【正文】 輸出濾波電容器的選擇 215 開關(guān)電源控制電路設(shè)計 22 芯片簡介 22 22 UC3842內(nèi)部工作原理簡介 22 工作描述 23 UC3842常用的電壓反饋電路 276 結(jié)論 30 成果與結(jié)論 30 30 PWM集成控制器的設(shè)計 30 30 進一步工作設(shè)想 31致謝 32參考文獻 33附錄1: 英語翻譯 34 附錄2: 單端反激式開關(guān)電源圖示 44 1 緒論 課題研究的背景隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源。 ②提高可靠性，提高集成度，增加保護功能，拓寬輸入電壓范圍，提高平均無故障時間。 ④提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)。開關(guān)電源高頻化的實現(xiàn)，與磁性元件和半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展?fàn)顩r有著密切的關(guān)系。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。這是由于開關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對多種電壓和電流的需求。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開關(guān)電源控制要求的集成開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接組件越來越少，使得開關(guān)電源的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡化，成本也不斷下降。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發(fā)展，又將開關(guān)電源的工作頻率從20kHz提高到150一200kHz，其結(jié)果是使整個開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。當(dāng)然開關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。到1980年，功率在50W以上就具有競爭力了。過去，開關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較高，但進入90年代后，其成本下降非常顯著，當(dāng)然這包括了功率組件，控制組件和磁性組件成本的大幅度下降。 研究的目的及意義隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類已經(jīng)進入工業(yè)時代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時期，電源是向負載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，是工業(yè)的基礎(chǔ)。課題研究的意義在于：當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術(shù)參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，因此，電源技術(shù)不但本身是一種高新技術(shù)，而且還是其評它多項高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。 高頻開關(guān)電源的發(fā)展情況目前我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源將逐漸被淘汰。當(dāng)時引進的開關(guān)電源技術(shù)，在高等院校和一些科研院所停留在實驗開發(fā)和教學(xué)階段。20世紀(jì)80年代開關(guān)電源的特點是采用20kHz脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，效率可達65%70%。新型功率器件的開發(fā)促進了開關(guān)電源的高頻化，功率MOSFET和IGBT可使小型開關(guān)電源的工作頻率達到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC)。新型磁性材料和新型變壓器的開發(fā)、新型電容器和EMI濾波器技術(shù)的進步以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關(guān)電源實現(xiàn)了小型化，并提高了EMC性能。 新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展是開關(guān)電源技術(shù)進步的龍頭。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容器等元器件的發(fā)展，也將對電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。通過控制電路的集成、驅(qū)動電路的集成以及保護電路的集成，最后達到整機的集成化生產(chǎn)。目前。在開關(guān)電源應(yīng)用的起步階段，很多生產(chǎn)廠家采取的都是小作坊的生產(chǎn)模式?，F(xiàn)在，我國已形成一批上億元甚至10億元以上產(chǎn)值的電源企業(yè)，有些產(chǎn)品已進入國際市場。從技術(shù)上看，幾十年來推動開關(guān)電源性能和技術(shù)水平不斷提高的主要標(biāo)志如下所述：（1）新型高頻功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)使實現(xiàn)開關(guān)電源高頻化有了可能功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關(guān)電源工作頻率可以達到400KHz(ACDC)和1MHz(DCDC)的水平。現(xiàn)在正在探索研制耐高溫的高性能炭化硅功率半導(dǎo)體器件。