它激式开关电源毕业设计

1、它激式开关电源设计摘 要电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代,农业、能源、交 通运输、通信等领域迅猛发展,对电影产业提出个更多、更高的要求,如节能、 节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡 关技术,做出最好的电源产品,以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的 电源设备,较之于传统的线性电源,其技术含量高、耗能低、使用方便,并取得 了较好的经济效益。UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出 电压升高时,脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度,亦即占空比 D ,使斩波后 的平均值电压下降,从而达到稳压目的,反之亦然。 U

2、C3842可以直接驱动 MOS 管、 IGBT 等,适合于制作 2080W 小功率开关电源。由于器件设计巧妙,由主电源电 压直接启动,构成电路所需元件少,非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。关键词:开关电源, UC3842,脉宽调制,功率, IGBTEX-STIMULUS POWER-SWITCH DESIGNABSTRACTPower is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, agriculture, energy, transportatio

3、n, communications and other areas Power of the film industry make a greater and higher requirements, such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power workers have been exploring the technology for a variety of rural customs, the

4、 power to make the best products to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results.UC3842 is an excellent curre

5、nt-controlled pulse width modulator. If for some reason, the output voltage increases, the pulse width modulator drive signal will change the pulse width, that is, the duty cycle D, so that the average voltage drop after the chopper to achieve the regulator end, and vice versa how ever.UC3842 can co

6、ntrol direct drive MOS, IGBT, etc., suitable for the production of 20 80W low-power switching power supply. As the device is cleverly designed, launched by the main power supply voltage directly to form circuit components required for a small, very consistent with circuit design, "simplicity fi

7、rst" principle.KEY WORDS:Switching Power Supply, UC3842, PWM , power , IGBT目 录前 言随 着 电 力 电 子 技 术 的 高 速 发 展 ,电 力 电 子 设 备 与 人 们 的 工 作 、生 活 的 关 系 日 益 密 切 , 而 电 子 设 备 都 离 不 开 可 靠 的 电 源 , 进 入 80年 代 计 算 机 电 源 全 面 实 现 了 开 关 电 源 化 , 率 先 完 成 计 算 机 的 电 源 换 代 , 进 入 90年 代 开 关 电 源 相 继 进 入 各 种 电 子 、 电 器 设 备

8、领 域 , 程 控 交 换 机 、 通 讯 、 电 子 检 测 设 备 电 源 、控 制 设 备 电 源 等 都 已 广 泛 地 使 用 了 开 关 电 源 ,更 促 进 了 开 关 电 源 技 术 的 迅 速 发 展 。电力电子技术的发展 , 特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展 , 将开关电源的工作频率提高到相当高的水平 , 使其具有高稳定性和高性价比 等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务,信息技术的发展 对电源技术又提出了更高的要求 , 从而促进了开关电源技术的发展。随着社会经济的不断发展,人们生活水平的不断提高。任何电器和电 气设备要正常工作都离不开电

9、源供电,由于开关电源具有体积小、功率密度 大和工作效率高的一系列优点, 开关电源在人们的工作和生活中得到了广泛 的应用。开关电源 Switching Power Supply具有功耗小、功率高、稳压范 围宽、体积小(重量轻等突出优点,在通讯设备、数控装置、仪表仪器、 影音设备家用电器等电子电路中得到了广泛应用。第 1章 开关电源介绍1.1 开关电源概述开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件, 通过周期性通断开关,控制开关元件的占空比调整输出电压, 开关电源的工作原理可以用图 1-1进 行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui 经开关 S 加至输出端, S 为受控开 关,是一个受开关脉冲控制的

10、开关调整管,若使开关 S 按要求改变导通或断 开时间,就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤 波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压 Uo 。 (b(a(a 电路图; (b 波形图图 1-1开关电源的工作原理为方便分析开关电源电路,定义脉冲占空比如下TT D ON (1-1 式中, T 表示开关 S 的开关重复周期; TON 表示开关 S 在一个开关周期中的 导通时间。开关电源直流输出电压 Uo 与输入电压 Ui 之间有如下关系:Uo=Ui D (1-2由式 (1-1和式 (1-2可以看出,若开关周期 T 一定,改变开关 S 的导通时间 n 0T ,即可改变脉冲

11、占空比 D ,从而达到调节输出电压的目的。 T 不变, 只改变 n 0T 来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制 (PWM。由于 PWM式的开关频率固定,输出滤波电路比较容易设计,易实现最优化,因此 PWM 式开关电源用得较多。若保持n 0T 不变,利用改变开关频率 f=1/T实现脉冲 占空比调节,从而实现输出直流电压 Uo 稳压的方法,称做脉冲频率调制 (PFM。由于该方式的开关频率不固定,因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变n 0T ,又改变 T ,实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调 频调宽方式。在各种开关电源中,以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有 应用。开关电源的基本组

