基于UC3524的开关电源毕业设计.docx

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基于UC3524的开关电源毕业设计

洛阳理工学院

毕业设计（论文）

题目：

基于UC3524的开关电源设计

2013年5月16日

基于UC3524的开关电源设计

摘要

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表与家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量与可靠性等方面提出了更高的要求。

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。

开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳压围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。

开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

本论文是基于芯片UC3524的开关电源系统设计。

关键词：

开关电源，半桥，全桥，推挽,UC3524

SwitchingPowerBasedonUC3524Chip

ABSTRACT

Withtheswitchpowersourceextensiveuseinthefieldofcomputer,communicatebyletter,aeronauticsandastronautics,instrumentappearanceanddomesticappliancesetc.,peopleincreasesbygraduallytowhoseneedamounts,havebroughtforwardhigherrequesttoaspectsuchaspowersourceefficiency,bulkfactorandreliability.

Theelectricpowerelectronictechnologydevelopment,speciallyhighefficiencycomponentIGBTandtheMOSFETrapiddevelopment,enhancestheswitchingpowersupplyoperatingfrequencytothequitehighlevel,enableittohavethehighstabilityandhighperformance-priceratioandsoonthecharacteristic.Oneofswitchingpowersupplytechnologymainusesisservesfortheinformationindustries.Theinformationtechnologydevelopmentalsosetahigherrequesttothepowersourcetechnology,thuspromotedtheswitchingpowersupplytechnologydevelopment.

Switchingpowersupplyinthepoweradjustmentcontrolworkintheoffstate,withlowpowerconsumption,highefficiency,widevoltagerange,lowtemperaturerise,andotheroutstandingadvantagesofsmallsize,thecommunicationequipment,CNCequipment,Instrumentation,videoaudio,homeappliancessowidelyusedinelectroniccircuits.Highfrequencyconverterswitchingpowersupplysomanyformsofcommonlyusedwithpush-pullconverter,fullbridge,halfbridge,single-endedforwardandtheformofsingle-endedflyback.ThispaperisbasedonUC3524chipswitchingpowersupplysystemdesign.

KEYWORDS:

Switchingpowersupply，Halfbridge，Thebridge，Thepush-pull，

UC3524

目　录

前　言

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、交通运输、国防教育、能源开发、通信等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更高、更多的要求，如：

节电、节能、节材、减重、缩体、安全、可靠、环保等。

这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，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。

伴随着电力电子技术的快速发展，电力电子系统的应用领域也越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，而且任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

开关电源是一种利用现代电力电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

它以高效率、轻量、小型、安全可靠等特点被广泛应用于以电子控制系统为主导的各种通信设备、终端设备等几乎所有的电子设备，是当今时代电子信息产业快速发展不可或缺的一种电源形式。

主要作为高功率脉冲电源的大型军用设备和初级电源的电源系统,也能应用于大电流快速充放电系统和通信、医疗航天、电子等众多领域,其中,几十~几百千瓦的大、高功率开关电源主要应用于国防事业、大型科研项目和现代化工业中,因此开关电源具有非常广阔的应用前景。

近年来，在高压大功率的应用场合，开关电源作为一种高效好型、高性能的电源己广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。

采用开关电源后，可以使相关装置体积小、重量轻、功耗低、稳压围宽，大改善了装置的控制可靠性与保护性能。

第1章开关电源的基础知识

1.1开关电源的概述

1.1.1开关电源的组成

开关电源由以下四个基本环节组成，见图1-1所示。

图1-1电源基本组成框图

（1）DC/DC变换器：

用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以与工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

（2）驱动器：

开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大，整形，以适应开关管的驱动要求。

（3）信号源：

产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM信号，也可以是PFM信号或其它信号。

（4）比较放大器：

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，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，包括启动电路、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等。

