新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計與實現(xiàn)研究_圖文

1、第40卷第4期河南大學學報(自然科學版Vol.40No.4 2010年7月Journal of Henan University(Natural ScienceJ ul.2010新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計與實現(xiàn)研究陳富軍1,衡耀付1,季鋼2(1.黃淮學院電子科學與工程系河南駐馬店463000;2.駐馬店供電公司河南駐馬店463000摘要:針對小功率開關電源所普遍存在的問題,實現(xiàn)了一種新型小功率高頻開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計.電路中的輸入回路EMI濾波器設計,有效解決了電網諧波問題以及電源本身對電網污染的問題;控制部分利用電流式PWM控制器UC3842芯片直接控制大功率開關MOSFET管,并通過電壓

2、反饋和電流反饋雙環(huán)控制功能,實現(xiàn)了占空比的精確調節(jié),提高了轉換速率,降低了導通損耗;電路采用線性光耦PC817來改變誤差放大器的增益,而且在電壓采樣反饋電路中采用了集成運放PJ324CD芯片以及三端可調穩(wěn)壓管TL431,使得輸出電壓在負載發(fā)生較大的變化時,輸出電壓基本保持穩(wěn)定.關鍵詞:EMI濾波器;電流式PWM控制器;UC3842;電磁兼容性中圖分類號:TN86文獻標志碼:A文章編號:1003-4978(201004-0357-04R esearch of Optim al Design and Implementation for aN e w Switching Pow er Supply

3、CH EN Fu2jun1,H EN G Yao2f u1,J I Gang2(1.De partment of Elect ron S inice and Engineering,H uanghuai Universit y,Henan Zhumadian463000,China;2.Zhumadian Power com Pany,Henan Zhumadian463000,ChinaAbstract:For the common problem of low2power switching power supply,this paper introduces an optimal des

4、ign for a new low2power high2frequency switching power supply.The input loop circuit EMI filter design effectively to solve the problem of power harmonics and pollution of the switching power itself to the grid;Control section using current2mode PWM controller UC3842chip directly to control the MOSF

5、ET power switch tube,through the double2 loop control of voltage feedback and current feedback,which achieves precise adjustment of the duty cycle,and then improves the conversion rate and reduces conduction losses.Not only using a linear optocoupler PC817changes the gain of the error amplifier,but

6、also an integrated op2amp PJ324CD chips and three2terminal adjustable voltage regulator tube TL431are used in the voltage feedback circuit samples.The design makes the output voltage basically stable even when the load has a greater change.K ey w ords:EMI filter;current mode PWM controller;UC3842;el

7、ectromagnetic compatibility.當前,對開關電源進行技術創(chuàng)新主要側重于對電路設計優(yōu)化,提高開關器件的頻率,降低其導通損耗,減小電源本身的體積1.但是,目前專用于開關電源的元器件的集成度相對于其它數(shù)字設備來說較低,而且結構復雜、調試麻煩,因此性價比低;另外,開關高頻化所帶來的電磁輻射及泄漏也會干擾其它電氣設備的正常運行.開關電源作為各種小型電子設備中的重要組成部分,其電壓輸出是否穩(wěn)定會直接影響設備的性能和使用壽命,其體積也直接影響到整個電子設備的大小2.本文研究了一種新型小功率高頻開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計方案,它有效解決了以下問題:1輸入電網諧波和開關高頻噪聲對周圍環(huán)境的電

8、磁污染;2電源控制的精度和速度不夠的問題;3開關導通損耗對開關頻率提高的限制的問題;4降低成本與提高可靠性之間的矛盾.收稿日期:2010201210基金項目:河南省科技發(fā)展計劃項目(092102210305作者簡介:陳富軍(1982-,男,河南太康人,講師,碩士.主要從事電子技術、微機應用方面的研究.358河南大學學報(自然科學版,2010年,第40卷第4期1優(yōu)化設計思路本研究主要是針對小功率高頻開關穩(wěn)壓電源進行優(yōu)化設計與實現(xiàn),所以選擇推挽式拓撲結構.控制電路部分以電流式PWM 控制器芯片UC3842為核心進行設計,通過采樣、反饋來改變開關占空比使輸出電壓保持相對穩(wěn)定,并利用線性光耦PC817

9、、三端穩(wěn)壓器TL431與PJ 324CD 進行配合來提高電源電壓的瞬態(tài)響應速度和精度.逆變輸出部分通過對變壓器進行優(yōu)化設計減小變壓器的漏感和損耗,提高轉換效率.為提高整個系統(tǒng)的電磁兼容性,在輸入輸出回路設計了EMl 濾波器和RC 緩沖回路,并擇優(yōu)選取了高速開關大功率MOSFET 管(D G 24N60及高速恢復輸出整流二極管(B YQ28E 2200,降低了開關電源的EMl 干擾.圖1新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計原理框圖Fig.1Optimitation block diagram of the newswitching power supply該電源設計及優(yōu)化可分為兩部分:一為主電路設計,其中

