升壓式開關穩(wěn)壓電源

1、畢 業(yè) 設 計題 目 升壓式（Boost型）穩(wěn)壓開關電源 系 別 電子信息與機電工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年 級 07電氣班 學 號 200724122159 學生姓名 楊張中 指導教師 徐曉燕 完成時間 2011-4-17 肇慶學院教務處制目錄1 緒論 031.1開關電源的歷史背景. 041.2 開關電源的發(fā)展趨勢041.3本設計的技術要點參數(shù)及研究意義052 開關電源的基本分類和工作原理052.1 開關電源的基本分類062.1.1 各類拓撲結構電源分析062.2 PWM和Boost型開關電源的工作原理123 Boost型開關電源的設計 .143.1 Boost型開關電源設計的系

2、統(tǒng)原理圖.143.2輸入整流濾波電路設計 153.3 Boost升壓型開關電源拓撲結構163.4控制芯片采用UC3842.164開關電源主要器件的選擇原理 174.1功率場效應管MOSFET（IRF640|）174.2 UC3842芯片204.3其他主要器件的選擇225 實驗測試方法以及數(shù)據(jù) 235.1測試儀器 .235.2測試方法 .235.3測試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析.24測試數(shù)據(jù). 24數(shù)據(jù)分析26誤差分析 .266 結論26參考文獻27升壓式（Boost型）開關穩(wěn)壓電源摘要：開關電源是一種效率很高的電源變換電路,通過對Boost型開關電源作詳細的數(shù)學推導后得到準確數(shù)據(jù).該系統(tǒng)包括：變壓器和電

3、感的設計，功率驅動電路，整流電路，濾波整形電路，反饋補償參數(shù)的設計，保護電路另外也采用UC3842作開關電源控制芯片,開關管采用耐高壓,導通電阻很小的MOSFET管IRF640。開關電源中半導體功率器件工作在高頻開關方式,它具有高效率，高功率密度，高可靠性。關鍵詞：Boost型開關電源 變壓器和電感的設計 整流電路 UC3842 IRF640Abstract: The switching power supply is a very efficient power conversion circuits, Boost switching power supply through a detai

4、led mathematical derivation of accurate data obtained. The system includes: the design of transformers and inductors, power driver circuit, rectifier, filter shaping circuit, the design of feedback compensation parameters to protect the circuit. There is also used for switching power supply control

5、chip UC3842, the switch uses high voltage, small-resistance MOSFET, IRF640. Switching power supply in the power semiconductor devices at high frequency switch mode, it has high efficiency, high power density, high reliability. Keywords: Boost switching power supply transformer and inductor design re

6、ctifier circuit UC3842 IRF640 1、緒論 隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源的應用越來越廣泛，開關電源以其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用于各種電氣設備和系統(tǒng)中，而且其性能的優(yōu)劣還直接影響到整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。開關穩(wěn)壓電源有多種類型，其中反激式開關電源憑借其線路設計簡單、體積小、輕便、所需要的元器件少、高效率，能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點，被廣泛應用于小功率電源領域。開關電源技術是一門運用半導體功率器件實現(xiàn)電能的高效率變換,將粗電變換成精電,以滿足供電質(zhì)量要求的技術.由于在開關電源中半導體功率器件工作在高頻工作方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性由于開關電

7、源的突出優(yōu)點，在相同功率容量下，開關電源比線性電源效率更高，體積更小，開關電源更替線性電源是發(fā)展的必然趨勢近年來，由于微型計算機的普及，通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，推動了開關電源技術的進步和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展開關電源技術設計涉及半導體功率器件應用技術，電力電子技術，模電，自動控制理論等知識，因此是一門多學科交叉的應用性技術然而，電路拓撲的選取，變壓器和電感的設計，功率驅動電路，整流電路，濾波整形電路，反饋補償參數(shù)的設計，保護電路的設計，是開關電源設計的關鍵所在1.1、開關電源的歷史背景開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源,線性穩(wěn)壓電源的結構簡單,其中穩(wěn)壓調(diào)整管起到關鍵作用,電源工作時檢測輸出電壓,通過反饋電路對穩(wěn)

