电力电子课程设计-一种开关稳压电源的设计.doc

电力电子课程设计 开关稳压电源的设计一种开关稳压电源的设计目录1引言-1 1.1 稳压电源的发展-1 1.2 开关稳压电源的优缺点-2 1.2.1 优点-2 1.2.2 缺点-2 1.3 开关稳压电源设计中所面临的问题-2 1.4设计基本背景要求-3 1.5设计的主要技术指标-32 开关稳压电源的基本工作原理-43 主电路设计-4 3.1 电源变压器的设计-4 3.2 整流滤波电路的设计-6 3.3 emi电路设计-64 控制电路设计-6 4.1 电流型脉宽控制芯片uc3842介绍-7 4.1.1 uc3842的基本工作原理-7 4.1.2 uc3842的优点-7 4.1.3 uc3842的引脚图及功能表-8 4.2 功率开关管的选择-9 4.3功率开关管驱动电路设计-9 4.4 保护电路设计-10 4.5控制电路的工作过程-10 附录-11 附录a 5v/7a开关稳压电源的电路图-11 附录b 元器件参数表-12 附录c 总结-13参考文献-14 引言1.1 稳压电源的发展 在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流电源可分为两大类，一类是化学电源，如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源；其优点是体积小、重量轻、携带方便等，缺点是成本高，易污染。另一类是稳压电源，它是把交流电网220v的电压降为所需要的数值，然后通过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压，这是现实生活中应用比较广泛的一类。 早在19世纪研制电灯时人们就曾考虑过稳压问题。20世纪初，出现了早期的稳压技术文献。限于当时的技术水平，研究的只是铁磁交流稳压，并未形成完整的稳压技术体系。电子管问世不久即被用于稳压技术，设计出电子管直流稳压器，进而将电子器件与铁磁元件结合构成电子控制磁饱和交流稳压器。至50年代，稳压成为一门独立的应用技术。晶体管的出现，很快被应用于稳压技术。成为直流集成稳压器件。1955年美国的科学家罗那(g.h.royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代中期开发的应用简便的三端稳压器件(如7800系列和7900系列)标志着集成稳压技术的成熟。以上的稳压电源基本都属于耗能型。其技术原理是用稳压管或铁磁共振恒压变压器等非线性器件并辅以必要的电路实现对输出电压的自动调整，线路成熟， 理论比较完善。但仍然存在体积大、效率低等固有缺陷。 70年代后期，随着新型高效电力电子器件的不断涌现、电力变换技术和控制理论的飞速发展以及微处理器技术的日新月异，源源不断地为稳压电源的发展注入着新的生机和活力，它的另一分支开关稳压电源获得了更为迅猛地发展。其原理在于控制开关器件的导通时间来达到稳定输出电压的目的。80年代以后，由于与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，因此使无工频变压器开关稳压电源被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等各种领域，从而使这种稳压电源成为各种电源中的佼佼者。并不断向高频化、集成化、高效化等方面发展。1.2 开关稳压电源的优缺点1.2.1优点 (1)功耗小，效率高。由于开关型器件在激励信号的激励下，交替的工作在导通截止和截止导通的开关状态，可以做到几百或者近1000hz，使得开关型器件的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达80%左右。 (2)体积小，质量小。由于开关稳压电源没有采用笨重的工频变压器，开关型器件上的功率耗散大幅度降低后，又省去了散热片。因此，使开关稳压电源实现了体积小、质量小。 (3)稳压范围宽。其输出电压是由激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，因此，在工频电网电压变化较大时，能够保证稳定的输出电压。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种，所以实现稳压的方法也较多，便于设计。 (4)滤波效率大大提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。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的1/5001/1000。 (5)电路形式灵活多样。主要有自激式和它激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等，便于设计者自主发挥，设计出满足不同应用场合的开关稳压电源。1.2.2 缺点 开关稳压电源存在着较为严重的开关干扰 。在开关型器件的开关过程中产生的交流电压或电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整机的正常工作。由于开关稳压电源振荡器没用工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰而无法正常工作。 此外，由于我国的微电子技术、阻容器件生产技术等技术与先进国家之间有一定的差距，因而开关稳压电源的造价不能降低，从而影响了其可靠性的进一步提高，因此在电子仪器及机电一体化仪器中，应用并不广泛。另外，由于其电路结构复杂，致使制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。1.3 开关稳压电源设计中所面临的问题 随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。 开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。 工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。1.4 设计的基本背景要求 直流稳压电源作为直流能量的提供者，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响到电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的日益发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去一个不太复杂的电子线路变成今天具有较强功能的模块。由于开关稳压电源本身消耗的能量极低，电源效率可达80%左右，比串联调整式线性稳压电源提高近一倍，选用带高频变压器的单端或双端输出式脉宽调制器，可省掉体积笨重、损耗大的工频电源变压器，制成功率从几十瓦到几千瓦的开关电源。而且此类电源的控制芯片具有种类齐全、功能强大的显著优点，并使外围电路设计简单化，从而降低成本，可靠性却大大提高。考虑到此种电源的应用领域（其主要应用于小功率自动化仪表等设备的直流供电），我所要设计是一种以电流型脉宽调制控制器uc3842为核心组成的单端反激式开关稳压电源。 1.5 设计的主要技术指标(1) 交流输入电压220v20(2) 直流输出电压5v(3) 输出电流7a(4) 输出电压调整率1(5) 纹波电压u050mv2 开关稳压电源的基本工作原理 该电源的结构框图如图1所示 emi 滤波电路整流滤波电路输出整流滤波uc3842反馈电路ln+5v/7aagnd变压器控制电路图1 稳压电源的结构框图 220v交流电压经过emi滤波后，得到直流电压输入到单相整流电路，emi电路的作用是防止电源本身的电磁干扰脉冲通过传导或辐射方式干扰公共线路上的其他设备,同时也防止公共线路上的电磁脉冲干扰电源本身的工作,这部分电路在开关电源中的设计是不容忽视的。输入的交流电压经整流后得到脉动直流电流，再由滤波电容滤波后获得小脉动直流电压。uc3842从主电路获得启动电压，从而进行控制，即输出一定宽度的脉冲信号驱动开关功率管的导通和截止，以实现脉宽调制功能。最后通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。 3 主电路设计 我所设计的主电路如图2所示图2 开关稳压电源主电路电路图 具体设计过程如下所述3.1 电源变压器的设计 当电网电压在 220v20范围内变化时，对应于176264v，经全波整流后的直流输入电压为vimin240v，vimax360v。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e170v。线圈漏感造成的尖峰电压vl100v，因为vimin+e+vimax360v，故开关功率管应承受630v以上的高压。 脉冲信号最大占空比： 计算初级线圈的电感量l10： 设满载时峰值电流为ip，在进行短路保护时的过载电流为is，则有： 所以初级线圈储存的电能为： (1)确定初级线圈的匝数n1 在初级线圈的安匝数n1is与储存的电能w之间存在如下关系： 所以有： 实取n1=90匝。