1、課程設(shè)計-小功率開關(guān)電源-施小鋒 電力電子應(yīng)用課程設(shè)計報告 院系 電子與電氣工程學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 電氣1094 學(xué)號 1091205516 姓名 施小鋒 2012 年 3 月 課 題 摘 要 隨著開關(guān)電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應(yīng)用, 人們對其需求量日益增長, 并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關(guān)電源以其效率高、體積小、重量輕等優(yōu)勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的線性電源。電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當(dāng)高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等

2、特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)，信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。本次設(shè)計采用典型的反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，以UC3842作為控制核心器件，運用脈寬調(diào)制的基本原理，并采用輔助電源供電方式為其供電，有利于增大主電源的輸出功率。采用場效應(yīng)管作為開關(guān)器件，其導(dǎo)通和截止速度很快，導(dǎo)通損耗小，這就為開關(guān)電源的高效性提供保障。同時，電路中輔以過壓過流保護(hù)電路，為系統(tǒng)的安全工作提供保障，本電路注意改善負(fù)載調(diào)整率,降低了電磁串?dāng)_，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。輸出電壓可調(diào)，使其可適用于不同場合。 1 目錄 1 引言. 1 2 系統(tǒng)方案選擇和論證. 1 2.1

3、 設(shè)計要求. 1 2.2系統(tǒng)基本方案. 1 2.3方案選擇和論證. 2 2.3.1 主電路方案. 2 2.3.2 主電路功率模塊. 6 2.3.3 控制電路的選擇. 8 2.3.3 系統(tǒng)方案確定. 9 3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn). 9 3.1系統(tǒng)硬件的基本組成. 9 3.2 主要單元的電路設(shè)計. 9 3.2.1 主要電路部分電路設(shè)計. 9 3.2.2 控制回路單元的設(shè)計. 14 4 主要元件介紹. 16 4.1 光電耦合器. 16 4.2肖特基二極管. 17 4.3 基準(zhǔn)電壓. 18 4.4 UC3842介紹. 19 結(jié) 論. 21 參考文獻(xiàn). 22 附錄一 元器件清單. 23 附錄二 總原理圖. 2

4、4 2 1 引言 電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉。電源是生產(chǎn)電的裝置，表示電源特性的參數(shù)有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數(shù)要求下，又有重量、體積、效率和可靠性等指標(biāo)。我們用的電，一般都需經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能適合使用的需要，例如交流轉(zhuǎn)換成直流，高電壓變成低電壓，大功率變換為小功率等。 按照電子理論，所謂AC/DC就是交流轉(zhuǎn)化為直流；AC/AC稱為交流變交流，即為改變頻率；DC/AC稱為逆變；DC/DC為直流變交流后再變?yōu)橹绷?。為了達(dá)到轉(zhuǎn)換的目的，電源變換的方法是多樣的。 自20世紀(jì)60年代，人們研發(fā)出了二極管、三極管半導(dǎo)體器件后，就用半導(dǎo)體器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以，凡是用半導(dǎo)體功率器件作開關(guān)，將一種電源

5、形態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)的電路，叫做開關(guān)變換電路。在轉(zhuǎn)換時，以自動控制穩(wěn)壓輸出并有各種保護(hù)環(huán)節(jié)的電路，稱為開關(guān)電源（Switching Power Supply）。 2 系統(tǒng)方案選擇和論證 2.1 設(shè)計要求 （1） 輸入交流電壓220V（5060Hz） （2） 輸出直流電壓5V，輸出電流500mA （3） 輸入交流電壓在100260V之間變化時，輸出電壓相對變化量小于 2% （4） 輸出電阻R00.1 （5） 輸出最大紋波電壓小于10mV 2.2系統(tǒng)基本方案 開關(guān)電源通常由：輸入電路、功率轉(zhuǎn)換、輸出電路、控制電路、頻率振蕩發(fā)生器五大部分組成。如下圖所示： 1 圖2-1開關(guān)電源系統(tǒng)框架圖 2.3方案

6、選擇和論證 2.3.1 主電路方案 根據(jù)高頻變換器的工作方式，可分為正激式和反激式等多種。高頻變換器工作時是利用一功率開關(guān)器件的高速通斷，從而使變換器進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為正激式；反之，即電子開關(guān)截止時，變換器進(jìn)行能量傳輸，稱為反激式。 方案一：采用正激式變換器開關(guān)電源 正激式變換器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性，相對來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動，在一些對輸出電壓參數(shù)要求比較高的場合，經(jīng)常使用。 2 圖2-2正激式變換器工作原理圖 正激式變換器開關(guān)電源工作原理：所謂正激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級線圈正在

