升压式开关稳压电源.docx

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升压式开关稳压电源

毕业设计

题目升压式〔Boost型〕稳压开关电源

系别电子信息与机电工程学院

专业电气工程及其自动化

年级07电气班

学号9

学生XX杨X中

指导教师徐晓燕

完成时间2021-4-17

XX学院教务处制

1绪论………………………………………………………………………………03

1.1开关电源的历史背景…………………………………………………………..04

1.2开关电源的开展趋势……………………………………………………………04

1.3本设计的技术要点参数及研究意义……………………………………………05

2开关电源的根本分类和工作原理…………………………………………………05

2.1开关电源的各类拓扑构造电源分析………………………………………………………06

2.2PWM和Boost型开关电源的工作原理…………………………………………12

3Boost型开关电源的设计………………………………………………………….14

3.1Boost型开关电源设计的系统原理图…………………………………………..14

3.2输入整流滤波电路设计…………………………………………………………15

3.3Boost升压型开关电源拓扑构造…………………………………………………16

3.4控制芯片采用UC3842………………………………………………………….16

4开关电源主要器件的选择原理……………………………………………………17

4.1功率场效应管MOSFET〔IRF640|〕……………………………………………17

4.2UC3842芯片………………………………………………………………………20

4.3其他主要器件的选择………………………………………………………………22

5实验测试方法以及数据……………………………………………………………23

5.1测试仪器…………………………………………………………………………..23

5.2测试方法………………………………………………………………………….23

5.3测试数据以及数据分析…………………………………………………………..24

测试数据………………………………………………………………………..24

数据分析…………………………………………………………………………26

误差分析……………………………………………………………………….266结论…………………………………………………………………………………26

　参考文献……………………………………………………………………………27

升压式〔Boost型〕开关稳压电源

摘要：

　开关电源是一种效率很高的电源变换电路,通过对Boost型开关电源作详细的数学推导后得到准确数据.该系统包括：

变压器和电感的设计，功率驱动电路，整流电路，滤波整形电路，反响补偿参数的设计，保护电路．另外也采用UC3842作开关电源控制芯片,开关管采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640。

开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式,它具有高效率，高功率密度，高可靠性。

关键词：

Boost型开关电源变压器和电感的设计整流电路UC3842IRF640

Abstract:

Theswitchingpowersupplyisaveryefficientpowerconversioncircuits,Boostswitchingpowersupplythroughadetailedmathematicalderivationofaccuratedataobtained.Thesystemincludes:

thedesignoftransformersandinductors,powerdrivercircuit,rectifier,filtershapingcircuit,thedesignoffeedbackpensationparameterstoprotectthecircuit.ThereisalsousedforswitchingpowersupplycontrolchipUC3842,theswitchuseshighvoltage,small-resistanceMOSFET,IRF640.Switchingpowersupplyinthepowersemiconductordevicesathighfrequencyswitchmode,ithashighefficiency,highpowerdensity,highreliability.Keywords:

BoostswitchingpowersupplytransformerandinductordesignrectifiercircuitUC3842IRF640

1、绪论

随着电力电子技术的开展，开关电源的应用越来越广泛，开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，而且其性能的优劣还直接影响到整个系统功能的实现。

开关稳压电源有多种类型，其中反激式开关电源凭借其线路设计简单、体积小、轻便、所需要的元器件少、高效率，能够提供多路隔离输出等优点，被广泛应用于小功率电源领域。

开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高效率变换,将粗电变换成精电,以满足供电质量要求的技术.由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频工作方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性．由于开关电源的突出优点，在一样功率容量下，开关电源比线性电源效率更高，体积更小，开关电源更替线性电源是开展的必然趋势．近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛开展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速开展．

开关电源技术设计涉及半导体功率器件应用技术，电力电子技术，模电，自动控制理论等知识，因此是一门多学科穿插的应用性技术．然而，电路拓扑的选取，变压器和电感的设计，功率驱动电路，整流电路，滤波整形电路，反响补偿参数的设计，保护电路的设计，是开关电源设计的关键所在．

1.1、开关电源的历史背景

开关电源的前身是线性稳压电源,线性稳压电源的构造简单,其中稳压调整管起到关键作用,电源工作时检测输出电压,通过反响电路对稳压调整管的基极电流进展反响控制。

当输入电压发生变化或者负载引起输出电压变化时，就可以通过对稳压调整管的管压降进展调整来保持输出电压稳定。

为此，稳压调整管必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降，才能发挥足够的调节作用。

早期设计的开关电源频率较低，但随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改良，开关频率得到了提高。

