基于UC3842的開關電源設計

1、洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）基于UC3842的開關電源設計摘 要論述了新型開關電源的產(chǎn)生和發(fā)展、結構和原理、特點以及開關電源的一些主要電器元件的工作原理和選用和電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842的內(nèi)部結構、管腳功能、特性和工作原理以及電流控制型脈寬調(diào)制芯片UC3842構成的開關電源的工作原理,分析了基于UC3842構成的它激式升壓型開關電源和單端反擊式開關電源,并對單端反激式開關電源電路系統(tǒng)啟動電路、保護電路、輸出整流濾波電路以及反饋電路四個部分進行了詳細的分析,得出該開關穩(wěn)壓電源效率高、紋波小、輸出電壓穩(wěn)定,性能優(yōu)良, 具有頻響快、電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率高的特點，是一種性能較好的開關穩(wěn)壓電源

2、，適合于儀器儀表的控制用電。關鍵詞：開關穩(wěn)壓電源，UC3842，ACDC變換器Switching power supply design based on UC3842ABSTRACTDiscusses the emergence of new switching power supply and development, structure and principles, characteristics, and switching power supply some of the major electrical components of the working principles a

3、nd selection and current-controlled PWM chip UC3842's internal structure, pin function, features and working principle and PWM current control type switching power supply chip UC3842 constitute the working principle of its composition based on UC3842 excited boost switching power supply and sing

4、le-ended counter-switching power supply, and single-ended flyback switching power supply circuit system startup circuit, protection circuit, output rectifier filter circuit and feedback circuit of five parts of a detailed analysis, drawn to the high efficiency switching power supply, ripple, output

5、voltage stability, excellent performance, with fast frequency response, voltage regulation and load regulation characteristics of the high rate is a better performance of the switching power supply, control instrumentation for electricity.KEY WORDS: switching power supply，UC3842，AC/DC converter1目錄前言

6、1第1章 開關電源介紹21.1開關電源的產(chǎn)生與發(fā)展21.2開關電源概述31.2.1開關電源的工作原理31.2.2開關電源的組成41.2.3開關電源的特點51.2.4開關電源的分類及控制方式51.3開關電源的主要技術指標8第2章 開關電源主要元器件92.1功率開關MOSFET92.2光電耦合器112.3穩(wěn)壓二極管132.4TL431精密穩(wěn)壓源14第3章 濾波電路及保護電路173.1電容濾波電路173.2電感濾波電路183.3 LC濾波電路193.4輸出過電壓保護193.5過電流保護21第4章 典型它激式開關電源224.1 UC3842介紹224.1.1 UC3842的原理與特點224.1.2 U

7、C3842各管腳功能244.1.3 UC3842的使用特點254.2反激式開關變換電路264.3 UC3842電壓反饋電路的選用274.4 UC3842應用31結論35謝 辭36參考文獻37附 錄38外文資料翻譯39前言電子技術的高速發(fā)展，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電力檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。新型開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換的電能可以滿足各種用電要求。由于其高效，節(jié)能所帶來的巨大

8、經(jīng)濟效益，從而得到了迅速的發(fā)展。現(xiàn)今，新型開關電源技術主要向小型化、高頻化、集成化、模塊化、數(shù)字化及綠色化方向發(fā)展。其中，自激式開關電源是目前廣泛使用的基本電源之一，它是一種利用間歇振蕩電路組成的開關電源，它的開關管起著開關及振蕩的雙重作用，也省去了控制電路。電路中由于負載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。然而，自激式開關電源電路中的開關管既是振蕩管又是開關元件，這兩種功能相互影響牽制，成為制約自激式開關電源性能提高的主要因素。而它激式開關電源有獨立的振蕩器、激勵級、脈寬調(diào)制器、供電保護系統(tǒng)等，因此其電路較自激式更

9、復雜的多。其開關管導通和截止所需要的基極開關脈沖由外振蕩器供給，而脈寬調(diào)制在專設的振蕩級進行。目前大多數(shù)它激式開關電源都用集成化驅(qū)動器，將誤差放大器、脈寬調(diào)制器、振蕩器以及過電壓、過電流保護集成在一體?，F(xiàn)已開發(fā)出了一系列功能完善、外電路也極簡單的驅(qū)動器，使它激式開關電源有了極大的發(fā)展，我們通過研究和分析由UC3842控制的開關電源電路來更好更深的了解它激式開關電源。 第1章 開關電源介紹1.1開關電源的產(chǎn)生與發(fā)展電子技術的高速發(fā)展，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域。程控交換機、通訊、電力檢測設備電源、控制設

10、備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源是利用現(xiàn)代電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）和MOSFET構成。開關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。開關電源比普通的線性電源效率高，開關電源的發(fā)展與應用在節(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。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導體存儲器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時。取而代之的是小型化、重量輕

