開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說明書(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上考試號：11開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)說明書 學(xué) 生 姓 名： 劉慧 學(xué) 號： 專 業(yè) 班 級： 電子科學(xué)與技術(shù)12-1BF 報(bào)告提交日期：2015-6-25 湖 南 理 工 學(xué) 院 物 電 學(xué) 院專心-專注-專業(yè)目 錄 01、 前言 該電源以單端反激式DC-DC變換器為核心。市電通過自耦式調(diào)壓器，隔離變壓器，整流濾波后產(chǎn)生直流電壓，經(jīng)DC-DC變換得到題目所需輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。DC-DC變換器采用脈寬調(diào)制器（PWM）UC3842，通過調(diào)節(jié)占空因數(shù)使得輸出電壓UO在30V36V范圍內(nèi)可調(diào)；微控制器與鍵盤顯示構(gòu)成了控制顯示模塊，能對輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整

2、，并顯示輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能，形成了良好的人機(jī)界面。  開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的控制方式可分為調(diào)寬式和調(diào)頻試兩種，實(shí)際應(yīng)用中，而調(diào)寬式應(yīng)用的較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制（PWM）型。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高，輸出功率大，輸入電壓變化范圍寬，節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)。 開關(guān)電源的工作原理就是通過改變開關(guān)器件的開通時(shí)間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓；通常有三種方式：脈沖寬度調(diào)制（PWM），脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制。PWM調(diào)制是指開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式，因?yàn)橹芷诤愣ǎ瑸V波電路的設(shè)計(jì)比較簡單，也是應(yīng)用能夠最廣泛的調(diào)制

3、方式。開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要結(jié)構(gòu)框架如圖1-1所示，有隔離變壓器產(chǎn)生一個(gè)15-18V的交流電壓，在經(jīng)過整流濾波電路，將交流電變成直流電，然后再經(jīng)過DCDC變換，由PWM的驅(qū)動(dòng)電路去控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，如圖1-1所示； 圖1-1 關(guān)鍵詞：DC-DC變換器，脈寬調(diào)制器（PWM） 二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一手機(jī)開關(guān)型電池充電器，滿足：（1）開關(guān)電源型充電；（2）輸入電壓220V，輸出直流電壓自定；（3）恒流恒壓；(4) 最大輸出電流為:Imax1.0A;2設(shè)計(jì)要求（1）合理選擇開關(guān)器件；（2）完成全電路理論設(shè)計(jì)、繪制電路圖；（3）撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。三、設(shè)計(jì)

4、思路 開關(guān)電源由隔離變壓器，整流濾波和DC-DC變換電路組成。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是DC-DC變換電路，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件，儲能器件 ，脈沖變壓器，濾波器，輸出整流等所有功率器件和控制模塊；而控制模塊的設(shè)計(jì)又是DC-DC的核心，一般DC-DC控制模塊使用專用的PWM調(diào)制芯片。如TL494、UC3842等，芯片內(nèi)部集成了誤差比較器、振蕩器、PWM調(diào)制器等，有的甚至有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，在此情況下使用集成芯片加上少量的外圍電路即可構(gòu)成PWM控制電路，穩(wěn)定性能較好、控制簡單、芯片功耗幾乎可以忽略、成本低，過流保護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載上。當(dāng)取樣電阻超過指定范圍，立即切斷負(fù)載，或者降低輸出電壓

5、，然后過一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng)，接上負(fù)載，由繼電器控制負(fù)載的連通性。四、設(shè)計(jì)方案 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)的方案如下： 4.1開關(guān)器件的選擇 因?yàn)槊}沖變壓器耦合型開關(guān)電源具有如下優(yōu)點(diǎn)：1） 通過附加一個(gè)次級繞組間接取樣的辦法或采用光耦合器實(shí)現(xiàn)電源隔離，使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離，即所謂“冷地盤”電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)殼不帶電，給制作和維修帶來方便；2） 若開關(guān)管內(nèi)部短路，不會引起負(fù)載的過壓或過流；3） 容許輔助電源負(fù)載與主電源負(fù)載無關(guān)。即不接主電源負(fù)載，輔助電源仍可從主電源中得到。所以本次設(shè)計(jì)使用的開關(guān)電源是變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源。 4.2參數(shù)的設(shè)定 （1） 輸入電壓220V，輸出直流電壓為6.0V