由于垂直导电的高耐压、大电流的双极型电力晶体管的出现，使高工作频率的开关电源得以问世。

但当开关频率到达10KHz左右时，变压器、电感等磁性元件会发出刺耳的噪声，给工作和生产带来较大的噪声污染。

为了减少噪声，并进一步减小电源体积，70年代末出现了一系列新型的电力电子器件，为开关频率的提高提供了物质条件。

1.2、开关电源的开展趋势

开关电源的设计要求有非常高的效率，高效率减少了能量在传递过程中的损失，最理想的情况是输入端的能量完全传递到输出端，在开关电源内部不损失任何的能量。

然而，在实际设计过程中是不可能实现的，这涉及到各种元件的性能和设计电路的布局。

如果电源内部出现较大的损失，这局部的能量将会转化为热能损耗在元器件上，倘假设开关电源的设计缺少了散热系统或者散热系统出现工作不良的情况，这将会影响到开关电源的长时间工作，从而缩短了电源的寿命，也会增加了电源的不稳定性。

但是巨大的散热部件阻碍了开关电源向小型化的开展，其中在小型开关电源或手持设备的应用中尤为明显。

其次，这也违背了当代节约能源的理念，因此电子设备的功耗也规定了硬性的指标。

2021年我国开场实施的节能评价值为待机能耗1W，能效指数为0.75。

所以提高开关电源的效率已成为各个产品必须满足的一项技术指标。

开关电源的应用领域中小型化和集成化的需求越来越高，例如笔记本电脑的电源系统，不仅需要完成充电控制，还需要完成对微处理器和硬盘供电的降压处理，以及对屏幕供电的直流交流变换等。

这就要求所有的功能都尽可能在较小的体积中完成。

因此，小型化是开关电源的另一个开展方向。

1.3、本设计的技术要点参数及研究意义

随着电子技术的迅速开展，电源技术要求也越来越高，体积小、重量轻、高效能、高可靠性的“绿色电源〞已成为新一代电源产品的开展趋势。

Boost型开关电源以其电路抗干扰、高效、稳定性好、本钱低廉等许多优点，特别适合小功率的电源以及各种电源适配器，具有较高的实用性。

本人设计的就是Boost型开关电源。

Boost变换器是一种开关直流升压电路，输出电压比输入电压高，Boost变换器可将不可控的直流输入变为可控的直流输出，广泛应用于可调整直流开关电源和直流电机驱动。

Boost变换器克制了传统串联型稳压电源能耗大、体积大的缺点，具有体积小、构造简单、变换效率高等优点。

本人利用Boost自身电路构造，结合UC3842控制芯片的特点，开关管也采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640，设计一个Boost型开关电源。

其设计的技术要点参数如下：

输出最大功率：

15W

输入交流电压：

15V~20V

输出直流电压:

25V~45V

输出最大直流电流：

1A

带载输出直流电压：

15.9V/770MA（负载为5W20Ω电阻）

空载纹波电压：

10mv

2、开关电源的根本分类和工作原理

2.1开关电源的根本分类

〔1〕按驱动方式分，有自励式和他励式；

〔2〕按电路控制方式分，有脉宽频率调制〔PFM〕式、脉调制〔PWM〕式和PWM与PFM混合式；

〔3〕按电路组成分，有谐振型和非谐振型；

〔4〕按电源是否隔离和反响控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式、光耦合式等；

〔5〕按变换器的工作方式分，有单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。

反激式：

电路拓扑简单，元器件少，本钱较低。

但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受电流峰值很大，广泛应用于数瓦到数十瓦的小功率开关电源中。

由于不需要输出滤波电感，容易实现多路输出。

正激式：

拓扑构造形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，但存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路，广泛用于功率为数百瓦到数千瓦的通信电源等电路中。

半桥式：

电路构造较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最顶峰值电压，克制了推挽式的缺点，适合数百瓦到数千瓦的开关电源、高输入电压的场合。

全桥式：

电路构造复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用一样电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以到达最大的功率。

目前，全桥型电路多被用于数百瓦到数千瓦的各种工业用开关电源中。

推挽式：

电路形式实际上是两个正激式变换器电路组成，只是工作的相位相反。

变换器的磁芯双向磁化，因此一样铁芯尺寸的输出功率是正激式的约一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生，应用是需要特别注意，推挽电路适用于数瓦到数千瓦的开关电源。

