開關穩(wěn)壓電源的設計-畢業(yè)設計

1、 摘 要穩(wěn)壓電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備。在信息時代,農業(yè)、能 源、交通運輸、通信等領域迅猛發(fā)展,對電源產業(yè)提出個更多、更高的要求, 如節(jié)能、節(jié)材、減重、環(huán)保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索 尋求各種鄉(xiāng)關技術,做出最好的電源產品,以滿足各行各業(yè)的要求。開關電源 是一種新型的電源設備,較之于傳統(tǒng)的線性電源,其技術含量高、耗能低、使 用方便,并取得了較好的經濟效益。本文在介紹了開關電源的各種工作方式、其優(yōu)劣勢、設計方法及未來發(fā)展 方向等的基礎上,對開關穩(wěn)壓電源進行設計。設計分為三個模塊進行,分別為 輔助電源模塊、 PWM 控制模塊、 升壓電路部分,其中 PWM 控制電路為電源

2、設 計的核心。確定電路設計方案后,使用 Multisim 10對電路進行仿真,并對電路 的參數進行配比,盡量使電路的參數達到最佳、使輸出電壓趨于穩(wěn)定,從而達 到設計要求。關 鍵 詞 :開 關 電 源 , 穩(wěn) 壓 , 脈 寬 調 制 , 功 率 ABSTRACATPower is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, agriculture, energy, transportation, communications and other areas

3、Power of the source industry make a greater and higher requirements, such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power workers have been exploring the technology for a variety of rural customs, the power to make the best products

4、 to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results.This paper describes the various switching power supply work

5、s, its advantages and disadvantages, design and direction of future development, based on the design of the switching power supply. Design is divided into three modules, namely, auxiliary power module, PWM control module, boost circuit part, which PWM control circuit for the power supply design of t

6、he core. Determine the circuit design, the use of Multisim 10 simulate the circuit, and the ratio of the circuit parameters, circuit parameters as far as possible to achieve the best, to stabilize the output voltage to achieve the design requirements.KEY WORDS: Switching Power Supply, , PWM , power

7、, 目 錄第一章 開關電源簡介 . 5 1.1 開關電源的發(fā)展背景 . 5 1.2 開關電源的基本原理與組成特點 . 5 1.2.1 開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理 . 5 1.2.2 開關電源的基本原理 . 6 1.2.3 開關電源的特點 . 7 1.3 開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展 . 7 1.3.1 國際發(fā)展史狀況 . 7 1.3.2 國內發(fā)展情況 . 9 1.4 開關電源的分類 . 9 1.5 穩(wěn)壓開關電源的發(fā)展趨勢 . 12 1.6 開關電源的技術指標與基本設計要求 . 14 第二章 開關變換電路 . 16 2.1 濾波電路 . 16 2.2 反饋電路 . 16 2.2.1 電流反饋電路 . 16

8、 2.2.2 電壓反饋電路 . 17 2.3 電壓保護電路 . 17 第三章 UC3842. 19 3.1 UC3842簡介 . . 19 3.1.1 UC3842的引腳及其功能 . 19 3.1.2 UC3842的內部結構 . 20 3.1.3 UC3842的使用特點 . 21 3.2 UC3842的典型應用電路 . . 22 3.2.1 反激式開關電源 . 22 3.2.2 UC3842控制的同步整流電路 . 23 3 .2.3 升壓型開關電源 . 25 第四章 利用 UC3842設計開關穩(wěn)壓電源 . 27 4.1 電源設計指標 . 27 4.2 具體電路設計 . 27 4.2.1 啟動電

9、路 . 27 4.2.2 PWM 脈沖控制驅動電路 . 29 4.2.3 電路輸出部分的設計 . 32 4.3 電路整體分析 . 37 第五章 電源的測試及仿真 . 38 5.1 仿真軟件 Multisim 10概述 . 38 5.2 電路測試 . 38 5.3 仿 真 結 果 . 40 5.4 設 計 問 題 及 解 決 方 法 . 42 總 結 . 43 參考資料 . 44 致 謝 . 45 第一章 開關電源簡介1.1 開關電源的發(fā)展背景電源 power supply; power source 向電子設備提供功率的裝置。 把其他形式 的能轉換成電能的裝置叫做電源。發(fā)電機能把機械能轉換成電

