单端反激式开关电源设计UC3842—毕业设计论文

单端反激式开关电源UC3842—毕业设计论文 基于UC3842的开关电源设计 摘 要 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电影产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。 UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20,80W小功率开关电源。由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。设计思路，并附有详细的电路图。 关键词:开关电源，uc3842，脉宽调制，功率，IGBT I 前 言 .................................................................................................. 1 第1章 开关电源的简介 ................................................................... 2 1.1 开关电源概述 ....................................................................... 2 1.1.1 开关电源的工作原理 ................................................. 2 1.1.2 开关电源的组成 ......................................................... 3 1.1.3 开关电源的特点 ......................................................... 4 1.2 开关器件............................................................................... 4 1.2.1开关器件的特征 .......................................................... 4 1.2.2器件TL431. ................................................................. 5 1.2.3电力二极管 .................................................................. 5 1.2.4光耦PC817 .................................................................. 6 1.2.5电力场效应晶体管MOSFET ...................................... 7 第2章 主要开关变换电路 ............................................................... 8 2.1 滤波电路............................................................................... 8 2.2 反馈电路............................................................................... 8 2.2.1电流反馈电路 .............................................................. 8 2.2.2电压反馈电路 .............................................................. 9 2.3电压保护电路 ........................................................................ 9 第3章 UC3842 ............................................................................... 10 3.1 UC3842简介 ....................................................................... 10 3.1.1 UC3842的引脚及其功能 .......................................... 11 3.1.2 UC3842的内部结构 .................................................. 11 3.1.3 UC3842的使用特点 .................................................. 13 3.2 UC3842的典型应用电路 .................................................... 14 3.2.1反激式开关电源 ........................................................ 14 3.2.2 UC3842控制的同步整流电路 .................................. 15 3.2.3升压型开关电源 ........................................................ 17 第4章 利用UC3842设计小功率电源 .......................................... 18 4.1 电源设计指标 ..................................................................... 18 II 4.1.1元件的选择 ................................................................ 19 4.1.2电路结构的选择 ........................................................ 20 4.2 启动电路............................................................................. 21 4.3 PWM脉冲控制驱动电路 .................................................... 