【設(shè)計(jì)】開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、-開關(guān)電源的設(shè)計(jì)同組參加者：方舟、周恒、濤開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源的掌握方式可分為調(diào)寬式和調(diào)頻試兩種，實(shí)際應(yīng)用中，而調(diào)寬式應(yīng)用的較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制 pwm型；開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高，輸出功率大，輸入電壓變化圍寬，節(jié)省能耗等優(yōu)點(diǎn)；開關(guān)電源的工作原理就是通過轉(zhuǎn)變開關(guān)器件的開 通時(shí)間和工作周期的比值即占空比來轉(zhuǎn)變輸出電壓； 通常有三種方式：脈沖寬度調(diào)制pwm，脈沖頻率調(diào)制pfm和混合調(diào)制； pwm 調(diào)制是指開關(guān)周期恒定，通過轉(zhuǎn)變脈沖寬度來轉(zhuǎn)變占空比的方式，由于周 期恒定，濾波電路的設(shè)計(jì)比擬簡潔，也是應(yīng)用能夠最 廣泛的調(diào)制方式；開關(guān)穩(wěn)壓電源的主要構(gòu)造框架如圖1-

2、1 所示，有隔離變壓器產(chǎn)生一個(gè)15-18v 的溝通電壓， 在經(jīng)過整流濾波電路，將溝通電變成直流電，然后再 經(jīng)過 dc dc 變換，由 pwm 的驅(qū)動(dòng)電路去掌握開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)固的電壓源，如圖1-1 所示；-.可修編 - .圖 1-1一 開關(guān)轉(zhuǎn)換電路1：濾波電路輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可以抑制交 流電網(wǎng)輸入的干擾信號(hào)，同時(shí)也防止開關(guān)電源工作時(shí) 產(chǎn)生的諧波和電磁干擾信號(hào)影響溝通電網(wǎng)；如圖1-2所示濾波電路中 c1 用以濾除直流份量中的溝通成分，隔離電容應(yīng)選用高頻特性較好的碳膜電容,電阻 r 給電容供應(yīng)放電回路，防止因電容上的電荷積存而影響 濾波器的工作特性， c2、c3

3、跨接在輸出端， 能有效地抑制共模干擾，為了減小漏電流c2、c3 宜選用瓷電容器.圖 1-22. 電壓愛護(hù)電路如圖 1-3 所示為輸出過壓愛護(hù)電路；穩(wěn)壓管vs 的擊穿電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出電壓正常時(shí)，vs 不導(dǎo)通，晶閘管 vs 的門極電壓為零， 不導(dǎo)通，當(dāng)輸出過壓時(shí)， vs 擊穿， vs 受觸發(fā)導(dǎo)通，使光電耦合器輸出三極管電流增大， 通過 uc3842掌握開關(guān)管關(guān)斷；圖 1-3 輸出過壓愛護(hù)電路3. 電壓反應(yīng)電路電壓反應(yīng)電路如圖 1-4 所示；輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器 tl431 和光電耦合器反應(yīng)到的 1 腳，調(diào)劑 r1 r2 的分壓比可設(shè)定和調(diào)劑輸出電壓，到達(dá)較高的穩(wěn)壓精 度；假如輸出電

4、壓 u0 上升，集成穩(wěn)壓器 tl431 的陰極到陽極的電流在增大 ,uc3842的輸出脈寬相應(yīng)變窄， 輸出電壓 u0 變小,同樣，假如輸出電壓 u0 減小，可通過反應(yīng)調(diào)劑使之上升；圖 1-4 電壓反應(yīng)電路二設(shè)計(jì)思路開關(guān)電源由隔離變壓器，整流濾波和dc-dc 變換電路組成；設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是 dc-dc 變換電路，它包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件， 儲(chǔ)能器件 ，脈沖變壓器， 濾波器，輸出整流等全部功率器件和掌握模塊；而掌握 模塊的設(shè)計(jì)又是 dc-dc 的核心， 一般 dc-dc 掌握模塊使用專用的 pwm 調(diào)制芯片；如 tl494、uc3842等， 芯片部集成了誤差比擬器、振蕩器、 pwm 調(diào)制器等， 有

5、的甚至有愛護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，在此情形下使用集成芯片加上少量的外圍電路即可構(gòu)成pwm 掌握電路，穩(wěn)固性能較好、掌握簡潔、芯片功耗幾乎可以忽視、 本錢低，過流愛護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載 上；當(dāng)取樣電阻超過指定圍，立刻切斷負(fù)載，或者降 低輸出電壓， 然后過一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng)， 接上負(fù)載，由繼電器掌握負(fù)載的連通性；三整流濾波電路設(shè)計(jì)1. 整流濾波電路設(shè)計(jì)：由給定題目可知開關(guān)穩(wěn)壓電源的前級(jí)電路主要由 整流、濾、波穩(wěn)壓電路構(gòu)成，特殊是前一級(jí)經(jīng)過隔離 變壓器降壓，降壓后得到 18v 的溝通電，然后經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后，得到一個(gè)穩(wěn)固的直流電送往后級(jí)；整 流電路如圖 1-5 所示：圖 1-5 整流濾波電路

