摘 要穩壓電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備。在信息時代，農業、能源、交通運輸、通信等領域迅猛發展，對電源產業提出個更多、更高的要求，如節能、節材、減重、環保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索尋求各種鄉關技術，做出最好的電源產品，以滿足各行各業的要求。開關電源是一種新型的電源設備，較之于傳統的線性電源，其技術含量高、耗能低、使用方便，并取得了較好的經濟效益。本文在介紹了開關電源的各種工作方式、其優劣勢、設計方法及未來發展方向等的基礎上，對開關穩壓電源進行設計。設計分為三個模塊進行，分別為輔助電源模塊、pwm控制模塊、升壓電路部分，其中pwm控制電路為電源設計的核心。確定電路設計方案后，使用multisim 10對電路進行仿真，并對電路的參數進行配比，盡量使電路的參數達到最佳、使輸出電壓趨于穩定，從而達到設計要求。 關鍵詞：開關電源，穩壓，脈寬調制，功率 共45頁 第 44 頁目 錄第一章 開關電源簡介61.1 開關電源的發展背景61.2 開關電源的基本原理與組成特點61.2.1 開關穩壓電源的基本工作原理61.2.2 開關電源的基本原理71.2.3 開關電源的特點81.3 開關穩壓電源的發展81.3.1 國際發展史狀況81.3.2 國內發展情況101.4 開關電源的分類101.5 穩壓開關電源的發展趨勢131.6 開關電源的技術指標與基本設計要求15第二章 開關變換電路172.1 濾波電路172.2 反饋電路172.2.1 電流反饋電路172.2.2 電壓反饋電路182.3 電壓保護電路18第三章 uc3842203.1 uc3842簡介203.1.1 uc3842的引腳及其功能203.1.2 uc3842的內部結構213.1.3 uc3842的使用特點223.2 uc3842的典型應用電路233.2.1 反激式開關電源233.2.2 uc3842控制的同步整流電路243 .2.3 升壓型開關電源26第四章 利用uc3842設計開關穩壓電源284.1 電源設計指標284.2 具體電路設計284.2.1 啟動電路284.2.2 pwm脈沖控制驅動電路304.2.3 電路輸出部分的設計334.3 電路整體分析38第五章 電源的測試及仿真395.1 仿真軟件multisim 10概述395.2 電路測試395.3 仿真結果415.4 設計問題及解決方法43總 結44參考資料45致 謝46第一章 開關電源簡介1.1 開關電源的發展背景電源power supply; power source 向電子設備提供功率的裝置。把其他形式的能轉換成電能的裝置叫做電源。發電機能把機械能轉換成電能，干電池能把化學能轉換成電能.發電機.電池本身并不帶電,它的兩極分別有正負電荷,由正負電荷產生電壓(電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的),電荷導體里本來就有,要產生電流只需要加上電壓即可,當電池兩極接上導體時為了產生電流而把正負電荷釋放出去,當電荷散盡時,也就電荷流(壓)消了.干電池等叫做電源。通過變壓器和整流器，把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去。晶體三極管對后面的電路來說，也可以看作是信號源。整流電源、信號源有時也叫做電源。 電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。 電力電子技術的發展,特別是大功率器件igbt和mosfet的迅速發展,將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平,使其具有高穩定性和高性價比等特性。開關電源技術的主要用途之一是為信息產業服務，信息技術的發展對電源技術又提出了更高的要求,從而促進了開關電源技術的發展。1.2 開關電源的基本原理與組成特點1.2.1 開關穩壓電源的基本工作原理 開關式穩壓電源的控制方式分為調寬式和調頻式兩種, 實際應用中, 調寬式使用的較多, 在目前開發和使用的開關電源集成電路中, 絕大多數也為脈寬調制型。調寬式開關穩壓電源的基本原理如圖1-1所示。 圖1-1.調寬式開關電源的基本原理 對于單極性矩形脈沖來說, 其直流平均電壓u0取決于矩形脈沖的寬度, 脈沖越寬, 其直流平均電壓值就越高。其中有:u0=umt1/t式中, um為矩形脈沖的最大電壓值; t為矩形脈沖周期, t1為矩形脈沖寬度。由此可知, 當um與t不變時, 直流平均電壓u0將與脈沖寬度t1成正比。這樣, 只要設法使脈沖寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄, 就可以達到穩定電壓的目的。1.2.2 開關電源的基本原理 開關穩壓電源（簡稱開關電源）是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般多采用脈沖寬度調制（pwm）控制方式。隨著電力電子技術的發展和創新，開關電源逐步向高頻化方向發展。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優點，因此，研究、開發高質量的開關電源就變得十分必要，尤其在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。 開關穩壓電源具有， 效率高， 輸出功率大， 輸入電壓變化范圍寬， 節約能耗等優點， 而被廣泛使用在各個行業和領域中。