新型开关电源技术的设计与应用.doc

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1、 开关电源技术题 目 一种新型开关电源的设计与应用指导教师 王志娟 学生姓名 李香标 学 号 201001702085 专 业 自动化 教学单位 德州学院机电工程系 （盖章） 2013年 11月 6日目 录摘要-3引言-3第一章 开关电源概述-3 1.1 开关电源发展历史与应用力-31.2 开关电源所用的术语-4第二章 输入电路-52.1 输入保护器件-52.2 输入阳间电压保护-52.3 输入整流滤波电路原理-6第三章 隔离单端反激式变换器电路-73.1 单端反激式变换器电路中的开关晶体管-73.2 单端反激式变换器电路中的变压器绕组-8第四章 UC3842的原理及技术参数-84.1 UC3

2、842的原理和概述-84.2 UC3842的技术参数-10第五章 12V/5A单端反激开关电源原理-115.1 12V/5A电路原理图-115.2 12V/5A电源 PCB板-125.3 12V/5A电路原理分析-125. 3. 1 系统原理-125. 3. 2 启动电路-125. 3. 3 15V/5A电路的短路过流、过压、欠压保护-135. 3. 4 反馈电路-13 5. 3. 5 输出整流滤波电路-14总结-15参考文献-15摘 要本文介绍一种以UC3842作为控制核心，根据UC3842的应用特点，设计了一种基于该电流型PWM控制芯片、实现输出电压可调的开关稳压电源电路。开关电源是利用现

3、代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。开关电源比普通的线性电源效率高，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。关键词：UC3842、开关电源、PWM引 言开关电源是运用现代电力电子技术,控制开关开启和关闭的时候,这个比率的输出电压稳定的电源,电源一般由脉宽调制控制集成电路和场效应晶体管。开关电源、线性电源,并与成本的功率输出的增加,但这两种不同的发展速度。在某一线性功率成本的输出功率的观点

4、,但高于开关电源,它被称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新、开关电源技术在不断的创新,这一成本更低的输出功率对于移动、开关电源提供了广阔的发展空间第一章 开关电源概述1.1 开关电源发展历史与应用力开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和功率开关器件（如MOS-FET）等构成。简单的说：就是开关型直流稳压电源。开关电源把直流电源或交流电源通过它可以获得一个稳定的直流电压源。它具有效率高，输出电压稳定，交流纹波小，体积小和重量轻的许多优点。获得广泛使用。 高频开关电源的发展方向是高频开关

5、电源、小型化、使开关电源到更广阔的应用领域,尤其是在高技术领域的应用,促进高新技术产品的小型化、光。另一个开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源和保护环境,具有重要的意义。 对开关电源中的应用,电力电子器件IGBT模块,主要用于二极管和场效应晶体管。 可控硅整流电路的电源的输入和软启动电路在一个小的应用、GTR、开关频率低驱动,逐步取代IGBT和场效应晶体管。1.2开关电源所用的术语 下面是一些我在实际工作中所使用的开关电源术语 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入因为是交流电压实际电流值不好测量，可以使用200V左右的直流串联电流表进行测量输入功率。 ESR：等

6、效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，EsR值越低的电容，性能越好。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。 负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率

7、。条件是线电压和环境温度保持不变。 噪音和纹波：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。用示波器测量其纹波幅值，通常是以mv度量。 输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。 电磁干扰无线频率干扰(EMLBFl)：即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。 快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时

8、，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。 占空比；在高频开关电源中，开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。第二章 输入电路2.1 输入保护器件隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很低的阻抗。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络；另一种方法是采用负温度系数(NTc)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把浪涌电流减小到安全值。 电阻双向可控硅技术：采

9、用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。热敏电阻技术：这种方法是把NTc(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载

10、电流达到稳定状态时，其阻值应该是最小。这样，就不会影响整个开关电源的效率。2.2 输入阳间电压保护 在一般情况下，交流电网上的电压为115v或230v左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式：公式中L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。 用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(

11、VDR)瞬态电压抑制器。压敏电阻起到一个可变阻抗的作用。也就是说，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。 1选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大10一20； 2查明器件所需要承受的最大尖峰电流；2.3 输入整流滤波电路原理输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加R1（热敏电阻）就能有效的防

12、止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在R1电阻上，一定时间后温度升高后R1阻值减小（R1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。R2为压敏电阻，主要是防止输入瞬间电压高。第三章 隔离单端反激式变换器电路3.1 单端反激式变换器电路中的开关晶体管在单端反激式变换器电路中。所使用的开关晶体管必须符合两个条件，即在晶体管截止时，要能承受集电极尖峰电压，在晶体管导通时，要能承受集电极的尖峰电流。晶体管截止时所承受的尖峰电压按下面的公式进行计算： 公式中，Vin是输入电路整流滤波后的直流电压， mx是最大工作占空比。所谓占空比指的是晶体管导通的时间与晶体管的一个工作周期(导通时间十截止时间

13、)之比。为了限制晶体管的集电极安全电压，工作占空比应保持在相对地低一些，一般要低于50，即 mx0.5。在实际设计时， mx一般取o4左右，这样它就限制了集电极峰值电压。因此，在单端反激式变换器电路设计中，晶体管的工作电压一般在800V以上，通常按900v计算可安全可靠地工作。 按如下粗算考虑：交流输入电压180一260V，取260V，260v乘以14(有效值)，即是整流后的直流电压2601.4354V，360V再乘以22得800V，实际取值M mf；900V即可。 第二个设计准则是必须满足晶体管在导遏时的集电极电流的需求。公式中，I L是变压器初级绕组的峰值电流而n是变压器初级与次级间的匝数

