开关稳压电源毕业设计.doc

摘 要 随着全球对绿色环保问题的不断关注和开关电源在电气电子各个领域中的优良 表现, 社会对其的需求量在不断的加大, 开关电源也因为其高效率、小体积、轻重 量等多方面的优势在很多领域逐步取代了传统的连续工作的线性电源，但同时人们 对这种电源的效率、体积、重量、功率因素及可靠性等方面提出了更高的要求。开 关变换器的高频化、集成化、小型化、低噪声化、高可靠性化发展也是当今社会的 不断追求和努力的方向，目前，开关技术的研究热点主要有新型高频高功率半导体 器件开发，外围新器件的开发，同步整流技术优化，电磁兼容优化，高性能数字控 制，拓扑结构和参数的最优化，低电压，大电流电源的开发等方面。随着研究的不 断深入和电力电子技术的迅速发展，开关电源的工作频率，效率将不断提高，体积 将不断减小，性能将更加稳定，品种也将越来越多。 近年来开关电源的高频变换器出现了推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激 等多种形式，新型的软开关控制技术也有零电压和零电流两种。本文介绍了一款基 于 UC3825 的小功率移相全桥零电压软开关控制方式的开关稳压电源，采用市电供 电，带隔离变压器，给出了 DC-DC 变换器、PWM 控制及驱动电路的详细设计方法及 设计思路,并使用 ORCAD/Pspice 软件对开关电源主电路系统性能进行了仿真，根据 仿真结果显示,该开关稳压电源效率高，输出电压稳定，电路设计较完善，性能稳 定。1 关键词：开关电源 移相全桥 软开关技术 Abstract With the global keeping attention on the problem of environmental protection and the switching power supply has good performance in all fields of electrical and electronic, the demands of switching power supply keep increasing.Because of its high efficiency, small size, light weight, and many other advantages, the switching power supply gradually replace the traditional linear power in many fields. But people need higher requirement for the efficiency, volume, weight, power factor and reliability of the switching power supply. The high frequency, integration, small size, low noise, the main research of switching technology focus on development of new high-frequency high-power semiconductor device and new external devices, the optimization of synchronous rectification technology and electromagnetic compatibility, high performance digital control, topology and parameter optimization, low-voltage and high-current power supply development and so on. Along with the deepening of the study and the rapid development of power electronics, switching power supplies operating frequency, efficiency will continue to increase, the volume will continue to decrease, the performance will be more stable, the variety will be more and more. In recent years, there are push-pull, full bridge, the new soft-switching control technology has zero voltage and zero current. The thesis describes a switching power supply with low power phase-shift full-bridge zero-voltage soft-switching control based on UC3825,with electricity supply of 220V and isolation transformers, DC-DC converter, PWM control and drive circuit of the detailed design methods and design ideas is