12、成如图 1-2所示。其中 DC/DC变换器用以进行功率变 换,它是开关电源的核心部分;驱动器是开关信号的放大部分,对来自信号 源的开关信号进行放大和整形,以适应开关管的驱动要求;信号源产生控制 信号,该信号由它激或自激电路产生,可以是 PWM 信号、 PFM信号或其他 信号;比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算,控制开关信号 的幅值、 频率、 波形等,通过驱动器控制开关器件的占空比,以达到稳定 输出电压值的目的。除此之外,开关电源还有辅助电路,包括启动、 过流 过压保护、 输入滤波、 输出采样、 功能指示等电路。反馈回路检测其输 出电压,并与基准电压比较,其误差通过误差放大器进行放大

13、,控制脉宽调 制电路,再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间,从而调整输出电压。 DC/DC变换器有多种电路形式,其中控制波形为方波的 PWM 变换器以及工作 波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。 开关电源的负载变换瞬态响应 主要由输出端 LC 滤波器的特性决定,所以可以通过提高开关频率、 降低输 出滤波器 LC 的方法来改善瞬态响应特性。 图 1-2 开关电源的基本组成开关电源具有如下特点:(1 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态,所以调整管 的功耗小,效率高,一般在 80%90%,高的可达 90%以上;(2 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器,节省了大量的漆 包线和

14、硅钢片,从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5,体积也大大缩小 了;(3 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270 V 内变化时,输出 电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路,还可使稳压范围更宽并保 证开关电源的高效率;(4安全可靠。 在开关电源中, 由于可以方便地设置各种形式的保护电路, 因此当电源负载出现故障时,能自动切断电源,保障其功能可靠;(5 功耗小。由于开关电源的工作频率高,一般在 20 kHz 以上,因此滤 波元件的数值可以大大减小,从而减小功耗;特别是,由于功率开关管工作 在开关状态,损耗小,不需要采用大面积散热器,电源温升低,周围元件不 致因长期工作

15、在高温环境而损坏, 因此采用开关电源可以提高整机的可靠性 和稳定性。1.2 开关器件同处理信息的电子器件相比,开关电源的电子器件具有以下特征: (1 能处理电功率的大小,即承受电压和电流的能力是开关器件最重要 的参数,其处理电功率的能力小至毫瓦级,大至兆瓦级,大多远大于处理信 息的电子器件。(2 开关器件一般都工作在开关状态,导通时 (通态 阻抗很小,接近于 短路, 管压降接近于零, 电流由外电路决定; 阻断时阻抗很大, 接近于断路, 电流几乎为零,管子两端电压由外电路决定。(3 开关器件的动态特性也是很重要的方面,有些时候甚至上升为第一 位的重要问题。 作电路分析时, 为简单起见往往用理想开

16、关来代替实际开关。 (4 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控 制电路之间,需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大,这就是开关 器件的驱动电路。(5 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏,不 仅在开关器件封装上讲究散热设计,在其工作时一般都要安装散热器。导通 时,器件上有一定的通态压降;形成通态损耗阻断时,开关器件上有微小的 断态漏电流流过;形成断态损耗时,在开关器件开通或关断的转换过程中产 生开通损耗和关断损耗,总称开关损耗。对某些器件来讲,驱动电路向其注 入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准

17、电压源。它的输 出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref (2.5V 到 36V 范围内的任 何值。该器件的典型动态阻抗为 0.2,在很多应用中可以用它代替齐纳二 极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压电源,开关电源等等。 TL431是 一 种 并 联 稳 压 集 成 电 路 。因 其 性 能 好 、价 格 低 ,因 此 广 泛 应 用 在 各 种 电 源 电 路 中 。TL431特点:(1最大输出电压为 37V ;(2电压参考误差:±0.4%,典型值 25(TL431B ;(3低动态输出阻抗,典型 0.22;(4负载电流能力 1.0mA -100mA;(5等效全范围温度系数

18、 50 ppm/典型;(6温度补偿操作全额定工作温度范围;(7低输出噪声电压;(8输 出 电 压 范 围 为 2.5V-36V ; 内 基 准 电 压 为 2.5V ;(9 最 大 工 作 电 流 150mA ;R KA图 1-3 TL431的外观和管脚TL431的 具 体 功 能 可 以 用 图 1-4的 功 能 模 块 示 意 。 由 图 可 看 到 , VI 是 一 个 内 部 的 2.5V 的 基 准 源 , 接 在 运 放 的 反 向 输 入 端 。 由 运 放 的 特 性 可 知 ,只 有 当 REF 端(同 向 端 的 电 压 非 常 接 近 VI (2.5V 时 ,三 极 管