(2)确定自馈线圈匝数n2，次级线圈匝数n3 实取n2=11匝。 次级线圈n3的回路中选用肖特基二极管d80-004，vf0.4v,v0=5v,故 鉴于输出电流可达7a，线圈的铜阻与输出引线电阻上会形成压降，为避免输出电压跌落，应适当提升v0的值，所以取n3=4匝,输出功率p0=57=35w,为留有一定的裕度,应选择额定功率为40w的变压器作为此开关电源的电源变压器。(3)自馈线圈、次级线圈中整流管的选择 由于用uc3842构成的开关电源属于单端反激变换器式。其工作频率尽管可达500 khz，但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将f0设计在几十千赫以下。使用vmos管时，f0=40 khz，用双极型开关功率管时，f0=20 khz为宜，当电路起振后,uc3842的第4脚幅度约为1.5 v，周期为25s的锯齿波。反向恢复时间trr愈小，高频开关性能越好。肖特基二极管(sbd)的trr =400ns，快恢复二极管(srd)的trr=35ns，超快恢复二极管(srd)的trr=35ns(4)自馈线圈回路中二极管的选择 自馈线圈回路中可选fr309型快恢复二极管，其耐压值为1000 v。额定整流电流为3a。次级线圈回路宜选用肖特基势垒二极管，它属于高频、大电流、低功耗器件，其正向导通压降仅0.4 v左右，还不到快恢复二极管vf值的一半。d80-004型肖特基势垒二极管的主要参数是：平均整流电流i0=15 a，最大正向压降vf =0.4 v，反向恢复时间tv 10 ns，反向峰值电压vr =40 v。3.2整流滤波电路的设计 整流器的功能是将输入的交流电压变为脉动的直流电压。整流器是由四只整流二极管构成。对于单相半波整流电路，具有如电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、变压器利用效率低、输出电流脉动大，一般只用在小容量负载，且对波形要求不高的场合。对于单相全波整流电路，虽然相对半波整流输出电压波动减小，功率因数大大提高，但变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重。虽然三相整流电路有利于电网的三相平衡，且输出电压的脉动比单相小，但由于三相整流电路均应用在大容量负载（一般超过4kw以上）的场合因此本次设计我选择单相桥式整流电路来实现该电源的整流功能可以有较高的性价比。在整流器的输出端并联上容量很大的电容c1即构成小功率直流稳压电源常用的电容滤波电路,利用该储能元件(在本电路中c1)的充放电,使输出电压平滑。 设u2为整流的输入交流电压，则vd管的最大整流电流if必须大于实际流过二极管的平均电流id vd管的最大反向工作电压ud必须大于二极管实际所承受的最大反向峰值电压udm 其中：rl为整流滤波电路的负载电阻，它为滤波电路的电容c提供放电通路，放电时间常数rc应满足 其中：t = 20ms是50hz交流电压的周期。应选择in4001型(1a/1000v)整流二级管，适当选取电容以实现滤波。3.3 emi电路设计由于开关稳压电源的输出纹波（开关噪声）大带来了emi问题，幅射emi的频率范围在30mhz1000mhz之间，而开关稳压电源的的工作频率一般在50khz1mhz,虽然开关频率不高，但开关稳压电源处理电流电压信号强度使得其emi问题十分严重，由于其纹波产生是必然的，但仍可以通过设计emi滤波电路和合理选择元器件进行抑制。可见，emi滤波电路的设计是必备的。其电路是采用互感滤波电路，主要是为了实现零纹波条件，串联快速熔断器是为了防止交流侧电流过冲，以实现短路保护。并电容是防止电压过冲。4 控制电路设计 开关电源的控制电路可以分为电压控制和电流控制,前者是一个中闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线性调整率精度，后者是一个电压、电流双闭环控制系统，变换器的幅频特性由双极点变成中极点，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。uc3842是近年来新问市的一种电流型脉宽调制器。它的输出频率即为振荡频率，最大占空比可达100%。其主要优点是电压调整率可达0.01%/v，能与线形集成稳压器相媲美，工作频率高(最高500 khz)，启动电流小(小于1 ma )，外围元件少，成本低廉，可靠性高，且利用高频变压器实现与电网隔离。适宜于制作供自动化仪表使用的20 80 w的小功率开关电源。