10、包括交流輸入、EM I 濾波、整流濾波、逆變、高頻變壓輸出、輸出濾波;另一部分為控制設計,包括開關管的占空比調節(jié)、開關管驅動及相應的保護電路.主要設計原理如圖1所示.對于主電路部分,交流輸入以及EM I 濾波器部分主要是濾除電網諧波,且能防止電源本身所產生的高頻噪聲影響電網3.整流濾波部分把輸入的交流電整流為脈動的直流電,為后級的變換做準備.逆變電路由開關整流管以及高頻變壓器模塊組成,它把整流后的脈動直流電逆變?yōu)楦哳l交流電,這是實現(xiàn)開關電源高頻化的關鍵.開關電源頻率越高,其體積、重量越小,效率也會有所提高.輸出整流與濾波部分則是根據(jù)需要提供穩(wěn)定的穩(wěn)壓直流電.控制電路根據(jù)在輸出端進行的取樣,通過

11、與預先設定的基準電壓進行比較實現(xiàn)對逆變部分的控制,進而改變開關管的輸出占空比,實現(xiàn)穩(wěn)定輸出.另外,根據(jù)取樣和檢測電路,通過控制電路可實現(xiàn)對整機的各種保護.2U C3842內部結構該電源整機設計所選控制電路核心芯片UC3842是高性能的電流型PWM (Pulse Widt h Modulation ,PWM 控制器.它具有電壓反饋和電流反饋雙環(huán)控制的優(yōu)點,且開關器件的頻率可調4.另外,該集成芯片工作穩(wěn)定可靠,具有輸入端過壓保護、欠壓鎖定以及輸出端過流保護功能,其內部結構如圖2所示. 圖2UC3842內部結構圖Fig.2The map of US3842internal structure由UC3

12、842內部結構圖可知,其內部主要由誤差放大器、過流檢測比較器、PWM 鎖存器、5V 基準電壓源、內部振蕩器、輸入欠壓鎖定電路及門電路輸出級等部分組成.選擇性能高和噪聲小的元器件是提高電源性能、減小電源干擾的重要方法5.所以,選擇元器件應首先考慮不易產生、傳導及輻射噪聲并具有高性價比的元器件,特別是核心器件及變壓器、電感等繞組類元器件的選擇和使用.陳富軍,等:新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計與實現(xiàn)研究359 3新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計及其工作原理3.1新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計根據(jù)整機優(yōu)化設計方案,新型高頻開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計原理圖如圖3所示. 圖3新型開關穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設計原理圖Fig.3Opt

13、imal design schematic of the new switching power supply在設計原理圖中,場效應管V T1選用的是高速開關大功率MOSFET管D G24N60,其開關頻率可達幾十甚至幾百KHz.為了防止工作過程中V T1漏極耦合的瞬態(tài)尖峰高壓對其柵極的沖擊,在柵極并接齊納二極管D7實現(xiàn)對柵極的保護,同時在D7旁并接一電阻R14實現(xiàn)對自激振蕩的消除.另外,為了有效防止變壓器漏感的尖峰高壓對V T1漏極的沖擊,通過C3、R4組成一個RC回路進行緩沖.在進行PCB設計時,為防止因寄生電感、電容而產生自激振蕩,應盡可能縮短、加粗與場效應管V T1各電極相連的導線.由

14、于對于任何電源都應滿足電磁兼容性要求,即電源本身對外產生的電磁干擾要盡可能地小,同時又要具有良好的抗干擾能力.而開關電源在工作過程中,其功率開關管始終在進行高頻的開關轉換,致使產生高頻噪聲并向空間輻射電磁波,從而形成傳導干擾6.通常,傳導干擾中的差模干擾信號所造成的干擾小,而共模信號幅度大、頻率高,很容易通過導線產生輻射并形成較大的干擾.要對傳導干擾進行有效抑制并將其控制在有關EMC標準規(guī)定的范圍以內,設計中通過在輸入回路中加入EM I濾波器實現(xiàn).如圖3所示,在輸入回路中,由CX1、R1/R2、L1、L2組成了EM I濾波器,由其實現(xiàn)開關電源對干擾的由內向外及由外向內的雙向抑制.其中,電容CX

