【正文】 ..... 27 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 在如今的生活中，形形色色的電子設(shè)備越來越多，與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。因此，電源越來越受到人們的重視，人們對電源的要求也越來越高。 設(shè)計(jì)目的及意義 現(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源雖然具有穩(wěn)定性能好，輸出紋波電壓小，使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，但其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器，并且功耗較大，電源率較低。其功耗小，效率可高達(dá)70%95%。總體來說，它具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的 30%）、效率高（線性電源只有 40%），自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，又提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高。 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時音比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。由于其高效節(jié)能可帶來巨大效益，從而得到迅速推廣。 DCDC 開關(guān)電源技術(shù)是分布式開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)，被譽(yù)為高效節(jié)能電源。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá) 80%90%，特別是目前便攜式設(shè)備市場需求巨大， DCDC 開關(guān)電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高，而 DCDC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)也更具挑戰(zhàn)性。斬 波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式 Ts不變，改變 ton（通用），二是頻率調(diào)制方式， ton不變，改變 Ts（易產(chǎn)生干擾）。 （ 2） Boost 電路――升壓 斬波器，其輸出平均電壓 U0 大于輸入電壓 UI，極性相同。 （ 4） Cuk電路――降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓 U0 大于或小于輸入電壓 UI,極性相反，電容傳輸。從另一方面來說， DCDC開關(guān)電源的技術(shù)追求也日趨高漲和發(fā)展趨勢 亦漸廣泛，而且派生出發(fā)很多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域研制和開發(fā)的難度變得更大了，這就更有很多的研究價值和技術(shù)發(fā)展的空間了。 開關(guān)電源的發(fā)展綜述 開關(guān)的電源的發(fā)展可分為以下幾個時期： （ 1） 電子管穩(wěn)壓電源時期（ 1950 年代）。 （ 2）晶體管穩(wěn)壓電源時期（ 1960 年代 — 1970 年代中期）。 （ 3）低性能穩(wěn)壓電源時期（ 1970 年代 — 1980 年代末期）。隨著壓控功率器件的出現(xiàn)，促進(jìn)了電源技術(shù)的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設(shè)計(jì)簡化，可取代需要強(qiáng)迫換流的晶閘管，目前仍在使用。 （ 4）高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時期（ 1990 年代 現(xiàn)在）。 國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上起源于 20世紀(jì) 70 年代末和 80 年代初。 20 世紀(jì) 80 年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。目前， DCDC開關(guān)電源的功率密度可達(dá)到 (每立方英寸 120W)。 國外自 20 世紀(jì) 90 年代以來，開關(guān) 電源的發(fā)展更是日新月異。如果從一個開尖電源的輸入和輸出端口觀察，可以發(fā)現(xiàn)輸入的要求變得更嚴(yán)了，不符合 IEC100032 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰。如今美國 VICOR 開關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造的多種 ECI 軟開關(guān) DCDC 變換器，效率為：80%90%。 由于開關(guān)電源功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點(diǎn)，而線性電源效率低，并且電壓轉(zhuǎn)換形式單一（只有降壓）等缺點(diǎn)。當(dāng)然線性電源因?yàn)槠涞驮肼?、低紋波的優(yōu)點(diǎn)，在一些電子測量儀器、取樣保持電路中，線形電源仍然無法被開關(guān)電源取代。 （ 2）高效率和高可靠性。 （ 4） 低電壓、大電流、高功率。對于小型便攜式電子設(shè)備，則主要是單片集成開關(guān)電源的形式，采用新型的控制方式和電路結(jié)構(gòu)來減小器件體積、減小待機(jī)功能，提供低輸出電壓、高輸出電流以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備等產(chǎn)品電源系統(tǒng)的供電要求。