12V5A直流開關(guān)電源設(shè)計

1、設(shè)計題目： 12v5a直流開關(guān)電源 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 系 部： 同 組 人： 指導(dǎo)教師： 年 月 日目 錄摘要-3引言-4第一章 開關(guān)電源概述-5 1.1 開關(guān)電源發(fā)展歷史與應(yīng)用力-52.1 開關(guān)電源所用的術(shù)語-5第二章 輸入電路-72.1 輸入保護器件-72.2 輸入陽間電壓保護-72.3 輸入整流濾波電路原理-8第三章 隔離單端反激式變換器電路-93.1 單端反激式變換器電路中的開關(guān)晶體管-93.2 單端反激式變換器電路中的變壓器繞組-10第四章 uc3842的原理及技術(shù)參數(shù)-114.1 uc3842的原理和概述-114.2 uc3842的技術(shù)參數(shù)-12第五章 12v

2、/5a單端反激開關(guān)電源原理-145.1 12v/5a電路原理圖-145.2 12v/5a電源 pcb板-155.3 12v/5a電路原理分析-155. 3. 1 系統(tǒng)原理-155. 3. 2 啟動電路-155. 3. 3 15v/5a電路的短路過流、過壓、欠壓保護-165. 3. 4 反饋電路-16 5. 3. 5 輸出整流濾波電路-17總結(jié)-18致謝-19參考文獻-19摘 要本文介紹一種以uc3842作為控制核心，根據(jù)uc3842的應(yīng)用特點，設(shè)計了一種基于該電流型pwm控制芯片、實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電

3、壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）和mosfet構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。開關(guān)電源比普通的線性電源效率高，開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。關(guān)鍵詞：uc3842、開關(guān)電源、pwm引 言開關(guān)電源是運用現(xiàn)代電力電子技術(shù),控制開關(guān)開啟和關(guān)閉的時候,這個比率的輸出電壓穩(wěn)定的電源,電源一般由脈寬調(diào)制控制集成電路和場效應(yīng)晶體管。開關(guān)電源、線性電源,并與成本的功率輸出的增加,但這兩種不同的發(fā)展速度。在某一線性功率成本的輸出功率的觀點,但高于開關(guān)電源,它被稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和

4、創(chuàng)新、開關(guān)電源技術(shù)在不斷的創(chuàng)新,這一成本更低的輸出功率對于移動、開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間第一章 開關(guān)電源概述1.1 開關(guān)電源發(fā)展歷史與應(yīng)用力開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和功率開關(guān)器件（如mos-fet）等構(gòu)成。簡單的說：就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源把直流電源或交流電源通過它可以獲得一個穩(wěn)定的直流電壓源。它具有效率高，輸出電壓穩(wěn)定，交流紋波小，體積小和重量輕的許多優(yōu)點。獲得廣泛使用。 高頻開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻開關(guān)電源、小型化、使開關(guān)電源到更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是在高技術(shù)領(lǐng)域

5、的應(yīng)用,促進高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、光。另一個開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源和保護環(huán)境,具有重要的意義。 對開關(guān)電源中的應(yīng)用,電力電子器件igbt模塊,主要用于二極管和場效應(yīng)晶體管。 可控硅整流電路的電源的輸入和軟啟動電路在一個小的應(yīng)用、gtr、開關(guān)頻率低驅(qū)動,逐步取代igbt和場效應(yīng)晶體管。1.2開關(guān)電源所用的術(shù)語 下面是一些我在實際工作中所使用的開關(guān)電源術(shù)語 效率：電源的輸出功率與輸入功率的百分比。其測量條件是滿負載，輸入因為是交流電壓實際電流值不好測量，可以使用200v左右的直流串聯(lián)電流表進行測量輸入功率。 esr：等效串聯(lián)電阻。它表示電解電容呈現(xiàn)的電阻值的總合。一般情況下，es

