基于UC3843的高效升壓電路的設計

1、 1 緒論1.1 課題背景及目的隨著社會的開展，能源的重要性越來越受到大家的重視，由于石油和煤炭等礦物質(zhì)資源的不可再生性，而且隨著人們的開發(fā)力度越來越大，石油和煤炭等礦物質(zhì)資源會逐漸地被人們消耗殆盡，所以我們需要迫切的去開發(fā)新的能源，來維持人類社會的可持續(xù)開展?，F(xiàn)在已經(jīng)為人們所了解使用的可再生能源主要包括太陽能、風能、潮汐能等能源，這些能源的特點是可持續(xù)性，而且非常的潔凈，不會對大氣和水源造成不必要的污染，但是為什么這些能源還沒有被大家廣泛的使用起來呢，我感覺主要是因為這些能源的收集和應用還不是太方便，續(xù)航能力不是太穩(wěn)定，所以需要我們來研究如何才能使這些潔凈的能源變得更加普及，就拿太陽能發(fā)電充

2、電來說吧，我們普通電動車電池的電壓一般是48V，而普通民用的太陽能電池板發(fā)電產(chǎn)生的電壓一般都達不到48V，所以很難采用太陽能直接給電池充電，就算是有的勉強能夠給電池充電，但是由于充電電壓不穩(wěn)定也很容易損失電池的壽命，像風能和潮汐能相對于太陽能來說就更加的不穩(wěn)定，想要加以利用必須找到適宜的方案。而采用本方案設計的高效的升壓電路就可以有效地解決這個難題，只要太陽能電池板提供一個12V- 60V之間的電壓，我們就可以采用本方案設計的升壓電路使其電壓升到14V-80V。所以我才想到收集關于斬波升壓電路和UC3843的相關知識，盡快做出高效的DC-DC升壓電路，來滿足人們迫切的需求。直流斬波電路實際上采

3、用的就是PWM技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的開展，近年來已開展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點，該課題是基于UC3843集成電路，所以設計采用UC3843集成電路產(chǎn)生占空比可變的方波信號，以到達場效應管開通或關斷時間變化的目的。1.2 國內(nèi)外研究的狀況 直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值，其根本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預定電壓值脈沖整流獲

4、得高壓直流電，因此直流升壓電路屬于DC/DC電路的一種類型。集成電路是在微電子學的根底上，將晶體管等有源元件和電阻、電容等無源元件，按照一定電路“集成在一起，完成特定的電路或功能的系統(tǒng)。集成電路技術(shù)包括半導體材料及器件物理，集成電路及系統(tǒng)的設計原理和技術(shù)，芯片加工工藝、功能和特性測試技術(shù)等。集成電路按功能可分為：數(shù)字集成電路、模擬集成電路、微波集成電路及其他集成電路，其中，數(shù)字集成電路是近年來應用最廣、開展最快的集成電路品種 集成電路的開展是在應用需求的根底上，依托一系列的創(chuàng)新開展起來的。它的開展一直遵循摩爾定律，即在集成電路的單個芯片上集成的元件數(shù)，即集成電路的集成度，每18個月增加一倍即集

5、成度每三年翻兩番特征尺寸縮小1.414倍，而且集成電路芯片的需求量也以相同的速度增加，在集成電路性能提高的同時價格下降。我國集成電路的起步并不晚。在世界上于1958年誕生第一塊半導體集成電路之后僅7年，1965年我國己生產(chǎn)了第一塊集成電路，但在之后30年間開展緩慢，與世界興旺國家和地區(qū)的差距越拉越遠。我國集成電路的開展分為三個階段：起步階段。50年代中后期到六十年代中期是我國集成電路產(chǎn)業(yè)的起步階段。1966年硅雙極IC和1968年MOSIC在工廠實現(xiàn)批量生產(chǎn)，標志著我國集成電路產(chǎn)業(yè)真正起步開展起來了。調(diào)整階段。六十年代末到七十年代中期是我國集成電路產(chǎn)業(yè)開展的調(diào)整時期。這一時期主要通過三次LSI