22 4.4 直流输出与反馈电路 ......................................................... 23 4.5 总体电路图分析 ................................................................. 24 结 论 ................................................................................................ 24 参考文献 ....................................................... 错误～未定义书签。29 致 谢 ............................................................. 错误～未定义书签。30 附 录1:总体电路图 ...................................................................... 25 附 录2:开关电源常用英文标志与缩写 .... 错误～未定义书签。32 外文资料译文 ............................................... 错误～未定义书签。33 III 前 言 电源[power supply; power source] 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。 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。 1 第1章 开关电源的简介 1.1 开关电源概述 1.1.1 开关电源的工作原理 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1-1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。 SiTONUU0 VUiU0 000tt(a)(b) (a) 电路图,(b) 波形图 图1-1开关电源的工作原理 为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下 T DON, (1-1) T 式中，T表示开关S的开关重复周期;TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。 开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系: Uo=UD (1-2) i 由式(1-1)和式(1-2)可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间T，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，0n 只改变来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于T0n 2 PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。若保持不变，利用改变开关频率f=1/TT0n 实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方T0n 式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节 [1]的稳压方式均有应用。 1.1.2 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图1-2所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分;驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求;信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、 PFM信号或其他信号;比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、 频率、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、 过流过压保护、 输入滤波、 输出采样、 功能指示等电路。反馈回路其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、 降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。 图1-2 开关电源的基本组成 3 1.1.3 开关电源的特点 开关电源具有如下特点: (1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%,90%，高的可达90%以上; (2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了; (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90~270 V内变化时，输出电压的变化在?2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率; (4)安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠; (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20 kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗;特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机 [2]的可靠性和稳定性。 1.2 开关器件 1.2.1开关器件的特征 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征: (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定;阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际 4 开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。 1.2.2器件TL431. TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳 [3]二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 TL431特点: (1)最大输出电压为36V; (2)电压参考误差:?0.4, ，典型值@25?