19、中 才 会 有 一 个 稳 定 的 非 饱 和 电 流 通 过 ,而 且 随 着 REF 端 电 压 的 微 小 变 化 通过三极管的电流将 从 1到 100mA 变 化 。 当 然 , 该 图 绝 不 是 TL431的 实际 内 部 结 构 , 但 可 用 于 分 析 理 解 电 路 。 图 1-4 模块图电力二极管(Power Diode自 20世纪 50年代初期就获得应用,当时也 被称为半导体整流器,并已开始逐步取代汞弧整流器。虽不是可控器件,但 其结构原理简单,工作可靠,所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多 电气设备中。电力二极管可分为普通二极管 , 快恢复二极管 , 肖特基二极管

20、 三种。1. 普通二极管 (General Purpose Diode普通二极管又称为整流二极管 (Rectifier Diode ,多用于开关频率不高 (1 kHz以下 的整流电路中。其反向恢复时间较长,一般在 5 s以上,这在 开关频率不高时并不重要。 其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很 高,分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管 (FRD快恢复二极管是恢复过程很短,特别是反向恢复过程很短的二极管,简 称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施,有的采用 PN 结 型结构,有的采用改进的 PiN 结构。采用外延型 PiN 结构的快恢复外延二极 管 (Fast Rec

21、overy Epitaxial Diodes, FRED ,其反向恢复时间更短 (可低 于 50 ns,正向压降也很低 (0.9 V左右 ,但其反向耐压多在 400 V以下。 快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级, 前者反向恢复 时间为数百纳秒或更长,后者则在 100 ns以下,有的甚至达到 2030 ns。 3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管 (SBD,简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多,主要是:反向恢 复时间很短 (1040 ns,正向恢复过程中不会有明显的电压过冲;在反向 耐压较低的情况下其正向压降也很小,明显低于快恢

22、复二极管;其开关损耗 和正向导通损耗都比快速二极管还要小,效率高。肖特基二极管的不足之处 是:当反向耐压提高时,其正向压降也会高得不能满足要求,因此多用于 200 V以下;反向漏电流较大且对温度敏感,因此反向稳态损耗不能忽略, 而且必须更严格地限制其工作温度。光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件。 PC817是常用的线性光 藕,在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件,具有上下级电 路完全隔离的作用,相互不产生影响。目 的 在 于 增 加 安 全 性 ,减 小 电 路 干 扰 , 简 化 电 路 设 计 。当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受 光线后导通,

23、产生光电流从输出端输出,从而实现了“电 -光 -电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号 ,不适合传输模拟信号。线 性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件, 能够传输连续变化的模拟电压或 电流信号,这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号,从而使光敏 晶体管的导通程度也不同,输出的电压或电流也随之不同 ,PC817光电耦合 器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。主要应用范围:开关电源、 适配器、充电器、 UPS 、 DVD、空调及其它家用电器等产品。 图 1-5 PC817的外观和内部结构1. 电力场效应晶体管电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的 MOS 型,简称电力 MOSF

24、ET 。其 特点是:用栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要的驱动功率小, 开关速度快,工作频率高,热稳定性好,电流容量小,耐压低,一般只适用 于功率不超过 10 kW的电源电子装置。2. 电力场效应晶体管的结构和工作原理 (a N沟道内部结构断面示意图; (b 电气图形符号图 1-5 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号电力 MOSFET 的种类按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道,当栅极电压为 零时漏极之间就存在导电沟道的称为耗尽型;对于 N(P沟道器件,栅极电压大于(小于零时才存在导电沟道的称为增强型。如图 1-5所示,其中 G 为栅极, S 为源极, D 为漏极。电力 MOS

25、FET 的工 作原理是:在截止状态,漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。 P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN 结反偏,漏源极之间无电流流过;在导电状态,在 栅源极间加正电压 UGS ,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过,但栅极 的正电压会将其下面 P 区中的空穴推开, 而将 P 区中的电子吸引到栅极下面 的 P 区表面。MOSFET 具有开关速度快,为电压控制的优点,缺点是导通电压降稍大, 电流、电压容量不大;双极型晶体管却与 MOSFET 管的优点、缺点互易,因 而产生了使它们复合的思想。 IGBT 控制时有 MOSFET 的特点,导通时有双极 型晶体管特点,这种复合管称为绝缘栅双极型

