小功率開關電源課程設計報告

《電力電子技術》課程設計報告題目：小功率開關電源的設計華中科技大學課程設計目的課程設計題目描述與要求開關電源的根本工作原理與電路結(jié)構(gòu)1開關電源的概述1.1開關電源的工作原理以及組成………………51.2開關電源的特點……………72開關器件…………82.1開關器件的特征2.2MOSFET2.3電力二極管3PWM開關電源的根本原理………9第4章具體設計1主電路設計1.1輸入電路……………………101.2整流濾波電路………………112控制電路設計UC3842的引腳排列及內(nèi)部框圖…………132.3基于UC3842的控制電路…………………143總體電路設計3.1總體電路框圖…3.2整體電路設計說明…………153.3總體電路設計圖第6章課程設計總結(jié)參考文獻課程設計目的電源和驅(qū)動是電力電子技術的兩大主要應用領域。課程設計的主要任務是設計和實現(xiàn)一個直流電動機的脈寬調(diào)速〔直流PWM〕驅(qū)動電源及控制用小功率開關電源。其目的是通過對實際電力電子裝置的設計、制作和調(diào)試，深化和拓展課程所學知識，提高工程實踐能力。本次課程設計的安排旨在提升學生的動手能力，加強大家對專業(yè)理論知識的理解和實際運用，通過團隊成員之間的密切配合，加強團員的合作協(xié)調(diào)能力。通過本次課程的歷練，加強大家的自學能力，為大家做畢業(yè)設計做很好的鋪墊。課程設計題目描述與要求1開關電源是利用現(xiàn)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。根據(jù)電壓等級要求，設計主電路及控制電路，實現(xiàn)電路及設備的保護，選定所需的電氣元件，并對系統(tǒng)進行制作、焊接并調(diào)試。最后提交設計說明書和一份完整的開關電源原理圖。針對這個需求，本設計要求利用PWM控制芯片UC3842，設計一個小功率開關電源，具體指標如下：輸入交流電壓變動范圍：AC65～265V；輸入頻率：50/60Hz；輸出電壓：穩(wěn)定的DC36V；輸出電流：≤2A；控制電路形式為它激式，采用UC3842為PWM控制電路。電源開關頻率的選擇決定了變換器的特性。開關頻率越高，變壓器、電感器的體積越小，電路的動態(tài)響應也越好。但隨著頻率的提高，諸如開關損耗、門極驅(qū)動損耗、輸出整流管的損耗會越來越突出，而且頻率越高，對磁性材料的選擇和參數(shù)設計的要求會越苛刻。另外高頻下線路的寄生參數(shù)對線路的影響程度難以預料，整個電路的穩(wěn)定性、運行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會比擬困難。在本電源中，選定工作頻率為43kHz[9]。開關電源的根本工作原理與電路結(jié)構(gòu)1開關電源的概述1.1開關電源的工作原理以及組成開關電源主要是進行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率轉(zhuǎn)換的裝置，通過對主變換回路以及控制回路的控制完成一系列的變換。主變換回路將輸入的交流電轉(zhuǎn)換后傳遞給了負載，所以它決定了開關電源電路的結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換要求以及負載能力等一系列的技術指標；而控制回路是按照輸入，輸出技術指標的要求來進行檢測，控制主變換回路的工作狀態(tài)。本設計開關電源控制集成電路主要包括電源電路、濾波整流電路、升壓斬波電路以及UC3842控制芯片構(gòu)成的控制電路。由于此為小功率開關電源，故電路設計不包括各種反應電路以及各種保護功能電路。在開關點的變換過程中，用高頻變壓器隔離稱為離線式開關變換器，常用AC/DC變換器就是離線式開關變換器。開關電源的工作原理框圖如圖2.1所示。圖2.1開關電源電路框圖開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關電源的工作原理可以用圖2.2進行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關S加至輸出端，S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調(diào)整管，假設使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。圖2.2開關電源的工作原理上圖中，a圖為電路圖，b圖為波形圖。為方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比方下：公式(2.1)上式中，T表示開關S的開關重復周期；Ton表示開關S在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關系：Uo=Ui公式〔2.2〕由式(2.1)和式(2.2)可以看出，假設開關周期T一定，改變開關S的導通時間Ton，即可改變脈沖占空比D，從而到達調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變Ton來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比擬容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此PWM式開關電源用得較多。假設保持Ton不變，利用改變開關頻率f=1/T實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓Uo穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制(PFM)。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變Ton，又改變T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。1.2開關電源的特點開關電源具有如下特點：(1)開關器件節(jié)能〔效率一般可達85%以上〕。開關電源的功率開關調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗比擬小，但是效率較高，一般在80%～90%，高的甚至可達90%以上；(2)體積小、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，從而使其重量大大減輕，只有同容量線性電源的1/5，體積也在很大程度上縮小了；(3)穩(wěn)壓范圍寬。開關電源的交流輸入電壓在90~270V內(nèi)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〕平安可靠，具有各種保護功能。在開關電源中，由于可以方便地設置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現(xiàn)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20KHz以上，因此濾波元件的數(shù)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)下，因此損耗小，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。