电力电子课程设计脉宽调制技术

1、 目 录第1章 概述 2 第2章 方案确定及分析 42.1 主电路 42.2 控制电路 52.3 保护电路62.4 开关稳压电源各输出点相关波形7第3章 主电路设计93.1 整流电路设计 93.2 输出滤波电流设计 93.3 高频变压器的设计103.4 保护电路的设计12第4章 控制电路设计 134.1 芯片的选择134.2 芯片的工作原理154.3 电路的工作原理164.4 本电路的特点分析17第5章 总结 19附录 20 参考文献 21第1章 概述 电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域。其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高，体积小和重量轻等突出优点，故获得了广泛得应用。本文所述得开

2、关电源为电流控制型开关电源，是一个电压、电流双闭环控制系统，具有很强的实用价值。开关稳压电源被誉为 “新型高效节能电源”，它代表着稳压电源的发展方向。由于内部器件工作在高频开关状态，因此本身消耗的能量极低，电源效率可以达到80%以上，比串连调整线性稳压电源的效率提高近一倍。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展，高效率的开关稳压电源已得到越来越广泛的 应用。本文首先概述开关稳压电源的基本工作原理，接着介绍电流型脉宽调制器uc3842芯片，着重论述了uc3842在开关稳压电源中的应用，并以一个实际应用实例分析了电源电路的构成和参数计算。 系统组成： 此电路由中

3、r2 、( c2 +c4 )构成启动电路，在( c2 +c4 )上电压超过15v时电路启动，然后由ns2 、d2 、c4构成的自馈电电路供电，启动电流小于1ma，正常工作电流15ma左右。高频变压器和功率开关管器件均接有缓冲器rcd电路，用于吸收尖峰电压，防止开关晶体管的损坏。rs上电压控制了当前工作周波电流峰值。vcc电压除作为芯片工作电压外，也是电压闭环的信号电压。 该电路使用了芯片uc3842、桥式整流电路、高频变压器以及大功率晶体管构成的电流控制型脉宽调制开关稳压电源，这种新型的控制方式使得开关电源同时具有很高的电压调整率和负载调整率。 其工作原理为：220v的交流电经过桥式整流电路、

4、滤波电路得到一直流电压，再由大功率晶体管不断的导通和关断对直流电压斩波和高频变压器t2的降压作用 得到频率为几十khz的矩形波电压，然后经整流滤波后得直流输出电压，其中高频变压器t2的自馈线圈ns2中感应的直流电压反馈到误差放大器并和基准电压 比较得到误差电压vr，初级线圈中流过的电流在取样电阻025 上建立的直流电压反馈到电流测定比较器的同相输入端并和误差电压vr相比较，从而产生脉冲宽度可调的驱动信号，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而 变化，输出电压稳定在某个固定的数值。 比如，当由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，则脉宽调制器会相应的增大输出pwm波形的占空比，使大功率晶

5、体管导通的时间变长；反之，当由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小pwm波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压 为一恒定值。 第2章 方案确定及分析2.1主电路电源开关从电源端接入的一般是220v交流电，而我们实际是要经过开关电源得到一个稳定的直流输出电压，因此在主电路中，不可或缺的部分是整流，在整流中桥式电路应用广泛。为了后面输出电压大小可调，所以在桥式整流之前，先接入一级滑动变阻器。然而整流之后的直流电压并不是一个稳定值，而是一个不断变化的值，为了使整流电压更趋稳定，在整流桥的后面并联一个滤波电容。sg6841与其他pwm控制器的内部

6、结构基本相同，都由偏压源、电流和电压比较器、pwm产生电路、驱动器电路、保护电路等部分组成。不同的是：该器件的振荡器受绿色模式控制器控制，开关电源空载和轻载时，电流取样信号降低，绿色模式控制器使振荡器工作频率降低。sg6841内部产生的脉宽调制信号还受功率限制控制器控制。开关电源输出功率较大时，电流取样信号电压过大，该信号通过功率限制控制器，可以改变pwm输出脉冲的占空比从而控制输出功率。功率限制控制器还可以控制内部偏压，输出功率过大时，功率限制控制器还可切断内部偏置电源，从而使内部电路停止工作。应当注意sg6840除了无功率限制控制器外，其他与sg6841完全相同。它具有如下功能、起动电流和