(TL431B); (3)低动态输出阻抗，典型0.22Ω ; (4)负载电流能力1.0mA to 100mA; (5)等效全范围温度系数50 ppm/?典型; (6)温度补偿操作全额定工作温度范围; (7)低输出噪声电压。 R K A 图1,3 tl431的外观和管脚 1.2.3电力二极管 电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。 (1) 普通二极管(General Purpose Diode) 普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高(1 kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很 5 高，分别可达数千安和数千伏以上。 (2) 快恢复二极管(FRD) 快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多在400 V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，有的甚至达到20~30 ns。 (3) 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SBD)，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是:反向恢复时间很短(10~40 ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲;在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管;其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是:当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下;反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不 。[4] 能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度 1.2.4光耦PC817 [12]PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响. 当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信号)，不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同,PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 主要应用范围:开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其 6 [6]它家用电器等产品。 图1,4 PC817的外观和内部结构 1.2.5电力场效应晶体管MOSFET (1) 电力场效应晶体管的特点 电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。其特点是:用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10 kW的电源电子装置。 (2) 电力场效应晶体管的结构和工作原理 (a) N沟道内部结构断面示意图, (b) 电气图形符号 图1-5 电力MOSFET的结构和电气图形符号 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图1-5所示。其中G为栅极，S为源极，D为漏极。电力MOSFET的工作原理是:在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过;在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。 7 第2章 主要开关变换电路 2.1 滤波电路 输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图2-1所示滤波电路是一种复合式EMI滤波器，L、L和C构成第一级121滤波，共模电感L和电容C、C进行第二级滤波 323 图2-1输入滤波电路 C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜 [7]选用陶瓷电容器。 2.2 反馈电路 2.2.1电流反馈电路 电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电 2-2流，原理如图所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平 R均值反馈两路，上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使2 UUUC384U1VUC3842变化，接入2的保护输入端?脚，当,时，R2R2R2 RR芯片的输出脉冲将关断。通过调节、的分压比可改变开关管的限流值，12 实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电 [1] 阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。 8 图2-2电流反馈电路 2.2.2电压反馈电路 2-3TL431电压反馈电路如图所示。输出电压通过集成稳压器和光电 UC3842RR耦合器反馈到的?脚，调节、的分压比可设定和调节输出电12 UTL431压，达到较高的稳压精度。如果输出电压升高，集成稳压器的O UC384阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即2 UC3842U?脚对地的分流变大，的输出脉宽相应变窄，输出电压减小。O [10]U 同样如果输出电压减小，可通过反馈调节使之升高。O 图2-3电压反馈电路 2.3电压保护电路 2-4VS图所示为输出过电压保护电路。稳压管的击穿，电压稍大于 VSV输出电压额定值，输出正常时，不导通，晶闸管的门极电压为零， VSV不导通。当输出过压时，击穿，受触发导通，使光电耦合器输出三极 UC3842 管电流增大，通过控制开关管关断。 9 2-4 图输出过电压保护电 第3章 UC3842 3.1 UC3842简介 继MC1394、AN5900之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动集成电路。