高效率恒流源电路的设计.docx
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高效率恒流源电路的设计
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目高效率恒流源电路的设计
物信学院电子信息科学与技术专业07级1班
学生姓名黄开华学号070303023
指导教师袁放成职称教授
完成日期2011年4月
教务处制
高效率恒流源电路的设计
物信学院07级电子信息科学与技术070303023黄开华
指导教师袁放成教授
【摘要】本文设计并整理了由DC-DC变换器为核心的开关稳流电源。
该稳流电源可对手机锂离子进行充电，采用电流型脉宽调制器UC3843作为核心器件，实现输出电流可调的开关稳流电源电路，同时采用单片机C8051F410进行程控，使开关稳流电源具备更加完善的功能。
【关键词】UC3843；DC-DC变换器；PWM；单片机C8051F410
引言
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备为人们生活带来了极大的便利，而电子设备都离不开可靠的电源，而稳流电源在工作时产生的误差直接影响着电池的使用寿命，导致影响整个系统的稳定性。
本设计以采用电流型脉宽调制器UC3843作为核心器件的开关稳流电源，具有功耗小，体积小，重量轻，稳流范围宽，电路形式灵活多样等优点。
1.系统设计
1.1系统设计任务
设计并整理一个开关稳流电源，其结构框图如图1-1所示。
图1-1
1.2系统设计的基本要求
直流稳压电源提供电能给开关稳流电源，输入直流电压范围在8~20V之间，该开关稳流电源提供200~600毫安之间的恒定电流充入电池，可显示输出电压、电流，有过流、过压保护功能，并有键控开关功能。
1.3系统设计方案
1.3.1DC/DC变换器电路拓扑结构论证
串联式拓扑结构
因为给0~4V的可充电池充电，所以选择降压型开关稳流电源，串联式拓扑结构是降压电路最基本的拓扑结构
串联——在主回路中开关三极管与输入端、输出端、电感器L1、负载R1四者成串联连接的关系。
如图1-2所示，由于没有使用变压器，因此，输入输出部分的直流是共用的，这种电路用于输入输出不需要隔离的场合，由于电路不使用变压器，因此也不会有变压器漏感引起的故障，避免了高频变压器可能带来的多种问题，所以这种方案可以构成小型的开关稳流电源[1]。
图1-2
1.3.2微控制器电路方案论证
单片机和开关稳流电源专用PWM控制芯片相结合，通过单片机不断的检测输出电压并与设定值之间进行比较，调整AD、DA转换器的输出，控制PWM芯片进而控制电源的输出电压共同来完成对充电电流的控制，实现恒定电流的稳定输出。
1.3.3系统设计框图
控制是设计的关键部分，由单片机和电流型脉宽调制（PWM）控制器共同来完成，实现可调的恒定电流输出，达到系统设计的指标。
单片机选用自带12位D/A转换器和A/D转换器的单片机C8051F410。
脉宽调制控制器选用具有误差放大器、PWM比较器、振荡器、欠压锁定等功能的UC3843芯片。
整体电路框图如图1-3所示，采用双闭环控制电路来实现稳定的输出电流，通过单片机不断的进行电压采样与单片机内部设定的电压值进行比较，自动调整D/A反馈到UC3843的第2引脚（反馈电压输入端）。
与基准电压（2.5V）进行比较，从而改变PWM波形的占空比来调节DC-DC变换电路，最终实现恒定的电流输出。
图1-3整体电路框图
2.硬件电路设计及工作原理
2.1主器件的介绍
2.1.1电流型脉宽调制器UC3843简介
UC3843是美国Unitrode公司（该公司现已被TI公司收购）生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF和IGBT等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试方便、性能优良等诸多优点，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件。
UC3843引脚图如图2-1所示。
图2-1（a）uc3843（8）引脚图图2-1（b）uc3843（14）引脚图
UC3843内部结构框图如图2-2所示。
UC3843内部结构框图如图2-2所示。
各引脚功能如下：
1脚：
1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。
2脚：
2脚FEEDBACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（一般为+2.5V）进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。
3脚：
3脚ISENSE是电流传感端。
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1V时，UC3843就停止输出，有效地保护了功率开关管。
4脚：
4脚RT/CT是定时端。
锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。
5脚：
5脚GND是接地。
6脚：
6脚OUT是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±lA。
这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取
电流回路，加速功率管的关断。
7脚：
7脚Vcc是电源。
当供电电压低于＋16V时，UC3843不工作，此时耗电在1mA以下。
输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。
芯片工作后，输入电压可在+10～+30V之间波动，低于+10V停止工作。
工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。
8脚：
8脚VREF是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。
[2][3]
2.1.2DC-DC变换电路设计
DC-DC变换电路设计原理图如图2-3所示。
图2-3DC-DC变换电路
2.2元件参数选择
2.2.1储能电感
本设计中选用储能电感L采用电感值为85.76，磁芯为腰鼓型的电感。
2.2.2续流二极管
本设计中选用的续流二极管为肖特基二极管IN5819,具有导通压降小、反向恢复时间短、损耗小等特点，其主要参数为正向平均电流：
1A，反向峰值电压：
40V，反向漏电流1mA，正向压降：
0.6V，正向不重复峰值电流（浪涌电流）：
30A，结（极间）电容:
55PF。
2.2.3功率开关管
本设计中选用的功率开关管为场效应管IRF540，具有耐压值高，导通电阻小，漏电流较小，能承受较大的尖峰电流，从而确保了电路的稳定性和效率。
其基本参数为耐压100V，最大漏极电流23A，导通电阻Rds小于等于77毫欧。
[4]
3.数据测量及数据分析
3.1测试仪器
万用表（DT9205N）、直流稳定电源（QJ3003AⅢ）、双通道示波器（SS-7802A）滑线式变阻器
3.2测试方法
（1）输出电压测试：
在空载的条件下，用直流电压表测出空载输出电压UO1；
（2）负载调整率测试：
输入电压为额定值，调节负载为半载，记录对应的输出电压UO0；调节负载为满载，记录对应的输出电压UO2；将所测的数值带入公式：
负载调整率
（3）电压调整率测试：
设置可调负载装置，使电流满载或半载输出；调节直流稳压电源，使输入电压为下限值，记录对应的输出电压UO4；增大输入电压到额定值，记录对应的输出电压UO2；调节输入电压为上限值，记录对应的输出电压UO3；将所测得数值带入公式：
电压调整率=
3.3数据测试
表格3-1负载调整率测试
输入电压（V）
输出电压（V）
输出电流（A）
负载调整率
8
5
0
12.87%
8
4.43
0.5
8
4.43
1
9
5
0
0.81%
9
4.96
0.5
