基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计毕业设计论文1

毕业论文 1 1 引言 电源，即提供电能的设备，主要分三类：一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。 高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。 国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调 整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。 2 开关电源概述 开关电源的分类 开关型稳压电源的电路结构 一般分类如下 ： （ 1）按驱动方式分，有 自激式和他激式 。 （ 2）按 C 变换器的工作方式分： 单端正 激 式和反 激 式、推挽式、半桥式、全桥式等； 降压型、升压型和升降压型等。 （ 3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。 毕业论文 2 （ 4）按控制方式分： 脉冲宽度调制 (； 脉冲频率调制 (； 开关电源的控制原理 开关电源是指电路中的电 力电子器件工作在开关状态的稳压电源，是一种高频电源变换电路 ,采用直 直变换 ,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。 开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图 中 是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（ 测输出电压变化，与基准电压 差电压经过放大及脉宽调制（ 路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的 。 图 一种电路实现形式。 图 开关电源的基本构成 图 开关型稳压电源的原理电路 开关电源 的优点 开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点： 毕业论文 3 (1)功耗小，效率高。功率晶体管在激励信号的激励下，交替工作在饱和导通与截止的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几百 就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到 80%以上。 (2)体积小，重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后，又省去较大的散热片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。 (3)稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比 或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。 (4)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在 50线性稳压电源的频率的 1000倍，这 使整流后的滤波效率几乎也提高了 1000倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的 1 500一 1 1000。 (5)电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。 3 开关电源常见的变换器 换器 脉冲宽度调制（ 英文 “的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来 对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载毕业论文 4 荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（ 一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (要么完全无 (电 压或电流源是以一种通 (断 (重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 其工作原理如图 多数负载 (无论是电感性负载还是电容性负载 )需要的调制频率高于 10通常调制频率为 1 200 需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑 1改变为逻辑 0或将逻辑 0改变为逻辑 1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是 且这也是在某些时候将 模拟信号转向 接收端，通过适当的 C 变换器 多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。 毕业论文 5 种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图 图 电路结构图 电路工作过程如下：当 在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管 以二极管 变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当 止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使 输出电容 时负载 流过。 图 4 基于 单端反激式开关稳压电源的设计 简介 工作原理 设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集毕业论文 6 成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率 他的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。 这些器件可提供 8脚双列直插塑料封装和 14脚塑料表面贴装封装（ 如图 单独的电源和接地管脚。 图 图 业论文 7 图 各管脚功能简介如下： （ 1） 8脚双列直插塑料封装的器件： 1脚 输出补偿，内部误差放大器的输出，并可用于环路补偿。 2脚 电压反馈，此脚是内部误差放大器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 3脚 电流取样，在外围电路中，在功率开关管 (如 的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入 3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1效地保护了功率开关管。 4脚 T，通过将电阻 振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达 500 5脚 接地，为控制电路和电源的公共地。 6脚 输出端，该输出直接驱动功率 达 峰值电流经此管脚拉和灌。 