6、整流濾波電路仿真波形2. pwm 脈沖掌握驅(qū)動(dòng)電路四： uc3842分析：uc3842管腳排列圖uc3842部構(gòu)造連接圖uc3842功能說明腳是誤差放大器的輸出端， 外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反應(yīng)電壓輸入端， 此腳電壓與誤差放大器同相端的 2.5v 基準(zhǔn)電壓進(jìn)展比擬，產(chǎn)生誤差電壓，從而掌握脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端，當(dāng)檢測電壓超過1v 時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時(shí)端，部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)打算，f=1.8/rt ct ；腳為公共地端；腳為推挽輸出端， 部為圖騰柱式， 上升、下降時(shí)間僅為 50ns 驅(qū)動(dòng)才能為1a；腳是直流電源供電端，

7、 具有欠壓、過壓鎖定功能，芯片功耗為 15mw；腳為 5v 基準(zhǔn)電壓輸出端，有 50ma 的負(fù)載才能；如下圖，由分壓電阻r 供應(yīng)分得的電壓接入uc3842的 7 腳vcc,uc3842啟開工作， 由 6 腳輸出推動(dòng)開關(guān)管工作，輸出信號(hào)為上下電壓脈沖，高電壓脈 沖期間，場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí) 把能量儲(chǔ)存在變壓器中；依據(jù)同名端標(biāo)識(shí)情形，此時(shí)變壓器各路副邊沒有能量輸出 ,當(dāng) 6 腳輸出的高電平脈沖完畢時(shí)，場效應(yīng)管截止，依據(jù)楞次定律，變壓器原 邊為維護(hù)電流不變，產(chǎn)生上負(fù)下正的感生電動(dòng)勢，此 時(shí)副邊二極管導(dǎo)通，向外供應(yīng)能量，同時(shí)反應(yīng)線圈向uc3842 供電， uc3842 部設(shè)有欠壓鎖定

8、電路其開啟和關(guān)閉值分別為 16v 和 10v,電源電壓接通后，當(dāng)7 腳電壓升至 16v 時(shí)， uc3842開場工作，開場正常工作后， 它的消耗電流約為 15ma；假如出于某種緣由，是輸出端短路而產(chǎn)生過流， 開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升， uc3842的 3 腳電壓也將上升，當(dāng)該腳的電壓值超過正常值 0.3v 時(shí)，uc3842 的 pwm 比擬器那么輸出高電平， 使 pwm 鎖存器復(fù)位， 關(guān)閉輸出；此時(shí) uc3842的 6 腳無輸出 mos管 q1 截止， 從而起到愛護(hù)電路的目的；pwm 輸出波形pwm 脈沖掌握驅(qū)動(dòng)電路依據(jù) mos 管的工作頻率圍，選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鏖_關(guān)頻率，此設(shè)計(jì)挑選的工作頻率為

9、f=40khz, 因此uc3842 的工作頻率為f=1.8/rt ct,再依據(jù)挑選的工作頻率 f=40khz，挑選適當(dāng)?shù)碾娮桦娙葜?，電阻?1k、電容為 45nf,供應(yīng) vcc 管腳電壓為 16v，2 腳輸入基準(zhǔn)電壓為 5v；3. 開關(guān)管的挑選作為開關(guān)管使用的晶體管，除了具有放大特性以 外，仍要求具有開關(guān)速度和輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)；由于 開關(guān)管應(yīng)能承擔(dān) 380v 以上的電壓， 為平安起見， 應(yīng)采納耐壓 vdcm=1kv，最大漏極電流 idm=4.3a ，最大功耗 pdm=150w，這些參數(shù)完全符合要求；五電路輸出局部設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電路局部采納升壓式斬波電路；這一局部電路由電感、續(xù)流二極管、

10、電容及負(fù)載電阻組成；1. 升壓斬波電路升壓斬波電路的構(gòu)造如下圖升壓斬波電路升壓斬波電路開關(guān)管漏極電壓波形開關(guān)管以 uc3842設(shè)定的頻率周期開閉，使電感 l 儲(chǔ)存能量并釋放能量，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感以vi/l 的速度充電，通過二極管 d 把儲(chǔ)存的電能以 v0-vi/l的速度釋放到輸出電容器 c2 中；輸出電壓由傳遞的能量多少來掌握，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來掌握；升壓斬波電路分析 ：升壓斬波電路可以工作在電流斷續(xù)工作模式和 電留戀續(xù)工作模式，電流工作模式適合大功率輸出電路，負(fù)載要到達(dá) 10%以上時(shí)，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)；設(shè)開關(guān)管 v 處于導(dǎo)通的時(shí)間為 ton，在此階段 l 上儲(chǔ)存的

