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一种基于正激变换器的开关电源设计方法

一种基于正激变换器的开关电源设计方法
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1 引言

经过多年的发展,开关电源技术已经取得了很大成功,其应用也十分普遍和广泛。但因其结构复杂,涉及的元器件较多,以及要降低成本、提高可靠性,仍存在一些问题需要解决。例如:电源的设计和生产需要较高的技术支持;电路的调试要有实际经验,也有一定的难度。对于第一个问题,由于目前各种开关电源虽然形式多样,结构各异,但其大都源于几种基本的dc-dc变换器拓扑结构,或者是这些基本电路组合,因此,可以对几种基本dc-dc变换器进行分析,将已有的电路设计公式应用于实际开关电源的设计。对于第二个问题,随着计算机硬件和软件的发展以及仿真技术的不断完善,人们可以利用仿真技术来解决开关电源产品开发和生产中存在的问题。

本文在对基本的buck变换器电路拓扑分析的基础上,对与之相关的正激变换器和双管正激变换器进行了分析,发现可以通过等效变换,从buck变换电路的设计公式中推导出正激变换和双管正激变换电路的参数计算公式;此外,采用pspice仿真软件进行了电路仿真试验,仿真结果证明了开关电源电路设计的正确性。

2 buck变换的拓扑结构与参数设计

基本buck变换器的电路拓扑结构如图1所示,由电压源vi、串联开关s、续流二极管vd和由lc组成的电流负载组合而成,其中l的大小决定输出电流纹波,而输出电压纹波则由c决定,这是最基本的一种直流变换器。

图1 基本的buck变换器

文献[1]给出了buck变换器的电路设计公式,根据buck变换器的输出公式:

式中:ρ为占空比,且有:ρ=ton/t,则ρ=vo/vi。

电感l的计算公式为:

式中:f为开关频率;

iomin为输出最小电流。

而电容c的计算公式为:

式中:δvo为输出电压纹波。

3 正激变换的公式推导

3.1 拓扑结构与工作模式

一个单管正激变换器的主电路拓扑结构如图2所示,由于正激变换器是在基本的buck型变换器基础上多了一个隔离变压器t1、一个二极管vd1和一个由回收绕组n3和箝位二极管vd3构成的复位电路。由于电路形式发生了变化,所以设计时不能直接使用上述基本buck变换器的参数计算公式。本文通过对正激变换器工作模式的分析,采用等效变换方法将正激变换器等效为一个基本的buck变换电路,由此可将基本buck变换电路的参数计算公式(2)和(3)推广到一类正激变换器的参数计算,建立新的设计公式。

图2 单管正激变换器主电路结构

正激变换器的工作模式为:

(1) 当v1导通时,二极管vd1导通,输入电网经变压器耦合向负载传输能量,此时,滤波电感l1储能;

(2) 当v1截止时,二极管vd1截止,电感l1中产生的感应电势使续流二极管vd2导通,电感l1中储存的能量通过二极管vd2向负载释放。

3.2 等效变换与参数计算

根据对正激变换器工作模式的分析,可以发现二极管vd1的通断与开关管v1的通断同步,因此可以将二极管vd1用一个等效开关管v代替,如果可以忽略v1的导通压降,则变压器副边绕组的感生电压为:

式中:k为变压器的匝比,且有k=n1/n2。

如果用一个大小为vi′的电压源代替变压器副边绕组,就可以将整个正激变换器的输出边等效变换为一个基本的buck变换器。等效电路如图3所示,图中用开关v代替了图2电路中的开关管v1与二极管vd1的作用。由此,通过等效变换的正激变换器主电路拓扑结构与图1所示的基本buck变换器的拓扑结构一致。这样,就可以采用基本buck变换器的参数计算公式(2)和(3)来设计正激变换器。

图3 等效buck变换器

由图3可将公式(2)和(3)推广,得到等效后的正激变换器参数计算:

(1)占空比的计算:

(2)滤波电感的计算:

(3)滤波电容的计算:

式(5)、(6)和(7)即为正激变换器的参数计算公式,从式(5)可知占空比不仅与输入输出电压有关,还跟变压器的匝比有关,与式(2)和式(3)相比,滤波电容与电感的计算也多了一个变压器的匝比参数k。

3.3 计算公式验证

现通过pspice仿真来验证所推公式的正确性。设计一个正激变换器,要求其输入电压为48vdc,输出电压为12vdc,输出电流为5a,输出电压纹波分量δvo 为1v,开关频率f为50khz。先选定ρ=0.4,即ton=8μs,再由式(5)、(6)和式(7)算出变压器的匝数比为1.6,l1=15μh,c1=24μf,而rl=vo/io=2.4ω。

在pspice下绘制电气原理图,并对其进行暂态时域分析,仿真时间设为1ms。仿真输出电压波形如图4所示,可以看出,其输出电压在0.2ms后就已经稳定在所要求的12v上了,其输出纹波也完全符合要求,从而证明前面所推公式是正确的。

图4 双管正激变换器主电路

4 开关电源设计举例

现利用上述方法,设计一个双管正激型开关稳压电源,要求输入电压为48vdc,输入变化范围为±5%,输出电压为12vdc,输出电压纹波范围为1v,输出电流为5a,开关频率为50khz。

(1)主电路参数计算

选取双管正激电路作为开关稳压电源的主电路,如图5所示。其工作原理与单管正激变换器相同,只是这里的两个开关管同时导通和关断,且因为有vda、vdb,不需另外的复位电路。控制电路则采用简单的电压控制模式。

图5 双管正激变换器主电路

这里可以直接用正激变换器的公式计算其参数。由设计要求可知t=1/f=

20μs,r=vo/io=2.4ω,iomin=11.5v/2.4ω=4.79a。由于双管正激电路占空比最大只能为0.5,因此可以选取当输入为45.6v(输入电压最小)时,占空比为0.45,然后由式(5)算出变压器的变比为7/4,由式(6)求出电感l=13μh,根据式(7)解出电容c=25μf。