6、會戰(zhàn)，推動了一批技術(shù)成果的涌現(xiàn)。開展形成階段。80年代以后，我國集成電路產(chǎn)業(yè)進入了開展形成階段。這一階段，通過“六五、“七五、“八五等一系列科技攻關工程的實施，我國集成電路產(chǎn)業(yè)取得了長足的開展。 目前，我國已建和在建的8英寸、12英寸集成電路生產(chǎn)線有17條，成為全球新的集成電路代工基地。集成電路設計公司從最初的幾十家增至400多家，特別是VIMICRO，HUAWEI，ZHONGXIN，中芯國際、宏力半導體、華虹NEC和蘇州的和艦等一批大型集成電路制造企業(yè)的投產(chǎn)，增強了我國集成電路產(chǎn)業(yè)的整體實力。在地區(qū)布局上，我國集成電路產(chǎn)業(yè)形成了四大重鎮(zhèn)：以上海為龍頭的長三角地區(qū)，產(chǎn)業(yè)鏈最完整、產(chǎn)業(yè)集聚度最高

7、。以北京、天津為核心的環(huán)渤海區(qū)，具有研發(fā)、人才優(yōu)勢。以廣州、深圳為中心的珠三角，是我國最大的信息產(chǎn)品制造和出口基地，依托巨大的市場需求，開始進軍集成電路產(chǎn)業(yè)。以成都、西安為中心城市的中西部地區(qū)，人力、電力、水資源豐富，并擁有傳統(tǒng)的電子工業(yè)根底1。1.3 課題研究方法本課題需要利用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路分析根底、protel工具軟件等設計一個DC-DC的升壓電路模塊，該模塊采用UC3843集成電路和LM358運算放大器，通過PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來驅(qū)動85N10管子的開關頻率來實現(xiàn)升壓穩(wěn)壓的目的。首先要在網(wǎng)上或者圖書館查閱相關資料，弄懂本課題的要求，熟悉斬波升壓電路的工作原理，然后制定

8、簡單易行的電路設計方案，寫出詳細工作原理，計算出參數(shù)，畫出電路原理圖，完成元器件及參數(shù)選擇，PCB文件生成與打印輸出。到實驗室進行裝配調(diào)試，能夠發(fā)現(xiàn)問題并能及時解決問題，根據(jù)設計過程寫出詳細的畢業(yè)設計報告。 本論文主要介紹基于UC3843高效的DC-DC升壓電路的電路原理及設計方案，包括主要芯片的功能及單元電路的設計，在方案及電路原理圖正確的根底上畫出PCB圖，借助公司實驗室做出實物，然后進行裝配與調(diào)試，主要研究UC3843為主要芯片的斬波升壓電路，還研究了從總體電路的設計到具體單元電路和元器件的選擇及參數(shù)的計算，最后把DC-DC升壓模塊裝配調(diào)試成功2。2 電路的原理及其應用假設L和C值很大，

9、IGBT V 處于導通狀態(tài)時，電源E向電感L充電，電流恒定，電容C向負載R供電，輸出電壓恒定3。IGBT V 處于斷開時，電源E和電感L一起向電容C充電，并向負載提供電能。首先假設電感L的值很大，電容C的值也很大。當V-G 驅(qū)動電路與IGBT連接處端口名 為高電平時IGBTV導通，24V電源向L充電，充電根本恒定為4V電源向L充電，充電根本恒定為,此時電容C上的電壓向負載R供電，因C值很大，可以保持輸出電壓為恒值，記為。設V處于導通狀態(tài)的時間為，此階段電感L上積儲的能量為。當V處于關斷狀態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于導通態(tài)狀態(tài)的時間為，那么在此時間內(nèi)電感釋放的能量為。