10、能,干電池能把 化學能轉換成電能 . 發(fā)電機 . 電池本身并不帶電 , 它的兩極分別有正負電荷 , 由正負 電荷產生電壓 (電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的 , 電荷導體里本來 就有 , 要產生電流只需要加上電壓即可 , 當電池兩極接上導體時為了產生電流而 把正負電荷釋放出去 , 當電荷散盡時 , 也就電荷流 (壓 消了 . 干電池等叫做電源。 通 過變壓器和整流器,把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的 電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大,又把放大了 的信號傳送到后面的電路中去。晶體三極管對后面的電路來說,也可以看作是 信號源。整流電源、信號源有時也

11、叫做電源。電子設備都離不開可靠的電源, 進入 80年代計算機電源全面實現了開關電 源化,率先完成計算機的電源換代,進入 90年代開關電源相繼進入各種電子、 電器設備領域,程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已 廣泛地使用了開關電源,更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。電力電子技術的發(fā)展 , 特別是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速發(fā)展 , 將開 關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。 開關電源技術的主要用途之一是為信息產業(yè)服務,信息技術的發(fā)展對電源技術 又提出了更高的要求 , 從而促進了開關電源技術的發(fā)展。1.2 開關電源的基本原理與

12、組成特點1.2.1 開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理開關式穩(wěn)壓電源的控制方式分為調寬式和調頻式兩種 , 實際應用中 , 調寬 式使用的較多 , 在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中 , 絕大多數也為脈寬 調制型。調寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理如圖 1-1所示。 圖 1-1. 調 寬 式 開 關 電 源 的 基 本 原 理對于單極性矩形脈沖來說 , 其直流平均電壓 U0取決于矩形脈沖的寬度 , 脈 沖越寬 , 其直流平均電壓值就越高。其中有 :U0=UmT1/T式中 , Um 為矩形脈沖 的最大電壓值 ; T 為矩形脈沖周期 , T1為矩形脈沖寬度。由此可知 , 當 Um 與 T 不變時 , 直流平均電

13、壓 U0將與脈沖寬度 T1成正比。這樣 , 只要設法使脈沖寬 度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄 , 就可以達到穩(wěn)定電壓的目的。1.2.2 開關電源的基本原理開關穩(wěn)壓電源(簡稱開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關管開 通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般多采用脈 沖寬度調制(PWM 控制方式。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新,開關電源逐 步向高頻化方向發(fā)展。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點, 因此,研究、開發(fā)高質量的開關電源就變得十分必要,尤其在節(jié)約能源、節(jié)約 資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關穩(wěn)壓電源具有, 效率高, 輸出功率大, 輸入電壓變化范圍

14、寬, 節(jié) 約能耗等優(yōu)點, 而被廣泛使用在各個行業(yè)和領域中。 開關電源的工作原理就是 通過改變開關器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓, 通 常有三種調制方式 : 脈沖寬度調制 ( P W M 、脈沖頻率調制 ( P F M 和混合調 制。 P W M調制是指開關周期恒定, 通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式, 因為周期恒定, 濾波電路的設計容易,是應用最普遍的調制方式。開關穩(wěn)壓電 源的主回路框圖如圖 1-2 所示, 由隔離變壓器產生一個 1 8 V 的交流, 經過 整流濾波成一個直流, 然后再進行 D C - D C 變換, 有 P W M 的驅動電路, 去控制開關電源管的導通

15、和截止, 而產生出一個穩(wěn)定的電壓源,如圖 1-2。 圖 1-2.1.2.3 開關電源的特點開關電源具有如下特點:(1 效率高。開關電源的功率開關調整管工作在開關狀態(tài),所以調整管的功 耗小,效率高,一般在 80%90%,高的可達 90%以上;(2 重量輕。由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器,節(jié)省了大量的漆包線 和硅鋼片,從而使其重量只有同容量線性電源的 1/5,體積也大大縮小了; (3 穩(wěn)壓范圍寬。 開關電源的交流輸入電壓在 90270 V內變化時, 輸出電壓 的變化在 2%以下。合理設計開關電源電路,還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關 電源的高效率;(4安全可靠。在開關電源中,由于可以方便地設置各種

