【文章內(nèi)容簡介】 出電壓的表達(dá)式為 TLRTUU Lonino 12? （ 27） 由式（ 27）可知，在斷續(xù)模式下，輸出電壓與輸入電壓和導(dǎo)通時間成正比，與負(fù)載電阻的平方根成正比。因此，斷續(xù)模式下負(fù)載不能開路。 [4]第三章 系統(tǒng)設(shè)計 9 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 技術(shù)指標(biāo) 本課題是針對現(xiàn)代電子設(shè)備對供電電源的需求，以 220V 市電為能源供應(yīng)，經(jīng)整流濾波、高頻變壓器、再經(jīng)過輸出整流濾波，得到電子設(shè)備所需的 ? 5V、? 12V、 +24V 等電壓。本課題設(shè)計的電源主電路拓?fù)洳捎脝味朔醇な阶儞Q器結(jié)構(gòu)，采用 UC3844 作為 PWM 主控 IC，以實現(xiàn)電壓和電流的雙閉環(huán)控制，從而提高負(fù)載調(diào)整率，電壓 調(diào)整率，以達(dá)到電子設(shè)備對電源電壓穩(wěn)定性的要求，本電源開關(guān)頻率設(shè)定在 50kHz，同時輸出 7 路相互隔離的電壓。 技術(shù)指標(biāo)如下： 1．輸入： AC185~250V， 50/60Hz 2．輸出： ? 5V/（ 4 路）， ? 12V/1A， +24V/1A 3．開關(guān)頻率： 50kHz 4．效率：大于 80% 5．輸出文波：最大 100mV（峰峰值） 6．輸出精度： ? 5V， ? 12V：最大 ? 5% 24V：最大 ? 10% 7．最大占空比： 45% 黑箱設(shè)計 1．總輸出功率： outP =58W 2．估算輸入功率： inP = ?outP = 3．直流輸入電壓： inlV = 2185?AC = 262DC V inhV = 2250?AC = 354DC V 4．平均輸入電流： 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 10 a．最大平均輸入電流： maxinI = inlinVP = b．最小平均輸入電流： mininI = inhinVP = 5．估算峰值電流： pkI = inloutVP = 6．散熱：根據(jù) MOSFET 反激式變換器經(jīng)驗方法： 損耗的 35%是由 MOSFET 產(chǎn)生的，損耗的 60%是由整流部分產(chǎn)生的， 5%是由其他部分產(chǎn)生的。 效率 80%時的損耗為 。 a． MOSFET： DmosfetP = b．整流部分： VDP5 = VDP12 = VDP24 = 開關(guān)電源電路圖 設(shè)計的完整開關(guān)電源電路圖如下： N T C RF UG N DA C 1A C 2V S R C 1 C 2C 5C 3 C 4L 1D 1D 2D 3D 4G N D+ V oG N D 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 11 + 5 VG N DG N DG N DG N DG N DG N D 5 V 5 V+ 1 2 V 1 2 V+ 2 4 V+ 5 V+ 1 2 V + 2 4 VC 6 C 7C 1 5 C 1 6C 1 7 C 1 8C 1 9 C 2 0C 2 1 C 2 2C 2 3 C 2 4C 2 5C 2 6R 1 R 2R 3R 8R 9R 1 0R 1 1 R 1 2 R 1 3D 6D 7D 8D 9D 1 0D 1 1D 1 2D 1 3T L 4 3 1P C 8 1 7T+ V oL 3L 4L 5L 6L 7L 8C 8C 9C 1 0C 1 1C 1 2R 4R 5R 6R 7D 1 4D 1 5U C 3 8 4 412345678+12VR 1 4C 2 7+ 5 VG N DC 1 3 C 1 4D 5L 2R 1 5R 1 6 圖 31 本設(shè)計開關(guān)電源電路圖 關(guān)鍵元器件的選擇與設(shè)計 控制器芯片 UC3844 UC3844 PWM 控制 IC 是高性能頻率固定的電流型 PWM 控制器，它為實際設(shè)計提供了一種電路簡單、外圍元件少、帶負(fù)載能力強(qiáng)而又經(jīng)濟(jì)的解決方案。這種控制 IC 的特點是：有一個可微調(diào)的振蕩器，用來精確地控制占空比；有一第三章 系統(tǒng)設(shè)計 12 個經(jīng)過高溫補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓；一個高增益誤差放大器和一個電流感應(yīng)比較器；一個適用于功率 MOSFET 的圖騰柱大電流推挽輸出以及過壓過流保護(hù)功能。 