開關電源的工作原理就是通過改變開關器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓， 通常有三種調制方式: 脈沖寬度調制( p w m ) 、脈沖頻率調制( p f m )和混合調制。p w m調制是指開關周期恒定， 通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式， 因為周期恒定， 濾波電路的設計容易，是應用最普遍的調制方式。開關穩壓電源的主回路框圖如圖1-2 所示， 由隔離變壓器產生一個1 8 v的交流， 經過整流濾波成一個直流， 然后再進行d c - d c 變換， 有p w m 的驅動電路， 去控制開關電源管的導通和截止， 而產生出一個穩定的電壓源，如圖1-2。 圖1-2.1.2.3 開關電源的特點開關電源具有如下特點： (1) 效率高。開關電源的功率開關調整管工作在開關狀態，所以調整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可達90%以上； (2) 重量輕。由于開關電源省掉了笨重的電源變壓器，節省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小了； (3) 穩壓范圍寬。開關電源的交流輸入電壓在90270 v內變化時，輸出電壓的變化在2%以下。合理設計開關電源電路，還可使穩壓范圍更寬并保證開關電源的高效率； （4）安全可靠。在開關電源中，由于可以方便地設置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于開關電源的工作頻率高，一般在20 khz以上，因此濾波元件的數值可以大大減小，從而減小功耗；特別是，由于功率開關管工作在開關狀態，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環境而損壞，因此采用開關電源可以提高整機的可靠性和穩定性。1.3 開關穩壓電源的發展1.3.1 國際發展史狀況（1）發展史 1955年美國的科學家羅耶（g.h.royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，利用這一技術的各種形式的晶體管直流變換器不斷地被研制和涌現出來。從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉換效率低的旋轉式和機械振子式換流設備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關狀態，所以由此而制成的穩壓電源輸出的組數多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備上。由于那時的微電子設備及技術十分落后，不能制作耐壓較高、開關速度較高、功率較大的晶體管，所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入，并且轉換的速度也能太高。 60年代末，由于微電子技術的快速發展，高反壓的晶體管出現了。從此直流變換器就可以直接由市電經整流、濾波后輸入，不再需要有工頻變壓器了。從而極大地擴大了它的應用范圍，并且在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器的開關穩壓電源。省掉了工頻變壓器，又使開關穩壓電源的體積和重量大為減小。開關穩壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。 70年代以后，于這種技術有關的高頻、高反壓的功率晶體管，高頻電容，開關二極管，開關變壓器鐵心等元器件也不斷地被研制和生產出來，使無工頻變壓器開關穩壓電源得到了飛速發展，并且被廣泛應用于電子計算機、通信、航天、彩色電視機等領域中，從而使無工頻變壓器開關穩壓電源成為各種電源中的佼佼者。（2）目前正在克服的困難 隨著半導體技術和微電子的高速發展、集成度高、功能強的大規模集成電路的不斷出現，使得電子設備的體積在不斷的縮小，重量在不斷的減輕。所有從事這方面研究和生產的人們對開關穩壓電源中的開關變壓器還感到不是十分理想，他們正致力于研制出效率更高、體積更小、重量更輕的開關變壓器或者通過別的途徑來取代開關變壓器，使之能夠滿足電子儀器和設備為小型化的需要。這是從事開關穩壓電源研制的科技人員目前正在克服的第一個困難。 開關穩壓電源的效率是與開關管的變換速度成正比的，并且開關穩壓電源中由于采用了開關變壓器以后，才能使之有一組輸入得到極性、大小各不相同得多組輸出。要進一步提高開關穩壓電源的效率，就必須提高電源的工作頻率。但是，當頻率提高以后，對整個電路中的元件又有了新的要求。例如，高頻電容、開關管、開關變壓器、儲能電感等都會出現新的問題。進一步研制適應高頻率工作的有關電路元器件，是從事開關穩壓電源研制的科技人員要解決的問題。工作在線性狀態的穩壓電源，具有穩壓和濾波的雙重作用因而串聯閑心穩壓電源不產生開關干擾，且波紋電壓輸出較小。但是，在開關穩壓電源中的開關管工作在開關狀態，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產生較強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網，影響鄰近的電子儀器及設備的正常工作。隨著愛管穩壓電源電路和抑制干擾措施的不斷改進，開關穩壓電源的這一缺點得到進一步地克服，可以達到不妨礙一般的電子儀器、設備和家用電器正常工作的程度。