【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專用紙開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II1 緒論 1 課題研究的背景 1 研究的目的及意義 2 2 2 高頻開關(guān)電源的發(fā)展情況 3 3 3 隔離式高頻開關(guān)電源簡介 52 高頻開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì) 7 主電路的選擇 7 控制電路的選擇 8 8 8 電流工作模式的方案選擇 8 8 9 綜合結(jié)構(gòu)電路圖 93 開關(guān)電源輸入電路設(shè)計(jì) 11 電壓倍壓整流技術(shù) 11 交流輸入整流濾波電路原理 11 12 輸入保護(hù)器件保護(hù) 12 12 134 開關(guān)電源主電路設(shè)計(jì) 15 單端反激式變換器電路的工作原理 15 開關(guān)晶體管的設(shè)計(jì) 16 變壓器繞組的設(shè)計(jì) 18 輸入整流器的選擇 20 輸出濾波電容器的選擇 215 開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì) 22 芯片簡介 22 22 UC3842內(nèi)部工作原理簡介 22 工作描述 23 UC3842常用的電壓反饋電路 276 結(jié)論 30 成果與結(jié)論 30 30 PWM集成控制器的設(shè)計(jì) 30 30 進(jìn)一步工作設(shè)想 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33附錄1: 英語翻譯 34 附錄2: 單端反激式開關(guān)電源圖示 44 1 緒論 課題研究的背景隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時(shí)。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源。開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展趨勢可以歸納以下幾點(diǎn)： ①小型化、薄型化、輕量化、高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。 ②提高可靠性，提高集成度，增加保護(hù)功能，拓寬輸入電壓范圍，提高平均無故障時(shí)間。 ③隨著頻率提高，開關(guān)電源的噪聲隨之增大，降低噪聲也是高頻開關(guān)電源的研究方向。 ④提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)。 ⑤用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)與控制，具有高效、高精度、高經(jīng)濟(jì)性和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，可以使開關(guān)電源具有最佳電路結(jié)構(gòu)與最佳工作狀況。開關(guān)電源高頻化的實(shí)現(xiàn)，與磁性元件和半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展?fàn)顩r有著密切的關(guān)系。隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。早在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)多種電壓和電流的需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展，高反壓快速開關(guān)晶體管使無工頻變壓器的開關(guān)電源迅速實(shí)用化。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開關(guān)電源控制要求的集成開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接組件越來越少，使得開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關(guān)穩(wěn)壓器系列。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開關(guān)電源的工作頻率從20kHz提高到150一200kHz，其結(jié)果是使整個(gè)開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關(guān)電源的性能價(jià)格比達(dá)到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導(dǎo)之勢。當(dāng)然開關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。在70年代后期，功率在100W以上的開關(guān)電源是有競爭力的。到1980年，功率在50W以上就具有競爭力了。隨著開關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關(guān)電源了。過去，開關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進(jìn)入90年代后，其成本下降非常顯著，當(dāng)然這包括了功率組件，控制組件和磁性組件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進(jìn)開關(guān)電源發(fā)展的因素之一。 研究的目的及意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)時(shí)代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期，電源是向負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，是工業(yè)的基礎(chǔ)。本論文的目的就是查閱相關(guān)資料，掌握開關(guān)電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)怎樣設(shè)計(jì)小功率開關(guān)電源的方法，這以后從事相關(guān)事業(yè)打下基礎(chǔ)，開闊視野，從而提高自身的能力。課題研究的意義在于：當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術(shù)參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，因此，電源技術(shù)不但本身是一種高新技術(shù)，而且還是其評(píng)它多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來為深遠(yuǎn)的影響。 高頻開關(guān)電源的發(fā)展情況目前我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源將逐漸被淘汰。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本上起源于20世紀(jì)70年代末和80年代初。當(dāng)時(shí)引進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)，在高等院校和一些科研院所停留在實(shí)驗(yàn)開發(fā)和教學(xué)階段。