毕业设计-开关电源

包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 1 2007 届毕业生 机电工程系应用电子技术 毕 业 设 计 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 2 姓名：于伟民 学号：0142213 第一章开关电源概述 第一节开关电源的产生与发展 第二节隔离式高频开关电源 第三节开关电源所用的术语 第二章输入电路 第一节电压倍压整流技术 第二节输入保护器件 第三节输入阳间电压保护 第三章隔离单端反激式变换器电路 第一节单端反激式变换器电路中的开关晶体管 第二节单端反激式变换器电路中的变压器绕组 第四章 UC3842的原理及技术参数 第一节原理与特点 第二节工作描述 第三节技术参数 第五章 UC3842 常用的电压反馈电路的选用 第一节概述 第二节UC3842 常用的电压反馈电路 2.1输出电压直接分压作为误差放大器的输入 2.2辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入 2.3采用线性光偶改变误差放大器的输入误差电压 2.4结语 第六章 UC3842 在开关电源电路的应用 第一节UC3842 组成的开关电源电路 1.1启动过程 1.2稳压过程 1.3过流保护原理 1.4过压保护原理 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 3 1.5开关管保护电路 1.6设计中的注意事项 第二节显示器开关电源电路 2.1特点 2.2采用开关稳压电源激励行输出的优缺点如下： 2.3UC3842 在显示器电路的应用 第七章 电源市场的概况 第一节直流稳压电源(出口)购市场概况 第二节开关电源的市场概况 参考文献参考文献 开关电源概述开关电源概述 第一节第一节 开关电源的产生与发展开关电源的产生与发展 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储 器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用 工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率 高的隔离式开关电源。 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产 生一路或多路经调整的稳定直流电压。 早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应 用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设 备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。 随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关 电源迅速实用化。 而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集 成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功 能不断完善， 集成化水平也不断提高， 外接元件越来越少， 使得开关电源的设计、 生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成 开关稳压器系列。近年来高反压 Mos 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工 作频率从 20kHz 提高到 150 一 200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小， 重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与 线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体 积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源是有 竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的 改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上，就要考虑使用开关电 源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下 降非常显著当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。 此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一* 第二节第二节隔离式高频开关电源隔离式高频开关电源 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。 主要分为半桥式、 全桥式、 推挽式、 单端反激式、 单端正激式等等。 在设计电源时， 设计者采取那种变换器电路形式， 主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 4 能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电 路的共同特点就是具有高频变压器， 直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整 流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图 11 所示。 在图 1l 中， 交流线路电压无论是来自电网的， 还是经过变压器降压的 首 先要经过整流、滤波电路变成含有” ”定脉动电压成分的直流电压，然后进入高 频变换部分。 