开关稳压电源正文.docx

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开关稳压电源正文

摘要

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出可直接驱动双极型晶体管和MOSFET管，具有引脚数量少、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，适合构成无工频变压器的20～50W小功率开关电源。

又其构成电路所需的元件极少，非常符合“适用、够用、好用”的原则。

本文采用UC3842设计了一款低输出、小功率的开关电源，并对其进行了仿真。

关键词：

开关电源，UC3842，脉宽调制，PSIM，VMOSFET

Abstract

Withtherapiddevelopmentofpowerelectronics,therelationofthepowerelectronicequipmenttopeople’sworkandlifeisincreasinglyclose.Thepowerelectronicequipmentcan’tleavethereliablepowersupply.Inthe80s,thecomputerpowersupplycomprehensivelyachievestheswitchingpowersupplyandtakingtheleadinpowergenerationofthecomputerpowersupply.Inthe90s,theswitchingpowersupplyhasenteredthefieldofelectronic,electricalequipment.ThattheswitchingpowersupplyhasbeenwidelyusedtotheSPCexchange,communication,powerofelectronicdetectionequipmentandcontrolequipmentpromotestherapiddevelopmentofpowerelectronics.

TheUC3842isacurrent-modecontrollerofhighperformanceandfixedfrequency.ThesingleoutputcandirectlydriveabipolartransistorandMOSFET.Lownumberofpins,simpleperipheralcircuit,simpleinstallationanddebugging,excellentperformanceandlowpriceconstituteitsadvantages.Itcanbeisolatedwiththepowergridbyhigh-frequencytransformer.Itissuitabletoconstitutea20～50Wswitchingpowersupplywithoutindustrialfrequencytransformer.Itissuitabletotheprincipleof“applicable,sufficient,easy”fortheminimalexternalpartscount.

ThearticleusestheUC3842todesignalowoutputandsmallpower

Switchingpowersupplyandproceedsthesimulation.

Keywords:

switchingpowersupply;UC3842;pulsewidthmodulation;

PSIM;VMOSFET

目录

1.绪论..……….……………………….……………………4

2.线性稳压电源概述…….……………………………………7

3.开关稳压电源概述.........................................9

3.1开关稳压电源的结构…………………………………………………9

3.2开关稳压电源的优点…………………………………………………10

3.3开关稳压电源的缺点…………………………………………………11

4.PSIM仿真软件介绍……………………………………………………13

4.1软件简介………………………………………………………………13

4.2软件结构………………………………………………………………13

4.3PSIM中的电路结构…………………………………………………14

4.4PSIM中的文件后缀说明……………………………………………14

4.5元器件参数说明书和格式……………………………………………15

4.6电阻器，电感器，电容器……………………………………………16

4.7二极管…………………………………………………………………17

4.8MOSFET…………………………………………………………………18

4.9变压器…………………………………………………………………18

4.10创建一个电路………………………………………………………18

4.11编辑电路……………………………………………………………19

4.12子电路………………………………………………………………20

4.13运行仿真……………………………………………………………20

5.功率开关器件.............................................21

5.1GTR的特性曲线………………………………………………………21

5.2晶闸管（SCR）…………………………………………………………22

5.3可关断晶闸管（GTO）…………………………………………………23

5.4场效应晶体管（VMOSFET）……………………………………………24

5.4.1VMOSFET的基本结构……………………………………………24

5.4.2VMOSFET的工作原理……………………………………………25

5.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）…………………………………………26

6.UC3842简介……………………………………………………………28

6.1电流模式开关电源……………………………………………………29

6.2开关电源控制方式……………………………………………………29

6.3UC3842…………………………………………………………………29

6.4UC3842的引脚功能……………………………………………………30

6.5UC3842的内部结构…………………………………………………32

6.6UC3842主要性能……………………………………………………32

7.开关稳压电源实际电路的类型……………………………………33

7.1按激励方式划分………………………………………………………33

7.2按功率开关变压器的极性划分………………………………………34

7.3按功率开关的种类划分………………………………………………35

8.基于UC3842的开关电源设计………………………………………36

8.1设计指标………………………………………………………………36

8.2启动电路………………………………………………………………36

8.3PWM控制与驱动电路…………………………………………………37

8.4直流输出电路…………………………………………………………39

8.5功率变压器设计………………………………………………………39

8.6总体电路分析…………………………………………………………41

8.7电路仿真结果…………………………………………………………42

结论…………………………………………………………………………44

参考文献……………………………………………………………………45

致谢……………………………………………………………………………46

外文资料译文………………………………………………………………47

1.绪论

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。

任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高，特别是随着电子设备的应用越来越广泛，也要求提供稳定的电源。