26、晶体管(IGBT 。 IGBT 是 MOS 结构的双极型器件,是具有功率 MOSFET 管的高速性能和双极型器件的低导 通电阻性能的功率器件,具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关 速度快、工作频率高、安全工作区大等优点, IGBT 正逐步取代大功率晶体 管和一些 MOSFET 管的应用领域。IGBT 的应用范围一般都在耐压为 600V 以上、电流为 10V 以上、工作频 率为 1kHz 以上的应用领域。 IGBT 集合了场效应管输入阻抗高、双极性结型 晶体管饱和电压降低的优点。由 IGBT 的结构机理决定了其关断时会发生的 电流“拖动”现象,因而 IGBT 的开关工作频率与功率晶体管(

27、GRT 相当。 C 集电极栅极E 发射极G 栅极C(D集电极 (漏极E(S发射极 (源极 图 1-6 IGBT的图形符号第 2章 主要开关变换电路2.1 滤波电路输入滤波电路具有双向隔离作用, 它可抑制从交流电网输入的干扰信号, 同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图 2-1所示滤波电路是一种复合式 EMI 滤波器, L 1、 L 2和 C 1构成第一级滤波,共模电感 L 3和电容 C 2、 C 3进行第二级滤波 图 2-1输入滤波电路C1用于滤除差模干扰,选用高频特性较好的薄膜电容。电阻 R 给电容提供 放电回路,避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。 C2

28、、 C3跨 接在输出端,能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流, C2、 C3宜选用陶 瓷电容器。2.2 反馈电路电流反馈电路采用电流互感器, 通过检测开关管上的电流作为采样电流, 原理如图 2-2所示。 电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反 馈两路, R 2上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使 U R2变化,U R2接入 UC3842的保护输入端脚,当 U R2=1V 时, UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节 R 1、 R 2的分压比可改变开关管的限流值,实现电流瞬时值的逐周期比较, 属于限流式保护。 输出脉冲关断, 实现对电流平均值的保护,属于截流式保护。两种过

29、流保护互为补充,使电源更为安全可靠。采用电流 互感器采样,使控制电路与主电路隔离,同时与电阻采样相比降低了功耗, 有利于提高整个电源的效率。 图 2-2电流反馈电路电压反馈电路如图 2-3所示。 输出电压通过集成稳压器 TL431和光电耦 合器反馈到 UC3842的脚,调节 R 1、 R 2的分压比可设定和调节输出电压,达到较高的稳压精度。 如果输出电压 U O 升高, 集成稳压器 TL431的阴极到阳极的电流增大,使光电耦合器输出的三极管电流增大,即 UC3842脚对地 的分流变大, UC3842的输出脉宽相应变窄,输出电压 U O 减小。同样如果输出电压 U O减小,可通过反馈调节使之升高

30、。 图 2-3电压反馈电路2.3电压保护电路图 2-4所示为输出过电压保护电路。稳压管 VS 的击穿,电压稍大于输出 电压额定值,输出正常时, VS 不导通,晶闸管 V 的门极电压为零,不导通。 当输出过压时, VS 击穿, V 受触发导通, 使光电耦合器输出三极管电流增大, 通过 UC3842控制开关管关断。 图 2-4输出过电压保护电第 3章 UC38423.1 UC3842简介继 MC1394、 AN5900之后,人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动 集成电路。其特点是除内部 PWM 系统外,还设有多路保护输入和稳定的基准 电压发生器,同时还具有小电流启动功能。典型的 UC3842就

31、是其中的代表, 它功能完善,性能可靠,目前广泛被各种普通电源采用,还被用于有源因数 改善电路和高压升压式开关电源中。 UC3842是美国 Unitrode 公司生产的一 种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。UC3842为 8脚双列直插式封装, 其内部原理框图如图 1所示。 主要由 5.0V 基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较 器、 PWM 锁存器、高增益 E/A误差放大器和适用于驱动功率 MOSFET 的大电 流推挽输出电路等构成。端 1为 COMP 端;端 2为反馈端;端 3为电流测定 端;端 4接 Rt 、 Ct 确定锯齿波频率;端 5接地;端 6为

32、推挽输出端,有拉、 灌电流的能力;端 7为集成块工作电源电压端,可以工作在 840V ;端 8为内部供外用的基准电压 5V ,带载能力 50mA 。 Vcc7VrefRt/CtVfb Comp 653图 3-1 UC3842的引脚如图 3-1 :1脚为内部误差放大器输出端,外接阻容元件可改善误差放大器的增益 和频率特性 ;2脚为误差放大器的取样电压输入端,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,而控制脉冲宽度;3脚为 PWM 比较器的另一输入端,当检测电压超过 lV 时停止脉冲输出使 电源处于间歇工作状态;4脚为定时电容 CT 端, 内部振荡器工作频率由外接的阻容

