新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究_圖文

1、第40卷第4期河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Vol.40No.4 2010年7月Journal of Henan University(Natural ScienceJ ul.2010新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究陳富軍1,衡耀付1,季鋼2(1.黃淮學(xué)院電子科學(xué)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(duì)小功率開關(guān)電源所普遍存在的問題,實(shí)現(xiàn)了一種新型小功率高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì).電路中的輸入回路EMI濾波器設(shè)計(jì),有效解決了電網(wǎng)諧波問題以及電源本身對(duì)電網(wǎng)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(guān)MOSFET管,并通過電壓

2、反饋和電流反饋雙環(huán)控制功能,實(shí)現(xiàn)了占空比的精確調(diào)節(jié),提高了轉(zhuǎn)換速率,降低了導(dǎo)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(yùn)放PJ324CD芯片以及三端可調(diào)穩(wěn)壓管TL431,使得輸出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí),輸出電壓基本保持穩(wěn)定.關(guān)鍵詞:EMI濾波器;電流式PWM控制器;UC3842;電磁兼容性中圖分類號(hào):TN86文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(dāng)前,對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新主要側(cè)重于對(duì)電路設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高開關(guān)器件的頻率,降低其導(dǎo)通損耗,減小電源本身的體積1.但是,目前專用于開關(guān)電源的元器件的集成度相對(duì)于其它數(shù)字設(shè)備來說較低,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試麻煩,因此性價(jià)比低;另外,開關(guān)高頻化所帶來的電磁輻射及泄漏也會(huì)干擾其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行.開關(guān)電源作為各種小型電子設(shè)備中的重要組成部分,其電壓輸出是否穩(wěn)定會(huì)直接影響設(shè)備的性能和使用壽命,其體積也直接影響到整個(gè)電子設(shè)備的大小2.本文研究了一種新型小功率高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,它有效解決了以下問題:1輸入電網(wǎng)諧波和開關(guān)高頻噪聲對(duì)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(guān)導(dǎo)通損耗對(duì)開關(guān)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(xiàng)目:河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(092102210305作者簡(jiǎn)介:陳富軍(1982-,男,河南太康人,講師,碩士.主要從事電子技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用方面的研究.358河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2010年,第40卷第4期1優(yōu)化設(shè)計(jì)思路本研究主要是針對(duì)小功率高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),所以選擇推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).控制電路部分以電流式PWM 控制器芯片UC3842為核心進(jìn)行設(shè)計(jì),通過采樣、反饋來改變開關(guān)占空比使輸出電壓保持相對(duì)穩(wěn)定,并利用線性光耦PC817

9、、三端穩(wěn)壓器TL431與PJ 324CD 進(jìn)行配合來提高電源電壓的瞬態(tài)響應(yīng)速度和精度.逆變輸出部分通過對(duì)變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減小變壓器的漏感和損耗,提高轉(zhuǎn)換效率.為提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性,在輸入輸出回路設(shè)計(jì)了EMl 濾波器和RC 緩沖回路,并擇優(yōu)選取了高速開關(guān)大功率MOSFET 管(D G 24N60及高速恢復(fù)輸出整流二極管(B YQ28E 2200,降低了開關(guān)電源的EMl 干擾.圖1新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理框圖Fig.1Optimitation block diagram of the newswitching power supply該電源設(shè)計(jì)及優(yōu)化可分為兩部分:一為主電路設(shè)計(jì),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(shè)計(jì),包括開關(guān)管的占空比調(diào)節(jié)、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)及相應(yīng)的保護(hù)電路.主要設(shè)計(jì)原理如圖1所示.對(duì)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(wǎng)諧波,且能防止電源本身所產(chǎn)生的高頻噪聲影響電網(wǎng)3.整流濾波部分把輸入的交流電整流為脈動(dòng)的直流電,為后級(jí)的變換做準(zhǔn)備.逆變電路由開關(guān)整流管以及高頻變壓器模塊組成,它把整流后的脈動(dòng)直流電逆變?yōu)楦哳l交流電,這是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高頻化的關(guān)鍵.開關(guān)電源頻率越高,其體積、重量越小,效率也會(huì)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(jìn)行的取樣,通過

11、與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變部分的控制,進(jìn)而改變開關(guān)管的輸出占空比,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出.另外,根據(jù)取樣和檢測(cè)電路,通過控制電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的各種保護(hù).2U C3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)該電源整機(jī)設(shè)計(jì)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(diǎn),且開關(guān)器件的頻率可調(diào)4.另外,該集成芯片工作穩(wěn)定可靠,具有輸入端過壓保護(hù)、欠壓鎖定以及輸出端過流保護(hù)功能,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示. 圖2UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2The map of US3842internal structure由UC3

12、842內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知,其內(nèi)部主要由誤差放大器、過流檢測(cè)比較器、PWM 鎖存器、5V 基準(zhǔn)電壓源、內(nèi)部振蕩器、輸入欠壓鎖定電路及門電路輸出級(jí)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(yīng)首先考慮不易產(chǎn)生、傳導(dǎo)及輻射噪聲并具有高性價(jià)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(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究359 3新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工作原理3.1新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,新型高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示. 圖3新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)原理圖Fig.3Opt

13、imal design schematic of the new switching power supply在設(shè)計(jì)原理圖中,場(chǎng)效應(yīng)管V T1選用的是高速開關(guān)大功率MOSFET管D G24N60,其開關(guān)頻率可達(dá)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(duì)其柵極的沖擊,在柵極并接齊納二極管D7實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極的保護(hù),同時(shí)在D7旁并接一電阻R14實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)V T1漏極的沖擊,通過C3、R4組成一個(gè)RC回路進(jìn)行緩沖.在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí),為防止因寄生電感、電容而產(chǎn)生自激振蕩,應(yīng)盡可能縮短、加粗與場(chǎng)效應(yīng)管V T1各電極相連的導(dǎo)線.由

