开关电源实验报告 产品培训.docx
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开关电源实验报告产品培训
开关电源实验报告
一、实验名称
30W-12V开关电源制作
二、实验目的
1.掌握BUCK降压型反激式开关电源原理、焊接、调试。
2.熟悉UC3842主要性能参数、端子功能、工作原理及典型应用。
三、实验要求
1.输入电压AV220V，调节输出电压为DC12V，输出功率30W。
2.掌握电路板焊接工艺。
四、实验介绍
开关电源介绍
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
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来调整输出电压。
开关电源具有以下特征：
电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；
输出与输入之间有良好的电气隔离；
可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。
本次实验是要采用UC3842制作一路输出的AV220V-DC12V的30W开关电源。
开关电源原理
电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4部分组成。
主电路采用单端反激式拓扑。
控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能，电路电流环控制采用UC3842内部电流环，电压外环采用TL431和PC817构成外部误差放大器。
输入市电首先经过滤波、整流后变换为直流电压，再经过直流变换器变换为所需的直流电压；通过检测和控制电路对其输出进行调整。
图4-1开关电源基本结构框图
主要元器件介绍
1）UC3842
〈1〉UC3842简介：
UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流直直流变换器应用而设计的，这些集成电路具有可微的振荡器，能进行占空比的控制、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入，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。
〈2〉UC3842的性能特点：
它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。
能通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。
最高开关频率为500kHZ,频率稳定度达0.2%。
电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。
输出电流为200mA，峰值为1A，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40kHz以下；若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定。
内部有高稳定度的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1V的偏差。
温度系数为0.2mV/℃。
稳压性能好。
其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器（例如LM317）相媲美。
启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。
除具有输入端过压保护与输出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。
最高输入电压
=30V，输出最大峰值电流
=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗
=1W,最大输出功率
=50W。
启动电压大于16V、启动启动前电源电流仅0.5mA。
处于正常工作状态时，工作电压在10～34V之间，负载电流为15mA。
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。
内设5V（50mA）基准电压源，经2∶1分压后作为取样基准电压。
内设过流保护输入端（3脚）和误差放大器输入端（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70%～100%时输出负载调整率在3%以下。
过流检测输入端可对逐个脉冲控制，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3脚电压大于1V或1脚电压小于1V，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1脚和3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。
〈3〉UC3842的引脚排列及内部框图
图4-2UC3842结构图
UC3842采用DIP-8封装如上图4-2，管脚
、
、GND端分别接输入电压、输出电压、地。
为内部5.0V基准电压引出端。
/
是外接定时电阻、定时电容的公共端。
UC3842内部框图如图2,其主要包括5.0V基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管。
5V基准电源：
内部电源，可以提供5V/50mA的输出。
振荡器：
决定电源开关频率，RT接在4脚和8脚之间，CT接4脚、GND和5脚之间。
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。
