電子與信息工程畢業(yè)論文基于uc3843的反激式開關(guān)電源設(shè)計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　基于UC3843的反激式開關(guān)電源設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子與信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電

3、源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)式與線性的電源比較，兩者的成本都是伴隨輸出功率的增加而增長，只不過兩者的增長速率并不相同。線性電源的成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，隨著電力電子技術(shù)的不斷的發(fā)展與創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)不斷地革新，這一成本的反轉(zhuǎn)點慢慢向低輸出電力方向移動，這為開關(guān)電源提供了更大的發(fā)展空間。</p><p>　　UC3843是一種電流型集成控制器。本文

4、設(shè)計了一種基于UC3843的適用于小型功率場合的電流型控制電路的反激式開關(guān)電源，其輸出電壓為可調(diào)的20V~30V，最大輸出電流為3A，DC-DC變換器的效率≥70%，并具有過流保護功能。主要以主電路和控制電路兩方面進行介紹，詳細地介紹了電路的組成結(jié)構(gòu)以及各組成電路的具體工作原理以及作用，并對各部分電路的選擇以及元器件的計算作了詳細的分析。主電路部分主要包含輸入電路，高頻變換電路以及輸出整流電路，主要是以高頻變換電路為核心而設(shè)計的，其選用

5、的是反激式電路。而控制電路主要以UC3843芯片為核心設(shè)計的。</p><p>　　本文特別對各部分組成電路，以及控制電路的控制原理以及UC3843芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作了詳細介紹以及深入研究。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；反激式；電流控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　S

6、witching power supply is used of modern power electronics technology to control the time rate of switch on and off to maintain a stable output-voltage . Generally, switching power supply is made of the control IC of PWM

7、and MOSFET. Compared the cost of switching power supply and that of linear-power, all their cost are increase with the increase of output-power, but with different growth rate. Liner-power’s cost is higher than the switc

8、hing power supply at a linear output power point. With the </p><p>　　UC3843 is a Current integrated controller.This article is designed based on UC3843 of occasions for small power current-mode control circu

9、it flyback switching power supply, adjustable output voltage is 20V ~ 30V, maximum output current of 3A, DC-DC converter efficiency ≥ 70%, and has overcurrent protection.In the main text to the main circuit and control c

10、ircuit are introduced both a detailed description of the circuit structure and the composition of the circuit composed of the specific works a</p><p>　　This particular part of the circuit and control circuit

11、 of the control principle and the internal structure of UC3843 chip, described in detail and in depth.</p><p>　　Keywords: switching power supply; flyback; Current controller朗讀顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p>

12、;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1關(guān)于開關(guān)電源1</p><p>　　1.2開關(guān)電源的發(fā)展概況1</p><p>　　1.3開關(guān)電源的發(fā)展方向2</p><p>　　第2章 開關(guān)電源的工作原理3

13、</p><p>　　2.1設(shè)計總思路3</p><p>　　2.2 輸入電路3</p><p>　　2.3高頻變換電路4</p><p>　　2.4整流濾波電路7</p><p>　　2.5 控制電路8</p><p>　　第3章 單元電路的設(shè)計11</p><

14、p>　　3.1輸入電路11</p><p>　　3.1.1進線濾波電路11</p><p>　　3.1.2單相橋式整流電路12</p><p>　　3.2高頻變換路13</p><p>　　3.3輸出整流濾波電路15</p><p>　　3.4控制電路17</p><p>　　

15、3.4.1 UC3843芯片介紹17</p><p>　　3.4.2 MOSFET簡介及選取19</p><p>　　3.4.3控制電路的設(shè)計21</p><p>　　3.5 總電路圖22</p><p><b>　　結(jié)論23</b></p><p><b>　　參考文獻24

16、</b></p><p><b>　　致謝25</b></p><p>　　附件 PCB圖以及實物圖26</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1關(guān)于開關(guān)電源</b></p><p>　　隨著計

17、算機、電子技術(shù)的高速發(fā)展，應(yīng)用電子技術(shù)的領(lǐng)域越來越廣泛，各種電子設(shè)備也越來越多，電子設(shè)備和人們的工作和生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，而電源技術(shù)作為電力電子應(yīng)用的一項基礎(chǔ)技術(shù)，其重要性更加突出。由于電子設(shè)備的小型化以及低成本化趨勢，使得電源向輕、薄、小以及高效率方向發(fā)展。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源擁有穩(wěn)定性很好、輸出紋波電壓比較小、可靠性更高等特點，但通常都需要體積大且笨重

18、的工頻變壓器以及濾波器。為了適應(yīng)時代的要求，開關(guān)電源隨之出現(xiàn)。</p><p>　　顧名思義，開關(guān)電源是電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。它屬于交換電能的電源。它是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。</p><p>　　開關(guān)電源電路是電力電子電路的一種，它通常分為交流（AC）、直流（DC）兩大類。因此基本的電力電子電路可分為AC-DC電路、DC-AC電路

19、、AC-AC電路、DC-DC電路。電力電子電路的核心元器件是電力電子器件，它們一般都是工作在開關(guān)狀態(tài)，這樣可以使損耗很小。如果把這四類基本電力電子電路都看成電源電路，則所有的電力電子電路都可以看成開關(guān)電源電路。</p><p>　　開關(guān)電源，要同時具備三個條件，即：開關(guān)（電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)）、高頻（電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻）和直流（電源輸出是直流而不是交流）