高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元件， 比如开关晶体管、 场效应管(MOsFE 丁)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz 以上)高压方波，所 得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级， 在变压器的次级感应出的电压 被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出 负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器 (FwM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电 路把它与基准电压进行比较， 根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间 比例(占空比)，达到调整输出电压的目的。 当然控制电路还有调频方式的，本文不予讨论。 在方波的上升沿和下降沿有很多高次谐波，如果这些高次 tB 波反馈到输 入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必须要设置无 线频率干扰(RFl)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。 此外， 为了使整个电路安全可靠地工作， 还要设计辅助电路， 主要包括过压、 过流保护电路等 图 ll隔离式开关电源酌方框图 第三节第三节 开关电源所用的术语开关电源所用的术语 下面列出一些本书所使用的开关电源术语，并给出解释，以供读者参考。 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交 流电压为标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下， EsR 值越低的电容，性能越好。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电 压的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流 起限制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波 电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压。或者能 够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 5 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是 负载和周围的温度保持恒定。 负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和 环境温度保持不变。 噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通 常是以 mv 度量。 隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流 和滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作 用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源 损坏的电路。 远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载 上检测输出电压的方法。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是 从零到它的正常工作点所用的时间。 电磁干扰无线频率干扰(EMLBFl)：即那些由开关电源的开关元件引起的， 不希望传按和发射的高频能量频谱。 快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时， 保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。 占空比； 在高频开关电源中， 开关元件的导通时间和变换器的工作周期之比。 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 6 第一章第一章输入电路输入电路 第一节第一节 电压倍压整流技术电压倍压整流技术 在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不 需要低频线性隔离变压器。 现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需 求， 所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交 流 90130v 和 180 一 260v 的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压 整流技术，如图 31 所示。 在图 21 中，两种输入交流电压的转换由开关 S1 来完成，此外，本电路中 的压敏电阻 Rv 和可控硅 vs 具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。 电路工作过程如下： 当开关 S1 闭合时 电路在 115v 交流输入电压下 1： 作。 在交流电的正半周，通过二极管 vDl 和电容器 c1 被充电到交流电压的峰值。即 115v14160v，在交流电的负半周，电容器 c2 通过二极管 vD4 也被充电到 160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器 c1 和 c2 上充电电压之和即 160V 十 160V320V。当开关 S1 打开时， ： ：极管 VDlvD4 组成了全桥式整流 电路，对输入的交流 230V 进行整流，也同样产生 320v 的直流电压。 第二节第二节输入保护器件输入保护器件 隔离式开关电源在加电时， 会产生极高的浪涌电流*设计者必须在电源的输入 端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 7 主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很 低的阻抗，一般情况下，只是电容的 E5R 值。