33、时间常数决定, f=1.8/(RT ×C T ;5脚为接地端。6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±lA ;7脚为启动 /工作电压输入端脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功 能,芯片功耗为 15mW 。8脚为内部 5V 基准电压输出端,有 50mA 的负载能力。UC3842为双列 8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路,其内部 电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、 PWM 锁存电路、 5VC 基准 电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等,见图 3-2 图 3-2 UC3842的内部结构(1 5V的基准电源 :内部

34、电源 , 经衰减得到 2.5v 作为误差比较器的比较 基准 . 该电源还可以提供外部 5V/50mA.(2振荡器 :产生波振荡 .R T 接在 4RET 8脚之间 ,C T 接 4GND5之间 . 频率f=1.8/C T RT, 最大为 500kHz.(3误差放大器:由 VFB 端输入的反馈电压和 2.5V 做比较, 误差电压 COMP 用于调节脉冲宽度。 Comp 端引出接外部 RC 网络 , 以改变增益和频率特性 .(4输出电路:图腾柱输出结构, 电路 1A , 驱动 MOS 管及双极型晶体管。(5电流取样比较器:脚 ISENSE 用于检测开关管电流, 可以用电阻或 电流互感器采样,当 V

35、ISENSE>1V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。(6欠压锁定电路 VVLO :开通阈值 16V ,关闭阈值 10V 。具有滞回特性。(7 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, VCC 与 GND 之间的稳压管用于保护, 防止器件损坏。 图腾柱输出电路 (Totem Pole :由于此结构画出的电路图有点像印第安 人的图腾柱,所以叫图腾柱式输出,也叫图腾式输出。输出极采用一个上电 阻接一个 NPN 型晶体管的集电极, 这个晶体管的发射极接下面管子的集电极 同时输出;下晶体管的发射极接地。两晶体管的基极分别接前级

36、的控制。就 是上下两个输出晶体管,从直流角度看是串联,两晶体管联接处为输出端。 上晶体管导通下晶体管截止,输出高电平;下晶体管导通上晶体管截止,输 出低电平;上下两晶体管均截止,则输出为高阻态。在开关电源中,类似的 电路常称为“半桥电路” 。(1采用单端图腾柱式 PWM 脉冲输出,输出驱动电流为±200mA ,峰值可 达±1 A。(2启动电压大于 16 V,启动电流仅 1 mA即可进入工作状态。处于正常 工作状态时,工作电压在 1034 V之间,负载电流为 15 mA。超出此限制, 开关电源呈欠电压或过电压保护状态,无驱动脉冲输出。(3内设 5 V(50 mA基准电压源,经

37、 2 1分压后作为取样基准电压。(4 输出电流为 200 mA,峰值为 1 A,既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET 管。若驱动双极型三极管,应加入开关管截止加速 RC 电路,同时将 内部振荡器的频率限制在 40 kHz 以下。若驱动 MOSFET 管,振荡频率由外接 RC 电路设定,工作频率最高可达 500 kHz。(5 内设过流保护输入 (3脚 和误差放大输入 (1脚 两个 PWM 控制端。误 差放大器输入构成主 PWM 控制系统,可使负载变动在 30%100%时输出负 载调整率在 8 %以下,负载变动在 70%100%时负载调整率在 3%以下。(6 过流检测输入端可对每个脉冲进行控制

38、,直接控制每个周期的脉宽, 使输出电压调整率达到 0.01%/V 。如果脚电压大于 1 V 或脚电压小于 1 V , PWM 比较器输出高电平使锁存器复位,直到下一个脉冲到来时才重新置 位。利用脚和脚的电平关系,在外电路控制锁存器的开 /闭,使锁存器 每个周期只输出一次触发脉冲。因此,电路的抗干扰性极强,开关管不会误 触发,提高了可靠性。(7 内部振荡器的频率由脚外接电阻与脚外接电容设定。 集成电路内 部基准电压通过脚引入外同步。脚和脚外接 RT 、 CT构成定时电路, CT 的充电与放电过程构成一个振荡周期,其振荡频率可由下式近似得出:(3-13.2 UC3842的典型应用电路反激电路中的变