6、r值越低的電容，性能越好。 輸出電壓保持時間：在開關(guān)電源的輸入電壓撤消后，依然保持其額定輸出電壓的時間。 啟動浪涌電流限制電路：它屬于保護電路。它對電源啟動時產(chǎn)生的尖峰電流起限制作用。為了防止不必要的功率損耗，在設(shè)計這一電路時，一定要保證濾波電容充滿電之前，就起到限流作用。 隔離電壓：電源電路中的任何一部分與電源基板地之間的最大電壓?；蛘吣軌蚣釉陂_關(guān)電源的輸入端與輸出端之間的最大直流電壓。 線性調(diào)整率：輸出電壓隨輸入線性電壓在指定范圍內(nèi)變化的百分率。條件是負載和周圍的溫度保持恒定。 負載調(diào)整率：輸出電壓隨負載在指定范圍內(nèi)變化的百分率。條件是線電壓和環(huán)境溫度保持不變。 噪音和紋波：附加在直流輸出

7、信號上的交流電壓和高頻尖峰信號的峰值。用示波器測量其紋波幅值，通常是以mv度量。 輸出瞬態(tài)響應(yīng)時間：從輸出負載電流產(chǎn)生變化開始，經(jīng)過整個電路的調(diào)節(jié)作用，到輸出電壓恢復(fù)額定值所需要的時間。 過載或過流保護：防止因負載過重，使電流超過原設(shè)計的額定值而造成電源損壞的電路。 軟啟動：在系統(tǒng)啟動時，一種延長開關(guān)波形的工作周期的方法。工作用期是從零到它的正常工作點所用的時間。 電磁干擾無線頻率干擾(emlbfl)：即那些由開關(guān)電源的開關(guān)元件引起的，不希望傳按和發(fā)射的高頻能量頻譜。 快速短路保護電路；一種用于電源輸出端的保護電路。當出現(xiàn)過壓現(xiàn)象時，保護電路啟動，將電源輸出端電壓快速短路。 占空比；在高頻開關(guān)

8、電源中，開關(guān)元件的導(dǎo)通時間和變換器的工作周期之比。第二章 輸入電路2.1 輸入保護器件隔離式開關(guān)電源在加電時，會產(chǎn)生極高的浪涌電流設(shè)計者必須在電源的輸入端采取一些限流措施，才能有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗。如果不采取任何保護措施，浪涌電流可接近幾百安培。通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是利用電阻一雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是采用負溫度系數(shù)(ntc)的熱敏電阻。用以增加對交流線路的阻抗，把浪涌電流減小到安全值。 電阻雙向可控硅技術(shù)：采用此項浪涌電流限制技術(shù)時，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。當輸入濾波

9、電容充滿電后由于雙向可控硅和電阻是并聯(lián)的，可以把電阻短路，對其進行分流。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個觸發(fā)電路，當某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。設(shè)計時要認真地選擇雙向可控硅的參數(shù)，并加上足夠的散熱片，因為在它導(dǎo)通時，要流過全部的輸入電流。熱敏電阻技術(shù)：這種方法是把ntc(負溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整流后的直流線上。由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當電容開始充電時，充電電流流過熱敏電阻，開始對其加熱。由于熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開始下降，如果熱敏電阻選擇得合適，在負載電流達到穩(wěn)定狀態(tài)時，其阻值應(yīng)該是最小。這樣，就不會影響整個開關(guān)

10、電源的效率。2.2 輸入陽間電壓保護 在一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為115v或230v左右，但有時也會有高壓的尖峰出現(xiàn)。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。受嚴重的雷電影響，電網(wǎng)上的高壓尖峰可達5kv。另一方面，電感性開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式：公式中l(wèi)是電感器的漏感，i是通過線圈的電流。 由此可見，雖然電壓尖峰持續(xù)的時間很短，但是它確有足夠的能量使開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞。所以必須要采取措施加以避免。 用在這種環(huán)境中最通用的抑制干擾器件是金局氧化物壓敏電阻(vdr)瞬態(tài)電壓抑制器。壓敏電阻起到一個可變阻抗的作用。也就是

