升压式开关稳压电源

1、毕 业 设 计题 目 升压式（Boost型）稳压开关电源 系 别 电子信息与机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 07电气班 学 号 200724122159 学生姓名 杨张中 指导教师 徐晓燕 完成时间 2011-4-17 肇庆学院教务处制目录1 绪论 031.1开关电源的历史背景. 041.2 开关电源的发展趋势041.3本设计的技术要点参数及研究意义052 开关电源的基本分类和工作原理052.1 开关电源的基本分类062.1.1 各类拓扑结构电源分析062.2 PWM和Boost型开关电源的工作原理123 Boost型开关电源的设计 .143.1 Boost型开关电源设计的系

2、统原理图.143.2输入整流滤波电路设计 153.3 Boost升压型开关电源拓扑结构163.4控制芯片采用UC3842.164开关电源主要器件的选择原理 174.1功率场效应管MOSFET（IRF640|）174.2 UC3842芯片204.3其他主要器件的选择225 实验测试方法以及数据 235.1测试仪器 .235.2测试方法 .235.3测试数据以及数据分析.245.3.1测试数据. 245.3.2数据分析265.3.3误差分析 .266 结论26参考文献27升压式（Boost型）开关稳压电源摘要：开关电源是一种效率很高的电源变换电路,通过对Boost型开关电源作详细的数学推导后得到准

3、确数据.该系统包括：变压器和电感的设计，功率驱动电路，整流电路，滤波整形电路，反馈补偿参数的设计，保护电路另外也采用UC3842作开关电源控制芯片,开关管采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640。开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式,它具有高效率，高功率密度，高可靠性。关键词：Boost型开关电源 变压器和电感的设计 整流电路 UC3842 IRF640Abstract: The switching power supply is a very efficient power conversion circuits, Boost switching power supply

4、through a detailed mathematical derivation of accurate data obtained. The system includes: the design of transformers and inductors, power driver circuit, rectifier, filter shaping circuit, the design of feedback compensation parameters to protect the circuit. There is also used for switching power

5、supply control chip UC3842, the switch uses high voltage, small-resistance MOSFET, IRF640. Switching power supply in the power semiconductor devices at high frequency switch mode, it has high efficiency, high power density, high reliability. Keywords: Boost switching power supply transformer and ind

6、uctor design rectifier circuit UC3842 IRF640 1、绪论 随着电力电子技术的发展，开关电源的应用越来越广泛，开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，而且其性能的优劣还直接影响到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中反激式开关电源凭借其线路设计简单、体积小、轻便、所需要的元器件少、高效率，能够提供多路隔离输出等优点，被广泛应用于小功率电源领域。开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高效率变换,将粗电变换成精电,以满足供电质量要求的技术.由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频工作方式，因此它具有高效率，

7、高功率密度，高可靠性由于开关电源的突出优点，在相同功率容量下，开关电源比线性电源效率更高，体积更小，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛发展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展开关电源技术设计涉及半导体功率器件应用技术，电力电子技术，模电，自动控制理论等知识，因此是一门多学科交叉的应用性技术然而，电路拓扑的选取，变压器和电感的设计，功率驱动电路，整流电路，滤波整形电路，反馈补偿参数的设计，保护电路的设计，是开关电源设计的关键所在1.1、开关电源的历史背景开关电源的前身是线性稳压电源,线性稳压电源的结构简单,其中稳压调整管起到关键作用,电源工作时

8、检测输出电压,通过反馈电路对稳压调整管的基极电流进行反馈控制。当输入电压发生变化或者负载引起输出电压变化时，就可以通过对稳压调整管的管压降进行调整来保持输出电压稳定。为此，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降，才能发挥足够的调节作用。早期设计的开关电源频率较低，但随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进，开关频率得到了提高。由于垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管的出现，使高工作频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到10KHz左右时，变压器、电感等磁性元件会发出刺耳的噪声，给工作和生产带来较大的噪声污染。为了减少噪声，并进一步减小电源体积，70年代末出现了一系列新型的电

9、力电子器件，为开关频率的提高提供了物质条件。1.2、开关电源的发展趋势开关电源的设计要求有非常高的效率，高效率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况是输入端的能量完全传递到输出端，在开关电源内部不损失任何的能量。然而，在实际设计过程中是不可能实现的，这涉及到各种元件的性能和设计电路的布局。如果电源内部出现较大的损失，这部分的能量将会转化为热能损耗在元器件上，倘若开关电源的设计缺少了散热系统或者散热系统出现工作不良的情况，这将会影响到开关电源的长时间工作，从而缩短了电源的寿命，也会增加了电源的不稳定性。但是巨大的散热部件阻碍了开关电源向小型化的发展，其中在小型开关电源或手持设备的应用中尤为明

