基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计毕业设计Word格式.docx
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⑴、小型化、轻量化和高频化
开关电源的体积、重量主要由储能元件(磁性元件和电容)决定,因此,开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。
在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸,而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。
故高频化是开关电源的主要发展方向,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn—Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。
开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。
对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。
⑵、高效率和高可靠性
开关电源使用的元件大大少于连续工作电源,因此提高了可靠性。
电容、光电耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定开关电源的寿命。
因此,要尽可能采用较少的元器件,提高集成度。
另外,开关电源的工作效率高,会使自身发热减少、散热容易,从而达到高功率密度、高可靠性。
⑶、模块化
模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。
⑷、低噪声和良好的动态响应
开关电源的缺点之一是噪声大。
针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。
开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。
采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高,并可实现远程控制等功能,是世界电源的发展趋势。
随着电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献
1.2线性电源与开关电源
1.2.1直流电源
1、线性电源(Linearpowersupply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉冲直流电,后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。
要达到高精度的直流电压,必须经过稳压电路进行稳压。
2、开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。
1.2.2两者对比[]
线性电源的电压反馈电路是工作在现行状态,开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截止区即开关状态的。
线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较放大器,此电压放大器的输出作为电压调整管的输入,用以控制调整管使其结电压随着输入电压的变化而变化,从而调整其输出电压,但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即占空比来改变输出电压的。
从其主要特点上看:
线性电源功率器件工作在线性状态,也就是说他一用起来功率器件就是一直在工作,所以也就导致他的工作效率低,一般在50%~60%,而且他必须先将输入高压变低压,一般都是用变压器,也有别的像KX电源,在京整流输出直流电压,从而导致其体积很大,笨重,发热量也很大,但其电源技术很成熟,制作成本较低,可以达到很高的稳定度,波纹也很小,而且没有开关电源具有的干扰与噪音,而开关电源与之相反。
开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广阔的发展空间。
1.3开关电源的原理
开关电源的电路原理框图[]如下图所示。
开关电源包括主电路和控制电路两部分,虚线框内是控制电路部分。
图1.1开关电源电路原理框图
1.3.1主电路:
交流电压经整流电路滤波电路整流滤波后,变为含有定脉动成分的直流电压,该电压通过功率转换电路进入高频变换器被转换为所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
1.3.2控制电路:
[]
其主要功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化时,调节功率级开关器件的导通时间,使开关电源的输出电压或者电流保持恒定。
因此,在开关电源的设计中,控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是十分重要的。
采用不同的检查信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。
1.3.3控制电路的分类
控制电路是通过调节功率级开关器件的占空比来控制功率输出级输出的。
⑴、按照占空比的实现方式,开关电源的控制方式可以分为定频控制和变频控制。
①、定频控制即开关周期恒定不变,通过调整一个周期内开关开通的宽度来调节输出电压,即通常所说的脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)技术;
②、变频控制有定开通时间、定关断时间、迟滞比较等几种控制方式。
定开通时间控制即开关额导通时间不变,通过改变开关的关断时间按来调节占空比;
定关断时间控制则相反,开关的关断时间不变,通过改变开关的开通时间来调节占空比;
迟滞比较的控制方式是对受控量(输出电压或电流)设定一个上限和一个下限,当受控量低于下限时开通开关,而当受控量超过上限时关断开关,因此在这种控制方式下开通时间和关断时间都是变化的。
⑵、按照检查信号的不同,开关电源可以分为单环控制和双环控制。
恒压源
单环控制主要是电压型控制;
双环控制则有电流型、V2型等几种控制方式。
随着控制理论的发展,一些现代的控制方法,如模糊控制、滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。
虽然这些控制方法到目前没有得到广泛应用,但是由于其独特的控制性能,应用前景可观。
在此,以电感连续导电Buck变换器为例,介绍电压型和电流型控制。
1电压型控制[]
图1.2电压型控制电路
上图所示为电压型控制Buck变换器,从上图可以看出,电压型控制方法是利用输出电压采样作为控制环的输入信号,将该信号与基准电压Vref进行比较,并将比较的结果放大生成误差电压Ve。
误差电压Ve与振荡器生成的锯齿波Vsaw进行比较生成一脉宽与Ve大小成正比的方波,该方波经过锁存器和驱动电路(图中未画出驱动电路)驱动开关管导通和关断,以实现开关变换器输出电压的调节。
下图为其对应的主要波形。
图1.3电压型控制主要波形图
电压型控制方法只检测输出电压一个变量,因而只有一个控制环,所以设计和分析相对比较简单。
由于锯齿波的幅值比较大,抗干扰能力比较强。
其主要缺点是输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正,因此响应速度比较慢。
由于电压型控制对负载电流没有限制,因而需要额外的电路来限制输出电流。
②、电流型控制[]
