1、哈尔滨理工大学专科生毕业论文- I -开关电源设计摘 要随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式
2、很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文是基于芯片 UC3842 的 小功率高频开关电源系统设计。关键词 开关电源；半桥全桥；高频变压器哈尔滨理工大学专科生毕业论文- II -目 录摘要 .I第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 研究的目的及意义 .21.2.1 课题研究的目的 .21.2.2 课题研究的意义 .2第 2 章 开关电源输入电路设计 .32.1 电压倍压整流技术 .32.1.1 交流输入整流滤波电路原理 .32.1.2 倍压整流技术 .32.2 输入保护器件保护 .42.2.1 浪涌电流的抑制 .42.2.2 热敏电阻技术分析 .5
3、2.3 本章小结 .6第 3 章 开关电源主电路设计 .73.1 单端反激式变换器电路的工作原理 .73.2 开关晶体管的设计 .83.3 变压器绕组的设计 .103.4 输入整流器的选择 .113.5 输出滤波电容器的选择 .123.6 本章小结 .12第 4 章 开关电源控制电路设计 .134.1 芯片简介 .134.1.1 芯片原理 .134.1.2 UC3842 内部工作原理简介 .134.2 工作描述 .144.3 UC3842 常用的电压反馈电路 .184.4 本章小结 .20结论 .21致谢 .22参考文献 .23哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题
4、背景随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源 1。开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：1. 小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。2. 提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。3. 随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。4. 提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。5. 用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、
5、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基
6、础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 MOS 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高到 150-200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70年代后期，功率在 100W 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980
7、 年，功哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 2 -率在 50W 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20W 以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一 2。1.2 研究的目的及意义1.2.1 课题研究的目的随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础 3。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关
8、电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。1.2.2 课题研究的意义课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响 4。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 3 -第 2 章 开关电源输入电路设计2.1 电压倍压整流技术
9、2.1.1 交流输入整流滤波电路原理在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流 90 -130V 和 180-260V 的范围。如图 2-1 所示。图 2-1 输入滤波、整流电路原理输入滤波电路：C1、L1、C2、C3 组成的双 型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。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
10、涌电流。因瞬时能量全消耗在 RT1 电阻上，一定时间后温度升高后 RT1 阻值减小（RT1 是负温系数元件） ，这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。2.1.2 倍压整流技术为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图 2-2 所示。在图中，两种输入交流电压的转换由开关 S1 来完成，此外，本电路中的压敏电阻 RV 和可控硅 VS 具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。电路工作过程如下：当开关 S1 闭合时电路在 115V 交流输入电压哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 4 -下作用。在交流电的正半周，通过二极管 VD1 和电容器 C1 被充电到交流电压的峰值。即 115v141
11、4160v，在交流电的负半周，电容器 C2 通过二极管 VD4 也被充电到 160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器 C1 和 C2 上充电电压之和即 160V 十 160V320V 。当开关 S1 打开时，极管 ValVD4 组成了全桥式整流电路，对输入的交流 230V 进行整流，也同样产生 320V 的直流电压 5。图 2-2 倍压整流电路2.2 输入保护器件保护2.2.1 浪涌电流的抑制隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流，设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交
12、流呈现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的 ESR 值。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。通常广泛采用的措施有两种，一种方法是：利用电阻双向可控硅并联网络；另一种方法是：采用负温度系数(NTC) 的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值 6。电阻双向可控硅技术：采用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要哈尔滨理工
13、大学专科生毕业论文- 5 -流过全部的输入电流。2.2.2 热敏电阻技术分析这种方法是把 NTC(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。用了 RTC 热敏电阻的电阻温度特性和温度系数的关系如图 2-3 所示。/2%/5/RAeBTC图 2-3 热敏电阻的温度系数RTC 热敏电阻的温度系数，用每度百分比( c)表示。当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样，由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到
14、稳定状态时，其阻值应该是最小。这样，就不会影响整个开关电源的效率。输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备 7。在一般情况下，交流电网上的电压为 115v 或 230v 左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式 2-1：哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 6 -（2-1）21WLI
15、公式中L 是电感器的漏感，I 是通过线圈的电流。由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。2.3 本章小结本章介绍了电压倍压整流技术以及输入器件保护。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 7 -第 3 章 开关电源主电路设计3.1 单端反激式变换器电路的工作原理单端反激式变换器电路在其输入和输出回路之间加入安全隔离措施。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。所谓单端，就是指的是变压器磁芯仅工作
16、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 3-1 所示。图 3-1 隔离单端反激式变换电路及相关波形从电路的工作状态波形可见，电路的工作过程如下：当晶体管 VT1 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哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 8 -流过，即没有能量传递给负载。当晶体管 VT1 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。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
17、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 8。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，这样的设计便开关电源工作更安全。3.2 开关晶体管的设计如何选择到性能参数合适的主开关与控制电路直接影响到变换器的性能。在这里需要清楚的是作为主开关的晶体管、MOSFET、IGBT 或晶闸管的性能均耐压的上升而下降，因此在
18、选择耐压时并不是超高越好，而是适可而止 9。合理地选择开关管的额定电压直接影响着变换器的性能，通过了解主开关的电压波形就可以比较准确地预计出主开关的电压峰值。对于不同的电路拓扑和不同的控制方式，要求开关管的额定电压将不同。其输入不同的电压条件下开关管的额定电压与电路拓扑和控制方式的关系如下：1. 交流电不带有 PFC 功能。桥式变换器：400-500V；推挽式变换器：800-900V；单端正/反激式变换器：600-700V；单端正激式变换器带有有源箝位：600V；2. 交流电带有 PFC 功能。桥式变换器：500-600V；推挽式变换器：900-1000V；单端正/反激式变换器：800V；单端正激式变换器带有有源箝位：800V；3. 直流 48V 电压系统桥式变换器：80V；推挽式变换器：200V；单端正/反激式变换器：200V；
