【正文】 共 45 頁 第 27 頁 第四章 利用 UC3842 設計開關穩(wěn)壓電源 電源設計指標 要求該電源在電阻負載條件下滿足： （ 1） 輸出電壓 UO可調(diào)范圍： 30V～ 36V； （ 2） 最大輸出電流 I0max： 2A； （ 3） U2從 15V 變到 21V 時，電壓調(diào)整率 SU≤2%（ IO=2A）； （ 4） IO從 0 變到 2A 時，負載調(diào)整率 SI≤5%（ U2=18V）； （ 5） DCDC 變換器的效率 ?≥70%（ U2=18V,UO=36V,IO=2A）； （ 6） 具有過流保護功能，動作電流 IO（ th） =177。輸入經(jīng)負溫度系數(shù)電阻 NTC、橋式整流器、電容 C4，成為直流電壓，正極經(jīng) L5 并聯(lián)接入VT7。當 VT7 導通時，輸入整流電壓經(jīng) L VT7 漏源極、 R6 完成回路，輸入整流電壓全部加在 L5 兩端，從而使電能變?yōu)榇拍艽鎯τ?L5。 在驅動脈沖的截止期， IC1⑥ 腳輸出低電平， VT 1內(nèi)部 P 溝道 FET 管導通，將 VT 2的柵源極短路。 VT 3 導通后，與 V2 并聯(lián)，將此電壓降低到 100mV，大大降低了開關管的損耗。該振蕩器頻率設定為 120KHz。穩(wěn)壓器輸出 5V 電壓，由 R R1 分壓，正常穩(wěn)壓狀態(tài)為 取樣電壓。在驅動脈沖 Tn截止后，經(jīng)過設定的死區(qū)時間 TD，脈沖間歇期的低電平輸出通過控制電路，使續(xù)流二極管上并聯(lián)的開關管導通。 反饋比較電 路信號是從輔助繞組 N3 經(jīng)過 V V C C4 等整流濾波后得到的 Vcc 分壓提取的。工 作過程是：開關開通后， V 處于斷態(tài)，初級繞組的電流線性增長，電感儲能增加；開關關斷后，初級繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過次級繞組和 V 向輸出端釋放。誤差放大器輸入構成主 PWM 控制系統(tǒng) ，可使負載變動在 30％～ 100％時輸出負載調(diào)整率在 8 ％以下，負載變動在 70％～ 100％時負載調(diào)整率在 3％以下。 (2) 啟動電壓大于 16 V，啟動電流僅 1 mA 即可進入工作狀態(tài)。這實際上是一個過流保護電路。 ⑤ 腳為接地端。其特點是除內(nèi)部 PWM 系統(tǒng)外，還設有多路保護輸入和穩(wěn)定的基準電壓發(fā)生器，同時還具有小電流啟動功能。 共 45 頁 第 17 頁 圖 22 電流反饋電路 電壓反饋電路 電壓反饋電路如圖 23 所示。為了減小漏電流， C C3 宜選用陶瓷電容器。 iv． 溫度穩(wěn)定性 K 集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度 Ti最大變化范圍內(nèi)（ Tmin≤Ti≤Tmax）直流 輸出電壓的相對變化的百分值。 ii． 最大輸入－輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入－輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標。這些 共 45 頁 第 14 頁 為 21 世紀批量生產(chǎn)各種綠色 開關電源產(chǎn)品奠定了基礎。 （ 3） 數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術中 , 控制部分是按模擬信號來設計和工作的。同樣 , 傳統(tǒng) 整流行業(yè) 的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造 , 成為 開關變換類電源 , 其主要材料可以節(jié)約 9 0 % 或更高 , 還可節(jié)電 3 0 % 或更多。這種電源的特點是電路結構簡單、調(diào)試方便、可靠性高。電路的過壓保護也是依據(jù)這一部分所提供的取樣信號來進行的。實際上就是并聯(lián) 型開關穩(wěn)壓電源。 使用兩個開關晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。 通過調(diào)節(jié)導通時間的振蕩頻率來完成調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓幅度的目的。所以我國的開關穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界先進水平，最根本的是要提高我國的半導體技術和工藝。 國內(nèi)發(fā)展情況 我國的晶體管直流變換器及開關穩(wěn)壓電源研制工作始于 60 年代初期。但是，當 頻率提高以后，對整個電路中的元件又有了新的要求。省掉了工頻變壓器，又使開關穩(wěn) 壓電源的體積和重量大為減小。 