9
4.93
1
9
6
0
9.89%
9
5.46
0.5
9
5.3
1
10
5
0
0.40%
10
4.98
0.5
10
4.96
1
10
6
0
0.50%
10
5.97
0.5
10
5.95
1
10
7
0
9.25%
10
6.42
0.5
10
6.27
1
11
5
0
0.20%
11
4.99
0.5
11
4.97
1
11
6
0
0.33%
11
5.98
0.5
11
5.96
1
11
7
0
0.43%
11
6.97
0.5
11
6.94
1
11
8
0
6.67%
11
7.5
0.5
11
7.35
1
12
5
0
0.20%
12
4.99
0.5
12
4.98
1
12
6
0
0.17%
12
5.99
0.5
12
5.98
1
12
7
0
0.14%
12
6.99
0.5
12
6.97
1
12
8
0
0.25%
12
7.98
0.5
12
7.95
1
12
9
0
0.63%
12
8.47
0.5
12
8.37
1
13
7
0
0.14%
13
6.99
0.5
13
6.98
1
13
9
0
0.22%
13
8.98
0.5
13
8.94
1
13
10
0
0.54%
13
9.49
0.5
13
9.32
1
15
8
0
0%
15
8
0.5
15
7.99
1
15
10
0
0.20%
15
9.98
0.5
15
9.96
1
15
11
0
0.18%
15
10.98
0.5
15
10.94
1
17
9
0
0%
17
9
0.5
17
8.98
1
17
11
0
0.09%
17
10.99
0.5
17
10.97
1
17
12
0
0.08%
17
11.99
0.5
17
11.95
1
19
12
0
0%
19
12
0.5
19
11.98
1
19
14
0
0.07%
19
13.99
0.5
19
13.96
1
19
16
0
3.49%
19
15.46
0.5
19
15.31
1
20
15
0
0.07%
20
14.99
0.5
20
14.96
1
20
16
0
0.06%
20
15.99
0.5
20
15.95
1
20
17
0
3.03%
20
16.5
0.5
20
16.35
1
表格3-2（IO=0.5A）电压调整率测试
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压9V
UO4=4.97
0%
输入电压15V
UO2=5.00
输入电压20V
UO3=5.00
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压9V
UO4=5.53
0.17%
输入电压15V
UO2=5.99
输入电压20V
UO3=6.00
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压16V
UO4=9.98
0.10%
输入电压18V
UO2=9.98
输入电压20V
UO3=9.99
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压16V
UO4=11.99
0%
输入电压18V
UO2=12.00
输入电压20V
UO3=12.00
表格3-3（IO=1A）电压调整率测试
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压9V
UO4=4.95
0%
输入电压15V
UO2=4.99
输入电压20V
UO3=4.99
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压9V
UO4=5.34
0.17%
输入电压15V
UO2=5.98
输入电压20V
UO3=5.99
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压16V
UO4=9.97
0%
输入电压18V
UO2=9.97
输入电压20V
UO3=9.97
输出电压（V）
电压调整率（%）
输入电压16V
UO4=11.95
0%
输入电压18V
UO2=12.00
输入电压20V
UO3=12.00
表格3-4效率测试
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
9
0.52
4.68
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
58.08%
5.33
0.51
2.72
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
9
1.00
9
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
57.11%
5.14
1.00
5.14
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
10
0.51
5.1
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
62.75%
6.40
0.50
3.2
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
10
1.00
10
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
62.0%
6.20
1.00
6.20
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
11
0.51
5.61
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
66.13%
7.42
0.5
3.71
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
11
1.00
11
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
65.73%
7.23
1.00
7.23
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
12
0.51
6.12
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
68.79%
8.42
0.50
4.21
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
12
1.00
12
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
68.42%
8.21
1.00
8.21
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
13
0.54
7.02
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
66.24%
9.30
0.5
4.65
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
13
1.04
13.52
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
67.46%
9.12
1.00
9.12
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
14
0.54
7.56
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
69.04%
10.44
0.5
5.22
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
14