16、形式的保護電路, 因此當電源負載出現故障時,能自動切斷電源,保障其功能可靠;(5 功耗小。 由于開關電源的工作頻率高, 一般在 20 kHz以上, 因此濾波元 件的數值可以大大減小,從而減小功耗;特別是,由于功率開關管工作在開關 狀態(tài),損耗小,不需要采用大面積散熱器,電源溫升低,周圍元件不致因長期 工作在高溫環(huán)境而損壞,因此采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性。1.3 開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展1.3.1 國際發(fā)展史狀況(1發(fā)展史1955年美國的科學家羅耶 (G .H.Royer 首先研制成功了利用磁芯的飽和來 進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術的各種形式的晶體管 直流變換器不斷地

17、被研制和涌現出來。從而取代了早期采用的壽命短、可靠性 差、轉換效率低的旋轉式和機械振子式換流設備。由于晶體管直流變換器中的 功率晶體管工作在開關狀態(tài),所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數多、極性 可變、效率高、體積小、重量輕,因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設 備上。由于那時的微電子設備及技術十分落后,不能制作耐壓較高、開關速度 較高、功率較大的晶體管,所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入, 并且轉換的速度也能太高。60年代末,由于微電子技術的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現了。從此直 流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸入,不再需要有工頻變壓器了。 從而極大地擴大了它的應用范圍,并且

18、在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的 開關穩(wěn)壓電源。 省掉了工頻變壓器, 又使開關穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小。 開關穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。70年代以后,于這種技術有關的高頻、高反壓的功率晶體管,高頻電容, 開關二極管,開關變壓器鐵心等元器件也不斷地被研制和生產出來,使無工頻 變壓器開關穩(wěn)壓電源得到了飛速發(fā)展,并且被廣泛應用于電子計算機、通信、 航天、彩色電視機等領域中,從而使無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源成為各種電源 中的佼佼者。(2目前正在克服的困難隨著半導體技術和微電子的高速發(fā)展、集成度高、功能強的大規(guī)模集成電 路的不斷出現,使得電子設備的體積在不斷的縮小,重量在不斷的減輕

19、。所有 從事這方面研究和生產的人們對開關穩(wěn)壓電源中的開關變壓器還感到不是十分 理想,他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關變壓器或者 通過別的途徑來取代開關變壓器,使之能夠滿足電子儀器和設備為小型化的需 要。這是從事開關穩(wěn)壓電源研制的科技人員目前正在克服的第一個困難。 開關穩(wěn)壓電源的效率是與開關管的變換速度成正比的,并且開關穩(wěn)壓電源 中由于采用了開關變壓器以后,才能使之有一組輸入得到極性、大小各不相同 得多組輸出。 要進一步提高開關穩(wěn)壓電源的效率, 就必須提高電源的工作頻率。 但是,當頻率提高以后,對整個電路中的元件又有了新的要求。例如,高頻電 容、開關管、開關變壓器、儲能電感等

20、都會出現新的問題。進一步研制適應高 頻率工作的有關電路元器件,是從事開關穩(wěn)壓電源研制的科技人員要解決的問 題。工作在線性狀態(tài)的穩(wěn)壓電源,具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用因而串聯(lián)閑心穩(wěn) 壓電源不產生開關干擾,且波紋電壓輸出較小。但是,在開關穩(wěn)壓電源中的開 關管工作在開關狀態(tài),其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產生較強的尖 峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網,影響鄰近的電子儀器及設備 的正常工作。隨著愛管穩(wěn)壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進,開關穩(wěn)壓電 源的這一缺點得到進一步地克服,可以達到不妨礙一般的電子儀器、設備和家 用電器正常工作的程度。所以,克服開關穩(wěn)壓電源的這一缺點,進一步提高它 的使

21、用范圍,司從事開關穩(wěn)壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。1.3.2 國內發(fā)展情況我國的晶體管直流變換器及開關穩(wěn)壓電源研制工作始于 60年代初期。到 60年代中期進入了實用階段, 70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關穩(wěn)壓 電源。 1974年研制成功了工作頻率為 10kHz 、輸出電壓為 5V 的無工頻降壓變 壓器開關穩(wěn)壓電源。近 10多年來,我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制 出多種型號的工作頻率在 20KHz 左右、輸出在功率在 1000W 一下的無工頻降 壓變氣開關穩(wěn)壓電源,并應用于電子計算機、通信、電視等方面,取得了較好 的效果。工作頻率為 100KHz200KHz的高頻開關穩(wěn)壓