所以，克服開關穩壓電源的這一缺點，進一步提高它的使用范圍，司從事開關穩壓電源研制科技人員要解決的第三個問題。1.3.2 國內發展情況我國的晶體管直流變換器及開關穩壓電源研制工作始于60年代初期。到60年代中期進入了實用階段，70年代初期開始研制無工頻降壓變壓器開關穩壓電源。1974年研制成功了工作頻率為10khz、輸出電壓為5v的無工頻降壓變壓器開關穩壓電源。近10多年來，我國的許多研究所、工廠及高等院校已研制出多種型號的工作頻率在20khz左右、輸出在功率在1000w一下的無工頻降壓變氣開關穩壓電源，并應用于電子計算機、通信、電視等方面，取得了較好的效果。工作頻率為100khz200khz的高頻開關穩壓電源于80年代初期就已開始試制，90年代初期就已試制成功。目前正走在向實用階段和再進一步提高工作頻率。許多年來，雖然我國在無工頻將開關穩壓電源方面做了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我國的開關穩壓電源技術與一些先進的國家相比仍然有角的差距。此外，這些年來，我國雖然把無工頻變壓器開關穩壓電源的工作頻率從數十khz提高到數百khz，把輸出功率由數十瓦提高到數千瓦，但是，由于我國半導體技術與工藝跟不上時代的發展，導致我們自己研制和生產出的無工頻變壓器開關穩壓電源中的開關管大部分采用的仍是進口的晶體管。所以我國的開關穩壓電源事業要發展，要趕超世界先進水平，最根本的是要提高我國的半導體技術和工藝。1.4 開關電源的分類 現在，電子技術和應用迅速的發展，對電子儀器和設備的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不斷地增加；在使用上，自動化程度要越來越高；在體積上，要日趨小型化。這是采用具有眾多優點的開關電源就顯得更加重要了。所以，開關穩壓電源在計算機、通信、航天、彩色電視機等方面都得到了越來越廣泛的應用。發揮了巨大的作用，這大大促進了開關穩壓電源的發展，從事這方面研究和生產的人員也在不斷的增加，開關穩壓電源的品種和類型也越來越多。 常見的開關穩壓電源分類方法有下列幾種： （1）按激勵方式劃分 i他激式 電路中專設激勵信號產生的振蕩器 ii自激式 開關管兼作振蕩器中的振蕩管 （2）按調制方式劃分i.脈寬調制 振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖寬度來改變和調節輸出電壓的大小。有時通過取樣電路、耦合電路等構成反饋閉環回路，來穩定輸出電壓的幅度。 ii.頻率調整型 占空比保持不變，通過改變振蕩器的振蕩頻率來調節和穩定輸出電壓的幅度。 iii.混合型通過調節導通時間的振蕩頻率來完成調節和穩定輸出電壓幅度的目的。 （3）按開關管電流的工作方式劃分 i.開關型 用開關晶體管把直流變成高頻標準方波。 ii.諧振型 開關晶體管與lc諧振回路將直流變成標準的正弦方波電路形式是類是與它激式 （4）晶體管的類型劃分 i.晶體管型采用晶體管作為開關管ii.可控硅型采用可控硅作為開關管。這種電路的特點是直接輸入交流電不需要一次整流部分。 （5）負載的連接方式劃分 i.串聯型 儲能電感串聯在輸入與輸出電壓之間。ii.并聯型 儲能電感并聯在輸入與輸出之間。（6）按晶體管的連接方式劃分i.單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關管。這種電路的特點是價格低、電路結構簡單，單輸出功率不能提高。 ii.推挽式 使用兩個開關晶體管，將其連接成推挽功率放大器形式。這種電路的特點是開關變壓器必須具有中心抽頭。 iii.半橋式 使用兩個開關晶體管，將其連接成半橋的形式。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合。 iv.全橋式 使用四個開關晶體管。將其連接成全橋式。它的特點是輸出功率較大。（7）按輸入與輸出電壓的大小劃分i.升壓式輸出電壓比輸入電壓高。實際上就是并聯型開關穩壓電源。ii.降壓式輸出電壓比輸入電壓低。實際上就是串聯型開關穩壓電源。（8）按工作方式劃分 i.可控整流型 所謂可控整流型開關穩壓電源，是指采用可控硅整流元件作為調整開關，可由交流市電電網直接供電，也可采用變壓器變壓后供電。（這種供電方式在開關穩壓電源剛興起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在工作的半波內，截去正弦曲線的前一部分，這一部分所占角度稱為截止角，導通的正弦曲線的后一部分稱為導通角，依靠調節導通角的大小，可達到天界輸出電壓和穩定輸出電壓的目的。 ii.斬波型斬波型開關穩壓電源是指直流供電，輸入直流電壓加到開關電路上，在開關電路的輸出端得到單向的脈動直流，經過濾波得到與輸入電壓不同的直流輸出電壓。電路還從輸出電壓取樣，經過比較、放大，控制脈沖發生電路產生的脈沖信號，用以控制調節開關的導通時間和截止時間的長短或開關的工作頻率，最后達到穩定輸出電壓的目的。電路的過壓保護也是依據這一部分所提供的取樣信號來進行的。iii.隔離型這種形式的開關電源是在輸入回路與逆變電路之間，經過高頻變壓器（也可稱為開關變壓器），利用磁場的變化實現能量傳遞，沒有電流間的直接流通。隔離型開關穩壓電源采用直流供電，經過開關電路，將直流電變成頻率很高的交流電，在經過變壓隔離器、變壓（升壓或降壓），然后經整流器整流，最后就可以得到新的、極性和數值各不相同的多組直流輸出電壓。電路從輸出點取樣，經放大器后反饋到開關控制器，控制驅動電路的工作，最后達到穩定輸出電壓的目的。