反激式高频稳压开关电源的设计(课程设计)

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摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I 第一章 开关电源概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

1.1 开关电源的定义与分类„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 开关电源的基本工作原理与应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2.1 开关电源的基本工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2.2 开关电源的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

第二章 反激式稳压开关电源电路设计„„„„„„„„„„„„„„„5

2.1 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.2 系统设计框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3 稳压电源基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.4 基本反激变换器工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.5 反激变换器的吸收电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.6 反激变换器的系统结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.7 开关电源控制电路的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.7.1 PWM 集成控制器的工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.8 EMI滤波电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.9 整流滤波电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

第三章 高频变压器设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

3.1 相关量的计算公式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2 实例计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.3 变压器漏感产生和解决方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

第四章 主要器件介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

4.1 AT89S52简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 4.2 ADC0809工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„错误！未定义

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总 结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„错误！未定义书签。 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„错误！未定义书

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摘 要

开关电源的高频化电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

为此本论文以反激式高频开关电源为设计方向而展开，对高频变压器的认知及所注意的问题，其中包括磁芯损耗、绕组损耗、温升以及磁芯要求。单端反激式高频变压器是本文的中心内容，其核心参数设计许多，具体内容正文中有详细介绍。其次是控制电路的设计，首先我们要对PWM集成控制器原理的有所了解，在此基础上保护两种控制模式分别是电压模式和电路模式。开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则，所以，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。

通过相关文献及实现数据的带入进行验证，最终确定出此设计方案是可行的，设计达到最初的效果。

关键词：单端反激式高频变压器 AT89S52 PWM集成控制器 稳压 保护电路

I

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第一章 开关电源概述

1.1 开关电源的定义与分类

电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需经过转换才能合适使用的需要，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电流变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用 半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC DC/AC 如逆变器 DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

1.2 开关电源的基本工作原理与应用

1.2.1 开关电源的基本工作原理

开关电源的工作过程相当容易理解，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

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第一章 开关电源的概述

增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。如图1.1所示。

图1.1开关电源的基本组成图

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。

开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。 1.2.2 开关电源的应用

随着电力电子技术的发展, 特别是大功率MOS 管技术的迅速发展, 将开关电源的工作频率提高到150～200 kHz, 这使得功率损耗更小, 电源的效率可达90%～95%。用高频变压器取代工频变压器可大大减小体积, 降低重量; 同时输出电压纹波降低到0.05%以内, 稳定度可达0.5%～1%, 抗干扰能力强而且智能化程度高, 因为这些优良的特性, 高功率开关电源主要应用于工业和军事上。如粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用领域中, 电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上, 体积和重量只有线性电源的几十分之一。而小功率开关电源主要应用于家电、IT 等领域, 如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、机顶盒、VCD、电子游戏机等电子设备上。

① 通信电源

通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流- 直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源是把单相或三相交流电网变换成标称值为48V

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的直流电源。如在程控交换机用的一次电源中, 传统的相控式稳压电源早已被高频开关电源取代,它通过MOSFET 或IGBT 的高频工作,开关频率一般控制在50～100kHz 范围内,实现了高效率和小型化。近几年, 一次电源的功率容量不断扩大, 单机容量已从48V/12.5A 扩大到48V/200A、48V/400A。

通信设备计算速度的不断提高, 使得时钟频率不断提高, 所用集成电路的种类繁多,其电源电压要求也各不相同,通常超过10 种, 在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC- DC 隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V 直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。

②高频逆变式整流焊机电源

高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。

逆变焊机电源大都采用交流- 直流- 交流- 直流(AC- DCAC-DC)变换的方法。50Hz 交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz 的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁地处于短路、燃弧、开路交替变化之中, 因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器作为脉冲宽度调制( PWM) 的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理, 解决了目前大功率IGBT 逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60～75V,电流调节范围5～300A,重量29kg。

③大功率开关型高压直流开关电源

大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X 光机和CT 机等大型设备。电压高达50～l59kV,电流达到0.5A 以上,功率可达100kW。