电流型控制(CurrentModeControl)又称为CurrentInjection(或Injected)Control或者CurrentProgrammedControl或峰值电流型控制,1978年首次提出。
电流型控制同时引入电容电压和电感电流2个状态变量作为控制变量,提高了开关电源PWM控制策略的性能。
图1.4电流型设计电路
图1.5电流型控制主要波形图
由上图可以看出,电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于:
电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为PWM比较器的一个输入信号。
由上图可以看出反馈电路由两部分组成:
输出电压u。
经采样电路得到反馈电压U,反馈到误差放大器的反向端,基准电压u。
加至误差放大器同向端,构成常规的电压反馈,即电压外环:
由电阻R。
上检测得到的电流反馈信号U。
和误差放大器的输出us分别加至P州比较器同向端和反向端,构成了电流内环。
PWM比较器输出加至触发器的R端,时钟振荡器从S端向锁存器输出一系列恒定频率的时钟信号。
当功率管导通时,随着电流的增大电流检测信号us也同时增大,直到同U。
电压相等时PWM比较器输出高电平,使锁存器输出转为低电平,功率管关断。
时钟振荡器输出的稳定时钟信号通过锁存器控制着三极管的通断。
由此可以看出,由于引入了电流反馈,对输出电压有前馈调节作用,提高了系统的动态响应。
由于电感电流直接跟随误差电压的变化,输出电压就可以很容易的得到控制。
电流内环还使开关电源变换器易于实现并联运行,有利于实现变换器的模块设计。
电流控制PwM技术有很多优点,如电压调整率好:
回路稳定性好,负载响应快:
功耗小:
有较好的并联能力等等。
1.4开关电源的分类
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件,边开发开关变频技术,两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,也有AC/ACDC/AC如逆变器DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
1.4.1DC/DC变换[]
Dc/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
其具体电路分以下几类:
(1)Buck电路——降压斩波器,其输出平均电压Uo小于输入电压Ui,极性相同。
(2)Boost电路——升压斩波器,其输出平均电压Uo大于输入电压Ui,极性相同。
(3)Buck—Boost电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。
(4)Cuk电路——降压或升压斩波器,其输出平均电压Uo大于或小于输入电压uI,
极性相反,电容传输。
上述为非隔离型电路(指输入和删除共地)。
隔离式开关电源的变换器具有多种形式。
主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。
在设计电源时,设计者采取哪种变换器电路形式,主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。
各种形式的电源电路的基本功能块是相同的,只是完成这些功能的技术手段有所不同。
隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器,直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。
现简介隔离型电路(都是用变压器实现电气隔离)中的正激电路、反激电路。
(1)正激电路
图1.6正激电路的原理图
正激DC/DC变换器具有电路拓补结构简单,输入输出电气隔离,电压升、降范围宽,易于多路输出等优点,因此被广泛应用于中小功率电源变换场合,尤其在供电电源要求低电压大电流的通讯和计算机系统中,正激电路更能显示其优势。
电路的简单工作过程为:
开关管S开通后,变压器原边电压上正下负,根据同名端,负边电压也为上正下负,因此二极管D1导通,D2截止,电感电流逐渐增长;
S关断后,二极管D2导通,D1截止,电感电流通过D2续流。
变压器的励磁电流通过磁复位电路降为零,防止磁芯饱和。
由于这种电路在开关管S导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200W的功率。
电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。
(2)反激电路[]
图1.7单端反激式开关电源
所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。
当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。
单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。
唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。
单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。
当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃,美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关 DC/DC变换器,其最大输出功率有300W、600W、800W等,相应的功率密度为(6、2、10、17)W/cm3,效率为(80~90)%。
日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列,其开关频率为(200—300)kHz,功率密度已达到27W/cm,,采用同步整流器(MOS—FET代替肖特基二极管),使整个电路效率提高到90%。
1.4.2AC/DC变换[]
AC/DC变换是将交流变换为直流,其功率流向可以是双向的,功率流由电源流向负载的称为“整流”,功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电,因必须经整流、滤波,因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的,同时因遇到安全标准(如uL、CCEE等)及EMC指令(电池兼容性——其包括产品的电磁干扰性(EMI),另一方面是产品的电磁干扰免疫性(EMS))的限制(如IEC、FCC、CSA),交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件,这样就限制AC/DC电源体积的小型化,另外,由于内部的高频、高压、大电流开关动作,使得解决EMC电磁兼容问题难度加大,也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求,由于同样的原因,高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大,限制了Ac/DC变换器模块化的进程,因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC/DC变换按电路的接线方式可分为,半波电路、全波电路。
按
电源相数可分为,单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
1.5开关电源的选用[]
1.5.1输出电流的选择