电流取样比较器：
3脚ISENSE用于检测开关管电流，当UISENSE>1V时，关闭输出脉冲，迫使开关管关断，达到过流保护的目的。
欠压锁定电路UVLO：
开通阈值16V，关闭阈值10V，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，即所谓逐个脉冲控制。
另外，VCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。
输出电路：
图腾柱输出电路，输出PWM触发信号，可驱动MOS管及双极型晶体管。
2）TL431
TL431在开关电源中起到误差放大器的作用，将产生的直流电压与标准的+12V比较，将误差通过PC817送到UC3842中，从而控制Q1的开通和关断。
将输出的电压经R19和R18降压，输入TL431进行比较，再通过电位计SVR调节，使输出电压达到+12V。
〈1〉内部结构
TL431内部结构如图4-3所示。
图4-3TL431的内部结构图
〈2〉TL431的相关参数
在绝对极大等级下；阴极电压可达到37V，阴极电流值范围为-100~+150mA。
一般在实际应用时，阴极电压取36V，阴极流过的电流值为100mA。
反馈输入电压为2.495V，反馈输入电流为1.5mA。
〈3〉TL431的典型应用
图4-4分流校准器图4-5三端输出控制校准器
图4-6高压分流校准器图4-7限压或限流电路
图4-8恒定的频变电路
3）PC817
PC817是常用的线性光耦，广泛用在电脑终端机、可控硅系统设备、测量仪器、影印机、自动售票、家用电器，如风扇、加热器等。
电路之间的信号传递，常常在各种要求比较紧密的功能电路中被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。
使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
〈1〉PC817的特点及内部引脚
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，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。
图4-9PC817内部结构图
图中1号引脚为阳极，2号引脚为阴极，3号引脚为发射机，4号引脚为集电极。
输入侧正向电流为50mA，峰值正向电流可以达到1A，反向电压为6V，功耗70mW。
输出侧集电极发射极电压为35V，集电极电压为6V，流过集电极的电流为50mA。
开关电源工作原理
1）开关电源滤波原理
该滤波器有两个输入端和一个接地端，两个输出端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感LFIA、滤波电容器CY1、CY2、CX1。
CY1、CY2跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。
LFIA对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。
2）整流电路原理
从电源滤波输出后的电压经整流滤波器输入，经过BD1进行桥式全波整流得到非稳压的直流输出。
采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。
3）振荡电路原理
由R12、C6与UC3842内部振荡器，+5V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。
+5V基准电压经过定时电阻R12给C6充电，然后C6再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。
由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C7。
4）输出电路原理
由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842PWM波调整，通过Q1进行功率转换，直流电压从T原边N1流经Q1输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D6整流，C13-C15滤波，再经过平波电抗器L1使输出为平滑稳定的12V稳压输出。
N2输出用作电压负反馈。
图4-3开关电源电路原理图
交流220V电源输入先经双向滤波器，过滤电网上的干扰谐波，再经桥式整流电路变成直流；
再利用高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，控制反激式斩波电路的输出电压，再经过滤波电路得到输出电压；
输出部分通过光电耦合反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的；
在变压器部分存在回馈电路是辅助电路，在桥式整流电路的输出是控制PWM电路的起振。
从电网取出的220V交流输入电压经过隔离变压器输出220V交流电压，这样做的目的是防止开关电源出现问题时产生较为严重的损失。
220V交流输入电压CON3经双向滤波器CY1、CY2和滤波电容CX1输出220V直流电压，保险丝FS的使用是为了防止浪涌电流损坏整流桥BDKBP210。
整流过的高电压（280~300VDC）经过稳压管C1接到变压器的一端上，变压器的另一端接到高压MOSFETQ1的Source。
为了保证控制电路的正常工作，D2、R3、C4、C5构成辅助电源为控制芯片UC3842提供工作电压。
根据反激式变换器的工作原理，当电压由正半周期到负半周期时，电压传到变压器的另外一边。
经滤波电容和电感的作用，在输出端得到稳定的+12V直流电压。
在控制信号部分，如果要让UC3842开始工作，必须要给芯片提供一个工作电压。