8、壓調(diào)整管的基極電流進行反饋控制。當輸入電壓發(fā)生變化或者負載引起輸出電壓變化時，就可以通過對穩(wěn)壓調(diào)整管的管壓降進行調(diào)整來保持輸出電壓穩(wěn)定。為此，穩(wěn)壓調(diào)整管必須工作在線性放大狀態(tài)，且保持一定的管壓降，才能發(fā)揮足夠的調(diào)節(jié)作用。早期設計的開關電源頻率較低，但隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進，開關頻率得到了提高。由于垂直導電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管的出現(xiàn)，使高工作頻率的開關電源得以問世。但當開關頻率達到10KHz左右時，變壓器、電感等磁性元件會發(fā)出刺耳的噪聲，給工作和生產(chǎn)帶來較大的噪聲污染。為了減少噪聲，并進一步減小電源體積，70年代末出現(xiàn)了一系列新型的電力電子器件，為開關頻率的提高提

9、供了物質(zhì)條件。1.2、開關電源的發(fā)展趨勢開關電源的設計要求有非常高的效率，高效率減少了能量在傳遞過程中的損失，最理想的情況是輸入端的能量完全傳遞到輸出端，在開關電源內(nèi)部不損失任何的能量。然而，在實際設計過程中是不可能實現(xiàn)的，這涉及到各種元件的性能和設計電路的布局。如果電源內(nèi)部出現(xiàn)較大的損失，這部分的能量將會轉化為熱能損耗在元器件上，倘若開關電源的設計缺少了散熱系統(tǒng)或者散熱系統(tǒng)出現(xiàn)工作不良的情況，這將會影響到開關電源的長時間工作，從而縮短了電源的壽命，也會增加了電源的不穩(wěn)定性。但是巨大的散熱部件阻礙了開關電源向小型化的發(fā)展，其中在小型開關電源或手持設備的應用中尤為明顯。其次，這也違背了當代節(jié)約能

10、源的理念，因此電子設備的功耗也規(guī)定了硬性的指標。2009年我國開始實施的節(jié)能評價值為待機能耗1W，能效指數(shù)為0.75。所以提高開關電源的效率已成為各個產(chǎn)品必須滿足的一項技術指標。開關電源的應用領域中小型化和集成化的需求越來越高，例如筆記本電腦的電源系統(tǒng)，不僅需要完成充電控制，還需要完成對微處理器和硬盤供電的降壓處理，以及對屏幕供電的直流交流變換等。這就要求所有的功能都盡可能在較小的體積中完成。因此，小型化是開關電源的另一個發(fā)展方向。1.3、本設計的技術要點參數(shù)及研究意義隨著電子技術的迅速發(fā)展，電源技術要求也越來越高，體積小、重量輕、高效能、高可靠性的“綠色電源”已成為新一代電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

11、Boost型開關電源以其電路抗干擾、高效、穩(wěn)定性好、成本低廉等許多優(yōu)點，特別適合小功率的電源以及各種電源適配器，具有較高的實用性。本人設計的就是Boost型開關電源。Boost變換器是一種開關直流升壓電路，輸出電壓比輸入電壓高，Boost變換器可將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，廣泛應用于可調(diào)整直流開關電源和直流電機驅動。Boost變換器克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點，具有體積小、結構簡單、變換效率高等優(yōu)點。本人利用Boost自身電路結構，結合UC3842控制芯片的特點，開關管也采用耐高壓,導通電阻很小的MOSFET管IRF640，設計一個Boost型開關電源。其設計的技術要