7、工作电流、绿色工作模式、振荡器频率、电流检测及pwm电流限制、脉冲前沿消隐、欠压锁定输出驱动软起动、同步斜坡补偿、恒定输出功率限制以及过热保护等作用。主电路中要求一个能控制整流电压在控制端输出地芯片，由于uc3842是目前流行的电流型pwm信号发生器，具有精度高、电压稳定、外围电路简单、价格低廉等优点，广泛应用在输出电压范围是4.95.1v、功率为2060w的小型功率开关电源中。 电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测

8、定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，如果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。具体芯片各个管脚功能下章详细解说。 由uc3842产生的锯齿波经过斩波后产生的方波通过控制三极管的通断，控制经整流后的电压通过一个变压器控制控制电路（其中变压器的原线圈接整流端输出电压，副线圈接控制电路），以达到经过变压器后的电压能够有效地隔离主从电路，防止控制电路中的谐波干扰电网

9、。2.2 控制电路 控制电路经过变压器有效地隔离，为了确保得到的是直流电压，在控制器的输出端加入了一个二极管。同时电容的引入使得到的电压趋于稳定。通过调节控制端的滑动变阻器，可以得到所需的大小趋于稳定的直流电压。利用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，成本低、体积小、易实现。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。2.3 保护电路2.3.1电流保护 通过三极管vt，使电流经过电阻后回到uc3842的3管脚，而管脚isen是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如vmos管

10、)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1v时，uc3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。 2.3.2 电压保护 通过加一级电感，感应副线圈的电压量，如下图所示，线圈的一端接地，此时就可以得到副线圈的感应电压，此电压经过uc3842的2管脚，1脚comp是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响，2脚vfb是反馈电压输入端，将采样电压加到误差放大器的反相输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5v)进行比较

11、，产生控制电压，控制脉冲的宽度。通过这种方式控制电路的过压和欠压保护。 工作原理框图设计：稳定直流输出输出端变压器电网送入直流送入电压调整电路整流 滤波变压 滤波 反馈信号控制 滤波斩波控制uc3842控制电路保护电路脉宽调制pwm调节pwm脉宽调制器2.4开关稳压电源各输出点相关波形原副边绕组电压波形uc3842 4脚和6脚波形检测电阻电流波形22 第3章 主电路设计3.1 整流电路设计 由交流侧220v电压输入，由变压器降压处理，再经过桥式整流后输出直流电，在变压器2次则串入一滑动变阻器，由滑动变阻器模拟电压变化进行调节，通过分压，调节输入整流桥的电压，从而改变输出电压的大小，在整流桥的后

12、面，并联一个滤波电容，由于整流桥所输出的电压不是我们严格意义上所说的稳定的直流电压，通过滤波电容后可以除去一些交流电使输出电压趋于稳定的直流。 图3.1整流电路3.2 输出整流滤波电路设计 有整流桥经滤波电容所得的直流电压经控制电路反馈控制后，通过高频变压器送到输出电路，为了确保所输出地为标准的直流，在变压器的副线圈端串入一个二极管。同时，接入一个电容，起稳压的作用，由滑动变阻器来控制输出电压的大小。滤波是抑制传导干扰的一种很好的办法。例如,在电源输入端接上滤波器,可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电