其特点是除内部PWM系统外，还设有多路保护输入和稳定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。典型的UC3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前广泛被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。UC3842是美国 [14]Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。 UC3842为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图1所示。主要由5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。端1为COMP端;端2为反馈端;端3为电流测定端;端4接Rt、Ct确定锯齿波频率;端5接地;端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力;端7为集成块工作电源电压端，可以工作在8,40V;端8为内部供外用的基准电压5V，带载能力50mA。 10 3.1.1 UC3842的引脚及其功能 VrefVfbCompRt/Ct8214 VccUc38427 OutISENSEGnd 635 图3,1 UC3842的引脚 如图3,1 : 1?脚为内部误差放大器输出端，外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性; 2?脚为误差放大器的取样电压输入端，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，而控制脉冲宽度; 3?脚为PWM比较器的另一输入端，当检测电压超过lV时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态; 4?脚为定时电容CT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,(R×C); TT 5?脚为接地端。 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?lA; 7?脚为启动/工作电压输入端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?脚为内部5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。 3.1.2 UC3842的内部结构 UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，其内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、 [15]5VC基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路、输出电路等，见图3-2。 11 图3-2 UC3842的内部结构 (1) 5v的基准电源:内部电源,经衰减得到2.5v作为误差比较器的比较基准.该电源还可以提供外部5v/50mA. (2) 振荡器:产生波振荡.R接在4RET 8脚之间,C接4GND5之间. 频TT 率f=1.8/CR,最大为500kHz. TT (3) 误差放大器:由VFB端输入的反馈电压和2.5V做比较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。Comp端引出接外部RC网络,以改变增益和频率特性. (4) 输出电路:图腾柱输出结构，电路1A，驱动MOS管及双极型晶体管。 (5) 电流取样比较器:?脚ISENSE用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样，当VISENSE>1V时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保护电路。 (6) 欠压锁定电路VVLO:开通阈值16V，关闭阈值10V。具有滞回特性。 (7) PWM锁存电路:保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。另外，VCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。 [1]图腾柱输出电路(Totem Pole):由于此结构画出的电路图有点像印第安人的图腾柱，所以叫图腾柱式输出，也叫图腾式输出。输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个晶体管的发射极接下面管子的集电极同时输出;下晶体管的发射极接地。两晶体管的基极分别接前级的 12 控制。就是上下两个输出晶体管，从直流角度看是串联，两晶体管联接处为输出端。上晶体管导通下晶体管截止，输出高电平;下晶体管导通上晶体管截止，输出低电平;上下两晶体管均截止，则输出为高阻态。在开关电源中，类似的电路常称为“半桥电路”。 3.1.3 UC3842的使用特点 (1) 采用单端图腾柱式PWM脉冲输出，输出驱动电流为?200mA，峰值可达?1 A。 (2) 启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在10,34 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。 (3) 内设5 V(50 mA)基准电压源，经2?1分压后作为取样基准电压。 (4) 输出电流为200 mA，峰值为1 A，既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET管。若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速RC电路，同时将内部振荡器的频率限制在40 kHz以下。若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定，工作频率最高可达500 kHz。 (5) 内设过流保护输入(3脚)和误差放大输入(1脚)两个PWM控制端。误差放大器输入构成主PWM控制系统，可使负载变动在30,,100,时输出负载调整率在8 ,以下，负载变动在70,,100,时负载调整率在3,以下。 (6) 过流检测输入端可对每个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%,V。如果?脚电压大于1 V或?脚电压小于1 V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用?