4.1 电流型脉宽控制芯片uc3842介绍4.1.1 uc3842的基本工作原理 uc3842每部电路包含误差放大器、pwm比较器、pwm锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。其内部结构图如图3所示。uc3842的内部基准电路产生+5v基准电压作为其自身的内部电源，允许有0.1v的偏差。温度系数为0.2mv/摄氏度。+5v经衰减得2.5v电压作为误差放大器基准，并可作为5v/500ma的电源输出。振荡器产生防波振荡信号，振荡器频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻rt和4脚与地之间的电容共同决定了振荡器的振荡频率，f=1.8/(rtct)。反馈电压由2脚接误差放大器反向端。1脚外接rc网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性。 uc3842采用图腾柱输出电路，能够提供大电流输出，输出电流可达1a，可直接对双极型晶体管和mosfet进行驱动。启动电流小于1ma,正常工作电流为15ma。带锁定的pwm，可以进行逐个脉冲的电流限制。uc3842还具有内部可调整的参考电源，可以进行欠压锁定。 图3 uc3842的内部结构图4.1.2 uc3842的优点(1)电压调整率(抗电压波动能力)很好 用这种型号的调制器很容易达到0.01%/v的调整率。其原因是点压vs波动立即反应在电感电流的变化。不像其他方案要经过输出电压v0反馈到误差放大器的调节的复杂过程。所以响应快。如果波动是持续的，电压反馈环也起作用，所以可以达到较高的线性调整率精度。(2)负载调整率改善明显 因为误差放大器e/a可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化，负载调整率好。一般调制器在轻载时输出电压v0会有一定升高，而这种调制器可以明显改善这一缺陷。(3)误差放大器e/a补偿电路(1、2端间rc)简化，频响特性好，稳定裕度大。(4)过流限制特性好能精密的灵敏的限制输出最大电流，高频变压器功耗，mosfet的功耗都可以减小，因此，对整个开关电源体积、成本、性能都有良好的影响。(5)过压保护和欠压锁定功能当工作电压vcc大于34v时，稳压管稳压，使内部电路在小于34v下可靠工作。当欠压时，有锁定电路的功能。4.1.3 uc3842的引脚图及功能表 uc3842的引脚图如图4所示86512374vrefvccoutputgnd comp vfbe isensert/ctuc3842图4 uc3842引脚图 其具体引脚功能说明参考表1表1 uc3842引脚功能表引脚号引脚符号功能1comp内部误差放大器的输出端，可接rc补偿网络到误差放大器的反相输入端，来决定闭环放大器的闭环增益和频率响应，使芯片工作稳定。通常此引脚与2脚之间结有反馈网络，已确定误差放大器的增益和频响。2feed back反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器相向输入端的基准电压（一般为+2.5v）进行比较,产生控制电压，控制脉冲的宽度3isense电流传感端。在外围电路中，功率开关管（如vmos管）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，当取样电压引脚号引脚符号引脚功能3isense上的电压超过1v时，uc3842就停止输出，有效的保护了功率开关管4rt/ct定时端。外接定时电阻rt和定时电容ct决定工作震荡频率，f=1.8/(rtct)5gnd接地6out输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是1a。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管vt1截止时，vt2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反相抽取电流回路，加速功率管的关断7vcc电源端。当供电电压低16v时，uc3842不工作，此时耗电在1ma以下。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高电压获得。芯片工作后，输入电压可在+10+30v之间波动，低于+10v停止工作。工作时耗电约为15ma，此电流可通过反馈电阻提供。极限输入电压为30v，其开启阈值设在16v，关闭阈值设在10v，两值相差6v，故可以有效的防止电路在阈值电压附近工作时振荡8vref基准电压输出，可输出精确的+5v基准电压，电流可达50ma4.2 功率开关管的选择 因为功率开关管应能承受630v以上的高压，为安全起见，应采用耐压1000 v的vmos管。