7、被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。圖2-2是正激式變換器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，圖2-2中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，R是負(fù)載電阻。 需要特別注意的是高頻變壓器初、次級線圈的同名端。如果把高頻變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，圖2-2就不再是正激式變換器開關(guān)電源了。 正激式變換器開關(guān)電源有一個最大的缺點，就是在控制開關(guān)K關(guān)斷的瞬間開關(guān)高頻變壓器的初、次線圈繞組都會產(chǎn)生很高的反電動勢，這個反電動勢是由流過變壓器初線圈繞組的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖2-2中，為了防

8、止在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動勢擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)電源變換器中增加一個反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組，以及增加了一個削反峰二極管D3。 方案二：采用反激式變換器開關(guān)電源 反激式變換器開關(guān)電源工作原理比較簡單，輸出電壓控制范圍比較大，因此，在一般電器設(shè)備中應(yīng)用廣泛。所謂反激式變換器開關(guān)電源，是指當(dāng)變換器的初級線圈被直流電壓激勵時，變換器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變換器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后，才向負(fù)載提供功率輸出，這種變換器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。 3 圖2-3反激式變換器工作原理圖 Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是高頻變壓器，K是控制開關(guān)，C是儲能濾波電容，R是負(fù)載電阻

9、。圖2-3（b）是反激式變換器開關(guān)電源的電壓輸出波形。 方案三：采用半橋式變換器 為了減小開關(guān)三極管的電壓承受電壓，可以采用半橋式變換器，它是開關(guān)電源比較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電容C1、C2與開關(guān)晶體管VT1、VT2組成變換器，如圖2-4所示。橋的對角線接高頻變壓器TR的初級繞組。如果C1、C2容量、耐壓均相等，在某一只開關(guān)晶體管導(dǎo)通時，繞組上的電壓只有電源電壓Vin的一半。在穩(wěn)定的條件下，VT1導(dǎo)通，C1上的電壓1/2 Vin加在變壓器的初級線圈上。由于初級繞組和漏感的作用，電流繼續(xù)流入初級繞組黑點標(biāo)示端。如果變壓器初級繞組漏感儲存的電能足夠大，二極管VD6導(dǎo)通，鉗位電壓進(jìn)一步變負(fù)。在VD6導(dǎo)通的過

10、程中，反激能量對C2進(jìn)行充電。連結(jié)點A的電壓在阻尼電阻的作用下，以振蕩形式最后回到中間值。如果這時VT2的基極有觸發(fā)脈沖，則VT2導(dǎo)通，初級繞組黑點標(biāo)示端電壓變負(fù)，Ip電流加上磁化電流流經(jīng)初級繞組和VT2，然后重復(fù)前面的過程。不同的是Ip變換了方向。二極管VD5對三極管VT1的導(dǎo)通鉗位，反激能量再對電容C1進(jìn)行充電。 4 圖2-4半橋式變換器工作原理圖 方案四：采用橋式變換器開關(guān)電源 橋式變換器由4只開關(guān)晶體管組成，與半橋式變換器相比多了兩只晶體管，如下圖所示。在一個電子開關(guān)周期中，4只晶體管中每一條對角線上的兩只管子為一組。它們的“開”和“關(guān)”與占空比有關(guān)。當(dāng)給VT1、VT3以等量觸發(fā)脈沖時

11、，兩只晶體管同時導(dǎo)通，等到觸發(fā)脈沖消失后，兩只晶體管又同時截止。電源電壓經(jīng)VT1流入變壓器初級繞組Np,并經(jīng)VT3到電源負(fù)極。在這一過程中，變壓器初級電流Ip逐漸升高。這時，變壓器的次級得到感應(yīng)電壓，使整流二極管VD1的電壓上升，VD2的電壓下降。這一變化的快慢是由次級繞組Ns的漏感及二極管VD1、VD2的性能決定的。輸出大電流、低電壓時，工作頻率的影響更大。由于變壓器初級電壓增加，次級繞組的感應(yīng)電流也跟著上升，二極管VD2慢慢進(jìn)入反向偏置狀態(tài)，二極管VD1卻進(jìn)入正向?qū)?，電感L的電壓緊跟著上升。L上的電感在反向電勢的作用下，對變壓器的初級繞組進(jìn)行“磁化”，“磁化”的結(jié)果是使VT1、VT3截止

