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开关电源
单片机电源的研制
吴冠钟
摘要
本文利用开关电源芯片UC3842双端正负输出设计制作一款新颖的双端反激式、宽电压输入范围±12V,1A可调电压输出的开关稳压电源。
本文探讨了开关电源的历史发展与技术趋势,以及对各部分电路进行原理分析、数据计算和结果分析,最后分析了保护电路与反馈电路的缺陷,提出了以上的最终设计方案。
I
关键词:
开关电源、反激式、UC3842、电路改进
THESWITCHINGPOWERSUPPLYDESINGANDMANUFACTURE
WuGuanZhong
ABSTRACT
Inthispaper,switchingpowersupplychipUC3842dualnegativeoutputcorrectdesignedanoveldouble-endedflyback,widevoltageinputrangeof±12V,1Aadjustablevoltageoutputswitchingpowersupply.Thisarticlediscussesthehistoricaldevelopmentofswitchingpowersupplyandtechnologytrends,aswellasforeachofthecircuittheoryanalysis,dataanalysisandtestresult,thefinalanalysis,theprotectioncircuitandfeedbackcircuitdefects,raisedabovethefinaldesign.
KeyWords:
switchingpowersupply,flyback,UC3842,CircuitImprove
目录
一.概述
1.1开关电源………………………………………………………………………………4
1.1.1开关电源定义…………………………………………………………………4
1.1.2开关电源的基本结构…………………………………………………………4
1.1.3开关电源的优点………………………………………………………………4
1.1.4开关电源的缺点………………………………………………………………5
1.2开关电源的历史发展…………………………………………………………………5
1.3开关电源的未来前景…………………………………………………………………7
1.3.1技术发展………………………………………………………………………8
1.3.2生产发展………………………………………………………………………8
1.3.3市场发展………………………………………………………………………9
二.开关电源的设计
2.1输入电路……………………………………………………………………………10
2.1.1输入整流滤波原理…………………………………………………………10
2.1.2功率变换电路………………………………………………………………10
2.2单端反激式变换器电路……………………………………………………………11
2.2.1单端反激式变换器电路中的开关晶体管…………………………………12
2.2.2单端反激式变换器电路中的变压器绕组…………………………………13
2.3UC3842的原理及技术参数…………………………………………………………14
2.3.1原理与特点…………………………………………………………………14
2.3.2工作描述……………………………………………………………………15
2.3.3技术参数……………………………………………………………………18
2.4UC3842电路的改进…………………………………………………………………21
2.4.1UC3842的典型电路应用……………………………………………………21
2.4.2UC3842保护电路的缺陷……………………………………………………21
2.5基于UC3842的开关电源的设计的最终方案………………………………………23
2.5.1启动原理……………………………………………………………………24
2.5.2工作原理……………………………………………………………………24
2.5.3过流保护原理………………………………………………………………25
2.5.4过压、欠压保护原理………………………………………………………25
2.5.5反馈原理……………………………………………………………………25
三、电路板的制作
3.1制作前的准备………………………………………………………………………27
3.1.1关于PCB的定义……………………………………………………………27
3.1.2覆铜基板……………………………………………………………………27
3.1.3PCB电路图的设计…………………………………………………………27
3.2电路板制作过程……………………………………………………………………28
3.2.1转印电路图…………………………………………………………………28
3.2.2腐蚀覆铜板…………………………………………………………………28
3.2.3电路板钻孔…………………………………………………………………29
3.2.4元件的焊接…………………………………………………………………29
3.2.5电路板的完成………………………………………………………………29
四、结果与分析
4.1作品实物图…………………………………………………………………………30
4.2测量结果……………………………………………………………………………31
4.2.1输出电压……………………………………………………………………31
4.2.2频率…………………………………………………………………………33
4.3结果分析……………………………………………………………………………33
4.3.1开关电源电压输出低的原因………………………………………………33
4.3.2故障检测……………………………………………………………………34
五、总结…………………………………………………………………………………………38
参考文献………………………………………………………………………………………39
致谢…………………………………………………………………………………………40
一.概述
1.1开关电源
1.1.1开关电源定义
