完整版基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计1毕业设计论文Word格式.docx

1、开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图2.1所示，其中DCDC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2.2是一种电路实现形式。图2.1 开关电源的基本构成图2.2 开关型稳压电源的原理电路2.3 开关电源的优点开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点：（1）功耗小，

2、效率高。功率晶体管在激励信号的激励下，交替工作在饱和导通与截止的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到80%以上。（2）体积小，重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管上的耗散功率大幅降低后，又省去较大的散热片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。（3）稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。此外，改

3、变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压的要求下，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容量的1500一11000。（5）电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电

4、路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。3 开关电源常见的变换器3.1 PWM变换器脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体

5、模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。其工作原理如图3.1图3.1 PWM变换器的基本工作原理多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影

6、响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。3.2 DCDC变换器DCDC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆

7、变整流型变换器。DCDC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图3.2所示。图3.2 电路结构图电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图3.3所示。图3.3 M1导通与截止的等效拓扑 4 基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计4.1

8、UC3842的简介4.1.1 UC3842的工作原理UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流直至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。其他的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装（SO-14），如图4.1所示。SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。图

9、4.1 UC3842封装UC3842的简易方框图如图4.2：图4.2 UC3842的简易方框图UC3842管脚连接如图4.3图4.3 UC3842管脚连接图各管脚功能简介如下：（1） 8脚双列直插塑料封装的器件：1脚 输出补偿，内部误差放大器的输出，并可用于环路补偿。2脚 电压反馈，此脚是内部误差放大器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压，控制脉冲的宽度。3脚 电流取样，在外围电路中，在功率开关管（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，当取样电阻上的电压超过1

10、V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。4脚 RTCT，通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。工作频率可达500kHz。5脚 接地，为控制电路和电源的公共地。6脚 输出端，该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流经此管脚拉和灌。7脚 VCC，控制集成电路的正电源。8脚 Vref，基准电压的参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。（2） 14脚塑料表面贴装封装的器件：3脚 电压反馈，此脚是内部误差放大器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压

11、，控制脉冲的宽度。5脚 电流取样，在外围电路中，在功率开关管（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5脚，控制脉宽。7脚 RTCT，通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。8脚 电源地，一个连回到电源的分离电源地返回端，用于减少控制电路中开关瞬态噪声的影响。9脚 接地，控制电路的返回端，并被连回到电源地。10脚 输出端，该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流经此管脚拉和灌。11脚 Vc，输出高态（Voh）由加到此管脚的电压设定。通过分离的电源连接，可以减小开关瞬态噪声对控制电路的影

12、响。12脚 VCC，控制集成电路的正电源。14脚 Vref，基准电压的参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。2脚,4脚,6脚,13脚 空脚，内部没有连接。4.1.2 UC3842的工作描述UC3842是专门设计用于离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，为设计者提供适应最少外部元件的高性能价格比的解决方案。代表性方框图如图4.4所示：图4.4 UC3842代表性方框图（一）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5.0V的参考电压通过电阻Rt充电，充至约2.8V，再有一个内部的电流宿放电至1.2V。在

13、Ct放电期间，振荡器内产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生一个数量可控的输出静区时间。要注意的是尽管许多的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Tj=25摄氏度时被微调并确保在10%之内，这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。结果显示在图4.5和图4.6中。图4.5 振荡器放电电流与温度关系曲线图4.6 最大输出占空比与定时电阻关系曲线在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定在外部系统时钟上。这可通过将时钟信号加到图4.7所示的电路来

14、完成。为了可靠的锁定，振荡器自振频率应设为比时钟频率低10%左右。图4.8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。图4.7 外部时钟同步图4.8 外部占空比箝位和多器件同步（二）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。同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反相输入监视。最大输入偏置电流为-2.0uA，它将引出输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。图4.9 锁定关断误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿（图4.9）。输出电压因两个二极管压降而失调（1.4V）

15、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1处于其最低状态时（Vol），保证在输出（管脚10）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4.10，4.11）。最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流（0.5mA）和到达比较器的1.0V箝位电平所需的输出电压（Voh）：Rf（min）3.0（1.0V）+1.4V0.5mA=8800图4.10 软启动电路图4.11 带有软启动的箝位电平可调节缓冲降低（三）电流取样比较器和脉宽调制锁存器UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出补偿（管脚1）建立

16、的门限电平时中止。这样在逐周基础上误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。此电压由电流取样输入（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：Ipk（max）=V（pin1）-1.4V3Rs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：Ipk（max）=1.0VRs当设计一个

17、大功率开关稳压器时为了保持Rs的功耗在一个合理的水平上希望降低内部箝位电压。调节此电压的简单方法如图4.12所示。使用了两个外部二极管来补偿内部二极管，以便在温度范围内有固定箝位电压。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。图4.12 箝位电平可调节降低图4.13 电流波形尖脉冲抑制通常在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4.13）。（四） 欠压锁定采用

