基于TL431的反激式开关电源设计--张明志

淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计I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，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；反馈电路淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计IITheflybacktypeswitchpowersupplydesignbasedonTL431ZhangMingzhiSchoolofPhysicsandElectronicInformation,HuaiBeiNormalUniversity,AnhuiHuaibei,235000AbstractAhighpreciseandreliablesingle-endedflybackswitchingpowersupplywasdesignedandmadeinthispaper,whosecurrentcontrollerconsistedofalinearphotoelectriccouple.Theclosed-loopfeedbackofTL431wasusedtorealizeswitchingpowersupply’sstableequilibrium.Comparedwithgeneralswitchingpowersupply,thepower’shadbeenwiththeadvantagesofhighswitchfrequency,smallswitchloss,highreliabilityandsoon.WiththerapiddevelopmentofInformationTechnology,theflybackswitchingpowersupplywasusedwidelyinlowpowerapplication.Thedesignandapplicationofanewsingle-outputsingleflybackswitchingpowersupplywasproposedinthispaper.Thepaperhadbeenanalyzedflybackswitchingpowersupplyoftheirworkingprincipleandthebasicknowledge,andintroducedafewmajorchipfunctionsandtheuseofthepinandtheresearchresults.Ofcourse,therealizationofthefeedbackcircuitbasedonTL431andPC817waspresentedinthepaper.Anunconventional-outputandsingle-endedflybackswitchingpowersupplywasdesigned淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计IIIandmadeinthispaper,whosethebasicprincipleconsistsoftheflybacktypeswitchpowersupply.Thearticlehadbeenintroducedanunconventionalflybackpowersupply.Theflybackpowersupplyhadbeenwiththeadvantageofoutputcurrentlargeandstablevoltage.Concurrently,wecanalsousethesmallpowerelectricalappliancesinthedailylife,whichwewillmakeaccordingtotheprincipleoftheflybackswitchingpowersupplyinthispower.KeywordsSwitchingpowersupply;Flyback;TL431;UC3842;feedbackcircuit淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计IV目次1绪论…………………………………………………………11.1开关电源简介…………………………………11.2开关电源基本原理……………………………22基于TL431的反激式开关电源设计………………………42.1TL431简介……………………………………42.2PC817简介……………………………………63反激式开关电源设计………………………………………83.1反激式开关电源主电路………………………83.2反馈电路………………………………………113.3电路检测………………………………………143.4辅助电源………………………………………204测试方法与数据……………………………………………214.1测试方法与数据…………………………………21结论……………………………………………………………23参考文献……………………………………………………………24致谢……………………………………………………………25淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计11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，开关电源的输出淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计2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。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淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计3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。淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计42基于TL431的反激式开关电源设计2.1TL431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0.1mA~100mA。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2.5~36V。TL431是美国一家公司生产稳压器。它的可调范围是2.5~36V，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性稳压电源中[4]。VTKAUREFUref-++-图1TL431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)淮北师范大学2014届学士毕业论文基于TL431的反激式开关电源设计5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。R1R2R3123TL431+-UIUo123KAUREF图2TL431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，U