如果不采取任何保护措施，浪涌 电流可接近几百安培。 通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网 络；另一种方法是采用负温度系数(NTc)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻 抗，把浪捅电流减小到安全值。 电阻双向可控硅技术：采用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输入 线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把 电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件 满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控 硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。图 21 中的 vs 和 R1 为双向可控硅和电阻的并联网络 G 热敏电阻技术：这种方法是把 NTc(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入 端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。 图 21 中的 RTl 和 RTz。N 了 c 热敏电阻的电阻温度特性和温度系数。的 关系如固 22 所示。 在图 22 中， 。是热敏电阻的温度系数，用每度百分比(c)表示。当开关 电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样，由于阻值较大，它 就限制了浪涌电流。 当电容开始充电时， 充电电流流过热敏电阻， 开始对其加热。 由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始 下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值应该是最 小。这样，就不会影响整个开关电源的效率。 第三节第三节 输入阳间电压保护输入阳间电压保护 在一般情况下，交流电网上的电压为 115v 或 230v 左右，但有时也会有高压的 尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高 尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达 5kv。 另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： 公式中L 是电感器的漏感，I 是通过线圈的电流。 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电 源的输入滤波器、 开关晶体管等造成致命的损坏。 所以必须要采取措施加以避免。 用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)瞬态 电压抑制器。如图 2l 所示，把压敏电阻 Rv 连在交流电压的输入端。压敏电阻 起到一个可变阻抗的作用。 也就是说， 当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时 它 的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 8 量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。 1选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳 定值大 10一 20； 2计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数； 3查明器件所需要承受的最大尖峰电流； 上述几步完成后， 就可以根据生产厂家的压敏电阻参数资料选择合适的压敏 电阻器件。 第二章第二章隔离单端反激式变换器电路隔离单端反激式变换器电路 图 31 所示的单端反激式变换器电路在其输入和输出回路之间缺少安全隔 离措施。一般情况下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。在 电路中，它是以变压器的形式出现的，但实际上它起的作用是扼流圈，所以应该 称它为变压器扼流圈。所谓单端，指的是变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一 侧。 典型的单端隔离反激式变换器电路结构如图 34 所示。 从图 34 的电路工作状态波形可见，电路的工作过程如下：当晶体管 vTl 导通时，它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连接的二极管 vD 处于反偏压状态，所以二极管 vD 截止。在变压器次级回路无电流流过，即 没有能量传递给负载。 当晶体管 vTl 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二 极管 vD 导通，给输出电容 c 充电，同对在负载 RL 上也有了电流 IL。 图 34隔离单端反激式变换 25 电路及相关波形 由于隔离变压器 T 除了具有初、次级间安全隔离的作用外，它还有变压器和 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 9 扼流圈的作用，所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感，但在实际应 用中， 往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈，用以降低高频开关噪 声的峰值。 第一节第一节. 单端反激式变换器电路中的开关晶体管单端反激式变换器电路中的开关晶体管 在单端反激式变换器电路中。