20、。按照目前的習(xí)慣，開關(guān)電源是專指電力電子器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)下的直流電源，因此，開關(guān)電源也常被人稱為高頻開關(guān)電源。</p><p>　　開關(guān)電源主要由主電路和控制電路兩部分組成。主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號?？刂品绞?，總的來說分成電壓模式控制和電流模式控制兩大類。</p><p>　　1.2開關(guān)電源的發(fā)展概況</p><p>　　開關(guān)電源的前身是線

21、性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源出現(xiàn)之前，各種電子設(shè)備、許多電氣控制儀器的工作電源用的都是線性穩(wěn)壓電源。由于計算機等電子儀器的集成度越來越高，功能也越來越強，但體積卻越來越小。因此，對體積小、重量輕、效率高、性能好新型電源的迫切要求，成為了開關(guān)電源技術(shù)出現(xiàn)的契機。</p><p>　　20世紀70年代初，由于出現(xiàn)了垂直導(dǎo)電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管，這讓開關(guān)電源可以采用更高的工作頻率，現(xiàn)在沿用的開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)是在

22、那時確定的。</p><p>　　開關(guān)頻率的提高有利于整個開關(guān)電源的體積的減小以及重量的減輕。但早期的開關(guān)電源的開關(guān)頻率僅僅只有數(shù)千赫，隨著使用的開關(guān)器件和磁性材料性能的不斷改進，開關(guān)頻率也不斷的提高。但當頻率達到10KHZ時，變壓器、電感等磁性組件所引發(fā)的噪聲就會變得刺耳。到了20世紀70年代，開關(guān)頻率終于超過了人類聽覺極限的20KHZ，這使得噪聲變小了，體積也減小了。后來，隨著電力MOSFET的應(yīng)用，開關(guān)電源

23、進一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。</p><p>　　20世紀80年代，隨著IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的出現(xiàn)，打破了中大功率直流電源以晶閘管相控電源為主的格局。它使得開關(guān)電源的容量不斷增大，迅速取代了相控電源，成為各種電力系統(tǒng)的主流電源。并出現(xiàn)了一種軟開關(guān)技術(shù)，即采用準諧振技術(shù)的零電壓開關(guān)電路與零電流開關(guān)電路。它的出現(xiàn)是為了解決開關(guān)頻率的提高導(dǎo)致開關(guān)損耗增大，電源效率降低和電磁干擾

24、問題的。此時，計算機也已經(jīng)全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化。</p><p>　　到了20世紀90年代，出現(xiàn)了功率因數(shù)校正技術(shù)，并在開關(guān)電源中大量應(yīng)用。同時，開關(guān)電源已經(jīng)遍布于各種電力電子產(chǎn)品領(lǐng)域，并開始進入蓬勃發(fā)展的時期。</p><p>　　到21世紀初，全世界開關(guān)電源的市場規(guī)模已經(jīng)達到了166億美元。在我國，改革開放后，由于通信、家電等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，推動了電源市場的發(fā)展。預(yù)計中國開關(guān)電源市場總

25、額在70億元人民幣以上。</p><p>　　1.3開關(guān)電源的發(fā)展方向</p><p>　　開關(guān)電源正處于蓬勃發(fā)展時期，21世紀的總體發(fā)展趨勢概括為以下四個方面：</p><p>　　（1）小型化、輕量化以及高頻化。開關(guān)電源的體積和重量主要是由磁性元件和電容組件決定的，所以開關(guān)電源的小型化，其本質(zhì)是盡量減小其中儲能組件的體積。開關(guān)頻率在一定范圍里的提高，不僅可以更好

26、的減小電容、電感和變壓器的尺寸，還可以抑制各種干擾，改善整個系統(tǒng)的性能，因此，高頻化也是發(fā)展的趨勢。</p><p>　　(2) 高可靠性和高效率。開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從設(shè)計方面著眼，盡可能使用較少的期間，提高集成度，可以解決電路復(fù)雜、可靠性差的問題。</p><p>　　(3) 低噪聲及良好的動態(tài)響應(yīng)。開關(guān)電源有噪聲大的缺點。如果只是一味的追求高

27、頻化，噪聲就會不斷增大。因此，盡可能的降低噪聲，也是研究的重點方向。。</p><p>　　(4)利用計算機來輔助設(shè)計和控制開關(guān)電源。運用CAA和CDD等技術(shù)來設(shè)計最新的變換拓撲以及最佳的參數(shù)，使開關(guān)電源擁有簡單的結(jié)構(gòu)和最好的工作狀態(tài)。如果在其電路中加入微機檢測以及控制，便可以形成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時檢測、記錄和自動報警的功能。</p><p>　　開關(guān)電源的發(fā)展一直都和半導(dǎo)體器件及磁

28、性組件等的發(fā)展息息相關(guān)。因為要實現(xiàn)高頻化，對相應(yīng)的半導(dǎo)體器件和高頻電磁組件的要求就更高。發(fā)展功率MOS-FET、IGBT這些新型的器件，研發(fā)可以用于高頻的低損磁性材料，改進磁性組件的結(jié)構(gòu)，提高各種電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，都會對開關(guān)電源的發(fā)展起到推動作用?？偠灾_關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展中，研究降低損耗回路技術(shù)與開發(fā)新型元器件，兩者相互帶動，相互促進，推動著開關(guān)電源不斷的更新?lián)Q代。</p><p>　　第