脚和?脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。因此，电路的抗干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。 (7) 内部振荡器的频率由?脚外接电阻与?脚外接电容设定。集成电路内部基准电压通过?脚引入外同步。?脚和?脚外接RT、 CT构成定时电路，CT的充电与放电过程构成一个振荡周期，其振荡频率可由下式近111.8 f,,,似得出: T0.55RCRCCTTTT 13 (3,1) 3.2 UC3842的典型应用电路 3.2.1反激式开关电源 反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程是:开关开通后，V处于断态，初级绕组的电流线性增长，电感储能增加;开关关断后，初级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过次级绕组和V向输出端释放。 图3-3是反激式开关电源原理图，其中的控制芯片采用UC3842。电源的输出电压等级有三种:，5V、，12V、,12V。该电路变换器是一个降压型开关电路。由单管驱动隔离变压器TC主绕组N电流，C、R可以提123供变压器原边泄放的通路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源Vcc由R从整流后电压提供提供。Vcc同时也作为辅助反馈绕组N的反馈电23压。 反馈比较电路信号是从辅助绕组N经过V、V、C、C等整流滤波31234后得到的V分压提取的。C、R构成信号的有源滤波。开关管电流被Rcc6710取样后，经R、C滤波，送芯片ISENSE端，当反馈信号值超过阈值1V97 时，确认过载，关断电源输出。芯片输出部分由OUT端驱动单MOSFET [1]管，C、V对开关管有电压钳位作用。 83 图3-3 UC3842组成的反激式电源 14 3.2.2 UC3842控制的同步整流电路 图3,4为使用它激式驱动电路UC3842组成的5V,10A开关稳压电源。其基本技术参数如下:输入电压8,16V，输出电压5V，最大负载电流10A，输出端脉冲纹波峰值<80mV，输入电压、负载电流以及环境温度在额定范围内变化时输出电压变动小于2 %，环境温度-10,+70?，变换器频率120KHz，在允许的输入电压范围内，负载电流最大时开关电源的平均效率95,。 设驱动脉冲在Tn期间，变换器开关管导通，向电感存储磁能。存储能量正比于Tn的脉冲宽度。在驱动脉冲Tn截止后，经过设定的死区时间T，脉冲间歇期的低电平输出通过控制电路，使续流二极管上并联的开关D 管导通。低内阻的MOSFET管D,S极并联接入续流二极管，使电路等效内阻大幅度降低，储能电感能量释放电流增大，向负载放电。死区时间的设定，是为了避免两只不同功能开关管形成瞬间共态导通，造成供电电路短路损坏开关管。由于MOSFET管无存储效应，可以将死区时间T设置D短一些，更利于在稳压电路的控制下大范围改变脉宽速度，以实现更大的稳压范围。 图3,4 基于同步整流技术的电源电路 UC3842采用脉冲宽度调制方式稳定输出电压，其各脚功能及外围元器件作用如下: 1?脚为内部误差比较器的误差检测输出端，在集成电路内部控制脉宽调制器。外电路接入R作为负反馈电阻，以稳定增益。C作为频率特性28 15 校正，避免比较器产生自激。 2?脚为比较器正向输入端。稳压器输出5V电压，由R、R分压，正41常稳压状态为2.5V取样电压。比较器的反向输入端在集成电路内部，由5V基准电压分压得到2.5V基准电压。 3?脚为高电平保护输入端，其输入电平保护阈值为1V。在1V以下，可以控制输出驱动脉冲的脉宽，达到1V，则瞬间关断输出脉冲。在图4-12中，由电流互感器T对开关管VT导通电流取样，经V整流，R、R分12156压后，送入集成电路?脚作为开关管过流保护。电容器C为高次谐波旁11路电容，以避免脉冲尖峰使保护电路误动作。 4?脚为内部振荡器的外接定时电路端子，5V基准电压通过电阻向电容器C充电。R、C设定振荡器的脉冲频率。该振荡器频率设定为120KHz。 10310 5?脚为共地端。 6?脚为PWM驱动脉冲输出端，用以驱动P-N沟道对管VT组成的移l相驱动器。 7?脚为供电端，接入8,16V输入电压。 该电路的同步整流器由VT、VT和VT组成。开关管VT为P沟道1232FET管IRF4905，其漏源极导通电阻为20M?，关断时间80ns。 开关管VT为N沟道FET管IRF3205，其导通电阻8M?，其漏一源3 极并联接在续流二极管V两端。V为反压10V、最大电流30A的肖特基22 二极管，当负载电流最大时，其饱和压降在0.5V左右。VT导通后，与3V并联，将此电压降低到100mV，大大降低了开关管的损耗。 2 为了实现VT、VT的轮流导通，电路中由双场效应管VT组成驱动231脉冲相位分离电路。VT内部由P沟道和N沟道FET对管组成。当IC?11脚输出驱动脉冲为高电平时，VT内部P沟道FET管截止，N沟道FET管1 导通，VT栅极通过R、VT?脚和?脚得到电压，VT导通，输入电压2712通过VT源一漏极加到L左端，由电源向L2存储磁能，同时向负载供电。22 电流呈线性增长。当驱动脉冲达到截止点时，C充电电压最大。在VTl22导通的同时，VT导通，其?脚和?脚将VT栅源极短路，使VT截止。133在L存储能量期间，VT也反偏截止。 22 在驱动脉冲的截止期，IC?脚输出低电平，VT内部P沟道FET管导11 16 通，将VT的栅源极短路。此时VT的N沟道FET管截止。使VT也截212止，L释放磁场能量，V正偏导通，VT?脚漏极输出高电平经过R，使2217VT导通，其漏源极低内阻并联在续流二极管V两端，使L的释放电流322增大。此部分电路中，利用MOS FET管的快速开关特性对VT、VT的导23通,截止进行控制，使VT、VT开关损耗进一步降低。由于L在磁-电的232存储,释放过程中难免形成开关脉冲纹波，因此电路中滤波电容C为612只100μF的电容并联，以有效地降低电解电容的分布电感，使其高次谐波的滤波性能更好。 3.2.3升压型开关电源 由UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感L5、 开关管VT7组成斩波式开关稳压器，UC3842构成开关控制电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4，成为直流电压，正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时，输入整流电压经L5、VT7漏源极、R6完成回路，输入整流电压全部加在L5两端，从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时，L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接，通过升压二极管V6、 电容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量，因此，控制VT7通断占空比，可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入，取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。 