小功率开关电源课程设计报告

《电力电子技术》课程设计报告题目：小功率开关电源的设计华中科技大学课程设计目的课程设计题目描述与要求开关电源的根本工作原理与电路结构1开关电源的概述1.1开关电源的工作原理以及组成………………51.2开关电源的特点……………72开关器件…………82.1开关器件的特征2.2MOSFET2.3电力二极管3PWM开关电源的根本原理………9第4章具体设计1主电路设计1.1输入电路……………………101.2整流滤波电路………………112控制电路设计UC3842的引脚排列及内部框图…………132.3基于UC3842的控制电路…………………143总体电路设计3.1总体电路框图…3.2整体电路设计说明…………153.3总体电路设计图第6章课程设计总结参考文献课程设计目的电源和驱动是电力电子技术的两大主要应用领域。课程设计的主要任务是设计和实现一个直流电动机的脉宽调速〔直流PWM〕驱动电源及控制用小功率开关电源。其目的是通过对实际电力电子装置的设计、制作和调试，深化和拓展课程所学知识，提高工程实践能力。本次课程设计的安排旨在提升学生的动手能力，加强大家对专业理论知识的理解和实际运用，通过团队成员之间的密切配合，加强团员的合作协调能力。通过本次课程的历练，加强大家的自学能力，为大家做毕业设计做很好的铺垫。课程设计题目描述与要求1开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。根据电压等级要求，设计主电路及控制电路，实现电路及设备的保护，选定所需的电气元件，并对系统进行制作、焊接并调试。最后提交设计说明书和一份完整的开关电源原理图。针对这个需求，本设计要求利用PWM控制芯片UC3842，设计一个小功率开关电源，具体指标如下：输入交流电压变动范围：AC65～265V；输入频率：50/60Hz；输出电压：稳定的DC36V；输出电流：≤2A；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拟困难。在本电源中，选定工作频率为43kHz[9]。开关电源的根本工作原理与电路结构1开关电源的概述1.1开关电源的工作原理以及组成开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。本设计开关电源控制集成电路主要包括电源电路、滤波整流电路、升压斩波电路以及UC3842控制芯片构成的控制电路。由于此为小功率开关电源，故电路设计不包括各种反应电路以及各种保护功能电路。在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用AC/DC变换器就是离线式开关变换器。开关电源的工作原理框图如图2.1所示。图2.1开关电源电路框图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2.2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，假设使开关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。图2.2开关电源的工作原理上图中，a图为电路图，b图为波形图。为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比方下：公式(2.1)上式中，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=Ui公式〔2.2〕由式(2.1)和式(2.2)可以看出，假设开关周期T一定，改变开关S的导通时间Ton，即可改变脉冲占空比D，从而到达调节输出电压的目的。T不变，只改变Ton来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比拟容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。假设保持Ton不变，利用改变开关频率f=1/T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Ton，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方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的稳压方式均有应用。1.2开关电源的特点开关电源具有如下特点：(1)开关器件节能〔效率一般可达85%以上〕。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗比拟小，但是效率较高，一般在80%～90%，高的甚至可达90%以上；(2)体积小、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，从而使其重量大大减轻，只有同容量线性电源的1/5，体积也在很大程度上缩小了；(3)稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90~270V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〕平安可靠，具有各种保护功能。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20KHz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下，因此损耗小，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的可靠性和稳定性。2开关器件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。(5)为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。2.2MOSFET开关电源中的功率开关器件是影响电源可靠性的关键器件。在开关电源中，用作开大的平安工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极性功率晶体管具有明显的优势。所有类型的有源功率因数矫正器都是为驱动功率MOSFET而设计的。MOSFET功率管的特点1〕MOSFET是电压控制型器件因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单2〕输入阻抗高，可达108Ω以上；3〕工作频率范围宽，开关速度快〔开关时间为几十纳秒到几百秒〕、开关损耗小；4〕有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，5〕功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。2.3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(GeneralPurposeDiode)普通二极管又称为整流二极管(RectifierDiode)，多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5s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到达很高，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，有的采用改良的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(FastRecoveryEpitaxialDiodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V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，后者那么在100ns以下，有的甚至到达20~30ns。