基于UC3842的单端反激式开关电源毕业设计论文.docx

电子线路系统设计课程论文题 目： 基于UC3842的单端反激式开关电源 姓 名： 马思麒 学 号： 20134532 同组姓名： 孟雨 专业班级： 电子信息工程二班 指导老师： 谢铁强 评分标准：论文结构完整（20分）参数设计准确（20分）论文格式规范（20分）文字表述清楚（20分）设计符合要求（20分）总分（100）一 设计目的随着计算机、电子技术的发展，电子技术的应用领域越来越广，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。任何电子设备都离不开可靠的电源，他们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使得电源以轻、薄、小和高效为发展方向。二十世纪八十年代，计算机全面实现开关电源化，率先完成计算机的开关电源换代。九十年代，开关电源在电子电气设备、家电领域中得到了广泛应用，开关电源进入快速发展时期。经过几十年的发展开关电源技术有了重大进步和突破。新型半导体器件的开发是开关电源技术进步的龙头，高性能碳化硅半导体器件一旦研制成功，对于开关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件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。总之，开关电源的高效化、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。二 设计要求1、 固定输出电压34V2、 输出电流740mA3、 输出功率为25.16W4、 电路中要求有过流保护5、 电路中要求有过压保护电路图如图所示3、 设计方案开关型稳压电源的电路结构有多种：(1)按驱动方式分，有自励式和他励式。(2)按DC/DC变换器的工作方式分：单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等;降压型、升压型和升降压型等。(3)按电路组成分，有谐振型和非谐振型。(4)按控制方式分：脉冲宽度调制(PWM)式;脉冲频率调制(PFM)式;PWM与PFM混合式。(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。以上这些方式的组合可构成多种方式的开关型稳压电源。因此设计者需根据各种方式的特征进行有效地组合，制作出满足需要的高质量开关型稳压电源。A. 正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。正激式变压器开关电源工作原理 所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。B.   反激式变压器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用最广泛。    所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式可做小功率, 成本低, 调试相对简单些, 所以在小功率电源中常用。它们的区别: （1）主变压器方面, 正激的需增加消磁绕组, 当然也有的用增加两个二极管在主绕组进行消磁, 无论如何正激电源必须增加消磁回路. （2）输出: 反激不用增加输出储能电感, 因为能量能储存在次级线圈中. 正激须增加输出储能电感, 且整流部分需增加续流二极管.（3）基本特点 1:工作状态不同. 2:正激次级侧需有储能电感. 3:反激一般功率做的小点. 故选择反激。控制方法A.采用脉冲频率调制PFM (Pulse Frequency Modulation)的控制方式，其特征是固定脉冲宽度，利用改变开关频率的方法来调节占空比。输出电压的调整范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。B.采用脉冲宽度调制PWM (Pulse Wildth Modulation)的控制方式，其特征是固定开关的频率，通过改变脉冲宽度改变占空比,控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难1、滤波困难（谐波频谱太宽）。2、峰值效率以前,PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大。3、PFM控制相比PWM控制 IC 价格要贵。PFM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因就是另外一个原因就是PWM的巨大优点了：控制方法实现起来容易，PFM控制方法实现起来不太容易。故选用B拓扑结构主回路开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。1. 非隔离式电路的类型：非隔离输入端与输出端电气相通，没有隔离。 串联式结构和并联式结构2. 隔离式电路的类型：隔离输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。2.1. 单端正激式 single Forward  Converter（又叫单端正激式变压器开关电源 ）单端通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。 正激变压器脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。（正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的，推免式有两个控制开关，正激式改成一个开关控制。）在本次设计中，根据设计指标要求，应该采用有变压器隔离的拓扑，即反激式电路拓扑。四、工作原理：开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过了对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。一般开关电源控制集成电路包括振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用AC/DC变换器就是离线式开关变换器。开关电源的工作原理框图如图1-1所示。开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图2-2进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo其次了解一下该单端反激开关电源的核心控制元件UC3842，UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，是单电源供电，带电流正向补偿，其内部组成框图如图9-13所示。