11、說，當高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時它的阻抗急劇減小到一個低值，消除了尖峰電壓使輸入電壓達到安全值。瞬間的能量消耗在壓敏電阻上，在選擇壓敏電阻時應(yīng)按下述步驟進行。 1選擇壓敏電阻的電壓額定值，應(yīng)該比最大的電路電壓穩(wěn)定值大10一20； 2查明器件所需要承受的最大尖峰電流；2.3 輸入整流濾波電路原理輸入濾波電路：c1、l1、c2、c3組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當電源開啟瞬間，要對 c5充電，由于瞬間電流大，加r1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在r1電阻上，一定時間后溫度升高后

12、r1阻值減?。╮1是負溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。r2為壓敏電阻，主要是防止輸入瞬間電壓高。第三章 隔離單端反激式變換器電路3.1 單端反激式變換器電路中的開關(guān)晶體管在單端反激式變換器電路中。所使用的開關(guān)晶體管必須符合兩個條件，即在晶體管截止時，要能承受集電極尖峰電壓，在晶體管導(dǎo)通時，要能承受集電極的尖峰電流。晶體管截止時所承受的尖峰電壓按下面的公式進行計算： 公式中，vin是輸入電路整流濾波后的直流電壓， mx是最大工作占空比。所謂占空比指的是晶體管導(dǎo)通的時間與晶體管的一個工作周期(導(dǎo)通時間十截止時間)之比。為了限制晶體管的集電極安全電壓，工作占空比應(yīng)保持在相對

13、地低一些，一般要低于50，即 mx0.5。在實際設(shè)計時， mx一般取o4左右，這樣它就限制了集電極峰值電壓。因此，在單端反激式變換器電路設(shè)計中，晶體管的工作電壓一般在800v以上，通常按900v計算可安全可靠地工作。 按如下粗算考慮：交流輸入電壓180一260v，取260v，260v乘以14(有效值)，即是整流后的直流電壓2601.4354v，360v再乘以22得800v，實際取值m mf；900v即可。 第二個設(shè)計準則是必須滿足晶體管在導(dǎo)遏時的集電極電流的需求。公式中，i l是變壓器初級繞組的峰值電流而n是變壓器初級與次級間的匝數(shù)比。 為了導(dǎo)出用變換器輸出功率和輸入電壓表達集電懾峰值工作電流

14、的公式，變壓器繞組傳遞的能量pm可用下式表示：略去推導(dǎo)過程，由輸出功率和輸入電壓表達的晶體管工作電流的公式為：假定變換器的效率v是0.8，最大工作占空比入f0.43.2 單端反激式變換器電路中的變壓器繞組 由于在單端反激式變換器電路中，變壓器初級繞組只在磁滯回線的一個方向上被驅(qū)動，因此，在設(shè)計時注意不要使其飽和，更為詳盡的分析和設(shè)計將在第五章給出。在這里，我們只是強調(diào)一下，所選擇的磁芯一定要有足夠大的有效體積，通常應(yīng)用空氣隙來擴大其有效體積 傳輸變壓器有效體積v的計算公式如下：ilamx ： 最大負載電流l ：變壓器次級繞組的電感量；u0 ：空氣的導(dǎo)磁率。其值為15ue ：所選磁芯的磁性材料的

15、相對導(dǎo)磁率bmax：磁芯的最大磁通密度。 相對導(dǎo)磁率從應(yīng)盡可能選得大一些，以避免由于磁充尺寸和線徑，以及銅損和鐵損引起磁芯溫升過高。第四章 uc3842的原理及技術(shù)參數(shù)4.1 uc3842的原理和概述uc3842 是開關(guān)電源用電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。與電壓控制方式相比在負載響應(yīng)和線性調(diào)整度等方面有很多優(yōu)越之處。 圖1uc3842內(nèi)部原理框圖該電路主要特點有：內(nèi)含欠電壓鎖定電路 、低起動電流（典型值為0.12ma）穩(wěn)定的內(nèi)部基準電壓源、大電流推挽輸出（驅(qū)動電流達1a）工作頻率可到500khz 、自動負反饋補償電路雙脈沖抑制、較強的負載響應(yīng)特性uc3842內(nèi)部工作原理簡介圖1 所示出了uc

