高效率开关电源设计与分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.59MB 82 页 15积分

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摘要

开关电源是用电设备的重要要组成部分，其性能的好坏与用电设备可靠性密切

相关。随着近年来节能概念的普及，电子设备对电源效率的要求日益增高。体积

小、效率高、性价比高逐渐成为电源发展的趋势。为了实现此目的，需要减小开

关电源损耗，选取高性能磁芯，采用性能优而价格低的芯片。目前，国内技术创

新的重点在于对电路设计进行优化，使各项参数实现最优匹配，降低损耗，提高

效率。

论文基于减小损耗，提高效率的目标，对反激式开关变换器进行了设计。优化

选取了高性能磁性材料 PC44,采用散热性能好、“烟炊效应”显著的平面变压器。

同时对变压器绕组方法进行了研究，结果表明，使用初次级绕组间隔绕制方法可

以使开关变压器的漏感最小，减小线圈的邻近效应和集肤效应进而减小损耗。进

而进行了优化设计和选择了型号为 P7NK80ZFP 功率开关管及其 RCD 缓冲电路，

并对 MOSFET 及其 RCD 缓冲电路的损耗进行了分析。对输出整流二极管的选取

进行了分析，采用了双二极管并联连接方式，有效抑制电压尖峰，减小二极管损

耗。最后优化选择了控制芯片 UC3843，并对芯片的驱动电路、供电电路、保护电

路等外围电路进行了设计。

文章最后制作了电源样机，并对电源样机进行了测试和损耗分析。其输入电压

范围为 176VAC~264VAC，频率为 50~60HZ，输出电流为 350MA，工作频率为

74KHZ，转换效率大于 85%，最大可达 88%，输出功率标称值为 10W。论文最后

给出了测试波形和效率曲线，并对如何改进电路，提高效率提出了方案。

关键词：反激开关变压器功率开关管整流滤波 UC3843

ABSTRACT

Switching Mode Power Supply (SMPS) is a significant part of the power

electronics, which affects the performance of the electronic equipment. As in recent

years the popularity of energy-saving concepts, the power efficiency of electronic

equipment requirements have been increased. Smaller volume, High conversion

efficiency, Cost-effective power supply are becoming the trends. To achieve the purpose,

we need to reduce the switching power losses, select high-performance magnetic

materials and use superior performance and low prices control IC. At present, the

domestic technology innovation is focus on circuit design to optimize the parameters to

achieve optimal matching, reduce losses and improve efficiency.

First, we design the flyback transformer switch, select high-performance magnetic

material PC44, which has good thermal performance, choose "Effect of smoke cooking"

significant planar transformer. Second, we study the transformer winding method ,the

results show that intervals using the first-level coil winding method can reduce the

switching transformer leakage inductance.Then select the model P7NK80ZFP power

switch, design the RCD snubber circuit, analysis the loss of the MOSFET and the RCD

snubber circuit. In chapter 4, the output rectifiers is analyzed.A bi-diode in parallel

connection method is adopt, which suppress the diode voltage spikes and reduce the

losses. We select UC3843 as the control chip, whose driver circuit, protection circuit are

designed.

In chapter 7,a prototype is made, and the power supply power prototype has been

tested.The input voltage range: 176VAC~264VAC,The maximum output current is

350MA,The converting frequency is 500KHz,The output power is 10W.Testing

waveform and efficiency of the curve are given.

Based on the research results given above, we propose the advice of improve circuit

efficiency program.

Key Word: Fly-Back, Switching-Transformer, Mosfet, Rectifier,

UC3843

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题的研究目的和意义.................................................................................1

§1.2 国内外高效开关电源研究概况及发展动态.................................................1

§1.3 本论文所完成的工作.....................................................................................3

§1.4 论文结构.........................................................................................................4

第二章开关电源工作原理 .............................................. 5

§2.1 开关电源基本工作原理及结构......................................................................5

§2.2 单激式开关电源.............................................................................................6

§2.2.1 单激式开关电源工作原理...................................................................7

§2.2.2 正激式开关电路的优缺点..................................................................12

