【正文】 畢業(yè)論文 1 1 引言 電源，即提供電能的設(shè)備，主要分三類：一次電源（將其它能量轉(zhuǎn)換為電能），二次電源和蓄電池。其中，二次電源指的是把輸入電源（由電網(wǎng)供電）轉(zhuǎn)換為電壓、電流、頻率、波形及在穩(wěn)定性、可靠性（含電磁兼容，絕緣散熱，不間斷電源，智能控制）等方面符合要求的電能供給負(fù)載。 高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型，前者是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達(dá)到較高的線形調(diào)整率精度，后者，較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 UC3842 是由 Unitrode 公司開發(fā)的新型控制器件，是國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器。所謂電流型脈寬調(diào)制器是按反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號(hào)與誤差放大器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào) 整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器閉。 2 開關(guān)電源概述 開關(guān)電源的分類 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的電路結(jié)構(gòu) 一般分類如下 ： （ 1）按驅(qū)動(dòng)方式分，有 自激式和他激式 。 （ 2）按 DC/DC 變換器的工作方式分： ① 單端正 激 式和反 激 式、推挽式、半橋式、全橋式等； ② 降壓型、升壓型和升降壓型等。 （ 3）按電路組成分，有諧振型和非諧振型。 畢業(yè)論文 2 （ 4）按控制方式分： ① 脈沖寬度調(diào)制 (PWM)式； ② 脈沖頻率調(diào)制 (PFM)式； ③ PWM與 PFM 混合式。 開關(guān)電源的控制原理 開關(guān)電源是指電路中的電 力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，是一種高頻電源變換電路 ,采用直 交 直變換 ,能夠高效率地產(chǎn)生一路或多路可調(diào)整的高品質(zhì)的直流電壓。 開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過周期性間斷工作，控制開關(guān)器件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖 ，其中 DC/DC 變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開關(guān)電源的核心部分，此外還有起動(dòng)、過流與過壓保護(hù)、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（ R R2）檢測(cè)輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓 Ur 比較，誤差電壓經(jīng)過放大及脈寬調(diào)制（ PWM）電路，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制功率器件的占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓大小的目的 。 圖 。 圖 開關(guān)電源的基本構(gòu)成 圖 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理電路 開關(guān)電源 的優(yōu)點(diǎn) 開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是和線性電源相比有如下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)： 畢業(yè)論文 3 (1)功耗小，效率高。功率晶體管在激勵(lì)信號(hào)的激勵(lì)下，交替工作在飽和導(dǎo)通與截止的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般在幾十到幾百 kHz。這就使得功率晶體管的損耗較小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可以達(dá)到 80%以上。 (2)體積小，重量輕。由于沒有采用笨重的工頻變壓器，并且在功率晶體管上的耗散功率大幅降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量都可以得到減小。 (3)穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比 或者激勵(lì)信號(hào)的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化也可以通過變頻或調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負(fù)載有較大變化時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。此外，改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型和頻率調(diào)制型兩種。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。 (4)濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻率目前基本上是工作在 50kHz，是線性穩(wěn)壓電源的頻率的 1000 倍，這 使整流后的濾波效率幾乎也提高了 1000 倍。在相同的紋波輸出電壓的要求下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量的 1／ 500 一 1／ 1000。 (5)電路形式靈活多樣。例如，有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型；有單端式和雙端式，等等。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)穩(wěn)壓電源。 3 開關(guān)電源常見的變換器 PWM 變換器 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文 “Pulse Width Modulation” 的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來 對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載畢業(yè)論文 4 荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。電 壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。 其工作原理如圖 圖 PWM變換器的基本工作原理 多數(shù)負(fù)載 (無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz， 通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 PWM 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC或 LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 DC/DC 變換器 DC/DC 變換器用于開關(guān)電源時(shí)，很多情況下要求輸入與輸出間進(jìn)行電隔離。這時(shí)必須采用變壓器進(jìn)行隔離，稱為隔離變換器。這類變換器把直流電壓或電流變換為高頻方波電壓或電流，經(jīng)變壓器升壓或降壓后，再經(jīng)整流平滑濾波變?yōu)橹绷麟妷夯螂娏鳌Ｒ虼?，這類變換器又稱為逆變整流型變換器。 畢業(yè)論文 5 DC/DC 變換器有 5種基本類型：?jiǎn)味苏な?、單端反激式、推挽式、半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。下面重點(diǎn)分析隔離式單端反激轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 電路結(jié)構(gòu)圖 電路工作過程如下：當(dāng) M1 導(dǎo)通時(shí)，它在變壓器初級(jí)電感線圈中存儲(chǔ)能量，與變壓器次級(jí)相連的二極管 VD 處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管 VD截止，在變壓器次級(jí)無電流流過，即沒有能量傳遞給負(fù)載；當(dāng) M1 截止時(shí)，變壓器次級(jí)電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)，使 VD 導(dǎo)通，給輸出電容 C充電，同時(shí)負(fù)載 R上也有電流 I流過。 M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)淙鐖D 所示。 圖 M1導(dǎo)通與截止的等效拓?fù)? 4 基于 UC3842 的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) UC3842 的簡(jiǎn)介 UC3842 的工作原理 UC3842 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流直至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集畢業(yè)論文 6 成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。其他的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存。 這些器件可提供 8腳雙列直插塑料封裝和 14 腳塑料表面貼裝封裝（ SO14），如圖 所示。 SO14 封裝的圖騰柱式輸出級(jí) 有單獨(dú)的電源和接地管腳。 圖 UC3842封裝 UC3842 的簡(jiǎn)易方框圖如圖 ： 圖 UC3842的簡(jiǎn)易方框圖 UC3842 管腳連接如圖 畢業(yè)論文 7 圖 UC3842管腳連接圖 各管腳功能簡(jiǎn)介如下： （ 1） 8腳雙列直插塑料封裝的器件： 1 腳 輸出補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償。 2 腳 電壓反饋，此腳是內(nèi)部誤差放大器反相輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)的導(dǎo)通，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。 3 腳 電流取樣，在外圍電路中，在功率開關(guān)管 (如 Vmos 管 )的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入 3 腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過 1V 時(shí)，UC3842 就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。 