所使用的开关晶体管必须符合两个条件，即在 晶体管截止时，要能承受集电极尖峰电压，在晶体管导通时，要能承受集电极的 尖峰电流。晶体管截止时所承受的尖峰电压按下面的公式进行计算： 公式中，vin 是输入电路整流滤波后的直流电压，6mx 是最大工作占空比。 所谓占空比指的是晶体管导通的时间与晶体管的一个工作周期(导通时间十截止 时间)之比。为了限制晶体管的集电极安全电压，工作占空比应保持在相对地低 一些，一般要低于 50，即 8mmo5。在实际设计时，九 x 一般取 o4 左右， 这样它就限制了集电极峰值电压，vcmn22vm。因此，在单端反激式变换 器电路设计中，晶体管的工作电压一般在 800V 以上，通常按 900v 计算可安全 可靠地工作。 按如下粗算考虑：交流输入电压 180 一 260V，取 260V，260v 乘以 14(有 效值)，即是整流后的直流电压*260L 4354V，360V 再乘以 22 露 800V， 实际取矿 M mf；900V 即可。 第二个设计准则是必须满足晶体管在导遏时的集电极电流 的需求。 公式中，il 是变压器初级绕组的峰值电流而 n 是变压器初级与次级间的匝数 比。 为了导出用变换器输出功率和输入电压表达集电慑峰值工作电流的公 式，变压器绕组传递的能量尸 m 可用下式表示： (33) 公式中，v 是变换器的效率。 略去推导过程， 由输出功率和输入电压表达的晶体管工作电流的公式为： 假定变换器的效率 V 是 o8，最大工作占空比入 fo4 第二节第二节. 单端反激式变换器电路中的变压器绕组单端反激式变换器电路中的变压器绕组 由于在单端反激式变换器电路中，变压器初级绕组只在 BH 待佐曲线 磁滞回线)的一个方向上被驱动，因此，在设计时注意不要使其饱和，更为详尽 的分析和设计将在第五章给出。在这里，我们只是强调一下，所选择的磁芯一定 要有足够大的有效体积， 通常应用空气隙来扩大其有效体积传输变压器有效 体积 v 的计算公式如下： 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 10 Ilamx 最大负载电流 L：变压器次级绕组的电感量； U0：空气的导磁率。其值为 15 Ue：所选磁芯的磁性材料的相对导磁率 Bmax：磁芯的最大磁通密度。 相对导磁率从应尽可能选得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和线径， 以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。 第三章第三章UC3842UC3842的原理及技术参数的原理及技术参数 第一节第一节 原理原理与特点与特点 UC3842 是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式 相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。 该电路主要特点有： 内含欠电压锁定电路 低起动电流（典型值为0.12mA） 稳定的内部基准电压源 大电流推挽输出（驱动电流达1A） 工作频率可到500kHz 自动负反馈补偿电路 双脉冲抑制 较强的负载响应特性 UC3842 内部工作原理简介 图1示出了UC3842 内部框图和引脚图， UC3842 采用固定工作频率脉冲宽 度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下： 脚是误差放大器的输出端， 外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频 率特性； 脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进 行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度； 脚为电流检测输入端， 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间 歇工作状态； 脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定， f=1.8/(RTCT)； 脚为公共地端； 脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力 为1A ； 脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW； 脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 11 图1 UC3842 内部原理框图 第二节第二节 工作描述工作描述 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 12 UC3842A，UC3843A系列是专门设汁用于出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，为设计者提供使用最少外部元件的高性能 价格比的解决方案。代表性的方框图如图17所以 振荡器 振荡器频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由50V的参考电压通 过电阻RT充电，充至约28V,再由一个内部的电流宿放电至12V。在CT放电期 间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电子，这导致 输出为低状态，从而产生丁一个数量可控的输出静区时间。图l显示R，与振荡器 频率关系曲线，图2显示输出静区时间与频率关系曲线它们都是在给定的CT值 时得到的。注意尽管许多的Rt和Ct值都可以产生相同的振荡器频率，但只有一种 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T=2 5叫被微调并确保在1 0之内，这些内部电路的优点使振荡器 频率及晨大输出占空比的变化最小。结果显示在图3和图中。正很多噪声敏感应 用中， 可能希望将变换器频率锁定至外部系统时钟上。这可通过将时钟信号加到 图2 0所示的电路来完成。为了可靠的锁定，振荡器自振应频率设为比叫钟频率 低10左右。图21所示为多单元同步的一种方法。