11、、效率高的隔離式開關電源。隔離式開關電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。早在70年代，隨著電子技術的不斷發(fā)展，集成化的開關電源就已被廣泛地應用于電子計算機、彩色電視機、衛(wèi)星通信設備、程控交換機、精密儀表等電子設備。這是由于開關電源能夠滿足現(xiàn)代電子設備對多種電壓和電流的需求。隨著半導體技術的高度發(fā)展，高反壓快速開關晶體管使無工頻變壓器的開關電源迅速實用化。而半導體集成電路技術的迅速發(fā)展又為開關電源控制電路的集成化奠定了基礎，適應各類開關電源控制要求的集成開關穩(wěn)壓器應運而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來越少，使得開關電源的

12、設計、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關穩(wěn)壓器系列。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開關電源的工作頻率從20kHz提高150200kHz，其結果是使整個開關電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關電源的性能價格比達到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導之勢。當然開關電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。在70年代后期，功率在100W以上的開關電源是有競爭力的。到1980年，功率在50W以上就具有競爭力了。隨著開關電源性能的改善，到80年代后期，電子設備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關電源了。過去，開關電源

13、在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進入90年代后，其成本下降非常顯著。當然這包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進開關電源發(fā)展的因素之一。 1.2開關電源概述 1.2.1開關電源的工作原理開關電源的工作原理可以用圖1-1進行說明。圖中輸入的不穩(wěn)定直流電壓經(jīng)開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調(diào)整管，若使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可以得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。（a）原理圖 （b）波形圖圖1-1 開關電源的工作原理圖為了分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下： （1

14、-1）式中，T表示開關S的開關重復周期；表示開關S在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓U0與輸入電壓之間有如下關系： （1-2）由公式（1-1）和式（1-2）可以看出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間TON，即可改變脈沖占空比D，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變TON來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫脈沖寬度調(diào)制（PWM）。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此PWM式開關電源用得較多。若保持不變，利用改變開關頻率 f=1T實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓穩(wěn)定的方法，稱作脈沖頻率調(diào)制（PFM）。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出

15、濾波電路的設計不容易實現(xiàn)最優(yōu)化，既改變TON，又改變T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱作脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用1。1.2.2 開關電源的組成開關電源的基本組成如圖1-2所示。其中DCDC變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分；驅(qū)動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是PWM信號、PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值

16、的目的。除此之外，開關電源還有輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路。圖 1-2 開關電源工作組成圖DCDC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應用較為普遍。開關電源與線性電源相比，其輸入的瞬態(tài)變換比較多地表現(xiàn)在輸出端，在提高開關頻率的同時，由于比較放大器的頻率特性得到改善，開關電源的瞬態(tài)響應指標也得到改善。開關電源的負載變換瞬態(tài)響應主要由輸出端LC濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關頻率、降低輸出濾波器LC的方法來改善瞬態(tài)響應特性。1.2.3 開關電源的特點開關電源具有如下特點：（1）效率高：開關電源的功率開

17、關調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在百分之八十到百分之九十之間，高的可達到百分之九十以上。（2）重量輕：由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的15，體積也大大縮小了。（3）穩(wěn)壓范圍寬：開關電源的交流輸入電壓在90270V內(nèi)變化時，輸出電壓的變化子啊20%以下。合理設計開關電源電路，還可以使穩(wěn)壓范圍變寬，并保證開關電源的高效率。（4）安全可靠：在開關電源中，由于可以方便的設置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠。（5）功耗?。河捎陂_關電源的工作效率高，一般在20kHz以上，因此

18、濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關管工作在開關狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。1.2.4 開關電源的分類及控制方式1按開關電源的觸發(fā)方式分類（1）自激式開關電源自激式開關電源利用電源電路中的開關晶體管和高頻脈沖變壓器構成反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，使開關電源輸出直流電壓。在顯示設備的PWM式開關電源中，自激振蕩頻率同步于行頻脈沖，即使在行掃描電路發(fā)生故障時，電源電路仍能維持自激振蕩而有直流輸出電壓。（2）它激式開關電源它激式開關電源必須有一個振蕩器，用以產(chǎn)生開關脈沖

19、來控制開關管，使開關電源工作，輸出直流電壓。2按其他方式分類 開關電源按功率開關管的連接方式，可分為單端正激開關電源、單端反激開關電源、半橋開關電源和全橋開關電源；按功率開關管與電源供電、儲能電感、穩(wěn)壓電壓的輸出方式，可分為串聯(lián)開關電源和并聯(lián)開關電源。 3.下面著重介紹其控制方式（1）脈沖寬度調(diào)制方式脈沖寬度調(diào)制方式簡稱脈寬調(diào)制（Pules Width Modulation，縮寫為PWM）。其特點是固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。其缺點是受功率開關管最小導通時間的限制，對輸出電壓不能做寬范圍有效調(diào)節(jié)。目前集成開關電源大多采用PWM方式。如圖13（a）（2）脈沖頻率調(diào)制方式脈沖頻率調(diào)

20、制方式簡稱脈頻調(diào)制(Pules Frenqency Modulation，縮寫為PFM)。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比的。PWM方式和PFM方式的調(diào)制波形分別如圖13（a）、（b）所示，tp表示脈沖寬度（即功率開關管的導通時間TON，T代表周期)。從中很容易看出兩者的區(qū)別。無論是改變tp還是T，最終調(diào)節(jié)的都是脈沖占空比（tp /T），輸出電壓和占空比成正比。如圖13（b）(a) (b)圖1-3 開關電源調(diào)制波形（3）混合調(diào)制方式混合調(diào)制方式是指脈沖寬度與開關頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM混合方式。由于tp和T均可單獨調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合