22、電源于 80年代初期就 已開始試制, 90年代初期就已試制成功。目前正走在向實用階段和再進一步提 高工作頻率。許多年來,雖然我國在無工頻將開關穩(wěn)壓電源方面做了巨大的努 力,并取得了可喜的成果,但是,目前我國的開關穩(wěn)壓電源技術與一些先進的 國家相比仍然有角的差距。此外,這些年來,我國雖然把無工頻變壓器開關穩(wěn) 壓電源的工作頻率從數十 KHz 提高到數百 KHz , 把輸出功率由數十瓦提高到數 千瓦,但是,由于我國半導體技術與工藝跟不上時代的發(fā)展,導致我們自己研 制和生產出的無工頻變壓器開關穩(wěn)壓電源中的開關管大部分采用的仍是進口的 晶體管。所以我國的開關穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展,要趕超世界先進水平,最根本

23、 的是要提高我國的半導體技術和工藝。1.4 開關電源的分類現在,電子技術和應用迅速的發(fā)展,對電子儀器和設備的要求是:在性能 上,更加安全可靠;在功能上,不斷地增加;在使用上,自動化程度要越來越 高;在體積上,要日趨小型化。這是采用具有眾多優(yōu)點的開關電源就顯得更加 重要了。所以,開關穩(wěn)壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視機等方面都得 到了越來越廣泛的應用。發(fā)揮了巨大的作用,這大大促進了開關穩(wěn)壓電源的發(fā) 展,從事這方面研究和生產的人員也在不斷的增加,開關穩(wěn)壓電源的品種和類 型也越來越多。常見的開關穩(wěn)壓電源分類方法有下列幾種: (1按激勵方式劃分i 他激式電路中專設激勵信號產生的振蕩器ii 自激式開

24、關管兼作振蕩器中的振蕩管(2按調制方式劃分i. 脈寬調制振蕩頻率保持不變, 通過改變脈沖寬度來改變和調節(jié)輸出電壓的大小。 有時 通過取樣電路、耦合電路等構成反饋閉環(huán)回路,來穩(wěn)定輸出電壓的幅度。 ii. 頻率調整型占空比保持不變,通過改變振蕩器的振蕩頻率來調節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓的幅 度。iii. 混合型通過調節(jié)導通時間的振蕩頻率來完成調節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。 (3按開關管電流的工作方式劃分i. 開關型用開關晶體管把直流變成高頻標準方波。ii. 諧振型開關晶體管與 LC 諧振回路將直流變成標準的正弦方波電路形式是類是與它 激式(4晶體管的類型劃分i. 晶體管型采用晶體管作為開關管ii. 可 控

25、硅 型采用可控硅作為開關管。這種電路的特點是直接輸入交流電不需要一次整 流部分。(5負載的連接方式劃分i. 串聯(lián)型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間 。ii. 并聯(lián)型儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出之間。(6 按 晶 體 管 的 連 接 方 式 劃 分i. 單端式 僅使用一個晶體管作為電路中的開關管。這種電路的特點是價格低、電路 結構簡單,單輸出功率不能提高。ii. 推挽式使用兩個開關晶體管,將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點 是開關變壓器必須具有中心抽頭。iii. 半橋式使用兩個開關晶體管, 將其連接成半橋的形式。 它的特點是適應于輸入電壓 較高的場合。iv. 全橋式使用四個開關晶體管。將其

26、連接成全橋式。它的特點是輸出功率較大。 (7按輸入與輸出電壓的大小劃分i. 升壓式輸 出 電 壓 比 輸 入 電 壓 高 。 實 際 上 就 是 并 聯(lián) 型 開 關 穩(wěn) 壓 電 源 。 ii. 降壓式輸出電壓比輸入電壓低。實際上就是串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源。(8按工作方式劃分i. 可控整流型所謂可控整流型開關穩(wěn)壓電源,是指采用可控硅整流元件作為調整開關, 可由交流市電電網直接供電, 也可采用變壓器變壓后供電。 (這種供電方式在開 關穩(wěn)壓電源剛興起的初期常常采用,目前基本上不太采用。 在工作的半波內, 截去正弦曲線的前一部分,這一部分所占角度稱為截止角,導通的正弦曲線的 后一部分稱為導通角,依靠調節(jié)導