開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展 國際發(fā)展史狀況 （ 1）發(fā)展史 1955 年美國的科學家羅耶（ ）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。 共 45 頁 第 7 頁 圖 12. 開關電源的特點 開關電源具有如下特點： (1) 效率高。 開關電源的基本原理 開關穩(wěn)壓電源（簡稱 開 關 電源 ）是利用現(xiàn)代 電力電子 技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源技術的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務，信息技術的發(fā)展對電源技術又提出了更高的要求 ,從而促進了開關電源技術的發(fā)展。發(fā)電機能把機械能轉換成電能，干電池能把化學能轉換成電能 .發(fā)電機 .電池本身并不帶電 ,它的兩極分別有正負電荷 ,由正負電荷產(chǎn)生電壓 (電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的 ),電荷導體里本來就有 ,要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可 ,當電池兩極接上導體時為了產(chǎn)生電流而把正負電荷釋放出去 ,當電荷散盡時 ,也就 電 荷 流 (壓 )消了 .干電池等叫做電源。這就迫使電源工作者不斷的探索尋求各種鄉(xiāng)關技術，做出最好的電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。設計分為三個模塊進行，分別 為輔助電源模塊、 PWM 控制模塊、升壓電路部分，其中 PWM 控制電路為電源設計的核心。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大，又把放大了的 信號傳送到后面的電路中去。 共 45 頁 第 6 頁 圖 對于單極性矩形脈沖來說 , 其直流平均電壓 U0 取決于矩形脈沖的寬度 , 脈沖越寬 , 其直流平均電壓值就越高。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，因此，研究、開發(fā)高質量的開關電源就變得十分必要，尤其在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。開關電源的交流輸入電壓在 90~270 V 內(nèi)變化時，輸出電壓的變化在 177。由于晶體管直流變換器中的 共 45 頁 第 8 頁 功率晶體管工作在開關狀態(tài)，所以由此而制 成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備上。 （ 2）目前正在克服的困難 隨著半導體技術和微電子的高速發(fā)展、集成度高、功能強的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設備的體積在不斷的縮小 ，重量在不斷的減輕。 工作在線性狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓和濾波的雙重作用因而串聯(lián)閑心穩(wěn)壓電源不產(chǎn)生開關干擾，且波紋電壓輸出較小。近 10 多年來，我國的許多研 究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在 20KHz 左右、輸出在功率在 1000W 一下的無工頻降壓變氣開關穩(wěn)壓電源，并應用于電子計算機、通信、電視等方面，取得了較好的效果。所以，開關穩(wěn)壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視機等方面都得到了越來越廣泛的應用。這種電路的特點是直接輸入交流電不需要一次整流部分。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合。 （ 8） 按工作方式劃分 所謂可控整流型開關穩(wěn)壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調(diào)整開關，可由交流市電電網(wǎng)直接供電，也可采用變壓器變壓后供電。電路從輸出點取樣，經(jīng)放大器后反饋到開關控制器，控制驅動電路的工作，最后達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。儲能電感的連接方式、開關管的器件類型以及串并聯(lián) 的結構等各不相同，但是他們最后總可以歸結為串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源和并聯(lián)型開關穩(wěn)壓電源這兩大類。