4 腳 RT/CT，通過將電阻 RT 連接至 Vref 以及電容 CT 連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達(dá) 500kHz。 5 腳 接地，為控制電路和電源的公共地。 6 腳 輸出端，該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的柵極，高達(dá) 的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。 7 腳 VCC，控制集成電路的 正電源。 畢業(yè)論文 8 8 腳 Vref，基準(zhǔn)電壓的參考輸出，它通過電阻 RT向電容 CT 提供充電電流，可輸出精確的 +5V 基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá) 50mA。 （ 2） 14腳塑料表面貼裝封裝的器件： 1 腳 輸出補(bǔ)償，內(nèi)部誤差放大器的輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償。 3 腳 電壓反饋，此腳是內(nèi)部誤差放大器反相輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)的導(dǎo)通，產(chǎn)生控制電壓，控制脈沖的寬度。 5 腳 電流取樣，在外圍電路中，在功率開關(guān)管 (如 VMos 管 )的源極串接一個(gè)小阻值的取樣電阻，將脈沖變壓器的電流轉(zhuǎn)換成電壓，此電壓送入 5 腳，控制脈寬。此外，當(dāng)電 源電壓異常時(shí)，功率開關(guān)管的電流增大，當(dāng)取樣電阻上的電壓超過 1V 時(shí)，UC3842 就停止輸出，有效地保護(hù)了功率開關(guān)管。 7 腳 RT/CT，通過將電阻 RT 連接至 Vref 以及電容 CT 連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達(dá) 500kHz。 8 腳 電源地，一個(gè)連回到電源的分離電源地返回端，用于減少控制電路中開關(guān)瞬態(tài)噪聲的影響。 9 腳 接地，控制電路的返回端，并被連回到電源地。 10 腳 輸出端，該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的柵極，高達(dá) 的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。 11 腳 Vc，輸出高態(tài)（ Voh）由加到此管腳的電壓設(shè)定。通過分離的電源連接，可以減小開關(guān)瞬態(tài)噪聲對(duì)控制電路的影響。 12 腳 VCC，控制集成電路的正電源。 14 腳 Vref，基準(zhǔn)電壓的參考輸出，它通過電阻 RT 向電容 CT 提供充電電流，可輸出精確的 +5V 基準(zhǔn)電壓，電流可達(dá) 50mA。 2 腳 ,4 腳 ,6 腳 ,13 腳 空腳，內(nèi)部沒有連接。 UC3842 的工作描述 畢業(yè)論文 9 UC3842 是專門設(shè)計(jì)用于離線和直流 — 直流變換器應(yīng)用的高性能、固定頻率、電流模式控制器，為設(shè)計(jì)者提供適應(yīng)最少外部元件的高性能價(jià)格比的解決方案。代表性方框圖如圖 所示： 圖 UC3842代表性方框圖 （一）振蕩器 振蕩器頻率由定時(shí)元件 Rt 和 Ct選擇值決定。電容 Ct 由 的參考電壓通過電阻 Rt 充電，充至約 ，再有一個(gè)內(nèi)部的電流宿放電至 。在 Ct放電期間，振蕩器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部消隱脈沖保持“或非”門的中間輸入為高電平，這導(dǎo)致輸出為低狀態(tài)，從而產(chǎn)生一個(gè)數(shù)量可控的輸出靜區(qū)時(shí)間。 要注意的是盡管許多的 Rt 和 Ct值都可以產(chǎn)生相同的振蕩器頻率，但只有一種組合可以得到在給定頻率下的特定輸出靜區(qū)時(shí)間。振蕩器門限是溫度補(bǔ)償?shù)?，放電電流?Tj=25 攝氏度時(shí)被 微調(diào)并確保在177。 10%之內(nèi)，這些內(nèi)部電路的優(yōu)點(diǎn)使振蕩器頻率及最大輸出占空比的變化最小。結(jié)果顯示在圖 和圖 中。 畢業(yè)論文 10 圖 振蕩器放電電流與溫度關(guān)系曲線 圖 最大輸出占空比與定時(shí)電阻關(guān)系曲線 在很多噪聲敏感應(yīng)用中，可能希望將變換器頻率鎖定在外部系統(tǒng)時(shí)鐘上。這可通過將時(shí)鐘信號(hào)加到圖 所示的電路來完成。為了可靠的鎖定，振蕩器自振頻率應(yīng)設(shè)為比時(shí)鐘頻率低 10%左右。圖 。通過修整時(shí)鐘波形，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸出占空比箝位。 畢業(yè)論文 11 圖 外部時(shí)鐘同步 圖 外部占空比箝位和多器件同步 （二）誤差放大器 提供一個(gè)有可訪問反相輸入和輸出的全補(bǔ)償誤差放大器。同相輸入在內(nèi)部偏置于 而不經(jīng)管腳引出。典型情況下變換器輸出電壓通過一個(gè)電阻分壓器分壓，并由反相輸入監(jiān)視。最大輸入偏置電流為 ，它將引出輸出電壓誤差，后者等于輸入偏置電流和等效輸入分壓器源電阻的乘積。 畢業(yè)論文 12 圖 鎖定關(guān)斷 誤差放大器輸出（管腳 1）用于外部回路補(bǔ)償（圖 ）。輸出電壓因兩個(gè)二極管壓降而失調(diào)（≈ ）并在連接至電流取樣比較器的反相輸入之前被三分。這將在管腳 1 處于其