单端反激式开关稳压电源(修改版)

1、单端反激式开关稳压电源学生姓名： xxx 学生学号： xxx 院（系）： xxx 年级专业： xxx 指导教师： xxx 二一三年十二月摘 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

2、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2080W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目 录摘 要I1 设计要求12 设计方案22.1开关稳压电源系统总体框图22.2电路结构的选择2 2.3 启动电路3 2.4 PWM脉冲控制驱动电路42.5 直流输出与反馈电路 42.6 总体电路图分析63 设计过程7 3.1变压器和输出

3、电感的设计73.2 电路仿真波形84 PCB设计114.1 PCB设计规范114.2 PCB设计图145总结和体会15参考文献16附 录1：总体电路图17II1 设计要求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：90240V；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

4、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.。 2 设计方案2.1开关稳压电源系统总体框图 2.2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V1导通，副边线圈N2向

5、负载供电，V4截止，反馈电线圈N3的电流为零；VT关断时V1截止，V4导通，N3经电容C1滤波后向UC3842脚供电，同时原边线圈N1上产生的感应电动势使V3导通并加在RC吸收回路。由于变压器中的磁场能量可通过N3泄放，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。图21单端正激式开关电源的主电路图2.3 启动电路 图22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D1D4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，UC384

6、2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1034 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。 图22高频滤波整流电路2.4 PWM脉冲控制驱动电路图23 PWM脉冲控制驱动电路图23由分压电阻R18提供分得的电压接入uc3842的（vcc）管脚，uc3842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有能量输出。

7、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43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，

8、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15A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚无输出，MOS管S1截止，从而保护了电路。 2.5 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 （21）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。图24 直流输出与反馈电路反

9、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24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

10、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。2.6 总体电路图分析图25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。3 设计过程3.1变压器和输出电感的设计依据UC38

11、42应用方式，选定定时电阻RT1.8k，定时电容CT10F。确定开关频率f85kHz，周期T11.8s。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D0.5，则： (3-1)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S1.13cm2，磁路有效长度L6.4cm，饱和磁通密度BS0.4T。取变压器最大工作磁感应强度BmaxBS/30.133T，则电感系数A为： (3-2) 变压器原边线圈匝数N1为： (3-3)式中，UI最小直流输入电压。交流输入电压的最小值约为90V，UI90×2127(V)，得出N149.9匝，取50匝。原边线圈电感LAN12

12、11.1(mH)。副边线圈匝数为： (3-4)式中：UDF整流二极管VDl上的压降； UL输出电感L上的压降。取UDF+UL0.7V，代入式(6-4)，得N210匝。副边线圈电感为： (3-5)开关管断开时，N1两端将会产生感应电动势，为了保证开关管正常工作，将感应电动势限制到e=300V。反馈电线圈向UC3842提供U12V的工作电压，按电容C1上的电压UC16V计算，以保证有足够的供电电压给UC3842。由N3(UC /e)N1可得N32.67匝，取3匝。变压器副边电流为矩形波，其有效值为： (3-6)导线电流密度取4A/mm2，所需绕组导线截面积为1.77/40.44(mm2)。同样可选

13、择原边绕组导线，原边电流有效值为： (3-7)所需绕组导线截面积为0.354/40.0885mm2，选用截面积为0.09621mm2的导线(0.41mm)。取输出电感的电流变化量IL0.2IO0.5A，则输出电感为： (3-8)式中：U2副边线圈最小电压。计算得： (3-9)取UDF0.5V，UO3V，代入式(6-8)可得L140H。根据输出电感上的电流ILIO，所需绕组导线截面积应为2.5/40.625mm2，选择截面积为0.6362mm2导线(0.96mm)。3.2 电路仿真波形 本电路采用Multisim 11.0仿真，其仿真结果如下：图32 12v输出仿真波形图图32（3）UC3842

14、输出波形图32（4）取样电路仿真波形图4 PCB设计4.1 设计规范 在任何开关电源设计中，PCB板都是物理设计的最后一环，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:元 器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果PCB上两条细平行线靠得很近，则会形 成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此在设计PCB时，应注意采用正确的方 法。每一个开关电源都有四个电流回路：(1). 电源开关交流回路(2)

15、. 输出整流交流回路(3). 输入信号源电流回路(4). 输出负载电流回路输 入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输 出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电 源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅 梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出

16、直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容 易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻 地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：(1)放置变压器(2)设计电源开关电流回路(3)设计输出整流器电流回路(4)连接到交流电源电路的控制电路设计输入电流源回路和输入滤波器 设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1) 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过

17、大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。(2) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC。(3) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。(4) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

18、(5) 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。布 线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的 印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须 将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反 映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印

19、制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减 少环路电阻。 同时使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用， 它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：1. 正确选择单点接地。通常，滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容 也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而

20、引入干扰。在本开关电源中， 它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路 （中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，这样电源工作较稳定，不易自激。做不到单 点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。设备的定时信2. 尽量加粗接地线 若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制 线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线

21、，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线 用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候，还须遵循以下原则：(1).布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。(2).设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应90度,力求线条简单明了。(3). 印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线

22、从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从 可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。因采用单面板，直插元件位于top 面，表贴器件位于底面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。3输入地与输出地本开关电源中为低压的DCDC，欲将输出电压反馈回变压器的初级，两边的电路应有共同的参考地，所以在对两边的地线分别铺铜之后，还要连接在一起，形成共同的地。检查:布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、

23、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 电源线和地线的宽度是否合适，在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。注意： 有些错误可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。4.2 PCB设计图5 总结和体会通过这次课题设计使我更加了解了开关电源的设计流程，在设计之前查阅了很多资料，意识到自己很多的不足，希望能在以后的学习中弥补这些不足。这次设计学到最多的就是单端反激式开关稳压电源的很多知识，除了这些还有就是对仿真软件Multisim 以及PCB的绘制软件Altium Designer 的深入学习