29、2章 開關(guān)電源的工作原理</p><p><b>　　2.1設(shè)計總思路</b></p><p>　　本文是以UC3843為核心控制部件，供電電源采用市電，設(shè)計一個小功率帶變壓器隔離的單端反激式開關(guān)電源。</p><p>　　電源電路主要由單端反激式變換電路和PWM控制電路兩部分組成。整體思路是：電源通過整流濾波，驅(qū)動UC3843，并使之提供驅(qū)動

30、脈沖，推動開關(guān)管工作，同時通過對電壓的檢測，改變輸出電流信號，調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 開關(guān)電源系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.2 輸入電路</b></p><p>　　交流市電進入開關(guān)電源，首先經(jīng)過高功率因數(shù)整流器的進線濾波電路，過濾掉高頻電磁干擾波

31、。再通過橋式整流器整流，</p><p>　　將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。輸入電路包括三部分，即線路濾波器、浪涌電流抑制電路以及整流電路。如圖2.2所示。</p><p>　　1.線路濾波器：它的主要作用是將電網(wǎng)電源線進入的外來噪聲衰減，防止下級連接的電路或部件，以及接于輸出端的設(shè)備產(chǎn)生誤動作。另一方面，又可對開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲進行衰減，不至于對其它電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。組成線路濾

32、波器的主要部件是扼流線圈和電容，根據(jù)所產(chǎn)生噪聲電平大小以及使用頻率高低來選定回路、所用部件、材料以及決定它們的數(shù)值等。</p><p>　　圖2.2 輸入電路框圖</p><p>　　2.浪涌電流抑制電路：所輸入電路的第二部分，是浪涌電流抑制部分。開關(guān)電源的輸入端因為是整流平滑濾波電容器輸入的，當接通交流電源時，濾波電容就有充電電流通過。這就是一種浪涌電流，它是在輸入電壓最大，相位90&#

33、176;時得到最大值。為了保護輸入電源的ON/OFF開關(guān)接點，防止電源線發(fā)生故障，必須抑制浪涌電流。</p><p>　　3.整流電路: 輸入電路的第三部分是整流電路，這種電路可分為電容輸入型，扼流圈輸入型兩大類。在開關(guān)電源中通常采用電容輸入型，這種類型的整流方式又以橋式整流電路最常用。</p><p><b>　　2.3高頻變換電路</b></p>&

34、lt;p>　　根據(jù)電路是否具備電能回饋能力、輸出端與輸入端是否電氣隔離以及電路的結(jié)構(gòu)形式等三個原則，可以將開關(guān)電源中的電力電子電路分為非回饋型和回饋型、隔離型與非隔離型。非回饋隔離型分為正激型、反激型、半橋型、全橋型、推挽型。而非回饋非隔離型包含升降壓型、升壓型、降壓型、Cuk型、Sepic型、zeta型。</p><p>　　各種不同的電路有不同的特點以及應(yīng)用場合。但總體上，相對于回饋型而言，非回饋型電路

35、的結(jié)構(gòu)較為簡單，而且成本很低，且大部分的應(yīng)用場合都不要求具備回饋能力，因此，非回饋型電路應(yīng)用遠比回饋型電路廣泛。非隔離型電路的結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但隔離型的應(yīng)用比較廣泛。這是因為大部分的應(yīng)用場合都需要開關(guān)電源的輸出端與輸入端相互隔離。隔離型電路中的各個電路有各自的特點，如表2.1所示：</p><p>　　表2.1各隔離型電路的特點</p><p>　　隔離型電路中的主電路結(jié)構(gòu)眾多，適合小功

36、率電源使用的有正激型、反激型以及半橋型，適合大功率電源的有正激型、半橋型和全橋型。由于電路非常簡單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動電路簡單，一般來說，小功率電源都采用反激型電路。如圖2.3為反激型電路圖。</p><p>　　它的工作過程是，接通V1后，通過啟動電路R1、R2、C1、VD3在VT基極中流過小電流，一次繞組W1啟動，在反饋繞組W1'上產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓；此電壓使VT基極電流增大，導(dǎo)致其集電極電流隨之

37、增大，形成正反饋過程，使VT很快飽和。致使W2兩端電壓使VD2反偏，隨著VT集電極電流增大，R3上的壓降增加，VT的基極電位由于電路中加了穩(wěn)壓二極管VD3而保持不變，故VT基極電流不斷減小，VT開始退出飽和區(qū),并向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)換。VT的基極電流減小引起集電極電流減小，W1、W1'及VD1上的極性均發(fā)生翻轉(zhuǎn)，VT的基極電流進一步減小，其集電極電流也隨之減小，形成正反饋過程，VT很快截止。在VT截止期間，由于W2極性翻轉(zhuǎn)式VD2導(dǎo)通，