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管和关断的时间比率,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和功率开关器件(如MOS-FET)等构成。
开关电源把直流电源或交流电压通过它可以获得一个稳定的直流电压源。
开关电源的三个条件
一、开关:
电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态
二、高频:
电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频
三、直流:
开关电源输出的是直流而不是交流
1.1.2开关电源的基本结构
开关电源结构框图
当市电进入电源后,先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号,然后经过整流和滤波得到高压直流电。
接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电,再送高频开关变压器降压。
然后滤除高频交流部分,这样最后输出供电脑使用相对纯净的低压直流电。
最后还包括隔离反馈电路来保护整个电路。
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。
1.1.3开关电源的优点
一、功耗小、效率高。
开关电源结构中的晶体管在激励信号的驱动下,其中作状态处于导通——截止和截止——导通的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右。
在一些技术先进的国家,可以做到几百或者上千kHz。
晶体管V饱和到同事,虽然电流较大,但管压很小;截止断开时,虽然管压很大,但通过的电流几乎为零。
这样使得开关晶体管在其整个工作过程中的功耗很小,电源的效率可以大幅度地提高。
二、体校小,重量轻。
没有了笨重的工频降压变压器以后,由于调整管的耗散功率大幅度地降低,因而省去了体积和重量都较大的散热片。
由于这两方面的原因,故开关电源的体积小、重量轻。
三、稳压范围宽。
开关电源的输出电压时通过激励信号的占空比来调节的,输入电压的波动变化时,可以通过改变占空比的方式来进行补偿,这样在输入电压变化或波动较大时,它仍能保证有较稳定的输出电压。
所以,开关电源的稳压范围很宽,稳压效果很好。
此外,改变占空比的方法有脉宽调制型、频率调制型和混合调制型三种。
这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点,而且实现稳压的方法也较灵活,设计人员可以根据实际应用的需要和需求,灵活选用各种形式的稳压方法。
四、滤波效率高。
不需要较大容量的滤波电容。
开关电源的工作频率目前基本上是在50kHz左右,是线性电源的1000倍,这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。
就是采用半波整流后加电容滤波,效率也提高了500被。
在相同滤波输出电压的要求下,采用开关电源时,滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量1/500~1/1000。
滤波电容容量减少以后,整个电容的体积和重量也相应地有所减少。
五、电路形式灵活多样。
例如:
有自激式和他激式;有调宽型和调频型;有单端式和双端式;有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。
设计者可以发挥各种类型电路的特长,设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。
1.1.4开关电源的缺点
开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重。
开关电源中开关功率管是工作在开关工作状态下,它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些凡人如果不采取一定的措施进行抑制、消除、屏蔽和隔离,就会严重地影响整机的正常工作。
此外,由于开关电源中没有了工频降压变压器的隔离,振荡器所产生的高频干扰如果不加以消除,就会传入工频电网,使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重干扰。
目前,由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进的国家还有一定的差距,因此开关电源的造价不能进一步降低,也影响到可靠性的进一步提高。
所以,在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中,开关电源还不能得到普及使用。
特别是无功频变压器开关电源中的高压电容、高反压大功率开关管、开关变压器的磁性材料等元件,我国还处于研究和开发阶段。
一些先进国家,虽然有了一定的发展,但是在实际应用中还存在一些问题,不能令人十分满意。
这就暴露出了开关电源的又一个确定,那就是电路结构复杂、故障率高、维修麻烦、成本高。
对此,如果设计者和制造者不予以充分重视,则会直接影响开关稳压电源的推广应用。
1.2开关电源的历史发展
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[1]。
任何电子设备都离不开可靠的电源,它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源模块,具有稳定性能好,输出纹波电压小、使用可靠等优点。
但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。
由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右。
另外,由于调整管上消耗较大的功率,所有需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。
20世纪50年代,美国宇航局以小型化,重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。
开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电压。
以功率晶体管(GTR)为例,当开关管饱和导通时,集电极和发射极两端的压降接近零;当开关管截止时,其集电极电流为零。
所以其功耗小,效率可高达70%~95%。
而功耗小,散热器也随之减小。
