高效率恒流PWM开关电源

1、常州轻工职业技术学院电子电气工程系课程设计CZILI题 目 高效恒流电源驱动器 姓 名 王玉亭 魏天翔 吴春鹏 学 号 15 14 18 班 级 12电子331 日 期 2014年6月 课程设计报告常州轻工职业技术学院摘要本文用UC3842设计了一款LED高效率恒流PWM开关电源, UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，UC3842是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。该集成电路主要特点有内含欠电压锁定电路，低起动电流，稳定的内部基准电压源，大电流推挽输出，工作频率可到 500kHz。本设计采用UC3842设计一款PWM开关电源，该电源同时具有恒压横流驱动的

2、特点。效率可达80%以上，非常适合LED照明应用，充分发挥LED的发光效率高，寿命长等特点。关键字：高效率 开关 PWM 驱动目录引言1第一章 高效率恒流PWM开关电源21.1 UC3842的主要性能特点212 UC3842工作原理21.3.1 DC/DC转换器31.3.2 电流型PWM414 系统原理 51.4.1 启动电路61.4.3 反馈电路 71.4.4 整流滤波电路71.4.5 并联整流二极管减小尖峰电压8第二章 总结9主要参考文献：9引言LED 这几年发展较快，在大功率照明市场使用LED 越来越变为可能，虽说还不是特别成熟，最少是广众关心的话题之一，照明未来被LED 光源取代将无可

3、置疑。受世界经济影响，都在寻找未来的新的经济增长点，投资LED 方面的资金，会越来越多，加速LED 进程是必然的。LED由于环保，寿命长，光电效率高等众多优点，近年来在各行业得以快速发展，LED的驱动电源也成了关注的热点，理论上LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电源的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏，随着LED应用的日益广泛，LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求。本文主要概述LED的驱动方式简介及特点，用UC3842设计一款LED驱动电源及对其进行分析。第1页，共9页第一章 高效率恒流PWM开关电源高效率恒流PWM开关电源一般用UC3842 和TNY

4、279设计，本文将先对UC3842进行研究讨论，然后以UC3842设计一款高效率恒流PWM开关电源，对其进行分析讨论。1.1 UC3842的主要性能特点UC3842是由美国尤尼特德(Unitrode)公司开发的新型单端输出式脉宽调制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，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。

5、(1)它属于电流型单端PWM调制器,具有管脚数量少,外围电路简单,安装于调试简便,性能优良,价格低廉等优点.能通过高频变压器与电网隔离,适于构成无工频变压器的2050W小功率开关电源.(2)最高开关频率为500kHz,频率稳定度为0.2%.电源效率高,输出电流大,能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管,DMOS管,TMOS管.(3)内部有高稳定度的基准电压源,典型值为5.0V,允许有0.1V的偏差.温度系数为0.2mV/.(4)稳压性能好.其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器(例如LM317)相媲美.启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA.(5)除具有输入端过压保护与输

6、出端过流保护电路外,还设有欠压锁定电路,使工作稳定,可靠.(6)最高输入电压Vom=30V,输出最大峰值电流Ipm=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗Pdm=1W,最大输出功率Pom=50W.12 UC3842工作原理 UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，其内部组成框图如图5.1所示。其中脚1外接阻容元件，用来补偿误差放大器的频率特性。脚2是反馈电压输入端，将取样电压加到误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压。脚3是电流检测输入端，与电阻配合，构成过流保护电路。脚4外接锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容，决定振荡频率，基准电压V

7、REF为05V。输出电压将决定变压器的变压比。由图1可见，它主要包括高频振荡、误差比较、欠压锁定、电流取样比较、脉宽调制锁存等功能电路。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25V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电压进行比较，从而控制PWM序列的占空比，达到电路稳定的目的。 图5.11.3 PWM开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，而近年电流型

8、PWM技术得到了飞速发展。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。 电流型PWM集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型PWM控制小功率电源已经取代电压型PWM控制小功率电源。Unitrode公司推出的UC3842系列控制芯片是电流型PWM控制器的典型代表。 1.3.1 DC/DC转换器 转换器是开关电源中最重要的组成部分之一，其有5种基本类型：单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图

9、5.2所示。 图5.2电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。M1导通与截止的等效拓扑如图5.3所示。 图5.31.3.2 电流型PWM 与电压型PWM比较，电流型PWM控制在保留了输出电压反馈控制外，又增加了一个电感电流反馈环节，并以此电流反馈作为PWM所必须的斜坡函数。 下面分析理想空载下电流型PWM电路的工作情况(不考虑互感)。电路如图5.4所示。