38、T在VT導(dǎo)通期間所存儲的磁能轉(zhuǎn)成電能而釋放，供給負載。當磁能全部釋放完畢，W1'上壓降為零時，啟動電路重新開始工作，周而復(fù)始，形成自激震蕩。</p><p>　　圖2.3反激型電路圖</p><p>　　由圖2.4反激波形圖可得：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　二極管VD2上

39、的最大反壓為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　圖2.4反激波形圖</b></p><p>　　周期T越輸入電壓及輸出電壓的關(guān)系式為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　從上式

40、可知，當V1、V0一定時，f與P0成反比；當P、V0一定時，f與V1成反比，屬于脈沖寬度與頻率混合調(diào)制，也是自激行反激式電路的主要特性。</p><p>　　變壓器一次電流與輸入電壓、輸出電壓之間的關(guān)系式為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　從上式可知，當P0、V0一定時，V1增大，i1max減??；當V1、V

41、0一定時，i1max與P0(即I0)成正比，在V1=V1min，以及P0=P0max時，i1max值最大。</p><p>　　輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　在VT導(dǎo)通期間，VD2反偏；在VT截止時，VD2正偏，供給負載功率；VT集電極承受的最大電壓值Vcemax=Vimax

42、+nVomax。 </p><p><b>　　2.4整流濾波電路</b></p><p>　　整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。而實現(xiàn)這一目標主要是依靠二極管的單向?qū)щ娮饔?，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1kW以下）整流電路中，普遍使用的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍流整流電路。他們有各自的特點，如表2.2所示。</p>&

43、lt;p>　　表2.2三種整流電路特點</p><p>　　濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗組件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器L,以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。常用的濾波電路如表2.3所示。</p><p>　　表2.3 幾種濾波電路特點及結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　2.5

44、 控制電路</b></p><p>　　控制電路主要是控制開關(guān)電源主電路中開關(guān)器件的工作，如果出現(xiàn)錯誤，可能使整個電源停止工作甚至損壞。而且開關(guān)電源的許多指標，比如穩(wěn)壓穩(wěn)流精度、紋波、輸出特性等等也與控制電路有關(guān)。因此，控制電路的設(shè)計對開關(guān)電源非常重要。</p><p>　　控制電路中包含了驅(qū)動電路、調(diào)節(jié)器電路。并流均流電路、保護電路、PWM控制電路。如圖2.5所示。</

45、p><p>　　驅(qū)動電路是控制電路與主電路的接口，與開關(guān)電源的可靠性、效率等性能有關(guān)。驅(qū)動電路需要很高的快速性，能提供一定的驅(qū)動功率，并具有較高的抗干擾和隔離噪聲能力。</p><p>　　調(diào)節(jié)器電路的作用是將給定量和反饋量進行比較和運算，得到控制量。</p><p>　　當開關(guān)電源需要并機組成系統(tǒng)運行時，加入并機均流電路，以獲得更大的容量和更高的可靠性。</p&

46、gt;<p>　　為了保證開關(guān)電源在正常和非正常使用情況下的可靠性，其控制電路中應(yīng)包含保護電路。應(yīng)該具備自身保護和負載保護兩方面的功能，一旦出現(xiàn)故障，立即使開關(guān)電路停止工作，并以聲或光的形式報警，以保證在任何情況下，自身不損壞，并且不損壞負載。</p><p>　　PWM控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等</p><p>　　圖2.5

47、控制電路的結(jié)構(gòu)</p><p>　　效地獲得所需要波形。PWM控制電路的作用是將在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化的控制量模擬信號轉(zhuǎn)換為PWM信號，該信號的開關(guān)頻率固定，占空比隨著輸入信號連續(xù)變化。經(jīng)常使用的集成PWM控制器有SG3525、TL494和UC3825、UC3842/3/4/5/6、UC3875/6/7/8/9等。其內(nèi)部電路的典型結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 PWM控

48、制器內(nèi)部的典型結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　通常集成PWM控制器將誤差電壓放大器、振蕩器、PWM比較器、驅(qū)動、基準源、保護電路等常用開關(guān)電源控制電路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成電路。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的PWM直流變換器集成控制器不斷出現(xiàn)，因此開關(guān)電源所用的元器件數(shù)量大幅減少，這不但提高了開關(guān)穩(wěn)壓電源的可靠性，而且還簡化了開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計計算，使開關(guān)穩(wěn)壓電源更便于生成和維護。</p&g

49、t;<p>　　PWM集成控制器分為電壓型控制器和電流型控制器兩種。無論是電壓模式控制還是電流模式控制，兩者擁有輸出電壓反饋以及電壓調(diào)節(jié)器。但電壓模式中，只存在電壓反饋控制環(huán)，而電流模式控制中，不僅有電壓反饋控制環(huán)，還擁有一個電流控制內(nèi)環(huán)。相比之下，電流模式控制有著不可比擬的優(yōu)點：</p><p>　?。?）系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強，穩(wěn)定域擴大。</p><p>　?。?）系統(tǒng)動態(tài)特

50、性改善，主要體現(xiàn)在對輸入電壓擾動的抵抗能力提高。</p><p>　?。?）具有快速限制電流的能力。實際上，如果運用電流控制模式，電源中不必再加入輸出短路保護，因為如果發(fā)生短路，電流控制電路會使電源輸出電壓減小，從而限制輸出的電流值，電源不會損壞。</p><p>　　第3章 單元電路的設(shè)計</p><p><b>　　3.1輸入電路</b>&