图3-5 由UC3842组成的它激式升压开关电源电路 在图3-5中，升压电路由UC3842为核心，构成它激式开关电路。为了提高升压电路的可靠性，UC3842采用多路取样的控制方式形成保护电路。UC3842在该开由UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感L5、开关管VT7组成斩波式开关稳压器，UC3842构成开关控制 17 电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4，成为直流电压，正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时，输入整流电压经L5、VT7漏源极、 R6完成回路，输入整流电压全部加在L5两端，从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时，L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接，通过升压二极管V6、 电容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量，因此，控制VT7通断占空比，可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入，取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。 为了使振荡频率稳定，C12的充电电压取自UC3842?脚内部的5 V基准电压。如果电路故障使UC3842输出驱动脉冲占空比过大时，VT7导通时间将变长，截止时间将缩短，其漏源极平均电流增大，致使过流取样电阻R6、 R7压降增大，此时UC3842?脚电压升高，通过内部比较器控制触发器，使驱动脉冲占空比减小。如果过流取样电压达到1 V左右，则自动持续关断驱动脉冲，避免输出电压超高损坏负载电路和开关管。 第4章 利用UC3842设计小功率电源 4.1 电源设计指标 小型电源输入、输出参数如下: 输入电压:AC 110/220V; 输入电压变动范围:90,240V; 输入频率:50/60Hz; 输出电压:12V; 输出电流:2.5A。 控制电路形式为它激式，采用UC3842为PWM控制电路。电源开关频率的选择决定了变换器的特性。开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但随着频率的提高，诸如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突出，而且频率越高，对磁性材料的选择和参数设计的要求会越苛刻。另外高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会比较困难。在本电源中，选定工作频率为85kHz.。 18 4.1.1元件的选择 1变压器和输出电感的设计 依据UC3842应用方式，选定定时电阻R,1.8kΩ，定时电容C,TT10μF。确定开关频率f,85kHz，周期T,11.8μs。 设计单端控制开关电源时，一般占空比D最大不超过0.5，这里选择D,0.5，则: (4-1) T,T，D,5.9(,S)ON 根据电源规格、输出功率、开关频率选择PQ26/25磁芯，磁芯截面积 2S,1.13cm，磁路有效长度L,6.4cm，饱和磁通密度B,0.4T。取变压器S 最大工作磁感应强度B,B/3?0.133T，则电感系数A为: maxS ,62A,(0.4,,S/l)，10,4.44(,H/N) (4-2) 变压器原边线圈匝数N为: 1 N,U，(T/B)，S1IONMAX (4-3) 式中，U――最小直流输入电压。 I 交流输入电压的最小值约为90V，U,90×?2?127(V)，得出N,49.9I1 2匝，取50匝。原边线圈电感L,AN,11.1(mH)。 1 副边线圈匝数为: N(U，U，U)10DFLN,2UDImax (4-4) 式中:U――整流二极管VD上的压降; U――输出电感L上的压DFlL 降。 取U+U,0.7V，代入式(6-4)，得N,10匝。副边线圈电感为: DFL2 2 (4-5) L,NA,444,HL22 开关管断开时，N两端将会产生感应电动势，为了保证开关管正常工1 作，将感应电动势限制到e=300V。反馈电线圈向UC3842提供U,12V的工作电压，按电容C上的电压U,16V计算，以保证有足够的供电电压1C 给UC3842。由N,(U/e)N可得N,2.67匝，取3匝。 3C 13 变压器副边电流为矩形波，其有效值为: I,ID,1.77A20max (4-6) 22导线电流密度取4A/mm，所需绕组导线截面积为1.77/4?0.44(mm)。 19 同样可选择原边绕组导线，原边电流有效值为: N2I,ID,0.354A10maxN1 (4-7) 2所需绕组导线截面积为0.354/4,0.0885mm，选用截面积为 20.09621mm的导线(Φ0.41mm)。 取输出电感的电流变化量?I,0.2I,0.5A，则输出电感为: LO U,U,U2DFOL,TON,IL (4-8) 式中:U――副边线圈最小电压。 2 计算得: U，U，UODFLU,,25.4(V)2D (4-9) 取U,0.5V，U,3V，代入式(6-8)可得L,140μH。根据输出电感DFO 2上的电流I,I，所需绕组导线截面积应为2.5/4,0.625mm，选择截面积LO 2为0.6362mm导线(Φ0.96mm)。 4.1.2电路结构的选择 小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路，电源结构简单，工作可靠，成本低。与单端反激式电路相比，单端正激式电路开关电流小，输出纹波小，更容易适应高频化。用电流型PWM控制芯片UC3842构成的单端正激式开关稳压电源的主电路如图4-1所示。 单端正激式开关稳压电源加有磁通复位电路，以释放励磁电路的能量。在图4-1中，开关管VT导通时V导通，副边线圈N向负载供电，V截124止，反馈电线圈N的电流为零;VT关断时V截止，V导通，N经电容3143C滤波后向UC3842?脚供电，同时原边线圈N上产生的感应电动势使11 V导通并加在RC吸收回路。