【文章內容簡介】 ......... 24 圖 59 電壓反饋回路 ........................................................................................................... 26 圖 510 開關電源總電路圖 ................................................................................................... 27 xx 基于 UC3842 的開關穩(wěn)壓電源的設計 VI 引 言 電源在一個典型系統(tǒng)中擔當者非常重要的角色。從某種程度上，可以看成時系統(tǒng)的心臟。電源給系統(tǒng)提供持續(xù)的，穩(wěn)定的能量，是系統(tǒng)免受外部的侵擾，并防止系統(tǒng)對其自身作出傷害。如果電源內部發(fā)生故障，不應造成系統(tǒng)的故障。 電源，即提供電能的設備，主要分三類：一次電源（將其它能量轉換為電能），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載。高頻開關式直流穩(wěn)壓電源由于具有效率高、體積小和重量輕等突出優(yōu)點，獲得了廣泛的應用。開關電源的控制電路可以分為電壓控制型和電流控制型，前者是一個單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)響應慢，很難達到較高的線形調整率精度，后者，較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點。 上世紀八十年代，由于線性電源在成本和價格上比開關占有絕對優(yōu)勢，國內高頻開關電源只在個人計算機、電視機等若干類設備上得到應用。之后，由于開關電源在重量、體積、用銅用鐵及能耗等方面都比線性電 源有顯著減少，而且對整機多項指標有良好影響，因此它的應用得到廣泛推廣。近年來許多領域，例如郵電通信、軍事裝備、交通設施、儀器儀表、工業(yè)設備、家用電器等都越來越多應用開關電源，取得了顯著效益。究其原因，是新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術、新控制理論及新的軟件（五新）不斷地出現(xiàn)并應用到開關電源的緣故。 不同的負載要求不同的電源裝置，萬能的電源至少今天還未出現(xiàn)。一個特定用途的電源裝置，應當具有符合負載要求的性能參數(shù)和外特性，這是基本要求。高效率、高功率因數(shù)、低噪音是普遍關注的品質，而安全可靠是必須加以保證的 。無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、省電節(jié)能等綠色指標是全球范圍的熱門話題，并由相關的國際和國家標準規(guī)范進行約束。有時特定的使用環(huán)境又要求電源具備一些額外的適應性能力，比如高溫、高寒、高濕、抗輻射、抗振動、防爆、體積小、重量輕、智能化等。 UC3842 是由 Unitrode 公司開發(fā)的新型控制器件，是國內應用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調制器。所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來調節(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與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(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。由于結構上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是比較理想的新型的控制器。xx 大 學畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題背景與意義 電源向電子設備提供功率的裝置，把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源。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。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 ,也就荷盡流 (壓 )消了。因此人們把干電池等叫做電源。通過變壓器和整流器，把交流電整流成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的電子設備叫做信號源。電力電子技術的發(fā)展 ,特別是大功率器件 IGBT和 MOSFET 的迅速發(fā)展，將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。