UC3842脉宽调制高频开关稳压电源设计.doc

1、目 录第1章 概述1第2章 系统总体方案确定32.1 工作原理32.2 系统组成4第3章 主电路设计53.1 主电路的设计53.2 主电路元器件的计算及选型63.2.1 设计依据主要参数63.2.2 高频变压器的选择63.2.3 芯片选择73.3 主电路保护环节的设计8第4章控制电路设计与分析104.1 降压整流滤波电路104.2 PWM脉冲控制驱动电路114.3电路输出部分的设计13第5章实验与仿真155.1 仿真电路图155.2 实验结果及结论16第6章总结18附录19第1章 概述在信息时代，农业、能源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环

2、保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。随着半导体技术和微电子的高速发展、集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻。所有从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备为小型化的需要。开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的

3、，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之有一组输入得到极性、大小各不相同得多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制的科技人员要解决的问题。工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用因而串联闲心稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市

4、电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着爱管稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步地克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。第2章 系统总体方案确定开关稳压电源被誉为“新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。电压控制型开关电源会对开关电流失控，不便于过流保护，并且响应慢、稳定性差。与之相比，电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统，能克服电流失控的缺点，并且性能可靠、电路简单。利用电流控制型

5、脉宽调制芯片UC3842为核心设计的开关稳压电源，电路结构简单、成本低、体积小、易实现，并且可以克服电压型脉宽调制器开关稳压电源频响慢、电压调整率低和负载调整率低的缺点。2.1 工作原理简单来说就是电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到2050KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流。其工作原理如图2-1如下：整流滤波逆变交流送入整流滤波直流输出脉宽调制PWM保护电路脉冲输入控制逆变反馈信号直流送入电网送入调节PWM脉宽调制器脉冲发生电路图 2-12.2 系统组成电路由两个大的部分组成：即主电路和控制电路。(1)主电路由以下部分组成：线路滤波器、电力二极管形成的

6、全波整理电路、高频变压器，包括初级线圈和次级线圈、变压器二次侧整流电路和线路滤波器(2)控制电路由以下部分组成：脉冲发生芯片UC3842以及周边电路、功率开关管（主要以MOSFET作为高频开关器件）、自馈线圈根据经验和实验结果，检测电阻上的电压会出现较大的尖峰电压，所以主电路和控制电路中都需要加上尖峰电压消除电路。另外考虑到在实际应用中很可能因为各种原因或电路本身的特性造成炸管等不安全现象，所以还需加入保护电路。第3章 主电路设计3.1 主电路的设计如图3-1所示，电路主要由三部分组成：（1）降压整流滤波电路，这部分主要是得到DC-DC的输入电压和为UC3842提供驱动电压。（2）PWM脉冲控

7、制驱动电路，它的主体是一个UC3842芯片，以及它的外围电路组成。用它的脚的输出脉冲控制MOS管的工作，并且它自带保护脚，很简单方便。（3）输出部分，它是由一个升压直流斩波电路构成，结构原路简单。 图3-13.2 主电路元器件的计算及选型3.2.1 设计依据主要参数 （1）输入输出电压：单相（AC）220（1+15%）、15V（DC）（2）输出电流：5A（3）电压调整率：1%（4）负载调整率：1%（5）效率：0.8（6）功率因数：0.83.2.2 高频变压器的选择高频变压器初级线圈的储能值W，初级线圈、自馈线圈和次级线圈的匝数N1、N2、N3，需要通过计算求得。L=(VImin*Dmax)/2

8、Pofo (1)W=0.5LI2 (2)N1=2107W/BSJI (3)N2=N1(VO+VF)(1-Dmax)/VIminDmax (4)N3算法与N2相同其中：为电源效率Po为额定的输出功率fo为开关功率管的开关频率L为高频变压器初级线圈的电感量I为短路保护的过载电流B为磁性材料的饱和磁通密度SJ为磁芯有效截面积Dmax为最大占空比VF为自馈线圈上整流二极管的管电压由于在计算过程中，上述变量有部分在控制电路中才能计算清楚，所以在此只给出经过计算后得出的值，其运算过程可在控制电路的设计中查找获得。L=5.8mHW=0.91mJN1=150匝N2=17匝N3=38匝另外我们选择饱和磁通B=1