12、點參數(shù)如下：輸出最大功率：15W輸入交流電壓：15V20V輸出直流電壓:25V45V輸出最大直流電流：1A帶載輸出直流電壓：15.9V/770MA (負載為5W 20電阻)空載紋波電壓：10mv2、開關電源的基本分類和工作原理2.1 開關電源的基本分類（1）按驅動方式分，有自勵式和他勵式；（2）按電路控制方式分，有脈寬頻率調(diào)制（PFM）式、脈調(diào)制（PWM）式和PWM與PFM混合式；（3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型；（4）按電源是否隔離和反饋控制信號耦合方式分，有隔離式、非隔離式、光耦合式等；（5）按變換器的工作方式分，有單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式和升降壓式

13、等。反激式：電路拓撲簡單，元器件少，成本較低。但該電路變換器的磁芯單向磁化，利用率低，而且開關器件承受電流峰值很大，廣泛應用于數(shù)瓦到數(shù)十瓦的小功率開關電源中。由于不需要輸出濾波電感，容易實現(xiàn)多路輸出。正激式：拓撲結構形式和反激式變換器相似，雖然磁芯也是單向磁化，但存在著嚴格意義上的區(qū)別，變壓器僅起電氣隔離作用，而且電路變壓器的工作點僅處于磁化曲線的第一象限，沒有得到充分的利用，因此同樣的功率，其變換器體積、重量和損耗大于半橋式、全橋式、推挽式變換電路，廣泛用于功率為數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的通信電源等電路中。半橋式：電路結構較為復雜，但磁芯利用率高，沒有偏磁的問題，且功率開關管的耐壓要求低，不超過線路的

14、最高峰值電壓，克服了推挽式的缺點，適合數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的開關電源、高輸入電壓的場合。全橋式：電路結構復雜，但在所有隔離型開關電源中，采用相同電壓和電流容量的開關器件時，全橋型電路可以達到最大的功率。目前，全橋型電路多被用于數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的各種工業(yè)用開關電源中。推挽式：電路形式實際上是兩個正激式變換器電路組成，只是工作的相位相反。變換器的磁芯雙向磁化，因此相同鐵芯尺寸的輸出功率是正激式的約一倍，但如果加在兩個原邊繞組上的VS積稍有偏差就會導致鐵芯偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生，應用是需要特別注意，推挽電路適用于數(shù)瓦到數(shù)千瓦的開關電源。2.1.1各類拓補結構電源分析一非隔離型開關變換器（一）降壓變換器Buck電路：

15、降壓斬波器，入出極性相同。由于穩(wěn)態(tài)時，電感充放電伏秒積相等，因此：（Ui-Uo）*ton=Uo*toff， Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton=Uo(ton+toff),Uo/Ui=ton/(ton+toff)= 即，輸入輸出電壓關系為：Uo/Ui=(占空比)UoIDSIDVDIDLIDCID圖2-2：Buck電路拓補結構在開關管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負載端提供電流；當S關斷后，L通過二極管續(xù)流，保持負載電流連續(xù)。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。（二）升壓變換器Boost電路：升壓斬波器，入出極性相同。利用同樣的方法，根據(jù)穩(wěn)態(tài)時電感L的充放電

16、伏秒積相等的原理，可以推導出電壓關系：Uo/Ui=1/（1-）UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID圖2-3：Boost電路拓補結構這個電路的開關管和負載構成并聯(lián)。在S通時，電流通過L平波，電源對L充電。當S斷時，L向負載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui+UL，因而有升壓作用。（三）逆向變換器Buck-Boost電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。電壓關系：Uo/Ui=-/（1-）UiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖2-4：Buck-Boost電路拓補結構S通時，輸入電源僅對電感充電，當S斷時，再通過電感對負載放電來實現(xiàn)電源傳輸。所以，這里的L是用于傳輸能量的器件。（四）

17、丘克變換器Cuk電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。電壓關系：Uo/Ui=-/（1-）。 N2C1TC2L2RUoVDL1SUi圖2-5：Cuk變換器電路拓補結構當開關S閉合時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1通過VD對C1進行充電。再當S閉合時，VD關斷，C1通過L2、C2濾波對負載放電，L1繼續(xù)充電。這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。二隔離型開關變換器1推挽型變換器下面是推挽型變換器的電路。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT圖2-6：推挽型變換電路S1和S2輪流導通，將在二次側產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。