自从上个世纪70 年代开始, 日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz 左右的中频,然后升压。进入80 年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz 以上, 并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。

国内对静电除尘高压直流电源进行了研制, 市电经整流变为直流, 采用全桥零电流

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第一章 开关电源的概述

开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。

④ 电力操作电源

在上个世纪90 年代之前, 电力操作电源几乎全部选用相控电源, 即采用可控硅整流充电设备, 由于可控硅整流在纹波、效率、体积等方面不尽人意, 监控系统也不够完善, 尤其现在变电所逐步采用微机保护和监控, 对直流系统的性能和可靠性要求更高, 因此90 年代之后更新换代为开关电源。

变电所中的电力操作电源是保证可靠供电必不可少的,它的主要任务是为继电保护、开关分合闸及控制等提供可靠的直流操作电源。它的性能优劣直接关系到变电所的正常安全供电, 进而关系到生产设备的正常运行。采用高频开关后,输出电压精度高, 其输出纹波系数从2%提高到0.1%, 电源稳压、稳流精度从2%减小到0.5%, 能够保证对蓄电池的平稳充放电, 延长了电池使用寿命。由于采用模块化结构和N+1 备份方式, 可根据实际负载容量的大小, 选择合适的整流模块数量。当1 台电源故障时, 只需将该模块退出检修, 而其它模块仍可继续运行, 在保证系统充电容量的前提下, 为负载的正常供电提供了更加可靠的保障。以往的可控硅整流相控电源系统, 其备件需要1 个同样大小的硅整流模块, 而改用高频开关后, 只需备1～2 个高频开关单元就可以了, 减少了备件储备成本。由于高频开关电源的功率因数大于0.9, 而常规整流功率因数仅为0.7 左右, 对同样的负载, 采用高频开关模块可节省输入功率30%。

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第二章 反激式稳压开关电源电路设计

2.1 引言

电力电子技术有三大应用领域：电力传动、电力系统和电源。在各种用电设备中，电源是核心部件之一，其性能影响着整台设备的性能。电源可以分为线性电源和开关电源两大类。

线性电源是把直流电压变换为低于输入的直流电压，其工作原理是在输入与输出之间串联一个可变电阻（功率晶体管），让功率晶体管工作在线性模式，用线性器件控制其“阻值”的大小，实现稳定的输出，电路简单，但效率低。通常用于低于10W的电路中。通常使用的7805、7815等就属于线性电源。 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），所以开关电源具有能耗小、效率高、稳压范围宽、体积小、重量轻等突出优点，在通讯设备、仪器仪表、数码影音、家用电器等电子产品中得到了广泛的应用。

反激式功率变换器是开关电源中的一种，是一种应用非常广泛的开关电源。

EMI滤 波 电 路 高 频 变 换 器 输 出 整 流 滤 波 +4-16 L N 整流 滤波 电路 GND 辅助 电路 控 制 电 路 反馈 电路

图2.1稳压开关电源基本原理框图

主要技术数据：

1、交流输入电压AC95~270V； 2、直流输出5V，1A；

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第二章 反激式稳压开关电源电路设计

3、输出纹波电压≤0.2V；

4、输入电压在95~270V之间变化时，输出电压误差≤0.03V；

2.2 系统设计框图

系统由各个模块组成，由各个模块组成的系统框图如图2.2所示。

显示电路

电源电路 按键控制 AT89C51 单 片 机 调整电路 比较电路 取样电路

DAC 图2.2系统设计框图

2.3 稳压电源基本原理

直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.3所示。电网供给的交流电压u1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