13、容器、三端电容器、铁氧体磁环,它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器,并正确地安装和使用滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。图3.2 输出整流滤波电路3.3 高频变压器的设计 高频变压器初级线圈的储能值w，初级线圈、自馈线圈和次级线圈的匝数n1、n2、n3，需要通过计算求得。为了确保输出电压uo的波形质量，防止uo的顶部出现平顶失真，应满足取，有选用的硅钢铁心，截面积为，窗口面积。因为硅钢片是由钢片叠加而成，所以实际铁心截面积为。取变压器原边绕组为匝，副边绕组匝。因此式中为变压器激磁电流。取导线电流密度，有原边采用的高强度漆包线单层绕制，副边采用的高强度漆包线单层绕制。窗口利用系数

14、，可以绕下。另外我们选择饱和磁通b=150mt，有效磁芯截面积为1.44cm2的磁性材料来构成高频变压器。3.4 保护电路的设计通过电感来感应输出端的电压来比较控制，其中的控制包括电流和电压控制，这里不可避免的涉及到uc3842的各个引脚功能。脚1：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响；脚2：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5v)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度；通脚3是电流取样输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚3，控

15、制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 v时uc3842就停止输出，有效地保护功率开关管。过uc3842来控制输出电压的大小，使输出电压稳定。反馈电路改用tl43l加光耦来控制。我们都知道放大器用作信号传输时都需要传输时间，并不是输出与输入同时建立。如果把反馈信号接到uc3842的电压反馈端，则反馈信号需连续通过两次高增益误差放大器，传输时间增长。由于tl431本身就是一个高增益的误差放大器，因此，直接采用脚1做反馈，从uc3842的脚8(基准电压脚)拉了一个电阻到脚l，脚2通过r18接地。这样做的好处是，跳过了uc3842的内部放大器，从而把反馈信号的传输时间缩短了一半，使电

16、源的动态响应变快。另外，直接控制uc3842的脚l还可简化系统的频率补偿以及输出功率小等问题。第4章 控制电路的设计4.1 芯片的选择 本次课程设计由芯片uc3842产生脉冲，来控制mosfet来实现斩波调压，它具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用，这也是本电路的特点。uc3842是美国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，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；2）电压调整率很好；3）负载调整率明显改善；4）频响特性好，稳定幅度大；5）具有过流限制、过压保护和

17、欠压锁定功能。因此他是目前比较理想的新型的脉宽调制器，其内部原理框图如图4-1所示。主要特点工作电压840 v，电流传感和电压反馈输入0.35.5 v误差放大输出吸入电流10 ma欠压锁存功能占空比可调最高开关频率500 khz，稳定度0.2，电源效率高内部有高稳定度的基准电压源5.0 v稳定性能好，电压调整率很容易达到0.01，uc3842是一种单端输出的峰值电流pwm控制芯片，内部结构如图4.1所示。其内部有误差放大器、pwm调制、锁存、振荡时钟等基本模块，还有欠压锁定、过压保护、基准电源、低起动电流、电流图腾输出等功能。电压滞环的起动电压是16v，关闭电压是10v，6v的起动与关闭电压差

18、可有效防止电路在阀值电压附近工作而引起的振荡。芯片起动电流1ma，所以，芯片可以对高压用电阻降压起动，待起动完成后由馈电绕组供电。补偿端接rc网络来改变误差放大器的闭环增益和频率响应。电流反馈端ucs1v时输出脉冲关断，起到逐个脉冲限流保护。时钟由外接阻容rt和ct决定。 图4.1 uc3842芯片的内部结构图4.2 芯片的工作原理uc3842为8脚双列直插式封装形式，如图4.2所示，他内部主要由50 v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ea误差放大器和适用于驱动功率mosfet的大电流推挽图4.2 uc3842引脚图输出电路等构成。脚1

19、：输出/补偿，内部误差放大器的输出端。通常此脚与脚2之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响；脚2：电压反馈输入端。此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5v)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度；脚3：电流取样输入端。在外围电路中，在功率开关管的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入脚3，控制脉宽。当功率开关管的电流增大，取样电阻上的电压超过1 v时uc3842就停止输出，有效地保护功率开关管；脚4：rt/ct。锯齿波振荡器外接定时电容c和定时电阻r的公共端；脚5：接地脚；脚6：输出端。此脚为图腾柱式输出，驱动能力是土1 a；脚7：vc

