基于uc3842的多路输出电压型开关电源设计硕士论文(编辑修改稿)

基于uc3842的多路输出电压型开关电源设计硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

作用是通过对直流电压进行脉宽调整而 实现的，所以线性控制区域比较大。 在输入电压发生较大波动时，电源依然保持 很好的稳定性。 体积小，重量轻。 开关电源将输入的交流电压直接整流再进行 PWM控制， 这样就可以省去笨重的电源变压器，使开关电源的体积大大的缩小，而重量也因 此大大的减轻。 安全可靠。 开关电源一般都具有多种辅助电路，用来实 现电源的自我保护 功能，使其安全可靠的工作。 正因为开关电源有着多方面的优点，同时考虑本课题的实际应用要求，本文 设计了一款四路独立输出的电压型开关电源，研究重点是提高开关电源的功率因 数、消除高次谐波的干扰。 课题来源于某科研项目，具有较好的应用价值和工程 应用前景。 国内外开关电源研究现状 自从上世纪的 50年代开始，美国宇航局把小型的重量轻的电源搭载到火箭电 基于 UC3842的多路输出电压型开关电源设计 2 源以来，在 50多年发展的过程中，由传统的技术制造的相控稳压电源逐步被 新型 的开关电源取代，并在电子整机设备中广泛的被应用。 几十年来集成电路不停的 发展，开关电源的发展方向也逐渐趋于模块化和小型化。 近 20年来，集成开关电 源发展的过程中主要有两个方向，第一个发展的方向是实现控制电路的集成化。 在 1977年时候，第一个脉宽调制（ PWM）控制器集成电路在美国研制成功，不久 一系列 PWM控制芯片便在美国 Motorola公司、 Silicon General公司等推动下生产 上市。 现在，国外已经研制出了开关频率能够达到 1MHz高速 PWM、 PFM控制 芯片。 第二个发展的方向是能够将一些中 、小功率的开关电源实现单片集成化。 在 1994年，一种三端隔离式的 PWM型 AC/DC变换器单片开关电源率先由美国电 源集成公司（ Power Integrations）研制成功。 不久 TOPSwitch、 TOPSwitchII、 TOPSwitchFx、 TOPSwitchGX、 PeakSwitch、 LinkSwitch等系列单片开关电源相 继生产。 当前，单片开关电源控制芯片已经形成了数十个系列和上百种产品 ,它作 为一项发展前景广阔，并且影响力深远的新产品，在国内外的电源界引起了普遍 关注，所以，单片开关电 源从第一次出现就显示出了它强大的生命力。 单片开关 电源的特点是集成度高、性价比好、外围电路简单、性能指标优越等。 与国外开关电源技术相比，国内从 1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、 技术相对落后。 目前国内 DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖 了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一般的市场。 但是，随着国内 技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产 DC/DC产 品所代替。 开关电源的使用提高了变换效率，减少了工作能耗，使电源工作周围的环境 温度降低。 使用为 国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。 由于变换效率提高， 能耗减少，降低了电源周围环境的室温，是针对国家投资 4000亿元用于城网、农 网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已经开始采用开关电源取 代传统的相控电源。 国内一些通信公司如中兴通讯等均以相继推出系列产品。 目前市场上开关电源中功率管多采用双极性晶体管，开关频率可达几十千赫 兹；采用 MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫兹。 而高速开关器件的使用， 可以提高开关电源的开关频率。 对于兆赫兹以上开关频率的电源可以利用谐振电 路，这种工作方式称 为谐振开关方式。 它可以极大地提高开关速度，理论上开关 损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。 采用谐振开关 方式的兆赫兹级变换器已经实用化。 开关电源发展的趋势和技术的追求可以概括 四个方面，即： 高频化、薄型化、轻量化、小型化。 