线性电源相比，开关电源输入的瞬态变换表现在输出端。

由于反馈放大器的频率特性得到改善，即便提高开关频率，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。

输出端LC滤波器的特性决定着负载变换瞬态响应。

所以瞬态响应特的改善方法可以通过降低输出滤波器LC、提高开关频率等方法。

1.1.2开关电源的工作原理

开关电源的工作原理图如图1-2所示；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开关调整管。

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就可得到稳定的直流输出电压U0。

（a）原理电路图（b）波形图

图1-2开关电源的工作原理

为方便分析开关电路，定义脉冲占空比如下：

（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U0与输入电压Ui之间有如下关系：

（1-2）

由（1-2）式可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，达到调节输出电压的目的。

T不变，只改变TON来实现占空比调节的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，所以PWM式开关电源用得较多。

若保持TON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U0稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）方式开关电源。

由于开关频率不固定，所以输出滤波电路的设计不易实现最优化。

既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比的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方式均有应用。

1.1.3开关电源的特点

（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硅钢片，电源的重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小。

（3）可靠安全：

在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。

稳压围宽：

开关电源的交流输入电压在90~270V围变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计电路，还可使稳压围更宽，并保证开关电源的高效率。

（4）稳压围宽：

开关电源的交流输入电压在90~270V围变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计电路，还可使稳压围更宽，并保证开关电源的高效率。

（5）功耗小：

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在高温环境而损坏，所以采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

（6）元件数值小：

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，所以滤波元件的数值可以大大减小。

[1]

1.2开关电源主要结构

1.2.1串联式结构

串联开关电源工作原理的方框图如图1-3所示；功率开关晶体管VT串联在输入与输出之间。

正常工作时，功率开关晶体管VT在开关驱动控制脉冲的作用下周期性地在导通、截止之间交替转换，使输入与输出之间周期性的闭合与断开。

输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经滤波后，就可得到平滑直流输出电压U0。

U0和功率开关晶体管VT的脉冲占空比D有关，见式（1－2）。

图1-3串联开关电源原理图

输入交流电压或负载电流的变化，会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路将取样电压与基准电压相比较，误差电压通过误差放大器放大，控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，达到稳定直流输出电压U0的目的。

1.2.2并联式结构

并联开关电源工作原理方框图如图1-4所示。

图1-4并联开关电源原理图

功率开关晶体管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为：

（1-3）

图1-4为一种输出升压型开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。

变压器耦合并联开关电源工作框图如图1-5所示。

图1-5变压器耦合并联开关电源原理图

功率开关晶体管VT与开关变压器初级线圈相串联接在电源供电输入端，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的控制下，周期性地导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压U0。

同样经过取样电路将取样电压与基准电压UE进行比较被误差放大器放大，由误差放大器输出至功率开关晶体管VT，通过控制功率开关晶体管VT的导通、截止达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。

由于采用变压器耦合，所以变压器的初、次级侧可以相互隔离，从而使初级侧电路地与次级侧电路地分开，做到次级侧电路地不带电，使用安全。

同时由于变压器耦合，可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。

[1]

1.3开关电源的电路

1.3.1开关电源电路

1.主开关电源

主开关电源的输出功率较副电源、行输出级二次电源的输出功率要大。

它将输入220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC-DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。

主开关电源主要为主负载电路提供110～145V的直流电压。

遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去了直流供电。

2.副电源

副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供＋5V的供电电压，副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源也可以采用传统的线性稳压电路，无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。

3.辅助电路

将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。

由于它是由行输出级经直流-交流-直流的两次变换，所以又称为二次电源。

行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描，图像和伴音通道供电。

1.3.2多电源电路的特点

（1）负载均要求具有高可靠性，对电源的要求除了提供较大功率，还要求有较高的效率。

（2）电源输入能适应110V或220V交流供电的需求。

一般要求电源对交流输入电压的适应围为90-245V，并对50Hz与60Hz输入频率均能适应。

（3）输出端与输入端隔离。

输出取样反馈贿赂必须采用隔离元件进行电源初、次级的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。

（4）电源电路有良好的的过压、过流、输出短路与复位功能

（5）可实现遥控待机功能，设计有负电源电路（待机电源）。

1.4开关器件的选择与驱动

1.4.1电力二极管

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，是以PN结为基础，由PN结和两端引线以与封装组成。

主要有以下三种特性：

（1）静态特性：

电力二极管的静态特性指其伏安特性，当电力二极管承受的正向电压达到一定值，即门槛电压UTO时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与正向电流IF对应的二极管两端的电压UF即为其正向电压降。