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。 21 世紀，人們提倡的是建設可持續(xù)發(fā)展的社會，提倡的是節(jié)約資源，提高能效，環(huán)境友好。在這種大背 景下，開關電源以其高效、環(huán)保、安全、體積小、重量輕等優(yōu)點已成為人們爭相研究的一個熱點。同時電源技術已經(jīng)演變成為一個綜合微電子技術、自動控制技術、材料科學、電力變換技術、電機工程等諸多學科相互滲透的綜合學科。從日常生活到尖端科技都離不開開關電源技術的參與和支持。 課題研究 歷程與 現(xiàn)狀 1955 年，美國科學家 成功研制出了第一臺自激式晶體管直流變換器，從而取代了早期的機械振子式換流設備。但是由于當時的微電子技術落后，生產(chǎn)出的晶體管耐壓值低、開關速度慢，致使直流變換器輸入電壓低，而且電路中還 含有笨重的工頻變壓器。 20 世紀 60 年代末，得益于微電子技術的飛速發(fā)展，此時的開關管具有耐高壓、耐大電流等優(yōu)點。直流變換器可以直接由電網(wǎng)供電，從而徹底甩掉了體積大、重量大、效率低的工頻變壓器，誕生了無工頻變壓器的開關穩(wěn)壓電源，并且憑借其高效率、體積小、重量輕而被迅速推廣普及。 20 世紀 70 年代以后，與開關電源相關的高頻率、大電流、高反壓的開關晶體管，快恢復二極管，高頻變壓器磁芯等元器件的出現(xiàn)，又進一步的加快了開關穩(wěn)壓電源的發(fā)展，開關電源被廣泛的應用于航天、軍事電子、計算機、通信設備等領域。 我國無工頻變壓器 的開關電源開始于 20 世紀 70 年代初期，當時引進的開關電源技術還停留在高校和科研機構的實驗開發(fā)階段。 1974 年，成功研制了我國第一臺 10kHz、輸出 5V 的無工頻變壓器開關電源。 20 世紀 80 年代中期，開關電源的產(chǎn)品開始應用和推廣，此時開關電源特點是采用 PWM 技術，工作頻率 20kHz，效率在 60%至 70%。 20 世紀 90 年代初期，我國成功研制出工作頻率 100 至 200kHz 的高頻開關電源。 目前，毫無疑問開關電源已廣泛應用于幾乎所有的電子設備中，成為電子信息產(chǎn)業(yè)必不可少的一種供電方式。但是，隨著科技的不斷進步，人們對 開關電源的要求將會更高，可以預見，高頻化、小型化、高效率、模塊化、高可靠性以及智能化是 21 世紀開關電源的發(fā)展趨勢： （ 1） 小型化，高頻化。 xx 基于 UC3842 的開關穩(wěn)壓電源的設計 2 隨著電子技術的飛速發(fā)展，大規(guī)模集成電路（ IC）的出現(xiàn)，制約電子設備體積、重量的主要因素就是電源能否小型化。而提高開關頻率是減小體積的有效途徑，他能有效減小電容和電感的體積和重量。另外研究人員還致力于研制出體積更小，重量更輕的高頻變壓器，再或者通過別的方法來取代電源電路中的變壓器，從而實現(xiàn)小型化。 （ 2） 低噪聲。 高頻開關電源電路中的功率開關管工作在高速開關狀態(tài)，而且由于 元器件的容性、感性等特性，會產(chǎn)生尖峰電壓和諧振噪聲。這些噪聲干擾會影響鄰近電子設備的正常工作，特別是一些高精度的儀器儀表。采用輔助諧振開關電路在開關狀態(tài)發(fā)生變化時發(fā)生諧振，對降低噪聲干擾有一定效果。如何有效地降低噪聲干擾將是開關電源的一個發(fā)展方向。 （ 3）高可靠性。 由于開關電源電路中所用元器件較多，降低了電路的可靠性。但是隨著開關電源的模塊化、集成化，電源電路將大幅簡化，可靠性也將大大提高。 （ 4）高效率。 高效率永遠是研究人員追求的目標，人們將通過各種技術來提高效率。軟開關技術可以有效減小開關的損耗，提 高電源的效率；有源功率因數(shù)校正（ APFC）可以提高功率因數(shù)，從而提高電源的整體效率。 （ 5）模塊化。 模塊化是開關電源的一個重要發(fā)展方向，通過把控制電路、反饋回路、驅動電路和保護電路集成化，最后實現(xiàn)電源整機的模塊化，可以有效地減小體積、減輕重量、降低成本、增強可靠性，提高功率密度等等。 （ 6）智能化。 通過將微處理器和開關電源結合，使開關電源變得更智能化、人性化。 總之，伴隨著越來越廣闊的市場需求，人們對開關電源的各項性能要求也日益提高，研究人員需要對新技術、新材料、新控制方式以及電路拓撲進行優(yōu)化整合，才能 不斷提高開關電源的各項性能，生產(chǎn)出市場需求的開關穩(wěn)壓電源。 電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標級能否安全可靠的工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關電源兩大類。由于開關電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。半個世紀以來，開關電源大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。