10、显。其次，这也违背了当代节约能源的理念，因此电子设备的功耗也规定了硬性的指标。2009年我国开始实施的节能评价值为待机能耗1W，能效指数为0.75。所以提高开关电源的效率已成为各个产品必须满足的一项技术指标。开关电源的应用领域中小型化和集成化的需求越来越高，例如笔记本电脑的电源系统，不仅需要完成充电控制，还需要完成对微处理器和硬盘供电的降压处理，以及对屏幕供电的直流交流变换等。这就要求所有的功能都尽可能在较小的体积中完成。因此，小型化是开关电源的另一个发展方向。1.3、本设计的技术要点参数及研究意义随着电子技术的迅速发展，电源技术要求也越来越高，体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源”已

11、成为新一代电源产品的发展趋势。Boost型开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、成本低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。本人设计的就是Boost型开关电源。Boost变换器是一种开关直流升压电路，输出电压比输入电压高，Boost变换器可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。Boost变换器克服了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、结构简单、变换效率高等优点。本人利用Boost自身电路结构，结合UC3842控制芯片的特点，开关管也采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640，设计一个Boo

12、st型开关电源。其设计的技术要点参数如下：输出最大功率：15W输入交流电压：15V20V输出直流电压:25V45V输出最大直流电流：1A带载输出直流电压：15.9V/770MA (负载为5W 20电阻)空载纹波电压：10mv2、开关电源的基本分类和工作原理2.1 开关电源的基本分类（1）按驱动方式分，有自励式和他励式；（2）按电路控制方式分，有脉宽频率调制（PFM）式、脉调制（PWM）式和PWM与PFM混合式；（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型；（4）按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式、光耦合式等；（5）按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全

13、桥式、降压式、升压式和升降压式等。反激式：电路拓扑简单，元器件少，成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受电流峰值很大，广泛应用于数瓦到数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，容易实现多路输出。正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，但存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路，广泛用于功率为数百瓦到数千瓦的通信电源等电路中。半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开

14、关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压，克服了推挽式的缺点，适合数百瓦到数千瓦的开关电源、高输入电压的场合。全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率。目前，全桥型电路多被用于数百瓦到数千瓦的各种工业用开关电源中。推挽式：电路形式实际上是两个正激式变换器电路组成，只是工作的相位相反。变换器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的约一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生，应用是需要特别注意，推挽电路适用于数瓦到数千瓦的开关电源。2.1.1各类拓补结构电源分析一非隔离型开关变换器

15、（一）降压变换器Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：（Ui-Uo）*ton=Uo*toff， Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton=Uo(ton+toff),Uo/Ui=ton/(ton+toff)= 即，输入输出电压关系为：Uo/Ui=(占空比)UoIDSIDVDIDLIDCID图2-2：Buck电路拓补结构在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。（二）升压变换器Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。利用同样的

16、方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：Uo/Ui=1/（1-）UiIDUoIDSIDVDIDLIDCID图2-3：Boost电路拓补结构这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui+UL，因而有升压作用。（三）逆向变换器Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。电压关系：Uo/Ui=-/（1-）UiIDUoIDSIDVDIDCIDL图2-4：Buck-Boost电路拓补结构S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。所以，这里的

17、L是用于传输能量的器件。（四）丘克变换器Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。电压关系：Uo/Ui=-/（1-）。 N2C1TC2L2RUoVDL1SUi图2-5：Cuk变换器电路拓补结构当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。二隔离型开关变换器1推挽型变换器下面是推挽型变换器的电路。S2S1LCRN1N1 N2N2UiUoT图2-6：推挽型变换电路S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信

18、号，再经L、C滤波，送给负载。由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。2半桥型变换器图2-6给出了半桥型变换器的电路图。当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2同样地，这个电路也相当于降压式拓补结构。图2-7：半桥式变换电路3全桥型变换器下图是全桥变换器电路。CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1图2-8：全桥式变换电路当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧

19、将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。这个电路也相当于降压式拓补结构。4正激型变换器下图为正激式变换器。TN3CLR N2UoSN1VD1VD2VD3Ui图2-9：正激型变换器电路当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。5隔离型Cuk变换器 隔离型Cuk变换器电路如下所示： N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11图

20、2-10：隔离型Cuk变换器当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。6电流变换器 能量回馈型电流变换器电路如下图所示。S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3图2-11：能量回馈型电流变换器电路该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3

21、绕组，通过VD3回馈到输入端。下面是升压型变换器的电路图：S2S1CRN1N1 N2N2UiUoTLVD1VD2图2-12：升压型电流变换器电路该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，L有升压作用。三准谐振型变换器在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电