10、當電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)時，一個周期T的時間內(nèi)，電感積儲的電能與釋放的電能相等，即 1.1化簡得 1.2 上式中的，輸出電壓那么高于電源電壓。式1-1中 為升壓比，調(diào)節(jié)的大小，即可改變輸出電壓的大小。設IGBT通態(tài)的時間為，此階段L上積存的能量為：設IGBT斷態(tài)的時間為，那么此段時間內(nèi)電感L釋放能量為：穩(wěn)態(tài)時，一個周期時間內(nèi)中L積存的能量與釋放的能量相等： 1.3，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。升壓比;升壓比的倒數(shù)記為，即 。又因為+ 1。所以： E E 1.4電壓升高得原因：電感L儲能使電壓泵升的作用，電容可將輸出電壓保持住。2.2 升壓斬波電路的典型應用圖2.2 升壓斬波電路的典型應

11、用通常用于直流電動機再生制動時把能量回饋給直流電源 實際電感值不可能為無窮大，因此有電動機電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種，工作狀態(tài)電機反電動勢相當于圖2.2中的電源，此時直流電源相當于圖2.2中的負載。由于直流電源的電壓根本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器4?；凇胺侄尉€性的思想進行解析IGBT V 處于通態(tài)時，設電動機電樞電流為i1，得下式 2.1式中R為電機電樞回路電阻與線路電阻之和。設i1的初值為I10，解上式得 2.2當IGBT V 處于斷態(tài)時，設電動機電樞電流為i2，得下式： 2.3設i2的初值為I20，解上式得： 2.4用于直流電動機回饋能量的升壓斬波電路波形，如圖2.3和圖2.4所示。 圖2

12、.3 電流連續(xù)升壓斬波電路波形 圖2.4 電流斷續(xù)升壓斬波電路波形當電流連續(xù)時，從圖2.4的電流波形可看出，t ton時刻i1 I20，t toff時刻i2 I10，由此可得： 2.5 2.6 把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得 2.7 該式表示了L為無窮大時電樞電流的平均值Io，即 2.8 對電流斷續(xù)工作狀態(tài)的進一步分析可得出：電流連續(xù)的條件為 2.9 根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。3方案設計3.1 升壓直流變換器電路總設計概述市場上銷售的很多升壓模塊的電壓可調(diào)范圍都比擬小，而且功率不夠高，在轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生很大的功率損耗，本方案方案在根本斬波升壓電路中增加可控制的集成電路，增大輸入和輸

13、出電壓的范圍，提升模塊的整體功率，并且有效的降低電路上的損耗；本方案的核心是UC3843芯片，主要思想是采用電壓反應和電流反應給UC3843集成電路，使其來輸出脈沖占空比可變的方波，從而使升壓斬波電路升壓并輸出可調(diào)的脈沖電壓Uo。把輸出電壓Uo通過降壓后得到的信號Uco反應給A/D轉(zhuǎn)換電路，再通過比擬器判斷電壓是否過壓，過壓那么UC3843輸出恒高電平，MOSFET關斷,因此整個系統(tǒng)構(gòu)成一個可調(diào)的直流升壓斬波電路，并且到達過壓保護的目的。本設計主要由:電源電路、控制電路、驅(qū)動電路、斬波電路和保護電路組成5。本方案的亮點在與兩個可調(diào)的電位器，通過電流電位器可以控制運算放大器輸出電流信號的大小，通

14、過電壓電位器可以控制放大器輸出電壓范圍的大小，由于本方案的電壓最高輸入電壓是60V超過了UC3843和LM358的承受范圍，所以特別設計了一個穩(wěn)壓電源為電路供電。整體系統(tǒng)框架原理圖如下：該方案中LM358運算放大器采集電路中電壓和電流的信號，并將它們放大后反應給UC3843集成電路,通過集成電路UC3843產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波信號，之后將該方波信號送到驅(qū)動電路。UC384圖3.2 UC3843引腳圖觀察引腳圖可以發(fā)現(xiàn)COMP是補償端VBF反應端，將取樣電壓加至誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準電壓進行比擬，輸出誤差控制電壓。ISENSE腳接過流檢測電阻,組成過流保護電路。RT/RC為

