DC-DC电源实习报告

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小组成员：B120410孟祥伟

B120410王嘉俊

B120410姬亚威

B120410熊广超2014年11月

摘要：要求15V输入，用UC3843驱动，主电路采用升降压斩波，希望能实现降压UC3843输出5V。

关键词：开关电源；降压型；DC-DC转换；UC3843

Buck type DC-DC switch power supply research and design

Abstract：Requirements for 15V input, UC3843 driven, the main circuit uses the boost buck converter, the hope can realize buck UC3843 output 5V.

Key words：Switching Power Supply ； Buck ； DC-DC switch; UC3843

目录

1 开关电源现状及前景 (4)

1.1 国内外开关电源的发展状况 (5)

1.2 国内开关电源的发展状况 (2)

1.3 开关电源发展前景 (3)

1.4 本论文主要工作目的 (4)

2 开关电源基础理论 (5)

2.1 稳压电源简介 (5)

2.2 隔离型开关电源简介 (6)

2.3 非隔离型开关电源理论基础 (7)

2.4 开关电源的基本构成 (7)

3 实验内容及要求............................................................^8 3.1实验名称：DC-DC降压电路 (8)

3.2实验要求 (8)

4实验内容 (10)

4.1原理图 (10)

4.2其PCB板如下图所示 (11)

4.3 DC-DC降压电路的设计 (12)

4.4整流电路 (12)

4.5滤波电路.............................................................^13 4.6电源电路仿真 (13)

4.7电源电路输出电压波形仿真 (14)

4.8制作分析 (14)

5调试 (15)

6测试结果与分析 (17)

6.1数据统计 (17)

6.2误差分析 (17)

6.3改进措施 (17)

7实习总结 (18)

1 开关电源现状及前景

1.1 国内外开关电源的发展状况

电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商优势明显。国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI等，他们的产品都已经非常成熟能够提供高质量、全系列的电源管理芯片。在非隔离的DC-DC转换技术中，TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK，转换效率高达97%，其中TPS40071等是其代表产品。在电源数字化方面走在前面的公司有TI 和Microchip，TI公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块，其中PFM和PWM部分完全为数字式控制。

1.2 国内开关电源的发展状况

近5年来，在下游电子产品整机产量高速增长的带动下，中国电源管理芯片市场保持了快速的增长，从2003到2007年，市场复合增长率达到25%。随着电源管理芯片技术门槛的降低，越来越多的Fabless(芯片设计公司)开始涉及该领域，尤其是台湾和中国内地厂商，近年来发展快速，已经在中低端电源管理管理芯片领域取得较大成功。消费、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场最主要的应用领域，三大领域依然占据了中国电源管理芯片市场近80%的市场份额。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。

1.3 开关电源发展前景

目前开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天，军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。可以说开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。据市场调研公司Databcans报道，2006年模拟IC市场增长约15％，销售额从2005年319亿美元增至370亿美元。在模拟领域的诸多产品种类中，电源管理芯片的市场空间最大，这主要源于电源管理芯片极为广泛的应用。电源管理约占整个模拟IC市场31．2％的份额，其中从销售收入来看，贡献最大的是开关电源[7]。

1.4 本论文主要工作目的

电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化，包括同时提供多个不同的供电电压趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势以及低成本趋势等等。本论文就是按照这种趋势做的一种降压型DC-DC 电源的设计与研究。由系统性能研究开始，设计各模块电路。利用在Protues对各个子电路进行参数修正及仿真验证。基于以上的讨论分析，结合降压式DC-DC开关电源的实际应用，在本设计中首先设定了如下的设计目标：

（1)电源电压输入为15V。

（2)输出电压在5V。

最终将完成整体电路的设计与仿真，完成部分电路的版图设计和验证。为完成以上设计目标，建立的设计环境如下：

在软件方面：Altium designer release 10，仿真工具是Protues；

本论文主要介绍了电源管理的概念、开关电源的发展以及应用前景；对开关电源的工作原理进行了详细的介绍，作为后续的设计的理论基础；对降压式DC-DC开关电源整体电路结构进行设计，对整体电路进行仿真。

2 开关电源基础理论

2.1 稳压电源简介

在开关电源出现之前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性稳压电源的一种替代品出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。

线性稳压电源的基本原理框图如图1所示。

图1 线性稳压电源

2.2 隔离型开关电源简介开关电源就是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的，而隔离型是其中一种类型的电路，应用于AC-DC开关电源中。其典型结构如图2所示，