18、了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：UC3842 16V10V。Vref比较器高低门限为3.6V3.4V。（五） 输出这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达1.0A的峰值驱动电路和典型值为50nS的上升、下降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌模式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。SO-14表面贴装封装为Vc

19、（输出电压）和电源地提供了分离的管脚，恰当地应用可以显著地减小加到控制电路的开关瞬态噪声。这在降低Ipk（max）箝位电平时特别有用。分离的Vc电压输入允许设计者在不受Vcc影响而调节驱动电压时具有更多灵活性。当在Vcc大于20V的系统中驱动功率MOSFET时，通常在该输入端连接一个齐纳箝位。（六） 参考电压5.0V带隙参考电压在Tj=25时调整误差至：2.0%，它首要的目的是为振荡器定时电容提供充电电流。参看部分具有短路保护功能并能向附加控制电路供电提供超过20mA的电流。4.2 主电路的设计本设计以UC3842为核心控制部件，设计一款单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流

20、双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，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。主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。电路原理图如附录图1所示。4.2.1 启动电路如附录图1所示，交流电由CX1,RA+RB,LF1进行低通滤波，组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声；而CY3,CY4,CY5组成EMI滤波器，作为抗共模干扰电路，用于抑制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰有很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经D1D4桥式整流以及电解电容C1滤波后变成400V的脉动直流电压，此电压经R1

21、A降压后给C2充电，当C2的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，R1A的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组TLB，由反馈绕组TLB产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D7稳压管限定UC3842的输入电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。4.2.2 短路过流、过压、欠压保护电路由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如附录图1所示，如果由于某种原因，输

22、出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R1两端的电压上升，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值03V达到1V（即电流超过15A）时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚6无输出，MOS管Q1截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压（在265V以上），UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降lV（正常值是34V）以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，

23、关闭输出。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。4.2.3 反馈电路反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图5.1所示，R13A,R13B,R13C是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR5也随之升高，设定电压大于基准电压（TL431的基准电压为25V），使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当

24、输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。4.2.4 整流滤波电路输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。（1）输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输入端加电容C8，以滤除此噪声干扰。（2）高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺入高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高

25、频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。（3）采用快速恢复二极管DR整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。4.3 主要器件的选择及其功能4.3.1 TL431TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。外部有三极分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。其具体功能可用图4.14的功能模块示意。由图可看出，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分

26、接近VI时，三极管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，电流将从1到100mA变化。图4.14 TL431的功能模块示意图在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。4.3.2 PC817 PC817是一个比较常用的光电耦合器,内部结构如图4.15所示，其中脚1为阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电极。在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三

27、极管，对输出进行精确的调整，从而控制UC3842的工作。同时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。图4.15 PC817内部框图4.3.3 场效应管MOSFET本实验中运用的是N沟道增强型MOSFET,它具有几个明显的优点：工作频率高达200kHz以上，从而可进一步减小开关电源的体积和重量；同时它还具有工作速度快、功率大、耐压高、增益高，几乎不存在存储时间，没有热击穿等优点。当功率MOSFET用作开关器件时，漏源极间电压降与漏极电流成正比。也就是说，功率MOSFET工作在恒定电阻区，因此它实际上像电阻一样起作用。4.3.4 高频变压器 PWM型开关稳压电源的高频变压器，并

28、不需要像脉冲变压器那样不失真地传递原边的脉冲波形，其主要作用是电压变换、功率传送、实现输入与输出之间的隔离。PWM脉宽调制方式，也就是占空比控制方式，通常是在固定开关频率的条件下，直接改变主功率开关管的导通时间宽度。通过取样、比较放大、驱动电路控制开关周期的占空比，把电网输入整流滤波后的直流高压变成了高频交变开关脉冲并传递到副边，再经二次整流滤波输出客户所需要的特定直流电压和电流值。变压器完成的功能有3 个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。此外，变压器还提供其它重要的功能： 通过改变初级与次级匝比，获得所需要的输出电压； 增加多个不同匝数的次级，获得不同的多路输出电压； 为了安全，要求离线供电或

29、高压和低压不能共地，变压器方便地提供安全隔离。5 制作电路板印刷电路板（Printed circuit board，PCB）几乎会出现在每一种电子设备当中。如果在某样设备中有电子零件，那么它们也都是镶在大小各异的PCB上。除了固定各种小零件外，PCB的主要功能是提供上头各项零件的相互电气连接。随着电子设备越来越复杂，需要的零件越来越多，PCB上头的线路与零件也越来越密集了。板子本身的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制作成。在表面可以看到的细小线路材料是铜箔，原本铜箔是覆盖在整个板子上的，而在制造过程中部份被蚀刻处理掉，留下来的部份就变成网状的细小线路了。这些线路被称作导线（conductor pattern）或称布线，并用来提供PCB上零件的电路连接。制作电路板的基本流程：利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对