(2) 控制电路参数计算

开关电源采用占空比控制方式,可分为电压模式控制和电流模式控制两大类。电压模式控制仅有一个电压控制环,电流模式控制中还存在电流内环。这里采用电压模式控制,如图6所示,运算放大器u1为电压控制器,运算放大器u2为比较器。其控制原理为,取样于输出电压的反馈电压uf与给定电压v3相比较,经过比例积分环节,输出电压再与锯齿波v1比较,产生一个pwm波,去驱动开关管。

图6 开关稳压电源的控制电路

控制电路采用pi电压调节器,需要确定的参数有c2、r3和r2,还有输出采样电阻。选取取样电压为输出电压的1/6,取样电阻的值最后根据调试结果确定。根据不同要求的输出电压,调节可变电阻r6,以获得相应的给定电压。取截止频率为开关频率的1/20,即τ=0.0004s。取r2=10kω,先取放大倍数kp=10,则r3=100kω,c2=τ/r3=40pf。

5 仿真试验

将设计的开关电源用pspice进行仿真,首先在pspice下绘制电气原理图,仿真电路如图7所示。再按上述步骤进行参数设计,最后进行仿真试验和电路调试,由于仿真试验的主要目的在于参数的确定和调试,因此,为简便起见可暂不考虑保护电路的作用。调试后的各参数最佳值见图7。

图7 开关稳压电源电路原理图

将图7所示的开关电源控制电路图用pspice进行仿真,并进行暂态时域分析,仿真时间设为2ms。仿真输出波形如图8所示:

图8 vi=45v时的pwm波形、输出电压和取样电压波形

图9 vi=48v时的pwm波形和输出电压

从图8可以看出,其输出电压和反馈电压均满足设计要求。

从图9和10可以看到,虽然输入电压发生了变化,但该系统能实现对占空比的自动调节,使其输出电压稳定在所要求的12v,而且输出纹波和稳定时间均满足设计要求。

图10 vi=51v时的输出电压波形图

6 结束语

本文通过对正激变换电路进行等效变换,将基本buck变换器的参数计算公式推广到一类正激变换电路的参数设计,并采用pspice仿真软件进行正激变换器的仿真试验,仿真结果表明了所推导公式是正确的。进而对开关电源进行了pspice 仿真、调试,证明了所推导的正激变换器参数计算公式适用于所有隔离型buck 变换电路。

单端正激式开关电源-主电路设计

摘要:电源是各种电子设备不可或缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠工作。目前,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的相控稳压电源,并广泛应用于电子设备中。 本设计的单端正激式开关电源是一种间接直流变流技术,本设计以正激电路为主体,采用以TOPSwitch系列开关电源集成芯片TOP244Y为核心的脉宽调制电路实现交-直-交-直变流,输出稳压稳频的直流电。 关键词开关电源;正激电路;变压器;脉宽调制; ABSTRACT Power is an indispensable part of electronicequipment,its performance directly relatedto electronic equipmenttechnical indicators and safe workcan. Atpresent,switchingpower supply for hasthe advantages ofsmallsize, ligh tweight,high efficiency, lowcalorific value andstable performan ce advantages and replacetraditional technology of phased manost at, and widelyusedin electronic equipment. The design of thesingle straight separate-excitedswitching powersupply is a kind of indirect dcconverter technology,this design wasadopted for the maincircuit,induced by TOPSwitchseries ofswitchpowerintegration chipTOP244Y as the core of thepulse widthmodulation circuit implementation deliver edstraight into - --the voltage output variableflowstraight, dc frequency stability. KEY WORDS Switching power supply;Is induced circuit;Transf ormer;Pulsewidthmodulation 目录

2019年反激式开关电源设计大全

2019年反激式开关电源设计大全

前言 对一般变压器而言,原边绕组的电流由两部分组成,一部分是负载电流分量,它 的大小与副边负载有关;当副边电流加大时,原边负载电流分量也增加,以抵消 副边电流的作用。另一部分是励磁电流分量,主要产生主磁通,在空载运行和负 载运行时,该励磁分量均不变化。 励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样,若抽水泵中无水,它就无法产生真空效应,大气压就无法将水压上来,水泵就无法正常工作;只有给水泵中加适量的水,让水泵排空,才可正常抽水。在整个抽水过程中,水 泵中保持的水量又是不变的。这就是,励磁电流在变压器中必须存在,并且在整 个工作过程中保持恒定。 正激式变压器和上述基本一样,初级绕组的电流也由励磁电流和负载电 流两部分组成;在初级绕组有电流的同时,次级绕组也有电流,初级负载电流分 量去平衡次级电流,激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。而初次级负载安匝 数相互抵消,它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动,而励磁电流占初级总电流很 小一部分,一般不大于总电流10%,因此不会造成磁芯饱和。 反激式变换器和以上所述大不相同,反激式变换器工作过程分两步:第一:开关管导通,母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来; 第二:开关管关断,存储的磁能通过次级绕组给电容充电,同时给负载供电。

可见,反激式变换器开关管导通时,次级绕组均没构成回路,整个变压 器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样,此时仅有初级电流,转换器没 有次级安匝数去抵消它。初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动,实现电能向 磁能的转换;这种情况极易使磁芯饱和。 磁芯饱和时,很短的时间内极易使开关管损坏。因为当磁芯饱和时,磁 感应强度基本不变,dB/dt近似为零,根据电磁感应定律,将不会产生自感电动 势去抵消母线电压,初级绕组线圈的电阻很小,这样母线电压将几乎全部加在开 关管上,开关管会瞬时损坏。 由上边分析可知,反激式开关电源的设计,在保证输出功率的前提下, 首要解决的是磁芯饱和问题。 如何解决磁芯饱和问题?磁场能量存于何处?将在下一篇文章:反激式开关电源 变压器设计的思考二中讨论。 反激式开关电源设计的思考二---气隙的作用 “反激式开关电源设计的思考一”文中,分析了反激式变换器的特殊性防止磁 芯和的重要性,那么如何防止磁芯的饱和呢?大家知道增加气隙可在相同ΔB的情况下,ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢? 由全电流定律可知:

正激变换器及其控制电路的设计及仿真

正激变换器及其控制电路的设计及仿真 电气工程 张朋 13S053081

设计要求: 1、输入电压:100V(±20%); 2、输出电压:12V; 3、输出电流:1A; 4、电压纹波:<70mV(峰峰值); 5、效率:η>78%; 6、负载调整率:1%; 7、满载到半载,十分之一载到半载纹波<200mV。 第一章绪论 1.课题研究意义: 对于大部分DC/DC变换器电路结构,其共同特点是输入和输出之间存在直接电连接,然而许多应用场合要求输入、输出之间实现电隔离,这时就可以在基本DC/DC变换电路中加入变压器,从而得到输入输出之间电隔离的DC/DC变换器。而正激变化器就实现了这种功能。 2.课题研究内容: 1、本文首先介绍了正激变换器电路中变比、最大占空比和最小占空比、电容、电感参数的计算方法,并进行了计算。 2、正激变换器的控制方式主要通过闭环实现。其中闭环方式又分为PID控制和fuzzy控制。本文分别针对开环、PID控制,fuzzy控制建立正激变换器的Matlab仿真模型,并进行仿真分析了,最后对得出的结果进行比较。 第二章:正激电路的参数计算 本章首先给出正激变换器的等值电路图,然后列出了正激变换器的四个主要参数的计算方法,并进行了计算。 1、正激变换器的等值电路图 图1 正激变换器等值电路图 2、参数计算 (1)变比n 根据设计要求,取占空比D=0.4,根据输入电压和输出电压之间的关系得到变比:

n= D U U out in ?=4.012 100 ?=3.3 (2) 最大、最小占空比 最大占空比D max 定义为 D max = ()n U U U in d out 1 min ? +, 式中U in(min) =100-20=80V ,U out =12V ,n=3.3,,U d 为整流二极管压降, 所以D max =0.495。 最小占空比D min 定义为 D min = ()n U U U in d out 1 max ? +, 式中U in(max) =120V , 所以D min =0.333。 (3) 电容 电容的容量大小影响输出纹波电压和超调量的大小。取开关频率f=200KHZ ,则T=5×10-6 s , 根据公式: C=ripple ripple V f I ??81 , 式中取I ripple =0.2A ,V ripple =0.07mV , 所以C=1.79μF 。为稳定纹波电压,放大电容至50μF 。 (4) 电感 可使用下列方程组计算电感值: U out =L ×dt di , dt= f D m in 1-, 式中U out =12V ,di 取为0.2A ,D min =0.333, 所以L=0.334mH 。 第三章 正激变换器开环的Matlab 仿真 本章首先建立了正激变换器开环下的Matlab 仿真模型,然后对其进行了仿真分析。

单端正激开关电源设计

《开关电源》作品设计论文 设计题目:单端正激开关电源设计 学院名称:电子与信息工程学院 专业:电气工程及其自动化 班级:电气091班 姓名:陈永杰学号:09401170131 指导教师:孔中华 2012 年 5 月25 日

宁波工程学院开关电源论文 摘要 开关电源非常广泛地应用在通讯、计算机、汽车和消费电子产品等领域。电源设备用以实现电能变换和功率传递,是各种电子设备正常工作的基础,而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势,在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 在深入研究分析各种开关电源原理和特点的基础上,根据导师根据项目布置的指标要求,论文设计了一种单端正激式高频单路输出开关电源。该开关电源的特点是以单端正激式为主拓扑,以电流型控制芯片UC3842和高频变压器为核心,采用EMI滤波器、MOSFET、输出滤波电路、采样反馈通道等主要元器件和电路模块,实现了单路稳定输出。 论文所设计的开关电源输入为市电220V交流,输出电压为10V直流电压,输出最大电流为40A,开关频率为200KHZ。论文采用面积乘积法(AP),确定了高频变压器的原副边形式以及铁芯材料的选择,设计了输出电路、系统补偿器以及启动电路和EMI滤波电路。 论文设计好后,对所设计的单端正激式高频开关电源电路系统进行全面仿真,仿真结果表明,各项指标符合要求。 而后,做出实物,调试显示:该开关电源的输出电压调整特性、负载调整率、输出纹波、动态响应、温度变化等均满足了项目的指标要求,并且具有良好的过载、短路保护特性和波形特性,各项技术指标能够达到信息平台的供电要求。 关键词:高频开关电源;单端正激式;AP法变压器 II

反激式开关电源设计的思考(一到五)

反激式开关电源设计的思考一 对一般变压器而言,原边绕组的电流由两部分组成,一部分是负载电流分量,它的大小与副边负载有关;当副边电流加大时,原边负载电流分量也增加,以抵消副边电流的作用。另一部分是励磁电流分量,主要产生主磁通,在空载运行和负载运行时,该励磁分量均不变化。 励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样,若抽水泵中无水,它就无法产生真空效应,大气压就无法将水压上来,水泵就无法正常工作;只有给水泵中加适量的水,让水泵排空,才可正常抽水。在整个抽水过程中,水泵中保持的水量又是不变的。这就是,励磁电流在变压器中必须存在,并且在整个工作过程中保持恒定。 正激式变压器和上述基本一样,初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成;在初级绕组有电流的同时,次级绕组也有电流,初级负载电流分量去平衡次级电流,激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。而初次级负载安匝数相互抵消,它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动,而励磁电流占初级总电流很小一部分,一般不大于总电流10%,因此不会造成磁芯饱和。 反激式变换器和以上所述大不相同,反激式变换器工作过程分两步: 第一:开关管导通,母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来; 第二:开关管关断,存储的磁能通过次级绕组给电容充电,同时给负载供电。 可见,反激式变换器开关管导通时,次级绕组均没构成回路,整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样,此时仅有初级电流,转换器没有次级安匝数去抵消它。初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动,实现电能向磁能的转换;这种情况极易使磁芯饱和。 磁芯饱和时,很短的时间内极易使开关管损坏。因为当磁芯饱和时,磁感应强度基本不变,dB/dt近似为零,根据电磁感应定律,将不会产生自感电动势去抵消母线电压,初级绕组线圈的电阻很小,这样母线电压将几乎全部加在开关管上,开关管会瞬时损坏。 由上边分析可知,反激式开关电源的设计,在保证输出功率的前提下,首要解决的是磁芯饱和问题。 如何解决磁芯饱和问题?磁场能量存于何处?将在下一篇文章:反激式开关电源变压器设计的思考二中讨论。 关键词:开关电源反激式磁芯饱和 反激式开关电源设计的思考二 “反激式开关电源设计的思考一”文中,分析了反激式变换器的特殊性防止磁芯和的重要性,那么如何防止磁芯的饱和呢?大家知道增加气隙可在相同ΔB的情况下,ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢?由全电流定律可知:

超详细的反激式开关电源电路图讲解

反激式开关电源电路图讲解 一,先分类 开关电源的拓扑结构按照功率大小的分类如下: 10W以内常用RCC(自激振荡)拓扑方式 10W-100W以内常用反激式拓扑(75W以上电源有PF值要求) 100W-300W 正激、双管反激、准谐振 300W-500W 准谐振、双管正激、半桥等 500W-2000W 双管正激、半桥、全桥 2000W以上全桥 二,重点 在开关电源市场中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源。 优点:成本低,外围元件少,低耗能,适用于宽电压范围输入,可多组输出. 缺点:输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善) 今天以最常用的反激开关电源的设计流程及元器件的选择方法为例。给大家讲解如何读懂反激开关电源电路图! 三,画框图 一般来说,总的来分按变压器初测部分和次侧部分来说明。开关电源的电路包括以下几个主要组成部分,如图1

图1,反激开关电源框图 四,原理图 图2是反激式开关电源的原理图,就是在图1框图的基础上,对各个部分进行详细的设计,当然,这些设计都是按照一定步骤进行的。下面会根据这个原理图进行各个部分的设计说明。 图2 典型反激开关电源原理图

五,保险管 图3 保险管 先认识一下电源的安规元件—保险管如图3。 作用:安全防护。在电源出现异常时,为了保护核心器件不受到损坏。 技术参数:额定电压 ,额定电流 ,熔断时间。 分类:快断、慢断、常规 计算公式:其中:Po:输出功率 η效率:(设计的评估值) Vinmin :最小的输入电压 2:为经验值,在实际应用中,保险管的取值范围是理论值的1.5~3倍。 0.98: PF值 六,NTC和MOV NTC 热敏电阻的位置如图4。 图4 NTC热敏电阻 图4中的RT为NTC,电阻值随温度升高而降低,抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。

正激变换器工作原理

正激变换器 实际应用中,由于电压等级变换、安全、系统串并联等原因,开关电源的输入输出往往需要电气隔离。在基本的非隔离DC DC-变换器中加入变压器,就可以派生出带隔离变压器的DC DC-变换器。例如,单端正激变换器就是有BUCK变换器派生出来的。 一工作原理 1 单管正激变换器 单端正激变换器是由BUCK变换器派生而来的。图(a1)为BUCK 变换器的原理图,将开关管右边插入一个隔离变压器,就可以得到图(a2)的单端正激变换器 图(a1)BUCK变换器

图(a2)单端正激变换器 BUCK 变换器工作原理: 电路进入平恒以后,由电感单个周期内充放电量相等, 由电感周期内充放电平恒可以得到: ?==T dt L u T L U 001

即: 可得: 单端正激变换器的工作原理和和BUCK 相似。 其工作状态如图如图(a3)所示: 图(a3)单端正激变换器工作状态 开关管Q 闭合。如图所示,当开关管Q 闭合时的工作状态如图a4所示, ? ? =- -ON ON t T t o o i dt U dt U U 0 )(i i ON o o o i OFF o ON o i DU U T t U T D U DT U U t U t U U == -=-=-)1()()(

图(a4) 根据图中同名端所示,可以知道变压器副边也流过电流,D1导通,D2截止,电感电压为正,变压器副边的电流线性上升。在此期间,电感电压为: O I L U U N N u -= 1 2 开关管Q 截止。开关管截止时,变压器副边没有电流流过,副边电流经反并联二极管D2续流,在此期间,电感电压为负,电流线性下降: O L U U -= 在稳定时,和BUCK 电路一样,电感电压在一个周期内积分为零,因此: ()S O S I T D U DT U U N N ?-?=??? ? ??-1120 得: I O DU N N U 1 2= 由此可见,单端正激变换器电压增益与开关导通占空比成正比,

单端正激式开关电源_主电路的设计说明

摘要:电源是各种电子设备不可或缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠工作。目前,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的相控稳压电源,并广泛应用于电子设备中。 本设计的单端正激式开关电源是一种间接直流变流技术,本设计以正激电路为主体,采用以TOPSwitch系列开关电源集成芯片TOP244Y为核心的脉宽调制电路实现交-直-交-直变流,输出稳压稳频的直流电。 关键词开关电源;正激电路;变压器;脉宽调制; ABSTRACT Power is an indispensable part of electronic equipment, its performance directly related to electronic equipment technical indicators and safe work can. At present, switching power supply for has the advantages of small size, light weight, high efficiency, low calorific value and stable performance advantages and replace traditional technology of phased manostat, and widely used in electronic equipment. The design of the single straight separate-excited switching power supply is a kind of indirect dc converter technology, this design was adopted for the main circuit, induced by TOPSwitch series of switch power integration chip TOP244Y as the core of the pulse width modulation circuit implementation delivered straight into - - - the voltage output variable flow straight, dc frequency stability. KEY WORDS Switching power supply;Is induced circuit;Transformer;Pulse width modulation 目录 前言 (1)

(整理)反激式开关电源变压器设计原理.