18、由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。2半橋型變換器圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產(chǎn)生交變電流，從而在二次側產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2同樣地，這個電路也相當于降壓式拓補結構。圖2-7：半橋式變換電路3全橋型變換器下圖是全橋變換器電路。CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1圖2-8：全橋式變換電路當S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，一次側將通過電源-S2-T-S4-電

19、源及電源-S1-T-S3-電源產(chǎn)生交變電流，從而在二次側產(chǎn)生交變的脈動電流，經(jīng)過全波整流轉換為直流信號，再經(jīng)L、C濾波，送給負載。這個電路也相當于降壓式拓補結構。4正激型變換器下圖為正激式變換器。TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖2-9：正激型變換器電路當S導通時，原邊經(jīng)過輸入電源-N1-S-輸入電源，產(chǎn)生電流。當S斷開時，N1能量轉移到N3，經(jīng)N3-電源-VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開期間續(xù)流。5隔離型Cuk變換器 隔離型Cuk變換器電路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖2-10：隔離型Cuk變換器當

20、S導通時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過L2、C2濾波后，對負載放電。這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。6電流變換器 能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3圖2-11：能量回饋型電流變換器電路該電路與推挽電路類似。不同的是，在主通路上串聯(lián)了一個電感。其作用是在S1、S2斷開期間，使得變壓器能量轉移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。

21、下面是升壓型變換器的電路圖：S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTLVD1VD2圖2-12：升壓型電流變換器電路該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯(lián)了一個電感。在開關導通期間，L積蓄能量。當一側開關斷開時，電感電動勢和Ui疊加在一起，對另一側放電。因此，L有升壓作用。三準諧振型變換器在脈沖調(diào)制電路中，加入R、L諧振電路，使得流過開關的電流及管子兩端的壓降為準正弦波。這種開關電源成為諧振式開關電源。利用一定的控制技術，可以實現(xiàn)開關管在電流或電壓波形過零時切換，這樣對縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開關速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開關電源是當前開關電源發(fā)展的主流技術。又分為：1Z

22、CS零電流開關。開關管在零電流時關斷。2ZVS零電壓開關。開關管在零電壓時關斷。2.2 PWM和Boost型開關電源的工作原理PWM開關電源是讓功率管工作在導通和判斷狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率管上的伏安乘積總是很小的（在導通時，電壓低，電流大；判斷時，電壓高，電流?。┕β势骷系姆渤朔e就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過斬波，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的脈沖的點空比由開關電源的控制器（控制IC）來調(diào)節(jié)一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓

23、組數(shù)最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓控制器的主要作用有兩個：提供固定的頻率脈沖給功率管；通過輸出反饋電壓給誤差放大器來調(diào)節(jié)點空比，來保持輸出電壓的穩(wěn)定開關電源有兩種基本拓撲：升壓式（BOOST）變換器，降壓式（BUCK）變換器盡管它們各部分元件分布位置差別很小，但是工作過程相差甚大，在特定的應用場合各有優(yōu)點升壓式(BOOST)變換式的工作原理: BOOST升壓電路,開關管導通時,電流環(huán)路僅包括電感、功率管、輸入電壓源在這段時間內(nèi)，二極管是反向阻斷的電感電流波形是以固定斜率線性上升的，可用下式描述：iL(ton) = Vinton / L;在這個階段，能量存儲在電感鐵心中開關管關