20、c，电源引脚。当开关电源启动时脚7供电电压应高于+16 v，若低于+16 v，则uc3842不能启动，此时耗电在1 ma以下。芯片工作后，vcc由反馈绕组提供，可在+l030 v之间波动，低于+l0 v停止工作，功耗为15 mw； 脚8：uref，基准电压输出。此脚可输出精确的+5 v基准电压，电流可达50 ma-u2。电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过

21、输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，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。4.3 电路工作原理 前面已介绍芯片uc3842、桥式整流电路、高频变压器以及大功率晶体管构成的电流控制型脉宽调制开关稳压电源，这种新型的控制方式使得开关电源同时具有很高的电压调整率和负载调整率。 其工作原理为：220v的交流电经过桥式整流电路、滤波电路得到一直流电压，再由大功率晶体管不断的导通和关断对直流电压斩波和高频变压器t2的降压作用

22、得到频率为几十khz的矩形波电压，然后经整流滤波后得直流输出电压，其中高频变压器t2的自馈线圈ns2中感应的直流电压反馈到误差放大器并和基准电压 比较得到误差电压vr，初级线圈中流过的电流在取样电阻025 上建立的直流电压反馈到电流测定比较器的同相输入端并和误差电压vr相比较，从而产生脉冲宽度可调的驱动信号，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而 变化，输出电压稳定在某个固定的数值。 当由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，则脉宽调制器会相应的增大输出pwm波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小pw

23、m波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。图4.3 uc3842芯片所构成的控制电路图4.4 本电路特点分析 此电路由于使用了uc3842脉宽调制器控制，构成的开关电源电路有许多的特点电压调整率（抗电压波动能力）很好利用这种型号的调制器具有很强的抗电压波动的能力。其原因为电压vs波动立即反映在电感电流的变化上。不像其它方案要经过输出电压v0反馈到误差放大器的调节的复杂过程。所以响应快，如果波动是持续的，电压反馈环也起作用，所以可以达到较高的调整率精度。如图4.3，当负载变化时，光耦送到反馈端的电压也变化，实现了与负载之间的紧密跟综。这样改善了负载调整率(0.5)

24、。正因采用了光耦隔离反馈，所以工作电压非常稳定，输出也很稳定。4.4.1 有很好的负载调整率 因为误差放大器e/a可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化，一般调制器在轻在时输出电压v0会有一定的升高，使用本调制器可明显的减小。通过实验可以看出：从100%的负载卸载2/3时，负载调整率只有8%，卸载1/3时，负载调整率只有3%4.4.2 频响特性好，稳定幅度大由于电感电流是连续的，所以rs上所检测的电流峰值能代表平均电流，整个电路可以当成一个误差电压控制的电流源。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积提高，稳定幅度大，频率响应特性改善。4.4.3 过流限制特性好从rs上

25、测得的电流峰值信号快速参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。事实上只要rs的电平达到1v，电流测定比较器立即动作，输出端6立即使功率场效应管vt关断。由于能精确地灵敏地限制最大输出电流，高频变压器功耗，功率场效应管的功耗都可以大幅度的减小，因此，对整个开关电源的成本、重量、体积都将有很好的改进。4.4.4 具有过压保护和欠压锁定功能当工作电压大于34v时稳压管稳压，使内部电路在小于34v的电压下可靠工作。uc3842控制器设有欠压锁定电路，其开启阈值为16v，关闭阈值为10v。正因如此，可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡。 第5章 总结为期两个星期的电力电子课程设计结束了，从中学到了很多。这次的课设主要在强电中运用，不像单片机等那些课题一样，刚开始比较难摸索，后来通过老师的精心讲解，开始有了头绪，着手在设计中更加感觉到这次课设的重要性。这次设计所用的元件都是一些特别的控件，有全控、半控型器件。在这段时间里，通过上网查资料以及请教老师，总结出这次