14、于對(duì)于任何電源都應(yīng)滿足電磁兼容性要求,即電源本身對(duì)外產(chǎn)生的電磁干擾要盡可能地小,同時(shí)又要具有良好的抗干擾能力.而開關(guān)電源在工作過程中,其功率開關(guān)管始終在進(jìn)行高頻的開關(guān)轉(zhuǎn)換,致使產(chǎn)生高頻噪聲并向空間輻射電磁波,從而形成傳導(dǎo)干擾6.通常,傳導(dǎo)干擾中的差模干擾信號(hào)所造成的干擾小,而共模信號(hào)幅度大、頻率高,很容易通過導(dǎo)線產(chǎn)生輻射并形成較大的干擾.要對(duì)傳導(dǎo)干擾進(jìn)行有效抑制并將其控制在有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍以內(nèi),設(shè)計(jì)中通過在輸入回路中加入EM I濾波器實(shí)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(shí)現(xiàn)開關(guān)電源對(duì)干擾的由內(nèi)向外及由外向內(nèi)的雙向抑制.其中,電容CX

15、1實(shí)現(xiàn)對(duì)傳導(dǎo)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(duì)差模電流所產(chǎn)生的磁通方向相反,故差模干擾信號(hào)對(duì)電路不會(huì)產(chǎn)生影響,而對(duì)于共模干擾信號(hào),大電感則會(huì)呈現(xiàn)高阻抗,對(duì)共模干擾會(huì)起到抑制作用.因此在電路設(shè)計(jì)中通過兩級(jí)電感級(jí)聯(lián)來衰減干擾和獲得良好頻率特性.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理優(yōu)化設(shè)計(jì)后的新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的原理圖如圖3所示.該開關(guān)穩(wěn)壓電源可輸入120260V的交流電,經(jīng)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(yùn)放PJ324CD(U3為核心的采樣反饋電路在對(duì)

16、電源輸出端進(jìn)行采樣后,通過光耦PC817反饋給PWM控制器芯片UC3842,由UC3842實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管V T1的控制,提高了電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度和精度,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出.以下從4個(gè)部分闡述電路的工作過程:1電源電路的啟動(dòng).電源加電后,由啟動(dòng)電阻R12對(duì)電容C1充電,當(dāng)其電壓值上升至UC3842的啟動(dòng)電壓值時(shí),芯片開始工作并向開關(guān)管V T1提供驅(qū)動(dòng)電流,其信號(hào)形式為高低脈沖.在高電壓脈沖期間,V T1導(dǎo)通,電流通過變壓器TR1原邊儲(chǔ)存能量,此時(shí)變壓器各副邊無輸出;在高電壓脈沖結(jié)束時(shí),V T1隨之截止,由楞次定律可知,由于變壓器V T1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),因此變壓器各副邊回路導(dǎo)通,開始向外提供能量.同時(shí),

17、反饋繞組向UC3842供電,隨著UC3842的啟動(dòng),啟動(dòng)電阻R12的工作也就結(jié)束.2電源開關(guān)脈沖的生成.由UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,其內(nèi)部的振蕩器與R13和C6共同配合來產(chǎn)生振蕩360河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2010年,第40卷第4期信號(hào),其作為UC3842內(nèi)部PWM鎖存器和門電路輸出級(jí)的置位脈沖,以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率管V T1的驅(qū)動(dòng).在V T1導(dǎo)通時(shí),R10上的壓降會(huì)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(nèi)部比較器的另一輸入端比較,當(dāng)達(dá)到一定值時(shí),電流取樣比較器將會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)并使鎖存器復(fù)位,進(jìn)而使V T1截止.所以,功率開關(guān)管V T1的導(dǎo)通和截止將使變壓器TR1副邊

18、逆變輸出為開關(guān)電壓.3占空比的調(diào)節(jié).變壓器TR1的輸出通過TL431、集成運(yùn)放PJ324CD以及線性光耦PC817反饋至控制芯片UC3842的2腳.當(dāng)輸出繞組電壓升高時(shí),則TL431的參考電壓亦會(huì)上升,由集成運(yùn)放PJ324CD比較放大后,光耦PC817的反饋輸入電流也會(huì)增大,其輸出電流也相應(yīng)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(hào)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(shí),控制電路部分將會(huì)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(duì)穩(wěn)定.4電路的保護(hù).過壓保護(hù)電路主要有Q1和Q2所組成,當(dāng)反饋繞組電壓

19、升高時(shí),穩(wěn)壓管Q1、Q2會(huì)先后導(dǎo)通,Q2導(dǎo)通后將加大開關(guān)管V T1的導(dǎo)通程度,從而起到過壓保護(hù)作用.此外,輸入端保險(xiǎn)絲F1的短路保護(hù)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(jī)制作與性能測(cè)試樣機(jī)整機(jī)加工關(guān)鍵流程如下:PCB制版貼片元件焊接插件分立元件焊接補(bǔ)焊洗板初步質(zhì)檢性能綜合測(cè)試.在輸入電壓為120260V變化范圍內(nèi),開關(guān)頻率為70KHz時(shí),樣機(jī)各項(xiàng)性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.表1高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源性能測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1Performance test data of the high2f requency switching power supply初級(jí)負(fù)載電流/

20、mA 空載加載初級(jí)負(fù)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