10、设V导通，则有 LdiL/dt = ui (1) iL以斜率ui/L线性增长，L为T1原边电感。经无感电阻R1采样Ud=R1iL送到脉宽比较器A2与Ue比较，当UdUe，A2输出高电平，送到RS锁存器的复位端，此时或非门的两个输入中必有一个高电平，经过或非门输出低电平关断功率开关管V。当时钟输出为高电平时，或非门输出始终为低电平，封锁PWM，这段时间由时钟振荡器OSC输出脉冲宽度决定，即PWM信号的死区时间。在振荡器输出脉冲下降同时，或非门两输入均为低电平，经或非门输出为高电平，V导通。 图5.4 理想空载下电流型PWM电路简言之，PWM信号的上升沿由振荡器下降沿决定，而PWM的下降沿由电感电

11、流限值信号和误差信号Ue共同决定，最大脉宽的下降沿受振荡器上升沿控制。图5.5为其工作时序图。OSCV0PWM 图工作时序图14 系统原理 本文以UC3842为核心控制部件，设计一款PWM型高频开关电源恒压恒流控制器。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。 主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。电路原理图如5.6所示。图5.61.4.1 启动电路如图5.6所示交流电由C16、L1、C15以及C14、C13进行低通滤

12、波，其中C16、C15组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声；C14、C13、L1组成抗共模干扰电路，用于抑制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰由很强的衰减旁路作用。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3lOV的脉动直流电压，此电压经R1降压后给C8充电，当C8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，由脚6输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D10稳压管限定UC3842的输入电压

13、，否则将出现UC3842被损坏的情况。 短路过流、过压、欠压保护电路 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5.6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，R9两端的电压上升，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值03V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6无输出，MOS管S1截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压(在265V以上)，UC3842无

14、法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降lV(正常值是34V)以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将成倍增大，使得自动恢复开关RF内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。一旦故障排除，自动恢复开关RF在5s之内快速恢复阻抗。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。1.4.3 反馈电路 反馈电路采用精密稳压源TL431,放大器AD8022和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密

15、稳压器构成误差电压放大器和电流放大器AD8022，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图5.6所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为25V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM

16、比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。R7、R8的阻值是这样计算的：先固定R7的阻值，再计算R8的阻值，即5-1 5-25-3AD8022电路通过调节误差放大器的增益而不是调节误差放大器的输入误差来改变误差放大器的输出，从而改变开关信号的占空比。这种拓扑结构不仅外接元器件较少，而且在电压采样电路中采用了三端可调稳压管，使得输出电压在负载发生较大的变化时，输出电压基本上没有变化。1.4.4 整流滤波电路输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。 (1)输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输

17、入端加电容C5，以滤除此噪声干扰。 (2)高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用型滤波的方式。滤波电感采用150H的电感，可滤除高频噪声。 (3)采用快速恢复二极管D6、D7整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。1.4.5 并联整流二极管减小尖峰电压 在大功率的整流电路中，次级整流桥电路存在较大杂散电感，输出整流管在换流时，由于电路中存在寄生振荡，整流管会承受较大的尖峰电

18、压，尖峰电压的存在提高了对整流二极管的耐压要求，也将带来额外的电路损耗。整流桥的寄生振荡产生于变压器的漏感(或附加的谐振电感)与变压器的绕组电容和整流管的结电容之间。 当副边电压为零时，在全桥整流器中4只二极管全部导通，输出滤波电感电流处于自然续流状态。而当副边电压变化为高电压Vin/K(K为变压器变比)时，整流桥中有两只二极管要关断，两只二极管继续导通。这时候变压器的漏感(或附加的谐振电感)就开始和关断的整流二极管的电容谐振。即使采用快恢复二极管，二极管依然会承受至少两倍的尖峰电压，因此，必须采用有效的缓冲电路，有许多文献对此作了研究，归纳起来有5种方式：RC缓冲电路，RCD缓冲电路，主动箝位缓冲电路，第三个绕组加二极管箝位缓冲电路，原边侧加二极管箝位缓冲电路。在这里提出另一种减小二极管尖峰电压有效的方法：即整流二极管并联，其具体的电路图如图5.7所示。图5.7并且这种方法在大功率全桥移相DCDC电源变换器的项目中得到