24、斷時，由于電感中的電流不能突變，于是二極管立刻正向導通這時，電感電流不能突變，于是二極管立即導通這時，電感與開關相連端的電壓被輸出曉以大義鉗位，這個電壓被稱作反激電壓，愛迪生幅值是輸出電壓加上二極管的正向導通壓降在開關管關斷這段時間里，電感上的電流用下式表示：iL(toff) = Ipk (Vout Vin) toff / L如果在下個周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續(xù)模式電流和電壓波形如圖（c）所示如果鐵心中的磁通沒有完全降為零，還有一部分剩磁，就稱電路工作在電流連續(xù)模式，波形如圖（b）由于升壓式變換器工作在電流連續(xù)模式下存在固有的不穩(wěn)定問題，所以升壓式變換器通常工作在電

25、流斷續(xù)模式Boost變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲在電感中的能量為：Estored = 1/2 LIpk2單位時間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰勘仨殱M足負載連續(xù)功率消耗的需求這就意味著在開關管導通期間，存儲的能量要足夠大，即電流峰值Ipk要滿足下式的要求：Pload < Pout = fsw * 1/2 LIpk2fsw為變換器的開關頻率Boost變換器只能用于升壓情況，也就是說輸出電壓必須高于輸入電壓的最大幅值，在所有的拓撲中，升壓式電路輸入電壓動態(tài)范圍最寬由于升壓變換器中峰值較高，因此只適合于功率不大于150W的應用場合在所有拓撲中，這類變換器所用的元器件最少，因而在中小功率的應用場合中很流行3、

26、Boost型開關電源的設計3.1 Boost型開關電源設計的系統(tǒng)原理圖圖一如圖一，該電源工作原理如下：該電路輸入交流電壓為18V，然后通過輸入整流濾波電路之后再到Boost型變換器電路，此Boost型變換器電路中也包含了濾波器，目的是為了除去在輸出電壓中的交流部分，而在Boost型變換器電路中的電阻則采用變位器R(20K)，這是為了實現(xiàn)輸出可調(diào)直流電壓。同時開關管則采用耐高壓,導通電阻很小的MOSFET管IRF640 （IRF640承受的最大電壓值為200V，承受的最大的電流值為10A）。另外此設計采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。3.2

27、 輸入整流濾波電路設計 圖二輸入整流濾波電路如圖二，包括輸入交流濾波、整流、電容濾波三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾，其中X2是安規(guī)電容，是為了去除差模干擾，L1（3.3mH）是共模電感也叫扼流圈，采取雙線并繞，是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閥值的整流橋，輸入濾波電容的容量與電源效率、輸出功率密切相關。一般對于寬范圍輸入的開關電源，濾波電容可按比例系數(shù)來選取。此外，輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。另外加上電阻R1（800k），這是為了避免斷電之后，C1(1000uF)會儲存一定的電流，利用電阻R1（800k）把電路多余的電流給吸收掉。3.3

28、Boost升壓型開關電源拓撲結構 主回路拓撲結構選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路，如圖三。假設C和L足夠大，輸入輸出電壓，即為常數(shù)。據(jù)推理電感兩端的電壓值也為常數(shù)，記電感兩端的電壓值是VL，經(jīng)過L的電流記為IL，電流變化正增量記為i+，電流變化的負增量記為i一。當開關閉合時，續(xù)流二極管關斷，此時電源向電感充電儲存能量，忽略開關管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應公式和基爾霍夫電壓定律推導出：增量電流i+和時間t成正比，呈線性上升趨勢，與電感成反比。當開關管T關斷時，續(xù)流二極管D導通，忽略續(xù)流二極管導通電壓，輸入端電源電壓與電感器L中自感電動勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負載

29、R供電，同時對電容器C充電。同理推導出：負增量電流與電感值成反比，與關斷時間成正比。下降是從上個時間充電后的電流點開始線形下降的。3.4 控制芯片采用UC3842 此設計采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。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，外接阻容元件可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25V基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端，當檢測電壓超過1V時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)

