电源适配器的设计与制作毕业论文.docx
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毕业设计（论文）
《笔记本电脑电源适配器的设计与制作》
专业（系）电气工程系电气自动化专业
班 级
学生姓名
指导老师
完成日期
2013届毕业设计任务书
一、课题名称：
笔记本电脑电源适配器设计
二、指导老师：
陈勇宏
三、设计内容与要求
1、课题概述
根据市场需求，需要设计制造一款笔记本电脑电源适配器，其设计方案有两种；
（1）采用变压器、整流、稳压；
（2）采用开关电源；
采用开关电源的优点：
不需要笨重的电源变压器，效率高，体积小，造价低。
开关电源已广泛用于工业产品及家用电子产品中
2、设计内容与要求
开关电源的技术要求：
（1）.确定设计方案，绘制方框图；
（2）.设计各部分电路，要求尽量采用集成电路，在保证实现基本功能和主要技术指标的前提下采用通用型元器件，并注意降低成本，以获取较高的性价比；
（3）.分析各单元电路的工作原理和特性；
（4）.画出整机电路图，设计印制电路板，并说明电路调试的基本方法；
（5）.每组制作实物一件。
完成毕业设计说明书一份。
3、技术指标：
（1）.输入交流电压：
110V～260V；
（2）.输入直流工作电压：
19±0.1V；
（3）.直流工作电流：
4A；
（4）.具有短路保护、过载保护等功能。
（5）.使用环境：
0～40℃。
1）设计19V开关电源的电气原理图，PCB图，PCB板要按照CE标准。
2）采用集成元件，元件数量要尽可能少。
3）设计开关变压器的参数。
4）按要求设计、制作PCB板图，并装配调试，由指导老师提供部分元件。
5）编写使用说明书。
包括电气原理图；电路板图；元件明细表。
6）图纸要独立完成，文字表达准确，条理清晰，文笔通顺，采用打印。
四、设计参考书及参考网址
1、陈梓城主编 《模拟电子技术基础》，高等教育出版社
3、王建生主编 《电源技术教程》，高等教育出版社
4、周志敏、周纪海编 《开关电源实用技术设计与应用》，人民邮电出版社
5、《开关电源设计》电子工业出版社 王志强
6、《开关电源的原理与设计》张站松
7、《开关电源印制板电路板（PCB）工程设计》中国电力出版社 杨恒
五、设计说明书要求
1.封面
2.内容摘要
3.目录
4.引言
5.正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的6.说明及特点）
7.文献
8.致谢
9.附录（参考文献、图纸、材料清单等）
六、设计进程安排
第1周：
资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周：
设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。
第4-6周：
进行毕业设计，完成说明书初稿。
第7周：
指导老师检查毕业设计完成情况，作好毕业答辩准备。
第8周：
毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：
说明书要求打印（除图纸外），不能手写。
文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家 规定的标准或工程要求绘制。
摘要
开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高效率变换、将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。
由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高频率、高功率密度、高可靠性。
本文主要介绍了基于UC3842的开关电源电路拓扑的选取、变压器和电感设计、功率驱动电路、控制电路及保护电路的设计。
开关电源采用MOSFET作为开关器件，通过控制开关器件导通的占空比调整输出电压。
开关电源对电网的适应能力强，当开关电源在电网电压为220V±10%范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。
本设计主要分为四章，分别介绍了开关电源的发展，工作原理，电路设计及参数计算和电磁兼容设计。
回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高频率、小型化、集成化、智能化以及高可靠化是大势所趋，也是今后的发展方向。
关键词：
开关电源；电路拓扑；电磁兼容、
Abstract
Switchingpowersupplytechnologyisthatsemiconductorpowerdevicesareusedtoachievehighefficiencypowerconversionthatmakesthepowerchangefromcrudetovaritronix.Thequalityofpowersupplymeetsthetechnicalrequirements.Forpowersemiconductordevicesintheswitchingpowerworkinginhighfrequencyswitching,ithasahighfrequency,highpowerdensityandhighreliability.ThispaperintroducestheUC3842basedswitchingpowersupplytopologyselection,transformerandinductordesign,Power-drivencircuit,controlcircuitandprotectioncircuitdesign.SwitchingpowerMOSFETisusedasaswitchdevice,theoutputvoltageisadjustedbythecontrolswitchdutycycle.Switchingpowersupplyisadaptabletothegrid.Theoutputvoltageissteadywhenswitchingpowersupplyvoltageiswithinthescopeofchanges220V±10%.Thepaperconsistsoffourchapters.Switchingpowersupplydevelopment,workingprinciples,circuitdesignandparametersandEMCdesignareintroduced.RecallingSPStechnologydevelopmentprocess,high-frequency,small,integrated,intelligentandhighreliabilityisthegeneraldevelopmenttrend.