一．非隔离型开关变换器

〔一〕．降压变换器

Buck电路：

降压斩波器，入出极性一样。

由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：

〔Ui-Uo〕*ton=Uo*toff，

Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,

Ui*ton=Uo（ton+toff）,

Uo/Ui=ton/（ton+toff）=Δ

即，输入输出电压关系为：

Uo/Ui=Δ（占空比）

图2-2：

Buck电路拓补构造

在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。

输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。

〔二〕．升压变换器

Boost电路：

升压斩波器，入出极性一样。

利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：

Uo/Ui=1/〔1-Δ〕

图2-3：

Boost电路拓补构造

这个电路的开关管和负载构成并联。

在S通时，电流通过L平波，

电源对L充电。

当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui+UL，因而有升压作用。

〔三〕．逆向变换器

Buck-Boost电路：

升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

电压关系：

Uo/Ui=-Δ/〔1-Δ〕

图2-4：

Buck-Boost电路拓补构造

S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。

所以，这里的L是用于传输能量的器件。

〔四〕．丘克变换器

Cuk电路：

升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

电压关系：

Uo/Ui=-Δ/〔1-Δ〕。

图2-5：

Cuk变换器电路拓补构造

当开关S闭合时，Ui对L1充电。

当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进展充电。

再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。

这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。

二．隔离型开关变换器

1．推挽型变换器

下面是推挽型变换器的电路。

图2-6：

推挽型变换电路

S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。

2．半桥型变换器

图2-6给出了半桥型变换器的电路图。

当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

同样地，这个电路也相当于降压式拓补构造。

图2-7：

半桥式变换电路

3．全桥型变换器

下列图是全桥变换器电路。

图2-8：

全桥式变换电路

当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

这个电路也相当于降压式拓补构造。

4．正激型变换器

下列图为正激式变换器。

图2-9：

正激型变换器电路

当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。

当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，防止变压器过饱和。

VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。

5．隔离型Cuk变换器

隔离型Cuk变换器电路如下所示：

图2-10：

隔离型Cuk变换器

当S导通时，Ui对L1充电。

当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。

附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。

在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。

这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。

6．电流变换器

能量回馈型电流变换器电路如下列图所示。

图2-11：

能量回馈型电流变换器电路

该电路与推挽电路类似。

不同的是，在主通路上串联了一个电感。

其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。

下面是升压型变换器的电路图：

图2-12：

升压型电流变换器电路

该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。

在开关导通期间，L积蓄能量。

当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。

因此，L有升压作用。

三．准谐振型变换器

在脉冲调制电路中，参加R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。

这种开关电源成为谐振式开关电源。

利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。

所以谐振开关电源是当前开关电源开展的主流技术。

又分为：

1．ZCS——零电流开关。

开关管在零电流时关断。

2．ZVS——零电压开关。

开关管在零电压时关断。

2.2PWM和Boost型开关电源的工作原理

PWM开关电源是让功率管工作在导通和判断状态，在这两种状态中，

加在功率管上的伏－安乘积总是很小的〔在导通时，电压低，电流大；判断时，电压高，电流小〕．功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗．

　　与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过＂斩波＂，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的．脉冲的点空比由开关电源的控制器〔控制IC〕来调节．一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低．通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数．最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压．

控制器的主要作用有两个：

①提供固定的频率脉冲给功率管；②通过输出反响电压给误差放大器来调节点空比，来保持输出电压的稳定．

开关电源有两种根本拓扑：

升压式〔BOOST〕变换器，降压式〔BUCK〕变换器．尽管它们各局部元件分布位置差异很小，但是工作过程相差甚大，在特定的应用场合各有优点．

升压式（BOOST）变换式的工作原理:

BOOST升压电路,开关管导通时,电流环路仅包括电感、功率管、输入电压源．在这段时间内，二极管是反向阻断的．电感电流波形是以固定斜率线性上升的，可用下式描述：

iL（ton）=Vinton/L;

在这个阶段，能量存储在电感铁心中．开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通．这时，电感电流不能突变，于是二极管立即导通．这时，电感与开关相连端的电压被输出晓以大义钳位，这个电压被称作反激电压，爱迪生幅值是输出电压加上二极管的正向导通压降．在开关管关断这段时间里，电感上的电流用下式表示：

iL（toff）=Ipk–（Vout–Vin）toff/L

如果在下个周期之前，铁心中的磁通完全为零，就称电路工作在电流断续模式．电流和电压波形如图〔c〕所示．如果铁心中的磁通没有完全降为零，还有一局部剩磁，就称电路工作在电流连续模式，波形如图〔b〕．由于升压式变换器工作在电流连续模式下存在固有的不稳定问题，所以升压式变换器通常工作在电流断续模式．

