【正文】 ( 1 4 )R T C T4 ( 7 )電 壓反 饋輸 入2 ( 3 )輸 出 補(bǔ) 償1 （ 1 ）誤 差放 大 器地 5 （ 9 ）V c c 7 ( 1 2 )V c7 ( 1 1 )輸 出6 （ 1 0 ）電 源 地5 （ 8 ）電 流 檢 測輸 入3 （ 5 ） 圖 43 UC3842內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖 這種電流型控制電路的主要特點(diǎn)是： （ 1）輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化，電感電流自動(dòng)調(diào)整而不需要誤差放大器輸出變化，改善了瞬態(tài)電壓調(diào)整率； （ 2）電流型控制檢測電感電流和開關(guān)電流，并在逐個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上同誤差放大器的輸出比較，控制 PWM 脈寬，由于電感電流隨誤差信號(hào)的變化而變化，從而更容易設(shè)置控制環(huán)路，改 善了線性調(diào)整率； （ 3）電流型控制電路中需要對(duì)電感電流的斜坡進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)椋骄姼须姾贾蓦娮涌萍即髮W(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 流大小是決定輸出大小的因素，在占空比不同的情況下，峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對(duì)應(yīng)，特別是占空比， 50％的不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差，即使占空比小于 50％，也可能發(fā)生高頻次諧波振蕩，因而需要斜坡補(bǔ)償，使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致，但是，同步不失真的斜坡補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的難度。 圖 42 UC3842管腳圖 表 41 UC3842管腳功能介紹 管腳 功能 說 明 1 補(bǔ)償 該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償 2 電壓反饋 該管腳是誤差放大器的反向輸入，通常一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出 3 電流取樣 一個(gè)正比于電感器電流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)的導(dǎo)通 4 tC/Rt 通過將 電阻 tR 連接至 refV 以及電容 tC 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 地 該管腳是控制電路和電源的公共地 6 輸出 該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET的柵極，高達(dá) 1A的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌 7 ccV 該管腳是集成電路的正電源 8 refV 該管腳為參考輸出，它通過電 阻 tR 向電容 tC 提供充電電流 1 2 3 4 5 6 7 8 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 UC3842 是專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門限為 （通）和 (斷 )，其主要特性有： 1）微調(diào)的振蕩器放電電流，可精確控制占空比 2）電流模式工作到 500千赫 3）自動(dòng)前饋補(bǔ)償 4）鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流 5）內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定 6）大電流圖騰柱輸出 7）欠壓鎖定，帶滯后 8）低啟動(dòng)和工作電流 如圖 43所示為 UC3842 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖。有 16V（通）和 10V（斷）低壓鎖定門限，十分適合于離線變換器，這里采 用 DC輸入直接給芯片供電 [11]。電流取樣比較器和大電流圖騰式輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)外部功率開關(guān)管，所以是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。 UC3842 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(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。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，不需要用到高速單片機(jī)，也隨即降低了軟件編寫的難度。根據(jù) UC3842 的功能特點(diǎn)，結(jié)合 Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 完全可設(shè)計(jì)成電流控制型的升壓 DCDC 電路。 )2/( IlIlIlp ave ??? （ 10） 開關(guān)管耐壓 foff VVds ?? oV （ 11） 二極管反向耐壓 rV = oV aV （ 12） 控制芯片及外圍電路 采用 UC3842 作為主回路的控制芯片。在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，從電流連續(xù)后到最大輸出， onIL? = offIL? ，由式 (1)和 (2)可得 ifsionoff VVVVTT ????oV （ 3） 因占空比 D= onT /T,即最大占空比 maxD oofofom a x VV+VV +VV isi VVVD ????? （ 4） 如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率， 即 oavei IIlV ??? oV （ 5） 由式（ 4）和式（ 5）可得電感平均電流 DIIl oave ?? 