开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器。
此外,开关工作频率为几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。
因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。
另外,由于功耗小,机内温升低,提高了整机的稳定性和可靠性。
而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动为220V±10%,而开关型稳压电源在电网电压在110V~260V范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。
开关电源的高频化湿电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化,并使用开关电源进入更广泛的领域,特别是高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化。
轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都是具有深远意义的。
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用MOSTET的开关电源转换频率可达几百千赫,必须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度,理论上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面:
一、小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、种类主要是由于储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减少期中储能元件的体积。
在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减少电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够一直干扰,改善系统的动态性能。
因此,高频化湿开关电源的主要发展方向。
二、高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠性。
从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇器件的寿命决定着电源的寿命。
所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。
三、低噪声——开关电源的缺点之一就是噪声大。
单纯地追求高频化,噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以,尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发作方向。
四、采用计算机辅助设计和控制——采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现,需要相应的告诉半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损耗磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
总之,人们在开关电源技术领域里,边研究低损耗回路技术,边开发新型元器件,两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。
1.3开关电源的未来前景
1.3.1技术发展
目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电压普遍采用高频开关电源,相控电源将逐渐被淘汰。
国内开关电源技术的发展,基本上起源于20世纪70年代末和80年代初[2]。
当时引进的开关电源技术,在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段。
20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。
20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制(PWM)技术,效率可达65%~70%。
经过20几年的不断发展,开关电源技术有了重大进步和突破。
新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化,功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能,它不仅可以减少电源的体积和重量,而且提高了电源的效率,国产6kW通信开关电源,采用软开发技术,效率可达93%;控制技术的发展以及专用控制芯片的生产,不仅使电源电路大幅度简化,而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高;有源功率因素校正(APFC)的开发,提高了AC/DC开关电源的功率因素,既治理了电网的谐波污染,又提高了开辅导员的整体效率。
在开关电源的所有应用领域内,通信电源是增长速度最快的一部分。
新型磁材料和新型变压器的开发,新型电容器和EMI滤波器技术的进步,以及专用集成控制芯片的研制成功,使开关电源实现了小型化,并提高了EMC性能。
微处理器监控技术的应用,提高了电源的可靠性,也适应了市场对其智能化的要求。
新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。
目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件,一旦开发成功,对电源技术的影响将是革命性的。
此外,平面变压器,压电变压器及新型电容器等元器件的发展,也将对电源技术的发展起重要作用。
另外,集成化是开关电源的一个重要的发展方向。
通过控制电路的集成,驱动电路的集成以及保护电路的集成,最后达到整机的集成化生产。
集成化和模块化减少了外部连线和焊接,提高了设备的可靠性,缩小了电源的体积,减轻了重量。
目前,DC/DC开关电源的功率密度可达到每立方英寸120瓦。