而提供工作电压的辅助电源，在正半周期是不工作的，因为在正半个周期由于反激式变换器的缘故没有给辅助电源提供电压。
这时经过R7降压就得到一个+5V电压，这个电压可以为UC3842提供电压，所以R7可以起到启动电路的作用，R7的阻值就要求很大，可以达到100K。
在R18和R19的公共短接入反馈电压，下面的R19、R17、SVR1、TL431和C11构成误差放大器，将误差信号通过光电耦合器PC817传到三极管的基极。
UC3842的启动电压为+12V，这样也起到了标准电压的作用，将反馈电压和标准电压进行比较，从UC3842的6号引脚输出控制MOSFET的开通和关断来减小误差。
UC3842为主回路提供一个方波信号，使得主回路符合反激原理，方波占空比的大小可以控制输出电压的大小，由此，得到我们想要稳定的一个电压值。
焊接工艺介绍
焊接是整个试验过程的一种重要环节，焊接工艺的好坏直接决定了实验的成功与否，即使实验元器件全部都选择、安装正确，焊接不达标的话也达不到理想效果，因此我们必须学习焊接的基本工艺，掌握一些焊接的技巧。
〈1〉进行锡焊，必须具备的条件有以下几点：
焊件必须具有良好的可焊性
所谓可焊性是指在适当温度下，被焊金属材料与焊锡能形成良好结合的合金的性能。
不是所有的金属都具有好的可焊性，有些金属如铬、钼、钨等的可焊性就非常差；有些金属的可焊性又比较好，如紫铜、黄铜等。
在焊接时，由于高温使金属表面产生氧化膜，影响材料的可焊性。
为了提高可焊性，可以采用表面镀锡、镀银等措施来防止材料表面的氧化。
焊件表面必须保持清洁
为了使焊锡和焊件达到良好的结合，焊接表面一定要保持清洁。
即使是可焊性良好的焊件，由于储存或被污染，都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧化膜和油污。
在焊接前务必把污膜清除干净，否则无法保证焊接质量。
金属表面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清除氧化程度严重的金属表面，则应采用机械或化学方法清除，例如进行刮除或酸洗等。
要使用合适的助焊剂
助焊剂的作用是清除焊件表面的氧化膜。
不同的焊接工艺，应该选择不同的助焊剂，如镍铬合金、不锈钢、铝等材料，没有专用的特殊焊剂是很难实施锡焊的。
在焊接印制电路板等精密电子产品时，为使焊接可靠稳定，通常采用以松香为主的助焊剂。
一般是用酒精将松，香溶解成松香水使用。
焊件要加热到适当的温度
焊接时，热能的作用是熔化焊锡和加热焊接对象，使锡、铅原子获得足够的能量渗透到被焊金属表面的晶格中而形成合金。
焊接温度过低，对焊料原子渗透不利，无法形成合金，极易形成虚焊，焊接温度过高，会使焊料处于非共晶状态，加速焊剂分解和挥发速度，使焊料品质下降，严重时还会导致印制电路板上的焊盘脱落。
需要强调的是，不但焊锡要加热到熔化，而且应该同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。
合适的焊接时间
焊接时间是指在焊接全过程中，进行物理和化学变化所需要的时间。
它包括被焊金属达到焊接温度的时间、焊锡的熔化时间、助焊剂发挥作用及生成金属合金的时间几个部分。
当焊接温度确定后，就应根据被焊件的形状、性质、特点等来确定合适的焊接时间。
焊接时间过长，易损坏元器件或焊接部位；过短，则达不到焊接要求。
一般每个焊点焊接一次的时间最长不超过5s。
焊点质量及检查：
对焊点的质量要求，应该包括电气接触良好、机械结合牢固和美观三个方面。
保证焊点质量最重要的一点，就是必须避免虚焊。
虚焊产生的原因及其危害：
虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象，噪声增加而没有规律性，给电路的调试、使用和维护带来重大隐患。
此外，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。
但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。
虚焊点的接触电阻会引起局部发热，局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化，最终甚至使焊点脱落，电路完全不能正常工作。
这一过程有时可长达一、二年，其原理可以用“原电池”的概念来解释，当焊点受潮使水汽渗入间隙后，水分子溶解金属氧化物和污垢形成电解液，虚焊点两侧的铜和铅锡焊料，相当于原电池的两个电极，铅锡焊料失去电子被氧化，铜材获得电子被还原。
在这样的原电池结构中，虚焊点内发生金属损耗性腐蚀，局部温度升高加剧了化学反应，机械振动让其中的间隙不断扩大，直到恶性循环使虚焊点最终形成断路。
据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。
然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里找出引起故障的虚焊点来，实在不是容易的事。
所以，虚焊是电路可靠性的重大隐患，必须严格避免。
进行手工焊接操作的时候，尤其要加以注意。
一般来说，造成虚焊的主要原因是：
焊锡质量差；助焊剂的还原性不良或用量不够，被焊接处表面未预先清洁好，镀锡不牢；烙铁头的温度过高或过低，表面有氧化层；焊接时间掌握不好，太长或太短；焊接中焊锡尚未凝固时，焊接元件松动。
〈2〉对焊点的要求：
可靠的电气连接
焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段。
锡焊连接不是靠压力，而是靠焊接过程形成的牢固连接的合金层达到电气连接的目的。
如果焊锡仅仅是堆在焊件的表面或只有少部分形成合金层，也许在最初的测试和工作中不会发现焊点存在问题，但随着条件的改变和时间的推移，接触层氧化，脱离出现了，电路产生时通时断或者干脆不工作，而这时观察焊点外表，依然连接如初。