16、3842內(nèi)部框圖和引腳圖，uc3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8個引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5v基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端，當檢測電壓超過1v時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(rtct)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns驅(qū)動能力為1a；腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mw；腳為5v

17、基準電壓輸出端，有50ma的負載能力。4.2 uc3842的技術(shù)參數(shù)uc3842電路結(jié)構(gòu)圖 封裝外形圖第五章 12v/5a單端反激開關(guān)電源原理 5.1 12v/5a電路原理圖5.2 12v/5a電路pcb板這是我根據(jù)我在學(xué)校學(xué)習(xí)的protel 99se畫的pcb板5.3 原理分析5 .3. 1 系統(tǒng)原理 本文以uc3842為核心控制部件，設(shè)計一款ac 220v輸入，dc 12v輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點變成單極點，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。 主要的功能模塊包括：啟動電路、過流過壓

18、欠壓保護電路、反饋電路、整流電路。以下對各個模塊的原理和功能進行分析。電路原理圖如圖2所示。5 .3. 2 啟動電路 如圖2所示交流電由c16、l1、c15以及c14、c13進行低通濾波，其中c16、c15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；c14、c13、l1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)d1d4橋式整流以及電解電容c1、c2濾波后變成3lov的脈動直流電壓，此電壓經(jīng)r1降壓后給c8充電，當c8的電壓達到uc3842的啟動電壓門檻值時，uc3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，由腳6輸出推動開關(guān)管工作。隨著uc3842的

19、啟動，r1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給uc3842供電。由于輸入電壓超過了uc3842的工作，為了避免意外，用d10穩(wěn)壓管限定uc3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)uc3842被損壞的情況。5 .3. 3 15v/5a電路的短路過流、過壓、欠壓保護 由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護功能。如圖2所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，r9兩端的電壓上升，uc3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值03v達到1v(即

20、電流超過15a)時，uc3842的pwm比較器輸出高電平，使pwm鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時，uc3842的腳6無輸出，mos管s1截止，從而保護了電路。如果供電電壓發(fā)生過壓(在265v以上)，uc3842無法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級繞組電壓大大提高，uc3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85v，uc3842的腳1電壓也下降，當下降lv(正常值是34v)以下時，pwm比較器輸出高電平，使pwm鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路，這時輸出電流將成倍增大，使得自動恢復(fù)開關(guān)rf內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開電路，起到過壓保護作用。一旦故障排除

21、，自動恢復(fù)開關(guān)rf在5s之內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。因此，此電路具有短路過流、過壓、欠壓三重保護。5. 3. 4 反饋電路 反饋電路采用精密穩(wěn)壓源tl431和線性光耦pc817。利用tl43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。如圖2所示，r4、r5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和tl431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時，取樣電壓vr7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準電壓(tl431的基準電壓為25v)，使tl431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓vo下降，最后vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起

22、設(shè)置電壓下降，當輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管的輸出電壓升高，最終使得uc3842的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對pwm比較器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。r7、r8的阻值是這樣計算的：先固定r7的阻值，再計算r8的阻值，即5. 3. 5 輸出整流濾波電路 輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對波紋幅值的影響主要有以下幾個方面。 (1)輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容c5，以濾除此噪聲干擾。 (2)高頻信號噪聲，開關(guān)電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過

23、高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關(guān)的過程中引起的高頻噪聲。對于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用型濾波的方式。濾波電感采用150h的電感，可濾除高頻噪聲。 (3)采用快速恢復(fù)二極管d6、d7整流?；诘蛪?、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時間短，有利于減少高頻噪聲。并聯(lián)整流二極管減小尖峰電壓 在大功率的整流電路中，次級整流橋電路存在較大雜散電感，輸出整流管在換流時，由于電路中存在寄生振蕩，整流管會承受較大的尖峰電壓，尖峰電壓的存在提高了對整流二極管的耐壓要求，也將帶來額外的電路損耗。整流橋的寄生振蕩產(chǎn)生于變壓器的漏感(或附加的諧振電感)與變壓器的繞組電容和整流管的結(jié)電容之間。 當副邊電壓為零時，在全橋整流器中4只二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當副邊電壓變化為高電壓vin/k(k為變