通过修整时钟波形，可以实现 准确输出占空比箝位。 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。此放大器从有 90dB的典刮自流电流增益和只有57度相位余量的1OMHz的增益为1带宽(图7)。 同相输入在内部偏置于25V而不经管脚引出。典刑情况下变换揣输出电压通过 一个电阻分压器分压，并由反向输入监视。最大输入偏置电流为2.0uA，它将引 起输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。误差 放大器输出(管脚1)用于外部回路补偿(图30)。 输出电压因两个二极管压降而失调 (14V)并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l处于 其最低状态时(Vol)，保证在输出(管脚6)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23，24)。最小误差放大器反 馈电阻受限于放大器的拉电流(O 5mA)和到达比较器的1 0V箝位电子所需的输 出电压(VoH)： 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 13 电流取样比较器和脉宽调制锁存器 UC3842A，UC3843A作为电流模式控制器工作，输出开关导通山振荡器起 始，当峰值电感电流到达误差放大甜输出补偿(管脚1)建立的门限电平时中止。 这样在逐周基础上差信号控制峰值电感电流。 所用的电流取样比较器脉宽调制 锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅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Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成 电压。此电压由电流取洋输入(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： 当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1 0V。因此最大峰值开关电流为： 当设计一个大功串开关稳压揣时为了保持Rs的功耗在个合理的水平上希望 降低内部嵌位电压，调节此电压的简单方法如图22所示。使用丁两个外部二极管 来补偿内部二极管，以便在温度范田内有固定箝位电压。如果Ipk(max)箝位电压 降低过多将导致由于噪声拾取而产生的不误操作。 通常正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RC滤波器，使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2 6)。 欠压锁定 采用丁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(Vcc)和参考输出(Vref)各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。Vcc比较器上下门 限分别为： UCX842A 16V10V， UCX843A8.4V7.6V。 Vref比较器高低门限为3.6V 3.4V。大滞后和小启动电流使得UCX842A特别适合干需要有效的自举启动技术 的离线变换器应用中(图3 3)。UCX843A准备应用于更低电压直流到直流变换器 中。一个36V的齐纳二极管作为一个并联稳压管，从Vcc连接至地。它的作用是保 护集成电路免受系统启动期间产生的过高电压的破坏。最小工作电爪：UCX842A 为11V，UCX843A为8.2V。输出这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来 自接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达1.0a的峰值驱动电 流和典型值为50ns的上升、下降时间，还附加丁一个内部电路，使得任何时候只 要欠压锁定有效， 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 14 第三节第三节 技术参数技术参数 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 15 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 16 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 17 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 18 第五章第五章 UC3842UC3842 常用的电压反馈电路的选用常用的电压反馈电路的选用 第一节第一节 概述概述 通常，PWM 型开关电源把输出电压的采样作为 PWM 控制器的反馈电压，该 反馈电压经 PWM 控制器内部的误差放大器后， 调整开关信号的占空比以实现输 出电压的稳定。但不同的电压反馈电路，其输出电压的稳定精度是不同的。本文 首先对电流型脉宽控制器 UC3842（内部电路图如图 1 所示）常用的三种稳定输 出电压电路作了介绍，分析其各自的优缺点， 第二节第二节 UC3842 常用的电压反馈电路常用的电压反馈电路 2.1 输出电压直接分压作为误差放大器的输入 如图 2 所示，输出电压 Vo 经 R2 及 R4 分压后作为采样信号，输入 UC3842 脚 2（误差放大器的反向输入端） 。误差放大器的正向输入端接 UC3842 内部的 2.5V 的基准电压。当采样电压小于 2.5V 时，误差放大器正向和反向输出端之间 的电压差经放大器放大后，调节输出电压，使得 UC3842 的输出信号的占空比变 大，输出电压上升，最终使输出电压稳定在设定的电压值。R3 与 C1 并联构成电 流型反馈。 这种电路的优点是采样电路简单， 缺点是输入电压和输出电压必须共地， 不能做到电气隔离。势必引起电源布线的困难，而且电源工作在高频开关状态， 容易引起电磁干扰，必然带来电路设计的困难，所以这种方法很少使用。 