反激式开关电源变压器设计原理 (Flyback Transformer Design Theory) 第一节. 概述. 反激式(Flyback)转换器又称单端反激式或"Buck-Boost"转换器.因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名.离线型反激式转换器原理图如图. 一、反激式转换器的优点有: 1. 电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求. 2. 转换效率高,损失小. 3. 变压器匝数比值较小. 4. 输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,目前已可实现交流输入在 85~265V间.无需切换而达到稳定输出的要求. 二、反激式转换器的缺点有: 1. 输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下. 2. 转换变压器在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,易导致磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大. 3. 变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM / DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂. 第二节. 工作原理 在图1所示隔离反驰式转换器(The isolated flyback converter)中, 变压器" T "有隔离与扼流之双重作用.因此" T "又称为Transformer- choke.电路的工作原理如下: 当开关晶体管 Tr ton时,变压器初级Np有电流 Ip,并将能量储存于其中(E = LpIp / 2).由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载.当开关Tr off 时,由楞次定律 : (e = -N△Φ/△T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通.反激式转换器之稳态波形如图2. 由图可知,导通时间 ton的大小将决定Ip、Vce的幅值: Vce max = VIN / 1-Dmax VIN: 输入直流电压 ; Dmax : 最大工作周期 Dmax = ton / T 由此可知,想要得到低的集电极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在实际应用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax ≦ 2.2VIN. 开关管Tr on时的集电极工作电流Ie,也就是原边峰值电流Ip 为: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故当Io一定时,匝比 n的大小即决定了Ic 的大小,上式是按功率守恒原则,原副边安匝数相等 NpIp = NsIs而导出. Ip 亦可用下列方法表示: Ic = Ip = 2Po / (η*VIN*Dmax) η: 转换器的效率 公式导出如下: 输出功率 : Po = LIp2η / 2T

反激式开关电源设计

基于U C3845的反激式开关电源设计 时间:2011-10-2821:40:13来源:作者: 引言 反激式开关电源以其结构简单、元器件少等优点在自动控制及智能仪表的电源中得到广泛的应用。开关电源的调节部分通常采用脉宽调制(PWM)技术,即在主变换器周期不变的情况下,根据输入电压或负载的变化来调节功率MOSFET管导通的占空比,从而使输出电压稳定。脉宽调制的方法很多,本文中所介绍的是一种高性能的固定频率电流型脉宽集成控制芯片UC3845。该芯片是专为离线的直流至直流变换器应用而设计的。其主要特点是具有内部振荡器、高精度误差比较器、逐周电流取样比较、启动电流小、大电流图腾柱输出等,是驱动MOSFET的理想器件。 1UC3845简介 UC3845芯片为SO8或SO14管脚塑料表贴元件。专为低压应用设计。其欠压锁定门限为8.5v(通),7.6V(断);电流模式工作达500千赫输出开关频率;在反激式应用中最大占空比为0.5;输出静区时间从50%~70%可调;自动前馈补偿;锁存脉宽调制,用于逐周期限流;内部微调的参考源;带欠压锁定;大电流图腾柱输出;输入欠压锁定,带滞后;启动及工作电流低。 芯片管脚图及管脚功能如图1所示。 图1UC3845芯片管脚图 1脚:输出/补偿,内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络,以确定误差放大器的增益和频响。 2脚:电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(2.5V)进行比较,调整脉宽。 3脚:电流取样输入端。 4脚:RT/CT振荡器的外接电容C和电阻R的公共端。通过一个电阻接Vref通过一个电阻接地。 5脚:接地。 6脚:图腾柱式PWM输出,驱动能力为土1A. 7脚:正电源脚。 8脚:Vref,5V基准电压,输出电流可达50mA. 2设计方法 如图2为基于UC3845反激式开关电源的电路图,虚线框内为UC3845内部简化方框图。 1)启动电压和电容的选择 交流电源115VAC经整流、滤波后为一个纹波非常小的直流高压Udc,该电压根据交流电源范围往往可得到一个最大Udcmax,一和最小电压Udcmin。 当直流输入电压大于144V以上时,UC3845应启动开始工作,启动电阻应由线路直流电压和启动所需电流来确定。 根据UC3845的参数分析可知,当启动电压低于8.5V时,UC3845的整个电路仅消耗lmA的电流,即UC3845的典型启动电压为8.5V,电流为1mA.加上外围电路损耗约0.5mA,即整个电路损耗约1.5mA.在输入直流电压为最小电压Ddcmmn时,启动电阻Rin的计算如下: 图2基于UC3845反激式开关电源的电路图 启动过程完成后,UC3845的消耗电流会随着MOSFET管的开通增至100mA左右。该电流由启动电容在启动时储存的电荷量来提供。此时,启动电容上的电压会发生跌落到7.6V以上,要使UC3845fj~

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反激式开关电源设计资料 前言 反激式开关电源的控制芯片种类非常丰富,芯片厂商都有自己的专用芯片,例如UC3842、UC3845、OB2262、OB2269、TOPSWITCH 等等。虽然控制芯片略有不同,但是反激式开关电源的拓扑结构和电路原理基本上是一样的,本资料以UC3842为控制芯片设计了一款反激式开关电源。 单端反激式开关稳压电源的基本工作原理如下: D1 T R L 图1 反激式开关电源原理图 当加到原边主功率开关管Q1的激励脉冲为高电平使Q1导通时,直流输入电压V IN加载原边绕组N P两端,此时因副边绕组相位是上负下正,使整流管D1反向偏置而截止;当驱动脉冲为低电平使Q1截止时,原边绕组N P两端电压极性反向,使副边绕组相位变为上正下负,则整流管被正向偏置而导通,此后存储在变压器中的磁能向负载传递释放。因单端反激式电源只是在原边开关管到同期间存储能