15、鋸齒波振蕩器的定時電阻和電容的公共端，VCCOUT是輸出端，GND是接地端；內(nèi)部基準電壓為VREF 5V。輸入電壓Vi30V，輸出端電壓Vo取決于高頻變壓器的變壓比。UC3843可用作開關的電源的核心元件，它產(chǎn)生脈寬可調(diào)而頻率固定的脈沖輸出，推動開關功率管的導通和截止，通過高頻變壓器換能將電壓輸出到次級繞組上，再經(jīng)整流和濾波向負載提供直流電源，電源兼反應繞組取得的控制電壓同時輸入UC3843的誤差放大器，與基準電壓比擬產(chǎn)生控制電壓，控制輸出脈寬的占空比，從而到達穩(wěn)壓升壓的目的。 運算放大器是一種直流耦合，差動模式輸入、通常為單端輸出的高增益電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，

16、因而得名。一個理想的運算放大器必須具備以下特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的局部、無限大的頻寬。最根本的運算放大器如圖3.3，一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端、一個負輸入端和一個輸出端，運算放大器除具有+、-輸入端和輸出端外，還有+、-電源供電端、外接補償電路端、調(diào)零端、相位補償端、公共接地端及其他附加端等。它的閉環(huán)放大倍數(shù)取決于外接反應電阻，這給使用帶來很大方便7。圖3.3 雙運算放大器結(jié)構(gòu)圖由于本方案中要采集兩種不同的信號，分別是電壓信號和電流信號，所以本設計采用的是是LM358雙運算放大器，因為它是由兩個獨立的高增益運算放大器組成，可

17、以是單電源，也可以是雙電源，電源的電流消耗與電源電壓的大小無關。在本方案中電路中的電流信號通過LM358的正向輸入端，被LM358放大后反應給UC3843芯片的電流采樣段，然后UC3843根據(jù)反應端接收到的信號，輸出一定占空比的方波來控制場效應管SUP85N10的通斷，來實現(xiàn)穩(wěn)壓升壓的目的。結(jié)合集成電路UC3843和運算放大器LM358的3.4。從以下圖分析可以看出運算放大器處理從電路中采集來的電壓和電流信號后，經(jīng)過處理放大后反應到UC3843的電壓反應端和電流反應端，經(jīng)過UC3843分析處理后調(diào)制出驅(qū)動電路所需要的占空比的方波。圖3.4 控制電路電路圖以下圖3.5給出了電力MOSFET一種驅(qū)

18、動電路，它包括電氣隔離和晶體管放大電路兩局部。當無輸入信號時高速放大器輸出負電平，Q2導通輸出負驅(qū)動電壓，從而場效應管關斷，當有輸入信號時放大器輸出正電平，Q1導通輸出正驅(qū)動電壓，從而場效應管導通8。圖3.5 驅(qū)動電路電路圖 功率場效應晶體管VF又稱VMOS場效應管。在實際應用中，它有著比晶體管和MOS場效應管更好的特性。即是在大功率范圍應用的場效應晶體管，它也稱作功率MOSFET，其優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面；1. 具有較高的開關速度；2. 具有較寬的平安工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱點，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此適合進行并聯(lián)使用；3. 具有較高的可靠性；4.具有較強的過載能力。短時過載能力通常額定值的

