【導(dǎo)讀】穩(wěn)壓電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備。在信息時(shí)代，農(nóng)業(yè)、能。源、交通運(yùn)輸、通信等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，對(duì)電源產(chǎn)業(yè)提出個(gè)更多、更高的要求，如節(jié)能、節(jié)材、減重、環(huán)保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索。尋求各種鄉(xiāng)關(guān)技術(shù)，做出最好的電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。用方便，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。方向等的基礎(chǔ)上，對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊進(jìn)行，分別為。確定電路設(shè)計(jì)方案后，使用Multisim10對(duì)電路進(jìn)行仿真，并對(duì)電路

　　

【正文】 2 輸出驅(qū)動(dòng)脈沖占空比過大時(shí)， VT7 導(dǎo)通時(shí)間將變長(zhǎng)，截止時(shí)間將縮短，其漏 源極平均電流增大，致使過流取樣電阻 R R7 壓降增大，此時(shí) UC3842③ 腳電壓升高，通過內(nèi)部比較器控制觸發(fā)器，使驅(qū)動(dòng)脈沖占空比減小。如果過流取樣電壓達(dá)到 1 V 左右，則自動(dòng)持續(xù)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖，避免輸出電壓超高損壞負(fù)載電路和開關(guān)管。 共 45 頁(yè) 第 26 頁(yè) 第四章 利用 UC3842 設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓電源 電源設(shè)計(jì)指標(biāo) 要求該電源在電阻負(fù)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(shí)，電壓調(diào)整率 SU≤2%（ IO=2A）； （ 4） IO從 0 變到 2A 時(shí)，負(fù)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(hù)功能，動(dòng)作電流 IO（ th） =177。； 設(shè)計(jì)思路 ： 開關(guān)電源由隔離變壓器、整流濾波和 DC—DC 變換網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是 DC～ DC 變換器，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊，而控制模塊的設(shè)計(jì)又是DC/DC 的核心，一般 DC/DC 變換的控制模 塊使用 PWM 調(diào)制的專用芯片，如TL494， UC3842 等。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(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構(gòu)成開關(guān)電源，穩(wěn)定性能較好，控制簡(jiǎn)單，芯片功耗幾乎可以忽略不計(jì)，且成本低。過流保護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載上。當(dāng)取樣的電流超過指定的范圍，立即切斷負(fù)載，或者降低輸出電壓，然后過一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng)，接上負(fù)載，由繼電器來控制負(fù)載的連通性。 具體電路設(shè)計(jì) 啟動(dòng)電路 啟動(dòng)電路 圖如圖 42，輸入的 220V 交流電經(jīng)過橋式整流以及 C1C2 濾波過后變成脈動(dòng)的直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻 R2 分壓給 UC3842 提供啟動(dòng)電壓，當(dāng)電壓達(dá)到 16v 時(shí)達(dá)到芯片的啟動(dòng)電壓， UC3842 開始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖， uc3842 的啟動(dòng)電壓大于 16 V，啟動(dòng)電流僅 1 mA 即可進(jìn)入工作狀態(tài)。處于正常 共 45 頁(yè) 第 27 頁(yè) 工作狀態(tài)時(shí)，工作電壓在 10～ 34 V 之間，負(fù)載電流為 15 mA。超出此限制，開關(guān)電源呈欠電壓或過電壓保護(hù)狀態(tài)，無(wú)驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。 元件參數(shù)選擇： （ 1） 變壓器的選擇： 要輸出 U2=18V 的直流電，全橋整流電路的二次側(cè)輸出 電 Un2。 