2.2 辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 19 如图 3 所示，当输出电压升高时，单端反激式变压器 T 的辅助绕组上产生的感应 电压也升高，该电压经过 D2，D3，C15，C14，C13 和 R15 组成的整流、滤波和稳 压网络后得到一直流电压，给 UC3842 供电。同时该电压经 R2 及 R4 分压后作为 采样电压，送入 UC3842 的脚 2，在与基准电压比较后，经误差放大器放大，使 脚 6 输出脉冲的占空比变小，输出电压下降，达到稳压的目的。同样，当输出电 压降低时，使脚 6 输出脉冲的占空比变大，输出电压上升，最终使输出电压稳定 在设定的值。 这种电路的优点是采样电路简单，副边绕组、原边绕组和辅助绕 组之间没有任何的电气通路，容易布线。缺点是并非从副边绕组直接得到采样电 压，稳压效果不好，实验中发现，当电源的负载变化较大时，基本上不能实现稳 压。该电路适用于针对某种固定负载的情况。 2.3 采用线性光耦改变误差放大器的输入误差电压 如图 4 所示，该开关电源的电压采样电路有两路：一是辅助绕组的电压经 D1，D2，C1，C2，C3，R9 组成的整流、滤波和稳压后得到 16V 的直流电压给 UC3842 供电，另外，该电压经 R2 及 R4 分压后得到一采样电压，该路采样电 压主要反映了直流母线电压的变化；另一路是光电耦合器、三端可调稳压管 Z 和 R4，R5，R6，R7，R8 组成的电压采样电路，该路电压反映了输出电压的变 化；当输出电压升高时，经电阻 R7 及 R8 分压后输入 Z 的参考电压也升高，稳 压管的稳压值升高，流过光耦中发光二极管的电流减小，流过光耦中的光电三极 管的电流也相应的减小，误差放大器的输入反馈电压降低，导致 UC3842 脚 6 输出驱动信号的占空比变小，于是输出电压下降，达到稳压的目的。 该电路因为采用了光电耦合器，实现了输出和输入的隔离，弱电和强电的隔 离，减少了电磁干扰，抗干扰能力较强，而且是对输出电压采样，有很好的稳压 性能。缺点是外接元器件增多，增加了布线的困难，增加了电源的成本 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 20 如图 5 所示，该电压采样及反馈电路由 R2，R5，R6，R7，R8，C1，光 电耦合器、三端可调稳压管 Z 组成。当输出电压升高时，输出电压经 R7 及 R8 分压得到的采样电压（即 Z 的参考电压）也升高，Z 的稳压值也升高，流过光耦 中发光二极管中的电流减小，导致流过光电三极管中的电流减小，相当于 C1 并 联的可变电阻的阻值变大（该等效电阻的阻值受流过发光二极管电流的控制）， 误差放大器的增益变大，导致 UC3842 脚 6 输出驱动信号的占空比变小，输出 电压下降，达到稳压的目的。当输出电压降低时，误差放大器的增益变小，输出 的开关信号占空比变大，最终使输出电压稳定在设定的值。因为，UC3842 的电 压反馈输入端脚 2 接地，所以，误差放大器的输入误差总是固定的，改变的是误 差放大器的增益（可将线性光耦中的光电三极管视为一可变电阻），其等效电路 图如图 6 所示。 该电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放大器 的输出，从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采 样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本 上没有变化。实验证明与上述三种反馈电路相比，该电路具有很好的稳压效果。 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 21 4 结语 在单端隔离式 PWM 型电源中，电流型脉宽调制器 UC3842 有着广阔的应用 范围， 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 22 第六章第六章 UC3842UC3842 在在开关电源电路的应用开关电源电路的应用 第一节第一节 UC3842 组成的开关电源电路组成的开关电源电路 图2 是由UC3842 构成的开关电源电路， 220V 市电由C1、 L1滤除电磁干扰， 负温度系数的热敏电阻Rt1限流，再经VC 整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降 压后加到UC3842 的供电端（脚） ，为UC3842 提供启动电压，电路启动后变压 器的付绕组的整流滤波电压一方面为UC3842 提供正常工作电压，另一方面 经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端脚，为UC3842 提供负反馈电压， 其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。脚和脚 外接的R6、C8决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C6用于 改善增益和频率特性。脚输出的方波信号经R7、R8分压后驱动MOSFEF 功率 管， 变压器原边绕组的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不 同的直流电压供负载使用。电阻R10用于电流检测，经R9、C9滤滤后送入 UC3842 的脚形成电流反馈环. 所以由UC3842 构成的电源是双闭环控制系统， 电压稳定度非常高，当UC3842 的脚电压高于1V 时振荡器停振，保护功率管 不至于过流而损坏。 图2 UC3842 构成的开关电源 此电路的调试需要注意： 一是调节电位器RP1使电路起振， 起振电流在1mA左右； 二是起振后变压器绕组提供的直流电压应能使电路正常工作， 此电压的范围 大约为1117V 之间；三是根据输出电压的数值大小来改变R4，以确定其反馈量 的大小；四是根据保护要求来确定检测电阻R10的大小，通常R10是2W、1以下 的电阻。 1.1 启动过程 首先由电源通过启动电阻 R1 RW1 提供电流给电容 C4 C5 充电， 当 C4 电压达 到 UC3842 的启动电压门槛值 16V 时，UC3842 开始工作并提供驱动脉冲，由 6 端输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管 导通， 电流通过变压器原边， 同时把能量储存在变压器中。 