Keyword:
Switchingpowersupply;circuittopology;EMC
目 录
摘要 0
Abstract 1
第1章绪论 4
1.1什么是电源适配器 4
1.2电源适配器的发展与趋势 2
1.3选题背景 3
1.4本课题要求及主要研究内容 4
主要技术指标 4
第2章开关电源的简介 4
2.1开关电源概述 4
2.2开关电源的工作原理 5
2.3开关电源的组成 6
2.4开关电源的特点 6
第3章用UC3842进行开关电源的设计 7
3.1UC3842 7
3.1.1UC3842的简介 7
3.1.2UC3842引脚及其功能 8
3.1.4UC3842的使用特点 10
3.2光电耦合器 10
3.3肖特基二极管 11
3.4三端可调分流基准源 11
3.5场效应晶体管（MOSFET） 12
第4章开关电源的电路原理及组成 13
4.1输入电路的原理及常见电路 13
4.2功率变换电路 15
4.3输出整流滤波电路 17
4.4稳压环路原理 18
4.5短路保护电路 19
4.6输出端限流保护 21
4.7输出过压保护电路的原理 21
4.8功率因数校正电路（PFC） 24
4.9输入过欠压保护 24
第5章开关电源的制作过程 26
5.1电源设计指标 26
5.2总体电路框图（如图5-1） 26
5.3电路结构 26
5.3.1输入滤波电路（电源噪声滤波器） 27
5.3.2整流滤波电路（如图5-3） 27
5.3.3软启动及反馈补偿电路 27
5.3.4振荡电路 28
5.3.5开关管过流保护电路 29
5.3.6直流输出与反馈电路 30
5.4元件的选择 31
5.4.1滤波电路和整流电路的设计 31
5.4.2震荡频率计算 31
5.4.3输出高频变压器的设计与计算 31
5.5磁芯的选择 31
5.5.1气隙长度 32
5.5.2原边绕组匝数 33
5.5.3副边绕组匝数 33
5.5.4反馈绕组匝数 34
5.5滤波电路（传导EMI滤波器）和整流电路 34
5.6全波整流 36
5.7滤波电容C5 36
5.8启动电阻 36
5.9振荡器与时钟电路 37
5.10保护电路设计 38
5.11输出滤波电容 39
第6章使用说明 40
6.1使用方法 40
6.2PCB板的制做 40
...............................................................................................................................40
6.3电路调试 41
6.4调试步骤 41
通电观察：
41
调试结果：
41
第7章 结论 42
致 谢 43
参考文献 44
附录 45
第1章绪论
1.1什么是电源适配器
近年来，电子产品，如笔记本电脑、液晶显示器、数字录像机、数码相机、个人数字助理（PersondigitalAssistar，PDA）、手机、游戏机、随身听等发展迅速，其中绝大多数需要低压直流电源为其供电或为其机内电池充电。
为了从市政电力的交流系统中获取电力，两者之间必须有AC/DC的转换装置，这就
是电源适配器（祥见左图）
。
它是将交流电网的交流电转换成电子产品锁要求的直流电压，其输出电压一般较低（几伏到十几伏）
，功率较小（几瓦到一百多瓦）。
为了满足电子产品能在全球范围内使用，要求电源适配器的输入电压范围为全球电压输入范围（90-265Vac）。
1.2电源适配器的发展与趋势
在我们生活中广泛使用的适配器有两种类型，分别是交流电源适配器
（也称线性电源适配器）和直流电源适配器）。
交流适配器的内部主要是通过电源变压器来完成转换输出，直流适配器内部则是通过整流电路组成的。
在之前使用的交流电源适配器主要是通过内部的电源变压器来完成转移，但是其在转移的过程中，功耗的损失相当大，所以开关电源适配器就应运而生。
开关电源适配器主要是通过整流电路组成，损耗小很多。
被广泛的用于网络延长器、路由器、通信设备、手机、手提电脑和PSP等。
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
湖南铁道职业技术学院毕业论文
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。
这种传统稳压电源技术比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。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。
但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和质量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。
开关电源型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。
以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零。
所以其功耗小，功率可高达70%—95%。
而功率小，散热器也随之减小。
开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。
此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。
因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。
另外，由于功率小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。
而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220±10%，而开关型稳压电源在电网电压在110—260伏范围内变化时，都获得稳定的输出电压。
开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，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节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。
1.3选题背景
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
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。
传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。
另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。
开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空
25
比来调整输出电压。
它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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形式。
主要作为高功率脉冲电源的初级电源
和大型军用设备的电源系统,也可以应用于大电流快速充放电系统和电子、通信、航天、医疗等各个领域,其中,几十～几百千瓦的大、高功率开关电源主要应用
于现代化工业、国防事业和大型科研项目中,具有非常广泛的应用前景。
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、稳压范围宽，大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。
1.4本课题要求及主要研究内容
研究开关电源的实现方法，并按照设计指标要求进行电路的设计。
具体要求如下：
①分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，并提出自己的见解。
②掌握开关电源的工作原理。
③设计硬件系统，掌握系统调试方法，使系统达到设计要求。
主要技术指标
设计要求：
交流输入电压：
110/220V；输出电压：
12V
第2章开关电源的简介
2.1开关电源概述
