基于uc3842的开关稳压电源的设计(编辑修改稿)

基于uc3842的开关稳压电源的设计(编辑修改稿)内容摘要：

......... 24 图 59 电压反馈回路 ........................................................................................................... 26 图 510 开关电源总电路图 ................................................................................................... 27 xx 基于 UC3842 的开关稳压电源的设计 VI 引 言 电源在一个典型系统中担当者非常重要的角色。 从某种程度上，可以看成时系统的心脏。 电源给系统提供持续的，稳定的能量，是系统免受外部的侵扰，并防止系统对其自身作出伤害。 如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障。 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。 上世纪八十年代，由于线性电源在成本和价格上比开关占有绝对优势，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到应用。 之后，由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电 源有显著减少，而且对整机多项指标有良好影响，因此它的应用得到广泛推广。 近年来许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。 究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件（五新）不断地出现并应用到开关电源的缘故。 不同的负载要求不同的电源装置，万能的电源至少今天还未出现。 一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本要求。 高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质，而安全可靠是必须加以保证的。 无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并由相关的国际和国家标准规范进行约束。 有时特定的使用环境又要求电源具备一些额外的适应性能力，比如高温、高寒、高湿、抗辐射、抗振动、防爆、体积小、重量轻、智能化等。 UC3842 是由 Unitrode 公司开发的新型控制器件，是国内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。 xx 大 学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 课题背景与意义 电源向电子设备提供功率的装置，把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。 发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。 电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压 (电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的 ),电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即可，当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去， 当电荷散尽时 ,也就荷尽流 (压 )消了。 因此人们把干电池等叫做电源。 通过变压器和整流器，把交流电整流成直流电的装置叫做整流电源。 能提供信号的电子设备叫做信号源。 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。 21 世纪，人们提倡的是建设可持续发展的社会，提倡的是节约资源，提高能效，环境友好。 在这种大背 景下，开关电源以其高效、环保、安全、体积小、重量轻等优点已成为人们争相研究的一个热点。 同时电源技术已经演变成为一个综合微电子技术、自动控制技术、材料科学、电力变换技术、电机工程等诸多学科相互渗透的综合学科。 从日常生活到尖端科技都离不开开关电源技术的参与和支持。 课题研究 历程与 现状 1955 年，美国科学家 成功研制出了第一台自激式晶体管直流变换器，从而取代了早期的机械振子式换流设备。 但是由于当时的微电子技术落后，生产出的晶体管耐压值低、开关速度慢，致使直流变换器输入电压低，而且电路中还 含有笨重的工频变压器。 20 世纪 60 年代末，得益于微电子技术的飞速发展，此时的开关管具有耐高压、耐大电流等优点。 直流变换器可以直接由电网供电，从而彻底甩掉了体积大、重量大、效率低的工频变压器，诞生了无工频变压器的开关稳压电源，并且凭借其高效率、体积小、重量轻而被迅速推广普及。 20 世纪 70 年代以后，与开关电源相关的高频率、大电流、高反压的开关晶体管，快恢复二极管，高频变压器磁芯等元器件的出现，又进一步的加快了开关稳压电源的发展，开关电源被广泛的应用于航天、军事电子、计算机、通信设备等领域。 我国无工频变压器 的开关电源开始于 20 世纪 70 年代初期，当时引进的开关电源技术还停留在高校和科研机构的实验开发阶段。 1974 年，成功研制了我国第一台 10kHz、输出 5V 的无工频变压器开关电源。 20 世纪 80 年代中期，开关电源的产品开始应用和推广，此时开关电源特点是采用 PWM 技术，工作频率 20kHz，效率在 60%至 70%。 20 世纪 90 年代初期，我国成功研制出工作频率 100 至 200kHz 的高频开关电源。 目前，毫无疑问开关电源已广泛应用于几乎所有的电子设备中，成为电子信息产业必不可少的一种供电方式。 但是，随着科技的不断进步，人们对 开关电源的要求将会更高，可以预见，高频化、小型化、高效率、模块化、高可靠性以及智能化是 21 世纪开关电源的发展趋势： （ 1） 小型化，高频化。 