总之,回顾开关电源技术的发展过程,我们可以看到,高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋,也是今晚的发展方向[10]。
1.3.2生产发展
在开关电源领域,民族产业一直占有举足轻重的地位。
在开关电源应用的起步阶段,很多生产厂家采取的都是小作坊式的生产模式。
经过20余年的不懈努力,逐步向大规模生产转化,产品也从单一品种走向系列化。
现在,我国已形成一批上亿元,设置10亿元以上产值的电源企业,有些产品已进入国际市场。
1.3.3市场发展
我国信息产业、国防工业、家电行业,特别是电信业的迅猛发展,是电源市场发展的强大推动力。
据国家统计局最新资料显示,当前我国电子信息产业的产区,产出、销售总规模以及对国家经济增长的贡献均居全国各工业行业之首,成为我国工业第一支柱产业。
由于开关电源巨大的市场需求,孕育了大批电源的生产企业。
成规模的企业有十几家,分为三种类型:
第一类是自主研制开发,已生产出具有先进水平的系列电源产品,不仅可以满足各种电子设备的需求,而且在航空、铁路、电力、国防及家电等领域中得到了广泛应用;第二类是中外合资企业,采用了国外较为先进的技术,在国内用户中有较高的信誉度;第三类是进口部件在国内组装,然后直接销售到国外市场,这些产品质量好,但成本也高,对国内市场的适应能力较差。
每年几十亿元的电源市场孕育了几百家开关电源生产企业,而且已经有大良的国外产品和公司进入国内,今后的竞争将是技术的竞争、质量的竞争和服务的竞争,品牌效应越来越突出。
市场的竞争和发展必将促使产业内部的分化和重组,实现大企业的产品互动和整合营销,而适应不了市场竞争的企业将被淘汰。
二.开关电源的设计
2.1输入电路
2.1.1输入整流滤波原理
①输入滤波电路:
C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网路主要是對输入电源的电磁杂讯及杂波信号进行抑制,防止对电源干绕,同时也防止电源本身产生的高频杂波對电网干绕。
当电源开启瞬间,要对C5充电,由于瞬间电流大,加RT1(热敏电阻)就能有效的防止浪湧电流。
因暂态能量全消耗在RT1电阻上,一定时間後溫度升高后RT1阻值減小(RT1是负温系数元件),這这是它消耗的能量非常小,后级电路可正常工作。
②整流滤波电路:
交流电压经BRG1整流后,经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。
若C5容量变小,输出的交流纹波将增大。
2.1.2功率变换电路
一、MOS管的工作原理:
目前应用最广泛的绝缘柵场效应管是MOSFET(MOS管),是利用半导体表面的电声效应进行工作的。
也称为表面场效应器件。
由于它的柵极处于不导电状态,所以输入电阻可以大大提高,最高可达105欧姆,MOS管是利用柵源电压的大小,来改变半导体表面感生电荷的多少,从而控制漏极电流的大小[9]。
二、常見的原理图:
三、工作原理:
R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器,和开关MOS管并接,使开关管电压应力減少,EMI減少,不发生二次击穿。
在开关管Q1关断时,变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流,這些元件组合一起,能很好地吸收尖峰电压和电流。
从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制,因此是当前工作周波的电流限制。
当R5上的电压达到1V时,UC3842停止工作,开关管Q1立即关断。
R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网路,电容的充放电直接影响著开关管的开关速度。
R1过小,易引起振荡,电磁干绕也会很大;R1过大,会降低开关管的开关速度。
Z1通常將MOS管的GS电压限制在18V以下,从而保护了MOS管。
Q1的柵极受控电压为锯形波,当其占空比越大时,Q1导通时間越长,变压器所储存的能量也就越多;当Q1截止时,变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量,同时也达到了磁场复位元的目的,为变压器的下一次存储、传达能量做好了准备。
IC根据输出电压和电流时刻调整著⑥腳鋸形波占空比的大小,从而稳定了整机的输出电流和电压。
C4和R6为尖峰电压吸收回路。
2.2双端反激式变换器电路
双端反激式变换器电路在其输入和输出回路之间缺少安全隔离措施[3]。
一般情况下,隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。
在电路中,它是以变压器的形式出现的,但实际上它起的作用是扼流圈,所以应该称它为变压器—扼流圈。
所谓双端,指的是变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。
典型的单端隔离反激式变换器电路结构如图3—4所示。
从图3—4的电路工作状态波形可见,电路的工作过程如下:
当晶体管vTl导通时,它在变压器初级电感线圈中储存能量,与变压器次级相连接的二极管vD处于反偏压状态,所以二极管vD截止。
在变压器次级回路无电流流过,即没有能量传递给负载。
。
当晶体管vTl截止时,变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来,使得二极管vD导通,给输出电容c充电,同对在负载RL上也有了电流IL。
图3—4隔离单端反激式变换25电路及相关波形
由于隔离变压器T除了具有初、次级间安全隔离的作用外,它还有变压器和扼流圈的作用,所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感,但在实际应用中,往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈,用以降低高频开关噪声的峰值。
2.2.1双端反激式变换器电路中的开关晶体管
在双端反激式变换器电路中。
所使用的开关晶体管必须符合两个条件,即在晶体管截止时,要能承受集电极尖峰电压,在晶体管导通时,要能承受集电极的尖峰电流。
晶体管截止时所承受的尖峰电压按下面的公式进行计算[4]:
公式中,Vin是输入电路整流滤波后的直流电压,δmx是最大工作占空比。
所
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