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图2.3 直流稳压电源框图

2.3.1 稳压电路设计方案

方案：采用LM78XX系列三端稳压器稳压，电路如图2.4

图2.4 三端稳压器稳压电路

2.4 基本反激变换器工作原理

基本反激变换器如图1所示。假设变压器和其他元器件均为理想元器件，稳态工作下。 （1）当有源开关Q导通时，变压器原边电流增加，会产生上正下负的感应电动势，从而在副边产生下正上负的感应电动势，如图2.5(a)所示，无源开关VD1因反偏而截止，输出由电容C向负载提供能量，而原边则从电源吸收电能，储存于磁路中。（2）当有源开关Q截止时，由于变压器磁路中的磁通不能突变，所以在原边会感应出上负下正的感应电动势，而在副边会感应出上正下负的感应电动势，故VD1正偏而导通，如图2.5(b)所示，

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第二章 反激式稳压开关电源电路设计

此时磁路中的存储的能量转到副边，并经二极管VD1向负载供电，同时补充滤波电容C在前一阶段所损失的能量。输出滤波电容除了在开关Q导通时给负载提供能量外，还用来限制输出电压上的开关频率纹波分量，使之远小于稳态的直流输出电压。

图2.5 反激变换器的两种工作状态

反激变换器的工作过程大致可以看作是原边储能和副边放电两个阶段。原边电流和副边电流在这两个阶段中分别起到励磁电流的作用。如果在下一次Q导通之前，副边已将磁路的储能放光，即副边电流变为零，则称变换器运行于断续电流模式（DCM（Discontinous Current Mode）），反之，则在副边还没有将磁路的储能放光，即在副边电流没有变为零之前，Q又导通，则称变换器运行于连续电流模式（CCM（Continous Current Mode））。通常反激变换器多设计为断续电流模式（DCM）下。

值得注意的是，反激型电路工作于电流连续模式时，其变压器磁芯的利用率会显著下降，因此实际使用中，通常避免该电路工作于电流连续模式。

改变开关器件Q的占空比和变压器的匝数比就可以改变输出电压。

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2.5 反激变换器的吸收电路

实际反激变换器会有各种寄生参数的存在，如变压器的漏感，开关管的源漏极电容。所以基本反激变换器在实际应用中是不能可靠工作的，其原因是变压器漏感在开关Q截止时，没有满意的去磁回路。为了让反激变换器的工作变得可靠，就得外加一个漏感的去磁电路，但因漏感的能量一般很小，所以习惯上将这种去磁电路称为吸收电路，目的是将开关Q的电压钳位到合理的数值。在220V AC输入的小功率开关电源中，常用的吸收电路主要有RCD吸收电路和三绕组吸收电路。其结构如图2.6(a)(b)所示。

图2.6 吸收电路

2.6 反激变换器的系统结构

反激式变换器的系统结构示意图如图2.7所示。由图中可以看出，一个AC输入DC输出的反激式变换器主要由如下五部分构成：输入电路、变压器、控制电路、输出电路和吸收电路构成。输入电路主要包括整流和滤波，将输入的正弦交流电压变成直流，而输出电路也是整流和滤波，是将变压器副边输出的方波电压单向输出，且减少输出电压的纹波。

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第二章 反激式稳压开关电源电路设计

图2.7 反激变换器的系统结构简图

2.7 开关电源控制电路的设计

开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于“弱电”电路， 但它控制着主电路中的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成严重后果，使整个电源停止工作或损坏。电源的很多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也都同控制电路相关。因此，控制电路的设计质量对电源的性能至关重要。 2.7.1 PWM 集成控制器的工作原理与比较

PWM 集成控制器通常分为电压控制模式和电流控制模式，电流控制模式因为动态响应快，补偿及保护电路简单，增益带宽大，易于均流及可防止偏磁等优点而被广泛采用 电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式，本论文采用峰值电流控制模式。

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图2.8 电压控制模式

图2.9 电流控制模式

如图2.8 为电压控制模式的PWM 原理图。由图可以看出电压控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。它工作的基本原理是：当恒频时钟脉冲置位锁存器时，输出电压 UO 与参考电压Uref 经误差放大器EA 放大后得到了一个误差电压信号Ue，Ue再与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM 比较器COM 比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue 变化的具有一定占空比的一系列脉冲。