(3)肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为根底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(10~40ns)，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。肖特基二极管的缺乏之处是：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200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。3PWM开关电源的根本原理在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中加在功率晶体管上的伏-安乘积总是很小的：在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波〞——即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线形调节器相同。具体设计1主电路设计1.1输入电路线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。①线性滤波电路抑制谐波和噪声。②浪涌滤波电路抑制来自电网的浪涌电流。③整流电路：把交流变为直流。有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。如图4该滤波器有两个输入端，两个输出端和一个接地端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感L、滤波电容器C1~C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。1.2整流滤波电路从电源噪省滤波器经过噪声滤波输出后的电压从整流滤波器〔图5〕输入，经过D1~D4进行桥式全波整流送往R1和C5组成的r型滤波电路进行滤波，得到+300V的非稳压的直流输出。采用桥式全波不可控整流，可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。3〕输出变换电路——Boost升压电路注意：不能开路—必须有一定负载〔因为容易烧坏开关管—涉及控制问题〕通过变化电路使输出电压为稳定的直流电压。考虑此本钱问题，本次课程设计须将全控器件IGBT换成相应的全控器件MOSFET2控制电路设计主要由UC3842新型集成开关电源芯片进行开关电源控制电路的设计，市电输入采用无工频变压器设计，开关管的触发调整信号采用高频40KHZ的PWM〔脉宽调制信号〕，到达额定输出为36V，2A的高精度稳压输出，电源轻便，简洁明快。2.1UC3842的性能特点：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20~50W小功率开关电源。2〕最高开关频率为500kHZ，频率稳定度达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。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出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。6〕最高输入电压=30V，输出最大峰值电流=1A，平均电流为0.2A，本身最大功耗=1W，最大输出功率=50W。2.2UC3842的引脚排列及内部框图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基准电压进行比拟，产生误差电压，而控制脉冲宽度；3脚为PWM比拟器的另一输入端，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/(RT×CT)；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，具有欠压、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。2.3基于UC3842的控制电路3总体电路设计3.1总体电路框图3.2整体电路设计说明本设计利用UC3842组成的PWM脉冲控制驱动电路，输出＋5V和＋12V两个直流电源。电路分为三个模块，整流滤波电路，为UC3842提供启动电压；UC3842组成的PWM脉冲控制电路，驱动MOSFET管为变压器线圈提供脉冲；一个输出斩波电路，使输出电压为稳定的36V。如总电路图所示：输入220V〔变动范围在85V——265V左右〕交流电，经过C1、L、C2进行低通滤波后的交流电压经D1、D2、D3、D4桥式整流以及电解电容C1、C2滤波后变成3l0V的脉冲直流电压，此电压经通过电阻R18分压给UC3842提供启动电压，当电压到达16V时到达芯片的启动电压，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，UC3842的启动电压大于16V，启动电流仅1mA即可进入工作状态。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。电压接入UC3842的7〔vcc〕管脚，UC3842启开工作，由6端〔output〕输出推动开关管工作，输出信号为上下电压脉冲。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到达1V(即电流超过1.5A)时，UC3842的PWM比拟器输出高电平，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。当输出电压出现正误差，取样电压>2.5V，TL431的稳压值降低，光耦控制端电流增大，UC3842的反应端(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，到达稳压目的。3.3总体电路设计图在我们将总体电路图以及各类器件选择完毕，并进行参数计算后，便开始在印质电路班板上开始焊接。待到焊接完毕后，再进行电路的调试。调试的地方主要有：1〕经过隔离变压器后到整流电路前的波形及电压大小；2〕整流电路过后电容端的波形以及电压大小；3〕斩波电路前以及输出端的电压波形与大小。这三处调试中的参考值为：整流前波形为正弦波，大小在18V左右；整流后在电容器前一处即二极管串联端为V〔18V&0.9〕左右，且是仅有上半周的正弦波；整流后在电容器两端为21V〔18V&1.2〕左右，是接近一条直线的直流电的；斩波输出电压为36V大小，为稳定的直流电。课程设计总结本设计借助以PWM集成电路UC3842为核心设计了一种高频率单端反激式开关电源，其硬件设计主要包括滤波电路、整流电路、控制电路、功率转换电路、输出斩波电路的设计。并且在硬件设计过程中涉及到相关参数的计算。在设计过程中，我及同组伙伴翻阅了大量有关开关电源以及UC3842控制芯片的资料，在借鉴了他们的成熟经验根底上，通过精心设计，以UC3842〔是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器〕为控制电路主局部，在此根底上设计了一个输出电压为稳定的36V直流电。分析可知，假设由于某种原因使输出电压升高时，UC3842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，从而到达稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适