27、通角的大小,可達到天界輸出電壓和穩(wěn)定輸 出電壓的目的。ii. 斬波型斬波型開關穩(wěn)壓電源是指直流供電,輸入直流電壓加到開關電路上,在開 關電路的輸出端得到單向的脈動直流,經過濾波得到與輸入電壓不同的直流輸 出電壓。電路還從輸出電壓取樣,經過比較、放大,控制脈沖發(fā)生電路產生的 脈沖信號, 用以控制調節(jié)開關的導通時間和截止時間的長短或開關的工作頻率, 最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。電路的過壓保護也是依據這一部分所提供的取 樣信號來進行的。iii. 隔離型這種形式的開關電源是在輸入回路與逆變電路之間,經過高頻變壓器(也 可稱為開關變壓器 ,利用磁場的變化實現能量傳遞,沒有電流間的直接流通。 隔離型開關穩(wěn)

28、壓電源采用直流供電,經過開關電路,將直流電變成頻率很高的 交流電,在經過變壓隔離器、變壓(升壓或降壓 ,然后經整流器整流,最后就 可以得到新的、 極性和數值各不相同的多組直流輸出電壓。 電路從輸出點取樣, 經放大器后反饋到開關控制器,控制驅動電路的工作,最后達到穩(wěn)定輸出電壓 的目的。(9按電路結構劃分i. 散件式整個開關穩(wěn)壓電源電路都是采用分立式元器件組成的,它的電路結構較為 復雜,可靠性差。ii. 集成電路式整個開關穩(wěn)壓電源或電路的一部分是由集成電路組成的。 這種集成電路通常 為厚膜電路。有的厚膜集成電路中包括可開關晶體管,有的則不包括開關晶體 管。這種電源的特點是電路結構簡單、調試方便、可

29、靠性高。以上五花八門的開關穩(wěn)壓電源的品種都是站在不同的角度,以開關穩(wěn)壓電 源不同的特點命名的。盡管各種電路的激勵方法、輸出直流電壓的調節(jié)方式。 儲能電感的連接方式、開關管的器件類型以及串并聯(lián)的結構等各不相同,但是 他們最后總可以歸結為串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源這兩大類。1.5 穩(wěn)壓開關電源的發(fā)展趨勢隨著穩(wěn)壓開關電源的發(fā)展,技術日益成熟,發(fā)展的方向也各不相同,但總 的有以下四種方向。(1高頻化理論分析和實踐經驗表明 , 電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與 供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻 50Hz 提高到 20kHz, 提高 400倍的話 , 用電設備的體積重量大

30、體下降至工頻設計的 5 l 0 % 。無論是逆 變式整流焊機 , 還是通訊電源用的開關式整流器 , 都是基于這一原理。同樣 , 傳 統(tǒng) 整流行業(yè) 的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以 根據這一原理進行改造 , 成為 開關變換類電源 , 其主要材料可以節(jié)約 9 0 % 或更高 , 還可節(jié)電 3 0 % 或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高 , 促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化 , 帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約 材料的經濟效益 , 更可體現技術含量的價值。 (2模塊化模塊化有兩方面的含義 , 其一是指功率器件的模塊化 , 其二是指電源單元 的模塊化。我們常見的器件

31、模塊 , 含有一單元、兩單元、六單元直至七單元 , 包 括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 , 實質上都屬于 標準 功率模塊 ( S P M 。 近年 , 有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去 , 構成了 智能化 功率模塊 ( I P M , 不但縮小了整機的體積 , 更方便了整機的設計制 造。 實際上 , 由于頻率的不斷提高 , 致使引線寄生電感、 寄生電容的影響愈加嚴 重 , 對器件造成更大的電應力 ( 表現為過電壓、過電流毛刺 。為了提高系統(tǒng)的 可靠性 , 有些制造商開發(fā)了 用戶專用 功率模塊 (ASPM, 它把一臺整機的幾 乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中 , 這