39、压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的 电感。工作过程是:开关开通后, V 处于断态,初级绕组的电流线性增长, 电感储能增加;开关关断后,初级绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量 通过次级绕组和 V 向输出端释放。图 3-3是反激式开关电源原理图, 其中的控制芯片采用 UC3842。 电源的 输出电压等级有三种:+5V 、+12V 、-12V 。该电路变换器是一个降压型开 关电路。由单管驱动隔离变压器 TC 主绕组 N 1电流, C 2、 R 3可以提供变压器原边泄放的通路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源 V cc 由 R 2从整TT T T C 8. 155. 011C R

40、 C R T f =流后电压提供提供。 V cc 同时也作为辅助反馈绕组 N 3的反馈电压。反馈比较电路信号是从辅助绕组 N 3 经过 V1、 V2、 C3、 C4等整流滤波后得到的 V cc 分压提取的。 C 6、 R 7构成信号的有源滤波。开关管电流被 R 10取样后,经 R 9 、 C7滤波,送芯片 ISENSE 端,当反馈信号值超过阈值 1V 时,确认过载,关断电源输出。芯片输出部分由 OUT 端驱动单 MOSFET 管, C 8 、 V3对开关管有电压钳位作用 。 图 3-3 UC3842组成的反激式电源图 3-4为使用它激式驱动电路 UC3842组成的 5V /10A 开关稳压电源

41、。 其基本技术参数如下:输入电压 816V ,输出电压 5V ,最大负载电流 10A , 输出端脉冲纹波峰值 <80mV,输入电压、负载电流以及环境温度在额定范围 内变化时输出电压变动小于 2 %, 环境温度 -10+70, 变换器频率 120KHz , 在允许的输入电压范围内,负载电流最大时开关电源的平均效率 95%。 设驱动脉冲在 Tn 期间,变换器开关管导通,向电感存储磁能。存储能 量正比于 Tn 的脉冲宽度。在驱动脉冲 Tn 截止后,经过设定的死区时间 T D ,脉冲间歇期的低电平输出通过控制电路,使续流二极管上并联的开关管导 通。低内阻的 MOSFET 管 D -S 极并联接入

42、续流二极管,使电路等效内阻大幅度降低,储能电感能量释放电流增大,向负载放电。死区时间的设定,是为 了避免两只不同功能开关管形成瞬间共态导通, 造成供电电路短路损坏开关 管。由于 MOSFET 管无存储效应,可以将死区时间 T D 设置短一些,更利于在稳压电路的控制下大范围改变脉宽速度,以实现更大的稳压范围。 图 3-4 基于同步整流技术的电源电路UC3842采用脉冲宽度调制方式稳定输出电压,其各脚功能及外围元器 件作用如下:1脚为内部误差比较器的误差检测输出端,在集成电路内部控制脉宽 调制器。 外电路接入 R 2作为负反馈电阻, 以稳定增益。 C 8作为频率特性校正, 避免比较器产生自激。2脚

43、为比较器正向输入端。稳压器输出 5V 电压,由 R 4、 R 1分压,正常稳压状态为 2.5V 取样电压。比较器的反向输入端在集成电路内部,由 5V 基 准电压分压得到 2.5V 基准电压。3脚为高电平保护输入端,其输入电平保护阈值为 1V 。在 1V 以下,可以控制输出驱动脉冲的脉宽,达到 1V ,则瞬间关断输出脉冲。在图 4-12中,由电流互感器 T 1对开关管 VT 2导通电流取样,经 V 1整流, R 5、 R 6分压后,送入集成电路脚作为开关管过流保护。电容器 C11为高次谐波旁路电容, 以避免脉冲尖峰使保护电路误动作。 4脚为内部振荡器的外接定时电路端子, 5V 基准电压通过电阻向

44、电容器 C 10 充电。 R3、 C10设定振荡器的脉冲频率。该振荡器频率设定为 120KHz 。 5脚为共地端。 6脚为 PWM 驱动脉冲输出端, 用以驱动 P-N 沟道对管 VT l 组成的移相驱 动器。 7脚为供电端,接入 816V 输入电压。该电路的同步整流器由 VT 1 、 VT2和 VT3组成。开关管 VT2为 P 沟道 FET管 IRF4905,其漏源极导通电阻为 20M ,关断时间 80ns 。开关管 VT3为 N 沟道 FET 管 IRF3205,其导通电阻 8M ,其漏一源极并联接在续流二极管 V 2 两端。 V2为反压 10V 、最大电流 30A 的肖特基二极管,当负载电