根据同名端标识情况， 此时变压器各路副边没有能量输出。当 6 脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 23 截止， 根据楞次定律， 变压器原边为维持电流不变， 产生下正上负的感生电动势， 此时副边各路二极管导通， 向外提供能量。 同时反馈线圈向UC3842供电。 UC3842 内部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为 16V 和 10V，如图 3 所示。 在开启之前，UC3842 消耗的电流在 1mA 以内。电源电压接通之后，当 7 端电 压升至 16V 时 UC3842 开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为 15mA。 因为 UC3842 的启动电流在 1mA 以内，设计时参照这些参数选取 R1，所以在 R1 上的功耗很小。 当然，若 VCC 端电压较小时，在 R1 上的压降很小，全部供电工作都可由 R1 降压后来完成。但是，通常情况下，VCC 端电压都比较大，这样完全通过 R1 来提供正常工作电压就会使 R1 自身功耗太大，对整个电源来说效率太低。一般 来说， 随着 UC3842 的启动， R1 的工作也就基本结束， 余下的任务交给反馈绕组， 由反馈绕组产生电压来为 UC3842 供电。故 R1 的功率不必选得很大，1W、2W 就 足够了。笔者认为，虽然理论上 UC3842 启动电流在 1mA 以内，但实际应用时， 按 1.62.0mA 设计则工作比较便利。即当 VCC 端电压为 U 伏时。 1.2稳压过程 从图 2 中可知，当场效应管导通时，整流电压加在变压器 T 初级绕组 Np 上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np 绕组中电流达 到最大值 Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：式中：E整流电压； Lp变压器初级绕组电感；Ton场效应管导通时间。 在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值 Ismax，若忽略各种损 耗应为式中：n变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns 为变压器初、 次级绕组匝数。 高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次 级绕组释放的能量相等：式中：Ls变压器次级绕组电感； Uo输出电压；Toff场效应管关闭时间。 上式说明，输出电压 Uo 与 Ton 成正比，与匝比 n 及 Toff 成反比。比如， 由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时， 反馈线圈的输出电压则会 变低， 从而使 2 端电压变低， 则脉宽调制器会相应的增大输出 PWM 波形的占空比， 使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出 电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小 PWM 输出脉冲波形的占空比，使大功率 晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。 UC3842 为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占 空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入 2 脚，此脚电压与内部 2.5V 基 准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由 4 脚外接定 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 24 时电阻 Rt 及定时电容 Ct 决定，f 的单位取 k，Ct 取F。3 脚为 电感电流传感器端，当取样超过 1V 时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状 态；6 脚，输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅 50ns，驱动能力为1A； 7 脚，供电输入，起振后工作电压为 1013V，低于 10V 停止工作，功耗为 15mW； 8 脚，内部基准 5V(50mA)。 1.3过流保护原理 当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R9 上的电压反馈 至 3 脚(电压大于 1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降， 直至使 UC3842 停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护功率 管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。 1.4过压保护原理 当因某种原因使输出电压过高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使 2 脚的电压过高，内部保护电路起动，使 6 脚输出脉冲高电平时间变短，或不输 出高电平使开关管截止。 1.5开关管保护电路 由 D3、R10、C1 及 R11、C14、D4 构成，消除由变压器漏感产生的反峰电 压，从而使开关工作电压不至于太高而毁坏。 1.6 设计中的注意事项 6.1 起动电路的设计 电路如图 4 所示，电容 C2 储存的能量要能满足电源开始正常 工作的需要， 使得 UC3842 第 7 脚有稳定、充足的输入供给。即电容 C2 的放电时间要大于 UC3 842 输出脉冲的高电平持续时间。否则，电源将出现打嗝现象。