（9）按電路結構劃分 i.散件式 整個開關穩壓電源電路都是采用分立式元器件組成的，它的電路結構較為復雜，可靠性差。 ii.集成電路式 整個開關穩壓電源或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常為厚膜電路。有的厚膜集成電路中包括可開關晶體管，有的則不包括開關晶體管。這種電源的特點是電路結構簡單、調試方便、可靠性高。以上五花八門的開關穩壓電源的品種都是站在不同的角度，以開關穩壓電源不同的特點命名的。盡管各種電路的激勵方法、輸出直流電壓的調節方式。儲能電感的連接方式、開關管的器件類型以及串并聯的結構等各不相同，但是他們最后總可以歸結為串聯型開關穩壓電源和并聯型開關穩壓電源這兩大類。 1.5 穩壓開關電源的發展趨勢 隨著穩壓開關電源的發展，技術日益成熟，發展的方向也各不相同，但總的有以下四種方向。（1）高頻化 理論分析和實踐經驗表明, 電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50hz提高到20khz,提高400倍的話, 用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5 l 0 % 。無論是逆變式整流焊機, 還是通訊電源用的開關式整流器, 都是基于這一原理。同樣, 傳統 整流行業 的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造, 成為 開關變換類電源 , 其主要材料可以節約9 0 % 或更高, 還可節電3 0 % 或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高, 促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化, 帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益, 更可體現技術含量的價值。（2）模塊化 模塊化有兩方面的含義, 其一是指功率器件的模塊化, 其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊, 含有一單元、兩單元、六單元直至七單元, 包括開關器件和與之反并聯的續流二極管, 實質上都屬于 標準 功率模塊( s p m ) 。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去, 構成了 智能化 功率模塊( i p m ) , 不但縮小了整機的體積, 更方便了整機的設計制造。實際上, 由于頻率的不斷提高, 致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重, 對器件造成更大的電應力( 表現為過電壓、過電流毛刺) 。為了提高系統的可靠性, 有些制造商開發了 用戶專用 功率模塊(aspm), 它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中, 這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、 機械方面的設計, 達到優化完美的境地。由此可見, 模塊化的目的不僅在于使用方便, 縮小整機體積, 更重要的是取消傳統連線, 把寄生參數降到最小, 從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。（3）數字化 在傳統功率電子技術中, 控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代, 電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是, 現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要, 數字信號處理技術日趨完善成熟, 顯示出越來越多的優點: 便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾( 提高抗干擾能力) 、便于軟件包調試和遙感遙測遙調, 也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以, 在八、九十年代, 對于各類電路和系統的設計來說, 模擬技術還是有用的,特別是: 諸如印制版的布圖、電磁兼容(emc) 問題以及功率因數修正(pfc)等問題的解決, 離不開模擬技術的知識, 但是對于智能化的開關電源, 需要用計算機控制時, 數字化技術就離不開了。（4）綠色化 電源系統的綠色化有兩層含義: 首先是顯著節電, 這意味著發電容量的節約, 而發電是造成環境污染的重要原因, 所以節電就可以減少對環境的污染; 其次這些電源不能( 或少) 對電網產生污染,國際電工委員會( i e c )對此制定了一系列標準, 如iec555、iec917、iecl000等。事實上,許多功率電子節電設備, 往往會變成對電網的污染源: 向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降, 使電網電壓耦合許多毛刺尖峰, 甚至出現缺角和畸變。 2 0 世紀末, 各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生, 有了多種修正功率因數的方法。這些為21世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。