given, and make a simulation on the main circuit switching power supply system performance using ORCAD / Pspice. According to the simulation results: the power supply has high efficiency, stable output voltage.It is a perfect circuit design with stable performance.1 Key words: switching power supply phase-shift full-bridge soft-switching technology 目录 摘要.I Abstract .II 绪论.1 1 开关电源的基本概念与发展.2 1.1 开关电源基本概念.2 1.2 开关电源的发展.2 1.3 设计任务.2 1.4 设计方案.3 2 软开关技术.6 2.1 软开关的定义.6 2.2 全桥控制移相方式.6 3 PWM 控制芯片 UC3825.8 3.1 UC3825 简介.8 3.2 UC3825 的基本特性.8 3.3 UC3825 的工作原理.9 4 主电路的选型与设计.12 4.1 开关电源主电路的结构设计.12 4.2 主电路主要参数的计算.13 4.3 高频变压器的计算与设计.14 4.4 隔离变压器与整流电路的计算与设计.18 4.5 输入滤波电路的计算与设计.19 4.6 输出滤波电路的计算与设计.20 4.7 主开关元件计算与选型.20 4.8 吸收电路的设计.21 5 控制电路的设计与计算.22 5.1 控制电路的设计.22 5.2 锯齿波电路的参数计算.23 5.3 电压反馈比较电路的参数计算.23 5.4 过流保护电路的设计.25 5.5 控制输出电路的设计.27 5.6 电路结构总图.28 结论.29 致谢.30 参考文献.31 绪 论 自 20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个 开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控 稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向 集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近 20 年来，集成开关电源沿两个方向发 展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化第二个方向是实现中、小功率 开关电源单片集成化。其属于 AC/DC 电源变换器。单片开关电源具有高集成度、高 性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、 精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。 传统的供水系统大多采用水塔、高位水箱或增压设备，用水泵高出实际用水高 度的扬程来“提升”水位高度，以保证有足够的用水量，并且控制精度低、能耗大。 随着科学技术的不断发展，自动控制技术在我国的日新月异，继电器控制系统已跟 不上时代的发展要求，而需要一种新型的可编程控制器取而代之。PLC 进入九十年 代后，工业控制领域几乎全被 PLC 占领。运用 PLC 的目的是用来取代继电器、执行 逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的控制系统。已经被广泛应用于机械 制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业，是工业自动化的主导产品。 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高， 能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部 门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两 年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资 4000 亿元用于城网、农网的 供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统 的相控电源。2 1 开关电源的基本概念与发展 1.1 开关电源基本概念 电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装 置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置， 用于交流直流或直流直流电能变换，通常称其为开关电源，开关电源的核心为 电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求利用反馈控 制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。开关电源这一技术特点使其 同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有体 积小、重量轻和效率高两个明显的优点。