开关电源的重量和体积主要由一些储能 元件（如电容和磁性元件）来决定，所以说，使开关电源尽量的小型化就是使其 中电容和磁性元件等储能元件体积尽可能的减小；一般来说，提高电源的开关频 第一章 绪论 3 率，一方面能够使变压器及电感、电容的尺寸减小，另一方 面还能够有效的抑制 干扰，使系统的动态性能得到很好的改善。 所以，高频化就成了开关电源一个主 要的发展方向。 高可靠性。 开关电源所使用的电子元器件与连续工作的电源相比少了数十倍， 所以提高了电源的可靠性。 另一方面，从寿命的角度出发，如光耦合器、排风扇 以及电解电容等元器件的寿命能够决定着开关电源的使用寿命。 因此要从设计的 方面考虑，尽可能较少的使用元器件，以提高电源的集成度。 这样不但能够解决 可靠性差、电路复杂的问题，还增加了一些保护功能等，使电路得到简化，最重 要是将平均无故障的时间提高了。 低噪声。 噪 声大是开关电源一个很大的缺点。 在单纯去追求电源高频化的同 时，电源的噪声也将随之而增大。 为此采用部分谐振转换回路技术，能够在原理 上不仅降低噪声还可以提高开关频率。 所以，开关电源另一个发展的方向就是尽 可能的使电源的噪声降低。 开关电源一直被称为是高效能的电源，现在它代表了稳压电源发展的方向， 并且成为了稳压电源最主要的产品。 开关电源采用了控制集成电路和高频变压器， 具有效率高、可靠性好、输出稳定等一些特点，成为了电源今后发展的趋势。 开关电源的应用越来越广泛，而人们对电源性能的要求也越来越高，电源的 工作效率、功率因数、谐波分量等性能迫切需要得到更好的改善，特别是针对具 有多路输出开关电源的精度和稳定性，更是需要进行研究攻克的难点。 本文主要工作和内容安排 本文设计一款 4路输出的电压型开关电源，主要工作如下： 分析开关电源工作原理，结合本设计要求及工作指标梳理知识脉络，整理 文献材料，为设计电源做基础工作。 从整体结构出发，宏观的分析设计出电源的基本拓扑结构，分析其工作原 理，构建出整个系统的框架图。 整理系统包含的模块结构。 以整体的框架结构为基础，按模块逐一设计电路并分析 其工作原理，详细 计算各部分元件参数。 最终得到整个设计的原理图。 利用 saber仿真软件对系统进行仿真测试，得到关键参数及波形。 有利于 电路的分析与改进。 总结整个设计的优点与不足，确定未来改进的方向。 本论文内容安排： 第一章是绪论。 阐明本课题的研究的背景及意义，描述开关电源的国内外现 状。 并简单给出了本论文的主要工作及内容安排。 基于 UC3842的多路输出电压型开关电源设计 4 第二章是电源系统设计。 给出了设计指标，选择了电源设计的住拓扑形式， 从宏观的角度分析设计了系 统的整体结构。 第三章是开关电源模块设计。 对电源的每一个模块进行设计分析，包括 EMI 滤波电路、整流滤波电路、功率因数校正、高频变压器设计、功率开关管的选择、 箝位电路、缓冲回路、控制芯片及外围电路、反馈电路、输出滤波电路，详细的 计算元件参数。 第四章是仿真分析。 利用 saber软件对电路进行建模仿真。 得到电路的具体波 形和工作状态，对结果进行分析。 第五章是总结。 第二章 电源系统设计 5 第二章 电源系统设计 本章确定电源的设计指标，系统的分析开关电源的整体结构，确定本设计的 拓扑 ，从总体出发，应用基本理论创建电源设计的整体框架，为进一步的设计奠 定理论基础。 开关电源设计指标 电源的性能指标是设计电源的前提，只有明确了各项性能指标的要求，在设 计电路中才能有的放矢，有针对性的对总体结构或模块分析做出有利的评估。 本 次电源的设计指标如下： 输入： AC185~250V， 50Hz 输出： 177。 5V 独立输出 /1A， 177。 12V 独立输出 /1A 开关频率： 50KHz 效率：大于 80% 输出纹波：最大 100mV（峰峰值） 纹波系数：小于 1% 输出精度 ： 177。 5% 电源结构及工作原理 开关电源的组成 图 开关电源的组成框图 开关电源的组成结构如图。 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 基于 UC3842的多路输出电压型开关电源设计 6 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。 AC/DC转换电路是整流滤波电路。 DC/DC转换器是开关电源中最重要的组成部分，有以 下几种基本类型： buck 型、 boost型、 buckboost型、正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。 