由于变压器中的磁场能量可通过N泄放，33而不像一般的RCD磁通复位电路消耗在电阻上，达到减少发热，提高效率的目的。 20 图4,1单端正激式开关电源的主电路图 4.2 启动电路 图4,2输入220v交流电，经过C1、 L、 C2进行低通滤波 滤波后的交流电压经D1,D4桥式整流以及电解电容C1、C2滤波后变成3l0V的脉动直流电压，此电压经通过电阻R18分压给uc3842提供启动电压，当电压达到16v时达到芯片的启动电压，UC3842开始工作并提供驱动脉冲， uc3842的启动电压大于16 V，启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时，工作电压在10,34 V之间，负载电流为15 mA。超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。 LC3 0.2ufC1C2220vRVR10.2uf0.2ufC4R18C15C160.2uf50k68uf22uf47mh PT1F1 图4,2高频滤波整流电路 21 4.3 PWM脉冲控制驱动电路 R5 33Ω C66 ZD10.33uf 16v45R11kC88 410pf/1.2vC7 0.11ufUc38423R2 R19 100Ω R6Pc8171k7 0.5ΩR35.1k232C91C181 47ufR440.01uf5.1k 图4,3 PWM脉冲控制驱动电路 7图4,3由分压电阻R18提供分得的电压接入uc3842的?(vcc)管脚， 6uc3842启动工作，由?端(output)输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没 6有能量输出。当?脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。UC3842内部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16V和10V，电源电压接通之后，当7端电压升至16V时UC3842开始工作，启动正常工作后，它的消耗电流约为15mA。 由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如图4,3所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R6两端的电压上升，其中R19和C8组成滤波电路防止脉冲尖峰使电路误操作，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0.3V达到1V(即电流超过1(5A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这 [8]时，UC3842的脚?6无输出，MOS管S1截止，从而保护了电路。 22 4.4 直流输出与反馈电路 当开关管导通时，整流电压加在变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在变压器中，开关管截止后，能量通过次级绕组释放到负载上。由公式: Uo=(Ton/(n))E (4,10) T0ff 可以得出，输出电压和开关管的导通时间及输入电压成正比;与初，次级绕组的匝数比及开关管的截止时间成反比。 L2 150uf ，12vN3 C10N4 C11 0.47ufC13 C12 1000uf/25v 1000uf/25v R7 R83.9Ω10Ω 0.01uf , R11R9PC817470Ω470Ω R15R10 10k1kR16 7.5k K R17C14TL431 4.7k1ufRA 图4,4 直流输出与反馈电路 反馈电路采用精密稳压器TL431和线性光耦PC81。利用TL431可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。 如图4,4输出电压经R9，R11分压后得到的取样电压，与TL431中的2.5 V带隙基准电压进行比较。当输出电压出现正误差，取样电压>2.5 V，TL431的稳压值降低，光耦控制端电流增大，UC3842的反馈端(VFB)电压值增大，输出端的脉冲信号占空比降低，开关管的导通时间减少，输出电压降低;反之，如果输出电压出现负误差，UC3842的输出脉冲占空比增大，输出电压增高，达到稳压目的。 在对电压精度要求高的场合，会把电压反馈信号从补偿端(CMOP)输入，不用UC3842的内部放大器，因此反馈信号的传输缩短了一个放大器的传输时间，使电源的动态响应更快。 23 4.5 总体电路图分析 LL1C3uf1000uf3.3uH0.33C1D2mur3020C2220v.Ruf02VR1，C55v0.2uf.C15R20N1C16C4.R180.33uf2.4kN222D3uf47mh68150kuf,D1PT1F1FR307 R19C171000uf1k L2150uHR5v，12 C10.N33Ω4N3 0.47ufC11C13.C12v66Cuf/25v 1000 1000ufR7 ZD1/25 R. 001uf0.33uf4Ω8v 163.9Ω105R1,k1D5MUR3020C88R11R9. 410pf/12vPC817470Ω470Ω3842Uc3C7 R2 R15R19 100Ω R6R100.01ufk 101k7.Ω1k 052R16R3.k75C95.1kC181Kuf 47R4431TL0.01uf R17C145.1k1uf. 4A7kR 图4,5总体电路图 本设计利用uc3842组成的PWM脉冲控制驱动电路，输出，5v和，12v两个直流电源。电路分为四个模块，整流滤波电路，为uc3842提供启动电压，uc3842组成的PWM脉冲电路，驱动MOSFET管为变压器线圈提供脉冲，两个输出电路，以及一个电压反馈电路。 当电路启动运行后，uc3842的启动电压由R7分压,再经二极管整流后，得到的直流电压提供，此时第一模块的启动电路不再提供启动电压。 设计的特点在于精密的反馈调节系统。 结 论 UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20,80W小功率开 24 关电源。由于器件设计巧妙，，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。 附 录1:总体电路图 LC3L1 ufuf0.33C11000CD2mur302022203.3uHv.ufR02VR10.2uf，.C55vC15R20C4C16N1R18.0.33uf47mh222.4kufD368N2150kuf D1,PT1F1FR307 R19C171000uf1k L2150uHR5v.，12 C10N4Ω33N.3 0.47ufC11C13C12v6v 1000uf/25C 1000uf/256 ZD1R7 R.8 001uf0.33uf10Ω 16v4Ω3.95D5MUR3020R1,1kC8R118R9. 