开关电源设计论文

开关电源论文 摘 要: 本文从整体分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的详细#设计#。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计的编制。并对开关电源UC3842型的特点进行了介绍，其中主要阐述了UC3842型控制电路常用的结构、优点、适用范围等进行了分析，以及功能的实现方法。最后明它基本达到设计要求，从而验证了理论分析的正确性，具有广阔的应用前景。 关键词: 开关电源、PWM控制、UC3842。 一、引言 UC3842是美国尤尼创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芯片。具有引脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，常应用于计算、显示器等开关电源控制电路中，以及输出功率在100W以下的小功率开关电源。因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。本论文是基于芯片UC3842型开关电源PWM控制电路设计。 二、开关电源概述 2.1 开关电源的分类 开关稳压电源的电路结构的一般分类如下: (1)按驱动方式分类，可分为自激式和他激式。 (2)按DC/DC变换器的工作方式分类:可分为?单端正激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等;?降压型、升压型和升降压型等。 (3)按电路组成分类，可分为谐振型和非谐振型。 (4)按控制方式分类:可分为脉冲宽度调制(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式、PWM与PFM混合式。 2.2 开关电源的控制原理 开关电源是指电路中的电子器件在工作开关状态的稳压电源，是一种高频电源变换电路,采用直流-交流-直流变换,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。开关管总是周期性地通/断工作，通过电压反馈调整其占空比来达到稳定输出电压的目的。开关电源的基本结构如图2.1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换， 它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。 图2.1 开关电源的基本结构图 输出采用电路(R1、R2)检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图2.2是一种电路实现形式。 图2.2 开关稳压电源的原理电路 2.3 开关电源的优点 开关电源的电路结构比较复杂，但是和线性电源相比有如下几个突出的优点: (1)功耗小，效率高。 (2)体积小，重量轻。 (3)稳压范围宽。 (4)滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。 (5)电路形式灵活多样。 三、UC3842型电流模式PWM控制电路 3.1 UC3842的工作原理 UC3842采用单端输出，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEFT和IGBT等功率型半导体器件。其主要特性如下: (1)内置可微调的振荡器，可精确控制占空比; (2)电流模式工作，工作频率高达500kHz; (3)自动电压前馈补偿，具有低输入电阻的误差放大器; (4)PWM锁存，可实现逐个脉冲限制电流，具有双脉冲抑制; (5)内置微调的参考电压，具有欠电压锁定功能; (6)大电流推挽式输出，灌电流/拉电流最大为1A; (7)有滞环欠压锁定保护; (8)低启动和工作电流，启动电流小于1mA。 UC3842提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装封装SO-14，UC3842的引脚排列如图3.1所示。SO-14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地引脚。 (a) (b) 图3.1 UC3842的引脚排列 3.2 UC3842的工作描述 UC3842内部集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、推挽式输出电路、输入和基准欠压锁定电路及PWM锁存器电路。UC3842的内部结构及基本外围电路如图3.2所示。 图3.2 UC3842的内部结构及基本外围电路 该芯片由引脚7(12)外接的Ucc电源电压供电，工作电压可以在+10V—36V范围内变化。当电压超过36V时，其内部稳压二极管击穿，钳位在+36V。UC3842具有欠压封锁功能，电源电压Ucc接入滞环比较器的同相输入端，反相输入端为基准电压，开通阈值为16V ，关断阈值为10V。当Ucc大于16V时，比较器输出高电平，参考稳压器工作，输出基准电压。当电压电源下降时，Ucc低于关断阈值10V，比较器输出低电平，驱动级输出低电平，驱动级的灌电流约为1mA，功率MOSFEFT维持关断状态。开通和关断阈值有6V的回差，可有效防止比较器在阈值电压附近反复导通和关断，发生振荡。同样，参考稳压器的输出也接入滞环比较器，其开通阈值和关断阈值分别为3.6V和3.4V，起到欠压保护的作用。 3.3 振荡器 引脚4(Rt/Ct)与地之间外接定时电容Ct与基准电压引脚8之间外接定时电阻Rt。内部振荡器的工作频率由外接Rt和Ct取值决定。电容Ct由5.0V的参考电压通过电阻Rt充电，充至约2.8V，再有一个内部的电流宿放电至1.2V。然后又开始上升，产生锯齿波电压。充、放电时间分别为tc和td，频率f=1/tc+ td。 当Rt>5kΩ时，td > tc，因此可忽略放电时间td，则振荡频率f为 F(kHz)=1/T=/t=1.8/Rt(kΩ)Ct(uF) 在Ct放电期间，振荡器内产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，从而产生一个数量可控的输出静区时间。 在Rt和Ct值都可以产生相同的振荡器频率，但只有一种组合可以得到在给定频率下的特定输出静区时间。