UC3875脉宽调制高频开关稳压电源设计

1 2 2 2 3 3 4 5 7 7 7 8 9 1各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制度调制，电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30%~40%。因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上kHz集成化方向发展，使开关电路的体积、重量、效率都上了一个台阶。但在PWM较大的开关应力。移相控制零电压开关PWM变换器利用变压器的漏感和功率管的了重量，提高了效率。率密度将越来越大对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有出现新的突破之前重大的技术进展可能很难实现技术创新的重点将集中在2如何提高效率和减小重量。因而工艺技术也将会在电源制造中占的地位越来越高。另外数字化控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向这将有赖于DSP运行速度和抗干扰技术的进一步提高。2.1电路的工作原理整体思路：电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换(高频逆变)得到20-50KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流。首先，将来自电网的220V,50Hz工频交流电送入开关电源电路。选取适当的滤波电路，,将工频交流电中的谐波滤掉，然后经由电力二极管构成的全波整流电路整流，将工频交流电转化为电压约300V的直流电。其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。其工作原理框图如下电压电流取样电路误差比较放大器调制器基准保护电路2.2电路的组成3线路滤波器，稳压电路，分压电路，以及主电路保护.），1、输入滤波器：其作用是将电网存在的谐波过滤，让我们得到高质量的正弦交流电，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级4LWCC25INI2图UC3875开关电源主电路开关电源的特点是频率高、效率高、功率密度高和可靠性高。然而由于其开项措施，即屏蔽、滤波和接地。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁同构成完美的电磁干扰防护。EMI电源滤波器是低通滤波器，它无衰减地把直流、50Hz、400Hz等直流或低频电源功率传送到设备上去，而对经电源传入的EMI噪声进行衰减，保护设备不受干扰；同时又能抑制设备本身产生的EMI传导干扰，防止它进入电源，污染电磁环境，危害其他设备。EMI电源滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要器件，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。它不仅可抑制线上传导干扰，同时对线上辐射发射的抑制具有显著效果EMI电源滤波器分别针对差模传导干扰和共模传导干扰两种类型的传导干扰进行设计。图2-2-1所示的网络结构即为一种典型的电源滤波器电路，对应的共模、5差模滤波等效电路分别如图2-2-2,图2-2-3所示。3.2整流滤波单元输入整流电路采用目前应用最普及的单相桥式不可控整流电路如图2-3-1所单相工频交流电为220V,允许有10%的电网波动，所以输入电压为198V~242V,其峰值为280V～342V。6整流桥二极管承受的最高反向工作电压Umax342V，取50%的余量，则Io6.7A7变换器控制县电压误差放大器负载乘法器误差放大器有源功率因数校正原理框图单相220V、50HZ交流电经过桥式整流后得到100HZ的单相双半波正弦电从电源输入端来看，电路的负载为纯粹的线性电阻，电路的功率因数等于1,实8b本电源DC/DC环节的脉宽调制控制芯片采用美国Unitrode公司针对移相控b制方案所推出的UC3875。下图给出了它的内部结构图。其电气特性如下：①可实现0～100%占空比控制②实用的开关频率可达2MHz③两个半桥输出的导通延时都可单独编程④欠压锁定(UVLO)功能⑤软启动控制功能⑥锁定后的过电流比较器在整个工作周期内均可重新启动⑦适用于电压拓扑和电流拓扑⑧4个2A图腾柱式输出级⑩在欠压锁定期间输出自动变为低电平内部结构方框图如下图所示：fV-a8n4.8VC-D9UC3875芯片是控制电路的核心，由基准电源、振荡器、锯齿波发生器、误端与信号地之间分别并接OUTAOUTBOUTCOUTDnitrode公司的UC3875,它有4个独立的输出驱动端可以直接驱动四只功率MOSFET和OUTD相对于OUTA和OUTB的相位θ是可调的，也正是通过调节θ的大小来进UC3875有20脚和28脚两种，这里仅介绍20脚的UC3875的管脚功能，表1为UC3875管脚示意图PIN功能PIN功能1VREF基准电压10VCC电源电压3E/A-误差放大器的反相输入12PWRGND电源地4E/A+误差放大器的同相输入16FREQSET频率设置端5C/S+电流检测17CLOCK/SYNC时钟/同步6SOFT-START软起动18SLOPE陡度7,15DELAYSETA/B,C/D输出延迟控制19RAMP斜波1管脚4为误差放大器的同相输入端，该脚与基准电压相连，以检测E/A(-)此脚应接一旁路电容到电源地。