21、制作供實驗室使用的輸出電壓可寬范圍調(diào)節(jié)的開關電源。4. 電源控制方式的應用下面介紹一種開關式穩(wěn)壓電路實例脈寬調(diào)制型開關電源電路如圖1-4所示。該電路也是用閉合的反饋環(huán)路來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的。除了有檢測比較放大部分外，還必須把差動放大器的輸出電壓量，轉(zhuǎn)換成脈沖寬度的脈寬調(diào)節(jié)器和一個產(chǎn)生固定頻率的振蕩源， 以作為時間振蕩器裝置。由于輸入電源向負載提供能量不像串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源那樣連續(xù)，而是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量供給，開關型穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時能將能量儲存起來，在開關斷開時向負載釋放能量。這需要用由電感L、電容C組成的濾波器。二極管D用以使負載電流繼續(xù)流通，所以稱為續(xù)流二極

22、管。圖1-4 脈寬調(diào)制型開關電源脈寬調(diào)制器產(chǎn)生一串矩形脈沖，當脈沖是低電平時，V2截止，則V1基極得到全部的IS值而飽和導通，這時續(xù)流二極管D因反偏而截止，使A點電壓VA達到輸入電壓Vi值，于是對電感L和電容C進行充電，同時給負載提供能量輸出，電感L在V1接通的時間TON內(nèi)儲存能量，電感中的電流IL在TON時間內(nèi)是線性增加的。當脈沖使V2飽和導通時，開關管V1截止，電感中流過電流通過二極管D續(xù)流，電感電壓極性倒轉(zhuǎn)；電感中儲存的能量釋放時，電感中電流IL線性減小。適當選擇L和C值，在V1關斷時間TOFF內(nèi)保證負載電流的連續(xù)性。1.3開關電源的主要技術指標開關電源有以下技術指標：（1）輸入電壓變化

23、范圍：當穩(wěn)壓電源的輸入電壓發(fā)生變化時，使輸出電壓保持不變的輸入電壓變化范圍。這個范圍越寬，表示電源適應外界電壓變化的能力越強，電源使用范圍就越寬。它和電源的誤差放大、反饋調(diào)節(jié)電路的增益以及占空比調(diào)節(jié)范圍有關。目前開關電源的輸入電壓變化范圍已做到90270V，可以省去許多電器中的110V/220V轉(zhuǎn)換開關。（2）輸出電阻：輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量的比值。這個比值越小，表示電源輸出電壓隨負載電流的變化越小，穩(wěn)壓性能越好。（3）效率：電源輸出功率與輸入功率的比值。這個比值越高，開關電源的體積越小，同時可靠性也越高。目前開關電源的效率可達到90%以上。（4）輸出波紋電壓：由于開關電源的穩(wěn)壓過

24、程是一個不斷反饋調(diào)節(jié)的過程，因此在輸出的直流電壓上會出現(xiàn)一個疊加的波動的紋波電壓，即輸出紋波電壓。這個電壓值越小，表示電源的輸出性能越好。這個參數(shù)的表示有兩種方法：一是輸出紋波電壓有效值；二是輸出紋波電壓峰峰值。（5）輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：由于電源的輸出電壓只和基準電壓與輸出取樣電路的元器件參數(shù)有關，因此，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍反映在線性電源上是穩(wěn)壓調(diào)整管集電極電流的變化范圍，反映在開關電源上是開關調(diào)整管脈沖占空比D的變化范圍。（6）輸出電壓穩(wěn)定性：輸出電壓隨負載變化而變化的特性，這個變化是越小越好。它主要和反饋調(diào)節(jié)回路的增益及頻響特性有關。反饋調(diào)節(jié)回路增益越高，輸出電壓的穩(wěn)定性就越好。（7）輸出功率：

25、電源能輸出給負載的最大功率，它和負載功率有關。為了保障電源安全，要求輸出功率有20%50%的裕量。第2章 開關電源主要元器件2.1功率開關MOSFETMOSFET分P溝道耗盡型、P溝道增強型、N溝道耗盡型和N溝道增強型4種類型。增強型MOSFET具有應用方便的“常閉”特性（即驅(qū)動信號為零時，輸出電流為零）。在開關電源中，用作開關功率的MOSFET幾乎全部是N溝道增強型器件。這是因為MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關速度。MOSFET在大功率開關電源中用作開關，比雙極型功率晶體管具有

