開關(guān)電源的設(shè)計

AnhuiConvectional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade畢業(yè)論文 開關(guān)電源的設(shè)計Switchingpowersupplydesign所在系院：電氣與信息工程系專業(yè)班級：學(xué)生學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2023年4月20日AnhuiConvectional&TechnicalCollegeofIndustry&Trade畢業(yè)設(shè)計說明書 開關(guān)電源的設(shè)計Switchingpowersupplydesign所在系院：電氣與信息工程系專業(yè)班級：學(xué)生學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2023年4月20日安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計〔論文〕任務(wù)書系〔院〕電氣與信息工程系專業(yè)電子信息工程技術(shù)班級學(xué)生姓名學(xué)號一、題目：開關(guān)電源的設(shè)計二、內(nèi)容與要求：開關(guān)電源作為一種穩(wěn)定輸出電壓的電源一般多采用脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕控制方式。在設(shè)計智能的控制電路設(shè)計中，采用了一個八位單片機和其它元器件及相應(yīng)的外圍電路，用來開發(fā)一個智能軟開關(guān)電源。三、設(shè)計〔論文〕起止日期：任務(wù)下達日期：年月日完成日期：年月日指導(dǎo)教師簽名：年月日四、教研室審查意見：教研室負責人簽名：年月日安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計〔論文〕指導(dǎo)教師、評閱人評語專業(yè)、班級學(xué)生姓名完成日期題目：開關(guān)電源的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計〔論文〕共13頁，其中：圖10幅，表0個指導(dǎo)教師評語：建議成績指導(dǎo)教師〔簽名〕：年月日評閱人評語：建議成績評閱人〔簽名〕：年月日安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計〔論文〕成績評定專業(yè)、班級學(xué)生姓名完成日期題目：開關(guān)電源的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計〔論文〕共13頁，其中：圖10幅，表0個畢業(yè)設(shè)計〔論文〕指導(dǎo)小組評定意見：畢業(yè)論文成績的評定：指導(dǎo)教師審閱成績〔70%〕評閱教師評閱成績〔30%〕總分系〔院〕負責人簽名： 年月日開關(guān)電源的設(shè)計摘要隨著開關(guān)電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用,人們對其需求量日益增長,并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。電力電子技術(shù)的開展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速開展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)效勞。信息技術(shù)的開展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進了開關(guān)電源技術(shù)的開展。開關(guān)電源的高頻變換電路形式很多,常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本論文是基于芯片UC3842的小功率高頻開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源UC3842單端反激SwitchingpowersupplydesignAbstractWiththeswitchpowersourceextensiveuseinthefieldofcomputer,communicatebyletter,aeronauticsandastronautics,instrumentappearanceanddomesticappliancesetc.,peopleincreasesbygraduallytowhoseneedamounts,havebroughtforwardhigherrequesttoaspectsuchaspowersourceefficiency,bulkfactorandreliability.Theswitchpowersourceissmallwithit’sefficiencyheightvolume，weightmakeslightoftowaitforadvantagetohavesubstitutedtheinefficient,bothstupidandseriouslinearitypowersourceinmanyaspectsstepbystep.Theelectricpowerelectronictechnologydevelopment,speciallyhighefficiencycomponentIGBTandtheMOSFETrapiddevelopment,enhancestheswitchingpowersupplyoperatingfrequencytothequitehighlevel,enableittohavethehighstabilityandBoxingcomparesandsoonthecharacteristic.Oneofswitchingpowersupplytechnologymainusesisservesfortheinformationindustries.Theinformationtechnologydevelopmentalsosetahigherrequesttothepowersourcetechnology,thuspromotedtheswitchingpowersupplytechnologydevelopment.Switchpowersourcehighfrequencyalternationcircuitformmany,formssuchasalternationcircuitincommonusehavingthepush-pull,entirebridge,thebridge,onlyuprightexcitingandsingleendexcitingpartlyonthecontrary.ThispaperisbasedonUC3842chipoflowpowerfrequencyswitchingpowersupplysystemdesign.Keywords:SwitchingpowersupplyUC3842Singleendexciting目錄TOC\o"1-3"\h\u23130引言 110623第一章緒論 2144041.1開關(guān)電源的分類 210341.2開關(guān)電源的優(yōu)點 2129021.3開關(guān)電源的控制原理 317525第二章開關(guān)電源常見的變換器 4792.1PWM變換器 4231382.2DC/DC變換器 514390第三章基于UC3842的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計 6234883.1UC3842的簡介 6303403.1.1UC3842的工作原理 683833.1.2UC3842的工作描述 7210973.2主電路的設(shè)計 93213結(jié)論 114142參考文獻 1220693致謝 13引言電源，即提供電能的設(shè)備，主要分三類：一次電源〔將其它能量轉(zhuǎn)換為電能〕，二次電源和蓄電池。