量,当它截止时才向负载释放能量,故高频变压器在开关工作过程中,既起变压隔离作用,又是电感储能元件。因此又称单端反激式变换器是一种“电感储能式变换器”。 学习了反激式开关电源的工作原理之后,我们可以自行设计一款电源进行调试。开关电源是一门实验科学,理论知识的学习是必不可少的,但是光掌握了理论知识是远远不够的,还要多做实验,测试不同环境不同参数下的电源工作情况,这样才能对电源有更深的认识。除此之外,掌握大量的实验数据可以对以后设计电源和电源的优化提供很大帮助,可以更快速更合理的设计出一款新电源或者排除一些电源故障。通过阅读下面的章节,可以使你对电源从原理理解到设计能力有一个快速的提升。

第一章 电源参数的计算 第一步,确定系统的参数。我们设计一个电源首先要确定电源工作在一个什么样的环境,比如说输入电压的范围、频率、网侧电压是否纯净,接下来是电源的输出能力包括输出电压、电流和纹波大小等等。先要确定这些相关因素,才能更好的设计出符合标准的电源。我们在第二章会详细介绍如何利用这些参数设计电源。 输入电压范围(V line min 和V line max ); 输入电压频率(f L ); 输出电压(V O ); 输出电流(I O ); 最大输出功率 (P 0)。 效率估计(E ff ):需要估计功率转换效率以计算最大输入功率。如果没有参考数据可供使用,则对于低电压输出应用和高电压输出应用,应分别将E ff 设定为0.8~0.85。 利用估计效率,可由式(1-1)求出最大输入功率。 O IN ff P P E = (1-1) 第二步:确定输入整流滤波电容(C DC )和DC 电压范围。 最大DC 电压纹波计算: max DC V ?= (1-2) 式(1-2)中,D ch 为规定的输入整流滤波电容的充电占空比。其 典型值为0.2。对于通用型输入(85~265Vrms ),一般将max V DC ?设定为

反激式开关电源的设计方法

1 设计步骤: 1.1 产品规格书制作 1.2 设计线路图、零件选用. 1.3 PCB Layout. 1.4 变压器、电感等计算. 1.5 设计验证. 2 设计流程介绍: 2.1 产品规格书制作 依据客户的要求,制作产品规格书。做为设计开发、品质检验、生产测试等的依据。 2.2 设计线路图、零件选用。 2.3 PCB Layout. 外形尺寸、接口定义,散热方式等。 2.4 变压器、电感等计算. 变压器是整个电源供应器的重要核心,所以变压器的计算及验证是很重要的, 2.4.1 决定变压器的材质及尺寸: 依据变压器计算公式 Gauss x NpxAe LpxIp B 100(max ) B(max) = 铁心饱合的磁通密度(Gauss) Lp = 一次侧电感值(uH) Ip = 一次侧峰值电流(A) Np = 一次侧(主线圈)圈数 Ae = 铁心截面积(cm 2) B(max) 依铁心的材质及本身的温度来决定,以TDK Ferrite Core PC40为例,100℃时的B(max)为3900 Gauss ,设计时应考 虑零件误差,所以一般取3000~3500 Gauss 之间,若所设计的 power 为Adapter(有外壳)则应取3000 Gauss 左右,以避免铁心 因高温而饱合,一般而言铁心的尺寸越大,Ae 越高,所以可以 做较大瓦数的Power 。 2.4.2 决定一次侧滤波电容: 滤波电容的决定,可以决定电容器上的Vin(min),滤波电容越大,Vin(win)越高,可以做较大瓦数的Power ,但相对价格亦较高。 2.4.3 决定变压器线径及线数: 变压器的选择实际中一般根据经验,依据电源的体积、工作频率,

反激式开关电源原理与工程设计讲解

反激式开关电源原理与工程设计 一.反激式开关电源的原理分析 二.反激式开关电源实际电路的主要部件及其作用三.反激式开关电源电路各主要器件的参数选择四.反激式开关电源pcb排板原则 五.变压器的设计 六.反激式开关电源的稳定性问题

反激式开关电源原理与工程设计 一.反激式开关电源的原理分析 1.反激式开关电源电路拓扑 2.为什么是反激式 a.变压器的同名端相反 b.利用了二极管的单向导电特性 3.电感电流的变化为何不是突变 电压加在有电感的闭合回路上,流过电感上电流不是突变

的,而是线性增加。 愣次定律: a.当电感线圈流过变化的电流时会产生感生电动势,其大 小于与线圈中电流的变化率成正比; b.感生电动势总是阻碍原电流的变化 4.变压器的主要作用与能量的传递 理想变压器与反激式变压器的区别 反激式变压器的作用 a.电感(储能)作用 遵守的是安匝比守恒(而不是电压比守恒) 储存的能量为1/2×L×Ip2

b.限流的作用 c.变压作用 初次级虽然不是同时导通,它们之间也存在电压转换关系,也是初级按匝比变换到次级,次级按变比折射回初级。 d.变压器的气隙作用 扩展磁滞回线,能使变压器更不易饱和 磁饱和的原理 图 电感值跟导磁率成正比,

导磁率=B/H B是磁通密度 H是磁场强度 简单一点,H跟外加电流成正比就是了,增加电流,磁流密度会跟着增加, 当加电流至某一程度时,我们会发现,磁通密度会增加得很慢, 而且会趋近一渐近线.当趋近这一渐近线时,这时的磁通密度,我们就称為饱和磁通密度,电感值跟导磁率成正比,导磁率=B/H B是磁通密度,H是磁场强度(电流增加,H会增加.) H会增加,但B不会增加, 导磁率变化量会趋近零啦! 电感值跟导磁率变化量成正比, 导磁率变化量趋近零,那电感值会是多少? 零 5.开关管漏极电压的组成 a. 高压为基础部分 b. 折射回来的电压部分 c. 漏感产生的尖峰部分 波形