但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻電磁干擾（ EMI）等新的問題也將隨之產(chǎn)生，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通（ ZVS）、零電流關(guān)斷（ ZCS）的軟開關(guān)技將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器、開關(guān)管及高頻變壓器等決定電源的壽命。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 ：與線性 電源相比，開關(guān)電源的一個缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)，如很難準(zhǔn)確控制開關(guān)頻率、諧振時增大了器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。 本文主要工作與結(jié)構(gòu)安排 本課題主要工作是 DCDC 升壓電源模塊電路的設(shè)計(jì)，主要完成以下工作。 2. 對兩種控制方式（電流型和電壓型）進(jìn)行了比較分析。 4. 繪制 PCB 版圖。 本論文的結(jié)構(gòu)安排依據(jù)工作進(jìn)度，主要是做了以下安排： 第一章為總體緒論；先說明了本次論文的計(jì)設(shè)目的及意義，而后介紹了開關(guān)電源的發(fā)展及發(fā)展趨勢，最后對本文總體構(gòu)造進(jìn)行了說明。 第三章介紹了系統(tǒng)整體方案以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 第五章詳細(xì)描述了系統(tǒng)的制作與調(diào)試，誤差分析以及系統(tǒng)的性能測試。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 概述 DC/DC開關(guān)電源概述 DC/DC 電壓模塊系統(tǒng)一般由主拓?fù)潆娐凡糠?、開關(guān)管驅(qū)動部分和反饋閉環(huán)三部分 構(gòu)成。圖 21所示的就是最基本的 DC/DC 開關(guān)電源系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中主要任務(wù)有以下幾個方面： 1）熟悉掌 握 DC/DC 變換器的基本組成和 DC/DC 變換器的工作原理。 3）根據(jù)要求對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和元器件的選型，并且掌握每個元器件所起的作用，特別 是電感磁性元件、 UC3842 所組成的脈寬控制電 路。 5）進(jìn)行電路的調(diào)試，在這一環(huán)節(jié)一定要仔細(xì)分析問題的所在，比如是模擬電路還 是數(shù)字電路問題、控制還是反饋問題等。 6）系統(tǒng)的功能性測試及其電路的優(yōu)化，其主要有 DC/DC 的轉(zhuǎn)換效率、輸出電流等電源主要參數(shù)。 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵 [6] 現(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓壓電源，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整電源雖然具有穩(wěn)定性能好，輸出紋波電壓小，使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，但其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和 重量都很大的濾波器，并且功耗大，電源效率較低。其功耗小，效率可高達(dá) 70%95%?？傮w來說，它具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的 30%）、效率高（線性電源只有 40%），自身抗干擾性強(qiáng)、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，又提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展 ,集成電路工作電壓越來越低 ,工作速度越來越高 ,輸出電流能力越來越大，要求其供電電路小體積、低電壓、高效率、大電流輸出 ,這一趨勢對供電電路的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 較高的系統(tǒng)效率不僅可以延長電池使用周期 ,也可以進(jìn)一步減小設(shè)備體積。電源內(nèi)阻的耗能會使電源本身的效率降低，同時也影響到 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，因而也影響 DCDC 電源轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。所以在設(shè)計(jì)中合理選擇電源電壓、減小電源內(nèi)阻、正確選擇 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)可以有效地改善 DC/DC電源的系統(tǒng)效率。 主要技術(shù)指標(biāo) 在輸入電壓 15V20V范圍內(nèi)輸出電壓在 3255V 之間； 最大輸出電流達(dá)到 1A； 轉(zhuǎn)換效率 70%； 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體方案 [7] 本 次設(shè)計(jì)將做一個 DC/DC 升壓電源模塊，通 過 UC3842 控制電路的控 制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示。 