開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、 開關(guān)電源的設(shè)計(jì) 同組參與者：李方舟、周恒、張濤開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的控制方式可分為調(diào)寬式和調(diào)頻試兩種，實(shí)際應(yīng)用中，而調(diào)寬式應(yīng)用的較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制（PWM）型。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高，輸出功率大，輸入電壓變化范圍寬，節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源的工作原理就是通過改變開關(guān)器件的開通時(shí)間和工作周期的比值即占空比來(lái)改變輸出電壓；通常有三種方式：脈沖寬度調(diào)制（PWM），脈沖頻率調(diào)制（PFM）和混合調(diào)制。PWM調(diào)制是指開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來(lái)改變占空比的方式，因?yàn)橹芷诤愣?，濾波電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，也是應(yīng)用能夠最廣泛的調(diào)制方式。開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要結(jié)構(gòu)框架如

2、圖1-1所示，有隔離變壓器產(chǎn)生一個(gè)15-18V的交流電壓，在經(jīng)過整流濾波電路，將交流電變成直流電，然后再經(jīng)過DCDC變換，由PWM的驅(qū)動(dòng)電路去控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電壓源，如圖1-1所示； 圖1-1一 開關(guān)轉(zhuǎn)換電路 1：濾波電路輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可以抑制交流電網(wǎng)輸入的干擾信號(hào)，同時(shí)也防止開關(guān)電源工作時(shí)產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響交流電網(wǎng)。如圖1-2所示濾波電路中C1用以濾除直流份量中的交流成分，隔離電容應(yīng)選用高頻特性較好的碳膜電容,電阻R給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性，C2、C3跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾，為了減小漏電

3、流C2、C3宜選用陶瓷電容器. 圖1-22.電壓保護(hù)電路如圖1-3所示為輸出過壓保護(hù)電路。穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出電壓正常時(shí)，VS不導(dǎo)通，晶閘管VS的門極電壓為零，不導(dǎo)通，當(dāng)輸出過壓時(shí)，VS擊穿，VS受觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過UC3842控制開關(guān)管關(guān)斷。 圖1-3 輸出過壓保護(hù)電路3.電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖1-4所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到 的1腳，調(diào)節(jié)R1 R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓U0升高，集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽(yáng)極的電流在增大,UC3842的輸出脈寬相應(yīng)變窄，輸出

4、電壓U0變小,同樣，如果輸出電壓U0減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。 圖1-4電壓反饋電路二設(shè)計(jì)思路 開關(guān)電源由隔離變壓器，整流濾波和DC-DC變換電路組成。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是DC-DC變換電路，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件，儲(chǔ)能器件 ，脈沖變壓器，濾波器，輸出整流等所有功率器件和控制模塊；而控制模塊的設(shè)計(jì)又是DC-DC的核心，一般DC-DC控制模塊使用專用的PWM調(diào)制芯片。如TL494、UC3842等，芯片內(nèi)部集成了誤差比較器、振蕩器、PWM調(diào)制器等，有的甚至有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，在此情況下使用集成芯片加上少量的外圍電路即可構(gòu)成PWM控制電路，穩(wěn)定性能較好、控制簡(jiǎn)單、芯片功耗幾乎可以忽略、成本低，過

5、流保護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載上。當(dāng)取樣電阻超過指定范圍，立即切斷負(fù)載，或者降低輸出電壓，然后過一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng)，接上負(fù)載，由繼電器控制負(fù)載的連通性。三整流濾波電路設(shè)計(jì) 1.整流濾波電路設(shè)計(jì)： 由給定題目可知開關(guān)穩(wěn)壓電源的前級(jí)電路主要由整流、濾、波穩(wěn)壓電路構(gòu)成，特別是前一級(jí)經(jīng)過隔離變壓器降壓，降壓后得到18V的交流電，然后經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電送往后級(jí)。整流電路如圖1-5所示： 圖1-5整流濾波電路 整流濾波電路仿真波形2.PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路四：UC3842分析： UC3842管腳排列圖 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接圖 UC3842功能說明腳是誤差放大器的輸出端，外接

6、阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；腳是直流電源供電端，具有欠壓、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。如圖所示，由分壓電阻R提供分得的電壓接入uc3842的7

7、腳（vcc）,uc3842啟動(dòng)工作，由6腳輸出推動(dòng)開關(guān)管工作，輸出信號(hào)為高低電壓脈沖，高電壓脈沖期間，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量?jī)?chǔ)存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情況，此時(shí)變壓器各路副邊沒有能量輸出,當(dāng)6腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產(chǎn)生上負(fù)下正的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)副邊二極管導(dǎo)通，向外提供能量，同時(shí)反饋線圈向UC3842供電，UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路其開啟和關(guān)閉值分別為16v和10v,電源電壓接通后，當(dāng)7腳電壓升至16v時(shí)，uc3842開始工作，開始正常工作后，它的消耗電流約為15mA。如果出于某種原因，是輸出端短路而產(chǎn)生過

8、流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，uc3842的3腳電壓也將上升，當(dāng)該腳的電壓值超過正常值0.3v時(shí)，uc3842的pwm比較器則輸出高電平，使pwm鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。此時(shí)uc3842的6腳無(wú)輸出mos管Q1截止，從而起到保護(hù)電路的目的。 PWM輸出波形 PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)MOS管的工作頻率范圍，選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鏖_關(guān)頻率，此設(shè)計(jì)選擇的工作頻率為f=40kHz,因此UC3842的工作頻率為f=1.8/Rt×Ct,再根據(jù)選擇的工作頻率f=40khz，選擇適當(dāng)?shù)碾娮桦娙葜?，電阻?k、電容為45nf,供給vcc管腳電壓為16v，2腳輸入基準(zhǔn)電壓為5v。3開關(guān)管的選擇作為開關(guān)管使用