如2.9 为峰值电流控制模式的PWM 原理图。由图可以看出，它在原有的电压环上增加

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第二章 反激式稳压开关电源电路设计

了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。它工作的基本原理是：输出电压UO 与参考电压Uref 经误差放大器EA 放大后得到一个误差电压信号Ue ，Ue 再与变压器初级电感线圈中电流的采样电压Ur比较，产生调制脉冲的宽度,由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲，使得误差信号对电感电流的峰值起控制作用。当Ur 幅度达到Ue电平时，PWM 比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，开关管关断，电路逐个地检测和调节电感电流脉冲，由此控制电源的输出电压。

若输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟,Ue 电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率

di/dt 下降,导致斜坡电压推迟到达Ue ,使PWM 占空比增大,起到调整输出电压的作用。

2.8 EMI滤波电路

开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点 而迅速发展起来。但是，由于开关电源工作过程中的高 频率、 di/ dt 和高 du/ dt 使得电磁干扰问题非常突出， 如何减小产品的 EMI ，成为大家关心的重要问题。 开关电源工作时，电磁干扰可分为两大类： 共模干 扰是载流体与大地之间的干扰，干扰大小和方向一致， 存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间，主要是 由 du/ dt 产生的，di/ dt 也产生一定的共模干扰。差模 干扰是载流体之间的干扰，干扰大小相等，方向相反， 其存在于电源相线与中线及相线与相线之间。 本设计用 到的电路如图2.10所示:

L1CbCaL2CaCb

图2.10 EMI滤波电路

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2.9 整流滤波电路

在整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路，本电路常用于小功率的单相交流输入的场合。目前大量普及的微机、电视机等家电产品中所采用的开关电源中，其整流电路就是如图2.11所示的单相不可控整流电路:

VD1VD3u1U2CVD4VD2

图2.11 电容滤波的单相不可控整流电路

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第三章 高频变压器设计

第三章 高频变压器设计

单端反激式开关电源中，高频变压器的设计是设计的核心。高频变压器的磁芯一般用锰锌铁氧体，EE型和EI型，近年来，我国引进仿制了汤姆逊和TDK公司技术开发出PC30,PC40高磁导率，高密度几个品种。

3.1计算公式

单端反激式开关电源是以电感储能方式工作，反激式公式推导：

首先要计算出整流后的输入电压的最大值和最小值，如交流输入电压VAC（160~242V），窄限范围；VAC（85~265V），宽限范围。

整流后直流电压VDC=1.4*VAC（224~338V）窄限范围；

VDC=1.4VAC（119~371V），宽限范围。

整流后直流纹波电压和整流桥压降一般取20V，和滤波电容有关。 （1）初级峰值电流Ip

集电极电压上升率VinLp取

1f tcDmaxIptc (tc电流从0上升到集电极电流峰值作用时间)

VinminLp*Ip*fDmax

公式中，Vinmin： 是最低直流输入电压，V； Lp：变压器初级电感量，H； f：开关频率，Hz；

输出功率等于存储在每个周期内的能量乘以工作频率。

12*f Pout*Lp*Ip2经进一步简化，就可以得到变压器初级电流峰值为： IpIc(2)初级电感量Lp

因为电感量HDV*S1V*1S (Smax ；1mH=) I1Af 14

2*Pout

Vinmin*Dmax南昌工程学院本科课程设计论文

LpVinminDmax *Ipf（3）关于最小占空比Dmin和最大占空比Dmax

最小占空比和最大占空比的设计可根据输入电压变化范围和负载情况合理决定，在输入电压比较高的情况下，如400VDC，Dmax可选0.25以下；在输入电压比较低的情况下，如110VDC , Dmax可选0.45以下；