其中，二次電源指的是把輸入電源〔由電網(wǎng)供電〕轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率、波形及在穩(wěn)定性、可靠性〔含電磁兼容，絕緣散熱，不間斷電源，智能控制〕等方面符合要求的電能供應(yīng)負載。高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點，獲得了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型，前者是一個單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難到達較高的線形調(diào)整率精度，后者，較電壓控制型有不可比較的優(yōu)點。UC3842是由Unitrode公司開發(fā)的新型控制器件，是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。所謂電流型脈寬調(diào)制器是按反應(yīng)電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。第一章緒論1.1開關(guān)電源的分類開關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu)一般分類如下：〔1〕按驅(qū)動方式分：有自激式和他激式?！?〕按DC/DC變換器的工作方式分：①單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式等；②降壓型、升壓型和升降壓型等?！?〕按電路組成分：有諧振型和非諧振型?！?〕按控制方式分：①脈沖寬度調(diào)制(PWM)式；②脈沖頻率調(diào)制(PFM)式；③PWM與PFM混合式。1.2開關(guān)電源的優(yōu)點開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是和線性電源相比有如下幾個突出的優(yōu)點：(1)功耗小，效率高。功率晶體管在鼓勵信號的鼓勵下，交替工作在飽和導(dǎo)通與截止的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般在幾十到幾百kHz。這就使得功率晶體管的損耗較小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可以到達80%以上。(2)體積小，重量輕。由于沒有采用笨重的工頻變壓器，并且在功率晶體管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量都可以得到減小。(3)穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由鼓勵信號的占空比或者鼓勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化也可以通過變頻或調(diào)寬來進行補償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點，而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計人員可以根據(jù)實際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。(4)濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前根本上是工作在50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的頻率的1000倍，這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。在相同的紋波輸出電壓的要求下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量的1/500—1/1000。(5)電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型；有單端式和雙端式，等等。設(shè)計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長，設(shè)計出能滿足不同應(yīng)用場合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。1.3開關(guān)電源的控制原理開關(guān)電源是指電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，是一種高頻電源變換電路,采用直-交-直變換,能夠高效率地產(chǎn)生一路或多路可調(diào)整的高品質(zhì)的直流電壓。開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的根本構(gòu)成如圖1-1所示，其中DC/DC變換器進行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心局部，此外還有啟動、過流與過壓保護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路〔R1、R2〕檢測輸出電壓變化，與基準電壓Ur比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制〔PWM〕電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制功率器件的占空比，從而到達調(diào)整輸出電壓大小的目的。圖1-2是一種電路實現(xiàn)形式。圖1-1開關(guān)電源的根本構(gòu)成圖1-2開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理電路第二章開關(guān)電源常見的變換器2.1PWM變換器脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是英文“PulseWidthModulation〞的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。其工作原理如圖2-1所示圖2-1PWM變換器的根本工作原理多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號復(fù)原為模擬形式。2.2DC/DC變換器DC/DC變換器用于開關(guān)電源時，很多情況下要求輸入與輸出間進行電隔離。這時必須采用變壓器進行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏?。因此，這類變換器又稱為逆變整流型變換器。DC/DC變換器有5種根本類型：單端正激式、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示圖2-2電路結(jié)構(gòu)圖電路工作過程如下：當M1導(dǎo)通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載；當M1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同時負載R上也有電流I流過。M1導(dǎo)通與截止的等效拓撲如圖2-3所示圖2-3M1導(dǎo)通與截止的等效拓撲第三章基于UC3842的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計3.1UC3842的簡介3.1.1UC3842的工作原理圖3-1示出了UC3842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：①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；②腳是反應(yīng)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；③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)；④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，⑤腳為公共地端，提供芯片工作參考地端；圖3-1