開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 分為兩種基本類型：非隔離型（在工作期間輸入電源和輸出負(fù)載共用一個電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個相互耦合磁性元件“變壓器”來實(shí)現(xiàn)的，而且從電源到負(fù)載的耦合是借助于磁通而不是共同的電流）。 DC/DC 拓?fù)涞姆N類繁多，對于大多數(shù)電源 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者來說，挑選合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。電路結(jié)構(gòu)較為簡單，擁有開關(guān)電源固有的特性損耗較小，效率較高的特點(diǎn) [8]。 PWM 技術(shù)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)都具有 較高效率，此外因?yàn)轭l率恒定噪聲頻譜相對窄，利用簡單的低通濾波技術(shù)便可得低紋波輸出電壓。 PWM 調(diào)制方式根據(jù)反饋采樣的不同可分為 ：電壓模式和電流模式 [8]。圖 33為電壓控制電路圖： 電源輸出電壓 outU 與參考電壓 refU 經(jīng)誤差放大器比較放大后 ，又經(jīng) PWM 比較器比較，由鎖存器輸出占空比隨誤差 電壓信號 eU 變化的一系列脈沖，再驅(qū)動控制用的開關(guān)晶體管，使輸出電壓穩(wěn)定。 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 HC L O C KR sU sU i nU o u t圖 34 電流控制電路圖 電壓控制模式電路控制過程中電感電流未參與控制，是獨(dú)立變量，開關(guān)轉(zhuǎn)換器為二階系統(tǒng)，有兩個狀態(tài)變量，即輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。開關(guān)電源的電流均流經(jīng)電感，將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產(chǎn)生 90 度 延遲。 電流型控制器正是針對電壓型控制器的缺點(diǎn)發(fā)展起來的，它增加了電流反饋環(huán)，電感電流不再是一個獨(dú)立變量，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為一個一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個極點(diǎn)和 90 度相位滯后，因而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特性。根據(jù) UC3842 的功能特點(diǎn)， 結(jié)合 Boost 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完全可設(shè)計(jì)成電流控制型的升壓 DCDC 電路。另外，給定電壓的穩(wěn)定主要由硬件電路完成，實(shí)時性好，可靠性高，不需要用到高速單片機(jī) [9]。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 COMP1VFB2SEN3RT/CT4GND5OUT6VCC7Vref8U5UC384210kRtCtGND20kRfIrefRr104CrUinUref22Ro20kRo1PWM(out)104Cf1 圖 35 UC3842控制芯片及周圍電路 系統(tǒng)性能指標(biāo) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要完成的就是實(shí)現(xiàn)直流輸入電壓在 15V20V 范圍內(nèi)能夠輸出直流電壓在 3236V 之間可調(diào)。因此，根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下： （ 1）直流輸入電壓從 15V 到 20V，直流輸出電壓在 32～ 55V之間； （ 2）最大輸出電流 Io=1A； （ 3） DC/DC 轉(zhuǎn)換效率大于 70%； 總之，通過上面的介紹，可以大體上了解整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，接下來將進(jìn)行具體的電路原理圖設(shè)計(jì)。 Boost主拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì) 本系統(tǒng)利用最為簡單可靠的 Boost 斬波結(jié)構(gòu)，開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部 PWM信號控制，電感 L將交替地存儲和釋放能量，而電容 C可將輸出電壓保持平穩(wěn)，通過改變 PWM控制信號的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。圖 32所示的是本系統(tǒng)的 Boost 拓?fù)潆娐贰? 開關(guān)管 S漏極電壓波形 Ton Toff △ ILon 開關(guān)管 S電流波形 ILp 電感 L電流波形 IL(ave) △ IL △ ILoff 整流二極管 D電流波形 Id(ave) 輸出電容 C2電流波形 Ic2(ave) △ Ic2 圖 41 onT 時，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 iV ，考 慮到開關(guān)管 S 漏極對公共端的導(dǎo)通壓降 sV ，即為 si VV? 。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 L TVVIL onsion )( ??? （ 1） 式中： sV 為開關(guān)管導(dǎo)通時的壓降和電流取樣電 阻 sR 上的壓降之和，約。 L TVIL o ffio ff ) +VV ( fo ??? （ 2） 式中： fV 為整流二極管正向壓降，快恢