§2.2.3 反激式开关电路的优缺点..................................................................14

§2.3 本章小结......................................................................................................17

第三章开关变压器设计 ............................................... 18

§3.1 各种磁芯材料和形状的比较........................................................................18

§3.2 单激式变压器损耗分析...............................................................................19

§3.2.1 磁滞损耗



........................................................................................19

§3.2.2 涡流损耗

........................................................................................21

§3.2.3 剩余损耗

.......................................................................................22

§3.3 线圈绕组.......................................................................................................22

§3.3.1 集肤效应..............................................................................................22

§3.3.2 邻近效应.............................................................................................23

§3.4 开关变压器设计...........................................................................................24

§3.4.1 磁芯材料的选择.................................................................................24

§3.4.2 磁芯形状的选择.................................................................................25

§3.4.3 磁芯大小..............................................................................................26

§3.4.4 开关变压器参数计算.........................................................................28

§3.5 变压器损耗

和温升

T

......................................................................... 36

§3.6 本章小结.......................................................................................................37

第四章整流及滤波电路设计 ........................................... 38

§4.1 输入整流滤波电路设计...............................................................................38

§4.1.1 输入整流电路......................................................................................38

§4.1.2 输入滤波电容.....................................................................................39

§4.2 输出整流滤波电路设计...............................................................................41

§4.2.1 反激开关变压器输出整流电路特点..................................................41

§4.2.2 输出整流电路.....................................................................................41

§4.2.3 整流二极管损耗

分析....................................................................43

§4.2.4 输出滤波电路.....................................................................................44

§4.3 EMI 滤波器设计 ........................................................................................... 44

§4.3.1 开关电源 EMI 产生机理.................................................................... 45

§4.3.2 EMI 滤波器 ......................................................................................... 46

§4.4 本章小结.......................................................................................................49

第五章开关功率管及其缓冲电路设计 ................................... 50

§5.1 MOSFET 技术参数.......................................................................................50

§5.2 MOSFET 参数计算.......................................................................................51

§5.2.1 确定开关管导通电阻

DON

...............................................................51

§5.2.2 确定开关管承受的最大应力

......................................................52

§5.3 P7NK80ZFP 栅极开启电流

.................................................................... 53

§5.4 P7NK80ZFP 损耗计算..................................................................................54

§5.4.1 导通损耗

COND

..................................................................................54

§5.4.2 驱动损耗

DRIVE

................................................................................. 54

§5.4.3 开关损耗

SWITCH

...............................................................................54

§5.5 MOSFET 驱动...............................................................................................55

§5.6 RCD 缓冲回路设计 ...................................................................................... 55

§5.6.1 RCD 缓冲电路的设计 ........................................................................ 56

§5.6.2 RCD 缓冲网络损耗分析 .................................................................... 59

§5.7 本章小结.......................................................................................................61

第六章控制及保护电路设计 ........................................... 62

§6.1 脉宽调制器 UC3843 .................................................................................... 62

§6.2 电流检测电路设计........................................................................................66

§6.3 UC3842 供电电路 ......................................................................................... 68

§6.4 本章小结.......................................................................................................68

第七章损耗分析与测试结果 ........................................... 69

§7.1 损耗分析........................................................................................................69

§7.2 实验结果........................................................................................................70

§7.2.1 实验波形及分析..................................................................................70

§7.2.2 效率曲线及分析..................................................................................72

§7.3 本章小结.......................................................................................................73

第八章总结和展望 ................................................... 75

§8.1 主要工作以及结论........................................................................................75

§8.2 进一步工作和设想.......................................................................................75