1 （ 6） 同時(shí)由式 (1)得電感器電流紋波 ， 式中： f為開關(guān)頻率。 ofT 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 fV ，ofT 時(shí)，電感 L 兩端的電壓為 oV + fV iV ，電流的減少部分 offIL? 滿足 (2)。 onT 時(shí)通過 L的電流增加部分 onIL? 滿足式 (1)。 Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖 41所示。 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) [10]。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 4 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要以 Boost 為主拓?fù)潆娐贰Ⅱ?qū)動(dòng)以 UC3842 為脈寬調(diào)制芯片為主，它們共同構(gòu)建起了整個(gè) DC/DC 變換系統(tǒng)。如果這一功能不能實(shí)現(xiàn)別的技術(shù)指標(biāo)就不可能達(dá)到，這是實(shí)現(xiàn)全部 技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)。如圖 35 為 UC3842 控制芯片及周圍電路。該電路外接元器件少，控制靈活，成本低，具有其他專用芯片難以實(shí)現(xiàn)的功能。 本系統(tǒng)即采 用電流控制型的 UC3842 作為主回路的控制 芯片。因此，僅用電壓采樣的方法反應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振蕩，從而損壞功率器件，以致在推挽和全橋等電路中引起變壓器偏磁化飽和而產(chǎn)生電流尖峰，最終導(dǎo)致線路工作失常。二階系統(tǒng)是一個(gè)有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對(duì)控制電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和計(jì)算，滿足一定條件，方能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。 E r r o rA M P U r e f U o u t U eP W MC O M PSR QL A T C HU i nU o u tO S CC L O C K 圖 33 電壓控制電路圖 （ 2） 電流控制模式 圖 34是電流控制電路圖，它是一個(gè)雙控制系統(tǒng)，既保留了電壓型控制器的輸出電壓反饋控制部分，又增 加了一個(gè)反饋環(huán)節(jié)， 它的電路工作原理是：與經(jīng)誤差放大器比較放大后得到 ，由恒頻時(shí)鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，電杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 源電路中因輸出電感的作用使脈沖電流逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻 RS 上的電流信號(hào)電壓 VS幅 度達(dá)到電平時(shí)，脈寬比較器的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)撤除，功率管關(guān)斷，電路逐個(gè)的檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，控制電源輸出。 （ 1） 電壓控制模式 傳統(tǒng) PWM開關(guān)電源采用電壓型控制模式，只對(duì)輸出電壓采樣并作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以穩(wěn)定輸出電壓。因此 PWM 技術(shù)普遍應(yīng)用于通信技術(shù)中。 UC3842 振蕩電路和補(bǔ)償電路 功率開關(guān)管 S 電流取樣Rs 反饋 Vcc 輸出 Vo 整流濾波 儲(chǔ)能電感 L 輸入 Vi 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 GDSI1IRF540D1N581910mHL6Inductor IronRsC1 C2PWM(out)GND30kR12kR2IrefUinUref12P1Header 212P3Header 212P4Header 212P2Header 212PfHeader 212UinHeader 212UoutHeader 2 圖 32 系統(tǒng) Boost拓?fù)潆娐穲D 脈沖調(diào)制驅(qū)動(dòng)部分 脈寬調(diào)制指固定時(shí)鐘頻率，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管控制信號(hào)的占空比 D 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)整。 圖 32為本系統(tǒng) Boost 拓?fù)潆娐穲D，開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部 PWM 信號(hào)控制，電 感 L將交替地存儲(chǔ)和釋放能 量， 而電容 C可將輸出電壓保持平穩(wěn) ，通過改變 PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)造價(jià)、性能指標(biāo)和輸入 /輸出負(fù)載特性等因素選定的。 圖 31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Boost 斬波結(jié)構(gòu)部分 開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)器件和儲(chǔ)能器件的不同配置。在系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)中，主要涉及到 Boost 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路、脈寬調(diào)制控制驅(qū)動(dòng)電路、反饋閉環(huán)電路。 