正激式开关电源的设计

7-3 正激式开关电源的设计 中山市技师学院 葛中海 由于反激式开关电源中的开关变压器起到储能电感的作用,因此反激式开关变压器类似于电感的设计,但需注意防止磁饱和的问题。反激式在20~100W 的小功率开关电源方面比较有优势,因其电路简单,控制也比较容易。而正激式开关电源中的高频变压器只起到传输能量的作用,其开关变压器可按正常的变压器设计方法,但需考虑磁复位、同步整流等问题。正激式适合50~250W 之低压、大电流的开关电源。这是二者的重要区别! 技术指标 正激式开关电源的技术指标见表7-7所示。 表7-7 正激式开关电源的技术指标 项 目 参 数 输入电压 单相交流220V 输入电压变动范围 160Vac ~235Vac 输入频率 50Hz 输出电压 V O =@20A 输出功率 110W 工作频率的确定 工作频率对电源体积以及特性影响很大,必须很好选择。工作频率高时,开关变压器和输出滤波器可小型化,过渡响应速度快。但主开关元件的热损耗增大、噪声大,而且集成控制器、主开关元件、输出二极管、输出电容及变压器的磁芯、还有电路设计等受到限制。 这里基本工作频率0f 选200kHz ,则 3010 20011?== f T =5μs 式中,T 为周期,0f 为基本工作频率。 最大导通时间的确定 对于正向激励开关电源,D 选为40%~45%较为适宜。最大导通时间max ON t 为 max ON t =T ?max D (7-24) max D 是设计电路时的一个重要参数,它对主开关元件、输出二极管的耐压与输出保持时间、

变压器以及和输出滤波器的大小、转换效率等都有很大影响。此处,选max D =45%。由式(7-24),则有 max ON t =5μ?=μs 正向激励开关电源的基本电路结构如图7-25所示。 图7-25 正向激励开关电源的基本电路结构 变压器匝比的计算 1.次级输出电压的计算 如图7-26所示,次级电压2V 与电压O V +F V +L V 的关系可以这样理解:正脉冲电压2V 与ON t 包围的矩形“等积变形”为整个周期T 的矩形,则矩形的“纵向的高”就是O V +F V +L V ,即 ()ON F L O t T V V V V ?++= 2 (7-25) 式中,F V 是输出二极管的导通压降,L V 是包含输出扼流圈2L 的次级绕组接线压降。 由此可见,图7-26所示A 面积等于B 面积,C 是公共面积,因此,真正加在负载上的输出

轻载下的正激同步整流变换器分析_百度文库.

摘要:同步整流技术的广泛应用促进了低电压大电流技术的发展,但是,使用同步整流技术会造成开关电源在轻载情况下的低效率问题。以正激式同步整流变换器为例,从电感电流连续和断续两种状态,分析了轻载工况下的工作情况。 关键词:同步整流;CCM;DCM;环路电流;振铃 O 引言 随着计算机、通讯和网络技术的迅猛发展,低压大电流DC/DC变换器成为目前一个重要的研究课题。传统的二极管或肖特基二极管整流方式,由于正向导通压降大,整流损耗成为变换器的主要损耗。功率MOSFET导通电阻低、开关时间短、输入阻抗高,成为低压大电流功率变换器首选的整流器件。根据MOSFET的控制特点,应运而生了同步整流(Synchronous rectification,SR这一新型的整流技术。 1 同步整流正激变换器 图l给出的是一种电压自驱动同步整流正激变换器,图l中两个与变压器耦合的分离辅助绕组N4、N5用来分别驱动两个同步整流管S201、S202。当主开关管导通时,变压器副边绕组上正下负,S201栅极电压为高,导通整流;主开关管截止时,副边绕组下正上负,续流S202 栅极为高,导通续流。 正激变换器中,同步整流S201的运行情况与变压器磁复位方式有关。如果采用如图1所示的辅助绕组复位电路,在复位结束过程之后,变压器电压保持为零的死区时间内,输出电流流经续流同步整流管S202,但是S202栅极无驱动电压,所以输出电流必须流经S202的体二极管。M0SFET体二极管的正向导通电压高,反向恢复特性差,导通损耗非常大,这就使采用MOSFET整流的优势大打折扣,为了解决这一问题,较为简单的做法是在S202的漏极和源极之间并联一个肖特基二极管D201,在S202截止的时间内,代替S202的体二极管续流,这 一方法增加的元件不多,线路简单,也很实用。 为了优化驱动波形,可以采用分离的辅助绕组来分别驱动两个同步整流管,比起传统的副边绕组直接驱动的同步整流变换器来说,这种驱动方式无工作电流通过驱动绕组,因此不需要建立输出电流的时间,MOSFET能够迅速开通,开通时的死区时间即体二极管导通的时间减少了一半。另一方面驱动电压不只局限于副边电压,可以通过调整辅助线圈来得到合适的驱动电压。 2 轻载条件下的同步整流 对于正激变换器,在主开关管截止的时间里,输出电流是靠输出储能电感里的能量维持的,因此变换器有两种可能的运行情况:电感电流连续模式(CCM,continuous current mode和电感电流断续模式(DCM,discontinuous current mode。

单端正激开关电源设计

单端正激开关电源设计 Prepared on 22 November 2020

《开关电源》作品设计论文 设计题目:单端正激开关电源设计 学院名称:电子与信息工程学院 专业:电气工程及其自动化 班级:电气091班 姓名:陈永杰学号: 指导教师:孔中华 2012 年 5 月 25 日