参考文献 ............................................................ 76

第一章绪论

§1.1 课题的研究目的和意义

随着社会的进步，科技的发展，人们对能源的消耗与日俱增，因此，电力电子

变换器的需求量也越来越大，特别是开关变换器。每台计算机、电视、显示器及

几乎所有的电能转化为机械能的场合都需使用开关变换器[1]。电力电子技术的发展

带动了电源技术的发展，而电源技术的发展又有效地促进了电源产业的发展。而

今，电源制造业已成为非常重要的基础产业，并广泛应到农业、能源、交通、运

输、信息、航空、航天、航运、国防、教育和文化等领域，其发展趋势为：继续

向高频化、高效率、高功率密度化、低压、大电流化和多元化方向发展[2]。

现有的电源主要分为线性稳压电源和开关稳压电源。它们的特点各异而被广泛

应用。线性稳压电源的优点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高，输出纹波

电压小，而它的缺点是重量体积大，电源效率低，一般不会超过50%。线性稳压电

源应用于对电源性能要求较高的场合。开关稳压电源的优点是效率高、可靠性和

稳定性较好、体积小、重量轻、对供电电网电压的波动不敏感。开关稳压电源存

在输出纹波电压较高、瞬变响应较差、对电网和外部电子设备有电磁干扰等缺点。

不过，随着开关稳压电源的发展，可以通过技术与工艺来克服其缺点。目前，在

小功率电源中，除了对直流输出电压纹波要求极高的场合，开关电源已经全面取

代了线性电源；而随着开关电源的迅猛发展，在中大功率的电源中，开关电源也

占据了越来越重要的地位[3]。

§1.2 国内外高效开关电源研究概况及发展动态

功率半导体器件是电力电子技术发展的龙头，电力电子技术的进步必须依靠不

断推出新型电力电子器件，新型电力电子器件的发展带动了电源的发展。随着新

器件、新材料、新工艺的推陈出新，电源技术的发展不断创新，升级换代的电源

产品不断涌现。随着电力电子设备的小型化，开关电源也向“轻、小、薄”方向

发展。电源高频化最直接的优点就是降低损耗，系统小型化，加快系统的动态反

应，提高效率，有效的抑制噪声污染，并使电源应用于更为广泛的高新技术领域[4]。

随着电源工作频率提高，开关电源出现了电磁干扰问题。而电器和电子设备或

系统的数量及种类不断增加，使得电磁环境日益复杂。开关电源作为各设备或系

统的重要组成部分，既是骚扰源，又是被干扰者。电磁兼容性（Electromagnetic

Compatibility，简写为EMC）设计的目的是使开关电源在预期的电磁环境中实现电

磁兼容。电磁兼容问题已成为当前研究的热点，一些发达国家在EMC技术的研究、

标准的制定、EMC测试及认证方面处于领先地位。我国虽然在EMC方面工作起步

高效率开关电源设计与分析

较晚，有关部门也正颁布相关指令，跟上国际EMC步伐。文献[3]介绍了开关电

源电磁兼容性的现状和解决办法，解决电磁兼容性主要从三要素入手：减小干扰

源产生的干扰信号、切断干扰信号及增强抗干扰能力。文献[4]介绍了电磁环境及

开关电源电磁兼容性的设计，包括完善电路设计、接地设计、滤波设计、屏蔽设

计等。文献[5]介绍了在进行印制电路板（Printed Circuit Board，简写PCB）设计

时，应根据实际需要选择合适的印制板板层设置，进行合理的元器件布局和走线，

并采取一些基本的措施以降低电磁干扰（Electromagnetic Compatibility，简写EMI），

增强电路的抗干扰能力，满足电磁兼容性。文献[8]介绍了开关电源PCB设计的步

骤，给出了最佳的制作设计流程。

高频、高效、标准化、小型化是开关电源主要的发展趋势[2]。应用各种软开

关技术，可以大大地提高模块在低输出电压时的效率，随着器件性能的改善，电

源效率即将达到92%（5V），90%（3.3V），87.5%（2V）。同时，开关电源的性能指

标，如纹波、精度、久冲、过冲等技术也得到了进一步提高。日本TDK公司推出

的新一代分布式隔离型DC/DC变换器，效率达到95％，功率密度达到236W/in。

高频化是开关电源缩小体积的重要技术，由于受到功率铁氧体材料技术及功率器

件性能的限制，我国的开关电源与欧美、日本等先进国家还有很大的差距，而且

高频化产生的新的问题还有待进一步解决，如开关损耗、无源元件损耗增大、高

频寄生参数及高频电磁干扰增大等。

功率器件的发展是电源技术发展的基础。随着开关电源高频化，功率半导体开