振荡器门限是温度补偿的，放电电流在Tj=25摄氏度时被微调并确保在?10%之内，这些内部电路的优点使振荡器频率及最大输出占空比的变化最小。 图3.3 振荡器放电电流与温度关系曲线 图3.3.1 最大输出占空比与定时电阻关系曲线 3.4 误差放大器 UC3842内部提供一个有可访问反相输入和输出的补偿误差放大器。同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反相输入监视。最大输入偏置电流为2.0uA。它将引出输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。 图3.4 锁定关断 误差放大器输出管脚1用于外部回路补偿，如图3.4。输出电压因两个二极管压降而失调约等于1.4V并在连接至电流取样比较器的 反相输入之前被三分。这将在管脚1处于其最低状态时，保证在输出管脚10不出现驱动脉冲。这发生在电源正在工作并且负载被取消时。最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流0.5mA和到达比较器的1.0V箝位电平所需的输出电压: Rf(min)?[3.0(1.0V)+1.4V]/0.5mA=8800Ω 3.5 电流取样比较器和脉宽调制锁存器 UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿管脚1建立的门限电平时中止。这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器-脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成电压。此电压由电流取样输入管脚3监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，计算公式为 Ipk(max)=[V(pin1)-1.4V]/3Rs 当电源输出过载时，电流迅速增加，Rs的电压也随之增加，当电流取样比较器门限将被内部箝位至1.0V，比较器输出高电位，开关管截止，起到过流保护的作用。此时，开关电流最大峰值为 Ipk(max)=1.0V/Rs 通常在电流波形的前沿可以观察到一个窄尖脉冲，当输出负载较轻时，它可能会引起电源不稳定。这个尖脉冲的产生是由于电源变压器匝间电容和输出整流管恢复时间造成的。在电流取样输入端增加一个RC滤波器，使它的时间常数接近尖脉冲的持续时间，通常将消除不稳定性如图3.5所示。 图3.5 电流波形尖脉冲抑制 3.6 欠压锁定 采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端Vcc和参考输出Vref各由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止在通过它们各自的门限时产生错误输出动作。Vcc比较器上下门限分别为:16V/10V;Vref比较器高低门限为3.6V/3.4V。 3.7 参考电压 5.0V带隙参考电压在Tj=25?时调整误差至:?2.0%，它首要的目的是为振荡器定时电容提供充电电流。参看部分具有短路保护功能并能向附加控制电路供电提供超过20mA的电流。 3.8 输出 这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达?1.0A的峰值驱动电路和典型值为50nS的上升、下降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌模式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。 SO-14表面贴装封装为Vc输出电压和电源地提供了分离的管脚，恰当地应用可以显著地减小加到控制电路的开关瞬态噪声。这在降低Ipk(max)箝位电平时特别有用。分离的Vc电压输入允许设计者在不受Vcc影响而调节驱动电压时具有更多灵活性。当在Vcc大于20V的系统中驱动功率MOSFET时，通常在该输入端连接一个齐纳箝位。 四、控制电路的设计 4.1 PWM集成控制器的基本原理 PWM集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点: 1. 当流过开关管的电流达到给定值时，开关自动关断; 2. 自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，并开关电源输出端3OOHz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量; 3. 多台开关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力; 4. 具有更快的负载动态响应; 4.2 高速脉宽调制器UC3842的工作原理 根据我们所设计的系统的要求，我们选用的PWM集成控制器为UC3842。该芯片内部电路如图4-2所示。它由振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。我们将详细介绍各部分的情况，以理解芯片的工作原理。 图4-2 UC3842内部原理结构图 五、 本文利用集成芯片UC3842设计的电流制型脉宽调制开关稳压电源克服了电压控制型脉宽调制开关稳压电源频响慢、电压调整率和负载调整率低的缺点，电路结构简单。该稳压电源是目前实用和理想的稳压电源，具有很大的发展前景。 六、参考文献: [1]张占松.高频开关稳压电源.广东科技出版社,2010. [2]黎粤梅.高频开关电源节能技术的探索[J].科技资讯,2011. [3]陈大钦.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2000. [4] 孙慧贤,王群.开关电源电磁干扰的抑制措施[J].2005. [5]宋军军.绿色电源-现代电源变换技术及应用 [J].1998. [6] 杨晓静.高频开关电源的研究与设计[D].武汉理工大学,2011. [7]姚伟,张娟.基于抑制瞬流的节能技术[J]. 2008. [8]李志远.变电所直流系统采用高频开关电源的探讨[J].山西焦煤科技,2003. [9]谢仁践,张波.高频DC-DC开关电源的研制[J].电子元器件应用,2001. [10] 杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京:机械工业出版社.2003