32、樣的模塊經過嚴格、合 理 的 熱 、 電 、 機 械 方 面 的 設 計 , 達 到 優(yōu) 化 完 美 的 境 地 。 由 此 可 見 , 模 塊 化 的 目 的 不 僅 在 于 使 用 方 便 , 縮 小 整 機 體 積 , 更 重 要 的 是 取 消 傳 統(tǒng) 連 線 , 把 寄 生 參 數 降 到 最 小 , 從 而 把 器 件 承 受 的 電 應 力 降 至 最 低 , 提 高 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 。(3數字化在傳統(tǒng)功率電子技術中 , 控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、 七十年代 , 電力電子技術完全是建立在模擬電 路 基 礎 上 的 。 但 是 , 現 在 數 字 式 信 號

33、 、 數 字 電 路 顯 得 越 來 越 重 要 , 數 字 信 號 處 理 技 術 日 趨 完 善 成 熟 , 顯 示 出 越 來 越 多 的 優(yōu) 點 : 便 于 計 算 機 處 理 控 制 、 避 免 模 擬 信 號 的 畸 變 失 真 、 減 小 雜 散 信 號 的 干 擾 ( 提 高 抗 干 擾 能 力 、 便 于 軟 件 包 調 試 和 遙 感 遙 測 遙 調 , 也 便 于 自 診 斷 、 容 錯 等 技 術 的 植 入 。 所 以 , 在 八 、 九 十 年 代 , 對 于 各 類 電 路 和 系 統(tǒng) 的 設 計 來 說 , 模 擬 技 術 還 是 有 用 的 , 特 別 是 :

34、 諸 如 印 制 版 的 布 圖 、電 磁 兼 容 (EMC 問 題 以 及 功 率 因 數 修 正 (PFC等 問 題 的 解 決 , 離 不 開 模 擬 技 術 的 知 識 , 但 是 對 于 智 能 化 的 開 關 電 源 , 需 要 用 計 算 機 控 制 時 , 數 字 化 技 術 就 離 不 開 了 。 (4綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 : 首先是顯著節(jié)電 , 這意味著發(fā)電容量的節(jié) 約 , 而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因 , 所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 ; 其次這些電源不能 ( 或少 對電網產生污染 , 國際電工委員會 ( I E C 對此制定 了一系列標準 , 如 IEC

35、555、 IEC917、 IECl000等。事實上 , 許多功率電子節(jié)電設 備 , 往往會變成對電網的污染源 : 向電網注入嚴重的高次諧波電流 , 使總功率因 數下降 , 使電網電壓耦合許多毛刺尖峰 , 甚至出現缺角和畸變。 2 0 世紀末 , 各 種有源濾波器和有源補償器的方案誕生 , 有了多種修正功率因數的方法。這些 為 21世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。總而言之 , 開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現 , 將標志著 開關電源技術的成熟 , 實現高效率用電和高品質用電相結合。 這幾年 , 隨著通信 行業(yè)的發(fā)展 , 以開關電源技術為核心的通信用開關電源 , 吸引了國

36、內外一大批 科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨 , 因此 , 同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動 , 并 將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源 正在等待著人們去開發(fā)。1.6 開關電源的技術指標與基本設計要求直流穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類:一類是特性指標,反映直流穩(wěn) 壓電源的固有特性,如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調節(jié)范圍; 另一類是質量指標,反映直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣,包括穩(wěn)定度、等效內阻(輸出 電阻 、紋波電壓及溫度系數等。(1特性指標i .輸出電壓范圍符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下,能夠正常

37、工作的輸出電壓范圍。該指 標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入-輸出電壓差所規(guī)定,而其下限由直流 穩(wěn)壓電源內部的基準電壓值決定。ii .最大輸入-輸出電壓差該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下,所允許的最大輸入-輸 出之間的電壓差值, 其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內部調整晶體管的耐壓指標。 iii. 最小輸入-輸出電壓差該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下,所需的最小輸入-輸出 之間的電壓差值。iv. 輸出負載電流范圍輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍, 在這一電流范圍內, 直流穩(wěn)壓電源 應能保證符合指標規(guī)范所給出的指標。(2質量指標i. 電壓調整率 SV電壓調整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)