30、部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=18(RT×CT)；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驅動能力為±1A；另外在腳輸出端接入了一個穩(wěn)壓二極管12V，這是為了使輸出電壓的峰峰值控制在12V左右，避免對功率場效應管IRF640的損害。而電阻4.7K的作用就是為了減少輸出的直流電壓中的紋波電壓；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基準電壓輸出端，有50mA的負載能力。輸入端接R再輸入到芯片電源端，由于UC3842啟動電壓需要16V，輸入經(jīng)整流濾波后至少有18V左右，可保證正常啟動。所以采用了穩(wěn)壓二

31、極管18V供電給控制芯片UC3842，另外串聯(lián)了一個電阻R（0.5K）這是為了限流作用，保證穩(wěn)壓二極管18V能夠正常穩(wěn)定工作。UC3842振蕩器可以工作高達500kHz，經(jīng)過計算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k，Ct=47nF，Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處，4腳退耦電容C3取O1uF。4、開關電源主要器件的選擇原理4.1功率場效應管MOSFET（IRF640（IRF640承受的最大電壓值為200V，承受的最大的電流值為10A）功率場效應管又叫功率場控晶體管。一原理：實際上，功率場效應管也分結型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semicon

32、ductor Field Effect Transistor）。它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下： N溝道 P溝道圖1-3：MOSFET的圖形符號MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS管一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導電溝道。無論VGS正負都起控制作用。增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向導電結構，使用了垂直導電結構，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。二特點：這種器件的特點是輸入絕緣電阻大（1萬兆歐以上），柵極

33、電流基本為零。驅動功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時，導通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。適合低壓100V以下，是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。其速度可以達到幾百KHz，使用諧振技術可以達到兆級。三參數(shù)與器件特性：無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時間，與工作溫度關系不大，故熱穩(wěn)定性好。（1） 轉移特性：ID隨UGS變化的曲線，成為轉移特性。從下圖可以看到，隨著UGS的上升，跨導將越來越高。IDUGS圖1-4：MOSFET的轉移特性（2） 輸出特性（漏極特性）：輸出特性反應了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。 這個特性和VGS又有關

34、聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。IDIDVDSVGS 圖中，爬坡段是非飽和區(qū)，水平段為飽和區(qū)，靠近橫軸附近為截止區(qū)，這點和GTR有區(qū)別。圖1-5：MOSFET的輸出特性 VGS=0時的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。（3）通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻是器件的一個重要參數(shù)，決定了電路輸出電壓幅度和損耗。 該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加，通態(tài)電阻減小。（4）跨導： MOSFET的增益特性稱為跨導。定義為： Gfs=ID/VGS 顯然，這個數(shù)值越大越好，它反映了管子的柵極控制能力。（5）柵極閾值電壓柵極閾值電壓VGS是指開始有規(guī)定的漏極電流（1mA）時的最低柵極電壓。它具有負溫度系數(shù)，結溫每增加45度

35、，閾值電壓下降10%。（6）電容 MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應也加大，因此對高壓電子系統(tǒng)會有一定影響。 有些資料給出柵極電荷特性圖，可以用于估算電容的影響。以柵源極為例，其特性如下：VGSQG可以看到：器件開通延遲時間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對應著管子開通時間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變慢，此時管子已經(jīng)導通。圖1-6：柵極電荷特性（8）正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)MOSFET和雙極型晶體管一樣，也有它的安全工作區(qū)。不同的是，它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。 最大漏極電流I

36、DM：這個參數(shù)反應了器件的電流驅動能力。 最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。 最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。 漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個參數(shù)，通態(tài)電阻過高，會影響輸出效率，增加損耗。所以，要根據(jù)使用要求加以限制。IDVDSVDSMIDMPCMRON 圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)4.2 UC3842芯片一管腳排列UC3842COMPUFBISENSERT/CTOUTPUTGndREFVcc12345678圖4.1 UC3842管腳圖COMP：誤差放大器輸出。UFB：反饋電壓輸入端。它與內(nèi)部2.5VDC基準電源比較，產(chǎn)生誤差電壓來控制調(diào)節(jié)脈沖