开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器，使得电源的体积大大缩小；电源中的电力电子器件工作在开关状态，使整机效率很高；由于器件的开关频率一般大于20kHz，所以基本上听不到噪声。

与线性电源相比优势显著的开关电源产品已被广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

1955年，美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。

此后，世界各地利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。

由于晶体管直流变换器的功率晶体管工作在开关状态，因此，由此而制成的稳压电源输出路数多，输出极性可变，转换效率高，体积小，重量轻，因而被广泛地应用于航海、航空以及军事电子设备上。

由于那时的微电子设备和技术十分落后，不能研制出耐压较高，开关速度较快，功率较大的开关晶体管，因此这个时期的直流变换器只能采用低压输入，并且转换的速度也不能太高。

另外，由于输入电压不能过高，因此当时的直流变换器中还含有工频降压变压器。

20世纪60年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压、大电流的功率开关晶体管出现了，从此，直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流、滤波后输入供电，终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压器甩掉了，从而迅速扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。

由于省掉了工频降压变压器，开关稳压电源的体积和重量大幅度地减小和降低，开关稳压电源这才真正走上了被普及和应用的道路。

20世纪70年代以后，与这种技术有关的高频率、高反压、大电流的开关功率晶体管，高频率、高温度电容，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管，高频变压器磁芯等元件也不断地被研制生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了不断的完善和快速的发展，并被迅速而广泛地应用于电子计算机、通信、航海、航天、军事电子设备和电视机等领域中，从而使无工频变压器的开关电源成为各种设备供电电源中的佼佼者。

我国的晶体管直流变换器和开关稳压电源设计、研制和生产始于20世纪60年代初期，到60年代中期进入了实用阶段。

70年代初期开始设计、研制和生产无工频降压变压器的开关稳压电源。

1974年研制成功了我国第一台工作频率为10kHz、输出直流电压为5V的无工频降压变压器的开关稳压电源。

近十年来，我国的许多研究所、工厂和高等院校纷纷研制出了多种型号和多种用途的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器的开关稳压电源，并应用于计算机、通信、电视机等方面，取得了非常好的效果。

工作频率为100～200kHz的无工频降压变压器的高频开关稳压电源于20世纪80年代初期开始测试，90年代初期就已试制成功。

目前正处于使用和进一步提高工作频率阶段。

近些年来，我国已把开关稳压电源的工作频率从数千赫兹提高到数百千赫兹，把输出功率由数十

瓦提高到数百瓦甚至数千瓦。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，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工作效率。

2.线性稳压电源概述

（1）线性稳压电源的结构

如图2-1所示，为线性稳压电源的原理框图。

所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整功率管工作于线性放大区。

其工作过程可简述为：

将220V/50Hz的工频电网电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。

图2-1线性稳压电源的原理框图

（2）线性稳压电源的优点

1．电源稳定度及负载稳定度较高。

2．输出纹波电压较小

3．瞬态响应速度较快

4．线路结构简单，便于理解和维修

5．无高频开关噪声

6．成本低

（3）线性稳压电源的缺点

1.内部功耗大，转换效率低，其转换效率一般只有45%

2．体积大，重量重，不便于轻型化和小型化

3．必须具有较大的输入和输出滤波电容

4．输入电压动态范围小，线性调整率低

5．输出电压不能高于输入电压

（4）造成线性稳压电源缺点的原因

1．调整管V在电源的整个工作过程中一直工作在晶体管特性曲线的线性放大区。

调整管V本身的功耗与输出电流成正比，调整管V集-射极的管压降等于输入与输出电压差。

这样一来，调整管V本身的功耗不但随电源输出电流的增大而增大，而且还随输入与输出电压差的增大而增大，使调整管V的温度急剧升高。

2．线性稳压电源电路中使用了50Hz工频变压器，我们通常把这种变压器称为线性变压器。

这种线性变压器的效率一般最大可以做到80%～90%。

使用这种工频变压器不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。

3．由于线性稳压电源电路的工作频率较低，为50Hz，因此要降低输出电压中纹波电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。