19、4倍；5. 具有較高的開啟電壓，即是閾值電壓，可達26V 一般在1.5V5V之間。當環(huán)境噪聲較高時，可以選 用閾值電壓較高的管子，以提高抗干擾能力；反之，當噪聲較低時，選用閾值電壓較低的管子，以降低所需的輸入驅(qū)動信號電壓。給電路設計帶來了極大地方便；6. 由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此其驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路要求較低；由于這些明顯的優(yōu)點；功率場效應晶體管在電機調(diào)速，開關電源等各種領域應用的非常廣泛。圖3.6 功率管等效電路圖本方案中由于最大電壓是80V最大電流是10A，SUP85N10這一型號來作為本方案的功率場效應晶體管。3.4 斬波電路本設計為直流升壓斬波boost ch

20、opper電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。原理圖如以下圖3.6所示9。圖3.7 斬波電路原理圖原理分析：首先假設電感L值很大，電容C值也很大。當V-G為高電平時，場效應管導通，電源向L2充電，充電根本恒定為,同時電容C8和C9上的電壓向負載R供電，因C值很大，根本保持輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積儲的能量為。當V處于態(tài)時E和L共同向電容C充電，并向負載R提供能量。設V處于段態(tài)的時間為，那么在此期間電感L釋放的能量為。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積儲的能量于釋放的能量相等，等量關系在第2章工作原理中已經(jīng)計算10。4整體電路設計和供電電路設計 由于在本方案中采用

21、的UC3843PWM電流型控制器的工作電壓范圍在7.3V-30V之間，LM358運算放大器的工作電壓也在8.5-30V之間，而本方案的最高輸入電壓卻高達60V，4-1 供電電路原理圖上述的供電電路圖大致工作流程是，輸入端接入正常的直流電源，范圍在12-60V之間，通過保險絲的電流不能超過15A，否那么保險絲會熔斷，起到了簡單的過流保護作用；在本電路中TL431DB提供一個2.5V的參考電壓，與不同的輸入電壓相互比擬后通過調(diào)整管的調(diào)整作用，使電壓穩(wěn)定在11V為電路中的UC3843和LM258供電。一般只要LED指示燈LED亮起，就表示供電電路工作正常。根據(jù)原理框圖和設計要求，查閱了相關資料后設計

22、出了DC-DC升壓電路的系統(tǒng)電路圖，電路圖如圖4-2所示4.2 系統(tǒng)總體電路圖DC-DC升壓電路最根本的原理是斬波升壓電路BOOSTLM358運算放大器內(nèi)部包含兩個獨立的高增益運算放大器，所以可以分別處理采集來的電壓信號和電流信號，經(jīng)過運算放大器的信號放大作用后通過輸出端，反應給UC3843集成電路，電壓信號通過VFB端輸入，電流通過ISENSE輸入；然后通過UC3843內(nèi)部電路的比擬把方波調(diào)制成所需要占空比的脈沖方波，通過控制場效應管的通斷來獲取所需要的電壓10。由于接入電路的電流雖然是直流電，但是還是存在一定的紋波，在本方案中，接入的電流要首先通過一個大的濾波電容，經(jīng)過濾波電容的濾波作用獲

23、得一個低紋波的電源，但是電壓還不能直接接在控制電路上，要經(jīng)過電源電路的調(diào)整后，使其穩(wěn)定輸出一個+11V的電壓為控制電路供電，在電路中D3的作用是用來續(xù)流，我們從前面了解到，由于驅(qū)動電動中的場效應晶體管有開通有關斷的時候，所以需要在其關斷的時候需要一個反接的MBR20210，使電路保持導通。電路中設置了兩個電位器分別是I-ADJ和V-ADJ，通過旋動I-ADJ可以控制輸入UC3843電流信號的強弱，從而控制輸入電流的大?。恍齽覸-ADJ可以控制輸入UC3843電壓信號的強弱，從而控制輸出電壓的大小。保險絲的最大承受電流時15A，可以有效的起到過流保護的作用，而電壓流電位器的調(diào)節(jié)可以有效地起到過壓