37、寬度。ISENSE：接電感電流傳感器。當采樣電壓大于1VDC時，縮小脈沖寬度，使電源處于斷續(xù)工作狀態(tài)。RT/CT：定時阻容端。頻率f=1.8/(CTRT)。Gnd：地。OUTPUT：輸出端。Vcc：電源。10-13VDC，關閉電壓10VDC。REF：內(nèi)部基準電源輸出，5VDC+/-0.1VDC，50mA。二主要特性 用于20-50W的小功率開關電源，管腳少，電路簡單。1單輸出級，可以驅動MOS、晶體管。2PWM芯片。3工作頻率500kHz。4低啟動和工作電流，啟動電流小于1mA，工作電流15mA。5大電流圖騰柱輸出，1A。6帶欠壓封鎖保護。三芯片原理內(nèi)部框圖如圖。5V基準內(nèi)部偏置SR電流取樣比

38、較器PWM鎖存誤差放大器振蕩器VrefTUccGNDCT/RTUFBCOMPISENSEOUTPUTUREFUVLO2RR2.5VDC 圖4.1a：UC3842電源控制芯片原理框圖內(nèi)部包括振蕩器、誤差放大器、電流比較器、PWM鎖存、5VDC基準電源、輸出電路等。 5VDC基準電源：內(nèi)部電源，經(jīng)衰減得到2.5VDC作為誤差比較器的比較基準。該電源還可以提供外部5VDC/50mA。 振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。RT接在4、8（REF）腳之間，CT接4、5（GND）之間。頻率f=1.8/(CTRT)。最大500kHz。 誤差放大器：由UFB端輸入的反饋電壓和2.5VDC做比較，誤差電壓COMP用于調(diào)節(jié)脈沖

39、寬度。COMP端引出接外部RC網(wǎng)絡，以改變增益和頻率特性。 輸出電路：圖騰柱輸出結構，電路1A，驅動MOS管及雙極型晶體管。 電流取樣比較器：3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VISENSE>1VDC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。 欠壓鎖定電路UVLO：開通閾值16VDC，關閉閾值10VDC。具有滯回特性。 PWM鎖存電路：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，UCC與GND之間的穩(wěn)壓管用于保護，防止器件損壞。4.3 其他主要器件的選擇（1） 扼流圈電感L1L1是3.3MH共模電感，采取雙線并繞，是

40、為了去除共模干擾。（2）安規(guī)電容X2X2是安規(guī)電容，是為了去除差模干擾(3) 電阻R電阻R1（800K）的作用是為了吸收電路斷電后在電容C1(1000uF)儲存的電流；電阻R2(4.7K)的作用是為了減少輸出的直流電壓中的紋波電壓；變位器R(20K)的作用是為了輸出可調(diào)的直流電壓。使輸出的直流電壓可以在25V到45V范圍內(nèi)可調(diào)。5、實驗測試方法以及數(shù)據(jù)5.1測試儀器一個交流電源18V、萬用表2個、示波器一個、電阻負載若干個：包括510、180、205.2測試方法（1）測試噪聲紋波電壓峰-峰值、負載調(diào)整率以及過流保護功能首先連接好整個系統(tǒng)，在負載兩端接萬用表測電壓，并將電流表與負載串聯(lián)測電流。在輸入電壓U1=16.8V,輸出電壓U2=25V的時候，觀察輸出紋波電壓峰-峰值。設置輸出電壓為U2=25V，保持U1=16.8V不變，改變負載，觀察負載調(diào)整率。觀察在各輸出電壓情況下，負載過流時是否具有繼電保護功能。負載調(diào)整率：電源負載的變化會引起電源輸出的變化,負載增加,輸出降低,相反負載減少,輸出升高。好的電源負載變化引起的輸出變化減到最低,通常指標為3%5%。負載調(diào)整率是衡量電源好壞的指標.好的電源輸出接負載時電壓降小。（2）測試系統(tǒng)效率電流表串入整流橋輸出端，且處于控制