20世紀(jì)80年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開關(guān)電源的特點(diǎn)是采用20kHz脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，效率可達(dá)65%70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大進(jìn)步和突破。新型功率器件的開發(fā)促進(jìn)了開關(guān)電源的高頻化，功率MOSFET和IGBT可使小型開關(guān)電源的工作頻率達(dá)到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC)。軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源的效率（國產(chǎn)6kW通信開關(guān)電源采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達(dá)93%）；控制技術(shù)的發(fā)展以及專用控制芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和可靠性大大提高；有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC）的開發(fā)，提高了AC/DC開關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率。新型磁性材料和新型變壓器的開發(fā)、新型電容器和EMI濾波器技術(shù)的進(jìn)步以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了小型化，并提高了EMC性能。微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源的可靠性，也適應(yīng)了市場對(duì)其智能化的要求。 新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展是開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導(dǎo)體器件，一旦開發(fā)成功，對(duì)電源技術(shù)的影響將是革命性的。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容器等元器件的發(fā)展，也將對(duì)電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。另外，集成化是開關(guān)電源的一個(gè)重要發(fā)展方向。通過控制電路的集成、驅(qū)動(dòng)電路的集成以及保護(hù)電路的集成，最后達(dá)到整機(jī)的集成化生產(chǎn)。集成化和模塊化減少了外部連線和焊接，提高了設(shè)備的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量。目前?？傊?，回顧開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展過程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大勢所趨，也是今后的發(fā)展方向，因此高頻開關(guān)電源的發(fā)展很具研究意義！在開關(guān)電源領(lǐng)域，我國的民族產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)一直占有舉足輕重的地位。在開關(guān)電源應(yīng)用的起步階段，很多生產(chǎn)廠家采取的都是小作坊的生產(chǎn)模式。經(jīng)過20余年的不懈努力，逐步向大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品也從單一品種走向系列化。現(xiàn)在，我國已形成一批上億元甚至10億元以上產(chǎn)值的電源企業(yè)，有些產(chǎn)品已進(jìn)入國際市場。這是我國開關(guān)電源技術(shù)不斷成熟的表現(xiàn)。從技術(shù)上看，幾十年來推動(dòng)開關(guān)電源性能和技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志如下所述：（1）新型高頻功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)使實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高頻化有了可能功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關(guān)電源工作頻率可以達(dá)到400KHz(ACDC)和1MHz(DCDC)的水平。超快恢復(fù)功率極管，MOSFET同步整流技術(shù)的開發(fā)也使高效低電壓輸出(例如3V)開關(guān)電源的研制有了可能?，F(xiàn)在正在探索研制耐高溫的高性能炭化硅功率半導(dǎo)體器件。（2）軟開關(guān)技術(shù)使高頻率開關(guān)變換器的實(shí)現(xiàn)有了可能PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作(開/關(guān)過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊)，因而開關(guān)損耗大。開關(guān)電源高頻化可以縮減體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了(功率與頻率成正比)。為此必須研究開關(guān)電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)/零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)。小功率軟開關(guān)電源效率可以提高到8085%。70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)，以后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振(80年代中)，全橋ZVSPWM 、恒頻ZVSPWM/ZCSPWM (80年代末)、ZVSPWM有源鉗位；ZVTPWM/ZVCTPWM(90年代初)；全橋移相ZVZCSPWM(90年代中)等，我國己將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6KW通信電源中，效率達(dá)93%。（3）控制技術(shù)研究的進(jìn)展例如電流型控制及多環(huán)控制，電荷控制，一周期控制，功率因數(shù)控制，DSP控制及相應(yīng)專用集成控制芯片的研制成功等，使開關(guān)電源動(dòng)態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。（4）有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)開發(fā)，提高了ACDC開關(guān)電源功率因數(shù)由于輸入端有整流電容組件，ACDC開關(guān)電源及一大類整流電源供電的電子設(shè)備(如逆變器，UPS)。既治理了電網(wǎng)的諧波“污染”，又提高了開關(guān)電源的整體效率。