早期的開關電源全部由分立元件構成，不僅開關頻率低、效率不高，而且電路復雜，不易調試。在 20 世紀 70 年代研制出的脈寬調制器集成電路，僅對開關電源種的控制電路實現(xiàn)了 集成化。 20 世紀 80 年代問世的單片開關穩(wěn)壓器，從本質上講仍屬于 AC/DC 電源變換器。隨著各種類型單片開關電源集成電路的問世。 AC/DC 電源變換器的集成化變?yōu)楝F(xiàn)實。 本課題的研究內容與目標 集成小功率開關電源的研究與設計，本論文根據(jù)課題研究的需要，設計了一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調制器 UC3842 進行的開關電源，本設計利用 UC3842 組成的 PWM脈沖控制驅動電路，輸出＋ 5V 直流電源。電路分為 五 個模塊，濾波電路，為 UC3842 提供啟動電壓， UC3842 組成的 PWM 脈沖電路，驅動 MOSFET 管為變壓器線 圈提供脈沖， 一個 輸出電路，以及一個電壓反饋電路 ，和過流保護電路 。 xx 大 學畢業(yè)設計（論文） 3 第 2 章 開關電源的基本工作原理與電路結構 開關電源概述 開關電源的工作原理 開關電源主要是進行交流 /直流、直流 /直流、直流 /交流功率轉換的裝置，通過了對主變換回路以及控制回路的控制完成一系列的變換。主變換回路將輸入的交流電轉換后傳遞給了負載，所以它決定了開關電源電路的結構形式、轉換要求以及負載能力等一系列的技術指標；而控制回路是按照輸入，輸出技術指標的要求來進行檢測，控制主變換回路的工作狀態(tài)。 一般開關電源控制 集成電路包括振蕩器、誤差放大器、 PWM 觸發(fā)器、狀態(tài)控制器等部分功能電路，高品質開關電源還包括高電壓功率開關管、電流比較器，以及各種保護功能電路。在開關點的變換過程中，用高頻變壓器隔離稱為離線式開關變換器，常用 AC/DC 變換器就是離線式開關變換器。開關電源的工作原理框圖如圖21 所示。 輸 入整 流濾 波功 率轉 換電 路高 頻變 壓器輸 出整 流濾 波脈 寬比 較器取 樣器振 蕩器基 準電 壓A C D C 圖 21 開關電源電路框圖 開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關電源的工作原理可以用圖 22 進行說明 。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui 經(jīng)開關 S 加至輸出端， S 為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調整管，若使開關 S 按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。 xx 基于 UC3842 的開關穩(wěn)壓電源的設計 4 圖 22 開關電源的 工作原理 上圖中， a 圖為電路圖， b 圖為波形圖。 為方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON/? （ 21） 上式中， T 表示開關 S 的開關重復周期； ONT 表示開關 S 在一個開關周期中的導通時間。開關電源直流輸出電壓 Uo 與輸入電壓 Ui 之間有如下關系： DUU IO ?? （ 22） 由式 (21)和式 (22)可以看出，若開關周期 T 一定，改變開關 S 的導通時間 Ton，即可改變脈沖占空比 D，從而達到調節(jié)輸出電壓的 目的。 T 不變，只改變 Ton 來實現(xiàn)占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調制 (PWM)。由于 PWM 式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此 PWM 式開關電源用得較多。若保持 Ton不變，利用改變開關頻率 f=1/T 實現(xiàn)脈沖占空比調節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓 Uo 穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調制 (PFM)。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變 Ton，又改變 T，實現(xiàn)脈沖占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調頻調寬方式。在各種開關電源中，以上三種脈沖占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。 下圖 23 是開關電源的工作波形圖 。 圖 23 開關電源工作波形 xx 大 學畢業(yè)設計（論文） 5 開關電源的組成 開關電源的基本組成如圖 24 所示。其中 DC/DC 變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，