9、50mT，有效磁芯截面积为1.44cm2的磁性材料来构成高频变压器。3.2.3 芯片选择本次课程设计由芯片UC3842产生脉冲，来控制MOSFET来实现斩波调压。UC3842是一种单端输出的峰值电流PWM控制芯片，如图3-2示出了UC3842的内部方框图。该芯片只有8个引脚，但一样可以使用内部E/A误差放大器构成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，端8为内外供外用的基准电压5V，带载能力50mA。端7为集成块工作电源VCC，可以在840V，振荡器产生方波振荡，振荡频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻R与接在4脚与地之间的电容C共同决定了振荡器的振荡频率，f=1.8/

10、RC，端5为地。端6为推挽输出，有拉、灌电流的能力。端1外接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性； 端3为电流检测端，用于检测开关管的电流，当3脚电压1V时，UC3842就关闭输出脉冲，保护开关管不至于过流损坏。图3-2 UC3842的内部结构框图 3.3 主电路保护环节的设计要知道主电路保护电路的必要性，就必须搞清楚UC3842本身保护电路的缺陷。1)通过在UC3842的采样电压处接入一个射极跟随器，从而在控制电压上增加了一个与脉宽调制时钟同步的人为斜坡，它可以在后续的周期内将I扰动减小到零。因此，即使系统工作在占空比大于50或连续的电感电流条件下，系统也不会出现不稳定的情况。不过该

11、补偿斜坡的斜率必须等于或略大于m22，系统才能具有真正的稳定性。2）取样电阻改用无感电阻。无感电阻是一种双线并绕的绕线电阻，其精度高且容易做到大功率。这样，即使在高频情况下取样电阻所消耗的功率也不会超过它的标称功率，因此也就不会出现炸机现象。3)反馈电路改用TL43l加光耦来控制。如果把反馈信号接到UC3842的电压反馈端，则反馈信号需连续通过两个高增益误差放大器，传输时间增长。由于TL431本身就是一个高增益的误差放大器，因此，直接采用脚1做反馈，从UC3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l，脚2通过R18接地。这样做的好处是，跳过了UC3842的内部放大器，从而把反馈信号的传输时间

12、缩短了一半，使电源的动态响应变快。第4章 控制电路设计与分析4.1 降压整流滤波电路 降压整流滤波电路如图4-1，输入的220V交流电经过桥式整流以及C1C2滤波过后变成脉动的直流电压，此电压经通过电阻R2分压给UC3842提供启动电压，当电压达到16v时达到芯片的启动电压，UC3842开始工作并提供驱动脉冲， uc3842的启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在1034 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。元件参数选择：（1）变压器的选择：要输出U2=18V的直流电，全桥整流电路的二次侧

13、输出电Un2。因为采用全桥整流，所以有解此算式可以得到 Un2=12.73V计算变压器的一次侧和二次侧的线圈比N1/N2电路的输入电压是市电交流电压220V所以：N1/N2=Un1/Un2即：N1/N2=220/12.73=0.05785根据需要和选择期间的方便，取N1/N2=0.6（2）滤波电容的选择 在经过电路仿真和经验可以得到所需要的滤波电容： C1=68uF, C2=22uF图4-1 降压整流滤波电路 4.2 PWM脉冲控制驱动电路如图42所示，由分压电阻R提供分得的电压接入uc3842的（Vcc）管脚，uc3842启动工作，由端（output）输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉

14、冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。UC3842内部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16V和10V，电源电压接通之后，当端电压升至16V时UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为15mA。由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电

15、路必须具有一定的保护功能。如图43所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R6两端的电压上升，其中R19和C8组成滤波电路防止脉冲尖峰使电路误操作，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V(即电流超过15A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚无输出，MOS管Q1截止，从而保护了电路。图4-2 PWM脉冲控制驱动电路电路元器件参数设置： 根据MOS管的工作频率范围，选取适当的工作开关频率，本系统设计选择的工作频率是：f=40KHz 由此UC3842芯片的工作频率设计为

16、根据设定的工作频率为40KHz，选择适当的电容和电阻 本系统选择的是电阻：1K, 电容：45nf 供给Vcc脚的电压是16V，脚Vfb的输入基准电压是5V。开关管的选择 作为开关器件使用的晶体管, 除了要具有放大特性以外, 更重要的是应具有开关快速和输出功率大等优点。在选择开关功率管时，由于开关功率管应能承受630V以上的高压，为安全起见，应采用耐压1000V的VMOS管。可选用IRFPG40型，其漏源级可承受的最高电压，最大漏极电流，最大功耗，完全可以满足要求。外补偿网络 UC3842误差放大器的输出端脚l与反相输入端脚2之间外接补偿网络R4、C3。 R4、C3的取值取决于UC3842环路电

