被加热，加热后得阻值大约只有0.5～1欧姆。在输入端先通过EMI滤波器（由C1构成）来防止电磁干扰，它能有效地抑制电网噪声，提高电源的抗干扰能力及系统和可靠性[9]。
参考与本设计类似相关的实验数据资料，本电源就采用AlAP-IA型的EMI滤波器，并合理选择了EMI滤波器（C1）的参数值。取值C1=104uF。在其后连接两个电容，做滤波电路，如下公式（2）（3）。
UDCImin?UDCImin*(1.2~1.4) (2)
UDCImax?UACImax*(1.2~1.4) (3)
根据以上公式经过计算得知L1=L2=13nF[10]。 3.2.6 高频变压器的设计
用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。
设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中[11]。
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高频变压器的设计通常采用两种方法：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AWAe，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。注意：
（1）设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。
（2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。
单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。在1994～2001年，国际上陆续推出了TOPswitch、TOPswitch-Ⅱ、TOPswitch-FX、TOPswitch-GX、Tintch、Tintch-Ⅱ等多种系列的单片开关电源产品，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性（EMC）。
高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度J=4～10A／mm2。
高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交 流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。举例说明，当f=100kHz时，导线直径理论上可取φ=0.4mm。但为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制[12]。
在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1％～3％。要达到1％以
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下的指标，在制造工艺上将难于实现。减小漏感时可采取以下措施：
（1）减小初级绕组的匝数NP
（2）增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯，以增加骨架宽度b） （3）增加绕组的高、宽比 （4）减小各绕组之间的绝缘层 （5）增加绕组之间的耦合程度
设计高频变压器是电源设计过程中的难点，介绍一种电源高频变压器的设计方法：
（1）计算高频变压器初级峰值电流Ipp （2）求最小工作周期系数Dmin （3）计算高频变压器的初级电感值Lp
（4）计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸 （5）计算空气间隙长度Lg （6）计算变压器初级线圈Np （7）计算变压器次级线圈Ns
开关电源变压器的物理绕制方法是很重要的，它会使电源性能差别很大。好的绕制方法可以是电源性能变得非常好，反之也可以是电源噪声很大，性能变差。开关电源变压器与50/60Hz的贡品变压器相比，设计要求更为苛刻。
变压器得绕制，主要有三个方面的因素要考虑： （1）电源是否必须符合所有的安全规范 （2）绕组之间耦合要好
所有绕组的漏感应尽可能小这些因素有些是相互影响的，需要采取折中的办法。 3.2.7 输出整流滤波电路的设计
输出级对功率开关产生的交流开关波形进行整流和滤波。由于电源的主要损耗是消耗在输出级上，所以输出及的设计对于电源效率的影响比起其余各级来说是主要的。输出级主要有两种类型：用在正激式变换器的输出级和用在升压式变换器的输出级。他们的区别在于正激式输出级中，在整流器和输出滤波电容之间有个滤波电感[13]。常见的输
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出级如图21所示。
(a)半波式整流模式(b)全波式整流模式(c)全桥整流模式(d)升压式
图21 正激式和升压式变换器的输出级
资料来源：何立民．单片机高级教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
3.2.8 单片机开关电源印制板的设计规范
见附录C
3.3 开关电源电路的设计
该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能。因此，该开关稳压电源的设计主要采用UC3843单片开关电源、线性光耦合器PC817与可调式精密并联稳压器TL431等集成芯片进行设计。该开关电源的基本技术指标为：
（1）输出电压Uo可调范围：30V～36V （2）最大输出电流Iomax：2A
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