KVinmaxDmax ；Dmin Vinmin(1Dmax)*KDmax（4）磁芯的选择

磁芯输出功率和磁芯截面积的经验关系式为

对于磁芯EI16~EI40,系数一般按0.1~0.15计算。

Ae为变压器磁芯的有效截面积，可从厂家技术说明书中选取； Pt高频变压器的输入输出功率的平均值，效率83%。

Ae(0.1~0.15)Pt注：EI16--4W以下；EI22--8W以下；EI28--30W以下；EI30--40W以下；EI33--60W以下 （5）变压器的匝数 初级匝数计算：

在磁芯的磁通通路中，空气隙处呈现出的磁阻最大，故存储在变压器-扼流圈中的大多数能量都存储在空气隙处。空气隙的长度由下式给出

Lg20.4Lp*Ip2Ae*Bmax

如果绕制变压器-扼流圈使用EE型或类似的磁芯，其中心柱的长度就是所开空气隙的长度

Lg。

变压器-扼流圈的初级匝数可用下式进行计算

Np经推导可得

Bmax*Lg*1040.4Ip

Np

(LpIp)*104Bmax*Ae15

第三章 高频变压器设计

在公式中，Lp：初级电感量，H； Ip：变压器初级电流峰值，A；

Ae：磁芯的有效截面积，cm2；

Bmax：最大磁通密度, 按TDK PC40 2K 取1100GS (1T=104GS)

次级匝数计算：

次级输出电压

Ns(VoutVD)

DNpVmaxinmin*1Dmax进一步整理得

NsNp(VoutVD)(1Dmax)Vinmin*Dmax ；

输出整流二极管压降VD按1V计算。 （6）计算各绕组线径及线号

在国际上，一般采用美国线规，查表选择绕组线径、线号和截面积。

一般高频电源使用线号从39#到22#，根据温度、使用环境和开关频率,电流密度可从200c.m/A~400c.m/A。

其中c.m为美国线规电流密度单位圆密尔，引用欧美国家常用的单位密耳，可写为（mil）。用它时对选择导线会简单些。所谓密耳是导线直径或薄板厚度的单位。

1mil=0.001英寸。

直径为1密耳的金属丝面积称为圆密耳，可写为（c.m）。A为1安培。

3.2 实例计算

给定条件：输入电压范围160~242VAC，频率50Hz，输出电压12V，2A；

5V，2A；反馈绕组12V，0.2A；要求输出电压12V，2A的精度为5%；5V，2A的精度2%；纹波电压为150mV；开关频率100kHz。 初级峰值电流计算：

Pout(121)*2(51)*2(121)*0.240.6W

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Ip2*Pout2*40.61.6A

Vinmin*Dmax(22420)*0.25其中最大占空比Dmax取0.25； 输入电压比例因子：

KVinmax3381.66 Vinmin22420其中20V是整流后直流纹波电压和整流桥压降；

最小占空比

DminDmax0.250.167

(1Dmax)*KDmax(10.25)*1.660.25当输入电压在224V~338V范围内变化，占空比的范围在0.167~0.25；

初级电感量：

Lp磁芯的选择：

VinminDmax224200.253**0.31*10310H 3Ipf1.6100*101140.640.6)44.76W Pt(PinPout)(220.832Ae0.15Pt0.15*44.761.00cm