这是电子产品工作中最头疼的问题，也是产品制造中必须十分重视的问题。
足够的机械强度
焊接不仅起到电气连接的作用，同时也是固定元器件，保证机械连接的手段。
这就有个机械强度的问题。
作为锡焊材料的铅锡合金本身强度是比较低的，常用铅锡焊料抗拉强度约为3~4.7kgf/cm，只有普通钢材的10%。
要想增加强度，就要有足够的连接面积。
如果是虚焊点，焊料仅仅堆在焊盘上，自然就谈不到强度了。
另外，在元器件插装后把引线弯折，实行钩接、绞合、网绕后再焊，也是增加机械强度的有效措施。
造成强度较低的常见缺陷是因为焊锡未流满焊点或焊锡量过少，还可能因为焊接时焊料尚未凝固就发生件振动而引起的焊点结晶粗大，像豆腐渣状或有裂纹。
光洁整齐的外观
良好的焊点要求焊料用量恰到好处，表面圆润，有金属光泽。
外表是焊接质量的反映，注意：
焊点表面有金属光泽是焊接温度合适、生成合金层的标志，这不仅仅是美观的要求。
五、实验步骤
1、学习实验原理，了解电路各部分功能。
2、将实验元器件和元器件清单进行核对。
3、准备实验仪器：
电烙铁、焊锡、万用表、示波器、隔离变压器等。
4、将元器件安装在印制电路板制定位置处，注意焊接工艺。
5、电路板制作完成后，检查有无漏焊、虚焊、焊错等情况，并注意是否存在焊接时焊锡过多而导致短路
6、检查无误后，先将印制电路板通电进行测试，先通电3-5S，首先观察指示灯亮不亮，不亮则去检查电路，正常发光再观察是否有器件烧坏的声响，如有则立即断电，重新检查电路，如无异常情况将输出直流电压调至12V，并用示波器观察反馈电路中二极管D2波形情况。
7、调试好后，将开光电源外壳装好，由李老师测实验收。
30W-12V电源清单
序号
代号
名称及规格
数量/台
1
R3,R13
RT-0.25W-10R±5%
2
2
R18
RT-0.25W-1K±5%
1
3
R14,R16
RT-0.25W-1K±5%
3
4
R17
RT-0.25W-2K±5%
1
5
R12
RT-0.25W-2.4K±5%
1
5
R22
RT-0.25W-2.7K±5%
1
6
R15
RT-0.25W-5.1K±5%
1
7
R9,R11,R19
RT-0.25W-10K±5%
3
9
R20
RT-0.5W-22R±5%
1
10
R1
RT-0.5W-560k±5%
1
11
R10
RT-0.5W-1R±5%
1
12
C14
RT-2W-270R±5%
1
13
R7,R8
RT-2W-100K±5%
2
14
RTH1
热敏电阻10D-9
1
15
SVR1
卧式电位器1K
1
16
BD1
整流桥KBP210
1
17
C1
电解电容22uF400V
1
18
C3,C18
高压陶瓷电容10nF/1KV
2
19
C4
电解电容47uF/50V
1
20
C5,C7,C6
涤纶电容103
3
21
C8
涤纶电容222
1
22
C17,C11
涤纶电容333
2
23
C9,C19
涤纶电容471
2
24
C13,C15
电解电容1000uF/16V
3
25
C16
电解电容470uF/35V
1
26
CX1
安规X2电容0.1uF/250VAC
1
27
CY1,CY2,C12
高压陶瓷电容222/1KV
3
28
CY4
高压陶瓷电容472/1KV
1
29
D1
快恢复二极管FR207
1
30
D2
快恢复二极管FR104
1
31
D6
肖特基二极管STPS10LCD100
1
32
FS1
引线式保险管1A250V
1
33
LF1
输入滤波电感
1
34
L1
磁棒电感
1
35
Q1
2N60
1
36
T1
LS-30-12
1
37
U1
UC3842
1
38
U2
PC817
1
39
U3
TL431
1
41
LED
发光二极管
1
42
PCB板
1
43
接线端子5位P=8.5
1
44
30W外壳
1
45
L型压板
2
46
M3*6三合一螺丝
4
47
M3*12沉头螺丝
2
靠背
1
48
散热器
1
图5-1实验器件清单
六实验现象分析
在电路板焊接完成后，需要测试三个点的波形，分别为Q1的基极、Q1的发射极和D2FR104的阳极。
将电源开关接到220V交流电上，用万用表测试输出电压是否为直流+12V，如有偏差调节电位计SVR使输出电压为+12V。
图6-1反馈电路波形
这幅图是回馈电路中在二极管D2处测得的波形，由于二极管单相导通性，示波器只观测到其中一半的波形，而且实验中变压器采用的异名端的接法，所以经过分析和实际所得到的波形图可以我们测得的波形是是正确的，此处测得的电压是为了给UC3842做辅助电源用的。
图6-2
图6-3
这两幅图测的是MOSFET导通时的电压，两个波形不一样确实同一点测出的波形，是因为在采样电压R10两端并联了一个电容，如果电容放电完成则是第二幅是不连续的波形，如果并联电容放电未完成则是第一副图连续模式，所以这两幅图其实是一样的，只是电容充放电的原因导致了这种现象。
七实验心得
通过本次实验，我学会了开关电源的工作原理，对电源的滤波电路、整流电路、单臂反激式斩波电路、控制电路有了一定的了解，对其中的一些基本的元器件UC3842、TL431、PC387等工作原理、主要应用有了一些认识，对焊接的基本技能有了全面的掌握，在整个实验过程中，李老师渊博的知识、丰富的经验给了我们很大的启发，从李老师那里，我们受益匪浅。
虽然实验已经完成，但在实验过程中，仍存在一些未来得及解决的问题，比如对UC3842利用斜波补偿技术消除次谐波振荡现象以降低其工作的不稳定性和克服电路尖峰噪声干扰对输出纹波及其测量的影响等具体问题，有待今后做进一步了解。
对于这次学科实验，在整个实验过程中遇到了许多问题，期间得到了李老师和很多同学的帮助，使得实验得以顺利完成，在此致以真挚的感谢。
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