12、。VT2、VT4在Vin電壓的作用下趨向?qū)?，又開始了新一輪的“開”和“關(guān)”工作循環(huán)。橋式變換器和正激式變換器的輸出電壓相同。 5 圖2-5橋式變壓器 2.3.2 主電路功率模塊 功率開關(guān)器的選擇 開關(guān)電源中的功率開關(guān)器件是影響電源可靠性的關(guān)鍵器件。開關(guān)電源所出現(xiàn)的故障中約60%是功率開關(guān)器件損壞引起的。用作開關(guān)的器件主要有大功率晶體管、MOSFET管與IGBT等。 方案一：MOSFET 在開關(guān)電源中，用作開關(guān)功率管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強型器件。這是因為MOSFET是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極性器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱

13、穩(wěn)定性和非?？斓拈_關(guān)速度。MOSFET在大功率開關(guān)電源中用作開關(guān)，比雙極性功率晶體管具有明顯的優(yōu)勢。所有類型的有源功率因數(shù)矯正器都是為驅(qū)動功率MOSFET而設(shè)計的。 MOSFET功率管的特點 （1） MOSFET 是電壓控制型器件 因此在驅(qū)動大電流時無需推動級，電路 較簡單； （2） 輸入阻抗高，可達(dá) 108 以上； （3） 工作頻率范圍寬，開關(guān)速度快 ( 開關(guān)時間為幾十納秒到幾百秒 ) 6 開關(guān)損耗?。?（4） 有較優(yōu)良的線性區(qū)，并且 MOSFET 的輸入電容比雙極型的輸入電容 小得多，所以它的交流輸入阻抗極高；噪聲也小，最合適制作 Hi-Fi 音 響； （5） 功率 MOSFET 可以多個

14、并聯(lián)使用，增加輸出電流而無需均流電阻。 方案二：絕緣柵雙極性晶體管 絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）是一種大電流密度、高電壓激勵的場控制器件，是高壓、高速新型大功率器件。它的耐壓能力為6001800V，電流容量為100400A，關(guān)斷時間低至0.2s，在開關(guān)電源中作功率開關(guān)用，具有MOSFET與之不可比擬的優(yōu)點。 IGBT的特點： (1)IGBT是一種電壓控制的功率開關(guān)器件：IGBT等效于用MOSFET做驅(qū)動級的一種壓控功率開關(guān)器件。 (2)IGBT比MOSFET的耐壓高，電流容量大：IGBT導(dǎo)通時正載流子從P層流人N型區(qū)并在N型區(qū)積蓄，加強了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，這就使IGBT在導(dǎo)通時 呈現(xiàn)的電阻比高壓

15、（300V以上）MOSFET低得多，因而IGBT容易實現(xiàn)高壓大電流。前級是個電流較小的MOSFET，允許導(dǎo)通電阻較大，N層可以適當(dāng) 地加厚，耐壓可以提高。 (3)開通速度比MOSFET快：由于IGBT中小電流MOSFET的開通速度很快，在開通之初后級PNP型晶體管的基極電流上升很快，使IGBT的開通速度不 但比雙極性晶體管快，而且開通延遲時間td（on）比同容量的MOSFET還短。 (4)關(guān)斷速度比MOSFET慢：雖然IGBT中前級MOSFET的關(guān)斷速度很快，但后級PNP型晶體管是少子功率的開關(guān)器件，少數(shù)載流子要有復(fù)合、擴散和 消失的時間，在電流迅速下降到約1/3時，下降速度明顯變慢，俗稱“拖

16、尾”。后級PNP型管的集一射極之間有基一射極PN結(jié)壓降和MOSFET的壓 降，故集一射極不進(jìn)入深飽和狀態(tài)，關(guān)斷速度較快。隨著生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，關(guān)斷速度也有明顯的提高。 7 2.3.3 控制電路的選擇 方案一：TL494集成控制器 TL494是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制控制集成電路，主要應(yīng)用在各種開關(guān)電源中。 TL494管腳配置及其功能： TL494的內(nèi)部電路由基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路、振蕩電路、間歇期調(diào)整電路、兩個誤差放大器、脈寬調(diào)制比較器以及輸出電路等組成。圖2-6是它的管腳圖，其中1、2腳是誤差放大器I的同相和反相輸入端；3腳是相位校正和增益控制；4腳為間歇期調(diào)理，其上加03.3V