当电力二极管承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。

（2）开通过程：

电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经一段时间才接近稳态压降，如图1-6所示。

其中，uF表示二极管压降，iF表示二极管正向电流，tfr为正向恢复时间。

电流上升率越大，UFP越高。

图1-6开通过程

（3）关断过程：

电力二极管经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

如图1-7所示，URP为最大反向电压，IRP为最大反向电流，trr为反向恢复时间（trr越小越好）。

图1-7反向恢复过程中电流和电压波形

电力二极管有三种主要类型，分别是整流二极管、快速恢复二极管和肖特基二极管。

其中整流二极管一般用于开关频率不高（1 kHz以下）的整流电路，其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，正向电流额定值和反向电压额定值很高，分别可达数千安和数千伏以上。

快速恢复二极管是指指恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，也称快速二极管。

该类二极管的反向恢复时间短（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。

超快恢复二极管的快速恢复时间甚至仅为20～30 ns。

肖特基二极管的反向恢复时间很短（10～40 ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。

在反向耐压较低的情况下，肖特基二极管的正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。

其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，故效率较高。

肖特基二极管当反向耐压提高时其正向压降也会高，因此多用于低压条件下。

1.4.2电力场效应管

电力场效应晶体管简称电力MOSFET，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。

但由于该管的电流容量小，耐压低，因此它一般用于功率不超过10 kW的电源电子装置。

电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，图1-8（a）所示为N沟道电力MOSFET的结构，图（b）为电力MOSFET的电气图形符号。

　　电力MOSFET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；在导通状态，即当UGS大于开启电压或阈值电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极

导电。

MOSFET开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中最高的。

由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流。

但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。

开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

（a）部结构断面示意图（b）电气图形符号图

图1-8电力MOSFET的结构和电气图形符号

因为电力MOSFET开关频率可达到100 kHz，采用专用驱动芯片最为理想。

IR2011、IR221×系列均可工作在100 kHz以上。

同类型的高压板桥驱动IC有很完善的保护机制，可以很好地应用于半桥、全桥、三相全桥等拓扑结构。

1.4.3绝缘栅双极晶体管

IGBT为三端器件，分别为栅极G、集电极C和发射极E，如图1-9所示。

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本一样，是场控器件，通断由栅、射极电压UGE决定。

导通状态：

UGE大于开启电压，MOSFET形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；关断状态：

栅、射极间施加反压或不加信号，MOSFET的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

（a）部结构断面示意图（b）电气图形符号

图1-9IGBT的结构和电气图形符号

IGBT有如下特性

（1）开关速度高，开关损耗小。

（2）一样电压和电流时，安全工作区大，且具有耐脉冲电流冲击的能力。

　　（3）通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。

　　（4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

　　（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

[5]

1.4.4缓冲电路

1.缓冲电路的作用

缓冲电路也叫吸收电路，其作用就是抑制电子元器件的部过电流和di /dt、过电压和du /dt，减小器件的开关损耗。

（1）开通缓冲电路，也称di /dt抑制电路，其作用是抑制di /dt、抑制器件开通时的电流过冲，减小器件的开通损耗。

（2）关断缓冲电路，也称du /dt抑制电路，其作用是抑制du /dt、吸收电子元器件的换相过电压和关断过电压、减小器件的关断损耗。

将开通缓冲电路和关断缓冲电路结合在一起就可形成复合缓冲电路，如图1-10所示。

图1-10缓冲电路

2.缓冲电路中的元件设计

电容C2和电阻R2的取值可参考工程手册或通过实验确定，VD2必须选用快恢复二极管，二极管的额定电流必须于主电路元器件的1/10，选用部电感小的吸收电容，尽量减小线路电感，在一些中小容量场合可只在直流侧设一个du/dt抑制电路，对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。