共有8 个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端， 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RT×CT)；脚为公共地端；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 ；脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。UC3842主要用于高频中小容量开关电源，用它构成的传统离线式反激变换器电路在驱动隔离输出的单端开关时，通常将误差比较器的反向输入端通过反馈绕组经电阻分压得到的信号与内部2.5V基准进行比较，误差比较器的输出端与反向输入端接成PI补偿网络，误差比较器的输出端与电流采样分压进行比较，从而控制PWM序列的占空比，达到电路稳定的目的。如整体电路图所示。单端反激式变换器中，220V交流输入电压经低通滤波后的交流电压经桥式整流以及电解电容C6、C7滤波后变成310V的脉动直流电压，此电压经电阻R3降压后给电容C12充电，当电容C12的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由管脚6输出驱动信号推动开关管工作，当UC3842启动后工作电压由反馈绕组N3提供，稳压管D9起到限制UC3842输出电压的作用。当开关管S1导通时，输入电压加在一次绕组N1上，N2的感应电压上负下正，整流二极管D1和D2反偏而截至，二次侧无电流流动，负载由储能滤波电容的放电提供电流。当开关管S1截止时，N2上的感应电压使整流二极管正偏。变压器的储能通过导通的二极管传送，一是给电容充电，二是给负载提供输出电流。该单端反激式开关电源利用TL431和光耦构成反馈电路，当输出电压放生波动时，经分压电阻R5、R7得到的取样电压就与TL431中的2.5V基准电压进行比较，在阴极上形成误差电压，使发光二极管的工作电流发生变化，从而改变了UC3842的Comp控制端电流的大小，调节UC3842的输出信号占空比，使输出电压变化，从而达到稳压的目的。此电路还具有过流、过压和欠压保护功能，若输出端意外短路，输出电流成倍增大，使开关RF断开，故障排除后，自动恢复开关RF在几秒内快速恢复阻抗。当由于某种原因产生过流时，开关管的漏极电流将大幅度上升，R9两端电压上升，UC3842的3脚伤的电压也上升，当该脚的电压超过正常值达到1V时，UC3842的6脚无输出，开关管截止。当供电电压发生过压时，UC3842的7脚电压上升，其2脚上的电压也上升，使UC3842的6脚无输出。当供电电压欠压时，UC3842的1脚电压下降，当下降到1V以下时，UC3842的6脚无输出。4、 模块主参数设计及估算1）整流电路1、最大输入功率PIN MAX=POUT MAX/=34W/0.8=42.5W2、输入整流桥电流方均根值IPRMS=PIN MAX/(UAC MIN*cos=42.5W/(85v*0.6)=0.833A3、直流输入电压最大值UDC MAXPK=2UAC MAX=2*270V=382V4、直流输入电压最小值UDC MINPK=2UAC MIN=2*85V=120V5、直流输入电压最小值UDC MIN=UDC MINPK-URipple=120V-20V=100V6、输入电容放电时间TD=5ms*(1+arcsin(UDC MIN/UDC MINPK)/90)=8.1ms7、输入电容放电能量WIN=PIN MAX*TD=42.5W*8.1ms=0.344Ws8、输入电容容量CIN=2WIN/(UDC MINPK2-UDC MIN2）=155.2uF9、直流输入电压最小值UDC MIN=(UDC MINPK2-2WIN/CIN)=99.8V2）变压器10、一次侧峰值电感电流ILPK=2PIN MAX/UDC MIN*DMAX=2*42.5W/99.8V*0.5=1.703A11、一次侧电流方均根值ILRMS=ILPK*(DMAX/3)=1.703A*(0.5/3)=0.695A12、一次电感LP=DMAX*UDC MIN/ILPK*f=(0.5*99.8V)/(1.703A*100*103HZ)=293uH13、一次绕组匝数NP=(LP/AL)= (293uH/244nH)=34.65匝14、二次绕组匝数NS=NP*(UOUT+UFDIODE)/UR=35*(34+0.7)/100=12.145匝15、偏置绕组匝数NAUX=NP*(UAUX+UFDIODE)/UR=35*(10+0.7)/100v=3.745匝16、核算一次电感LP=N ²P*A1=35²*244nH =299uH17、核算一次侧峰值电感电流LLPK=(UDC MIN*Dmax)/(LP*f)=99.8V*0.5/299uH*100*1000HZ =1.67A18、核算最大磁通密度Bmax=(Lp*ILPK)/(NP*Ae)=299uH*1.67A/35*83mm² =172mT19、核算气隙长度S=(4*10(-7)*N²P*Ae)/LP =0.43mm 20、骨架有效宽度BWe=BW-2M=20.1mm-2*4 =12.1mm21、绕组有效截面积ANe=(AN*BWe)/BW=108.5mm²*12.1mm/20.1mm =65.3mm²22、一次绕组有效截面积AP=(0.5AN*fCu*BWe)/(NP*BW)=0.5*108.5*0.3*12.1/35*20.1 =0.28mm²23、一次绕组导线规格AWG=9.97*1.8277-(2*d)=22AWG24、二次绕组有效截面积AS=(0.45*AN*fCu*BWe)/(Ns*BW)=0.45*108.5*0.3*12.1/4*20.1 =2.20mm²25、偏置绕组有效截面积AAUX=(0.05*AN*fCu*BWe)/(NAUX*BW)=0.05*108.5*0.3*12.1/4*20.1=0.24mm²26、一次绕组每层匝数Np=(BWe)/dp=17匝/层Ns=4匝/层27、输出整流二极管最高向电压URDIode=UOUT+(UDCMAXPK*(NS/NP)=34V+(382*(13/35) =175.9V28、二次电流最大值ISPK=ILPK*NP/NS=1.67*35/13=4.496A29、二次电流方均根值ISRMS=ISPK*(1/3*DMAX)=4.496A*(1/3*0.5)=1.8A3）整流输出电路30、输出电容容量COUT=IOUTMAX*NCP/UOUT*f=0.74*5/0.5V*100*1000Hz=74uF31、输出滤波电容零频率Fzcout=1/2*RESR*COUT=1/20.06*74uF=36kHz输出电感LOUT=RESR/2*Fzcout*npcout=0.08uH