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体储存器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。
显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。
取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。
它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳压直流电压。
随着半导体技术的高速发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。
而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。
目前已形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。
近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20KHZ提高到150-200KHZ，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。
开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在于线性电源的竞争中具有先导之势。
在70年代后期，功率在
100W以上的开关电源是有竞争力的。
到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。
随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在
20W以上。
就要考虑使用开关电源了。
过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著“当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降”此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。
2.2开关电源的工作原理
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调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。
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，若使开关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。
这个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。
为了方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下
D=Ton
T
（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Uo与输入电压Ui之间有如下关系：
Uo=UiD
（1-2）
由（1-1）和（1-2）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,从而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稳压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，因此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Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）。
由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。
既改变Ton，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频条宽方式。
在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。
2.3开关电源的组成
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：
2.4开关电源的特点
开关电源具有如下特点：
（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，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了；
（3）稳压范围宽。
开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。
合理设计开关电源电路，还可以稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；
（4）安全可靠。
在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠；
（5）功耗小。
由于开关电源工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，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，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。
第3章用UC3842进行开关电源的设计
3.1UC3842
3.1.1UC3842的简介
UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。
假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占为比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20~80W小功率开关电源。
由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。
继MC1394、AN5900之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动集成电路。
其特点是除内部PWM系统外，还没有多路保护输入和稳定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。
典型的UC3842为就是其中的代表，它功能完善性能可靠，目前被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。
UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。
3.1.2UC3842引脚及其功能
UC3842为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图2-2所示。
主要由
5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。
端1为COMP端；端2为反馈端；端3为电流测定端；端4接Rt、Ct确定锯齿波频率；端5接地；端6为推挽输出端，有灌电流的能力；端7为集成块工作电源电压端，可以工作在8~40V；端8为内部外用的基准电压5V，带载能力50mA。
UC3842系列引脚排列图
UC3842引脚功能表
引脚
符号
功能
引脚功能说明
8
管脚
14管脚
1
1
COMP
补偿
内部误差放大器补偿端，频率补偿输入端,并
可用于环路补偿。
2
3
UFB
电压反馈
内部误差放大器反相输入端，取样反馈电压接到至该端，通常通过一个电阻分压器连至
开关电源输出。
3
5
ISENSE
电流取
样
内部电流取样比较器同相输入端，当该端电
压为1V时，芯片停止工作，关闭输出脉冲
4
7
RT/CT
RT/C
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
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