38、壓性能的優(yōu)劣的重要指標,又稱為穩(wěn)壓 系數或穩(wěn)定系數, 它表征當輸入電壓 VI 變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 VO 穩(wěn)定 的程度,通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。 電壓調整率公式見圖 2-2-1。ii .電流調整率 SI電流調整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標, 又稱為電流穩(wěn) 定系數。它表征當輸入電壓不變時,直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流(輸出電流 變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力,在規(guī)定的負載電流變化的條件下, 通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流 調整率。iii .紋波抑制比 SR紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的

39、市電電壓的抑制能力, 當直 流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時,紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰-峰 值與輸出紋波電壓峰-峰值之比表示,一般用分貝數表示,但是有時也可以用 百分數表示,或直接用兩者的比值表示。iv .溫度穩(wěn)定性 K集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度 Ti 最大變化范圍內(TminTiTmax 直流輸 出 電 壓 的 相 對 變 化 的 百 分 值 。(3極限指標i .最大輸入電壓 是保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 ii .最大輸出電流 是保證穩(wěn)壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 第二章 開關變換電路2.1 濾波電路輸入濾波電路具有雙向隔離作用,

40、它可抑制從交流電網輸入的干擾信號, 同時也防止開關電源工作時產生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網。圖 2-1所示濾波電路是一種復合式 EMI 濾波器, L1、 L2和 C1構成第一級濾波,共模 電感 L3和電容 C2、 C3進行第二級濾波。圖 2-1輸 入 濾 波 電 路C1用于濾除差模干擾, 選用高頻特性較好的薄膜電容。 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。2.2 反饋電路2.2.1 電流反饋電路電流反饋電路采用電流互感器,通過檢測開關管上的電流

41、作為采樣電流, 原理如圖 2-2所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時值反饋和電流平均值反饋 兩路, R2上的電壓反映電流瞬時值。 開關管上的電流變化會使 UR2變化, UR2接入 UC3842的保護輸入端腳,當 UR2=1V 時, UC3842芯片的輸出脈沖將 關斷。通過調節(jié) R1、 R2的分壓比可改變開關管的限流值,實現電流瞬時值的 逐周期比較,屬于限流式保護。輸出脈沖關斷,實現對電流平均值的保護,屬 于截流式保護。兩種過流保護互為補充,使電源更為安全可靠。采用電流互感 器采樣,使控制電路與主電路隔離,同時與電阻采樣相比降低了功耗,有利于 提高整個電源的效率。 圖 2-2電流反饋電路2.2.2

42、 電壓反饋電路電壓反饋電路如圖 2-3所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 TL431和光電耦合 器反饋到 UC3842的腳,調節(jié) R1、 R2的分壓比可設定和調節(jié)輸出電壓,達 到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓 UO 升高,集成穩(wěn)壓器 TL431的陰極到陽極 的電流增大, 使光電耦合器輸出的三極管電流增大, 即 UC3842腳對地的分流 變大, UC3842的輸出脈寬相應變窄,輸出電壓 UO 減小。同樣如果輸出電壓 UO 減小,可通過反饋調節(jié)使之升高。 圖 2-3電壓反饋電路2.3 電壓保護電路圖 2-4所示為輸出過電壓保護電路。 穩(wěn)壓管 VS 的擊穿, 電壓稍大于輸出電 壓額定值,輸出正常時, VS

43、不導通,晶閘管 V 的門極電壓為零,不導通。當 輸出過壓時, VS 擊穿, V 受觸發(fā)導通,使光電耦合器輸出三極管電流增大,通 過 UC3842控制開關管關斷。 圖 2-4輸出過電壓保護電 第三章 UC38423.1 UC3842簡介繼 MC1394、 AN5900之后, 人們又開發(fā)出功能更完善的它激單端輸出驅動 集成電路。其特點是除內部 PWM 系統(tǒng)外,還設有多路保護輸入和穩(wěn)定的基準 電壓發(fā)生器,同時還具有小電流啟動功能。典型的 UC3842就是其中的代表, 它功能完善,性能可靠,目前廣泛被各種普通電源采用,還被用于有源因數改 善電路和高壓升壓式開關電源中。 UC3842是美國 Unitro

44、de 公司 14生產的一種 高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。UC3842為 8腳雙列直插式封裝, 其內部原理框圖如圖 1所示。 主要由 5.0V 基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、 PWM 鎖存器、高增益 E/A誤差放大器和適用于驅動功率 MOSFET 的大電流推 挽輸出電路等構成。端 1為 COMP 端;端 2為反饋端;端 3為電流測定端;端 4接 Rt 、 Ct 確定鋸齒波頻率;端 5接地;端 6為推挽輸出端,有拉、灌電流的 能力;端 7為集成塊工作電源電壓端,可以工作在 840V ;端 8為內部供外用 的基準電壓 5V ,帶載能力 50mA