xx 基于 UC3842 的开关稳压电源的设计 2 随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路（ IC）的出现，制约电子设备体积、重量的主要因素就是电源能否小型化。 而提高开关频率是减小体积的有效途径，他能有效减小电容和电感的体积和重量。 另外研究人员还致力于研制出体积更小，重量更轻的高频变压器，再或者通过别的方法来取代电源电路中的变压器，从而实现小型化。 （ 2） 低噪声。 高频开关电源电路中的功率开关管工作在高速开关状态，而且由于 元器件的容性、感性等特性，会产生尖峰电压和谐振噪声。 这些噪声干扰会影响邻近电子设备的正常工作，特别是一些高精度的仪器仪表。 采用辅助谐振开关电路在开关状态发生变化时发生谐振，对降低噪声干扰有一定效果。 如何有效地降低噪声干扰将是开关电源的一个发展方向。 （ 3）高可靠性。 由于开关电源电路中所用元器件较多，降低了电路的可靠性。 但是随着开关电源的模块化、集成化，电源电路将大幅简化，可靠性也将大大提高。 （ 4）高效率。 高效率永远是研究人员追求的目标，人们将通过各种技术来提高效率。 软开关技术可以有效减小开关的损耗，提 高电源的效率；有源功率因数校正（ APFC）可以提高功率因数，从而提高电源的整体效率。 （ 5）模块化。 模块化是开关电源的一个重要发展方向，通过把控制电路、反馈回路、驱动电路和保护电路集成化，最后实现电源整机的模块化，可以有效地减小体积、减轻重量、降低成本、增强可靠性，提高功率密度等等。 （ 6）智能化。 通过将微处理器和开关电源结合，使开关电源变得更智能化、人性化。 总之，伴随着越来越广阔的市场需求，人们对开关电源的各项性能要求也日益提高，研究人员需要对新技术、新材料、新控制方式以及电路拓扑进行优化整合，才能 不断提高开关电源的各项性能，生产出市场需求的开关稳压电源。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标级能否安全可靠的工作。 目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。 由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。 半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。 早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。 在 20 世纪 70 年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源种的控制电路实现了 集成化。 20 世纪 80 年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于 AC/DC 电源变换器。 随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。 AC/DC 电源变换器的集成化变为现实。 本课题的研究内容与目标 集成小功率开关电源的研究与设计，本论文根据课题研究的需要，设计了一种性能优良的电流控制型脉宽调制器 UC3842 进行的开关电源，本设计利用 UC3842 组成的 PWM脉冲控制驱动电路，输出＋ 5V 直流电源。 电路分为 五 个模块，滤波电路，为 UC3842 提供启动电压， UC3842 组成的 PWM 脉冲电路，驱动 MOSFET 管为变压器线 圈提供脉冲， 一个 输出电路，以及一个电压反馈电路 ，和过流保护电路。 xx 大 学毕业设计（论文） 3 第 2 章 开关电源的基本工作原理与电路结构 开关电源概述 开关电源的工作原理 开关电源主要是进行交流 /直流、直流 /直流、直流 /交流功率转换的装置，通过了对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。 主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。 一般开关电源控制 集成电路包括振荡器、误差放大器、 PWM 触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。 在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用 AC/DC 变换器就是离线式开关变换器。 开关电源的工作原理框图如图21 所示。 输 入整 流滤 波功 率转 换电 路高 频变 压器输 出整 流滤 波脉 宽比 较器取 样器振 荡器基 准电 压A C D C 图 21 开关电源电路框图 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 22 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。 xx 基于 UC3842 的开关稳压电源的设计 4 图 22 开关电源的 工作原理 上图中， a 图为电路图， b 图为波形图。 为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下： TTD ON/ （ 21） 上式中， T 表示开关 S 的开关重复周期； ONT 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： DUU IO  （ 22） 由式 (21)和式 (22)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调宽方式。 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。 下图 23 是开关电源的工作波形图。 图 23 开关电源工作波形 xx 大 学毕业设计（论文） 5 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图 24 所示。 其中 DC/DC 变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是 PWM 信号、 PFM 信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，。