2開關器件2.1開關器件的特征同處理信息的電子器件相比，開關電源的電子器件具有以下特征：(1)能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力是開關器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠大于處理信息的電子器件。(2)開關器件一般都工作在開關狀態(tài)，導通時(通態(tài))阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。(3)開關器件的動態(tài)特性也是很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替實際開關。(4)電路中的開關器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是開關器件的驅(qū)動電路。(5)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致開關器件溫度過高而損壞，不僅在開關器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時，器件上有一定的通態(tài)壓降；形成通態(tài)損耗阻斷時，開關器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過；形成斷態(tài)損耗時，在開關器件開通或關斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗。對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成開關器件發(fā)熱的原因之一。2.2MOSFET開關電源中的功率開關器件是影響電源可靠性的關鍵器件。在開關電源中，用作開大的平安工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關速度。MOSFET在大功率開關電源中用作開關，比雙極性功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢。所有類型的有源功率因數(shù)矯正器都是為驅(qū)動功率MOSFET而設計的。MOSFET功率管的特點1〕MOSFET是電壓控制型器件因此在驅(qū)動大電流時無需推動級，電路較簡單2〕輸入阻抗高，可達108Ω以上；3〕工作頻率范圍寬，開關速度快〔開關時間為幾十納秒到幾百秒〕、開關損耗?。?〕有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且MOSFET的輸入電容比雙極型的輸入電容小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，5〕功率MOSFET可以多個并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。2.3電力二極管可分為普通二極管，快恢復二極管，肖特基二極管三種。(1)普通二極管(GeneralPurposeDiode)普通二極管又稱為整流二極管(RectifierDiode)，多用于開關頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以到達很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。(2)快恢復二極管(FRD)快恢復二極管是恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短的二極管，簡稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改良的PiN結(jié)構(gòu)。采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的快恢復外延二極管(FastRecoveryEpitaxialDiodes，F(xiàn)RED)，其反向恢復時間更短(可低于50ns)，正向壓降也很低(0.9V左右)，但其反向耐壓多在400V以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級，前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者那么在100ns以下，有的甚至到達20~30ns。(3)肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為根底的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點很多，主要是：反向恢復時間很短(10~40ns)，正向恢復過程中不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；其開關損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的缺乏之處是：當反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。3PWM開關電源的根本原理在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中加在功率晶體管上的伏-安乘積總是很小的：在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流小。功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波〞——即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓?？刂破鞯闹饕康氖潜３州敵鲭妷悍€(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線形調(diào)節(jié)器相同。具體設計1主電路設計1.1輸入電路線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。作用：把輸入電網(wǎng)交流電源轉(zhuǎn)化為符合要求的開關電源直流輸入電源。①線性濾波電路抑制諧波和噪聲。②浪涌濾波電路抑制來自電網(wǎng)的浪涌電流。③整流電路：把交流變?yōu)橹绷?。有電容輸入型、扼流圈輸入型兩種，開關電源多數(shù)為前者。如圖4該濾波器有兩個輸入端，兩個輸出端和一個接地端，制作使用時外殼使用金屬屏蔽并接地，電路包括共模電感L、濾波電容器C1~C4。L對串模干擾不起作用，但當出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng)過偶合后總電感量迅速增大，因此共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過。C3、C4跨接在輸出端，經(jīng)電容分壓后接地，能有效的抑制共模干擾。1.2整流濾波電路從電源噪省濾波器經(jīng)過噪聲濾波輸出后的電壓從整流濾波器〔圖5〕輸入，經(jīng)過D1~D4進行橋式全波整流送往R1和C5組成的r型濾波電路進行濾波，得到+300V的非穩(wěn)壓的直流輸出。采用橋式全波不可控整流，可省去笨重的輸入變壓器，使設計重量可大大減輕，輸出也得到近似平滑的良好直流電壓，轉(zhuǎn)換效率相對較高。3〕輸出變換電路——Boost升壓電路注意：不能開路—必須有一定負載〔因為容易燒壞開關管—涉及控制問題〕通過變化電路使輸出電壓為穩(wěn)定的直流電壓?？