3.开关稳压电源概述

3.1开关稳压电源的结构

图3-1与图3-2所示电路为开关稳压电源原理框图和等效原理图。

它由全波整流器、开关功率管V、PWM（脉宽调制）控制与驱动电路、续流二极管VD、储能电感L、输出滤波电容C和取样反馈电路等组成。

实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变换器。

这里对直流变换器和逆变器作如下解说。

逆变器：

是把直流转化成交流。

逆变器通常被广泛地应用在采用电瓶或电池组成的备用电源中。

直流变换器：

是把直流转变成交流，然后又把交流转换成具有不同输出的直流的装置。

这种装置被广泛应用在开关稳压电源电路中。

采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成输出极性、输出路数和输出电压数值各不相同的多种直流供电电压，并且输入与输出之间可以是隔离式的，也可以是不隔离式的。

图3-1开关稳压电源原理框图

图3-2开关稳压电源等效原理图

3.2开关稳压电源的优点

1.内部功率损耗小，转换效率高。

在图3-1所示的开关稳压电源原理框图中，开关功率管V在PWM驱动信号的驱动下，交替地工作在导通—截止与截止—导通开关状态，转换速度非常快，频率一般可高达100kHz左右。

在一些电子工业发达国家，可以做到MHz以上。

这便使得开关功率管V上的功率损耗大为减小，储能电感的电感量大为减小，储能效率大为提高，从而使整个开关稳压电源的转换效率得到大幅度的提高，其转换效率可高达90%左右。

2.体积小，重量轻。

从开关稳压电源的原理电路图中我们可以清楚地看出，这里没有采用笨重的工频变压器。

由于开关功率管V工作在开关状态，因此其本身的功率损耗大幅度的降低，这就省去了较大的散热器。

另外，由于电路的工作频率比线性稳压电源中的50Hz工频高了好几个数量级，因此滤波效率大大提高，滤波电容的容量也大为减小。

这三方面的原因，就使得开关稳压电源具有体积小、重量轻的显著优点。

3.稳压范围宽，线性调整率高。

开关稳压电源的输出电压是由PWM/PFM（脉频调制）驱动信号的占空比来调节的，输出电压由于输入信号电压的变化而引起的不稳定，可以通过调节脉冲宽度或脉冲频率来进行补偿。

这样，在输入工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有非常稳定的输出电压。

因此，开关稳压电源除具有稳压范围宽的优点外，还具有稳压效果好和线性调整率高的优点。

此外，由于改变占空比的方法有脉宽调制型和脉频调制型两种，因此开关稳压电源不仅具有以上所说的优点，而且实现稳压的方法和技术也较多，设计人员可以根据实际应用的要求和需要，灵活的选用各种类型的开关稳压电源电路。

4.滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。

开关稳压电源的工作频率目前基本上在50kHz以上，是线性稳压电源工作频率的1000倍以上。

因此，开关稳压电源整流后的滤波效率也几乎提高了1000倍左右。

就是采用半波整流后加电容滤波，滤波效率也比线性稳压电源高500倍左右。

在要求有相同输出纹波电压的情况下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/500～1/1000。

5.电路形式灵活多样，选择余地大。

例如，有自激式和它激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式，等等。

设计者可以发挥自己的聪明才智，充分利用各种类型电路的优点，设计能够满足不同应用场合的十全十美的开关稳压电源。

3.3开关稳压电源的缺点

1.开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰。

在开关稳压电源电路中，由于开关功率管工作在开关状态，因此它所产生的高频交流电压和电流将会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和噪声如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外，由于开关稳压电源电路中的振荡器没有工频降压变压器的隔离，因此这些干扰和噪声就会窜入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