11、能量為 eiiton ；設(shè) v 處于關(guān)斷的時(shí)間為 toff ， 那么在此期間電感 l 釋放的能量為 u0-eiitoff 當(dāng)電路工作與穩(wěn)固狀態(tài)時(shí) 1 個(gè)周期 t 中電感 l 儲(chǔ)存與釋放的能量相等；即eiiton=u0-eiitoff1化簡得： u0=ton+toff/toff=t/toffe 22式中的 t/toff 1，輸出電壓高于輸入電壓，即升壓斬波電路；2式中 t/toff表示升壓比，通過調(diào)劑升壓比的大小就可以轉(zhuǎn)變輸出電壓的大小， 從而到達(dá)升壓的目的；假設(shè)定義斬波電路的占空比： k=t0n/t那么輸出電壓為：u0=ton u/toff=ton u/t-ton=k u/1-k3式3中，假設(shè)

12、轉(zhuǎn)變占空比 k 那么輸出電壓即可于輸入電壓，也可能低于；由此可知當(dāng) 0k1/2 時(shí)，斬波器輸出電壓低于直流電源輸入，此時(shí)為降壓電路；當(dāng)1/2 k1 時(shí)， 斬波器輸出電壓高于直流電源輸入，此時(shí)為升壓斬波 電路；2. 升壓斬波電路參數(shù)挑選儲(chǔ)能電感 l：根 據(jù)輸 入電 壓 和輸 出 電壓可 打算最 大占比 即 ：當(dāng)輸出最大負(fù)載時(shí)至少應(yīng)滿意電路工作在工作模式下，即必需滿意：電留戀續(xù)同時(shí)考慮在 10%額定負(fù)載以上電留戀續(xù)的情形，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以假設(shè)電路在額定輸出時(shí)，電感紋波電流為 平均電流的 20%-30%，為不增加輸出紋波電壓就需增加輸出電容c2,取 30%為平穩(wěn)點(diǎn)，即 l 電感量選取180300uh

13、且通過 5a 以上電流不回飽和的電感；輸出二極管 d 和輸出電容 c 的挑選：升壓電路中輸出二極管 d 必需承擔(dān)和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負(fù)載所需的最大電流；二極 管的峰峰值電流 id=1.5a, 依據(jù)需要此電路的二極管可選用 6a/50v 以上的快速復(fù)原二極管，如正向壓降低的肖特基二極管，整個(gè)電路的效率將得到提高；輸出電容 c 2 的挑選主要取決于對(duì)輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻有關(guān)，電容器的答應(yīng)紋波電流要大于電路中的紋波電流；電容的等效電阻約為 0.3,由于低溫時(shí)電容的等效電阻將增大，故應(yīng)按低溫下的等效電阻來挑選電容器， 因此應(yīng)挑選 200uf/50v 以上頻率特

14、性較好的電解電容；六電路整體分析整體電路如下圖，電路由三部紛紛組成：啟動(dòng)電路，即降壓整流濾波電路，這一局部電路主 要是得到 dc-dc 的輸入電壓和為 uc3824供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓；pwm 脈沖掌握驅(qū)動(dòng)電路， 它的主體是芯片 uc3842，以及他的外圍電路組成；輸出局部，它是由一個(gè)升壓斬波電路構(gòu)成，構(gòu)造原理簡潔；仿真電路輸出波形七電路測試測量電路如下圖 1、2、3、4、5、6、7 為測量點(diǎn)：理論仿真結(jié)果 ：輸出電壓圍 2836v；輸出最大電流 i0=2a;電壓調(diào)整率 su=0.069%2%；負(fù)載調(diào)整率 si=3.164%5%;輸出噪聲紋波電壓峰 -峰值 vopp=290mv1v;dc-dc 變換器

15、的效率=88.46%70%;過流愛護(hù)：過流愛護(hù)電流為 2.51a八涉及調(diào)試及解決方案標(biāo)設(shè)計(jì)調(diào)試中的問題解決方案號(hào)1 降壓整流濾波電路響應(yīng)時(shí)間長，有等待時(shí)間不斷調(diào)整加大整流濾波電容2 pwm 掌握器的輸出脈沖波形有失真3 uc3842 輸出驅(qū)動(dòng)波形不穩(wěn)固4 在測試輸出時(shí)有較大的紋波5 使用軟件進(jìn)展仿真時(shí)， 響應(yīng)太慢減小儲(chǔ)能電感和輸出電容，找到適當(dāng)?shù)闹?，并且調(diào)劑 uc3842腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)變放大器的增益和頻響；在他的輸入端增加一個(gè)濾波電容， 對(duì)輸入進(jìn)展再一次的濾波， 通過調(diào)劑找到相宜的電容；轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng) mos 管屬于軟件弊端在設(shè)計(jì)過程中遇到許多問題，但是通過我們的商議， 許多問題都得以克制，憑我們的才能也并不是全部的 問題都能解決