17、压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变R4、C3的值可改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，测量I0脉动时输出电压V0的瞬态响应来加以判断。保护电路 当UC3842的脚电压升高超过1V或脚1电压降到1V以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位。根据UC3842关闭特性，可以很容易在电路中设置过压保护和过流保护。本电路中R1上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚达到1V时就会出现限流现象，所以，整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量，就能保证稳压电路工作可靠，降低成本。 4.3电路输出部分的设计 根据设计要求，输出电路部分采用

18、升压式斩波电路，如图4-3所示。这一部分电路由电感、续流二级管、电容及负载电阻组成。开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量。当开关管导通时，电感以ViL的速度充电，把能量储存在L中。当开关截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以(V0-Vi)L的速度释放到输出电容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制。 图4-3 升压斩波电路第5章 实验与仿真5.1 仿真电路图此电路由于使用了UC3842脉宽调制器控制，构成的开关电源电路有许多的特点：（1）电压调整率（抗电压波动能力）很好；（2）有很好的负载调整率；（3）频

19、响特性好，稳定幅度大；（4）过流限制特性好；（5）具有过压保护和欠压锁定功能。图5-1 仿真电路图5.2 实验结果及结论图5-2滤波整流电路图5-3 PWM脉冲控制驱动波形图5-4 输出波形（1） 当外加的电压变化时 Vd（V） 95.8 74.5 电压调整率V0（V） 10.1 10.0（10.1-10）/10.1=0.99（2）当负载变化时P（W） 100 75 电压调整率V0（V） 10.1 9.95（10.1-9.95）/10.1=1.4（3）最大输出电流I=2A5A；（4）效率；（5）过流保护：过流保护动作电流为2.51A 。 实验结果基本吻合设计要求，可见，此电路的稳压效果非常好，

20、是比较理想的新型开关电源。第6章 总结在为期两周的课程设计中，我收获颇丰，深深明白了一个道理：学习知识不仅需要踏实有耐心，并且要理论与实际相结合。刚接触课题时，大脑一片茫然，不知从何处入手。首先是电力电子相关知识已忘记很多，并且以前从没有进行过有关设计。于是不得不把书本知识重新复习一遍，然后在网上查找相关资料。在整个设计过程中，也遇到了很多的问题，但是最主要的问题是电路参数的计算。因为对公式的不理解，也不知道怎么用，所以最后的参数确定花费了很大一部分时间。当然这其中主要的问题是自己的学习不够扎实，对课本上以及老师讲的东西理解的不够透彻。在设计过程当中也发现了一些自己存在的不足，需要自己以后的学

21、习过程中多加注意，每个设计的思路都存在着一定的思维模式,要弄懂思维的过程，这样才有利于培养自己设计的基本思路。自己对设计过程当中一些主电路的计算还相对比较陌生，而平时较少接触保护电路，对保护电路的设计也考虑有所欠缺。总之，通过这次的课程设计，让自己对电力电子知识点进行总结回顾，也接触到相关的电力电子知识的充分利用，虽然在平时感觉自己对这些知识掌握的还可以，但在运用时还是有很多的问题。因此，在今后我们不仅是要学好知识，更应该学会如何去运用它，毕竟学以自用这才是最重要的。这些对自己来说只是一个开始，今后应该多接触这方面的设计，在头脑中形成总体思路，有利于自己今后其他课程的学习。附录总原理图参 考 文 献1石玉，栗书贤电力电子技术题例与电路设计指导机械工业出版社，1998. 2王兆安，黄俊电力电子技术（第4版）机械工业出版社，2000.3浣喜明，姚为正电力电子技术高等教育出版社，2000.4莫正康电力电子技术应用（第3版）机械工业出版社，2000.5郑琼林，耿学文电力电子电路精选机械工业出版社，1996.6刘定建，朱丹霞实用晶闸管电路大全机械工业出版社，1996.7刘祖润，胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，1995.8刘星平电力电子技术实验指导书校内，2007.20