45、。3.1.1 UC3842的引腳及其功能 Vcc7VrefRt/CtVfb Comp 653圖 3-1 UC3842的引腳UC3842的引腳如圖 3-1所示 ,其中:腳為內部誤差放大器輸出端,外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和 頻率特性 ;腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端,此腳電壓與誤差放大器同相端的 2.5V 基準電壓進行比較,產生誤差電壓,而控制脈沖寬度;腳為 PWM 比較器的另一輸入端, 當檢測電壓超過 l V時停止脈沖輸出使 電源處于間歇工作狀態(tài);腳為定時電容 CT 端,內部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數決定, f=1.8/(RT C T ;腳為接地端。腳為推挽輸出端 ,內部為圖騰

46、柱式,上升、下降時間僅為 50ns 驅動能 力為 l A;腳為啟動 /工作電壓輸入端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 內 部 5V 基 準 電 壓 輸 出 端 , 有 50mA 的 負 載 能 力 。3.1.2 UC3842的內部結構UC3842為雙列 8腳單端輸出的它激式開關電源驅動集成電路, 其內部電路 包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、 PWM 鎖存電路、 5VC 基準電源、 欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等,見圖 3-2。 圖 3-2UC3842的內部結構(1 5v 的基準電源 :內部電源 , 經衰減得到 2.5v 作為誤差

47、比較器的比較基準 . 該電源還可以提供外部 5v/50mA.(2 振蕩器 :產生波振蕩 .R T 接在 4RET 8腳之間 ,C T 接 4GND5之間 . 頻率 f=1.8/CT R T , 最大為 500kHz.(3 誤差放大器:由 VFB 端輸入的反饋電壓和 2.5V 做比較,誤差電壓 COMP 用于調節(jié)脈沖寬度。 Comp 端引出接外部 RC 網絡 , 以改變增益和頻率特 性 .(4 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。(5 電流取樣比較器: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 VISENSE1V時,關閉輸出脈沖,

48、使開關管關斷。這實 際上是一個過流保護電路。(6 欠壓鎖定電路 VVLO :開通閾值 16V ,關閉閾值 10V 。具有滯回特 性。(7 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, VCC 與 GND 之間的穩(wěn)壓管用于保護,防止器件損壞。3.1.3 UC3842的使用特點UC3842的使用方便簡單,其使用特點如下:(1 采用單端圖騰柱式 PWM 脈沖輸出,輸出驅動電流為 200mA ,峰值可 達 1A 。(2 啟動電壓大于 16 V, 啟動電流僅 1 mA即可進入工作狀態(tài)。 處于正常工 作狀態(tài)時,工作電壓在 1034 V之間,負載電流為 15 mA

49、。超出此限制,開關 電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài),無驅動脈沖輸出。(3 內設 5 V(50 mA基準電壓源,經 2 1分壓后作為取樣基準電壓。(4輸出電流為 200 mA ,峰值為 1 A ,既可驅動雙極型三極管也可驅動 MOSFET 管。若驅動雙極型三極管,應加入開關管截止加速 RC 電路,同時將 內部振蕩器的頻率限制在 40 kHz 以下。若驅動 MOSFET 管,振蕩頻率由外接 RC 電路設定,工作頻率最高可達 500 kHz。(5 內設過流保護輸入 (3腳 和誤差放大輸入 (1腳 兩個 PWM 控制端。 誤差 放大器輸入構成主 PWM 控制系統(tǒng), 可使負載變動在 30%100%時輸出負載調 整率在 8 %以下,負載變動在 70%100%時負載調整率在 3%以下。 (6 過流檢測輸入端可對每個脈沖進行控制, 直接控制每個周期的脈寬, 使 輸出電壓調整率達到 0.01%/V 。如果腳電壓大于 1 V或腳電壓小于 1 V, PWM 比較器輸出高電平使鎖存器復位, 直到下一個脈沖到來時才重新置位。 利 用腳和腳的電平關系,在外電路