可选用美国ir公司生产的irfpg407型，其漏-源极可承受最高电压vdsm=1000v，最大漏极电流idm=4.3 a，最大功耗pdm=150w，完全可以满足要求。但在使用时，必须加合适的散热器。 为避免因高频变压器发生磁饱和形象而损坏开关功率管，需在e-12磁芯两侧各留出一定的空气隙,假定气隙处磁场未发生泄漏，则 实取=1.0mm。4.3功率开关管驱动电路设计 vmos的驱动电路图设计如图5所示，由uc3842图腾柱式输出端6脚提供驱动电压。这种图腾柱式结构对于被驱动的vmos管的关断很有利，且驱动电路简单，控制方便。图5vmos驱动电路图4.4 保护电路设计 由于uc3842芯片内部具有完善的保护机制，具有过流限制、过压保护和欠压保护功能。对于功率开关管的保护，可以在栅极串入限流电阻r7，在起源极串入一个小阻值的取样电阻r10，将脉冲变压器的电流转换成电压，当取样电阻上的电压超过1v时，uc3842就停止输出，有效的保护了vmos管。 综上所述，得到此开关稳压电源控制部分的电路图，如图6所示图6 控制电路电路图4.5控制电路的工作过程 输入的220v交流电压经emi滤波电路抑制电磁干扰，再经整流后输出脉动直流电流再由滤波电容滤波后获得300v左右的直流电压，通过r2向uc3842提供16v的启动电压，fu是快速熔断器作电网侧的过流保护，uc3842得到启动电压后即开始工作，输出一定宽度的脉冲信号驱动开关功率管的导通和截止。有绕组n2获得高频电压经整流滤波后作为的uc3842工作电源，同样，采样电压也取自这个绕组的电压。从而省去了光电耦合的负反馈控制电路，使电路更加简洁。r5 、c4用于改善误差放大器的频率响应，r3是斜坡补偿电阻，r6和c6是的开关工作频率的设定电阻和电容，r10是过流检测电阻，r7是开关功率管栅极的限流电阻。用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率mos管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳定的直流输出电压。 附录附录a 5v/7a直流开关稳压电源电路图附录b：元器件明细表编号名称型号数量fu快速熔断器2a1a双向二极管10d4711vdavdd整流二极管in4001(1a/1000v)4r1功率电阻2/2w1r2120k/1w1r100.33/1w1r3普通电阻20k11r44.7k1r5150k1r61k1r7221r8100k1r91k1r111.1k1c1电解电容200f.1c2涤纶电容10f1c30.01f1c4100pf1c50.01f1c64700pf1c7470pf1c8820pf1c90.01f1c106800f1vd1 vd2 vd3快速恢复二级管fr3053vd4肖特基势垒二极管d80-004（15a/40v）1t变压器50wn1=90，n2=11，n3=41bvmosirfpg4071c单端输出式电流控制型脉宽调制器uc38421附录c 总结 本文所设计的输出功率为35w的直流开关稳压电源具有结构简单、体积小、重量轻、接线及调试方便、可靠性高等优点。其使用性能有待于运行考验并使之不断完善。通过为期一周的电力电子课程设计，我感到受益良多。在设计过程中，为了对自己要设计的课题有一个深入地了解，我进行了大量的有关直流稳压电源以及开关稳压电源方面的文献检索，充分利用了学校为我们提供宝贵的知识资源。从重大数字图书馆的众多电力电子类图书、科学期刊、数据库、博硕论文等到intel网上的各类电子元器件的型号、性能介绍，我学会了在这大量的文献中快速的搜索自己需要的资料。虽然有些搜索到的资料并不一定会在本次课程设计中用到，但通过在搜索的过程中对这类文献的大量浏览，扩充了自己的知识面，并看到很多新型高效的技术和设计理念，使我对电力电子这门课的认识程度大大加深了。 从网上找到自己需要的资料后，并不是照搬照抄，而是根据所得资料学会如何把他们综合在一起，理解并融会，并应用到自己的课题设计中来。这是一个学会发现问题，分析问题和解决问题的过程，也是一个难得的学习机会。在这次电力电子课程设计中，我将所获取的资源真正转化为自己的知识，同时通过对这些资料的学习和运用，我提高了自学能力和专业技能,特别是用专业绘图软件circuit2和microsoft office visio画电路图。并深刻体会到当自己真正要用一个软件时就必须把它弄懂，这样才能提高效率，并达到最优效果。如果在网上找别人制做好的电路图再进行修