摘要 开关电源非常广泛地应用在通讯、计算机、汽车和消费电子产品等领域。电源设备用以实现电能变换和功率传递,是各种电子设备正常工作的基础,而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势,在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 在深入研究分析各种开关电源原理和特点的基础上,根据导师根据项目布置的指标要求,论文设计了一种单端正激式高频单路输出开关电源。该开关电源的特点是以单端正激式为主拓扑,以电流型控制芯片UC3842和高频变压器为核心,采用EMI滤波器、MOSFET、输出滤波电路、采样反馈通道等主要元器件和电路模块,实现了单路稳定输出。 论文所设计的开关电源输入为市电220V交流,输出电压为10V直流电压,输出最大电流为40A,开关频率为200KHZ。论文采用面积乘积法(AP),确定了高频变压器的原副边形式以及铁芯材料的选择,设计了输出电路、系统补偿器以及启动电路和EMI滤波电路。 论文设计好后,对所设计的单端正激式高频开关电源电路系统进行全面仿真,仿真结果表明,各项指标符合要求。 而后,做出实物,调试显示:该开关电源的输出电压调整特性、负载调整率、输出纹波、动态响应、温度变化等均满足了项目的指标要求,并且具有良好的过载、短路保护特性和波形特性,各项技术指标能够达到信息平台的供电要求。 关键词:高频开关电源;单端正激式;AP法变压器

总结:开关电源设计心得

总结:开关电源设计心得 首先从开关电源的设计及生产工艺开始描述吧,先说说印制板的设计。开关电源工作在高频率,高脉冲状态,属于模拟电路中的一个比较特殊种类。布板时须遵循高频电路布线原则。 1、布局:脉冲电压连线尽可能短,其中输入开关管到变压器连线,输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端,输入线应避免与其他电路平行,应避开。 Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离,以避免磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽,以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。 输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子,可影响电源输出纹波指标,两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解电容保持一定距离,以延长整机寿命,电解电容是开关电源寿命的瓶劲,如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离,电解之间也须留出散热空间,条件允许可将其放置在进风口。 控制部分要注意:高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反馈环路,在处理时要尽量避免其受干扰、电流取样信号电路,特别是电流控制型电路,处理不好易出现一些想不到的意外。 下面谈一谈印制板布线的一些原则 线间距:随着印制线路板制造工艺的不断完善和提高,一般加工厂制造出线间距等于甚至小于0.1mm已经不存在什么问题,完全能够满足大多数应用场合。考虑到开关电源所采用的元器件及生产工艺,一般双面板最小线间距设为0.3mm,单面板最小线间距设为0.5mm,焊盘与焊盘、焊盘与过孔或过孔与过孔,最小间距设为0.5mm,可避免在焊接操作过程中出现“桥接”现象。,这样大多数制板厂都能够很轻松满足生产要求,并可以把成品率控制得非常高,亦可实现合理的布线密度及有一个较经济的成本。 最小线间距只适合信号控制电路和电压低于63V的低压电路,当线间电压大于该值时一般可按照500V/1mm经验值取线间距。

(完整)高效单端正激DCDC变换器.

高效单端正激DC/DC变换器 高效单端正激DC/DC变换器 类别:电源技术 作者:西安交通大学王 鹤杨宏(西安710049)来源:《电源技术应用》 摘要:介绍一种特殊的单端正激DC/DC变换器,该变换器具有较高的功率传输效率和较大的功率输出。 关键词:单端正激变换器 高效 1 引言 DC/DC变换器广泛应用于通信、计算机及汽车等领域,近年来DC/DC 变换器技术有了很大的发展,重点是研究高效、高功率输出、结构简单和价廉的变换器。 本文介绍一种特殊的单端正激200W48V/24V变换器,由于电路的特殊结构,该变换器具有稳定性好、效率高、功率密度高等优点。 2 电路设计 该DC/DC变换器的控制电路选用TL494,它是一种性能优良、功能齐全的集成控制器,功能框图如图1所示,主要管脚功能如下: 12脚:接电源正端,电压范围7V~40V。 7脚:公共负端。 14脚:输出5V基准电压。 6脚:外接定时电阻RT,常取数kΩ以上。 5脚:外接定时电容CT,产生锯齿波电压送比较器和死区时间比较器,振荡频率为 f=1/RTCT 4脚:死区时间控制,输入直流电压(0~4)V,控制TL494输出脉冲的占空比=0.45~0,在此基础上,占空比还受反馈信号控制,4脚还常用作软起动控制端,使输出脉冲宽度由0逐渐达到设计值。

13脚:输出方式控制,当U13=0时,用于驱动单端电路。 TL494的内部包含两个相同的误差放大器,它们的输出端经二极管隔离后送至比较器的同相端,与反相端的锯齿电压相比较,并决定输出电压的宽度,调宽过程可由3脚上的电压来控制,也可分别经误差放大器进行控制。两个放大器独立使用,用于反馈电压和过流保护,3脚接RC网络,提高整个电路的稳定性。完整电路原理如图2所示。 输出电压UO经R1和R2分压后加到1脚,当UO变化时,误差放大器1的输出电压随之改变,即与锯齿波电压的比较电平发生改变,比较器输出的脉冲宽度改变,通过TL494输出的驱动脉冲改变开关管的导通时间,从而实现调宽稳压的目的。基准电压(14脚)另一路通过R9和R10分压后加到误差放大器的反相端15脚,同相端16脚接过流保护电阻R12的一端,当输出电流超过20A时,误差放大器2输出高电平,随之使开关管的导通时间变短,关断输出。 另外,为了提高整个电路的功率传输效率,该单端正激变换器未采用加去磁绕组的方案,去磁由接到变压器T次级电路的二极管、电容来完成。在设计时应精确计算电容的取值,确保磁通复位,二极管选用超快速恢复型,同时为防止变压器磁通饱和,在次级电路中采用直流隔离电容C8。磁性材料选用日本TDK公司的PC40。 3 实验结果 在实验过程中,进行了多次严酷环境下的老化实验,结果表明,该设计方案是可靠的,变换器的各项参数如下: 输入电压:(40~60)V; 输入电流:5A(满载时); 输出电压:24V; 电压调整率:0.02%(40~60)V输入时; 额定输出功率:200W; 峰值功率:400W; 效率:92%。 4 结语 该设计方案采用了独特的正激拓朴结构,从原理上提高了DC/DC变换器的效率,经过长时间的老化和各种恶劣环境下的实验,证明该设计方案是可行的。

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