6、； （2） 最大輸出電流為:Imax1.0 A；五、電路分析（一）基本組成5.1濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可以抑制交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時(shí)也防止開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。如圖1-2所示濾波電路中C1用以濾除直流份量中的交流成分，隔離電容應(yīng)選用高頻特性較好的碳膜電容,電阻R給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性，C2、C3跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾，為了減小漏電流C2、C3宜選用陶瓷電容器. 圖1-25.2.電壓保護(hù)電路 如圖1-3所示為輸出過壓保護(hù)電路。穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出電壓正常時(shí)，VS

7、不導(dǎo)通，晶閘管VS的門極電壓為零，不導(dǎo)通，當(dāng)輸出過壓時(shí)，VS擊穿，VS受觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過UC3842控制開關(guān)管關(guān)斷。 圖1-3 輸出過壓保護(hù)電路5.3.電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖1-4所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到 的1腳，調(diào)節(jié)R1 R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓U0升高，集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽極的電流在增大,UC3842的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出電壓U0變小,同樣，如果輸出電壓U0減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。 圖1-4電壓反饋電路（二）基本類型 （1）串聯(lián)型 其特點(diǎn)是開關(guān)調(diào)整管VT與負(fù)載R

8、L串聯(lián)。因此，開關(guān)管和續(xù)流二極管的耐壓要求較低。且濾波電容在開關(guān)管導(dǎo)通和截止時(shí)均有電流，故濾波性能好，輸出電壓U0的紋波系數(shù)小，要求儲能電感鐵心截面積也較小。其缺點(diǎn)是：輸出直流電壓與電網(wǎng)電壓之間沒有隔離變壓器，即所謂“熱地盤”，不夠安全；若開關(guān)管內(nèi)部短路，則全部輸入直流電壓直接加到負(fù)載上，會引起負(fù)載過壓或過流，損壞元件。因此，輸出端一般需加穩(wěn)壓管加以保護(hù)。 根據(jù)穩(wěn)壓條件可得：（Ui-U0）T1/L=U0T2/L 即 U0=U1T1/（T1+T2）=（T1/T）Ui， =T1/T 由上式可見，可以通過控制開關(guān)管激勵(lì)脈沖的占空比來調(diào)整開關(guān)電源的輸出電壓U0。（2）并聯(lián)型 其工作波形與串聯(lián)電路基本相

9、同，因開關(guān)管VT與負(fù)載RL并聯(lián)而稱為并聯(lián)型。此外，二極管VD通常稱為脈沖整流管，C為濾波電容。當(dāng)開關(guān)管基極輸入開關(guān)控制脈沖時(shí)，開關(guān)管周期性地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui加在儲能電感L兩端，此時(shí)電感中的電流線性上升，二極管VD反偏二截止，電感L儲存能量，此時(shí)負(fù)載RL所需的電流由前一段時(shí)間電容上所充的電壓供給。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，VD導(dǎo)通，通過電感上的電流線性下降，感應(yīng)電壓為左負(fù)右正，輸入電壓Ui和電感L上的感應(yīng)電壓同極性串聯(lián)，電源Ui和電感L所釋放的能量同時(shí)給負(fù)載RL提供電流，并向電容C充電。同樣，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，電感L在開關(guān)管飽和時(shí)增加的電流量（能量）與開關(guān)管截止時(shí)減少的電流量（能

10、量）相等。即電感上能量保持一個(gè)恒量，故有 （Ui/L）T1=（U0-Ui）T2/L 所以有 U0= Ui/（1-） 其中=T1/(T1+T2) 可見，并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源同樣可通過控制來穩(wěn)定或調(diào)整輸出電壓，同時(shí)還可以看出，由于<1，這種并聯(lián)型開關(guān)電源屬于升壓型電源，開關(guān)管所承受的最大反向電壓UCE max=U0。而圖1所示的串聯(lián)型開關(guān)電源屬于降壓型電源，開關(guān)管所承受的最大反向電壓UCE max=Ui。（3）脈沖變壓器耦合（并聯(lián)）型 變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源（自激式）基本電路如圖3所示。開關(guān)器件可以是雙極型晶體管，也可以是場效應(yīng)管，T為開關(guān)（脈沖）變壓器，VD為脈沖整流二極管，C為濾波電