7脚 制集成电路的 正电源。 毕业论文 8 8脚 准电压的参考输出，它通过电阻 T 提供充电电流，可输出精确的 +5V 基准电压，电流可达 50 （ 2） 14脚塑料表面贴装封装的器件： 1脚 输出补偿，内部误差放大器的输出，并可用于环路补偿。 3脚 电压反馈，此脚是内部误差放大器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 5脚 电流取样，在外围电路中，在功率开关管 (如 的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入 5脚，控制脉宽。此外，当电 源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1效地保护了功率开关管。 7脚 T，通过将电阻 振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达 500 8脚 电源地，一个连回到电源的分离电源地返回端，用于减少控制电路中开关瞬态噪声的影响。 9脚 接地，控制电路的返回端，并被连回到电源地。 10脚 输出端，该输出直接驱动功率 达 11脚 出高态（ 加到此管脚的电压设定。通过分离的电源连接，可以减小开关瞬态噪声对控制电路的影响。 12脚 制集成电路的正电源。 14脚 准电压的参考输出，它通过电阻 输出精确的 +5V 基准电压，电流可达 50 2脚 ,4脚 ,6 脚 ,13脚 空脚，内部没有连接。 工作描述 毕业论文 9 专门设计用于离线和直流 直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供适应最少外部元件的高性能价格比的解决方案。代表性方框图如图 示： 图 （一）振荡器 振荡器频率由定时元件 容 参考电压通过电阻 至约 有一个内部的电流宿放电至 荡器内产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生一个数量可控的输出静区时间。 要注意的是尽管许多的 只有一种组合可以得到在给定频率下的特定输出静区时间。振荡器门限是温度补偿的，放电电流在 5摄氏度时被 微调并确保在 10%之内，这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。结果显示在图 毕业论文 10 图 振荡器放电电流与温度关系曲线 图 最大输出占空比与定时电阻关系曲线 在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定在外部系统时钟上。这可通过将时钟信号加到图 了可靠的锁定，振荡器自振频率应设为比时钟频率低 10%左右。图 过修整时钟波形，可以实现准确输出占空比箝位。 毕业论文 11 图 外部时钟同步 图 外部占空比箝位和多器件同步 （二）误差放大器 提供一个有可访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反相输入监视。最大输入偏置电流为 将引出输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。 毕业论文 12 图 锁定关断 误差放大器输出（管脚 1）用于外部回路补偿（图 输出电压因两个二极管压降而失调（ 在连接至电流取样比较器的反相输入之前被三分。这将在管脚 1处于其最低状态 时（ 保证在输出（管脚 10）不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载被取消时，或者在软启动过程的开始（图 最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流（ 到达比较器的 +800 图 软启动电路 毕业论文 13 图 带有软启动的箝位电平可调节缓冲降低 （三）电流取样比较器和脉宽调制锁存器 出开关导通由振荡器起始，当 峰值电感电流到达误差放大器输出 /补偿（管脚 1）建立的门限电平时中止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器 有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关 电压由电流取样输入（管脚 3）监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚 1上的电压控制，其中： V(3电源输出过载或者如果输出电压取样丢 失时，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将被内部箝位至 此最大峰值开关电流为： s 当设计一个大功率开关稳压器时为了保持 节此电压的简单方法如图 用了两个外部二极管来毕业论文 14 补偿内部二极管，以便在温度范围内有固定箝位电压。如果 位电压降低过多将导致由于噪声拾取而产生的不误操作。 图 箝位电平可调节降低 图 电流波形尖脉冲抑制 通常在电流波形的前沿可以 观察到一个窄尖脉冲，当输出负载较轻时，它可能会引起电源不稳定。这个尖脉冲的产生是由于电源变压器匝间电容和输出整流管恢复时间造成的。在电流取样输入端增加一个 它的时间常数接近尖脉冲的持续时间，通常将消除不稳定性（参见图 毕业论文 15 （四） 欠压锁定 采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端（ 参考输出（ 由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止在通过它们各自的门限时产生错误输出动作。 6V/10V。 （五） 输出 这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率 能提供高达 0降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌模式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。 c（输出电压）和电源地提供了分离的管脚，恰当地应用可以显著地减小加到控制电路的开关瞬态噪声。这在降低 位电平时特别有用。分离的 在 于 20常在该输入端连接一个齐纳箝位。 （六） 参考电压 j=25时调整误差至： 它首要的目的是为振荡器定时电容提供充电电流。参看部分具有短路保护功能并能向附加控制电路供电提供超过 20 主电路的设计 本 设计 以 核心控制部件，设计一款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 附录图 1所示 。 毕业论文 16 启动电路 如 附录图 1 所示 ， 交流电由 A+行低通滤波，组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声； 而 为 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 有 很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经 电解电容 波后变成 400电压经 2充电，当 脚 6输出推动开关管工作。