因?yàn)椴捎萌珮蛘鳎杂?222 ??UUn 解此算式可以得到 Un2= 計(jì)算變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)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(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時(shí) ,電流將集中在導(dǎo)體表面流過 ,這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí) ,會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層 ,而 非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中。線徑的選擇主要由本系統(tǒng)的開關(guān)頻率確定。開關(guān)頻率越大，線徑越小，但是所允許經(jīng)過的電流越小，并且開關(guān)損耗增大，效率降低。本系統(tǒng)采用的頻率為 40K，查表得知在此頻率下的穿透深度為 ,直徑應(yīng)為此深度的 2 倍，即為 。選擇的 AWG 導(dǎo)線規(guī)格為 21，直徑為 （含漆皮） .磁芯選擇鐵鎳鉬磁芯，該磁芯具有高的飽和磁通密度，在較大的磁化場(chǎng)下不易飽和，具有較高的導(dǎo)磁率、磁性能穩(wěn)定性好（溫升低，耐大電流、噪聲?。?，適用在開關(guān)電源上。 （ 2） 濾波電容的選擇 在經(jīng)過電路仿真和經(jīng)驗(yàn)可以得到所需要的濾波電容： C1=68uF, C2=22uF 共 45 頁(yè) 第 28 頁(yè) （ a）濾波整流電路 （ b）濾波整流電路波形 圖 圖 41 濾波整流電路 仿真結(jié)果，經(jīng)過整流濾波后的輸出電壓是 ，雖有誤差，但是在允許的范圍內(nèi)。 PWM 脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路 圖 4－ 3 由分壓電阻 R 提供分得的電壓接入 uc3842 的 ⑦ （ Vcc）管腳， uc3842啟動(dòng)工作， 由 ⑥ 端（ output）輸出推動(dòng)開關(guān)管工作，輸出信號(hào)為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量 儲(chǔ)存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情況，此時(shí)變壓器各路副邊沒有能量輸出。當(dāng) ⑥ 腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電 共 45 頁(yè) 第 29 頁(yè) 流不變，產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈向 UC3842 供電。 UC3842 內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟和關(guān)閉閾值分別為 16V 和 10V，電源 電壓接通之后，當(dāng) ⑦ 端電壓升至 16V 時(shí)UC3842 開始工作，啟動(dòng)正常工作后，它的消耗電流約為 15mA。 由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。如圖 4－ 3 所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升， R6 兩端的電壓上升，其中 R19 和 C8 組成濾波電路防止脈沖尖峰使電路誤操作， UC3842 的腳 3 上的電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過正常值 達(dá)到 1V(即電流超過 1． 5A)時(shí)， UC3842 的 PWM 比較器輸出高電平，使 PWM 鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時(shí)， UC3842 的腳 ⑥ 無(wú)輸出， MOS管 Q1 截止，從而保護(hù)了電路。 圖 42 PWM 脈沖控制驅(qū)動(dòng)電路 他的輸出波形圖如圖 43： 共 45 頁(yè) 第 30 頁(yè) 圖 43PWM 輸出波形，占空比 50% 電路元器件參數(shù)設(shè)置： 根據(jù) MOS 管的工作頻率范圍，選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鏖_關(guān)頻率，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的工作頻率是： f=40KHz 由此 UC3842 芯片的 工作頻率設(shè)計(jì)為 CtRtf ?? 根據(jù)設(shè)定的工作頻率為 40KHz，選擇適當(dāng)?shù)碾娙莺碗娮? 本系統(tǒng)選擇的是電阻： 1K, 電容： 45nf 供給 Vcc 腳的電壓是 16V， ② 腳 Vfb 的輸入基準(zhǔn)電壓是 5V。 開關(guān)管的選擇 作為開關(guān)器件使用的晶體管 , 除了要具有放大特性以外 , 更重要的是應(yīng)具有開關(guān)快速和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。在選擇開關(guān)功率管時(shí)，由于開關(guān)功率管應(yīng)能承受 630V 以上的高壓，為安全起見，應(yīng)采用耐壓 1000V 的 VMOS 管?？蛇x用IRFPG40 型，其漏 ——源級(jí)可承受的最高電壓 VVDCM 1000? ，最大漏極電流AIDM ? ，最大功耗 WPDM 150? ，完全可以滿足要求。 外補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) UC3842 誤差放大器的輸出端腳 l 與反相輸入端腳 2 之間外接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) RC3。 