51、lt;/p><p>　　3.1.1進線濾波電路 </p><p>　　交流市電由L火線、N零線進入，首先經(jīng)過的是進線濾波電路。</p><p>　　開關(guān)電源兩根交流進線存在共模干擾和差模干擾。兩種干擾以不同比例同時存在。例如，在開關(guān)電源中，當開關(guān)管的電流、電壓快速上升或者下降時，電感、電容的電流也迅速發(fā)生變化，這些都構(gòu)成了電磁干擾源。為了減少干擾信號通過電網(wǎng)影響其它電子

52、設(shè)備的正常工作，也為了減少干擾信號對本機信號造成影響，要加入線路濾波器。一般由電感、電容構(gòu)成。設(shè)計電路如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 進行濾波電路設(shè)計圖</p><p>　　FU為熔斷器，其選定值約為輸入電流的2-3倍。</p><p>　　電路中的RTH是熱敏電阻，是一種安全保護器件，其主要作用是對電源電路中瞬間出現(xiàn)的浪涌電流起到限制作用，可以有

53、效地降低過大的浪涌電流，破壞輸入電路，以及避免損壞開關(guān)管和振蕩電路芯片。</p><p>　　R1是放電電阻（安全電阻），用于防止電源線插拔時插頭長時間帶電。</p><p>　　LF1為GL型高壓低通濾波器用于防止電源噪聲信號。</p><p>　　之后C1、C2、CY1、CY2。LF1組成EMI電路。它防止電源本身的電磁干擾脈沖通過傳導(dǎo)或輻射方式干擾公共線路上的

54、其它電器設(shè)備。同時也防止公共線路上的電磁脈沖干擾電源本身的工作。C1與C2抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；CY1、CY2、LF組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾由很強的衰減旁路作用。</p><p>　　進線濾波電路的電感電容參數(shù)選擇如下：</p><p>　　LF的電感值一般為幾百微亨至幾個毫亨，LF取5mH。</p><p>　

55、　C1通常取0.1uF，即取C1為0.1uF。</p><p>　　C2通常取0.1uF，即取C1為0.1uF。</p><p>　　3.1.2單相橋式整流電路</p><p>　　交流市電經(jīng)過進線濾波電路濾波后，才通過由4個二極管構(gòu)成的單相橋式整流器，將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。設(shè)計部分如圖3.2所示</p><p>　　單相橋式整流電路是將

56、交流轉(zhuǎn)換為直流的最基本的電路，如圖。整流電路中的二極管具有單向?qū)ㄐ?，在整流電路中作為開關(guān)用。橋式整流器的工作原理就是利用4個整流二極管的分組導(dǎo)通性來實現(xiàn)的。當交流正弦波正半周時，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，輸出得到正弦波的正半周；當交流正弦波負半周時，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，輸出得到正弦波的負半周；然后輸出正負半周經(jīng)過合成，得到一個同方向的單相脈動電壓，即單相脈動直流電壓。這樣就將正弦交流電轉(zhuǎn)換成了脈動直流電。</p>

57、<p>　　圖3.2 單相橋式整流設(shè)計圖</p><p>　　單相橋式整流器的二極管參數(shù)選擇如下：</p><p>　　整流電路輸入電壓為工頻正弦，流過的電流也近似為工頻正弦，輸入功率因數(shù)約為1。因此，二極管VD1 ~ VD4承受的最高電壓為輸入最大的相電壓峰值，依據(jù)逆變輸出的功率和估算的電路效率可以大致計算出輸入電流的有效值，這樣就可以很容易地確定輸入整流二極管的參數(shù)要求。&l

58、t;/p><p>　　假定輸入交流電壓的最大峰值為、燈負載的功率為Po、輸入輸出的變換效率為η=0.95、輸出最低交流電壓有效值為，則整流二極管反向重復(fù)峰值電壓為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　整流二極管正向通態(tài)平均電流為</p><p><b>　?。?-2）</b&g

59、t;</p><p>　　當接通AC線路后，由于電容CY3、CY4容值一般僅為1uF~2uF，只能用作高頻濾波旁路，故橋式整流輸出的是100Hz的正弦半波脈動電壓。</p><p>　　輸入的220V交流電壓經(jīng)整流后的脈動直流電由濾波電容濾波后獲得310V左右的直流電壓，通過R2的壓降作用后，給C12充電，當C12的電壓達到UC3843要求的啟動電壓，UC3843開始工作。隨著UC3843

60、的啟動，R2的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3843供電。</p><p><b>　　3.2高頻變換路</b></p><p>　　輸入電路產(chǎn)生的310V左右的直流電壓，之后進入主電路，即開關(guān)電源的核心電路。由于反激型電路的結(jié)構(gòu)最為簡單，組件數(shù)少，成本較低，廣泛使用于各種功率為數(shù)瓦至數(shù)十瓦的小功率，所以這里采用反激型電路。該電路可

61、以看成是將升降壓型電路的電感換成相互耦合的電感得到。因此反激型電路中的變壓器在工作中總是經(jīng)歷著儲能——放電的過程。設(shè)計部分如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 高頻變換電路設(shè)計圖</p><p>　　R5、C3、D1以及R11、C8、D2組成浪涌吸收電路以保護功率MOSFET。</p><p>　　1．變壓器是開關(guān)電源中的核心元件，高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計