14、比。 为了导出用变换器输出功率和输入电压表达集电慑峰值工作电流的公式，变压器绕组传递的能量Pm可用下式表示：略去推导过程，由输出功率和输入电压表达的晶体管工作电流的公式为：假定变换器的效率V是0.8，最大工作占空比入f0.43.2 单端反激式变换器电路中的变压器绕组 由于在单端反激式变换器电路中，变压器初级绕组只在磁滞回线的一个方向上被驱动，因此，在设计时注意不要使其饱和，更为详尽的分析和设计将在第五章给出。在这里，我们只是强调一下，所选择的磁芯一定要有足够大的有效体积，通常应用空气隙来扩大其有效体积 传输变压器有效体积v的计算公式如下：Ilamx ： 最大负载电流L ：变压器次级绕组的电感量

15、；U0 ：空气的导磁率。其值为15Ue ：所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax：磁芯的最大磁通密度。 相对导磁率从应尽可能选得大一些，以避免由于磁充尺寸和线径，以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。第四章 UC3842的原理及技术参数4.1 UC3842的原理和概述UC3842 是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。 图1UC3842内部原理框图该电路主要特点有：内含欠电压锁定电路 、低起动电流（典型值为0.12mA）稳定的内部基准电压源、大电流推挽输出（驱动电流达1A）工作频率可到500kHz 、自动负反馈补偿电路双脉冲抑制、较

16、强的负载响应特性UC3842内部工作原理简介图1 所示出了UC3842内部框图和引脚图，UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RTCT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为1A；脚是直流

17、电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。4.2 UC3842的技术参数UC3842电路结构图 封装外形图第五章 12V/5A单端反激开关电源原理 5.1 12V/5A电路原理图5.2 12V/5A电路PCB板这是我根据我在学校学习的Protel 99SE画的PCB板5.3 原理分析5 .3. 1 系统原理 本文以UC3842为核心控制部件，设计一款AC 220V输入，DC 12V输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具

18、有良好的频率响应特性。 主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。电路原理图如图2所示。5 .3. 2 启动电路 如图2所示交流电由C16、L1、C15以及C14、C13进行低通滤波，其中C16、C15组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声；C14、C13、L1组成抗共模干扰电路，用于抑制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰由很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经D1D4桥式整流以及电解电容C1、C2滤波后变成3lOV的脉动直流电压，此电压经R1降压后给C8充电，当C8的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工

19、作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D10稳压管限定UC3842的输入电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。5 .3. 3 15V/5A电路的短路过流、过压、欠压保护 由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如图2所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R9两端的电压上升，UC3842

20、的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值03V达到1V(即电流超过15A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚6无输出，MOS管S1截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压(在265V以上)，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降lV(正常值是34V)以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将成倍增大，使得自动恢复开关RF

21、内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。一旦故障排除，自动恢复开关RF在5s之内快速恢复阻抗。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。5. 3. 4 反馈电路 反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图2所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为25V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，

22、也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。R7、R8的阻值是这样计算的：先固定R7的阻值，再计算R8的阻值，即5. 3. 5 输出整流滤波电路 输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。 (1)输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输入端加电容C5，以滤除此噪声干扰。 (

23、2)高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。滤波电感采用150H的电感，可滤除高频噪声。 (3)采用快速恢复二极管D6、D7整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。并联整流二极管减小尖峰电压 在大功率的整流电路中，次级整流桥电路存在较大杂散电感，输出整流管在换流时，由于电路中存在寄生振荡，整流管会承受较大的尖峰电压，尖峰电压的存在提高了对整流二极管的耐压要求，也

24、将带来额外的电路损耗。整流桥的寄生振荡产生于变压器的漏感(或附加的谐振电感)与变压器的绕组电容和整流管的结电容之间。 当副边电压为零时，在全桥整流器中4只二极管全部导通，输出滤波电感电流处于自然续流状态。而当副边电压变化为高电压Vin/K(K为变压器变比)时，整流桥中有两只二极管要关断，两只二极管继续导通。这时候变压器的漏感(或附加的谐振电感)就开始和关断的整流二极管的电容谐振。即使采用快恢复二极管，二极管依然会承受至少两倍的尖峰电压，因此，必须采用有效的缓冲电路，有许多文献对此作了研究，归纳起来有5种方式：RC缓冲电路，RCD缓冲电路，主动箝位缓冲电路，第三个绕组加二极管箝位缓冲电路，原边侧

25、加二极管箝位缓冲电路。在这里提出另一种减小二极管尖峰电压有效的方法：即整流二极管并联，其具体的电路图如图3所示。总结 通过设计我接触开关电源，开关电源应用在许多的行业如工业、航空、航天、军事等。在实习期间我进一步的认识开关电源，我更好的学会了如何分析电路、如何运用知识、如何调试电路，在完成毕业论文的期间，我感觉我对开关电源还有许多不足之处，我计划在以后的实习期间更好的思考问题、解决问题，培养了自己不怕苦、不怕累的意志力,为日后的学习、工作和生活打下良好的基石。参考文献1、严仰光.双向直流变换器. 南京: 江苏科学技术出版社, 2004.112、阮新波、严仰光，全桥变换器的控制策略，电气自动化，1997年增刊，205-2113、阮新波、严仰光，脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术. 北京：科学出版社，19994、曾兴雯，高频电路原理与分析， 西安：西安电子科技大学出版社，2002.85、叶慧贞、杨兴洲，开关稳压电源， 国防工业出版社，19906、叶治政、叶靖国，开关稳压电源，高等教育出版社，19897、蔡宣三、龚绍文，高频功率电子学，第一版，科学出版社，19938、张占松.高频开关稳压电源. 广州：广东科技出版社，19929、林渭勋. 现代电力电子电路. 杭州：浙江大学出版社，199210、王水平、史俊杰、田庆安 开关稳压电源.西安：西安电子科技大学出版社，2005.10