随着 启动， 下的任务交给反馈绕组 反馈绕组 于输入电压超过了 了避免意外，用 压管限定 则将出现 短路过流、过压、欠压保护电路 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。如附录图 1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， 端的电压上升， 脚 3 上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值 0 3V 达到 1V(即电流超过 1 5A)时， 较器输出高电平，使存器复位，关闭输出。这时， 脚 6 无输出， 止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压 (在 265V 以上 )， 节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高， 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， 电压也下降，当下降 常值是 3 4V)以下时， 闭输出。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。 反馈电路 反馈电路采用精密稳压源 用 通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图 示，13B,精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和 输出电压升高时，取样电压 定电压毕业论文 17 大于基准电压 (基准电压为 2 5V)，使 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，也使输出电压 后 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 脚 1 的补偿输入电流随之变化，促使片内对 变 占空比，达到稳压的目的。 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 滤除此噪声干扰。 （ 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 入 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。 （ 3） 采用快速恢复二极管 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。 主要器件的选择及其功能 部有三极分别为：阴极（ 阳极（ 参考端（ 其 芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。 其具体功能可用图 图可看出， 一个内部的 在运放的反相输入端。由运放 特性可知，只有当 的电压十分接近极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 电压的微小变化，通过三极管，电流将从 1到 100 毕业论文 18 +在开关电源设计中，一般输出经过 控分流基准）反馈并将误差放大，处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的 制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。 个比较常用 的光电耦合 器 ,内部结构如图 中脚 1为阳极，脚 2为阴极，脚 3为发射极，脚 4为集电极。 在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管， 对输出进行精确的调整 ，从而控制 时 1234图 场效应管 实验中运用的是 具有几个明显的优点：工作频率高达200而可进一步减小开关电源的体积和重量；同时它还具有工作速度快、毕业论文 19 功率大、耐压高、增益 高，几乎不存在存储时间，没有热击穿等优点。当功率 源极间电压降与漏极电流成正比。也就是说，功率 此它实际上 像 电阻一样起作用。 高频变压器 不需要像脉冲变压器那样不失真地传递原边的脉冲波形，其主要作用是电压变换、功率传送、实现输入与输出之间的隔离。 就是占空比控制方式，通常是在固定开关频率的条件下，直接改变主功率开关管的导通时间宽度。通过取样、比较放大、驱动电路控制开关周期的占空比 ，把电网输入整流滤波后的直流高压变成了高频交变开关脉冲并传递到副边，再经二次整流滤波输出客户所需要的特定直流电压和电流值。 变压器完成的功能有 3 个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。此外，变压器还提供其它重要的功能： 通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压； 增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压； 为了安全，要求离线供电或高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。 5 制作电路板 印刷电路板（ 乎会出现在每一种电子设备当中。如 果在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的 了固定各种小零件外， 主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂，需要的零件越来越多， 板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线（ 称布线，并用来提供 制 作电路板的基本流程：利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表（元件清单表如附录表 1所示）；画出自己定义的非标准器件的封装库；设置 括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数，电路毕业论文 20 版的边框等；布置零件封装的位置，也称零件布局，并布线；放置覆铜区；做 板型大小： 走线间距约束： 走线拐角模式： 45o；布线工作层：顶层、底层；过孔类型：通孔、焊盘大小： 孔直径： 走线宽度 :最小 大 5佳 其它设置系统默认状态。 图 覆铜图 图 效果图 毕业论文 21 结 论 端输出，可直接驱动晶体管和 有管脚数量少、外围电路简 单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，在 100W 以下的开关电源中有很好的应用前景。 本文利用集成芯片 压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。该稳压电源是目前实用和理想的稳压电源，具有很大的发展前景。 5340/220+ 毕业论文 22 参 考 文 献 1 孙树朴，郑征等 徐州：中国矿业大学出版社 周志敏，周纪海 技术设计与应用 民邮电出版社 3 杨 旭，裴云庆，王兆安 北京：机械工业出版社 日 原田耕介 主编 译 北京：机械工业出版社 刘泉海，陈因等