26、明顯的優(yōu)勢。所有類型的有源功率因數(shù)校正器都是為驅(qū)動功率MOSFET而設計的，所以說，用作開關的MOSFET是任何雙極型功率晶體管所不能替代的。1.MOSFET的結構和工作原理MOSFET也是多元集成結構，一個器件由許多個小MOSFET元組成。每個元的形狀和排列方法，不同生產(chǎn)廠家采用了不同的設計，因而對其產(chǎn)品取了不同的名稱。但是，不管名稱怎么樣，垂直導電的基本思想沒有改變。圖21（a）給出了N溝道增強型MOSFET中的一個單元的截面圖。MOSFET的電氣圖形符號如圖21（b）所示。 N溝道 P溝道(a) N溝道內(nèi)部結構斷面示意圖 (b) 電氣圖形符號圖2-1 MOSFET內(nèi)部結構圖和電氣符號當漏

27、極接電源正端，源極接電源負端，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間沒有電流流過。如果在柵極和源極之間加一正電壓，由于柵極是絕緣的，所以并不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓卻會將其下面的P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當大于某一電壓值時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，從而使P型半導體反型而成N型半導體，形成反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電。電壓成為開啟電壓（或閾值電壓），超過越多，導電能力越強，漏極電流越大。2.MOSFET的主要參數(shù)（1）漏極電壓：這是標稱MOSFET電壓定額的參數(shù)。（2）漏極

28、直流電流和漏極脈沖電流幅值：這是標稱MOSFET電流定額的參數(shù)。（3）柵極電壓：柵源之間的絕緣層很薄，>20V將導致絕緣層擊穿。（4）極間電容：MOSFET三個電極之間分別存在極間電容、和。一般生產(chǎn)廠家提供的是漏極短路時的輸入電容、共源極輸出電容和反向轉(zhuǎn)移電容。他們之間的關系是 （2-1） （2-2） （2-3）漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了MOSFET的安全工作區(qū)。一般來說，MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。在實際使用中，仍應注意留適當?shù)脑Ａ俊?.MOSFET的主要特點MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的典型場控制器件。由于它沒有少數(shù)載流子的存儲效

29、應，所以它適用于100200MHz的高頻場合，從而可以采用小型化和超小型化的磁性元件和電容器。MOSFET具有負的電流溫度系數(shù)，可以避免熱不穩(wěn)定性和二次擊穿，適合在大功率和大電流條件下應用。MOSFET從驅(qū)動模式上來分，屬于電壓控制器件，驅(qū)動電路設計比較簡單，驅(qū)動功率甚微，在啟動或穩(wěn)定工作條件下的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小的多。MOSFET中大多數(shù)集成有阻尼二極管，而雙極型功率晶體管中大多數(shù)沒有內(nèi)裝阻尼二極管。MOSFET對系統(tǒng)的可靠性與安全性的影響并不像雙極型晶體管那樣重要。MOSFET的主要缺點是導通電阻（）較大，而且具有正溫度系數(shù)，用在大電流開關狀態(tài)時，導通損耗較大，開啟門限電壓

30、較高（一般為24V）,要求驅(qū)動變壓器繞組的匝數(shù)比采用雙極型晶體管多1倍以上。4. MOSFET的驅(qū)動電路MOSFET的驅(qū)動電路如圖2-2和圖2-3所示。圖22 加速VT關斷驅(qū)動電路 圖23 功率驅(qū)動電路在圖2-2中，為脈沖變壓器次級驅(qū)動繞組，R是MOSFET的柵極限流電阻。齊納二極管、反向串接在一起，用于對VT的柵漏極進行鉗位，防止驅(qū)動電壓過高而使VT擊穿。R的阻值一般為60200。盡管MOSFET的輸入阻抗很高，但仍會產(chǎn)生充電電流。R值小，則開關速度高，只要柵極的驅(qū)動電壓一撤銷，就會立刻截止。圖2-3所示是加速漏極電流跌落時間、有利于零功率控制的電路。當MOSFET得柵極驅(qū)動電壓突然降到門限

31、電壓時，MOSFET由導通突然變截止，三極管BC557加速了的跌落，為MOSFET起到加速作用。2.2 光電耦合器1. 光電耦合器工作原理光電耦合器也叫光電隔離器，簡稱光耦。它是一種以紅外光進行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流的控制，發(fā)出不同強度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接受光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光電反應也是隨著光的強弱改變而變化的。這就實現(xiàn)了“電光電”功率轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了隔離，不受其它任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。因為它是一種發(fā)光體，而且

32、用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關以及電平轉(zhuǎn)換等。在儀器儀表、通信設施及各種電路接口中都應用到了光電耦合器。在開關電源電路中利用光電耦合器構成反饋回路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過光電耦合器進行脈沖轉(zhuǎn)換。2. 光電耦合器的分類光電耦合器有多種，根據(jù)不同的用途，可選用不同類型的光電耦合器。光電耦合器有雙排直插式、管式、光導纖維式等多種封裝，其型號有無基極引線通用型、有基極引線通用型、達林頓型、光電集成電路型、光敏晶閘型等。3. 光電耦合器的主要參數(shù)光電耦合器的主要參數(shù)有：電流傳輸比C