11、容。這里脈沖變壓器的初級繞組起儲能電感作用，脈沖變壓器通過電感耦合傳輸能量，可使輸入端與穩(wěn)壓輸出端之間互相隔離，實(shí)現(xiàn)機(jī)殼不帶電，同時(shí)還可以便利地得到多種直流電壓，給制作和維修帶來方便。 如果將脈沖變壓器視為初、次級匝數(shù)比為n:1的理想變壓器，把次級參數(shù)等效至初級，可畫成圖2所示并聯(lián)型的電路形式，只是用nU0代替圖2中的U0。對圖3電路，可得 U0=Ui/n(1-)=UiN2T1/N1T2 由于n>1,變壓器型開關(guān)電源一般均為降壓輸出。開關(guān)電源中開關(guān)管所承受的最大脈沖電壓UCE max=Ui+nU0。 變壓器耦合（并聯(lián)）型開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是：1）通過附加一個(gè)次級繞組間接取樣的辦法或采用光耦合

12、器實(shí)現(xiàn)電源隔離，使主電源電路與交流電網(wǎng)隔離，即所謂“冷地盤”電路；2）若開關(guān)管內(nèi)部短路，不會引起負(fù)載的過壓或過流；3）容許輔助電源負(fù)載與主電源負(fù)載無關(guān)。即不接主電源負(fù)載，輔助電源仍可從主電源中得到。其缺點(diǎn)是：1）對開關(guān)管和續(xù)流二級管的耐壓要求高；2）輸出電壓紋波系數(shù)較高；3）要求儲能電感量較大。手機(jī)電池充電器電路六、涉及調(diào)試及解決方案標(biāo)號設(shè)計(jì)調(diào)試中的問題解決方案1降壓整流濾波電路響應(yīng)時(shí)間長，有等待時(shí)間不斷調(diào)整（加大）整流濾波電容2PWM控制器的輸出脈沖波形有失真減小儲能電感和輸出電容，找到適當(dāng)?shù)闹担⑶艺{(diào)節(jié)UC3842腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改變放大器的增益和頻響。3uc3842輸出驅(qū)動(dòng)波形不穩(wěn)定在他的

13、輸入端增加一個(gè)濾波電容，對輸入進(jìn)行再一次的濾波，通過調(diào)節(jié)找到合適的電容。4在測試輸出時(shí)有較大的紋波改變驅(qū)動(dòng)mos管5使用軟件進(jìn)行仿真時(shí)，響應(yīng)太慢屬于軟件弊端 在設(shè)計(jì)過程中遇到很多問題，但是通過我們的商量，很多問題都得以克服，憑我們的能力也并不是所有的問題都能解決，電路的整體設(shè)計(jì)還有幾處沒有達(dá)到題目要求，整體效果不是太理想(只局限于理論分析)。題目中的發(fā)揮部分只有一小部分可以實(shí)現(xiàn)，像進(jìn)一步體改負(fù)載調(diào)整率使Si0.5%、具有輸出電壓、電流的測量和數(shù)字顯示功能等暫時(shí)還沒有更好的辦法解決。但是我相信這些問題都是暫時(shí)的，只要我們積極認(rèn)真去努力不管什莫問題都還是可以解決的。當(dāng)然了如果電路所需原件都能有或者有相似的比如說電感（精密電感）可能沒有想要的合適的原件就可能導(dǎo)致整個(gè)電路的設(shè)計(jì)受阻（只局限于理論通過）。當(dāng)然了這要看條件、配置等 雖然剛開始做個(gè)這設(shè)計(jì)的時(shí)候，我感覺有點(diǎn)心虛，怕自己做不好，經(jīng)過幾天的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，讓我慢慢的弄懂了一些以前不懂的實(shí)驗(yàn)電路以及概念等，在遇到問題時(shí)，我會和同學(xué)積極討論，解決不了時(shí)，我便會到一些資料書上、或者網(wǎng)上查找答案。在這之中