62、要求包括磁芯參數(shù)，線圈參數(shù)等內(nèi)容。按照輸出為Uo=20V~30V，Io=3A的要求，以及考慮20％的余量，則輸出功率Po=1.20×30×3=108W。根據(jù)輸出功率選擇磁芯，實際選取能輸出170W功率的磁芯。根據(jù)表3-1選用ＥＩ（E）-35，查表可得該磁芯的有效截面積Ａｅ＝1.01ｃｍ２。輸出功率與磁芯的尺寸之間關(guān)系如表3-1所示，根據(jù)表3-1，磁芯選擇為E1-35，它的有效截面積S=101，磁芯材料相當于TDK的H

63、7C4，最大工作磁通密度可由圖3-4查出。實際使用時磁芯溫度約為100℃，需要確保為線性范圍，因此，為3000高斯以下，但設(shè)計時需要減小剩磁，同時滿足安培環(huán)路定律：。 </p><p>　　表3.1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系</p><p>　　剩磁隨磁芯溫度以及工作頻率而改變，此處，剩磁溫度為100℃，工作頻率為100KHZ，則剩磁約減小為1000高斯，為1500高斯。</p&g

64、t;<p>　　圖3.4 H7C4材料磁芯的B-H特性</p><p>　　2．變壓器初級繞組的匝數(shù)計算 ：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　=40.9</b></p><p>　　式中：VDC為輸入直流電壓，AE為磁芯橫截面積，dB為磁通

65、密度。匝數(shù)取整數(shù)，因此N1=41匝。</p><p>　　3.次級繞組匝數(shù)的計算。</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　=12.7</b></p><p>　　式中VOUT為輸出電壓，VDCmin為最小輸入電壓。N2取13匝。</p><p

66、>　　4.變壓器輔助繞組匝數(shù)的計算：</p><p>　　變壓器次級輸出電壓的計算： </p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　式中：是電容上壓降，UVT為MOSFT上正向壓降，采用仿真值。變壓器次級最低電壓</p><p><b>　　（3-6）</b>

67、</p><p>　　式中，UC =5V為估算值。</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　可求的N’=7.3，取整數(shù)7匝。</p><p>　　3.3輸出整流濾波電路</p><p&g

68、t;　　輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。設(shè)計部分如圖3.5：</p><p>　　圖3.5輸出整流濾波電路設(shè)計</p><p>　　電路中存在寄生振蕩，整流管會承受較大的尖峰電壓，當副邊電壓為零時，在全橋整流器中四只二極管全部導(dǎo)通，輸出濾波電感電流處于自然續(xù)流狀態(tài)。而當副邊電壓變化為高電壓某個比值時，整流橋中有兩只二極管要關(guān)斷，兩只二極管繼續(xù)導(dǎo)通。這時候變壓器

69、的漏感就開始和關(guān)斷的整流二極管的電容諧振。即使采用快恢復(fù)二極管，二極管依然會承受至少兩倍的尖峰電壓，因此，必須采用有效的緩沖電路。這里采用了二極管并聯(lián)的方法，即R6、C4、D4，以及R7、C5、D5，使得尖峰電壓減少很多。</p><p>　　開關(guān)電源中對直流輸入進行高頻的斬波，然后通過高頻的變壓器進行傳輸，在這個過程中，必然會摻入高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開關(guān)的過程中引起的高頻噪聲。采用快恢復(fù)二極管D4

70、、D5整流。基于低壓、功耗低、大電流的特點，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時間短，有利于減少高頻噪聲。</p><p>　　計算輸出扼流圈的電感量。流經(jīng)扼流圈的電流如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 扼流圈中的電流波形</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中，L為輸出扼流

71、圈的電感（uH）。這里選為輸出電流 的10%~30%，因此，按為Io的20%進行計算。，由此式，可求得：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　這樣，采用，3A的扼流圈。</p><p>　　再確定輸出電容的容量。</p><p>　　輸出電容的大小主要由輸出紋波電壓抑制要求而確定。輸出紋

72、波電壓由和輸出電容的等效串聯(lián)電阻確定，但輸出紋波通常為輸出電壓的0.3%~0.5%。</p><p><b>　　又因為：</b></p><p><b>　　（3-10）</b></p><p><b>　　由3-10式得：</b></p><p>　　因此，工作頻率為100

73、KHZ，需要選用ESR值為250m的電容。流經(jīng)電容的紋波電流為為</p><p>　　因此，根據(jù)表3-2，可選用470uF的電容。</p><p>　　表3.2 適用高頻的電容實例</p><p>　　由于存在輸入電源的噪聲，且存在功率器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，采用電解電容IC3~IC5，以濾除此噪聲干擾，他們與R8形成三個濾波電容的濾波回路，以提高電路工作

74、的可靠性，減小電容器的漏電流。同時，當MOSFET關(guān)斷時，由它放電。</p><p><b>　　3.4控制電路</b></p><p>　　3.4.1 UC3843芯片介紹</p><p>　　UC3843是最近幾年來問世的新型電流型脈寬調(diào)制集成電路。它具有功能全，工頻高，引腳少，外圍組件簡單等特點。它的電壓調(diào)整率可達0.01%，非常接近線性