33、TR（100%）、絕緣電壓 （1550V）、暗電流（為50 ）、最大正向正電流(60mA)、反向擊穿電壓(30V)、飽和壓降（0.3V)。在這些參數(shù)里，前兩個參數(shù)比較重要，設計電路時也要考慮和。4. 光電耦合器的檢測根據(jù)光電耦合器的結構和內(nèi)部電路，可用萬用表的R1K擋測量發(fā)光二極管的正、反向電阻，其中正向電阻為2k左右，反向電阻為無窮大；接收管CE極的電阻為無窮大。絕緣電阻可用2500V的ZC115型兆歐表進行測量，若測得的絕緣電阻大于，證明質(zhì)量很好。 NEC2501的管腳排列如圖2-4所示。靠近黑圓點的是第一腳，它是發(fā)光二極管的正極，然后按反時針數(shù)各個腳位。電流傳輸比（CTR）是觀點耦合器的

34、主要參數(shù)，在接收管的輸出保持不變時，它的輸出電流與輸入電流之比就是傳輸比，。如PC817的傳輸比為80%160%，4N30為100%5000%?？梢姡?N30只需要較小的輸入電流，就可以輸出變換為較大的電流，具有放大作用，因此選擇合適的電壓或電流傳輸信號而且呈線性關系是很重要的3。 圖2-4 NEC2501光電耦合器2.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管，具有單向?qū)щ娦?，它工作在電壓反向擊穿狀態(tài)。當反向電壓達到并超過穩(wěn)定電壓時，反向電流突然增大，而二極管兩端的電壓恒定，這就叫做穩(wěn)定。它在電子電路中用作過壓保護、電平轉(zhuǎn)換，也可用來提供基準電壓。1. 穩(wěn)壓二極管的分類穩(wěn)壓二極管分低壓和高壓兩種。

35、穩(wěn)壓值低于40V的叫做低壓穩(wěn)壓二極管；高于200V的叫做高壓穩(wěn)壓二極管?，F(xiàn)在市面上從2.4V到200V，各種型號規(guī)格齊全。穩(wěn)壓管的直徑一般只有2mm，長度為4mm。它的穩(wěn)壓性能好，體積小，價格便宜。穩(wěn)壓二極管從材料上分為N型和P型兩種。選用穩(wěn)壓二極管的原則是：第一，注意穩(wěn)定電壓的標稱值；第二，注意電壓的溫度系數(shù)。2. 穩(wěn)壓二極管的用途穩(wěn)壓二極管具有以下作用：第一，對漏極和源極進行鉗位保護，如圖2-5（a）所示；第二，起到加速開關管導通的作用，如圖2-5（b）所示；第三，在開關電源中常用高壓穩(wěn)壓二極管代替瞬態(tài)電壓抑制器TVS對初級回路產(chǎn)生的尖峰電壓進行鉗位；第四，在晶體管反饋回路中，常常在晶體管

36、的發(fā)射極串聯(lián)一只穩(wěn)壓管作電壓負反饋，提高放大電路的穩(wěn)定性2。圖2-5 穩(wěn)壓二極管的作用2.4 TL431精密穩(wěn)壓源TL431是由美國德州儀器公司和摩托羅拉公司聯(lián)合生產(chǎn)的，為 2.5036V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓源，廣泛用于開關電源、電子儀器和各種檢測儀表中。在電子電路中，TL431可以用來設計延時電路、電壓比較器、精密恒流源、大電流穩(wěn)壓源等；在開關電源中，可構成外部誤差放大器，再與光電耦合器組成隔離式反饋電路，使電源電壓穩(wěn)定輸出。1. TL431的性能特點TL431共有以下幾種型號：TL431C、TL431AC、TL431I、TL431M、TL431Y。它們的內(nèi)部結構一樣，只是技術指標優(yōu)點差異，其

37、特點是：（1）動態(tài)阻抗低，典型值為0.2；輸出噪聲低。（2）陰極工作電壓范圍是2.5036V，極限值為37V；陰極工作電流 =1100mA，極限值為150mA；額定功率為1W， 25時，則按 8.0mW的規(guī)律遞減。2. TL431的工作原理TL431的基本電路接線如圖2-6所示。它相當于一只可調(diào)節(jié)的齊納穩(wěn)壓二極管，輸出電壓由外部的、來設定，。是限流電阻，是常態(tài)下的基準穩(wěn)壓端（電壓為2.5V）。圖2-7所示是TL431的等效電路，它主要由誤差放大器A、外接電阻分壓器上所得到的取樣電壓、2.50V基準穩(wěn)壓源、NPN型晶體管VT（用以調(diào)節(jié)負載電流）和保護二極管VD（防止A、K間極性接反，起保護作用）

38、組成。TL431的工作原理是這樣的：當輸出電壓上升時，取樣電壓也隨之上升，使取樣電壓大于基準電壓，致使晶體管VT導通，其集電極電位下降，即輸出電壓下降。圖2-6 TL431的基準電路接線圖 圖2-7 TL431的等效電路圖3. TL431的應用（1）TL431能實現(xiàn)可調(diào)的輸出電壓如圖2-8所示，將三端穩(wěn)壓器L7805接在TL431的陰極上，調(diào)節(jié)來改變輸出電壓。輸出電壓的大小仍用上述公式計算，最低輸出電壓,最高輸出電壓是L7805的輸出電壓的最大值35V加上，所以.圖2-8 可調(diào)輸出電路（2）可以做成輸出電壓為5V、電流為1.5A的精密穩(wěn)壓源如圖2-9所示，將TL431接在三端穩(wěn)壓器LM317的