而且这种干扰还会通过开关稳压电源电路中的磁性元件（如电感和开关变压器等）辐射到空间，使周围的其他电子仪器、设备和家用电器也同样受到严重的干扰。

2．电路结构复杂，不便于维修。

对于无工频降压变压器的开关稳压电源电路中的高压、高温电解电容，高反压大电流功率开关管，高频开关变压器的磁性材料，高反压、大电流、快恢复肖特基二极管等器件，在我们国家还处于研究、开发和试制阶段。

在一些技术发达的国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在着一些问题，不能令人十分满意。

这就暴露出了开关稳压电源的另一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。

对此，如果设计者不予以充分重视，它将直接影响开关稳压电源的推广。

3.成本高，可靠性低。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术及磁性材料烧结技术等与一些技术发达国家还有一定的差距，因此其造价和成本不能进一步降低，也影响到其可靠性的进一步提高。

这就导致了在我国的电子仪器、仪表以及机电一体化设备中，开关电源还不能得到十分广泛的普及及应用。

4.PSIM仿真软件介绍

4.1软件简介

PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件。

　　PSIM具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。

本仿真解析系统，不只是回路仿真单体，还可以和其他公司的仿真器连接，为用户提供高开发效率的仿真环境。

例如，在电机驱动开发领域，控制部分用MATLAB/Simulink实现，主回路部分以及其周边回路用PSIM实现，电机部分用电磁界解析软件JMAG实现，由此进行连成解析，

实现更高精度的全面仿真系统。

4.2软件结构

PSIM仿真软件包括3个方面：

电路示意性的程序PSIM，PSIM仿真器，波形形成过程项目SIMVIEW。

仿真环境图解如图4-1所示。

图4-1PSIM仿真环境图解

4.3PSIM中的电路结构

一个电路在PSIM里表现为4个部分：

电力电路，控制电路，传感器和开关控制器。

图4-2展示了这些部分之间的关系。

图4-2PSIM中的电路结构图

电力电路包括转换装置，谐振分支，变压器，联结感应器。

控制电路表现在图表里。

S域和z域里的元器件和逻辑元器件（例如：

逻辑门和flipflop）和非线性元器件（例如：

乘法器和除法器）被用于控制电路。

传感器测量电力电路电压和电流并把数值传到控制电路。

门信号经常由控制电路产生并通过开关控制器反馈到电力电路来控制开关。

4.4PSIM中的文件后缀说明

PSIM目录的部分文件见表4-1。

表4-1PSIM中的文件后缀

Files

Description

Psim.dll

PSIMsimulator

Psim.exe

PSIMcircuitschematiceditor

Simview.exe

WaveformprocessorSIMVIEW

Psim.lib,psimimage.lib

PSIMlibraries

*.hlp

Helpfiles

*.sch

PSIMschematicfile（binary）

*.cct

PSIMnetlistfile（text）

*.txt

PSIMsimulationoutputfile（text）

*.fra

PSIMacanalysisoutputfile（text）

*.smv

SIMVIEWwaveformfile（binary）

4.5元器件参数说明书和格式

PSIM里每个元器件的参数图表窗口有3个图表：

Parameter，OtherInfo，Color。

如图4-3所示。

图4-3元器件参数说明书

Parameter里的参数被用于仿真。

从另一方面来说，OtherInfo里的信息是不用于仿真的，它仅仅用于报告信息，将会出现在PSIM里View/ElementList的部分目录中。

一些如：

设备额定值，制造商，和部分数字等信息被储存在OtherInfo里。

元器件的颜色可以在Color里设置。

Parameter里的参数是一个数值或是一个数学表达式。

PSIM允许使用10的n次方的数值。

4.6电阻器，电感器，电容器

在PSIM里提供了独立电阻器，电感器，电容器支流和集成RLC支流。

感应器支流和电容器的电压初始值可以定义。

PSIM中电阻器、电感器、电容器的电路模型如图4-4所示。

元件图像上的名称就是元件的简称。

图4-4阻、容、感元器件模型

电阻器、电容器、电感器的元件特性描述如表4-2所示。

表4-2阻、容、感元件特性

参数

描述

Resistance

电阻，单位Ohm

Inductance

电感，单位H

Capacitance

电容，单位F

电阻器、电容器、