Boost变换器工作在电流断续模式下，存储在电感中的能量为：

Estored=1/2LIpk2

单位时间内，传输的能量必须满足负载连续功率消耗的需求．这就意味着在开关管导通期间，存储的能量要足够大，即电流峰值Ipk要满足下式的要求：

Pload

fsw为变换器的开关频率．

Boost变换器只能用于升压情况，也就是说输出电压必须高于输入电压的最大幅值，在所有的拓扑中，升压式电路输入电压动态范围最宽．由于升压变换器中峰值较高，因此只适合于功率不大于150W的应用场合．在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最少，因而在中小功率的应用场合中很流行．

3、Boost型开关电源的设计

3.1Boost型开关电源设计的系统原理图

图一

如图一，该电源工作原理如下：

该电路输入交流电压为18V，然后通过输入整流滤波电路之后再到Boost型变换器电路，此Boost型变换器电路中也包含了滤波器，目的是为了除去在输出电压中的交流局部，而在Boost型变换器电路中的电阻那么采用变位器R（20K），这是为了实现输出可调直流电压。

同时开关管那么采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640〔IRF640承受的最大电压值为200V，承受的最大的电流值为10A〕。

另外此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。

它只需要很少的外部元件就可获得低本钱高效益的解决方案。

3.2输入整流滤波电路设计

图二

输入整流滤波电路如图二，包括输入交流滤波、整流、电容滤波三局部。

交流滤波主要是滤除交流输入端的共模干扰和差模干扰，其中X2是安规电容，是为了去除差模干扰，L1〔3.3mH〕是共模电感也叫扼流圈，采取双线并绕，是为了去除共模干扰。

整流电路一般选用满足电流阀值的整流桥，输入滤波电容的容量与电源效率、输出功率密切相关。

一般对于宽范围输入的开关电源，滤波电容可按比例系数来选取。

此外，输入滤波电容的容量大小还决定着直流高压的数值。

另外加上电阻R1〔800k〕，这是为了防止断电之后，C1（1000uF）会储存一定的电流，利用电阻R1〔800k〕把电路多余的电流给吸收掉。

3.3Boost升压型开关电源拓扑构造

主回路拓扑构造选择非隔离型中Boost型升压斩波电路，如图三。

假设C和L足够大，输入输出电压，即为常数。

据推理电感两端的电压值也为常数，记电感两端的电压值是VL，经过L的电流记为IL，电流变化正增量记为△i+，电流变化的负增量记为△i一。

当开关闭合时，续流二极管关断，此时电源向电感充电储存能量，忽略开关管的压降。

那么由电感电流不可以突变、法拉第电磁感应公式和基尔霍夫电压定律推导出：

增量电流△i+和时间△t成正比，呈线性上升趋势，与电感成反比。

当开关管T关断时，续流二极管D导通，忽略续流二极管导通电压，输入端电源电压与电感器L中自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，同时对电容器C充电。

同理推导出：

负增量电流与电感值成反比，与关断时间成正比。

下降是从上个时间充电后的电流点开场线形下降的。

3.4控制芯片采用UC3842

此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。

它只需要很少的外部元件就可获得低本钱高效益的解决方案。

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，外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反响电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2．5V基准电压进展比拟，产生误差电压，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时停顿脉冲输出使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器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；另外在⑥脚输出端接入了一个稳压二极管12V，这是为了使输出电压的峰—峰值控制在12V左右，防止对功率场效应管IRF640的损害。

而电阻4.7K的作用就是为了减少输出的直流电压中的纹波电压；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。

输入端接R再输入到芯片电源端，由于UC3842启动电压需要16V，输入经整流滤波后至少有18V左右，可保证正常启动。

所以采用了稳压二极管18V供电给控制芯片UC3842，另外串联了一个电阻R〔0.5K〕这是为了限流作用，保证稳压二极管18V能够正常稳定工作。

UC3842振荡器可以工作高达500kHz，经过计算选择较折中的频率40kHz取Rt=10k，Ct=4．7nF，Rt接在振荡端和参考电压8脚处，4脚退耦电容C3取O．1uF。

4、开关电源主要器件的选择原理

4.1功率场效应管MOSFET〔IRF640〔IRF640承受的最大电压值为