開關(guān)電源高頻化可以縮減體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了(功率與頻率成正比)。小功率軟開關(guān)電源效率可以提高到8085%。（3）控制技術(shù)研究的進展例如電流型控制及多環(huán)控制，電荷控制，一周期控制，功率因數(shù)控制，DSP控制及相應(yīng)專用集成控制芯片的研制成功等，使開關(guān)電源動態(tài)性能有很大提高，電路也大幅度簡化。既治理了電網(wǎng)的諧波“污染”，又提高了開關(guān)電源的整體效率。新型變壓器如壓電式，無磁心印制電路(PCB)變壓器等，使開關(guān)電源的尺寸重量都可減少許多。（7）微處理器監(jiān)控和開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部通信技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。如用一級ACDC開關(guān)變換器實現(xiàn)穩(wěn)壓或穩(wěn)流，并具有功率因數(shù)校正功能，稱為單管單級(Single Switch Single Stage)或4S高功率因數(shù)ACDC開關(guān)變換器；輸出1V, 50A的低電壓大電流DCDC變換器，又稱電壓調(diào)節(jié)模塊VRM，以適應(yīng)下一代超快速微處理器供電的需求。主要分為半橋式、全橋式、推挽式、單端反激式、單端正激式等等。各種形式的電源電路的基本功能塊是相同的，只是完成這些功能的技術(shù)手段有所不同。RFI濾波器整流濾波高頻開關(guān)元件高頻變壓器輸出整流濾波PWM控制邏輯輔助電路 隔離式開關(guān)電源的方框圖，交流線路電壓無論是來自電網(wǎng)的，還是經(jīng)過變壓器降壓的．首先要經(jīng)過整流、濾波電路變成含有一定脈動電壓成分的直流電壓，然后進入高頻變換部分。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，使得在輸入交流和輸出負載發(fā)生變化時，輸出電壓能保持穩(wěn)定，在這里采用一個叫做脈沖寬度調(diào)制器(FWM)的電路，通過對輸出電壓采樣，并把采樣的結(jié)果反饋給控制電路，控制電路把它與基準(zhǔn)電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果來控制高頻功率開關(guān)組件的開關(guān)時間比例(占空比)，達到調(diào)整輸出電壓的目的，在方波的上升沿和下降沿。因此，在交流輸入端必須要設(shè)置無線頻率干擾(RFI)濾波器，把高頻干擾減少到可接收的范圍。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。輸入輸出隔離的方式由于隔離變壓器的漏磁和損耗等會造成效率的降低，但是卻很安全，而本論文沒有要求輸入輸出隔離還是非隔離，為了提高開關(guān)電源的安全性，所以此設(shè)計選擇隔離方式，我們知道非隔離型高頻開關(guān)電源有五種可能形式：單端反激式、單端正激式、半橋式、全橋式、推挽式，各種形勢的開關(guān)電源對功率的要求是不一樣的，根據(jù)功率的要求可知： 單端反激式功率范圍：1—100W；單端正激式功率范圍：1—200W；推挽式功率范圍：200—500W；半橋式功率范圍：200—500W；全橋式功率范圍：500—2000W；根據(jù)論文要求，為小功率高頻開關(guān)電源的設(shè)計，而單端反激式功率范圍可以達到要求，因為反激式開關(guān)電源中的變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，反激式變換器只需要濾波電容的選擇，而不需要濾波電感的選擇，由于它是電感，在開關(guān)電源中必然具有電感的一般規(guī)律，即具有電流連續(xù)，臨界連續(xù)和斷續(xù)三種工作模式，且電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜。 控制電路的選擇采用單片機或DSP控制產(chǎn)生PWM波,控制開關(guān)的導(dǎo)通與截止。負載電流在康銅絲上的取樣經(jīng)A/D后輸入單片機，當(dāng)該電壓達到一定值時關(guān)閉開關(guān)管，形成過流保護。采用電流模式脈寬調(diào)制控制器UC3842，這個芯片可推挽或單端輸出，工作頻率為1500KHz，輸出電壓可達30V,內(nèi)有5V的電壓基準(zhǔn)，死區(qū)時間可以調(diào)整，輸出級的拉灌電流可達幾百至幾千mA，驅(qū)動能力較強。電流比較器可用于過流保護，電壓比較器可設(shè)置為閉環(huán)控制，調(diào)整速度快，用這種芯片作為低功率開關(guān)電源的PWM的控制是很方便的它可以直接驅(qū)動雙極管，MOSFET和IGBT，具有管腳少（8只引腳）外圍電路簡單、安裝與調(diào)試方便、性能優(yōu)良、價格合適等優(yōu)點。鑒于上面分析，選用芯片控制電路。電流連續(xù)工作狀態(tài)，在下一周期到來時，電感中的電流還未減小到零，電容的電流能夠得倒及時的補充，輸出電流的峰值較小，輸出紋波電壓小。電流斷續(xù)模式。由于對于相同功率的輸出，斷續(xù)工作模式的峰值電流要高很多，而且輸出直流電壓的紋波也會增加，損耗大。鑒于上面分析，本設(shè)計采用電流斷續(xù)模式。是由UC3842市電由CL1限流，再經(jīng)VC濾波，電阻R電位器RP1的供電端（⑦腳），為UC3842提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)RR4提供負反饋 電壓，其規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達500KHz。⑥腳輸出的方波信號經(jīng)RR8功率管，變壓器原邊繞組①②的能量傳遞到付邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負載使用。用于電流檢測，經(jīng)RC9的③腳形成電流反饋環(huán).構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842時振蕩器停振，保護功率管不至于過流而損壞。