39、調(diào)整端與地之間。LM317的靜態(tài)工作電流只有50，小于1mA，無法為TL431提供正常的陰極電流。在電路中加入后，輸出電壓經(jīng)向TL431的陰極提供電流，保證TL431正常工作。圖2-10所示是大電流并聯(lián)穩(wěn)壓電路。 圖2-9 大電流穩(wěn)壓電路 圖2-10 大電流并聯(lián)穩(wěn)壓電路4. TL431的檢測方法利用萬用表的電阻擋可以檢測TL431質(zhì)量的好壞。從等效電路圖知道，TL431實際上是一只二極管，因此A、K之間呈現(xiàn)出單向?qū)щ姷奶匦?。選用R1K檔，黑表筆接K極，紅表筆接A極，這時測量出的電阻為無窮大；調(diào)換表筆后測出的電阻為5k左右。再用黑表筆接極，紅表筆接K極，這時顯示電阻為7.5 k. 15洛陽理工學

40、院畢業(yè)設計（論文）第3章 濾波電路及保護電路3.1電容濾波電路最簡單的電容濾波是在負載RL兩端并聯(lián)一只較大容量的電容器，如圖3-1（a）所示。 (a) (b) (c)圖3-1 電容濾波電路當負載開路（RL=）時，設電容無能量儲存，輸出電壓從0開始增大，電容器開始充電。一般充電速度很快，vO=vC可達到v2的最大值。 （3-1）此后，由于v2下降，二極管處于反向偏置而截止， 電容無放電回路。所以保持在的數(shù)值上，其波形如圖3-1(b)所示。當接入負載后，前半部分和負載開路時相同，當v2從最大值下降時，電容通過負載RL放電，放電的時間常數(shù)為 (3-2)在較大時，的值比充電時的時間常數(shù)大。按指數(shù)規(guī)律下

41、降，如圖3-1（c）所示的AB段。當?shù)闹翟僭龃蠛螅娙菰倮^續(xù)充電，同時也向負載提供電流。電容上的電壓仍會很快地上升。這樣不斷地進行，在負載上得到的直流電壓波形要比無濾波電路時平滑的直流電。在實際應用中，為了保證輸出電壓的平滑，使脈動成分減小，電容器C的容量選擇應滿足： (33)其中T為交流電的周期。在單相橋式整流、電容濾波時的直流電壓輸出一般為 (34)電容濾波電路的特點是電路簡單，可以減小輸出電壓的波動。缺點是啟動時有沖擊電流，負載電流不能過大（即RL不能太?。?，否則會影響濾波效果。所以電容濾波適用于負載變動不大、電流較小的場合。另外，由于輸出直流電壓較高，整流二極管截止時間長，導通角小，故

42、整流二極管沖擊電流較大，所以在選擇管子時要注意選整流電流I較大的二極管。 3.2電感濾波電路利用電感的電抗性，同樣可以達到濾波的目的。在整流電路和負載RL之間，串聯(lián)一個電感L就構成了一個簡單的電感濾波電路，如圖3-2所示。圖3-2 電感濾波電路根據(jù)電感的特點，在整流后電壓的變化引起負載的電流改變時，電感L上將感應出一個與整流輸出電壓變化相反的反電動勢，兩者的疊加使得負載上的電壓比較平緩，輸出電流基本保持不變。對抑制電流波動效果非常明顯。電感濾波電路中，RL愈小，則負載電流愈大，電感濾波效果越好。在電感濾波電路中，輸出的直流電壓一般為；二極管承受的反向峰值電壓仍為。3.3 LC濾波電路采用單一的

43、電容或電感濾波時，電路雖然簡單，但濾波效果欠佳，大多數(shù)場合對濾波效果的要求都很高，即要求電壓要穩(wěn)定，電流也要穩(wěn)定。為了達到這一目的，人們將前兩種濾波電路結合起來，構成了一種新的濾波電路LC濾波電路。LC濾波電路最簡單的形式如圖3-3所示。圖3-3 LC濾波電路與電容濾波電路比較，LC濾波電路的優(yōu)點是：外特性比較好，輸出電壓對負載影響小， 電感元件限制了電流的脈動峰值，減小了對整流二極管的沖擊。它主要適用于電流較大， 要求電壓脈動較小的場合。LC濾波電路的直流輸出電壓和電感濾波電路一樣，為 （35）3.4輸出過電壓保護1.過電壓的產(chǎn)生電力電子變換系統(tǒng)中可能發(fā)生的過電壓由外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類