紤]此本錢問題，本次課程設計須將全控器件IGBT換成相應的全控器件MOSFET2控制電路設計主要由UC3842新型集成開關電源芯片進行開關電源控制電路的設計，市電輸入采用無工頻變壓器設計，開關管的觸發(fā)調(diào)整信號采用高頻40KHZ的PWM〔脈寬調(diào)制信號〕，到達額定輸出為36V，2A的高精度穩(wěn)壓輸出，電源輕便，簡潔明快。2.1UC3842的性能特點：1〕它屬于電流型單端PWM調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡單、安裝調(diào)試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點。能通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適于構(gòu)成無工頻變壓器的20~50W小功率開關電源。2〕最高開關頻率為500kHZ，頻率穩(wěn)定度達0.2%。電源效率高，輸出電流大，能直接驅(qū)動雙極型功率晶體管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。3〕內(nèi)部有高穩(wěn)定度的基準電壓源，典型值為5.0V，允許有±0.1V的偏差。溫度系數(shù)為0.2mV/℃。4〕穩(wěn)壓性能好。電壓調(diào)整率可達0.01%/V，能同第二代線性集成穩(wěn)壓器〔例如LM317〕相媲美。啟動電流小于1mA，正常工作電流為15mA。5〕除具有輸入端過壓保護與輸出端過流保護之外，還設有欠壓鎖定電路，使工作穩(wěn)定、可靠。6〕最高輸入電壓=30V，輸出最大峰值電流=1A，平均電流為0.2A，本身最大功耗=1W，最大輸出功率=50W。2.2UC3842的引腳排列及內(nèi)部框圖1腳為內(nèi)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；2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基準電壓進行比擬，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度；3腳為PWM比擬器的另一輸入端，當檢測電壓超過lV時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)；4腳為定時電容CT端，內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；5腳為接地端；6腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns驅(qū)動能力為±lA；7腳為啟動/工作電壓輸入端腳是直流電源供電端，具有欠壓、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；8腳為內(nèi)部5V基準電壓輸出端，有50mA的負載能力。2.3基于UC3842的控制電路3總體電路設計3.1總體電路框圖3.2整體電路設計說明本設計利用UC3842組成的PWM脈沖控制驅(qū)動電路，輸出＋5V和＋12V兩個直流電源。電路分為三個模塊，整流濾波電路，為UC3842提供啟動電壓；UC3842組成的PWM脈沖控制電路，驅(qū)動MOSFET管為變壓器線圈提供脈沖；一個輸出斬波電路，使輸出電壓為穩(wěn)定的36V。如總電路圖所示：輸入220V〔變動范圍在85V——265V左右〕交流電，經(jīng)過C1、L、C2進行低通濾波后的交流電壓經(jīng)D1、D2、D3、D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3l0V的脈沖直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻R18分壓給UC3842提供啟動電壓，當電壓到達16V時到達芯片的啟動電壓，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，UC3842的啟動電壓大于16V，啟動電流僅1mA即可進入工作狀態(tài)。當電路啟動運行后，UC3842的啟動電壓由R7分壓,再經(jīng)二極管整流后，得到的直流電壓提供，此時第一模塊的啟動電路不再提供啟動電壓。電壓接入UC3842的7〔vcc〕管腳，UC3842啟開工作，由6端〔output〕輸出推動開關管工作，輸出信號為上下電壓脈沖。如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關管的漏極電流將大幅度上升，R6兩端的電壓上升，其中R19和C8組成濾波電路防止脈沖尖峰使電路誤操作，UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值0.3V到達1V(即電流超過1.5A)時，UC3842的PWM比擬器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關閉輸出。這時，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而保護了電路。當輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓>2.5V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦控制端電流增大，UC3842的反應端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，到達穩(wěn)壓目的。3.3總體電路設計圖在我們將總體電路圖以及各類器件選擇完畢，并進行參數(shù)計算后，便開始在印質(zhì)電路班板上開始焊接。待到焊接完畢后，再進行電路的調(diào)試。調(diào)試的地方主要有：1〕經(jīng)過隔離變壓器后到整流電路前的波形及電壓大??；2〕整流電路過后電容端的波形以及電壓大??；3〕斬波電路前以及輸出端的電壓波形與大小。這三處調(diào)試中的參考值為：整流前波形為正弦波，大小在18V左右；整流后在電容器前一處即二極管串聯(lián)端為V〔18V&0.9〕左右，且是僅有上半周的正弦波；整流后在電容器兩端為21V〔18V&1.2〕左右，是接近一條直線的直流電的；斬波輸出電壓為36V大小，為穩(wěn)定的直流電。課程設計總結(jié)本設計借助以PWM集成電路UC3842為核心設計了一種高頻率單端反激式開關電源，其硬件設計主要包括濾波電路、整流電路、控制電路、功率轉(zhuǎn)換電路、輸出斬波電路的設計。并且在硬件設計過程中涉及到相關參數(shù)的計算。在設計過程中，我及同組伙伴翻閱了大量有關開關電源以及UC3842控制芯片的資料，在借鑒了他們的成熟經(jīng)驗根底上，通過精心設計，以UC3842〔是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器〕為控制電路主局部，在此根底上設計了一個輸出電壓為穩(wěn)定的36V直流電。分析可知，假設由于某種原因使輸出電壓升高時，UC3842就會改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而到達穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動MOS管、IGBT等，適