图2 AC/DC开关电源

2.3 非隔离型开关电源理论基础

非隔离型电路通常用于各种DC-DC转换器，这种电路的主要特点是功率管工作在开关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，暂时以磁场能形式存储在电感器中，然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，得到经变换后的电压脉动较小的直流电能，实现DC-DC变换。

DC-DC转换器系统由主电路和控制电路组成，构成开关电源的主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电

容和负载，它们共同完成电能的转换和传递，合称为功率级；控制电路则通过控制功率开关管的通断实现调节输出电压恒定在设定值，从而控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入的电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定。

2.4 开关电源的基本构成

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图4所示。

3实验名称及要求

3.1实验名称：DC-DC降压电路

3.2实验要求：

1、输入14V，输出8V

2、掌握简单开关电源工作原理

3、进一步掌握制版、电路调制等技能

二、实验器材清单：

UC3842 内部工作原理简介

上图示出了UC3842 内部框图和引脚图，UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下：

①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；

②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；

③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；

④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(R T×C T)；

⑤脚为公共地端；

⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ；

⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；

⑧脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。

4实验内容

本电路主要包括变压器降压，桥式整流电路，滤波电路，降压电路，AD转换电路构成。其中降压电路是一种高效的三增益开关电源DC-DC降压变换器系统。

本电源电路是实现把15V交流电源变换成5V的稳压电源，它的工作原理是：经过降压、整流、滤波、稳压后输出直流电压。

其电路原理图如下图所示

4.1原理图

4.2其PCB板如下图所示

4.3 DC-DC降压电路的设计

一、DC-DC电路设计至少要考虑以下条件：

1、外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。

2、DC-DC输出的电压、电流、系统的功率最大值。

4.4整流电路

该部分电路是采用桥式整流电路，把经过降压后的交流电变成单方向的直流电，因为相比于半波整流、全波整流电路，桥式整流电路的整流效率较高，其输出电压平均值即整流输出电压 U在一个周期内的平均值：

max max

1

2()0.918

U Sinwtd wt U V

π

ππ

==≈=

? 3-1

在式3-1中，w为市电频率50Hz。

4.5滤波电路

经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电路的工作性能。可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并入并联电容 C作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。

以上交流电压转换、整流、滤波三部分统称为电源输入部分，将15V交流电转换成为稳定的5V直流电作为电源的输入端，其电路图如下图所示。

电源输入部分电路图

4.6电源电路仿真

电源电路仿真主要应用了常用软件Protues。 Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件，它可以仿真、分析各种模拟电路与集成电路，软件提供了大量模拟与数字元器件及外部设备，各种虚拟仪器，特别是它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。

4.7电源电路输出电压波形仿真

本设计采用Proteus中ISIS部分对主干电路进行仿真。电路输入端为电15V交流电，输出端输出5V左右的直流电压，仿真时取5V,12V为测量点在空载情况下对其进行波形仿真

4.8制作分析

电路板的制作除了原理图，PCB，仿真以外，还有一个重要环节就是电路元件的焊接，其中包括元器件的分布，飞线的排列，焊接温度和焊点的掌控等等。

制作过程中出现的错误

本次DC-DC电路板的制作我们小组出现了以下几种问题：

1>元器件的布局不够合理。

2>电烙铁温度的不合理掌控。

3>焊点出焊锡的量把握不好。

4>连焊的不完全掌握。

5>飞线的不合理分布，出现交叉。

6>有的元件虚焊。

5调试

6测试结果与分析

6.1数据统计

6.2误差分析

①温度变化时，电阻阻值会变化。计算结果会产生误差。

②器件的选择和仪器的选择不可避免的产生一定的误差。

③电路板受外界的电磁干扰也会影响电路的读数。

④由于电路板是焊接而成，所以排版和焊接肯定会产生影响电路的方面，比如元器件之间的电磁干扰。

6.3改进措施

①选用温度变化较小的电阻减小计算的误差

②使用较精密的测试仪器

③提高电路板的焊接工艺

7实习总结

通过这次电源课程设计，使我们加深了对于开关电源的理解。在这次降压电路的设计制作过程中，学会了很多知识。这次实习一方面提高了综合运用所学知识进行电路设计的动手实践能力；另一方面掌握了UC3842的工作原理及设计制造，熟悉实用电路设计的一般过程。