總而言之, 開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現, 將標志著開關電源技術的成熟, 實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年, 隨著通信行業的發展, 以開關電源技術為核心的通信用開關電源, 吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨, 因此, 同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動, 并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。1.6 開關電源的技術指標與基本設計要求 直流穩壓電源的技術指標可以分為兩大類：一類是特性指標，反映直流穩壓電源的固有特性，如輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓調節范圍；另一類是質量指標，反映直流穩壓電源的優劣，包括穩定度、等效內阻（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數等。（1）特性指標i輸出電壓范圍 符合直流穩壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入輸出電壓差所規定，而其下限由直流穩壓電源內部的基準電壓值決定。ii最大輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩壓電源內部調整晶體管的耐壓指標。iii.最小輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。iv.輸出負載電流范圍 輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內，直流穩壓電源應能保證符合指標規范所給出的指標。 （2）質量指標i.電壓調整率sv 電壓調整率是表征直流穩壓電源穩壓性能的優劣的重要指標，又稱為穩壓系數或穩定系數，它表征當輸入電壓vi變化時直流穩壓電源輸出電壓vo穩定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。電壓調整率公式見圖221。 ii電流調整率si 電流調整率是反映直流穩壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩定系數。它表征當輸入電壓不變時，直流穩壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩壓電源的電流調整率。 iii紋波抑制比sr 紋波抑制比反映了直流穩壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當直流穩壓電源輸入和輸出條件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰峰值與輸出紋波電壓峰峰值之比表示，一般用分貝數表示，但是有時也可以用百分數表示，或直接用兩者的比值表示。 iv溫度穩定性k 集成直流穩壓電源的溫度穩定性是以在所規定的直流穩壓電源工作溫度ti最大變化范圍內（tmintitmax）直流輸出電壓的相對變化的百分值。（3）極限指標i最大輸入電壓是保證直流穩壓電源安全工作的最大輸入電壓。 ii最大輸出電流是保證穩壓器安全工作所允許的最大輸出電流。第二章 開關變換電路2.1 濾波電路 輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網輸入的干擾信號，同時也防止開關電源工作時產生的諧波和電磁干擾信號影響交流電網。圖2-1所示濾波電路是一種復合式emi濾波器，l1、l2和c1構成第一級濾波，共模電感l3和電容c2、c3進行第二級濾波。圖2-1輸入濾波電路 c1用于濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻r給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性。c2、c3跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾。為了減小漏電流，c2、c3宜選用陶瓷電容器。2.2 反饋電路2.2.1 電流反饋電路電流反饋電路采用電流互感器，通過檢測開關管上的電流作為采樣電流，原理如圖2-2所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時值反饋和電流平均值反饋兩路，r2上的電壓反映電流瞬時值。開關管上的電流變化會使ur2變化，ur2接入uc3842的保護輸入端腳，當ur21v時，uc3842芯片的輸出脈沖將關斷。通過調節r1、r2的分壓比可改變開關管的限流值，實現電流瞬時值的逐周期比較，屬于限流式保護。輸出脈沖關斷，實現對電流平均值的保護，屬于截流式保護。兩種過流保護互為補充，使電源更為安全可靠。采用電流互感器采樣，使控制電路與主電路隔離，同時與電阻采樣相比降低了功耗，有利于提高整個電源的效率。圖2-2電流反饋電路2.2.2 電壓反饋電路電壓反饋電路如圖2-3所示。輸出電壓通過集成穩壓器tl431和光電耦合器反饋到uc3842的腳，調節r1、r2的分壓比可設定和調節輸出電壓，達到較高的穩壓精度。