75、穩(wěn)壓電源的調(diào)整率。它的啟動電路非常簡單，為單端輸出式，驅(qū)動電平非常適合于驅(qū)動MOS場效應(yīng)管。它可產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖輸出，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，控制輸出脈寬的占空比。其引腳圖如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 UC3843引腳圖 </p><p><b>　　其主要特性如下：

76、</b></p><p>　　具有最優(yōu)化的離線DC/DC變換器。</p><p>　　靜態(tài)電流?。?mA）。</p><p>　　具有快速自動補償電路。</p><p>　　具有單步脈沖控制電路。</p><p><b>　　增強負載回饋特性。</b></p><p

77、><b>　　斷電停止特性。</b></p><p>　　采用雙脈沖抑制方式。</p><p><b>　　大電流標識輸出。</b></p><p><b>　　內(nèi)置基準參考電壓。</b></p><p>　　工作頻率為500kHz。</p><p&g

78、t;　　其內(nèi)部框圖，如圖3.8所示。</p><p>　　圖3.8 UC3843內(nèi)部框圖</p><p>　　UC3843有4種封裝形式，一種是14pin雙列直插和SOP-14，另外一種8pin雙列直插和SOP-8，引腳功能見表3.3。</p><p>　　表3.3 UC3843引腳功能</p><p>　　UC3843的誤差放大器同相輸入端

79、接在內(nèi)部+2.5V基準電壓上，反相輸入端接收外部控制信號，其輸出端可外接電阻、電容構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)，然后接到反相輸入端，在應(yīng)用中改變R、C的參數(shù)來改變放大器的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)。由電阻、電容RC構(gòu)成誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò)接在芯片1腳和2腳之間，誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò)可以穩(wěn)定電流型PWM控制器。正常運行時，檢測電阻RS的峰值電壓由內(nèi)部誤差放大器控制，滿足下式：</p><p><b>　　（3-11）</b&

80、gt;</p><p>　　式中UC為誤差放大器的輸出電壓；IS為檢測電流。</p><p>　　UC3843的內(nèi)部電流測定比較器的反相端輸入端鉗位電壓為1V，最大限制電流IS=1/RS.在RS和腳3之間，常用電阻R、電容C組成一小的濾波器，用于抑制功率管開通時產(chǎn)生的電流尖峰，其時間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時間（通常為幾百納秒）。</p><p>　　3.4.2 M

81、OSFET簡介及選取</p><p>　　1.原理 功率場效應(yīng)管又叫功率場控晶體管，實際上，功率場效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管，即MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號如下圖3.9所示。 </p><p>　　N溝道

82、 P溝道</p><p>　　圖3.9 電路符號符號</p><p>　　MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS管一樣，它也有：耗盡型：柵極電壓為零時，即存在導(dǎo)電溝道。無論VGS正負都起控制作用。增強型：需要正偏置柵極電壓，才生成導(dǎo)電溝道。達到飽和前，VGS正偏越大，IDS越大。一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)，

83、使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，從而提高了耐壓、電流能力，因此又叫VMOSFET。</p><p>　　2.MOSFET的特點 這種器件的特點是輸入的絕緣電阻比較大（1萬兆歐以上），柵極電流幾乎是零。而且驅(qū)動功率小，速度高，安全工作區(qū)寬。但高壓時，導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比，因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。非常適合100V以下，屬于理想的使用器件。目前的研制水平在1000V/65A左右（參考）。</p><

84、;p>　　3.參數(shù)與器件特性 無載流子注入，速度取決于器件的電容充放電時間，與工作溫度關(guān)系不大，故熱穩(wěn)定性好。另外，MOSFET的一個明顯特點是三個極間存在比較明顯的寄生電容，這些電容對開關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時，電容效應(yīng)也加大，因此對高壓電子系統(tǒng)會有一定影響。 以柵源極為例，其特性如下：可以看到：器件開通延遲時間內(nèi)，電荷積聚較慢。隨著電壓增加，電荷快速上升，對應(yīng)著管子開通時間。最后，當電壓增加到一定程度后，電荷增加再次變

85、慢，此時管子已經(jīng)導(dǎo)通。</p><p>　　4.MOS器件的選取 考慮市電的變化范圍為-15%~15%，則，其變壓器初級漏感約為最大的輸入電壓值的1.3倍，因此加在VT1上的電壓峰值為</p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　Uf為MOSFET管關(guān)斷時初級勵磁線圈的續(xù)流電壓。上式中的最后的10%~20%，是為理想的

86、電壓峰值，留有10%~20%的裕量。</p><p>　　選用時，一般取額定電壓為正常工作時MOSFET所承受峰值電壓的2~3倍，因此，取額定電壓為100V的MOSF ET可以滿足要求。</p><p>　　實際上，這電壓疊加有浪涌電壓，Udsp波形如圖3.10所示。漏極電流Ids為</p><p><b>　?。?-13）</b></p

87、><p>　　圖3.10 加在主開關(guān)上的電壓Udsp的波形 </p><p>　　PIN為輸入功率，POUT為輸出功率。Pf為功率因數(shù)。 為了防止浪涌電流對MOSFET管的破壞，一般留有2~3倍的裕量。</p><p>　　3.4.3控制電路的設(shè)計 </p><p>　　控制電路設(shè)計的目標是使開關(guān)電源在各種工況下均能穩(wěn)定工作，并且達到要求的動態(tài)性