DC/DC電源電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于正確分析電子設(shè)備各部分之間（尤其是電源和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器之間）的相互作用，找出影響電源系統(tǒng)效率的主要因素。在極端情況下， DC/DC電源轉(zhuǎn)換器會(huì)進(jìn)入非正常狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)將完全停止工作，即使能正常工作也會(huì)嚴(yán)重?fù)p失系統(tǒng)效率。經(jīng)分析不難發(fā)現(xiàn)， DC/DC電源的系統(tǒng)效率一方面受限于電源系統(tǒng)本身的耗能元件，如電源內(nèi)阻、濾波器阻抗、連接導(dǎo)線及接觸電阻等；另一方面與 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器 的工作狀態(tài)和電源參數(shù)也有很大關(guān)系，合理地配置這些設(shè)計(jì)參數(shù)可以改善系統(tǒng)效率。目前，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器有高達(dá) 95%以上的轉(zhuǎn)換效率 。但也存在一些缺點(diǎn)：在隔離型開關(guān)電源中，由于逆變電路中會(huì)產(chǎn)生高頻電壓， 對(duì)周圍設(shè)備有一定的干擾，需要良好的屏蔽及接地。散熱器的體積也隨之減小，可直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行 整流、濾波、調(diào)整 。相對(duì)的， DCDC開關(guān)電源就可以適應(yīng)現(xiàn)當(dāng)代的電子設(shè)備對(duì)電源的要求，達(dá)成電子設(shè)備對(duì)電源的發(fā)展需要。所謂線性穩(wěn)管工作在開關(guān)狀態(tài)。通過這一過程讓整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到更好的效果。只有正確查找出問題才能對(duì)癥下藥，DC/DC變換電路 輸 入 輸 出 反饋 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 可大大縮短調(diào)試時(shí)間。 4）在進(jìn)行電路布線時(shí)一定要注意元器件的布局、信號(hào)干擾、模擬電路與數(shù)字電路之間的相互影響等問題，在很大程度上決定著你的調(diào)試時(shí)間長短，最終結(jié)果正確與否。 2）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)分模塊進(jìn)行理論分析，其中包括 Boost 變換主電路模塊、脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)模塊、反饋閉環(huán)模塊。 圖 21 最基本的 DC/DC開關(guān)電源系統(tǒng) DC/DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)思路 本文課題在于對(duì) Boost 電路構(gòu)成的 DCDC 開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。主拓?fù)潆娐凡糠郑褐饕üβ书_關(guān)管、儲(chǔ)能電感、續(xù)流二極管以及濾波電容；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)部分：主要包括脈寬調(diào)制專用芯片以及必要的增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管能力的電路；反饋閉環(huán)部分：主要包括采樣輸出電壓以及誤差放大電路 [5]。 最后總結(jié)了本文的設(shè)計(jì)工作。 第四章詳細(xì)描述了 DCDC升壓電源模塊的構(gòu)成，工作原理；并重點(diǎn)分析了 Boost主拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)與控制電路中的各參數(shù)設(shè)置，并詳細(xì)介紹了其中用到的主要元器件，如 UC3842，主要有引腳功能、適用范圍，基本工作原理等。 第二章概述了本次設(shè)計(jì)的 DCDC 升壓電源模塊，設(shè)計(jì)思路，研發(fā)方 向和技術(shù)關(guān)鍵以及主要技術(shù)指標(biāo)。 5. 進(jìn)行焊接調(diào)試。 3. 對(duì)整體電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1. 對(duì) DCDC 升壓電源模塊的工作原理和系統(tǒng)性能進(jìn)行了較為深入的研究。 ：當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，噪聲通過電源線產(chǎn)生對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，世界各國已有抗電磁干擾的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國的 FCC，德國的VDE等，研究開發(fā)抗電磁干擾的開關(guān)電源日益顯得重要 [4]。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以降低噪聲。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是依賴使用方。 ：開關(guān)電源比線性電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。 ：隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減小 ，功率密度也得到大幅度提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善，小功率 DCDC 轉(zhuǎn)換