如果輸出電壓uo升高，集成穩壓器tl431的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即uc3842腳對地的分流變大，uc3842的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓uo減小。同樣如果輸出電壓uo減小，可通過反饋調節使之升高。圖2-3電壓反饋電路2.3 電壓保護電路圖2-4所示為輸出過電壓保護電路。穩壓管vs的擊穿，電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出正常時，vs不導通，晶閘管v的門極電壓為零，不導通。當輸出過壓時，vs擊穿，v受觸發導通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過uc3842控制開關管關斷。圖2-4輸出過電壓保護電第三章 uc38423.1 uc3842簡介 繼mc1394、an5900之后，人們又開發出功能更完善的它激單端輸出驅動集成電路。其特點是除內部pwm系統外，還設有多路保護輸入和穩定的基準電壓發生器，同時還具有小電流啟動功能。典型的uc3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前廣泛被各種普通電源采用，還被用于有源因數改善電路和高壓升壓式開關電源中。uc3842是美國unitrode公司14生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。uc3842為8腳雙列直插式封裝，其內部原理框圖如圖1所示。主要由5.0v基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、pwm鎖存器、高增益e/a誤差放大器和適用于驅動功率mosfet的大電流推挽輸出電路等構成。端1為comp端；端2為反饋端；端3為電流測定端；端4接rt、ct確定鋸齒波頻率；端5接地；端6為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端7為集成塊工作電源電壓端，可以工作在840v；端8為內部供外用的基準電壓5v，帶載能力50ma。3.1.1 uc3842的引腳及其功能圖31 uc3842的引腳uc3842的引腳如圖31所示 ，其中：腳為內部誤差放大器輸出端，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性;腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5v基準電壓進行比較，產生誤差電壓，而控制脈沖寬度；腳為pwm比較器的另一輸入端，當檢測電壓超過l v時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態；腳為定時電容ct端，內部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數決定，f=1.8(rtct);腳為接地端。腳為推挽輸出端 ，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns驅動能力為l a；腳為啟動/工作電壓輸入端腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mw。腳為內部5v基準電壓輸出端，有50ma的負載能力。3.1.2 uc3842的內部結構 uc3842為雙列8腳單端輸出的它激式開關電源驅動集成電路，其內部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、pwm鎖存電路、5vc基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，見圖3-2。圖3-2uc3842的內部結構 (1) 5v的基準電源:內部電源,經衰減得到2.5v作為誤差比較器的比較基準.該電源還可以提供外部5v/50ma.（2） 振蕩器:產生波振蕩.rt接在4ret 8腳之間,ct接4gnd5之間. 頻率f=1.8/ctrt,最大為500khz.（3） 誤差放大器：由vfb端輸入的反饋電壓和2.5v做比較，誤差電壓comp用于調節脈沖寬度。comp端引出接外部rc網絡,以改變增益和頻率特性.（4） 輸出電路：圖騰柱輸出結構，電路1a，驅動mos管及雙極型晶體管。（5） 電流取樣比較器：腳isense用于檢測開關管電流，可以用電阻或電流互感器采樣，當visense1v時，關閉輸出脈沖，使開關管關斷。這實際上是一個過流保護電路。（6） 欠壓鎖定電路vvlo：開通閾值16v，關閉閾值10v。具有滯回特性。（7） pwm鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，vcc與gnd之間的穩壓管用于保護，防止器件損壞。3.1.3 uc3842的使用特點 uc3842的使用方便簡單，其使用特點如下：(1) 采用單端圖騰柱式pwm脈沖輸出，輸出驅動電流為200ma，峰值可達1a。(2) 啟動電壓大于16 v，啟動電流僅1 ma即可進入工作狀態。處于正常工作狀態時，工作電壓在1034 v之間，負載電流為15 ma。超出此限制，開關電源呈欠電壓或過電壓保護狀態，無驅動脈沖輸出。(3) 內設5 v(50 ma)基準電壓源，經21分壓后作為取樣基準電壓。（4）輸出電流為200 ma，峰值為1 a，既可驅動雙極型三極管也可驅動mosfet管。