开关电源设计

A n h u i C o n v e c t i o n a l&T e c h n i c a l C o l l e g e o f I n d u s t r y&T r a d e

毕业论文

开关电源的设计

Switching power supplydesign

所在系院：电气与信息工程系

专业班级：

学生学号：

学生：

指导教师：

2014年4月20日

A n h u i C o n v e c t i o n a l&T e c h n i c a l C o l l e g e o f I n d u s t r y&T r a d e

毕业设计说明书

开关电源的设计

Switching power supplydesign

所在系院：电气与信息工程系

专业班级：

学生学号：

学生：

指导教师：

2014年4月20日

工贸职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

系（院）电气与信息工程系专业电子信息工程技术班级

学生学号

一、题目：开关电源的设计

二、容与要求：

开关电源作为一种稳定输出电压的电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。在设计智能的控制电路设计中，采用了一个八位单片机和其它元器件及相应的外围电路，用来开发一个智能软开关电源。

三、设计（论文）起止日期：

任务下达日期：年月日

完成日期：年月日

指导教师签名：

年月日四、教研室审查意见：

教研室负责人签名：

年月日

工贸职业技术学院

毕业设计（论文）指导教师、评阅人评语

专业、班级学生完成日期

题目：开关电源的设计

毕业设计（论文）共13 页，其中：图10 幅，表0 个

指导教师评语：

建议成绩指导教师（签名）：

年月日评阅人评语：

建议成绩评阅人（签名）：

年月日

工贸职业技术学院

毕业设计（论文）成绩评定

专业、班级学生完成日期

题目：开关电源的设计

毕业设计（论文）共13 页，其中：图10 幅，表0 个毕业设计（论文）指导小组评定意见：

毕业论文成绩的评定：

系（院）负责人签名：

年月日

开关电源的设计

摘要随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及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、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。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UC3842的小功率高频开关电源系统设计。

关键词：开关电源UC3842单端反激

Switching power supplydesign

Abstract Withthe switch power source extensive use in the field of computer, communicate by letter, aeronautics and astronautics, instrument appearance and domestic appliances etc., people increases by gradually to whose need amounts, have brought forward higher request to aspect such as power source efficiency, bulkfactorand reliability. The switch power source is small with it’s efficiency height volume，weight makes light of to wait for advantage to have substituted the inefficient , both stupid and serious linearity power source in many aspects step by step. The electric power electronic technology development,specially highefficiency component IGBT and the MOSFET rapid development, enhancesthe switching power supply operating frequency to the quite highlevel, enable it to have the high stability and Boxing comparesand so on the characteristic. One of switching power supply technologymain uses is serves for the information industries. The informationtechnology development also set a higher request to the power source technology, thus promoted the switching power supply technology development.Switch power source high frequency alternation circuit form many, forms such as alternation circuit in common use having the push-pull , entire bridge , the bridge , only upright exciting and single end exciting partly on the contrary. This paper is based on UC3842 chip of low power frequency switching power supply system design.

Keywords:Switching power supplyUC3842 Single end exciting

目录

引言1

第一章绪论2

1.1 开关电源的分类2

1.2 开关电源的优点2

1.3 开关电源的控制原理3

第二章开关电源常见的变换器4

2.1 PWM变换器4

2.2 DC/DC变换器4

第三章基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计6

3.1 UC3842的简介6

3.1.1 UC3842的工作原理6

3.1.2 UC3842的工作描述7

3.2 主电路的设计9

结论11

参考文献12

致12

引言

电源，即提供电能的设备，主要分三类：一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。

第一章绪论

1.1 开关电源的分类

开关型稳压电源的电路结构一般分类如下：

（1）按驱动方式分：有自激式和他激式。

（2）按DC/DC变换器的工作方式分：①单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。

（3）按电路组成分：有谐振型和非谐振型。

（4）按控制方式分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式。

1.2 开关电源的优点

开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点：

(1)功耗小，效率高。功率晶体管在激励信号的激励下，交替工作在饱和导通与截止的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几百kHz。这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可以达到80%以上。