关器件的寄生参数越来越不容被忽视，对其提出了更高的要求：耐压高、电流大、

导通电阻小，恢复速度快。由于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具

有很快的开关速度，因此开关电源的开关频率可以做得更高，电源体积更小，重

量更轻，功率密度更大。目前较先进的MOSFET：电压可达1200V，电流可达60A，

频率可达2MHz，导通电阻仅为0.1欧姆。提高器件耐压，同时减小导通电阻仍是今

后MOSFET的主要研究方向。文献[5]介绍了MOSFET的结构、特性，分析了

MOSFET的电压及电容特性。为了防止漏极耦合过来瞬态高压对MOSFET栅极的冲

击，需在栅-源之间并接一个齐纳二极管，但齐纳二极管输出阻抗较高，易产生自

激振荡，所以在齐纳二极管与栅级之间串接一个小电阻来消除自激振荡。为了减

小变压器漏感对MOSFET漏极冲击的尖峰电压，需在漏-源之间并接一个RC的缓冲

回路。同时，为了减小各种寄生参数对MOSFET的影响，在PCB设计时，尽量减短

和加粗连接MOSFET栅、源、漏的导线，以减小导线的寄生电感，避免了寄生电

感与寄生电容耦合产生自激振荡而影响MOSFET的工作性能。文献 [9]介绍了一

种新颖的超连接的MOSFET，其耐压高达1100V，导通电阻低，可减小系统的功率

第一章绪论

损耗，此MOSFET可应用于高耐压范围，已经商业化应用，是当今减小导通电阻

的研究热点。文献[10]全面分析了MOSFET的快速开关对相邻的低功率电子电路

产生的EMI干扰。

磁性元件作为开关电源中的功能元件，其体积、重量和损耗在整机中占据相当

的比例。据统计，磁性元件的重量一般是变换器总重量的30%~40%，体积占总体积

的20%~30%，对于模块化设计的开关电源，磁性元件体积、重量所占的比例还会更

高。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因

此，要提高开关电源的功率密度、效率和输出品质，就应减小磁性元件体积、重

量及损耗。文献[11]介绍了新的描述高频开关电源中变压器磁芯损耗和铜损的测

量方法，此方法相对常规的分析方法有更高的精确度。

开关电源技术发展趋势可以归纳以下四点[12]：

（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化，高效率是开关电源的主要发展方向。

（2）提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，提高平均无故障时间。

（3）随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研

究方向。

（4）用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠

性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。

开关电源高效率化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切

的关系。高频化，就得提高功率开关器件的速度，研制出高频低损耗的磁芯，减

小开关器件损耗。总体来说，随着电力电子设备小型化趋势，高频化是开关电源

未来的主要发展方向。

§1.3 本论文所完成的工作

1、本文基于元器件性能，样机参数初步定为：

输入电压：176VAC~264VAC

输入电压频率：50Hz~60Hz

输出电流：350MA

输出功率（标称）：10W

电源转换效率：大于85%

2、通过本开关电源的研制，研究以下几个问题：

1）研究开关变压器的损耗。在对开关变压器损耗理论分析的基础上，通过对

各关键参数的精确计算，使得变压器各参数设置在最佳值，降低开关变压

器损耗；

2）研究功率器件MOSFET在开关电源中产生的开关损耗、导通损耗，优化设

高效率开关电源设计与分析

计了缓冲电路，降低功率MOSFET损耗，提高MOSFET使用寿命；

3) 优化设计了输入输出整流滤波电路，降低了整流滤波电路的损耗；

4）理论计算了开关电源的损耗，结合实验结果进行对比分析，提出减少开关

电源损耗，提高开关电源效率的方法。

由于本文设计的低功率的开关电源，所以选择变换器的拓扑结构为反激式，控

制方式采用的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）。本文重点是对变