若驅動雙極型三極管，應加入開關管截止加速rc電路，同時將內部振蕩器的頻率限制在40 khz以下。若驅動mosfet管，振蕩頻率由外接rc電路設定，工作頻率最高可達500 khz。 (5) 內設過流保護輸入(3腳)和誤差放大輸入(1腳)兩個pwm控制端。誤差放大器輸入構成主pwm控制系統，可使負載變動在30100時輸出負載調整率在8 以下，負載變動在70100時負載調整率在3以下。 (6) 過流檢測輸入端可對每個脈沖進行控制，直接控制每個周期的脈寬，使輸出電壓調整率達到0.01%v。如果腳電壓大于1 v或腳電壓小于1 v，pwm比較器輸出高電平使鎖存器復位，直到下一個脈沖到來時才重新置位。利用腳和腳的電平關系，在外電路控制鎖存器的開/閉，使鎖存器每個周期只輸出一次觸發脈沖。因此，電路的抗干擾性極強，開關管不會誤觸發，提高了可靠性。(7) 內部振蕩器的頻率由腳外接電阻與腳外接電容設定。集成電路內部基準電壓通過腳引入外同步。腳和腳外接rt、 ct構成定時電路，ct的充電與放電過程構成一個振蕩周期，其振蕩頻率可由下式近似得出： （3-1） 3.2 uc3842的典型應用電路3.2.1 反激式開關電源反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用，可以看作是一對相互耦合的電感。工作過程是：開關開通后，v處于斷態，初級繞組的電流線性增長，電感儲能增加；開關關斷后，初級繞組的電流被切斷，變壓器中的磁場能量通過次級繞組和v向輸出端釋放。圖3-3是反激式開關電源原理圖，其中的控制芯片采用uc3842。電源的輸出電壓等級有三種：5v、12v、12v。該電路變換器是一個降壓型開關電路。由單管驅動隔離變壓器tc主繞組n1電流，c2、r3可以提供變壓器原邊泄放的通路。輸出經整流、濾波送負載。芯片所用的電源vcc由r2從整流后電壓提供。vcc同時也作為輔助反饋繞組n3的反饋電壓。反饋比較電路信號是從輔助繞組n3經過v1、v2、c3、c4等整流濾波后得到的vcc分壓提取的。c6、r7構成信號的有源濾波。開關管電流被r10取樣后，經r9、c7濾波，送芯片isense端，當反饋信號值超過閾值1v時，確認過載，關斷電源輸出。芯片輸出部分由out端驅動單mosfet管，c8、v3對開關管有電壓鉗位作用。 圖3-3 uc3842組成的反激式電源3.2.2 uc3842控制的同步整流電路圖34為使用它激式驅動電路uc3842組成的5v10a開關穩壓電源。其基本技術參數如下：輸入電壓816v，輸出電壓5v，最大負載電流10a，輸出端脈沖紋波峰值80mv，輸入電壓、負載電流以及環境溫度在額定范圍內變化時輸出電壓變動小于2 %，環境溫度-10+70，變換器頻率120khz，在允許的輸入電壓范圍內，負載電流最大時開關電源的平均效率95。設驅動脈沖在tn期間，變換器開關管導通，向電感存儲磁能。存儲能量正比于tn的脈沖寬度。在驅動脈沖tn截止后，經過設定的死區時間td，脈沖間歇期的低電平輸出通過控制電路，使續流二極管上并聯的開關管導通。低內阻的mosfet管ds極并聯接入續流二極管，使電路等效內阻大幅度降低，儲能電感能量釋放電流增大，向負載放電。死區時間的設定，是為了避免兩只不同功能開關管形成瞬間共態導通，造成供電電路短路損壞開關管。由于mosfet管無存儲效應，可以將死區時間td設置短一些，更利于在穩壓電路的控制下大范圍改變脈寬速度，以實現更大的穩壓范圍。 圖3-4 基于同步整流技術的電源電路uc3842采用脈沖寬度調制方式穩定輸出電壓，其各腳功能及外圍元器件作用如下：腳為內部誤差比較器的誤差檢測輸出端，在集成電路內部控制脈寬調制器。外電路接入r2作為負反饋電阻，以穩定增益。c8作為頻率特性校正，避免比較器產生自激。腳為比較器正向輸入端。穩壓器輸出5v電壓，由r4、r1分壓，正常穩壓狀態為2.5v取樣電壓。比較器的反向輸入端在集成電路內部，由5v基準電壓分壓得到2.5v基準電壓。腳為高電平保護輸入端，其輸入電平保護閾值為1v。在1v以下，可以控制輸出驅動脈沖的脈寬，達到1v，則瞬間關斷輸出脈沖。在圖4-12中，由電流互感器t1對開關管vt2導通電流取樣，經v1整流，r5、r6分壓后，送入集成電路腳作為開關管過流保護。電容器c11為高次諧波旁路電容，以避免脈沖尖峰使保護電路誤動作。腳為內部振蕩器的外接定時電路端子，5v基準電壓通過電阻向電容器c10充電。r3、c10設定振蕩器的脈沖頻率。該振蕩器頻率設定為120khz。腳為共地端。腳為pwm驅動脈沖輸出端，用以驅動p-n溝道對管vtl組成的移相驅動器。腳為供電端，接入816v輸入電壓。該電路的同步整流器由vt1、vt2和vt3組成。開關管vt2為p溝道fet管irf4905，其漏源極導通電阻為20m，關斷時間80ns。開關管vt3為n溝道fet管irf3205，其導通電阻8m，其漏源極并聯接在續流二極管v2兩端。v2為反壓10v、最大電流30a的肖特基二極管，當負載電流最大時，其飽和壓降在0.5v左右。vt3導通后，與v2并聯，將此電壓降低到100mv，大大降低了開關管的損耗。為了實現vt2、vt3的輪流導通，電路中由雙場效應管vt1組成驅動脈沖相位分離電路。vt1內部由p溝道和n溝道fet對管組成。當ic1腳輸出驅動脈沖為高電平時，vt1內部p溝道fet管截止，n溝道fet管導通，vt2柵極通過r7、vt1腳和腳得到電壓，vt2導通，輸入電壓通過vt2源漏極加到l2左端，由電源向l2存儲磁能，同時向負載供電。電流呈線性增長。當驅動脈沖達到截止點時，cl2充電電壓最大。在vt2導通的同時，vt1導通，其腳和腳將vt3柵源極短路，使vt3截止。