因此，电容 C2 的容量和 质量的选取非常重要。笔者在实际设计过程中，C2 曾用 100F 铝 电解电容，经常发现 电源打嗝；测量反馈端电压，总是太低，以至于反馈端的 整流二极管都没有工作，说明反馈端电压幅度不够。原因在于 C2 容量不够，不 能提供足够的能量来使 UC3842 充分工作，因此 ，容量最好在 100F 以上。 6.2 反馈绕组的设计 当 UC3842 启动后，若反馈绕组不能提供足够的 UF，电路就会不停地起动 ， 出现打嗝现象。 另外， 根据笔者的经验， 若 UF 大于 17.5V 时，也会引起 UC3842 工作异常，导致输出脉冲占空比变小，输出电压变低。故而反馈绕组匝数的 选 取及其缠绕是非常重要的，一般可按 1315V 设计，使 UC3842 正常工作时，7 脚的电压维持 在 13V 左右。 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 25 第二节第二节 显示器开关电源电路显示器开关电源电路 2.1 特点 显示器用的开关稳压电源电路的持点可归纳为如下几点 (1)重量轻、体积小。由于省掉了笨重的线性交压器，节省了漆包铜线与硅 钢片因而重量只有原来的 15 左右体积也明显的减小。 (2)稳压范围宽。输入电网电压在 110 Y 一 260v 范围内变化时，输出电压仅 有 2的波动变化因此能获得良好的稳定电压输出；而且在电网电压变化时， 能始终保持稳压电路的高效率工作。正是由于这个特点，才使电视机能够在条件 差、环境恶劣的农村和山区，以及采用水力、风力、奋力等发电机供电的偏远地 区安全、稳定、可靠地工作。 (3)效率高、损耗小。因为电路中的晶体调整管工作在开关状态工作频率 在 15hHz 左右、所以转换效率很高，可达到 85其内部损耗也可降低到最小。 (4)工作安全、可靠。由于采用了可控硅保护电路当电源电路或行扫描输 出电路及高压电路出现故陈时甚至负载出现短路时能够自动切断电源，起到 过压和过流保护的作用。通常，对其保护电路的要求是非常严格的。 (5)用开关电源直接激励行输出级。电视机中开关稳压电源的开关效率应与 行频同步。若用行同步信号去控制开关稳压电源的工作频率，使开关频率严格与 行领同步，然后田开单趋 R 由姬的嘲的瞅冲去 9t 励行输出绍，这样便可以省掉 行振荡级及行激励级，从而使电视机的电路简化、可靠性提高、成本降低。 2.2 采用开关稳压电源激励行输出的优缺点如下： 行振荡器相行监相器可以与开关稳压电源控制电路归并在省去。 这样不但 可以简化电路，节省元器件，还能提高工作效率。 开关管短路时，对于反极性激励电路，行输出管反而截止无电流；对于同 级性激励电路，行输出管与开关管的电流增长很快应采取过流保护措施。 当开关管开路时，对于同极性激励电路，行输出管也截止；对于反极性激励 电路， 行输出管子的电流很大，直到开关稳压电源储能电感中的所储存的磁能耗 尽为止。 由于行输出级的激励脉冲的宽度受到限制， 因而开关稳压电源的激励脉冲 占空系数的变比范围也受到一定的限制，其稳压范围不是很宽。 给检修工作带来一定的困难。 由于开关稳压电源电路与行扫描电路构成一 个整体工作状态相互牵制，故检修工作比一般电视机要困难一些。 2.3 UC3842 在显示器电路的应用 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 26 包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书 27 第七章 电源市场的概况 根据日本电子机械工业会发表的资料记载，日本 1983 年的电子工业生产总 额达到 126648 亿日元，是前年的 117；3。其中产业用电子设备以计算机和外 围设备为中心显示了好的形势；达到 46038 亿日元，是前年的 106；并且在金 颓基数中超过了家用电器设备和电子元件，成为电子工业的中心。此外，家用电 器方面磁带录像机也出现了意外的盛况，金额达 8353 亿日元，是前年的 109。 反映出这样的工业状况，是由于在机电一体化中唱主角的“控制用马达”面 向磁盘机和打印机等 OA 设备的需求助扩大，一跃登台，其生产量飞跃地增加。 构成电子设备的心脏的电源设备，特别是开关电源，和这种马达并驾齐驱，于 84 年明显藏加快发展，在过去总是充当无名英雄的电源设备中，一下成为“明 星” 。 影响当今产业世界动向的原因是，最近的电子设备由于用户的小型他日求， 促使微细加工技术的发展，家用和产业用元件的小型化和高密度安装，促进了大 规模集成化一惯比其它组件落后的电源部包受到这种小型化的影陶， 大旦池采用 开关电源。特别是在电子工业中起到牵引车作用的办公室计算机，个人计算机， 字处理机、传真讥等 oA 设备，磁带录像机(日本是全世界的供应基地，还有机 器人、通信设备、2gl 且仪器等备式各样的商品都采用开关电源，达就促进了产 业界的开发积极性。 因此，下面介绍其中的直流稳压电源，特别是开关电源的市场概况，产品倾 向。 第一节第一节 直流稳压电源直流稳压电源(出口出口)购市场概况购市场概况 直流稳压电源大致可以分为开关电源，损耗式电源，CvT 了电源，其它电源 (cvCC 等)。 开关电源由于 oA 设备，磁带录像机等现在使用这种电源的设备正 在增加生产而且这种电源的使用范围在不断扩大，所以保持了增长的势头，但是 其反面是损耗式电源，cvT 电源正在形成一股代替开关电源的大支流。在开关电 源以外的直流稳压电源中，处于增长势头的是录像机用损耗式电源，复印机用高 压 cvT 电源，试验、实验设 61 等物理化学设备用的特殊电源也很有销 路。 1983 年的直流茵压电源的市场规模估计在 1700 亿 B 元左右。其中，开关电 源为 l 370 亿日元左右，损耗式电源 145 亿日元，CVT 电源 100 亿日元左右，其 它 CvCC 等 685 亿。 以上是出口直流稳压电源的状况， 应再加上王广内部消耗量才算作市场的总 额。 厂内消费的计算是有争议的，但由于建立了大量生产体制而脾际了齐关电源 曲价格。增加了对外销的供应，估计可以达到产值 1000 亿日元的规模。 第二节第二节 开关电源的市场概况开关电源的市场概况 21 开关电源的市场规模 目前还没有看到表示开关电源生产发展的明确统计数字。 酌量主要工厂 的动向，要元件的动向，采用开关电源的产品的动向，由编辑部试算推导 1