R C3 的取值取決于 UC3842 環(huán)路電壓增益、額定輸出電流和輸出電容， 共 45 頁(yè) 第 31 頁(yè) 通過改變 R C3 的值可改變放大器閉環(huán)增益和頻響。為使環(huán)路得到最佳補(bǔ)償，可測(cè)試環(huán)路的穩(wěn)定度，測(cè)量 I0 脈動(dòng)時(shí)輸出電壓 V0 的瞬態(tài)響應(yīng)來加以判斷。 保護(hù)電路 當(dāng) 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(fù)位。根據(jù) UC3842 關(guān)閉特性，可以很容易在電路中設(shè)置過壓保護(hù)和過流保護(hù)。本電路中 R1 上感應(yīng)出的峰值 電流形成逐個(gè)脈沖限流電路，當(dāng)腳 ③ 達(dá)到 1V 時(shí)就會(huì)出現(xiàn)限流現(xiàn)象，所以，整個(gè)電路中的電感磁性元件和功率開關(guān)管不必設(shè)計(jì)較大的余量，就能保證穩(wěn)壓電路工作可靠，降低成本。 電路輸出部分的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電路部分采用升壓式斬波電路。這一部分電路由電感、續(xù)流二級(jí)管、電容及負(fù)載電阻組成。 升壓斬波電 路 的基本原理 升壓斬波電路的結(jié)構(gòu)如圖 44。 開關(guān)管以 UC3842 設(shè)定的頻率周期開閉，使電感 L 儲(chǔ)存能量并釋放能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感以 Vi／ L 的速度充電，把能量?jī)?chǔ) 存在 L 中。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，L 產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管 D 把儲(chǔ)存的電能以 (V0Vi)／ L 的速度釋放到輸出電容器 C2 中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。 共 45 頁(yè) 第 32 頁(yè) 圖 44 升壓斬波電路 升壓斬波電路特性分析 boost 升壓電路，可以工作在電流斷續(xù)工作模式 (DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)。 CCM 工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負(fù)載達(dá)到 lo％以上時(shí)，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按 CCM 工作模式來進(jìn)行特性分析。 Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 升壓電路基本波形如圖 44 所示。 共 45 頁(yè) 第 33 頁(yè) 圖 45boost 升壓電路基本波形圖 ton 時(shí)，開關(guān)管 S 為導(dǎo)通狀態(tài)，二極管 D 處于截止?fàn)顟B(tài)，流經(jīng)電感 L 和開關(guān)管的電流逐漸增大，電感 L 兩端的電壓為 Vi，考慮到開關(guān)管 S 漏極對(duì)公共端的導(dǎo)通壓降 Vs，即為 Vi Vs。 ton 時(shí)通過 L 的電流增加部分 △ ILon 滿足式 (1)。 L DVVI siLon )( ??? (41) 式中： Vs 為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降和電流 取樣電阻 Rs 上的壓降之和，約 ~。 offt 時(shí)，開關(guān)管 S 截止，二極管 D 處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲(chǔ)存在電感 L 中的能量提供給輸出，流經(jīng)電感 L 和二極管 D 的電流處于減少狀態(tài)，設(shè)二極管 D 的正向電壓為 Vf， toff 時(shí)，電感 L 兩端的電壓為 Vo+VfVi，電流的減少部分 △ ILOff 滿足式 (2)。 L tVVVI of fifL of f )( 0 ???? (42) 式中： Vf 為整流二極管正向壓降，快恢復(fù)二極管約 ，肖特基二極管約 。 在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，即從電流連續(xù)后到最大輸出時(shí)， △ LonI =△ LoffI ，由式 (41) 共 45 頁(yè) 第 34 頁(yè) 和 (42)可得 ifsionoff VVV VVtt ?? ??0 (43) 占空比TtD on?,即最大占空比 maxD 000m a x VVVVVV VVVD isfifO ???? ??? （ 44） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即 00)( IVIV aveLi ??? (45) 由式 (44)和式 (45)得電感器平均電流 DII AVEL ?? 1 0)( (46) 同時(shí)由式 (1)得電感器電流紋波 Lf DVVI siL )( ??? （ 47） 式中： f 為開關(guān)頻率。 為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足 2/)( LaveL II