17、電壓時可使截止時間從2%線懷變化到100%；5、6腳分別用于外接振蕩電阻和振蕩電容；7腳為接地端；8、9腳和11、10腳分別為TL494內(nèi)部兩個末級輸出三極管集電極和發(fā)射極；12腳為電源供電端；13腳為輸出控制端，該腳接地時為并聯(lián)單端輸出方式，接14腳時為推挽輸出方式；14腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端，最大輸出電流10mA；15、16腳是誤差放大器II的反相和同相輸入端。 圖2-6TL494管腳圖 方案二：UC3842集成控制器 UC3842是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電源集成控制器，是由尤尼創(chuàng)（Unitrodc）公司開發(fā)的新型控制器件。 8 利用UC3842設(shè)計的電流制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源，克服了電

18、壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源頻響慢、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率低的缺點，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低、體積小、易現(xiàn)實。該穩(wěn)壓電源是目前實用和理想的穩(wěn)壓源，具有很大的發(fā)展前景。 2.3.3 系統(tǒng)方案確定 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （1）主電路模塊：采用正激式變壓器開關(guān)電源； （2）主電路功率模塊：功率開關(guān)晶體管的選擇采用功率開關(guān)MOSFET； （3）控制電路：脈寬調(diào)制器選擇采用UC3842電源集成控制器。 3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 3.1系統(tǒng)硬件的基本組成 開關(guān)電源是進(jìn)行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率交換的裝置。這些變換由主電路和控制回

19、路兩部分完成。主回路將輸入的交流電傳遞給負(fù)載，它決定開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)形式、變換要求、功率大小、負(fù)載能力等；控制回路按輸入、輸出的條件檢測、控制主回路的工作狀況。如果將控制回路集成化，就稱之為開關(guān)電源集成控制器；如果將主回路和控制回路集成一起，就稱之為開關(guān)電源模塊化。 開關(guān)電源集成控制器中一般包含有振蕩器、誤差放大器、PWM觸發(fā)器、狀態(tài)控制器，高品質(zhì)的還有高功率開關(guān)管、電流比較器以及各種功能保護(hù)電路等。 3.2 主要單元的電路設(shè)計 3.2.1 主要電路部分電路設(shè)計 （1） EMI濾波器及橋式整流電路餓的設(shè)計 交流電壓由C1、L1、C2以及C3、C4進(jìn)行低通濾波。C1、C2組成抗干擾電路，用以仰制正

20、態(tài)噪聲；C3、C4、L1組成抗共模干擾電路，用于仰制共態(tài)噪 9 聲干擾。它們的組合應(yīng)用對電磁干擾有很強的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)VD1至VD4橋式整流以及電解電容C5濾波后變成310V的脈動直流電壓。 圖3-1 濾波及整流電路 （2） 高頻變壓器的設(shè)計 正激式變換器的占空比不得大于0.5，工作頻率應(yīng)低于100KHz，這對高頻變壓器的和開關(guān)功率管來說比較有利。 輸入：100V260V，AC,50Hz。 輸出：5V/500mA，DC。 工作頻率的確定 工作頻率的確定，輸出電壓高，響應(yīng)速度快，調(diào)整范圍大，但是場效應(yīng)管、整流二極管以及變壓器等發(fā)熱多。損耗大，噪聲大。現(xiàn)選用100kHz，電源效率

21、取80%。 工作周期為： T?11-5?10（s）?10（us） 3fo100?10 最大導(dǎo)通時間Ton（max）的確定 正激式變壓器的占空比D（max）應(yīng)該低于0.5 ，現(xiàn)選用D（max）=0.45 ，D（min）=0.2，得： Ton?T?DMAX?10?0.45?4.（5us） 變壓器次級輸出電壓（Vs）的計算 Vs? Vo?VF?VL5?0.3?0.7?13(V) Dmax0.4510 這公式中Vo為肖特基二極管的正向壓降，取值0.7V，VL為濾波電感器的壓降，取值為0.3V。 變壓器匝數(shù)比（n）的計算 變壓器初級的最低直流電壓為Vp(min)，一般設(shè)Vmin?100V。 Vp(min

22、)?Vmin?2?100?2?141(V) n? VSVP(min) ? 13 ?0.1 141 輸入功率的計算 Pi? Po ? 13?0.5 ?3.125(W) 80% ? 表1 輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系 根據(jù)輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系（見表1），選用EE16，其有效截面積 Ae?18mm2。 變壓器次級匝數(shù)(N2)的計算 N2? Vs?Ton ?104 Bm?Ae Bm為磁通密度，實際應(yīng)用磁芯的最高溫度為100，可以選用0.3T以下。對于正激式變壓器，它是單向勵磁。考慮到剩磁問題和工作頻率，現(xiàn)選用Bm為 11 0.2T。 N2?13?4.5?104?17(匝) 2000?18 N1?N21