2 1.2 开关电源的发展 随着电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。电 子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。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，所以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 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。 1.3 设计任务 本设计做的是一个小功率带变压器隔离的全桥式开关电源，供电电源采用市电。 设计的主要内容是开关电源的主电路和控制电路，和其他的一些辅助电路。开关电 源需要满足下列指标要求： （1） 输出电压 U0可调范围：20V50V； （2） 最大输出电流 I0 max：4A； （3） Io从 0 变到 4A 时，负载调整率 SI5%（U2=40V） ； （4） 输出噪声纹波电压峰-峰值 UOPP1V（U2=36V,Uo=40V,Io=4A） ； （5） DC-DC 变换器的效率 70%（U2=36V,Uo=40V,Io=4A） ； （6） 具有过流保护功能，动作电流 IO（th）=4.50.2A。 根据要求设计出电路图，包括主电路、控制电路以及选用相应的元器件。 1.4 设计方案 开关电源一般是由变压器，整流滤波电路，DC-DC 变换器，控制电路，保护电 路等电路构成。本设计的核心部分，进行功率变换的 DC-DC 变换器，采用全桥式变 换电路，此外还有软启动、过流保护、噪声滤波等电路。通过资料的查阅，设计出 了元器件参数，然后选择合适的器件，设计出完整的电气原理总图，如图 1-1 所示。 图 1-1 开关电源的电气原理总图 （1） 全桥式 DC-DC 变换器。全桥式 DC-DC 变换器的电路结构如图 1-2 所示， 电路中有四个开关管 Q1，Q2，Q3和 Q4，其中，Q1和 Q4同时导通，Q2和 Q3同时导通， 并且两组开关管轮流导通半个周期。这样在高频变压器的副边绕组两端分别形成相 位相反的交流电压，Q1，Q4导通时，二极管 D5处于导通状态，Q2，Q3导通时，二极 管，D6处于导通状态，在负载端形成矩形电压脉冲，因此通过调整 Q1和 Q4，Q2和 Q3两组开关管的的导通时间就可以调整输出电压的占空比，从而调整输出电压的平 均值，达到稳定输出电压的目的。 图 1-2 全桥式 DC-DC 变换器 （2） 隔离变压器和整流滤波电路。本文设计的开关电源变压整流电路如图 1-3 所示，先把 220V 的市电通过隔离变压器转变成 36V 的交流电，对电网中的杂波、 瞬间过电压进行过滤吸收。再通过桥式电路，将 36V 交流电转变成波动的直流电， 然后经电感电容进行滤波，从而得到平稳的直流电压，为 DC-DC 变换器供电。 图 1-3 整流滤波电路 （3） PWM 控制电路。本文设计的控制电路是由两片 UC3825 为核心组成的脉宽 控制电路，如图 1-4 所示，控制芯片通过内部震荡电路、电压比较电路等其他相关 电路，能够使其输出端输出控制电压，每块芯片电路输出两路，然后通过变压器隔 离驱动功率管交替开通和关断，产生高频的开关电压，进而驱动高频变压器进行电 压的变换。此电路还设计反馈电路，将输出电压的大小变化反馈到 UC3825 中。使 芯片通过检测输出电压的变化调整脉宽的占空比，从而能够精确地调整输出电压值， 达到稳压的效果。 图 1-4 PWM 控制电路 （4） 阻容吸收装置。因为此开关电源中的电源采用 220V 的市电，而市电电网 中很容易会产生瞬时过电压，这种过电压如果通过隔离变压器耦合到开关电源中， 会对开关电源中的器件产生影响，严重时会烧毁器件，所以在变压器的输入端要设 置阻容吸收装置。同时，基于电路中电感的存在，四个功率管开关的时候，会在器 件的两端形成很高的过电压，这样的过电压也很可能会超过器件的耐压而使器件被 击穿，造成不可挽回的后果，所以，在四个功率管的两端也应设置阻容吸收装置。 此外在输出端上的整流二极管，同样因为电感的存在而产生过压，也需要在整流二 极管两端设置阻容吸收装置。 （5） 输出滤波电路。输出滤波是将高频变压器产生的矩形波电压通过电感电 容滤波，得到平稳的输出电压供给负载。本设计使用倒 L 型滤波电路，通过计算选 型能够得到十分稳定的输出电压。 （6） 过流保护装置。根据设计任务的要求，该开关电源需要具备过流保护功 能，动作电流 IO（th）=4.50.2A。本设计中，为了实现过流保护功能，在输出电路 中串联一个小电阻，通过小电阻检测输出电路的电流，进而反馈给 PWM 控制芯片， 当输出电流超过设定值，控制芯片即封锁输出脉冲，从而实现过流保护的作用。3 2 软开关技术 2.1 软开关的定义 因为功率开关管的开通和关断过程在实际中不是瞬间的，是需要一定时间的， 所以功率管在开通和关断的时候电压和电流都不为零，会产生损耗，此损耗称为开 关损耗，并且其损耗会随频率增高而增大，制约了开关电源的高频率化。 “软开关” 就是能使开关功率管在其两端的电压为零时导通，或是使流过开关功率管的电流为 零时关断的控制方法，是与“硬开关”相对而言的。这种方法大大的减少了传统的 硬开关的开关损耗，从而提高了功率变换器的传输效率，最理想软开关的开关损耗 可以为零。4 2.2 全桥控制移相方式 近年来，在全桥变换器中使用最多的一种软开关控制方式是结合了谐振变换技 术和 PWM 技术的移相控制方式。