現(xiàn)代的電子設(shè)備生產(chǎn)廠家一般都要滿足國際市場的需求，所以他們所設(shè)計的開關(guān)電源必須要適應(yīng)世界范圍的交流輸入電壓，通常是交流90 ——130V和180——260V的范圍。當(dāng)電源開啟瞬間，要對 C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。為了實現(xiàn)兩種輸入電源的轉(zhuǎn)換，要利用倍壓整流技術(shù)。電路工作過程如下：當(dāng)開關(guān)S1閉合時．電路在115V交流輸入電壓下作用。即115v1．414≈160v，在交流電的負半周，電容器C2通過二極管VD4也被充電到160v。當(dāng)開關(guān)S1打開時，極管Val—VD4組成了全橋式整流電路，對輸入的交流230V進行整流，也同樣產(chǎn)生320V的直流電壓。浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的，在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，一般情況下，只是電容的ESR值。通常廣泛采用的措施有兩種，一種方法是：利用電阻——雙向可控硅并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；另一種方法是：采用負溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻。 電阻——雙向可控硅技術(shù)：采用此項浪涌電流限制技術(shù)時，將電阻與交流輸入線相串聯(lián)。這種電路結(jié)構(gòu)需要一個觸發(fā)電路，當(dāng)某些預(yù)定的條件滿足后，觸發(fā)電路把雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。這種方法是把NTC(負溫度系數(shù))的熱敏電阻串聯(lián)在交流輸入端或者串聯(lián)在經(jīng)過橋式整流后的直流線上。 熱敏電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)開關(guān)電源接通時，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。當(dāng)電容開始充電時，充電電流流過熱敏電阻，開始對其加熱。這樣，就不會影響整個開關(guān)電源的效率。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設(shè)備。比如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高尖峰的因素。另一方面，電感性開關(guān)產(chǎn)生的電壓尖峰的能量滿足下面的公式： （3—1）公式中．L是電感器的漏感，I是通過線圈的電流。所以必須要采取措施加以避免。一般情況下，隔離式開關(guān)電源都是用高頻變壓器作為主要隔離器件。所謂單端，就是指的是變壓器磁芯僅工作在其磁滯回線的一側(cè)。 隔離單端反激式變換電路及相關(guān)波形，電路的工作過程如下：當(dāng)晶體管VT1導(dǎo)通時，它在變壓器初級電感線圈中儲存能量，與變壓器次級相連接的二極管VD處于反偏壓狀態(tài)，所以二極管VD截止。當(dāng)晶體管VT1截止時，變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉(zhuǎn)過來，使得二極管VD導(dǎo)通，給輸出電容C充電，同對在負載RL上也有了電流IL。由于隔離變壓器T除了具有初、次級間安全隔離的作用外，它還有變壓器和扼流圈的作用，所以在反激式變換器的輸出部分一般不需要加電感，但在實際應(yīng)用中，往往在整流器和濾波電容之間加一個小的電感線圈，用以降低高頻開關(guān)噪聲的峰值，這樣的設(shè)計便開關(guān)電源工作更安全。在這里需要清楚的是作為主開關(guān)的晶體管、MOSFET、IGBT或晶閘管的性能均耐壓的上升而下降，因此在選擇耐壓時并不是超高越好，而是適可而止。對于不同的電路拓撲和不同的控制方式，要求開關(guān)管的額定電壓將不同。橋式變換器：400—500V；推挽式變換器：800—900V；單端正/反激式變換器：600—700V；單端正激式變換器帶有有源箝位：600V；（2） 交流電帶有PFC功能。選擇開關(guān)管耐壓為600V時，假設(shè)效率為80%，電路工作在電流斷續(xù)模式，在這種工作狀態(tài)下，在開關(guān)管上每流過1A電流可以輸出30—32W的輸出功率。考慮到開關(guān)管的導(dǎo)通電阻對效率的影響，應(yīng)該選擇開關(guān)管的額定電流達到實際電流峰值的3—4倍，如在沒有PFC時，電源電壓為220*(1177。在單端反激式變換器電路中。晶體管截止時所承受的尖峰電壓按下面的公式進行計算： （4－1） 公式中，Vin是輸入電路整流濾波后的直流電壓，δmax是最大工作占空比。為了限制晶體管的集電極安全電壓，工作占空比應(yīng)保持在相對地低一些，一般要低于50％，在實際設(shè)計時，一般取0．4左右，這樣它就限制了集電極峰值電壓。 按如下粗算考慮：交流輸入電壓180—260V，取260V，260v乘以1．414(有效值)，即是整流后的直流電壓V*2601. 4＝354V，360V再乘以2．2得800V，實際取900V即可。 （4—2）公式中的Il是變壓器初級繞組的峰值電流，而n是變壓器初級與次級間的匝數(shù)比。 略去推導(dǎo)過程，由輸出功率和輸入電壓表達的晶體管工作電流的公式為： （4－4） 變壓器繞組的設(shè)計由于在單端反激式變換器電路中，變壓器初級繞組只在B—H待佐曲線[磁滯回線)的一個方向上被驅(qū)動，因此，在設(shè)計時注意不要使其飽和。 L：變壓器次級繞組的電感量；U0：空氣的導(dǎo)磁率。Ue：所選磁芯的磁性材料的相對導(dǎo)磁率。 相對導(dǎo)磁率從應(yīng)盡可能選得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和線徑，以及銅損和鐵損引起磁芯溫升過高，選擇磁芯的形狀時，需要綜合考慮應(yīng)用要求、磁芯的成本、