45、流最大时,其饱和压降在 0.5V 左右。 VT 3 导通后,与 V2并联,将此电压降低到 100mV ,大大降低了开关管的损耗。为了实现 VT 2 、 VT3的轮流导通,电路中由双场效应管 VT1组成驱动脉冲相位分离电路。 VT 1 内部由 P 沟道和 N 沟道 FET 对管组成。当 IC1脚输出驱动脉冲为高电平时, VT 1 内部 P 沟道 FET 管截止, N 沟道 FET 管导通, VT 2栅极通过 R 7 、 VT1脚和脚得到电压, VT2导通,输入电压通过 VT2源一漏极加到 L2左端,由电源向 L2存储磁能,同时向负载供电。电流呈线性增长。当驱动脉冲达到截止点时, C l2 充电电

46、压最大。在 VT2导通的同时, VT1导通,其脚和脚将 VT 3 栅源极短路,使 VT3截止。在 L2存储能量期间, VT 2也反偏截止。在驱动脉冲的截止期, IC 1 脚输出低电平, VT1内部 P 沟道 FET 管导通,将 VT 2 的栅源极短路。此时 VT1的 N 沟道 FET 管截止。使 VT2也截止, L 2释放磁场能量, V 2 正偏导通, VT1脚漏极输出高电平经过 R7,使 VT3导通,其漏源极低内阻并联在续流二极管 V 2 两端,使 L2的释放电流增大。此部分电路中,利用 MOS FET 管的快速开关特性对 VT 2、 VT 3的导通/截止进行控制,使 VT 2、 VT 3开

47、关损耗进一步降低。由于 L 2在磁 -电的存储/释放过程中难免形 成开关脉冲纹波,因此电路中滤波电容 C 12为 6只 100F 的电容并联,以有 效地降低电解电容的分布电感,使其高次谐波的滤波性能更好。由 UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图 3-5。储能电感 L5、 开 关管 VT7组成斩波式开关稳压器, UC3842构成开关控制电路。输入经负温 度系数电阻 NTC 、桥式整流器、电容 C4,成为直流电压,正极经 L5并联接 入 VT7。当 VT7导通时,输入整流电压经 L5、 VT7漏源极、 R6完成回路,输 入整流电压全部加在 L5两端,从而使电能变为磁能存储于 L5。当 VT

48、7截止 时, L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接,通过升压二极管 V6、 电 容 C7向负载供电。 VT7导通时间正比于 L5存储能量,因此,控制 VT7通断 占空比,可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入,取代了 传统的交流输入 110/220 V自动切换电路。 图 3-5 由 UC3842组成的它激式升压开关电源电路在图 3-5中,升压电路由 UC3842为核心,构成它激式开关电路。为了 提高升压电路的可靠性, UC3842采用多路取样的控制方式形成保护电路。 UC3842在该开由 UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感 L5、开关管 VT7组成斩波

49、式开关稳压器, UC3842构成开关控制电路。输 入经负温度系数电阻 NTC 、桥式整流器、电容 C4,成为直流电压,正极经 L5并联接入 VT7。当 VT7导通时,输入整流电压经 L5、 VT7漏源极、 R6完 成回路,输入整流电压全部加在 L5两端,从而使电能变为磁能存储于 L5。 当 VT7截止时, L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接,通过升压二 极管 V6、 电容 C7向负载供电。 VT7导通时间正比于 L5存储能量,因此, 控制 VT7通断占空比,可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压 输入,取代了传统的交流输入 110/220 V自动切换电路。为了使振荡频率稳定, C

50、12的充电电压取自 UC3842脚内部的 5 V 基准 电压。如果电路故障使 UC3842输出驱动脉冲占空比过大时, VT7导通时间 将变长,截止时间将缩短,其漏源极平均电流增大,致使过流取样电阻 R6、 R7压降增大,此时 UC3842脚电压升高,通过内部比较器控制触发器,使 驱动脉冲占空比减小。如果过流取样电压达到 1 V 左右,则自动持续关断驱 动脉冲,避免输出电压超高损坏负载电路和开关管。第 4章 利用 UC3842设计小功率电源4.1 电源设计指标小型电源输入、输出参数如下: 输入电压:AC 110/220V; 输入电压变动范围:90240V ; 输入频率:50/60Hz; 输出电压

51、:12V ;输出电流:2.5A 。控制电路形式为它激式,采用 UC3842为 PWM 控制电路。电源开关频率 的选择决定了变换器的特性。开关频率越高,变压器、电感器的体积越小, 电路的动态响应也越好。 但随着频率的提高, 诸如开关损耗、 门极驱动损耗、 输出整流管的损耗会越来越突出,而且频率越高,对磁性材料的选择和参数 设计的要求会越苛刻。 另外高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预 料, 整个电路的稳定性、 运行特性以及系统的调试会比较困难。 在本电源中, 选定工作频率为 85kHz. 。1 变压器和输出电感的设计依据 UC3842应用方式,选定定时电阻 R T =1.8k ,定时电容