88、能，因此控制電路設(shè)計工作的核心是電壓、電流反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計電路如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 控制電路部分設(shè)計</p><p>　　R29與C10是UC3843的開關(guān)工作頻率的設(shè)定電阻和電容，他們確定振蕩頻率以及死區(qū)時間。這里選用的R29=2.4K,C10=10000pF，可算得振蕩頻率為</p><p><b>　?。?-12

89、）</b></p><p>　　將R29、C10代入，可得振蕩頻率為71KHZ。</p><p>　　R13為過流檢測電阻，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R10的兩端的電壓上升，UC3843的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值0．3V達到1V(即電流超過1．5A)時，UC3843的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸

90、出。這時，UC3843的腳6無輸出，MOS管截止，從而保護了電路。為達到過流動作電流IO（th）=3.5±0.2A，電阻取0.465歐、2W的。</p><p>　　R10為開關(guān)功率管柵極的限流電阻，可以限制峰值輸出電流。</p><p>　　在UC3843的6腳與接地端接入了穩(wěn)壓二極管ZD1，是為了防止該芯片的輸出電壓低于地電位，否則將使這塊芯片的工作不穩(wěn)定。</p>

91、;<p>　　由于電流取樣互感器與功率晶體管串聯(lián)時，電流波形的前沿將出現(xiàn)較大的尖峰，這是整流管恢復(fù)和電源變壓器線間的電容造成的。為了消除該尖峰，接入了R11與C8組成的濾波電路，其時間常數(shù)接近于電流尖峰的持續(xù)時間。</p><p>　　精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817構(gòu)成了反饋電路，即U1與U3。利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。R20,R

92、21與SVR是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，SVR為可調(diào)，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當輸出電壓升高時，取樣電壓VR21也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準電壓( TL431的基準電壓為2．5V)，使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓VO下降，最后 VO趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當輸出電壓低于設(shè)置電壓時，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動三極管

93、的輸出電壓升高，最終使得UC3843的腳1的補償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對PWM比較器進行調(diào)節(jié)，改變占空比，達到穩(wěn)壓的目的。R21、R20的阻值是這樣計算的：</p><p>　　先固定R21的阻值，再計算R20的阻值，即：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p><b>　?。?-14）</b>

94、;</p><p>　　穩(wěn)壓管ZD3與電阻R19組成了反饋光耦U1的穩(wěn)壓保護電路。</p><p>　　穩(wěn)壓管ZD2、電阻R18、光耦U2、PNP三極管Q1、Q2等電子元件組成了過壓保護電路。當輸出電壓過高時，ZD2被擊穿，使光耦U2產(chǎn)生動作，給Q1的基極提供電壓，導(dǎo)通Q1之后，導(dǎo)通Q2，迫使UC3843的3腳呈現(xiàn)高電位，此時，UC3843停止輸出，從而有效的保護了開關(guān)電源。</p&

95、gt;<p>　　電路啟動時集成電路由R2供電，電路啟動完畢后由變壓器T的一組二次繞組產(chǎn)生的自給偏置電源供電，即R17、D6 C6 IC6部分形成VCC向UC3843供電。</p><p><b>　　3.5 總電路圖</b></p><p>　　各個電路與控制電路組成的總電路圖，如圖3.12所示</p><p>　　圖3.12

96、各電路與控制電路組成的總電路圖</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文在查閱大量資料和相關(guān)實驗的基礎(chǔ)上，對硬件的制作以及調(diào)試，通過幾個月的不懈努力，成功的設(shè)計出基于UC3843的小功率開關(guān)電源，其功能要求基本都可以實現(xiàn)。如其DC-DC變換器的效率 ≥70%，擁有過流保護作用等，并額外添加了過壓保護電路。 </p><p&

97、gt;　　開關(guān)電源，是一個看似簡單，但技術(shù)含量卻很高的電子產(chǎn)品，其涉及了電路拓撲，電磁干擾抑制、整流、功率因數(shù)校正、PWM控制等各種電力電子技術(shù)。了解各個部分的原理以及電路是設(shè)計開關(guān)電源的必要方式。</p><p>　　本文的思路清晰，以開關(guān)電源的設(shè)計流程為主線，介紹了開關(guān)電源各個部分的主要結(jié)構(gòu)，以及設(shè)計方案，其總體電路結(jié)構(gòu)清晰簡單。本文設(shè)計的小功率開關(guān)電源，由于采用的是反激式以及UC3843電流型PWM集成控制

98、器，因此其具有電路非常簡單、成本比較低、可靠性較高、性能優(yōu)越等特點，并具有過壓保護以及過流保護功能。</p><p>　　本文主要以開關(guān)電源的電路拓撲以及UC3843的應(yīng)用為對象。但本課題仍有其他未深入解決的問題，如變壓器的制作工藝、電磁輻射干擾、功率因數(shù)校正、環(huán)境溫度對電路的影響等。這些問題都是有待進一步研究和探討的。[參考文獻]</p><p>　　[1] 張小林,冉建橋,李賢云,郭麗

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