接于12V稳压电源。为保证芯片正常工作，在该脚电压低于欠压锁定阈值（10.75V）时停止工作。此脚应接一旁路电容到信号地。f=4/（RfCf）该脚可通过很少的器件实现电流方式控制，同(1)开关频率设定将变换器的开关频率设置为70kHz,则振荡器的频率为140kHz。根据取R=24kΩ,可求得C=1190pF(2)死区时间设定B,式中一般取2.5V;(3),锯齿波的设定Up=5V,根据取R=68kΩ,得C=759pF4.3.2波形分析4.4驱动电路控制芯片采用UC3875,它提供了四路图腾柱输出方式的驱动信号，输出电流峰值为2A。M开关管驱动电路在电源系统中，除了前面介绍的PFC整流电路和DC/DC变换电路以外，还必须具有辅助电源、保护电路等辅助电路才能实现整个系统的正常的、安全的运行。另外，电磁干扰也是一个必须考虑的问题。5.1辅助电源设计本系统中需要的辅助电源有：APFC控制电路需要的+17V以上电源，本课题中采用+24V电压；霍尔传感器工作需要的±15V电源；移相全桥变换器控制电路的+15V工作电源。设计一个±15V的稳压电源，电路图如图5-1所示。首先，通过变压器给电路的A、B两端输入18~20V的交流电压。然后通过整流桥整流滤波后得到直流电压，分别接在7815和7915的2脚和3脚之间，即输入端和公共端之间。这样，在输出端即可得到稳定的±15V输出电压了。为了改善纹波电压，在输入端接电容C3、C4,并取值为0.33μF。为改善负载的瞬态响应，在输出端接电容C1和C2,并取值为0.1μF。在输入端和输出端跨接一个保护二极管D3、D4,其作用是当输入端短路时，使C1、C2分别通过D3、D4放电，当有输出电压时，二极管提示正常工作。并且加入一个保护电阻R,以确保二极管的工作电流保持在0.5mA左右。5.2保护电路设计目前，虽然功率开关器件经过长期的发展，性能有了很大的提升，容量提高很大，承受过电压、过电流能力得到提高。但是对于开关器件的过载保护还是必须的。这就要求在出现异常情况(过流、过载、过压、欠压)时，系统能够采取保护。本系统设计了输入过压、输入欠压、输出过压保护、开关管过流保护。四种保护都是通过一个或门UC3875的电流检测端C/S+(5脚),使其电压高于2.5V,导致UC3875关断输出。输入、输出电流分别取自串联在输入、输出回路中的分流器上的信号(0～75mV)。前三种保护电路的实现电路是类似的。输入、输出电压经过分压后送到比较器的同相端或反向端，比较器的另一端接给定电压。当出现任何一种故障时，检测信号电压大于给定电压，比较器反转，输出高或低电平使光耦截止或导通，光耦副端产生大于2.5V的电压送到UC3875的C/S+端，使UC3875封锁脉冲输出来关断主电路的开关管。注意因为输入、输出电压必须隔离，则输入过欠压电路的检测电路必须用另外一种电源供电，而且输出保护信号由光耦隔离后送给封锁端。同时电路中有各自的发光二极管来显示各种电路故障。输入过压、过流保护电路因为采集输入电压、电流的信号只是供保护使用，因此对其线性度要求不高，只要成正向比例即可。输入过压保护电路如图6-2-1其工作原理如下：运放工作在非线性区，当比较器使用。当输入电压高于整定值时，运放输出高电平(+15V),过压保护动作；否则，运放输出低电平(OV),保护不动作。由于电流反馈信号是一个有正负极性的高频脉冲信号，因此加了一个二极管和RC吸收电路，以提高过流保护的精确性。图5-2-1输入过压保护电路输出过压、过流保护电路完全一样，如图6-2-2所示。其原理与输入保护电路相同，但OUTA是来自线性光耦后的输出反馈信号，B为输出比较电压电流。5-2-2输出过压保护电路为了保护全桥电路的主功率管免受过流烧毁的危险，设计开关管过流保护电路，如图6-2-3所示。利用电流互感器TH引检测变压器的原边的电流，经过整流电路将电流信号整流后，由整流电路引到UC3875的电流检测端C/S+。当原边电流过流时，检测到的电压信号超过2.5V,UC3875的输出全部关断，切断送给各个开关管的驱动脉冲。图5-2-3功率开关管过流保护电路图通过此次课程设计，我学了很多，对电力电子技术这门学科有了进一步的认识。设计题目是高频开关电源，说到电源，它无处不在，在我们电气领域，它是必不可少的部分，也是很重要的模块。这次设计的高频开关电源让我对电源有了这次课程设计我设计完成了基于UC8735的脉宽调制高频开关稳压电源的设计。这是一个以前学习中没有接触过的芯片，而且电路的设计中还要有各种保护和检测电路，可以说是比较复杂的。对我来说是个难得的机会。首先通过查找UC8735和电路范例的过程扩展了自己的视野，在网络时代里，我们应该有效的利用好这一资源。它不仅可以给我们提供丰富的资料，还给我们提供了一个高效方便的平台。这次的课程设计的完成，网络提供了很大的助力。其次，这次课程设计,我独立运用所学电力电子知识完成了系统设计。为了完成好这个课程设题还有许多工作有待进一步研究