24、保護的效果。 5裝配及調(diào)試根據(jù)原理圖制作PCB圖，確認無誤后打印PCB圖，然后用在公司雙面班加工機床覆銅板通過熱轉(zhuǎn)印，腐蝕，打孔后做成PCB版，接著把的元器件和貼片焊接上，完成實物的制作，基于UC3843高效的DC-DC升壓電路的PCB圖如圖4.1所示12。圖5.1 升壓電路PCB圖首先準備一臺12-60V可調(diào)的直流電源接在該升壓模塊的輸入端，還要準備一臺電子負載接在該模塊的輸出端。步驟一為該升壓模塊裝上保險絲后接上直流電源，設置直流電源電壓為12V，這是該模塊工作的最低電壓，然后接上負載，設置負載到橫流CC模式，橫流電流為0.8A;然后按下輸出鍵，發(fā)現(xiàn)輸出電壓顯示為37.8V，此時直流電源顯

25、示輸出電流為2.83A，經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率到達88.9%，此時順時針旋動電流電位器，發(fā)現(xiàn)輸出電流持續(xù)增加，輸出電壓持續(xù)增加因為設置的負載是恒流模式，但是當電流增壓到47.9V后，選轉(zhuǎn)電流電位器的時候電壓不在變化。步驟二此時調(diào)整電源輸出電壓到32V，順時針旋轉(zhuǎn)電壓電位器，輸出電壓表現(xiàn)為連續(xù)可調(diào)，最高可以到達80V，完全實現(xiàn)了本次設計的目的和要求。在裝配調(diào)試的過程中出現(xiàn)了很多問題 ，首先是出現(xiàn)了虛焊的問題，導致電路時通時斷，在連接好所有的電路通電后，發(fā)現(xiàn)電壓非但沒有提升，反而降到了11.85V，經(jīng)過仔細測試發(fā)現(xiàn)，有一點焊點是虛焊，并沒有連到電路上還有就是很多項選擇件的選型工作，由于場效應管的發(fā)

26、熱量很大，剛開始只配了一塊鋁板讓其散熱，但是在實際應用中發(fā)現(xiàn)，鋁板的散熱性能不好，在大功率工作狀態(tài)下，很容易導致工作電路過熱，最后在孔老師的建議下，選用8500作為接線端口，用大功率的散熱器連接在場效應管下面來散熱?？偨Y(jié)本次畢業(yè)設計雖然順利完成了，滿足了設計的要求，可以滿足一般的測試需求，但還存在著一些缺乏之出。能夠順利完成該畢業(yè)設計，令我覺得受益匪淺，也是大學期間收獲最大的一次實踐。身為電氣工程及其自動化專業(yè)的學生，設計是我們必備的技能。畢業(yè)設計恰恰給我提供了一個應用自己所學知識去勇于創(chuàng)新和實踐的舞臺。可以說，該畢業(yè)設計是針對以前所學的知識進行的一次綜合性的檢驗。畢業(yè)設計雖然很累，但卻是苦中

27、有樂，讓人很充實。在設計過程中，正確的思路是極其重要的，只有你的設計思路是正確的，設計才有可能成功。因此我們在設計前必須做好充分的準備，認真查找詳細的資料，為我們設計的成功打下堅實的根底。畢業(yè)設計不僅讓我培養(yǎng)了嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，更讓我領悟到很多人生的真諦。相信畢業(yè)設計過后，我的理論水平和實踐動手能力都會有一個質(zhì)的飛躍，也為今后的工作和學習做了鋪墊。致謝 一段時間的畢業(yè)設計，使我有了很多的心得體會，可以說這次基于UC3843高效的DC-DC直流升壓電路的課程設計是在大家共同努力和在老師的精心指導下共同完成的。通過這次設計加深了我對這門課程的了解，以前總是覺得理論結(jié)合不了實際，但通過這次設計使我認識到了理論結(jié)合實際的重要性。但由于我知識的限制，設計還有很