44、：（一）外因過電壓：1 雷擊過電壓；2 操作過電壓。（二）內(nèi)因過電壓：1 二極管反向恢復過電壓 ；2 開關管關斷過電壓。2.輸出過電壓保護輸出過電壓保護在開關穩(wěn)壓電源中是至關重要的。特別對輸出為5V的開關穩(wěn)壓器來說,它的負載是大量的高集成度的邏輯器件。如果在工作時,開關穩(wěn)壓器的開關三極管突然損壞,輸出電位就可能立即升高到輸入未穩(wěn)壓直流電源的電壓值,瞬時造成很大的損失。常用的方法是晶閘管短路保護。最簡單的過電壓保護電路如圖3-4所示。圖3-4簡單的輸出過電壓保護 當輸出電壓過高時,穩(wěn)壓管被擊穿,觸發(fā)晶閘管導通,把輸出端短路,造成過電流，通過保險絲或電路保護器將輸入切斷,保護了負載。這種電路的響應

45、時間相當于晶閘管的開通時間，約為 510s。它的缺點是動作電壓是固定的，溫度系數(shù)大，動作點不穩(wěn)定。另外，穩(wěn)壓管存在著參數(shù)的離散性，型號相同但過電壓起動值卻各不相同，給調(diào)試帶來了困難。圖3-5是改進后的電路。其中R和R是取樣電路，V是基準電壓。圖3-5輸出過電壓保護 輸出電壓Esc突然升高，晶體管V、V導通，晶閘管就導通?；鶞孰妷篤由式來確定，U為V的發(fā)射結（BE）電壓降。本電路的動作電壓可變，并且動作點相當穩(wěn)定。當穩(wěn)壓管為7V時，其溫度系數(shù)和晶體管V的發(fā)射結（BE）電壓的溫度系數(shù)可以抵消，能使溫度系數(shù)降得很低。但是對于輸出為55.5V的直流開關穩(wěn)壓器來說，其常用的動作電壓是5.56V。那么穩(wěn)壓

46、管電壓必在3.5V以下，此電壓附近的穩(wěn)壓管的溫度變化系數(shù)是2030mV/。因此,溫度變化大的場合保護電路還會發(fā)生誤動作。采用集成電路電壓比較器來檢測開關穩(wěn)壓器的輸出電壓，是目前較為常用的方法，利用比較器的輸出狀態(tài)的改變跟相應的邏輯電路配合，構成過電壓保護電路，這種電路既靈敏又穩(wěn)定。3.5 過電流保護當出現(xiàn)負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時,會引起流過穩(wěn)壓器中開關三極管的電流過大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒有過流保護裝置,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩(wěn)壓器中過電流保護是常用的。最經(jīng)濟簡便的方法是用保險絲。由于晶體管的熱容量小,普通保險絲一般不能起到保護作用,常用的是快速熔斷保

47、險絲。這種方法具有保護容易的優(yōu)點，但是,需要根據(jù)具體開關三極管的安全工作區(qū)要求來選擇保險絲的規(guī)格。這種過流保護措施的缺點是帶來經(jīng)常更換保險絲的不便。 在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護和電流截止保護在開關穩(wěn)壓器中均能應用。但是, 根據(jù)開關穩(wěn)壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護開關三極管。為了實現(xiàn)過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中,這會影響電源的效率,因此多用于小功率開關穩(wěn)壓器的場合。在大功率的開關穩(wěn)壓電源中,考慮到功耗，應盡量避免取樣電阻的接入。因此,通常將過電流保護轉(zhuǎn)換為過、欠電壓保護5。20第4章 典型它激式開關

48、電源4.1 UC3842介紹自激式開關電源電路中的開關管既是振蕩管又是開關元件，這兩種功能相互影響牽制，成為制約自激式開關電源性能提高的主要因素。它激式開關電源的開關管本身和脈沖變壓器不屬振蕩器組成部分，開關管導通和截止所需要的基極開關脈沖由外振蕩器供給，而脈寬調(diào)制在專設的振蕩級進行。由于它激式穩(wěn)壓器振蕩級和脈寬調(diào)制級都是獨立的，因此開關管的激勵狀態(tài)與輸入電壓無關，不僅其工作極為穩(wěn)定，而且穩(wěn)壓范圍也更寬。此外，它激式開關電源損壞極小，輸出功率較大。它激式開關電源有獨立的振蕩器、激勵級、脈寬調(diào)制器、供電保護系統(tǒng)等，因此其電路較自激式更復雜的多。目前大多數(shù)它激式開關電源都用集成化驅(qū)動器，將誤差放大

49、器、脈寬調(diào)制器、振蕩器以及過電壓、過電流保護集成在一體。現(xiàn)已開發(fā)出了一系列功能完善、外電路也極簡單的驅(qū)動器，使它激式開關電源有了極大的發(fā)展。目前中小功率的負載也采用它激式開關電源，不僅其電路結構比自激式簡單的多，且性能也遠超過自激式。與同類型開關電源相比，它激式方式可以大幅度的提高開關電源的效率和穩(wěn)壓性能。4.1.1 UC3842的原理與特點UC3842是一種高性能固定頻率電流型控制器，包含誤差放大器、PWM比較器、PWM鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準電源和欠壓鎖定等單元，UC3842 是開關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和線性調(diào)整度等方面有很多優(yōu)越之處。該電路主