压器进行了优化设计，对变压器的磁芯作了详细计算与筛选，选出最佳的磁芯与

最优的设计方法及制作工艺，减小变压器的漏感、损耗，提高效率，并对变压器

的总损耗进行了理论计算。同时对变压器的电感及漏感进一步进行了优化考虑。

同时设计了功率开关管的缓冲回路，择优选取了高速功率开关管及快恢复输出整

流二极管，降低了开关电源EMI干扰。本文还对输出整流滤波电路及控制电路进行

了设计，择优选取了控制芯片。在设计的基础上，进行了大量的实验，制作出了

样机，对测试结果进行了分析，提出结论。

§1.4 论文结构

第一章为绪论部分，介绍了开关电源的发展与国内外研究现状，同时阐述了本

文的研究内容、目的和意义，给出了本文的设计指标。

第二章是基础理论部分，分析了开关电源的几种主要拓扑结构、工作原理、优

缺点及其应用范围，特别是对本文所选用的反激式变换器的工作原理进行了详细

分析。

第三章介绍了开关电源变压器设计。本章分析了变压器特性，详细介绍了变压

器设计过程，优化了磁芯设计，减小了变压器漏感，降低了EMI及尖峰干扰。对开

关变压器的损耗进行了计算。

第四章是整流滤波电路部分，设计了输入输出整流电路、滤波电路以及EMI滤

波器。并对各部分的功率损耗进行了计算。

第五章在基于理论分析计算得基础上选取了功率开关管，优化设计了RCD嵌位

电路。最后对损耗进行了计算。

第六章介绍了控制及保护电路的原理及设计。择优选取了控制芯片UC3843S，

设计了UC3843S芯片的外围电路、供电电路以及保护电路。

第七章损耗分析和实验部分。制作出了样机，并对样机进行反复的实验测试，

对实验数据进行了分析，并将实际值与理论值进行了对比分析。

第八章是论文结论部分，归纳了论文得到的结论。

第二章开关电源原理

第二章开关电源工作原理

本章介绍了开关电源的定义及组成部分，对开关变换器进行了分类，阐述了几

种常用变换器的工作原理。重点详细分析了反激式变换器的工作原理，对比了反

激式变换器与其他变换器的优缺点及应用范围，结合本文的实际情况，选择了合

适的变换器拓扑结构。

§2.1 开关电源基本工作原理及结构

按电力电子习惯叫法，把 AC-DC

（AC 表示交流，

DC 表示直流）称为整流（包

括整流以及离线式变化），DC-AC 称为逆变,AC-AC 称为交流-交流变频（变压），

而把 DC-DC 称为直流-直流变换[14]。

开关电源是通过控制开关器件开通和关断的时间比（开通占空比）来维持输出

电压稳定的一种电源。开关电源的组成元件包括电感、电容、功率开关管，磁性

元件等。整个电源系统由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换

电路、PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电

路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。，其最主要

的组成环节是 DC-DC（直流-直流）变换器，它是整个开关电源的核心，涉及频率

变换。开关电源组成如图 2.1 所示[15]。

图2.1 电源模块系统框图

开关变换器可以从不同的角度进行分类，总体可分为串联式、并联式及输出极

性反转式三大类[16]。DC-DC 变换器分为两类，即基本变换器和带变压隔离器型的

变换器，变换器的主要功能是变压，至于是否隔离，则根据实际需要。带变压隔

离器的变换器的拓扑结构是从基本的变换器的拓扑结构演变而来的，按工作方式

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摘要开关电源是用电设备的重要要组成部分，其性能的好坏与用电设备可靠性密切相关。随着近年来节能概念的普及，电子设备对电源效率的要求日益增高。体积小、效率高、性价比高逐渐成为电源发展的趋势。为了实现此目的，需要减小开关电源损耗，选取高性能磁芯，采用性能优而价格低的芯片。目前，国内技术创新的重点在于对电路设计进行优化，使各项参数实现最优匹配，降低损耗，提高效率。论文基于减小损耗，提高效率的目标，对反激式开关变换器进行了设计。优化选取了高性能磁性材料PC44,采用散热性能好、“烟炊效应”显著的平面变压器。同时对变压器绕组方法进行了研究，结果表明，使用初次级绕组间隔绕制方法可以使开关变压器的漏感最小，减...

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