开关电源的工作原理 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维 持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM）控制 IC和 MOSFET构成 [3]。 在线性电源中，功率晶体管工作在线性的模式下，而与线性电源所不同的是， PWM开关电源让功率晶体管工作在导通与截止状态下，在这两种状态中，加在功 率晶体管上的伏 安乘积是很小的（在导通时，电压 低，电流大；关断时，电压高， 电流小），功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比， PWM开关电源更为有效的工作过程是通过 “ 斩波 ” ，即把 输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。 脉冲的占空比 由开关电源的控制器来调节。 一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过 变压器来升高或降低。 通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。 最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器类 似。 即 控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。 他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过 一个电压 /脉冲宽度转换单元。 反激式开关电源拓扑分析 反激式开关电源的拓扑结构如图 ，当开关管 Q1导通时，只有初级绕 组导通（其他绕组因未导通，可暂不考虑其对初级电压的影响），此时，开关管可 认为只是给电感储存能量。 当开关管 Q1关断时，只有次级绕组导通，分析时可暂 不考虑初级绕组对次级绕组的影响（此时次级可认为只是电感放电过程）。 所以， 反激变换 器从功能上考虑，实际只是有着若干绕组的电感而已。 在这种情况下， 初次级绕组的电压并不相关，次级绕组电压只与负载有关系。 假设次级绕组安匝 数为 100，匝数为 10，则峰值电流为 10A，如果将这样的次级绕组与 100Ω 的负载 相连，则可以在次级得到不可思议的 1000V电压。 当次级有几个绕组同时导通时， 则所有次级绕组的安匝数之和与初级绕组的安匝数守恒 [8]。 第二章 电源系统设计 7 根据反激变换器初级电感和负载电流的不同，可分为以下三种工作模式：断 续工作模式 (DCM）、连续工作模式 (CCM)和 临界工作模式。 图 反激式开关电源拓扑结构 开关电源体系结构设计 本次电源设计的整体结构框图如图 图 系统整体机构框图 系统整体结构包括： EMI滤波电路、整流滤波电路、箝位电路、吸收回路、 控制电路、输出整流滤波电路和反馈电路，另外还有高频变压器与开关器件 MOSFET[11]。 系统工作过程分析：交流电压 iU经过前级保护电路后，进入 EMI滤波电路一 方面减少电源内部对电网的干扰，同时减小电网对电源的干扰。 经 EMI滤波以后 的交流电压经过桥式整流滤波电路，将交流电变 成电压约为 320V的直流电压。 此 时的直流电压便可以经过高频变压器的导通与关断来改变幅值，并通过变压器的 基于 UC3842的多路输出电压型开关电源设计 8 次级侧将电压输送到输出端的输出整流滤波电路。 得到期望的输出电压 oU。 在此 过程中，由于反激式变换器在开关管关断期间，一次侧会存有大量的能量，为保 护电路，需要在一次侧加入一个箝位电路，是整个电路能够正常工作。 另一方面， 为了能够提高电路的工作效率，可以在 MOSFET傍边加一个吸收回路，用来减少 开关管在开关过程中的损耗。 由于电路工 作过程中可能遇到输入电压波动或输出 负载的变化导致输出电压不稳定。 为此，在电路输出端加入一个反馈回路，通过 将输出端电压的采样与基准电压进行比较，并把反馈信号输送给控制电路，控制 PWM的占空比，达到控制开关管的导通与闭合，从而使输出电压稳定。 本章小结 本章系统分析了开关电源总体结构与工作原理，明确了电源设计的性能指标， 选择了反激式为设计的基本拓扑，并确定了系统运行的整体架构。 将本次设计的 总体思路阐明，按模块分为多个部分，为接下来的设计提供方向。 第三章 开关电源模块设计 9 第三章 开关电源模块设计 本章逐一分析电源的每一个电路模块，按设计指标分析设计模块电路的工作 原理，按照要求计算元件参数并合理选取相应元器件。 EMI滤波电路设计。