410pf/12vPC817Ω470Ω470C7 Uc38423R2 R150.01ufR19R10Ω 100 R6k 101kR31k.Ω7R16 052.k5.1k75C9C18uf1 47R4K431TL R17C140.01uf5.1k1uf 4.7kAR 25 电力电子系统的电磁兼容问题 电力电子系统的电磁兼容问题，集中体现为半导体器件的开关工作方式产生的传导性电磁干扰(EMI)。大容量、高开关频率器件的出现使得电力电子技术在人类的生产和生活领域中得到了日益广泛的应用。由于电力电子器件容量的增加以及开关速度的加快，开关动作产生的电磁干扰强度也随之增加。特别是随着电磁兼容法规的强制执行，电力电子系统传导干扰的严重性逐渐被人们所认识，对其进行准确地建模和预测已经成为电磁兼容领域的一个重点研究内容。 目前在传导干扰的定量预测领域，主要存在两大共性问题:一是多数预测方法仅针对特定的电力电子装置，缺乏一般性，导致预测方法通用性不强;二是多数研究采用定性或粗劣的定量分析方法，干扰幅值和频率的精度均不能满足全频段精确预测的要求，导致预测方法精确性不高。本论文在国家自然科学基金委创新研究群体科学基金“电力系统电磁兼容”(50421703)的资助下，以提高电力电子系统传导干扰的预测精度和方法通用性为目的，在传导干扰的耦合机理和定量描述方面开展了系统深入的研究，取得的创新性成果有: 1、完善了传导干扰关于电路描述及耦合模态的理论分析方法 在传导干扰研究中，为了有效地设计滤波器，通常根据耦合方式将干扰分解为差模分量和共模分量。传统的分析将干扰传播通道看作是对称和时不变的结构，认为差模分量和共模分量可以完全解耦。事实上，由于半导体器件非线性的工作方式，电力电子装置必然会出现不对称和时变的工作特性，差模分量和共模分量会相互影响而不能实现解耦，即出现一种新的混合模态分量。现有文献均没有建立这种混合模态分量的数学分析方法，因而无法从机理上给予解释。论文第二章研究了电力电子装置传导干扰的从而揭示了混合模态电磁干扰的产生机理。以开关电源为对象的实验结果表明:共模干扰电流经过转化后会增大差模干扰，验证了混合模态干扰的物理现象。基于所建立的干扰模型，定量分析了滤波措施对混合模态干扰的抑制效果。该部分工作完善了传导干扰关于电路模型和耦合模态的数学描述问题。 2、提出了适合于工程应用的干扰模型及参数确定方法 26 扰源和干扰耦合通道模型的实验测定方法，建立了主导性干扰的基本耦合模型，利用测试结果对数学模型的准确性进行了验证。研究发现，所提出的建模方法可以准确地把握电力电子装置干扰源和干扰耦合通道特性，结合所提出的模型参数确定方法，可较快地对电力电子装置的EMI抑制措施进行定量分析，有效缩短滤波器的设计周期。 3、建立了电力电子器件全频段的干扰源模型 在传导干扰的定量计算中，通常将开关器件的干扰源模型用周期性梯形脉冲波表示。但实际上开关器件在开通和关断过程所表现的暂态行为要复杂的多，并不能用简化的梯形电压和电流波形来替代。现有文献对开关器件的处理过于简单，均忽略了对开关过渡过程的详细建模，得到的结果必然丢失开关暂态所呈现的高频信息，这是产生误差的主要原因，但都没有从源头上得到解决。为了提高传导干扰计算模型在高频段的精度，论文第四章详细研究了电力电子器件开关暂态过程对干扰频域特性的影响。指出了现有开关暂态建模方法的缺陷，导出了一个重要的判据公式，对电力电子器件开关暂态模型的有效频率范围进行了界定。从研究开关器件的行为特性入手，首次提出了一种基于多段折线逼近开关暂态过程的建模方法，突破了传统的干扰源模型在高频段预测精确差的限制。以基于IGBT器件的直流变换器为对象进行了实验研究，结果表明:所提出的建模方法在0.15~10MHz频率范围的误差均小于6dB。该研究成果成功地解决了传导干扰高频段精确计算的难题，适用于电力电子装置传导干扰全频段的预测分析。 4、提出了电力电子系统回路耦合干扰的理论分析方法 电力电子系统是一个多回路电路，每个回路都可能存在多种性质的干扰源，这些回路之间的电磁场耦合也是电磁干扰的传播方式之一。为了准确地预测系统级电磁干扰的传播特性，需要对回路耦合干扰进行定量计算。20世纪70年代由Ruehli提出的部分单元等效电路模型为求解多导体的电磁场耦合问题提供了一套通用的分析方法，但该理论主要针对小尺寸的集成电路的互联结构建模，不能直接适用于大尺寸、高功率的电力电子系统。论文第五章将部分单元等效电路的部分电感理论引入到电力电子系统中来，研究了电磁干扰的回路耦合及共地耦合的传播特性。针对回路之间通 27 过空间磁场形成的感性耦合，基于互联导线的部分互感得到了回路耦合的数学模型。通过将地阻抗分解为内部阻抗和外部电感的组合形式，建立了接地回路在金属壳体上形成的地阻抗的数学模型，正确阐明了地电流的作用机理。以一套钢板壳体接地系统为对象，分别研究了差模干扰和共模干扰的回路耦合特性，测试结果验证了数学模型的正确性。该研究成果对分析和解决设备之间、系统内部的电磁干扰耦合问题具有很强的工程应用价值。(基于所提出的回路耦合干扰的分析理论，成功解决了我国海军潜艇电力系统电磁干扰的重大技术难题，是2006年度军队科技进步一等奖的获奖成果之一，作者为第四获奖人。代表性论文:基于部分电感模型的回路耦合干扰研究，中国电机工程学报，2007) 5、建立了PWM变换单元传导干扰通用的数学模型 电力电子系统中大量使用的PWM变换单元是电磁干扰的主要来源。对于这类装置，由于脉宽调制策略的多样性以及开关器件的数目众多，目前没有通用的解析方法，都是通过时域仿真结合快速傅立叶变换得到干扰频谱，计算耗时长且无法获得系统参数的作用规律。论文第六章引入双重傅里叶积分变换方法，将电力电子PWM调制过程用双变量共同作用的双重积分表示，实现了PWM变换单元传导干扰的数学描述。分别建立了正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制、断续脉宽调制单元干扰的数学模型，确定了不同PWM调制方式对传导干扰的影响规律。以典型的工业产品为对象，对PWM变频驱动系统的传导干扰进行了详细的理论分析与实验研究，对比结果表明:理论分析的误差小于6dB，完全满足电磁兼容工程设计的要求。该研究成果突破了传统时域仿真计算耗时长、积累误差大的限制，得到了一种通用的数学解析方法，为基于PWM技术的电力电子系统传导干扰研究给出了一个较为完善的理论框架。(应用本部分内容提出的理论方法，对我国首条采用PWM全电力推进系统的舰船进行了研究，发现外方引进系统存在严重的电磁干扰隐患，设计方德国西门子公司认可了我们的研究结论，免费为该船的电力推进系统加装了一套EMI滤波装置。代表性论文:考虑PWM调制策略的逆变器共模和差模干扰源模型，电工技术学报，2007; PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型，中国电机工程学报，2008) 28