我們常見的器件模塊 , 含有一單元、 兩單元、六單元直至七單元 , 包括開關器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管 , 實質上都屬于 標準 功率模塊 ( S P M ) 。所以 , 在八、九十年代 , 對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說 , 模擬技術還是有用的 ,特別是 : 諸如印制版的布圖、電磁兼容 (EMC) 問題以及功率因數(shù)修正 (PFC)等問題的解決 , 離不開模擬技術的知識 , 但是對于智能化的開關電源 , 需要用計算機控制時 , 數(shù)字化技術就離不開了。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨 , 因此 , 同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動 , 并將很快發(fā)展起來。 （ 2） 質量指標 SV 電壓調(diào)整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標，又稱為穩(wěn)壓系數(shù)或穩(wěn)定系數(shù)，它表征當輸入電壓 VI 變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓 VO 穩(wěn)定 共 45 頁 第 15 頁 的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓 的相對變化的百分比表示。 共 45 頁 第 16 頁 第二章 開關變換電路 濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也防止開關電源工作時產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。開關管上的電流變化會使 UR2 變化， UR2接入 UC3842 的保護輸入端 ⑶ 腳，當 UR2＝ 1V時， UC3842 芯 片的輸出脈沖將關斷。同樣如果輸出電壓UO 減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。 UC3842 為 8 腳 雙列直插式封裝 ，其內(nèi)部原理框圖如圖 1 所示。 ⑧ 腳為內(nèi)部 5V 基 準電壓輸出端，有 50mA 的負載能力。 （ 7） PWM 鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。 (3) 內(nèi)設 5 V(50 mA)基準電壓源，經(jīng) 2∶ 1 分壓后作為取樣基準電壓。利用 ① 腳和 ③ 腳的電平關系，在外電路控制鎖存器的開 /閉，使鎖存器每個周期只輸出一次觸發(fā)脈沖。該電路變換器是一個降壓型開關電路。芯片輸出部分由OUT 端驅動單 MOSFET 管， C V3 對開關管有電壓鉗位作用。由于 MOSFET管無存儲效應，可以將死區(qū)時間 TD設置短一些，更利于在穩(wěn)壓電路的控制下大范圍改變脈寬速度，以實現(xiàn)更大的穩(wěn)壓范圍。在 1V以下，可以控制輸出驅動脈沖的脈寬，達到 1V，則瞬間關斷輸出脈沖。 ⑦ 腳為供電端，接入 8～ 16V 輸入電壓。當 IC1⑥ 腳輸出驅動脈沖為高電平時， VT 1內(nèi)部 P 溝道 FET 管截止， N 溝道 FET 管導通， VT2柵極通過 R VT 1⑦ 腳和 ① 腳得到電壓， VT 2 導通，輸入電壓通過 VT 2 源 ——漏極加到 L2左端，由電源向 L2 存儲磁能，同時向負載供電。此部分電路中，利用 MOS FET 管的快速開關特性對 VT VT3的導通／截止進行控制，使VT VT3開關損耗進一步降低。這種升壓電路適合不同輸入電壓輸入，取代了傳統(tǒng)的交流輸入110/220 V 自動切換電路 。 VT7 導通時間正比于 L5 存儲能量，因此，控制 VT7 通斷占空比，可以控制升壓幅度。芯片內(nèi)部集成了振蕩器 (由外接電 阻電容來決定頻率 )，誤差比較器， PWM 調(diào)制 器等，有的甚至有保護電路和驅動電路。 因為采用全橋整流，所以有 222 ??UUn 解此算式可以得到 Un2= 計算變壓器的一次側和二次側的線圈比 N1/N2 電路的輸入電壓是市電交流電壓 220V 所以： N1/N2=Un1/Un2 即： N1/N2=220/= 根據(jù)需要和選擇期間的方便，取 N1/N2= 當交變電流通過導體時 ,電流將集中在導體表面流過 ,這種現(xiàn)象叫集膚效應。高電壓脈沖期間，場效應管導通，電流通過變壓器原邊，同時把能量儲存在變壓器中。這時， UC3842 的腳 ⑥ 無輸出， MOS管 Q1 截止，從而保護了電路。 保護電路 當 UC3842 的腳 ③ 電壓升高超過 1V或腳 1 電壓降到 1V以下，都可使 PWM比較器輸出高電平，造成 PWM 鎖存器復位。當開關截