（5）磁性組件新型材料和新型變壓器的開發(fā)，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型(Low profile)變壓器。新型變壓器如壓電式，無磁心印制電路(PCB)變壓器等，使開關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。（6）新型電容器和EMI濾波器技木的進(jìn)步，使開關(guān)電源小型化并提高了EMC性能。（7）微處理器監(jiān)控和開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部通信技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。90年代末又提出了新型開關(guān)電源的研制開發(fā)，這也是新世紀(jì)開關(guān)電源的遠(yuǎn)景。如用一級(jí)ACDC開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流，并具有功率因數(shù)校正功能，稱為單管單級(jí)(Single Switch Single Stage)或4S高功率因數(shù)ACDC開關(guān)變換器；輸出1V, 50A的低電壓大電流DCDC變換器，又稱電壓調(diào)節(jié)模塊VRM，以適應(yīng)下一代超快速微處理器供電的需求。 隔離式高頻開關(guān)電源簡介隔離式開關(guān)電源的變換器具有多種形式。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等等。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，設(shè)計(jì)者采取那種變換器電路形式，主要根據(jù)成本、要達(dá)到的性能指標(biāo)等因素來決定。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。隔離式高頻開關(guān)電源電路的共同特點(diǎn)就是具有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓是從變壓器次級(jí)繞組約脈沖電壓整流濾波而來。RFI濾波器整流濾波高頻開關(guān)元件高頻變壓器輸出整流濾波PWM控制邏輯輔助電路 隔離式開關(guān)電源的方框圖，交流線路電壓無論是來自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過變壓器降壓的．首先要經(jīng)過整流、濾波電路變成含有一定脈動(dòng)電壓成分的直流電壓，然后進(jìn)入高頻變換部分。高頻變換部分的核心是有一個(gè)高頻功率開關(guān)組件，比如開關(guān)晶體管、場效應(yīng)管(MOSFET)等組件，高頻變換部分產(chǎn)生高頻(20kHz以上)高壓方波，所得到的高壓方波送給高頻隔離降壓變壓器的初級(jí)，在變壓器的次級(jí)感應(yīng)出的電壓被整流、濾波后就產(chǎn)生了低壓直流。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓能保持穩(wěn)定，在這里采用一個(gè)叫做脈沖寬度調(diào)制器(FWM)的電路，通過對(duì)輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反饋給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制高頻功率開關(guān)組件的開關(guān)時(shí)間比例(占空比)，達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的，在方波的上升沿和下降沿。有很多高次諧波，如果這些高次TB波反饋到輸入交流線，就會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，在交流輸入端必須要設(shè)置無線頻率干擾(RFI)濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。 2 高頻開關(guān)電源的總體設(shè)計(jì) 主電路的選擇開關(guān)電源的電路組成開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。DCDC變換有隔離和非隔離兩種。輸入輸出隔離的方式由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會(huì)造成效率的降低，但是卻很安全，而本論文沒有要求輸入輸出隔離還是非隔離，為了提高開關(guān)電源的安全性，所以此設(shè)計(jì)選擇隔離方式，我們知道非隔離型高頻開關(guān)電源有五種可能形式：單端反激式、單端正激式、半橋式、全橋式、推挽式，各種形勢的開關(guān)電源對(duì)功率的要求是不一樣的，根據(jù)功率的要求可知： 單端反激式功率范圍：1—100W；單端正激式功率范圍：1—200W；推挽式功率范圍：200—500W；半橋式功率范圍：200—500W；全橋式功率范圍：500—2000W；根據(jù)論文要求，為小功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，而單端反激式功率范圍可以達(dá)到要求，因?yàn)榉醇な介_關(guān)電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇，由于它是電感，在開關(guān)電源中必然具有電感的一般規(guī)律，即具有電流連續(xù)，臨界連續(xù)和斷續(xù)三種工作模式，且電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜。鑒于上面分析，主電路選用單端反激式電路。 控制電路的選擇采用單片機(jī)或DSP控制產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。根據(jù)A/D后的反饋電壓程控改變占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。負(fù)載電流在康銅絲上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機(jī)，當(dāng)該電壓達(dá)到一定值時(shí)關(guān)閉開關(guān)管，形成過流保護(hù)。該方案主要由軟件實(shí)現(xiàn)，控制算法比較復(fù)雜，速度慢，輸出電壓穩(wěn)定性不好，若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。采用電流模式脈寬調(diào)制控制器UC3842，這個(gè)芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1500KHz，輸出電壓可達(dá)30V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時(shí)間可以調(diào)整，輸出級(jí)的拉灌電流可達(dá)幾百至幾千mA，驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)。UC3842芯片內(nèi)部有一個(gè)誤差比較器EA，一個(gè)振蕩器OSC和一個(gè)電流比較器，一個(gè)PWM鎖存器和PWM邏輯單元，一個(gè)互補(bǔ)功率放大輸出單元，一個(gè)欠壓保護(hù)電路，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考5V電壓和其它一些輔助電路。電流比較