23、7?170(匝) n0.1 反饋繞組(N3)的計算 IC1的最低啟動電壓為16V，正常工作電壓為20V，加上整流二極管VD6 的管壓降0.7V，所以反饋繞組N3的供電電壓為20.7V。 N3?V3(min)?Ton Bm?Ae20.7?4.5?104?10?26(匝) 2000?184 重新確定Ton（max）是否達(dá)到要求 （V?VL?VF）?T6?10Ton（max）?o?4.62 Vs13 占空比： D?Ton（max）4.62?0.462 T10 占空比符合要求，未超過設(shè)計范圍，匝數(shù)成立，假設(shè)可行。 扼流圈電感的計算 扼流圈L2在電路中起著平滑濾波的作用，它的大小對輸出波紋電壓的大小似乎

24、起不到很大的作用，但它對于維持負(fù)載最小電流卻起著很大的作用。L2中的電流在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下工作，不論哪種模式，只要輸入輸出電壓不變，電流波形的斜率不會因負(fù)載電流的增大或減小的改變。 實踐表明，在不連續(xù)工作狀態(tài)下，為達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定，占空比調(diào)節(jié)量的大小是由負(fù)載和輸入電壓變化量的大小同決定的。 當(dāng)輸出電流因負(fù)載變化而降低時，占空比較小，調(diào)節(jié)輸出電壓不變；如果電路負(fù)載恒定，占空比下降，這時輸出電壓也會下降。這種現(xiàn)象是非常不好的，這是因為主輸出扼流圈電感不是處于連續(xù)狀態(tài)。 增大扼流圈的電感，輸出回路雖然可以在工作連續(xù)模式下，但對電源的效率、體積以及安裝都會帶來限制，同時輸出電流變化率將出現(xiàn)較大的變

25、化。認(rèn)真 12 計算和調(diào)試選用扼流圈非常重要。 流經(jīng)扼流圈的電流?IL一般是輸出電流IO的20% ?IL?Io?20%?0.5?0.2?0.1(A) 扼流圈的電感量L為 L?(VS?VF?Vo)?Ton(13?0.7?5)?4.5?328.5(?H) ?IL0.1 要求輸出紋波電壓應(yīng)小于10mV VR?10(mV) 計算變壓器初級電感量Lp 初級有效電流： IPe?Pi VP(min)?3.125?0.022(A)?22(mA) 141 初級最大電流： IPm?IPe0.022?0.05(pA) Dmax0.45 141?4.62?10?3 ?13.028(1mH) 0.05初級電感量： LP

26、? 11求磁芯氣隙 Vp(min)?Ton?10?6IPm 12.56?10?7?1702?18?4?10?N1?Ae/Lp?0.05(m)?50(mm) 13.0281?72 （3） 正激式變換電路設(shè)計 所謂正激式是指變壓器的初級與次級同相位。正激式變換器的優(yōu)點是銅損低，因為使用無氣隙磁芯，電感量較高，變壓器的峰值電流比較小，輸出電壓紋波低；缺點是電路較為復(fù)雜，所用元器件多，如果有假負(fù)載存在，效率將降低。它適用于低電壓、大電流的開關(guān)電源，多用于150W以下的小功率場合。它還具有多臺電源并聯(lián)使用而互不受影響的特點，而且可以自動均衡，而反激式卻不能做到這點。 C13、VD7、R12是開關(guān)晶體管鉗

27、位消噪電路；VD8是肖特基整流二極管，它 13 的作用非常重要，差不多40%的功耗損失在整流二極管上；RF是自動恢復(fù)開工，它的功能是自動恢復(fù)電阻，在電路中起著過流、短路保護(hù)作用。 圖3-2正激式變換電路原理圖 3.2.2 控制回路單元的設(shè)計 （1） 控制電路的設(shè)計 本次設(shè)計是以UC3842為核心設(shè)計控制部件，根據(jù)其特點設(shè)計一個AC為220V輸入、DC為12V輸出的單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。UC3842既可制成正激式也可以做成反激式。正激式的主要特點： ：固定頻率，通過調(diào)節(jié)占空比去控制輸出電壓。 ：工作頻率可高到500KHZ而不發(fā)生磁飽和，電壓調(diào)整率