15、1實現(xiàn)對傳導干擾的衰減,R1/R2用以消除EM I濾波器中可能出現(xiàn)的靜電積累,而電感L1(帶磁芯和L2均為共模扼流圈,因所采用的兩線圈匝數(shù)相等且對差模電流所產生的磁通方向相反,故差模干擾信號對電路不會產生影響,而對于共模干擾信號,大電感則會呈現(xiàn)高阻抗,對共模干擾會起到抑制作用.因此在電路設計中通過兩級電感級聯(lián)來衰減干擾和獲得良好頻率特性.3.2優(yōu)化設計后的新型開關穩(wěn)壓電源的工作原理優(yōu)化設計后的新型開關穩(wěn)壓電源的原理圖如圖3所示.該開關穩(wěn)壓電源可輸入120260V的交流電,經整流、濾波后,在變壓器TR1的輸入端得到直流電壓.以三端穩(wěn)壓器TL431和運放PJ324CD(U3為核心的采樣反饋電路在對

16、電源輸出端進行采樣后,通過光耦PC817反饋給PWM控制器芯片UC3842,由UC3842實現(xiàn)對開關管V T1的控制,提高了電源的瞬態(tài)響應速度和精度,實現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出.以下從4個部分闡述電路的工作過程:1電源電路的啟動.電源加電后,由啟動電阻R12對電容C1充電,當其電壓值上升至UC3842的啟動電壓值時,芯片開始工作并向開關管V T1提供驅動電流,其信號形式為高低脈沖.在高電壓脈沖期間,V T1導通,電流通過變壓器TR1原邊儲存能量,此時變壓器各副邊無輸出;在高電壓脈沖結束時,V T1隨之截止,由楞次定律可知,由于變壓器V T1產生感應電動勢,因此變壓器各副邊回路導通,開始向外提供能量.同時,

17、反饋繞組向UC3842供電,隨著UC3842的啟動,啟動電阻R12的工作也就結束.2電源開關脈沖的生成.由UC3842內部結構可知,其內部的振蕩器與R13和C6共同配合來產生振蕩360河南大學學報(自然科學版,2010年,第40卷第4期信號,其作為UC3842內部PWM鎖存器和門電路輸出級的置位脈沖,以實現(xiàn)對功率管V T1的驅動.在V T1導通時,R10上的壓降會隨之變化,并通過電阻R10將其反饋到UC3842芯片的3腳.該電壓值將與內部比較器的另一輸入端比較,當達到一定值時,電流取樣比較器將會發(fā)生翻轉并使鎖存器復位,進而使V T1截止.所以,功率開關管V T1的導通和截止將使變壓器TR1副邊

18、逆變輸出為開關電壓.3占空比的調節(jié).變壓器TR1的輸出通過TL431、集成運放PJ324CD以及線性光耦PC817反饋至控制芯片UC3842的2腳.當輸出繞組電壓升高時,則TL431的參考電壓亦會上升,由集成運放PJ324CD比較放大后,光耦PC817的反饋輸入電流也會增大,其輸出電流也相應線性增加,則UC3842芯片2腳的反饋輸入端電壓值隨之升高.由前可知,輸出信號占空比將減小,從而抑制輸出電壓升高.同樣,輸出繞組電壓降低時,控制電路部分將會抑制其電壓的降低.最終,通過電壓反饋和電流反饋雙環(huán)控制功能,使繞組電壓輸出保持相對穩(wěn)定.4電路的保護.過壓保護電路主要有Q1和Q2所組成,當反饋繞組電壓

19、升高時,穩(wěn)壓管Q1、Q2會先后導通,Q2導通后將加大開關管V T1的導通程度,從而起到過壓保護作用.此外,輸入端保險絲F1的短路保護以及所加入的熱敏電阻NR T1和壓敏電阻V R1也提高了電路的可靠性.4樣機制作與性能測試樣機整機加工關鍵流程如下:PCB制版貼片元件焊接插件分立元件焊接補焊洗板初步質檢性能綜合測試.在輸入電壓為120260V變化范圍內,開關頻率為70KHz時,樣機各項性能測試數(shù)據(jù)如表1所示.表1高頻開關穩(wěn)壓電源性能測試數(shù)據(jù)Tab.1Performance test data of the high2f requency switching power supply初級負載電流/

20、mA 空載加載初級負載功率/W空載加載輸出電壓/V空載加載輸出電流/A加載紋波/mV效率120V/50Hz29794 1.058.819.1218.93 2.635084.7 140V/50Hz29736 1.158.619.1318.95 2.645285.4 160V/50Hz30672 1.358.519.1318.96 2.655385.9 180V/50Hz32618 1.658.319.1318.95 2.665686.5 200V/50Hz33553 1.858.119.1318.95 2.665486.8 220V/50Hz35489 2.057.919.1318.96 2.665287.1 240V/50Hz3