50、要特點有：（1）內(nèi)含欠電壓鎖定電路（2）低起動電流（典型值為0.12mA）（3）穩(wěn)定的內(nèi)部基準電壓源（4）大電流推挽輸出（驅(qū)動電流達1A）（5）工作頻率可到500kHz（6）自動負反饋補償電路（7）雙脈沖抑制（8）較強的負載響應特性UC3842 內(nèi)部工作原理簡介: 圖4-1 UC3842 內(nèi)部原理框圖 （1）5V基準電源：內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得到2.5V作為誤差比較器的比較基準。該電源還可以提供外部5V50mA.（2）振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。接在、REF腳之間，接在、GND之間。頻率，最大為500kHz。（3）誤差放大器：由端輸入的反饋電壓和2.5V做比較，誤差電壓CO

51、MP用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。COMP端引出接外部RC網(wǎng)絡，以改變增益和頻率特性。（4）輸出電路：圖騰柱輸出結構，電路1A，驅(qū)動MOS管及雙極型晶閘管。（5）電流取樣比較器：腳ISENSE用于檢測開關管電流，可以用電阻或電流互感器采樣，當>1V時，關閉輸出脈沖，使開關管關斷。這實際上是一個過流保護電路。（6）欠壓鎖定電路：開通閾值16V，關閉閾值10V。具有滯回特性。（7）PWM所存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，與GND之間的穩(wěn)壓管用于保護、防止器件損壞。（8）圖騰柱輸出電路（Totem Pole）：由于此結構畫出的電路圖有點像印第安人得圖騰柱，所以叫圖

52、騰柱式輸出，也叫圖騰式輸出。輸出極采用一個上電阻接一個NPN型晶體管的集電極，這個晶體管的發(fā)射極接下面管子的集電極同時輸出；下晶體管的發(fā)射極接地，兩晶體管的基極分別接前級的控制。就是上下兩個輸出晶體管，從直流角度看是串聯(lián)，兩晶體管聯(lián)接處為輸出端。上晶體管導通下晶體管截止，輸出高電平；下晶體管導通上晶體管截止，輸出低電平；上下兩晶體管均截止，則輸出為高阻態(tài)。在開關電源中，類似的電路常稱為“半橋電路”。4.1.2 UC3842各管腳功能1腳COMP是內(nèi)部誤差放大器的輸出端，通常此腳與2腳之間接有反饋網(wǎng)絡，以確定誤差放大器的增益和頻響。2腳FEED BACK是反饋電壓輸入端，此腳與內(nèi)部誤差放大器同向

53、輸入端的基準電壓(一般為+2.5V)進行比較，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。3腳 ISENSE是電流傳感端。在外圍電路中，在功率開關管的源極串接一個小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入3腳，控制脈寬。此外，當電源電壓異常時，功率開關管的電流增大，當取樣電阻上的電壓超過1V時，UC3842就停止輸出，有效地保護了功率開關管。4腳RT/CT是定時端.鋸齒波振蕩器外接定時電容C和定時電阻R的公共端。5腳GND是接地。6腳OUT是輸出端，此腳為圖滕柱式輸出，驅(qū)動能力是±lA。這種圖騰柱結構對被驅(qū)動的功率管的關斷有利，因為當三極管VTl截止時，VT2導通，為功率管關斷時提

54、供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速功率管的關斷。7腳Vcc是電源。當供電電壓低于 16V時，UC3824不工作，此時耗電在1mA以下。輸入電壓可以通過一個大阻值電阻從高壓降壓獲得。芯片工作后，輸入電壓可在+10+30V之間波動，低于+10V停止工作。工作時耗電約為15mA，此電流可通過反饋電阻提供。8腳VREF是基準電壓輸出，可輸出精確的+5V基準電壓，電流可達50mA。UC3842的電壓調(diào)整率可達0.01%，工作頻率為500kHz，啟動電流小于1mA，輸入電壓為1030V，基準電壓為4.95.1V，工作溫度070，輸出電流為1A。4.1.3 UC3842的使用特點（1）采用單端圖騰柱式PWM

55、脈沖輸出，輸出驅(qū)動電流為200m A，峰值可達1A。（2）啟動電壓大于16V，啟動電流僅1mA即可進入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時，工作電壓在1034V之間，負載電流為15mA。超過此限制，開關電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，無驅(qū)動脈沖輸出。（3）內(nèi)設5V（50mA）基準電壓源，經(jīng)2：1分壓后作為取樣基準電壓。（4）輸出電流為200mA，峰值為1A，即可驅(qū)動雙極型三極管也可驅(qū)動MOSEFET管。若驅(qū)動雙極型三極管，應加入開關管截止加速RC電路，同時將內(nèi)部振蕩器的頻率限制在40kHz以下。若驅(qū)動MOSEFET管，振蕩頻率由外接RC電路設定，見式（4-1），工作頻率最高可達500kHz.（5）內(nèi)設過流保護輸入（腳）和誤差放輸入（腳）兩個PWM控制端。誤差放大器輸入構成主PWM控制系統(tǒng)，可使負載變動在30%100%時輸出負載調(diào)整率在8%以下，負載變動在70%100%時負載調(diào)整率在3%以下。（6）過流檢測輸入端可對每個脈沖進行控制，