52、C T =10F 。 确定开关频率 f =85kHz ,周期 T =11.8s 。设计单端控制开关电源时,一般占空比 D 最大不超过 0.5,这里选择 D =0.5,则(9. 5S D T T ON =(4-1根据电源规格、输出功率、开关频率选择 PQ26/25磁芯,磁芯截面积 S =1.13cm 2,磁路有效长度 L =6.4cm ,饱和磁通密度 B S =0.4T 。取变压器最 大工作磁感应强度 B max =B S /30.133T,则电感系数 A 为:/(44. 410 /4. 0(26N H l S A =- (4-2 变压器原边线圈匝数 N 1为:SB T U N MAX ON I

53、 = /(1 (4-3式中, U I 最小直流输入电压。交流输入电压的最小值约为 90V , U I =90×2127(V,得出 N 1=49.9匝,取 50匝。原边线圈电感 L =AN 12=11.1(mH。副边线圈匝数为:m ax012(D U U U U N N I L DF +=式中:U DF 整流二极管 VD l 上的压降; U L 输出电感 L 上的压降。 取 U DF +U L =0.7V ,代入式 (6-4,得 N 2=10匝。副边线圈电感为:H A N L L 444222= (4-5开关管断开时, N 1两端将会产生感应电动势, 为了保证开关管正常工作, 将感应电

54、动势限制到 e =300V。反馈电线圈向 UC3842提供 U =12V 的工作电 压,按电容 C 1上的电压 U C =16V 计算,以保证有足够的供电电压给 UC3842。 由 N 3=(UC /eN1可得 N 3=2.67匝,取 3匝。变压器副边电流为矩形波,其有效值为:AD I I 77. 1m ax 02= (4-6导线电流密度取 4A/mm2,所需绕组导线截面积为 1.77/40.44(mm2 。同 样可选择原边绕组导线,原边电流有效值为:A D I N N I 354. 0max 0121=(4-7所需绕组导线截面积为 0.354/4=0.0885mm 2,选用截面积为 0.09

55、621mm 2的导线 (0.41mm 。取输出电感的电流变化量 I L =0.2I O =0.5A ,则输出电感为:ONLODF T I U U U L -=2式中:U 2副边线圈最小电压。 计算得:(4. 252V D U U U U LDF O =+=(4-4(4-9(4-8取 U DF =0.5V , U O =3V ,代入式 (6-8可得 L =140H 。根据输出电感上 的电流 I L =I O ,所需绕组导线截面积应为 2.5/4=0.625mm 2,选择截面积为 0.6362mm 2导线 (0.96mm 。小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路,电源结构简 单,工作可

56、靠,成本低。与单端反激式电路相比,单端正激式电路开关电流 小,输出纹波小,更容易适应高频化。用电流型 PWM 控制芯片 UC3842构成 的单端正激式开关稳压电源的主电路如图 4-1所示。单端正激式开关稳压电源加有磁通复位电路,以释放励磁电路的能量。在图 4-1中,开关管 VT 导通时 V 1 导通,副边线圈 N2向负载供电, V4截止,反馈电线圈 N 3 的电流为零; VT 关断时 V1截止, V4导通, N3经电容 C1滤波后向 UC3842脚供电,同时原边线圈 N 1 上产生的感应电动势使 V3导通并加在RC 吸收回路。由于变压器中的磁场能量可通过 N3泄放,而不像一般的 RCD 磁通复

57、位电路消耗在电阻上,达到减少发热,提高效率的目的。 图 4-1单端正激式开关电源的主电路图4.2启动电路图 4-2输入 220v 交流电,经过 C1、 L、 C2进行低通滤波 滤波后的交 流电压经 D1D4桥式整流以及电解电容 C1、 C2滤波后变成 3l0V 的脉动直 流电压,此电压经通过电阻 R18分压给 uc3842提供启动电压,当电压达到 16v 时达到芯片的启动电压, UC3842开始工作并提供驱动脉冲, uc3842的启动电压大于 16 V,启动电流仅 1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状 态时,工作电压在 1034 V之间,负载电流为 15 mA。超出此限制,开关 电源呈欠电压或过电压保护状态,无驱动脉冲输出。 图 4-2高频滤波整流电路4.3PWM 脉冲控制驱动电路 2 1图 4-3 PWM脉冲控制驱动电路图 4-3由分压电阻 R1