(2)体积小，重量轻。由于没有采用笨重的工频变压器，并且在功率晶体管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以得到减小。

(3)稳压围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化也可以通过变频或调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压围宽、稳压效果好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

(4)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/500—1/1000。

(5)电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

1.3 开关电源的控制原理

开关电源是指电路中的电力电子器件工作在开关状态的稳压电源，是一种高频电源变换电路,采用直-交-直变换,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。

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1-1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图1-2是一种电路实现形式。

图1-1 开关电源的基本构成

图1-2 开关型稳压电源的原理电路

第二章开关电源常见的变换器

2.1 PWM变换器

脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。其工作原理如图2-1所示

图2-1 PWM变换器的基本工作原理

多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

2.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。这时必须采用变压器进行隔离，称为隔离变换器。这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电

压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变为直流电压或电流。因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。

DC/DC变换器有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图2-2所示

图2-2 电路结构图

电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD 导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图2-3所示

图2-3 M1导通与截止的等效拓扑

第三章基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计

3.1UC3842的简介

3.1.1 UC3842的工作原理

图3-1示出了UC3842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，部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，

⑤脚为公共地端，提供芯片工作参考地端；

图3-1UC3842部原理框图

⑥脚为推挽输出端，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A，通过一个电阻与外部功率管相连；

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，一路与电源输出端相连，一路与辅助电源相连；

⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力，该电压源具有极好的温度稳定性。

芯片供电分为两个阶段：启动阶段、正常工作阶段。启动时，输入电压必须达到16V，电压小于16V时，芯片工作电流小于1mA。

3.1.2 UC3842的工作描述

UC3842是专门设计用于离线和直流—直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供适应最少外部元件的高性能价格比的解决方案。代表性方框图如图3-2所示

图3-2 UC3842代表性方框图

（一）振荡器

振荡器频率由定时元件R

T 和C

T

选择值决定。电容C

T

由5.0V的参考电压通过电阻R

T

充

电，充至约2.8V，再有一个部的电流宿放电至1.2V。在C

T

放电期间，振荡器产生一个部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生一个数量可

控的输出静区时间。要注意的是尽管许多的R

T 和C

T

值都可以产生相同的振荡器频率，但只

有一种组合可以得到在给定频率下的特定输出静区时间。振荡器门限是温度补偿的，放电电流在Th=25摄氏度时被微调并确保在±10%之，这些部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。结果显示在图3-3和图3-4中。

图3-3 振荡器放电电流与温度关系曲线

图3-4最大输出占空比与定时电阻关系曲线

（二）误差放大器

提供一个有可访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。同相输入在部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反相输入监视。最大输入偏置电流为2.0uA，它将引出输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿。输出电压因两个二极管压降而失调（≈1.4V）并在连接至电流取样比较器的反相输入之前被三分。这将在管脚1处于其最低状态时（Vol），保证在输出（管脚10）不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载被取消时，或者在软启动过程的开始。最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流（0.5mA）和到达比较器的1.0V箝位电平所需的输出电压（Oh）：

(min) 3.0(1.0) 1.40.5f V V

R mA

+=

（3－1）

（三）电流取样比较器和脉宽调制锁存器

UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿（管脚1）建立的门限电平时中止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs 转换成电压。此电压由电流取样输入（管脚3）监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，其中：

(1) 1.43pin pk s

V V

I R -=

（3－2）

当电源输出过载或者输出电压取样丢失时，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将被部箝位至1.0V 。因此最大峰值开关电流为：

(max) 1.0pk s

V

I R =

（3－3） （四）欠压锁定

采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端（Acc ）和参考输出（Pref ）各由分离的比较器监视。每个都具有部的滞后，以防止在通过它们各自的门限时产生错误输出动作。Acc 比较器上下门限分别为：UC3842 16V/10V 。Pref 比较器高低门限为3.6V/3.4V 。 3.2 主电路的设计

本设计以UC3842为核心控制部件，设计一款单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。

电路综合图如下图：