主要有超前桥臂和滞后桥臂均实现零电压开关的零 电压开关方式，超前桥臂和滞后桥臂均实现零电流开关零电流开关方式，超前桥臂 实现零电压开关, 滞后桥臂实现零电流开关的零电压零电流开关方式的 3 种方式。 本设计采用移相全桥零电压软开关，此电路简单，只是在一般的全桥电路上增 加了一个谐振电感，电路的主要结构如图 2-1 所示。 图 2-1 移相全桥零电压软开关电路 图 2-2 移相全桥零电压软开关工作过程 移相全桥零电压控制方式的谐振元为开关管的并联电容（C1、C2 、C3、C4）和 串联电感（Lr） 。四个开关管依次在零电压下导通是通过电感储存的能量对开关管的 两端并联的输出电容充放电来实现的。其工作过程如图 2-2 所示。 t1t2时段：t1时刻 S1关断后，C1、C2与 Lr构成谐振回路，谐振开始时 uA(t1) =Ui（图 2-1 中 A 点的电压） ，在谐振过程中，uA不断下降，直到 uA=0，开关管寄生 的反向二极管 VDS2导通，iLr通过 VDS2续流。 t2t3时段：t2时刻 S2开通，由于 VDS2导通，因此 S2开通时电压为零，开通 过程中不会产生开关损耗，S2开通后，电路状态也不会改变，继续保持到 t3时刻 S4关断。 t4t5时段：S3开通后，iLr继续减小，下降到零后反向，再不断增大，直到 t5时刻 iLr=IL/kT，iVD1下降到零而关断，电流 IL 全部转移到变压器副边的整流二极 管 VD2 t0t5时段正好是开关周期的一半，而在另一半开关周期 t5t0时段中，电路 的工作的过程与 t0t5时段完全对称。45 3 3 PWMPWM 控制芯片控制芯片 UC3825UC3825 3.1 UC3825 简介 UC3825 是一款针对开关电源的高频率高效率 PWM 控制芯片，它使用电压控制模 式，其最高工作频率可达 1MHz，带有基准电压输出、软启动和过流保护模块。其脉 宽比较器的输入端可以用负载输出的电压信号与误差放大器输出信号进行比较，从 而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。使用 UC3825 的开 关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都较高。因此 UC3825 是比较理 想的 PWM 控制芯片。6 3.2 UC3825 的基本特性 UC3825 的封装形式与引脚图如图 3-1 所示，下面介绍各引脚的功能： 图 3-1 UC3825 的封装与引脚图 （1） 引脚 1（INV）：闭环系统中接反馈信号，为误差放大器反相输入端，用 于形成电压比较电路。 （2） 引脚 2 (NV)：此脚为与 INV 端行比较的误差放大器同相输入端。通常是 设置的基准电压。 （3） 引脚（3E/A Out）：与 INV 端构成比例积分反馈电路的误差放大器的输 出端。 （4） 引脚 4（Clock）：两片 PWM 芯片链接运行时，提供给芯片同步时钟信号 的时钟输出端。输出与震荡频率一致的时钟信号。 （5） 引脚 5 和引脚 6 (CT 和 RT)：这两脚设置芯片的工作时钟，通过接不同的 电容和电阻，形成不同的锯齿波信号。 （6） 引脚 7（Ramp）：此脚为斜坡补偿端。 （7） 引脚 8 (Soft Start)：此引脚接一个电容，在整个电路上电时可以抑制 电路的冲击电流，为软启动端，有保护功率元件的作用。 （8） 引脚 9 (ILIM/SD)：此引脚具有过流保护的功能，只要将输出电流反馈至 此端，当电源输出短路情况或者输出电流过大出时，即一旦超过内部设定值，芯片 可以迅速封锁输出，让整个电路处于关闭状态。 （9） 引脚 10，引脚 13 和引脚 15（Gnd，Pwr Gnd 和 Vcc）：这些脚分别接信 号地，功率地，和电源电压。 （10） 引脚 11 和引脚 14（Out A 和 Out B）：这两脚输出互补的高低驱动脉冲 信号。 （11） 引脚 13 和引脚 16 (Vc 和 Vref)：引脚 13 是为了能够获得足够的驱动能 力或者配合不同的驱动电压等级设置的驱动电路的电压输入端，设计者可以随意调 整。引脚 16 为稳定的 5.1V 基准电压输出端。7 3.3 UC3825 的工作原理 UC3825 的内部电路包含多个功能的子模块，有锯齿波和时钟产生，误差放大与 比较，电源和内部故障检测，软启动，过流保护和输出逻辑控制驱动等模块，框图 如图 3-2 所示。 图 3-2 UC3825 的内部电路框图 （1） 锯齿波和时钟产生模块。此模块的逻辑电路如图 3-3 所示。引脚 5 接芯 片内部 3V 的稳定电压，引脚 6 接芯片内部的一个恒流源。如果引脚 5 和对地端接 上一个电阻，电阻上就会流过电流 Ir，芯片内部经过检测引脚 5 上的电流而产生一 个与之一样的恒定充电电流 Ic=Ir。如果在引脚 6 和对地端接一个电容，这个充电 电流 Ic就对电容 C 进行恒流充电，CT端电压就会呈线性的斜坡增加，如图 3-3 所示。 图 3-3 锯齿波和时钟产生电路 （2） 误差放大与比较模块，此模块构成如上图所示，由引脚 1,2,3 连接成的 一个反相误差放大器和一个电压比较器组成。电压比较器通过误差放大器将电路输 出的电压信号转换后与引脚 7 接入锯齿波电压相比较，随之输出高低电平。由此可 得：比较器输出的高低电平时间是由误差放大器的输出电压与锯齿波电压相比较决 定的。若误差放大电压越小，比较器输出的高电平时间越长，反之越短。 （3） 电源欠压保护和内部故障检测模块。如上图所示，两个电压比较器组成 了此模块的功能。电源欠压保护通过输入电源电压与一个 9V 的稳定电压进行比较 实现，内部故障检测通过由稳压器得到的基准电压与一个 4V 电压进行比较实现。 只有当电源电压和基准电压都正常稳定时，后方电路才正常工作，从而使芯片正常 工作。如果有一个电压不稳定，后方电路就会使输出驱动电路停止工作，从而达到 保护主电路的目的。 4 4 主电路的选型与设计主电路的选型与设计 4.1 开关电源主电路的结构设计 本设计按照要求的目标完成一个交流输入采用市电，带隔离变压器的全桥式开 关电源，要求其输出电压调整范围为 20V50V，最大输出电流 4A，开关电源的效 率70%。现拟采用图 4-1 所示的电路图，它由变压整流，输入滤波，全桥式 DC-DC 变换器和输出滤波电路组成，现分析其工作原理。 图 4-1 开关电源主电路图 整个电路由交流 220V 的市电供电，通过一个熔断器 FU 和电阻 R11电容 C33输入 隔离变压器 T1。熔断器 FU 的主要起短路保护的作用。隔离变压器将 220V 电压转换 成 36V 交流电，形成脉动的直流电压。图中的电感 L1和电容 C1共同组成了倒 L 型 滤波电路，主要对脉动的直流电起滤波作用，这样就得到了平稳的直流电压供给 DC-DC 变换器。四个开关管 Q1，Q2，Q3，Q4和高频变压器共同组成了全桥式 DC-DC 变换器，通过 Q1、Q3和 Q2、Q4两组开关管的轮流导通，在变压器副边绕组两端分别 形成相位相反的交流电压，经过二极管 D3和 D4整流，然后经一个倒 L 型滤波电路， 得到稳定的输出电压。89 4.2 主电路主要参数的计算 （1） 高频变压器次级输出电压。本设计要求输出电压 Uo为 20V 到 50V 可调， 最大输出电流 Io为 4A，同时，为了不使两组开关管 Q1，Q2或 Q3，Q4同时导通而发 生短路的情况发生，必须设置一定的死区时间，即设置一组开关管的最大占空比， 这里定。所以，高频变压器的次级输出电压应能够在最大输出占空比 max 39%D n U 的情况下能够保证=50V，并且不能忽略二极管的压降，即： o U （4-1） 式中为整流二极管 D3 和 D4 的压降，取值为 1V。 D U （2） 高频变压器初级输入电压。隔离变压器次级输出的交流 36V 电压经桥式 整流和倒 L 型滤波，得到稳定的直流电压，考虑 10%的线路损耗，这样就可以得 d U 到高频变压器初级输入电压，即： n U （4-2） 2 0.932.4 d UUV （4-3）0.925.16 ndvt UUUV 式中：为 MOSFET 的导通压降，通常取为 2V。 vt U 由此可得高频变压器的匝数比： （4-4） （3） 输入功率和输出功率。根据电路的最大输出电流和最大输出电压，可以 得出电路的最大输出功率，即： （4-5）200 ooo PUIW 电源电路的输入功率等于开关电路的输出功率加上电路的损耗及控制电路所消 耗的功率，可近似的当做线路的总体损耗来计算，考虑 10%的电路损耗，得: （4-6）(1 10%)369 iii PUIW max max 65.1 2 o nD U UUV D 2.59 n n U n U 其中：，。32.4 id UUV10.35 io InIA （4） 开关电路的工作频率。基于人的听力范围为 20Hz 到 20KHz，开关电路工 作频率应大于 20KHz。因为开关电路工作时，频率如果低于 20KHz 的话，高频的噪 声就会被人体感觉到，造成不良的影响。再者，开关频率的提高能够减小滤波电感 电容的大小，以及高频变压器的体积，从而使高频率的开关电源能够做的很小。 通过芯片工作电压波形可以发现，芯片震荡频率为芯片实际输出的驱动电压波 形频率的两倍。所以在设置芯片的工作频率就就要使其为大于 40KHz，因为电路在 有一个周期驱动是不工作的。从芯片资料可知 UC3825 是实际工作频率可以达到 1MHz 的高频率的 PWM 控制芯片，能完全满足设计的要求。基于频率越高，开关损耗 越大的考虑，这里初定芯片工作频率为 80KHz。由图 3-3 的锯齿波形成电路可以得 出，充电电容的放电可以近似看成是恒流放电，从芯片资料中查得其放电电流为 10mA，这样就可以算出充电电阻及电容的值： （4-7） 由于没有的电阻供选择，取，1.36K1.5K （4-8） 由于没有 10.4nF 的电容器供选择，取的容量为 10nF，则电路的实际工作频 T C 率为： （4-9） 可得开关管的工作频率为 ，满足设计要求。 4.3 高频变压器的计算与设计 开关电源中承担了主要功率变换的作用是高频变压器，全桥式 DC-DC 变换器实 际上就是一个中心带抽头的高频变压器。因为开关电源的工作频率远远大于工频， 本设计中已经达到了 83KHz，它的工作状态不同于普通的工频变压器。其磁性的材 料，绕组都需要重新计算和设计。10 （1） 变压器磁芯的选择。因为变压器在高频开关状态下工作，为了变压器磁 max 3 1.36 (10) (1) T V RK mAD max (1.6) 10.4 () T T D CnF Rf max (1.6) 83.2 () TT D fKHz RC 1 41.620 2 fKHzKHz 芯在这种高频率的工作电压下能快速恢复，就要求其具有很好的去磁能力，还有工 作的磁滞回线包围的面积要尽量小。于是，本设计选用 TDK 公司生产的 PC40 型铁 氧，它是低磁导率的铁氧体磁芯，具有优良磁导性能，可以适应高工作频