9、的晶體管，除了具有放大特性以外，還要求具有開關(guān)速度和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。由于開關(guān)管應(yīng)能承受380v以上的電壓，為安全起見，應(yīng)采用耐壓vdcm=1kv，最大漏極電流Idm=4.3A，最大功耗Pdm=150w，這些參數(shù)完全符合要求。五電路輸出部分設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電路部分采用升壓式斬波電路。這一部分電路由電感、續(xù)流二極管、電容及負(fù)載電阻組成。1. 升壓斬波電路升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖所示 升壓斬波電路 升壓斬波電路開關(guān)管漏極電壓波形開關(guān)管以u(píng)c3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲(chǔ)存能量并釋放能量，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感以Vi/L的速度充電，通過二極管D把儲(chǔ)存的電能以（V0-Vi）/L的速度釋放到

10、輸出電容器c2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來(lái)控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來(lái)控制。升壓斬波電路分析： 升壓斬波電路可以工作在電流斷續(xù)工作模式和電流連續(xù)工作模式，電流工作模式適合大功率輸出電路，負(fù)載要達(dá)到10%以上時(shí)，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)。設(shè)開關(guān)管v處于導(dǎo)通的時(shí)間為Ton，在此階段L上儲(chǔ)存的能量為EIiTon。設(shè)V處于關(guān)斷的時(shí)間為Toff，則在此期間電感L釋放的能量為（U0-E）IiToff當(dāng)電路工作與穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)1個(gè)周期T中電感L儲(chǔ)存與釋放的能量相等；即 EIiTon=(U0-E)IiToff （1） 化簡(jiǎn)得：U0=(Ton+Toff)/Toff=T/Toff×E （2）（

11、2）式中的T/Toff1，輸出電壓高于輸入電壓，即升壓斬波電路。（2）式中T/Toff表示升壓比，通過調(diào)節(jié)升壓比的大小就可以改變輸出電壓的大小，從而達(dá)到升壓的目的。若定義斬波電路的占空比：K=T0n/T 則輸出電壓為：U0=Ton×U/Toff=Ton×U/(T-Ton)=k×U/(1-K) (3) 式（3）中，若改變占空比k則輸出電壓即可于輸入電壓，也可能低于。由此可知當(dāng)0k1/2時(shí)，斬波器輸出電壓低于直流電源輸入，此時(shí)為降壓電路。當(dāng)1/2k1時(shí)，斬波器輸出電壓高于直流電源輸入，此時(shí)為升壓斬波電路。2.升壓斬波電路參數(shù)選擇儲(chǔ)能電感L：根據(jù)輸入電壓和輸出電壓可決定

12、最大占比即： 當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)至少應(yīng)滿足 電路工作在電流連續(xù)工作模式下，即必須滿足：同時(shí)考慮在10%額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以假設(shè)電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為平均電流的20%-30%，為不增加輸出紋波電壓就需增加輸出電容C2,取30%為平衡點(diǎn)，即L電感量選取180300uH且通過5A以上電流不回飽和的電感。輸出二極管D和輸出電容C的選擇：升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流。二極管的峰峰值電流Id=1.5A,根據(jù)需要此電路的二極管可選用6A/50V以上的快速恢復(fù)二極管，如正向壓降低的肖特基二極管，整個(gè)電路的效率將得到提高。 輸出

13、電容C 2的選擇主要取決于對(duì)輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻有關(guān)，電容器的允許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的等效電阻約為0.3,由于低溫時(shí)電容的等效電阻將增大，故應(yīng)按低溫下的等效電阻來(lái)選擇電容器，因此應(yīng)選擇200uF/50V以上頻率特性較好的電解電容。六電路整體分析整體電路如圖所示，電路由三部紛紛組成：?jiǎn)?dòng)電路，即降壓整流濾波電路，這一部分電路主要是得到DC-DC的輸入電壓和為UC3824提供驅(qū)動(dòng)電壓。PWM脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路，它的主體是芯片UC3842，以及他的外圍電路組成。輸出部分，它是由一個(gè)升壓斬波電路構(gòu)成，結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單。 仿真電路 輸出波形 七電路測(cè)試測(cè)量電路如圖

14、所示（1、2、3、4、5、6、7為測(cè)量點(diǎn)）：理論仿真結(jié)果：輸出電壓范圍2836V；輸出最大電流I0=2A;電壓調(diào)整率Su=0.069%2%；負(fù)載調(diào)整率Si=3.164%5%;輸出噪聲紋波電壓峰-峰值Vopp=290mv1V;DC-DC變換器的效率=88.46%70%;過流保護(hù)：過流保護(hù)電流為2.51A八涉及調(diào)試及解決方案標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)調(diào)試中的問題解決方案1降壓整流濾波電路響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，有等待時(shí)間不斷調(diào)整（加大）整流濾波電容2PWM控制器的輸出脈沖波形有失真減小儲(chǔ)能電感和輸出電容，找到適當(dāng)?shù)闹?，并且調(diào)節(jié)UC3842腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，改變放大器的增益和頻響。3uc3842輸出驅(qū)動(dòng)波形不穩(wěn)定在他的輸入端增加一個(gè)濾波電容，對(duì)輸入進(jìn)行再一次的濾波，通過調(diào)節(jié)找到合適的電容。4在測(cè)試輸出時(shí)有較大的紋波改變驅(qū)動(dòng)mos管5使用軟件進(jìn)行仿真時(shí)，響應(yīng)太慢屬于軟件弊端在設(shè)計(jì)過程中遇到很多問題，但是通過我們的商量，很多問題都得以克服，憑我們的能力也并不是所有的問題都能解決，電路的整體