在l2存儲能量期間，vt2也反偏截止。在驅動脈沖的截止期，ic1腳輸出低電平，vt1內部p溝道fet管導通，將vt2的柵源極短路。此時vt1的n溝道fet管截止。使vt2也截止，l2釋放磁場能量，v2正偏導通，vt1腳漏極輸出高電平經過r7，使vt3導通，其漏源極低內阻并聯在續流二極管v2兩端，使l2的釋放電流增大。此部分電路中，利用mos fet管的快速開關特性對vt2、vt3的導通截止進行控制，使vt2、vt3開關損耗進一步降低。由于l2在磁-電的存儲釋放過程中難免形成開關脈沖紋波，因此電路中濾波電容c12為6只100f的電容并聯，以有效地降低電解電容的分布電感，使其高次諧波的濾波性能更好。3 .2.3 升壓型開關電源由uc3842組成的它激式升壓開關電源電路見圖3-5。儲能電感l5、 開關管vt7組成斬波式開關穩壓器，uc3842構成開關控制電路。輸入經負溫度系數電阻ntc、橋式整流器、電容c4，成為直流電壓，正極經l5并聯接入vt7。當vt7導通時，輸入整流電壓經l5、vt7漏源極、r6完成回路，輸入整流電壓全部加在l5兩端，從而使電能變為磁能存儲于l5。當vt7截止時，l5產生的自感電勢與輸入整流電壓串聯連接，通過升壓二極管v6、 電容c7向負載供電。vt7導通時間正比于l5存儲能量，因此，控制vt7通斷占空比，可以控制升壓幅度。這種升壓電路適合不同輸入電壓輸入，取代了傳統的交流輸入110/220 v自動切換電路。圖3-5 由uc3842組成的它激式升壓開關電源電路在圖3-5中，升壓電路由uc3842為核心，構成它激式開關電路。為了提高升壓電路的可靠性，uc3842采用多路取樣的控制方式形成保護電路。uc3842在該開由uc3842組成的它激式升壓開關電源電路見圖3-5。儲能電感l5、開關管vt7組成斬波式開關穩壓器，uc3842構成開關控制電路。輸入經負溫度系數電阻ntc、橋式整流器、電容c4，成為直流電壓，正極經l5并聯接入vt7。當vt7導通時，輸入整流電壓經l5、vt7漏源極、 r6完成回路，輸入整流電壓全部加在l5兩端，從而使電能變為磁能存儲于l5。當vt7截止時，l5產生的自感電勢與輸入整流電壓串聯連接，通過升壓二極管v6、 電容c7向負載供電。vt7導通時間正比于l5存儲能量，因此，控制vt7通斷占空比，可以控制升壓幅度。這種升壓電路適合不同輸入電壓輸入，取代了傳統的交流輸入110/220 v自動切換電路。為了使振蕩頻率穩定，c12的充電電壓取自uc3842腳內部的5 v基準電壓。如果電路故障使uc3842輸出驅動脈沖占空比過大時，vt7導通時間將變長，截止時間將縮短，其漏源極平均電流增大，致使過流取樣電阻r6、 r7壓降增大，此時uc3842腳電壓升高，通過內部比較器控制觸發器，使驅動脈沖占空比減小。如果過流取樣電壓達到1 v左右，則自動持續關斷驅動脈沖，避免輸出電壓超高損壞負載電路和開關管。第四章 利用uc3842設計開關穩壓電源4.1 電源設計指標要求該電源在電阻負載條件下滿足：（1）輸出電壓uo可調范圍：30v36v；（2）最大輸出電流i0max：2a；（3）u2從15v變到21v時，電壓調整率su2%（io=2a）；（4）io從0變到2a時，負載調整率si5%（u2=18v）；（5）dc-dc變換器的效率70%（u2=18v,uo=36v,io=2a）；（6）具有過流保護功能，動作電流io（th）=2.50.2a；設計思路： 開關電源由隔離變壓器、整流濾波和dcdc變換網絡組成。設計的關鍵是dcdc變換器，它包含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊，而控制模塊的設計又是dc/dc的核心，一般dc/dc變換的控制模塊使用pwm調制的專用芯片，如tl494，uc3842等。芯片內部集成了振蕩器(由外接電阻電容來決定頻率)，誤差比較器，pwm調制器等，有的甚至有保護電路和驅動電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構成開關電源，穩定性能較好，控制簡單，芯片功耗幾乎可以忽略不計，且成本低。過流保護可以使用電流取樣電阻串接在負載上。當取樣的電流超過指定的范圍，立即切斷負載，或者降低輸出電壓，然后過一段時間再自動啟動，接上負載，由繼電器來控制負載的連通性。4.2 具體電路設計4.2.1 啟動電路 啟動電路圖如圖4-2，輸入的220v交流電經過橋式整流以及c1c2濾波過后變成脈動的直流電壓，此電壓經通過電阻r2分壓給uc3842提供啟動電壓，當電壓達到16v時達到芯片的啟動電壓，uc3842開始工作并提供驅動脈沖， uc3842的啟動電壓大于16 v，啟動電流僅1 ma即可進入工作狀態。處于正常工作狀態時，工作電壓在1034 v之間，負載電流為15 ma。超出此限制，開關電源呈欠電壓或過電壓保護狀態，無驅動脈沖輸出。元件參數選擇：（1）變壓器的選擇：要輸出u2=18v的直流電，全橋整流電路的二次側輸出電un2。因為采用全橋整流，所以有解此算式可以得到 un2=12.73v計算變壓器的一次側和二次側的線圈比n1/n2電路的輸入電壓是市電交流電壓220v所以：n1/n2=un1/un2即：n1/n2=220/12.73=0.05785根據需要和選擇期間的方便，取n1/n2=0.6當交變電流通過導體時,電流將集中在導體表面流過,這種現象叫集膚效應。電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時,會聚集于總導體表層,而非平均分布于整個導體的截面積中。線徑的選擇主要由本