因开关电源工作效率高,一般可达到80%以上,故在其输出电流的选择上,应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流,以使被选用的开关电源具有高的性能价格比,通常输出计算公式为:
Ls=K*If
式中:
Is——开关电源的额定输出电流:
If——用电设备的最大吸收电流;
K一裕量系数,一般取1.5~1.8。
1.5.2接地
开关电源比线性电源会产生更多的干扰,对共模干扰敏感的用电设备,应采取接地和屏蔽措施,按ICEl000.EN61000.FCC等EMC限制,形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施,因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。
如利德华福技术的HA系列开关电源,将其FG端子接大地或接用户机壳,方能满足上述电磁兼容的要求。
1.5.3保护电路
开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能,故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块,并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配,以避免损坏用电设备或开关电源。
1.6UC3842[]
1.6.1简介:
塑料封装外壳:
图1.8塑料封装外壳图1.9俯视图
UC3842(电流型脉宽调制器)是一种高性能的固定频率电流型单端输出脉宽调制器(PWM)控制,具有管教数量少,外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点,能通过高频变压器与电网隔离,适于构成无工频变压器的20-50W小功率开关电源.稳压性能好,其电压调整率可达0.01%/V,除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路之外,还设有欠压锁定电路(当电源电压超过16V或低于10V时,集成电路停止工作.),使工作稳定可靠.是专为脱线式直流变换电路设计的,其内部结构如图1所示,它集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱式输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。
该芯片主要有以下性能:
(1)可调整振荡器的放电电流以产生精确的占空比;
(2)最高开关频率可达500kHz;
(3)带锁定的PWM(PulseWidthModulation),可以实现逐个脉冲的电流限制;
(4)具有内部可调整的参考电源,可以进行欠压锁定;
(5)图腾柱输出电路能够提供大电流输出,输出电流可达1A,可直接对MOSFET进行驱动;
(6)带滞环的欠压锁定电路可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡;
(7)起动电流和工作电流低,启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA;
(8)可直接与MOTOROLA的SENSEFET产品接口;
(9)自动反馈补偿电路,双脉冲抑制,从而使其有较强的负载响应特性。
图1.10UC3842的内部框图
电流型脉宽调制器UC3842的主要优点:
单端输出,可直接驱动双极型功率管或场效应管;
管脚数量少,外围电路简单;
电压调整率可达0.01%;
工作频率更可高达500kHz;
启动电流小于1mA,正常工作电流为12mA;
欠压锁定,带滞后;
锁存脉宽调制,可逐周限流;
并可利用高频变压器实现与电网隔离。
它适用于无工频变压器的低于250w的小功率开关电源,其工作温度为0~+70℃,最高输入电压为36V,具有最大电流为1A的拉、灌输出电流。
其内部参考图:
VREF
图1.11UC3842内部结构图
1.6.2结构介绍
下图出示了其内部电路图和引脚图
图1.12UC3842内部电路图及引脚图
(1)UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8个引脚,各脚功能如下:
1脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性
②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较,产生误差电压,从而控制脉冲宽度;
③脚为电流检测输入端,当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态;
④脚为定时端,内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT×
CT);
⑤脚为公共地端;
⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±
1A;
⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW;
⑧脚为5V基准电压输出端,有50mA的负载能力。
表1.1UC3842引脚功能
引脚号
1
2
3
4
5
6
7
8
功能
补偿
反馈
电流检测
RT/CT
地
输出VO
输入VI
Vref
(2)、其应用电路图如下所示:
图1.13UC3842应用电路图
UC3842各结构的作用及原理介绍:
①、由恒频时钟脉冲置位锁存器,输出脉冲,以驱动功率管导通,使电源回路的电流增大。
当电流在采样电阻Rs上的电压降幅值达到Ue时,电流测定比较器的状态翻转,锁存器复位,驱动撤除,功率管截止。
这样逐个检测和调节电流脉冲就可达到控制电源输出的目的。
②、UC3842内部具有完备的输入过压保护和欠压锁定功能。
当工作电压Ucc大于34V时,稳压管稳压,使内部电路在小于34V下可靠工作;
欠压时,依靠滞环比较器UVLO实现锁定。
当Vcc小于开启电压阀值时,整个电路耗电仅1mA,高压可直接由输入电阻Rin降压后为芯片供电,由输入电容推动建立电压。
由于启动和关闭阀值之间有6V的差值,可以有效地防止电路在阀值电压附近工作时的振荡。
一般设置自馈电的感应绕组,当开关电源正常工作后,转由自馈电供给UC3842,电流将升至15mA。
若将1脚电压降到低于1.4V或将3脚电压升到高于1V,电流测定比较器输出高电平,PWM锁存器复位,关闭输出,利用这一点,则还可方便地设UC3842的输出过压保护。
③、振荡器
振荡器频率由定时元件RT和CT选择值决定。
电容CT由5.0V的参考电压通过电阻RT充电,充至约2.8V,再由一个内部的电流宿放电至1.2V。
在CT放电期间,振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”没的中间输入为高电平,这导致输出为底状态,从而产生了一个数量可控的输出静区时间。
振荡器门限是温度补偿的,放电电流在T=25时被微调并确保在正负10%之内,这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。
④、误差放大器
其提供了一个有可访问反向输入和输出的全补偿误差放大器。
此放大器具有90dB的典型直流电压增益和具有57度相位余量的1.0MHz的增益为1带宽。
同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。
典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压,并由反向输入监视。
最大输入偏置电流为2.0微安,它将引起输出电压误差,后者等于输入偏置电流和等效输入分压起源电阻的乘积
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