在实用中晶闸管一般没有关断过电压只承受换相过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可解决。

第2章开关电源的变换电路

由开关电源结构可知，开关稳压器无论何种形式（自激或它激）,实际上都是由开关电路和稳压控制电路两大系统组成。

常见的电源变换电路可以分为单端和双端电路两大类。

单端电路包括正激和反激两类；双端电路包括全桥、半桥和推挽三类。

每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。

单端开关电路受开关器件做大动作电流的限制以与变换电路的影响，其输出功率一般在200W左右。

若需要大功率电源，必须采用新的电路结构。

推挽式、半桥式、桥式开关电路可以输出大功率，成为开关电源的主要电路形式。

2.1基本变换电路

推挽式、半桥式、桥式等变换电路由于其特殊结构，可以输出大功率，是目前开关电源的基础电路形式。

本节对基础变换原理与结构分析，介绍其电路主要参数的计算方法。

2.1.1自激型推挽电路

如图2-1所示为推挽式开关电路的示意图。

图2-1推挽式开关电路

脉冲变压器TC初、次级都有两组对称的绕组，其相位关系如图所示，开关管用开关S代替。

如果使S1、S2交替导通，通过变压器将能量传到次级电路，使V1、V2轮流导通，向负载提供能量。

由于S1、S2导通时脉冲变压器TC电流方向不同，形成的磁通方向相反，因此推挽电路提高了磁芯的利用率。

在四个象限，磁芯的磁化曲线都被利用，在输出功率一定时，磁芯的有效截面积可以小于同功率的单端开关电路。

此外当驱动脉冲频率恒定时，纹波率也相对较小。

推挽式开关电路中，能量转换由两管交替控制，当输出一样功率时，电流仅是单端开关电源管的一半，因此开关损耗随之减小，效率提高。

如果用同规格的开关管组成单端变换电路，输出最大功率为150W。

若使用2只同规格开关管组成推挽电路，输出功率可以达到400～500W。

所以输出功率200W以上的开关电源均宜采用推挽电路。

当滤波电感L电流连续时，输出电压表达式为：

（2-1）

式中：

N1、N2分别为变压器N1绕组和N2绕组的匝数；ton为导通时间；T为VT的关断时间。

图2-1所示的对称推挽电路也有其不足之处：

1、开关管承受反压较高。

当开关管截止时，电源电压和脉冲变压器初级二分之一的感应电压相串联，加到开关管集电极和发射极，因而要求开关管VECO＞2VCC。

2、推挽电路相当于单端开关电路的对称组合，只有当开关管特性、脉冲变压器初、次级绕组均完全对称，脉冲变压器磁心的磁化曲线在直角坐标第Ⅰ、Ⅱ象限所包括的面积，才和第Ⅲ、Ⅳ象限曲线面积相等，正负磁通相抵消。

否则磁感应强度+B和-B的差值形成剩余磁通量，使一个开关管磁化电流增大，同时次级V1、V2加到负载上的输出电压也不相等，从而增大纹波，推挽电路的优势尽失。

因此，这种推挽电路目前仅用于自激或它激式低压输入的稳压变换器中。

因为低压供电，N1、N2匝数少，且两绕组间电压差也小，一般采用双线并绕的方式来保证其对称性

图2-2为饱和型推挽式自激变换器的基本电路。

所谓饱和式，是指脉冲变压器工作在磁化曲线的饱和状态。

电路通电以后，电流经电阻R1到正反馈绕组N3～N4的中点，同时向VT1、VT2基极提供启动偏置。

由于VT2的基极电路附加了R2，因此IB2、IC2小于IC1、IB1。

启动状态，IC1>IC2的结果，使脉冲变压器中形成的磁通φN1>φN2，合成总磁通量为φN1-φN2，使VT1的导通电流起主导作用。

因此，φN1在各绕组中产生感应电势，正反馈绕组N3的感应电势形成对VT1的正反馈，使VT1集电极电流迅速增大。

IC1的增大使N1激磁电流增大，磁场强度（H