UC3842

內(nèi)部原理框圖

⑥腳為推挽輸出端，上升、下降時間僅為50ns

驅(qū)動能力為±1A

，通過一個電阻與外部功率管相連；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW，一路與電源輸出端相連，一路與輔助電源相連；⑧腳為5V基準電壓輸出端，有50mA的負載能力，該電壓源具有極好的溫度穩(wěn)定性。芯片供電分為兩個階段：啟動階段、正常工作階段。啟動時，輸入電壓必須到達16V，電壓小于16V時，芯片工作電流小于1mA。3.1.2UC3842的工作描述UC3842是專門設(shè)計用于離線和直流—直流變換器應(yīng)用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設(shè)計者提供適應(yīng)最少外部元件的高性能價格比的解決方案。代表性方框圖如圖3-2所示圖3-2UC3842代表性方框圖〔一〕振蕩器振蕩器頻率由定時元件RT和CT選擇值決定。電容CT由5.0V的參考電壓通過電阻RT充電，充至約2.8V，再有一個內(nèi)部的電流宿放電至1.2V。在CT放電期間，振蕩器內(nèi)產(chǎn)生一個內(nèi)部消隱脈沖保持“或非〞門的中間輸入為高電平，這導(dǎo)致輸出為低狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個數(shù)量可控的輸出靜區(qū)時間。要注意的是盡管許多的RT和CT值都可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率，但只有一種組合可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時間。振蕩器門限是溫度補償?shù)?，放電電流在Th=25攝氏度時被微調(diào)并確保在±10%之內(nèi)，這些內(nèi)部電路的優(yōu)點使振蕩器頻率及最大輸出占空比的變化最小。結(jié)果顯示在圖3-3和圖3-4中。圖3-3振蕩器放電電流與溫度關(guān)系曲線圖3-4最大輸出占空比與定時電阻關(guān)系曲線〔二〕誤差放大器提供一個有可訪問反相輸入和輸出的全補償誤差放大器。同相輸入在內(nèi)部偏置于2.5V而不經(jīng)管腳引出。典型情況下變換器輸出電壓通過一個電阻分壓器分壓，并由反相輸入監(jiān)視。最大輸入偏置電流為2.0uA，它將引出輸出電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。誤差放大器輸出〔管腳1〕用于外部回路補償。輸出電壓因兩個二極管壓降而失調(diào)〔≈1.4V〕并在連接至電流取樣比較器的反相輸入之前被三分。這將在管腳1處于其最低狀態(tài)時〔Vol〕，保證在輸出〔管腳10〕不出現(xiàn)驅(qū)動脈沖。這發(fā)生在電源正在工作并且負載被取消時，或者在軟啟動過程的開始。最小誤差放大器反應(yīng)電阻受限于放大器的拉電流〔0.5mA〕和到達比較器的1.0V箝位電平所需的輸出電壓〔Oh〕：〔3－1〕〔三〕電流取樣比較器和脈寬調(diào)制鎖存器UC3842作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)導(dǎo)通由振蕩器起始，當峰值電感電流到達誤差放大器輸出/補償〔管腳1〕建立的門限電平時中止。這樣在逐周根底上誤差信號控制峰值電感電流。所用的電流取樣比較器-脈寬調(diào)制鎖存配置確保在任何給定的振蕩器周期內(nèi)，僅有一個單脈沖出現(xiàn)在輸出端。電感電流通過插入一個與輸出開關(guān)Q1的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻Rs轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取樣輸入〔管腳3〕監(jiān)視并與來自誤差放大器的輸出電平相比較。在正常的工作條件下，峰值電感電流由管腳1上的電壓控制，其中：〔3－2〕當電源輸出過載或者輸出電壓取樣喪失時，異常的工作條件將出現(xiàn)。在這些條件下，電流取樣比較器門限將被內(nèi)部箝位至1.0V。因此最大峰值開關(guān)電流為：〔3－3〕〔四〕欠壓鎖定采用了兩個欠壓鎖定比較器來保證在輸出級被驅(qū)動之前，集成電路已完全可用。正電源端〔Acc〕和參考輸出〔Pref〕各由別離的比較器監(jiān)視。每個都具有內(nèi)部的滯后，以防止在通過它們各自的門限時產(chǎn)生錯誤輸出動作。Acc比較器上下門限分別為：UC384216V/10V。Pref比較器上下門限為3.6V/3.4V。3.2主電路的設(shè)計本設(shè)計以UC3842為核心控制部件，設(shè)計一款單端反激式開關(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。電路綜合圖如下列圖：圖3-5電路綜合圖圖3-5是由UC3842構(gòu)成的單端反激式開關(guān)電源電路，220V市電由C1、L1

濾除電磁干擾，負溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt1限流，再經(jīng)VC整流、C2濾波，電阻R1、電位器RP1降壓后加到UC3842的供電端〔⑦腳〕，為UC3842提供啟動電壓，電路啟動后變壓器的付繞組③④的整流濾波電壓一方面為UC3842提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4

分壓加到誤差放大器的反相輸入端②腳，為UC3842

提供負反應(yīng)電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。④腳和⑧腳外接的R6、C8

決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達500KHz。R5、C6用于改善增益和頻率特性