查厂家技术说明书选EI30磁芯，有效截面积1.11 cm2。 变压器初级匝数：

Np(LpIp)*104Bmax*Ae(0.31*103*1.6)*10442 41100*10*1.11变压器次级匝数：

Ns1Np(VoutVD)(1Dmax)Vinmin*DmaxVinmin*Dmax42*(121)(10.25)8

(22420)*0.2542*(51)(10.25)3.7，取4圈；

(22420)*0.25 Ns2Np(VoutVD)(1Dmax)Ns3Ns18

各绕组线径及线号：

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第三章 高频变压器设计

查表可得

Np：AWG25 标称直径0.46mm，双线并绕； Ns1：AWG24标称直径0.51mm，双线并绕；

Ns2：AWG24标称直径0.51mm，双线并绕； Ns3：AWG30标称直径0.25mm。

为减小漏感，初级分段绕，先绕21匝，然后绕Ns1、Ns2，再绕21匝，最后绕Ns3，次级采取拉稀均匀绕法，间距同初级平行一致。

3.3 变压器漏感产生和解决方法

在实际变压器中，如果初级磁通不全部耦合到次级，就产生漏感，漏感是一个寄生参数，以单端变换器为例，功率开关管由导通状态转变为断开时，漏感存储的能量就会释放，产生很大的尖峰电压。如果不加控制，就会造成电路器件的损坏和很大的电磁干扰。电路中可增加缓冲电路，有一个释放的回路，但首先在磁芯的选择、绕线结构和工艺上尽可能减少漏感。

减少漏感的方法：

1）、计算时减小初次级线圈匝数；

2）、线圈之间的间隔越小，漏感越小。大变压器提倡“三明治绕法”，次级绕在中间，最后绕反馈圈，每层密度拉开，均匀分布。 3）、选磁材时有条件选窗口高的磁材

也就是说漏感的大小和初次级线圈耦合的松紧有关，同样的线圈减小层数，提高初次级耦合间隔，漏感就会减小。

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第四章 主要器件介绍

4.1 AT89S52简介

本课题设计的反激式稳压开关电源的核心控制器件选用AT89S52。

AT89S52为 ATMEL 所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flsah存储器。

（一）、AT89S52主要功能列举如下： 1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash

2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz） 3、内部程序存储器（ROM）为 8KB 4、内部数据存储器（RAM）为 256字节 5、32 个可编程I/O 口线 6、8 个中断向量源

7、三个 16 位定时器/计数器 8、三级加密程序存储器 9、全双工UART串行通道

（二）、AT89S52各引脚功能介绍：

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第四章 主要器件介绍

VCC：AT89S52电源正端输入，接+5V。 GND：接地端。

P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。

P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

表4.1 AT89S52 P1口第二功能表

脚号 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7

第二功能 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。

P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入

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口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

表4.2 AT89S52 P3口第二功能表

脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0(外部中断 0) INT0(外部中断 0) T0（定时器 0 外部输入） T1（定时器 1 外部输入） WR(外部数据存储器写选通) RD(外部数据存储器写选通) RST: 复位输入。晶振工作时，RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。

PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN 将不被激活。

EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令，EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令，EA 应该接 VCC。在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。

XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一

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第四章 主要器件介绍

只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

4.2 ADC0809工作原理

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

（1）ADC0809的内部逻辑结构

由下图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）ADC0809引脚结构 ADC0809各脚功能如下： D7-D0：8位数字量输出引脚。 IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。 VCC：+5V工作电压。 GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

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REF（-）：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。

EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。 A、B、C：地址输入线。

ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：4条

ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示：

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第四章 主要器件介绍

C B A 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

数字量输出及控制线：11条

ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，

VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。 （2） ADC0809应用说明

（1）． ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2）． 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）． 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）． 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）． 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

（6）． 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

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选择的通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 南昌工程学院本科课程设计论文

总 结

忙忙碌碌了许久，通过对开关电源相关知识的了解及查阅，我对其有了相当大的知晓，首先可以确认的是，开关电源在我们生活中必不可少，其应用的范围很广。

课题是开关电源，开关电源有多种拓扑结构，升压变换器和降压变换器是我以前学过的内容，所以复习一下就很快理解，而对于正激式和反激式，找了很多书籍，上网找了很多资料才对又请教了老师才对电路有了进一步的理解。

对于开关电源中的变压器和传统的变压器有着很多的区别，尤其是反激式开关电源中的变压器，变压器在这里还具有储能的作用，所以其绕线的计算存在了问题，后来经过找资料，解决了这一难题。所以，知识只有在运用中才能被牢记的，只有通过实践才能更有效的掌握知识。

电路设计不是一项简单的事情，足够的知识量和耐心才是一个设计人员所必须具备的，所以说学无涯，只有不断地学习才能做好想做的事。

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参考文献

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附录

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附录

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