UC3844 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管腳功能 圖 32 UC3844 的引腳圖 圖 33 UC3844 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該芯片雖然只有 8 個管腳，但是卻有兩個閉環(huán)控制回路，一個為內(nèi)部誤差放大器所構(gòu)成的電壓閉環(huán)控制回路，它將輸出電壓反饋到第 2 管腳，同 基第三章 系統(tǒng)設(shè)計 13 準(zhǔn)電壓比較，形成誤差電壓。另一個為內(nèi)部電流感 應(yīng)比較器所構(gòu)成的電流閉環(huán)控制回路，變壓器初級繞組中的電流在反饋電阻 Rs 上產(chǎn)生的壓降，通過第 3 腳，與誤差電壓進(jìn)行比較，調(diào)節(jié) PWM 波的占空比。這兩個控制回路都是在固定頻率下工作的。 1 腳為補(bǔ)償端，該管腳為誤差放大器的輸出，外接 RC 網(wǎng)絡(luò)對誤差放大器的頻率響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。 2 腳為電壓反饋端，取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端，與 的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓。 3 腳為電流檢測輸入腳，外接電流檢測電阻，將流過初級繞組上的電流實時反饋到控制器，當(dāng) 3 腳電壓等于或高于 1V 時，電流檢測比較器輸出高電平，復(fù)位 PWM 鎖 存器，從而關(guān)閉輸出脈沖，起到過流保護(hù)作用。 4 腳外接定時 RC 網(wǎng)絡(luò)，用以確定振蕩器的工作頻率，其頻率通過式)( kHzCRf tt? 確定。 5 腳是地，是控制電路和電源的公共地。 6 腳為輸出端，采用圖騰柱式輸出，最大峰值電流為 1A，能直接驅(qū)動功率MOSFET 的柵極。 7 腳為集成電路的正電源，其開啟電壓為 16V，關(guān)閉閥值為 10V。一旦芯片開始工作，該芯片就能在 1016V 之間波動的電源供電條件下正常工作， 6V 的差值電壓可有效地防止電路在給定工作電壓附近振蕩。當(dāng)開關(guān)電源通電瞬間，高壓直流電通過一 個大阻值的電阻降壓供給 UC3844，當(dāng) 7 腳的電壓大于 16V時，芯片立即啟動，此時啟動電流小于 1mA，此時無輸出， 6 腳輸出正脈沖，使變壓器也啟動工作，變壓器一路輸出繞組專門給 UC3844 供電，以保持芯片繼續(xù)正常工作，此時的工作電流約為 15mA。在第 7 腳設(shè)有一個 34V 的齊納管穩(wěn)壓管，用于保證其內(nèi)部電路絕對工作在 34V 以下，防止高壓可能帶來的損壞。 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 14 8 腳為基準(zhǔn)電壓輸出，產(chǎn)生精確的 +5V 基準(zhǔn)電壓，并具有一定的帶載能力，帶載能力可達(dá) 50mA。通常我們通過測量該腳是否有穩(wěn)定的 +5V 輸出來判斷該 IC是否正常工作。 UC3844 的最大的優(yōu)點就是外圍元件少，外電路裝配簡單，且成本低，適用于 20~100W 小功率開關(guān)電源的驅(qū)動電路設(shè)計。 UC3844 的特點 UC3844 具有如下特點： (1)電壓調(diào)整率 (抗電壓波動能力 )非常好 (2)有很好的負(fù)載調(diào)整率 (3)頻響特性好，穩(wěn)定幅度大 (4)過流限制特性好 (5)具有過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能。 (6)UC3844 控制的開關(guān)電源工作占空比 D50%[5] 線性光耦合器 PC817 光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號的器件。通常是把發(fā)光器（發(fā)光二極管 LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內(nèi)如圖 34。當(dāng)輸入端加電信號時，發(fā)光器（發(fā)光二極管）發(fā)出 強(qiáng)弱 光線，照射在受光器（光敏晶體管）上，受光器接受 強(qiáng)弱不同的 光線后導(dǎo)通 程度也不同 ，產(chǎn)生 不同強(qiáng)度的 電流從輸出端輸出，實現(xiàn)了 “電 光 電 ”的轉(zhuǎn)換。 普通光電耦只能傳輸開關(guān)信號，不能傳輸模擬信號。線性光電耦是一種與普通光耦不同的新型光電轉(zhuǎn)換器件，它可以傳輸模擬電壓或電流信號，輸入信號的強(qiáng)弱不同，發(fā)光器產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)弱的光信號，從而使受光器的導(dǎo) 通程度也隨光信號強(qiáng)弱的不同而輸出的電壓或電流強(qiáng)度也隨之不同并具有線性的對應(yīng)關(guān)系。 PC817 屬于線性光電耦合器，可以傳輸模擬信號。 [7] PC817 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 34 所示： 第三章 系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 34 PC817 內(nèi)部框圖 圖 35 為 PC817 集電極發(fā)射極電壓 V 與發(fā)光二極管正向電流 fI 的關(guān)系： 圖 35 PC817 集電極發(fā)射極電壓 V 與發(fā)光二極管正向電流 fI 關(guān)系 可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431 本課題所設(shè)計的基準(zhǔn)電壓和反饋電路采用三端穩(wěn)壓器 TL431 構(gòu)成。在反饋電路中用 TL431 與輸出采樣電壓進(jìn)行比較，再通過光電耦合器 PC817 把電壓反饋到 UC3844 的電壓反饋端。 TL431 是 ～ 36V 可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其價格低廉，可廣泛應(yīng)用于精密線性穩(wěn)壓電源和單片精密開關(guān)電源中。它可以輸出 ~36V 連續(xù)可調(diào)電壓，第三章 系統(tǒng)設(shè)計 16 工作電流范圍寬達(dá) ～ 100mA，動態(tài)電阻典型值為 歐，輸出雜波低。 TL431的電路圖形符號和基本接線如圖 36 所示。 圖 36 TL431 的電氣符號圖和等效電路圖 圖中， A 為陽極，需接地使用； K 為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源； refU 是輸出電壓 oU 的設(shè)定端，根據(jù) refo URRU )/1( 21?? ，外接電阻分壓器選擇不同的1R 和 2R 的值可以得到從 ~36V 范圍內(nèi)連續(xù)輸出電壓。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證陰極電流要大于 1mA，以保證 TL431 正常工作。 [6] 高頻變壓器的設(shè)計 高頻變壓器作用 高頻變壓器是開關(guān)電源的重要組成部件，它不僅是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)闹?要器件，而且能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的電器隔離。其性能的好壞不僅影響變壓器本身的效率和發(fā)熱量，而且還會對開關(guān)電源的整體性能和可靠性產(chǎn)生極大的影響。因此，全面分析設(shè)計變壓器的材料、損耗、磁通密度、制造工藝就顯得尤為重要。 當(dāng)控制 IC 輸出一個導(dǎo)通脈沖到 MOSFET 的柵極時， MOSFET 飽和導(dǎo)通，變壓器初級繞組中電流逐漸增加，而此時初級繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使輸出回路的整流二極管截止，次級繞組中無電流，能量以磁能的形式存儲在初級繞組中。當(dāng)截止脈沖到來時，根據(jù)楞次定律，次級產(chǎn)生與之前方向相反的感應(yīng)電壓，使整流二極管立即導(dǎo)通， 次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓向輸出濾波電容充電，即把能第三章 系統(tǒng)設(shè)計 17 量從初級繞組傳遞到次級的輸出電容中，并給負(fù)載供電。變壓器周而復(fù)始的經(jīng)歷上述能量的存儲轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。 高頻變壓器的設(shè)計 選擇變壓器的磁芯及材料 用于開關(guān)電源的高頻變壓器磁芯都是鐵磁合金，實際應(yīng)用的磁芯材料有鐵氧體、超微晶合金等。選擇磁芯時最重要的考慮因素是在工作頻率點處的損耗和磁密，因此正確的選擇高頻變壓器磁芯，對變壓器性能發(fā)揮至關(guān)重要?？紤]到價格的因素，本設(shè)計選用國產(chǎn) NCDLPZ 材料的鐵氧體磁芯。 確定磁芯規(guī)格可以根據(jù)制 造廠提供的圖表，按輸出功率來選擇磁芯，例如下表： 輸出功率 /W MPP 環(huán)形磁芯直徑 /（ in/mm) EE、 EL 等磁芯 (每邊 )/(in/mm) 5 (16) (11) 25 (20) (30) 50 (30) (35) 100 (38) (47) 250 (51) (60) 表 31 輸出功率與大致的磁芯尺寸的關(guān)系 58W 可選用每邊約 35mm 的 EE35/35/10 材料為 PC30 磁芯，磁芯有效截面積 eA =100 2mm ， cwA =188 2mm ， 磁芯重量 W=。 [9][10][11] 臨界電感 第三章 系統(tǒng)設(shè)