1.04
14.56
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
70.33%
10.24
1.00
10.24
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
15
0.54
8.1
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
70.56%
11.43
0.5
5.72
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
15
1.04
15.6
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
71.92%
11.22
1.00
11.22
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
16
0.55
8.8
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
71.70%
12.37
0.51
6.31
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
16
1.04
16.64
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
73.56%
12.24
1.00
12.24
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
17
0.56
9.52
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
70.43%
13.41
0.50
6.71
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
17
1.06
18.02
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
73.31%
13.21
1.00
13.21
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
18
0.56
10.08
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
71.58%
14.43
0.5
7.22
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
18
1.05
18.9
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
75.40%
14.25
1.00
14.25
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
19
0.56
10.64
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
72.18%
15.36
0.5
7.68
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
19
1.05
19.95
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
76.20%
15.20
1.00
15.20
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
20
0.57
11.4
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
72.06%
16.43
0.50
8.215
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
20
1.07
21.4
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
75.98%
16.26
1.00
16.26
输出电流最大时的效率
输入电压UI（V）
输入电流II（A）
输入功率PI
效率（%）
20
2.60
52
输出电压UO（V）
输出电流IO（A）
输出功率PO
77.07%
15.84
2.53
40.08
用示波器在UC3843的第四脚测到频率为384.66KHZ的锯齿波。
当输入电压达到20V时，输出电压的范围是2.53V~17.33V。
3.4数据分析
根据表格3-1可得，当输入电压为15V，输出为8V；输入为17V,输出为9V；输入为19V,输出为12V时，带负载能力最强。
根据表格3-2，3-3可得电压调整率接近或等于0%
根据表格3-4可得当输入电压增大时，效率呈现提高的趋势。
当输入电压在9V-12V之间，输出电流越大，效率越低。
当输入电压在13V-20V之间，输出电流越大，效率越高。
输入电压为9V,输入电流为1.00A时，效率最低为57.11%。
当输入电压为20V,输出最大电流为2.53A时，效率最高为77.07%。
4.设计总结
对系统所测的各项参数进行分析，本设计基本达到设计整理要求。
本系统以单片机C8051F410芯片为核心部件，通过单片机不断的检测输出电压并与设定值之间进行比较，调整AD、DA转换器的输出，控制PWM芯片进而控制电源的输出电压共同来完成对充电电流的控制，实现恒定可调的电流的稳定输出。
在系统设计过程中力求硬件稳压范围宽，线路简单，工作稳定，来满足系统设计的要求。
致谢
在本次毕业设计中,袁老师积极提供实验仪器以及电子器件,从设计的选题到论文的最终完成，袁老师都始终给予我细心的指导。
在此谨向袁老师表示衷心的感谢！
参考文献
[1]长谷川彰著，何希才译.开关稳压电源的设计与应用[M].北京：
科学出版社，2006,8:
11.
[2]UC3843芯片手册[J].
[3]李良钰.一种基于UC3843的单端反激式开关电源[J].理论与研究-测试技术卷，2007，07:
4-6.
[4]童诗白、华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2000.03.
Highefficiencyconstant-currentsourcecircuitdesign
SchoolofPhysicsandInformationEngineering
ElectronicsInformationScienceandTechnologyClass07
070303023KaiHuaHuangTutor：
ProfessorFangchengYuan
【Abstract】ThisPaperillustratesthedesignandmanufactureofswitchingvoltagestabilizedpowersupplywhichtakesDC-DCconverterasitscore.Takingcurrentmodepulsewidthmodulatorasthecoredevice,thevoltagestabilizedpowersupplycanchargelithium-ionbatteriesofmobilephonesandrealizeaswitchingvoltagestabilizedpowersupplycircuitwheretheoutputvoltagecanbecontrolled.Meanwhile,asadoptingC8051F410SCMforprogramcontrol,thefunctionsofswitchingpowersupplycanbefurtherimproved.
【Keywords】UC3843;DC-DCconverter;PWM;C8051F410SCM
附录：
电路PCB
实物图
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