22、源发展的主流技术。又分为：1ZCS零电流开关。开关管在零电流时关断。2ZVS零电压开关。开关管在零电压时关断。2.2 PWM和Boost型开关电源的工作原理PWM开关电源是让功率管工作在导通和判断状态，在这两种状态中，加在功率管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；判断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过斩波，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的脉冲的点空比由开关电源的控制器（控制IC）来调节一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低通过增加变压器的

23、二次绕组数就可以增加输出的电压组数最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压控制器的主要作用有两个：提供固定的频率脉冲给功率管；通过输出反馈电压给误差放大器来调节点空比，来保持输出电压的稳定开关电源有两种基本拓扑：升压式（BOOST）变换器，降压式（BUCK）变换器尽管它们各部分元件分布位置差别很小，但是工作过程相差甚大，在特定的应用场合各有优点升压式(BOOST)变换式的工作原理: BOOST升压电路,开关管导通时,电流环路仅包括电感、功率管、输入电压源在这段时间内，二极管是反向阻断的电感电流波形是以固定斜率线性上升的，可用下式描述：iL(ton) = Vinton / L;在这个阶段

24、，能量存储在电感铁心中开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通这时，电感电流不能突变，于是二极管立即导通这时，电感与开关相连端的电压被输出晓以大义钳位，这个电压被称作反激电压，爱迪生幅值是输出电压加上二极管的正向导通压降在开关管关断这段时间里，电感上的电流用下式表示：iL(toff) = Ipk (Vout Vin) toff / L如果在下个周期之前，铁心中的磁通完全为零，就称电路工作在电流断续模式电流和电压波形如图（c）所示如果铁心中的磁通没有完全降为零，还有一部分剩磁，就称电路工作在电流连续模式，波形如图（b）由于升压式变换器工作在电流连续模式下存在固有的不稳定问题

25、，所以升压式变换器通常工作在电流断续模式Boost变换器工作在电流断续模式下，存储在电感中的能量为：Estored = 1/2 LIpk2单位时间内，传输的能量必须满足负载连续功率消耗的需求这就意味着在开关管导通期间，存储的能量要足够大，即电流峰值Ipk要满足下式的要求：Pload 1VDC时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保护电路。 欠压锁定电路UVLO：开通阈值16VDC，关闭阈值10VDC。具有滞回特性。 PWM锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。另外，UCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。4.3 其他主要器件的选择（1） 扼

26、流圈电感L1L1是3.3MH共模电感，采取双线并绕，是为了去除共模干扰。（2）安规电容X2X2是安规电容，是为了去除差模干扰(3) 电阻R电阻R1（800K）的作用是为了吸收电路断电后在电容C1(1000uF)储存的电流；电阻R2(4.7K)的作用是为了减少输出的直流电压中的纹波电压；变位器R(20K)的作用是为了输出可调的直流电压。使输出的直流电压可以在25V到45V范围内可调。5、实验测试方法以及数据5.1测试仪器一个交流电源18V、万用表2个、示波器一个、电阻负载若干个：包括510、180、205.2测试方法（1）测试噪声纹波电压峰-峰值、负载调整率以及过流保护功能首先连接好整个系统，在

27、负载两端接万用表测电压，并将电流表与负载串联测电流。在输入电压U1=16.8V,输出电压U2=25V的时候，观察输出纹波电压峰-峰值。设置输出电压为U2=25V，保持U1=16.8V不变，改变负载，观察负载调整率。观察在各输出电压情况下，负载过流时是否具有继电保护功能。负载调整率：电源负载的变化会引起电源输出的变化,负载增加,输出降低,相反负载减少,输出升高。好的电源负载变化引起的输出变化减到最低,通常指标为3%5%。负载调整率是衡量电源好坏的指标.好的电源输出接负载时电压降小。（2）测试系统效率电流表串入整流桥输出端，且处于控制电源引出脚之前；电压表测整流桥输出端电压。同时，在负载端接电压、

28、电流表，测量输出功率。输出功率除以输入功率就是DC-DC变换器的效率。（3）通过调节变位器的大小，来调节输出直流电压，用万用表来显示其输出电压大小。5.3测试数据以及数据分析 5.3.1 测试数据（1）空载情况下，输出纹波电压的峰峰值为10MV，以下是观察示波器的图形：输出直流电压为24.7V（2）带负载510欧姆的电阻，所得到的纹波电压的峰峰值为8.80MV，以下为示波器观察到的图形：输出的直流电压为24.2V，如下图（3） 带负载180欧姆的电阻，所得到的纹波电压的峰峰值为120MV，以下为示波器观察到的图形：输出直流电压为22.6V，如下图5.3.2 数据分析（1）系统效率分析 最大输入功率为I1=0.97A,U1=17(16.8)V,P1=16.296W; 最大输出功率为I2=0.77A,U2=15.9V,P2=12.243W.则电源转换效率为12.243/16.296=0.75（2）通过调节变位器的大小，来调节输出直流电压，用