28、可達(dá)到0.01%， 啟動電流小于1MA。 ：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，調(diào)試容易，性價比高。 ：具有欠壓、過流、過壓等多種保護(hù)功能。 是由UC3842構(gòu)成的開關(guān)電源電路，220V 市電由C1、L1 濾除電磁干擾，負(fù)溫 度系數(shù)的熱敏電阻Rt1 限流，再經(jīng)VC 整流、C2 濾波，電阻R1、電位器RP1 降壓 14 后加到UC3842 的供電端（腳），為UC3842 提供啟動電壓，電路啟動后變壓器的副繞組的整流濾波電壓一方面為UC3842 提供正常工作電壓，另一方面經(jīng)R3、R4 分壓加到誤差放大器的反相輸入端腳，為UC3842 提供負(fù)反饋電壓，其 規(guī)律是此腳電壓越高驅(qū)動脈沖的占空比越小，以此穩(wěn)定輸出電壓。腳和

29、腳外接的R6、C8 決定了振蕩頻率，其振蕩頻率的最大值可達(dá)500KHz。R5、C6用于改善 增益和頻率特性。腳輸出的方波信號經(jīng)R7、R8 分壓后驅(qū)動MOSFEF 功率管，變 壓器原邊繞組的能量傳遞到副邊各繞組，經(jīng)整流濾波后輸出各數(shù)值不同的直流電壓供負(fù)載使用。電阻R10 用于電流檢測，經(jīng)R9、C9 濾濾后送入UC3842 的 腳形成電流反饋環(huán). 所以由UC3842 構(gòu)成的電源是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓穩(wěn)定度非常高，當(dāng)UC3842 的腳電壓高于1V 時振蕩器停振，保護(hù)功率管不至于過流而損壞。 圖3-3 UC3842構(gòu)成的開關(guān)電源 (2) 反饋電路的設(shè)計 關(guān)電耦合反饋控制是這樣的：IC2是關(guān)電耦合器，型

30、號是NEC2501。IC3是 15 精密穩(wěn)壓源，型號是TL431。由IC3、R11、R12組成外部誤差放大器。誤差放大器的頻率響應(yīng)由C12、R10、R11決定。當(dāng)輸出負(fù)載變小時，R9用于提高輸出電壓的穩(wěn)定性。 當(dāng)12V輸出電壓由于負(fù)載減輕而升高時，經(jīng)電阻R11、R12分壓后所得到的取樣電壓與精密穩(wěn)壓源的2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，其差值必然增大，使IC3的陰極K的電位降低，發(fā)射二極管的工作電流IF上升，發(fā)光強度增大，通過光電耦合使光電接收三極管的電流IC升高。這樣使得開光電源控制集成電路IC1的腳的補充輸入電流增大，促使片內(nèi)對PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使占空比減小，輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。 圖

31、3-4 反饋電路的設(shè)計 4 主要元件介紹 4.1 光電耦合器 光電耦合器（Optical Coupler,OC）也叫光電隔離器（Optical Isolation,OI）,簡稱光耦。它是一種以紅外光進(jìn)行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一是發(fā)光體，實際上是一只發(fā)光二極管，受輸入電流控制，發(fā)出不同強度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產(chǎn)生光電流并從輸出端輸出。它的光電反應(yīng)也是隨著光的強弱改變而變化的。這就實現(xiàn)了“電光電”功能轉(zhuǎn)換，也就是隔離信號傳遞。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端 16 完全實現(xiàn)了隔離。不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。因為它是一

32、種發(fā)光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小?？蓮V泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關(guān)以及電平轉(zhuǎn)換等。在開關(guān)電源電路中利用光電耦合器構(gòu)成反饋回路，通過光電耦合器來調(diào)整、控制輸出電壓。達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的；通過光電耦合器進(jìn)行脈沖轉(zhuǎn)換。在設(shè)計本次開關(guān)電源時，對光耦的選取原則是： 電流傳輸比CTR的允許選取范圍是80%250%。當(dāng)CTR為80%時，光電耦合器中的發(fā)光二極管需要較大的工作工作電流（>5.0MA）才能控制電路的占空比。這樣做的結(jié)果是增加了光電耦合器的功耗。當(dāng)CTR>250%時，若啟動電流或輸出負(fù)載發(fā)生突變，有可能發(fā)生誤觸發(fā)，即誤關(guān)斷，

33、影響正常工作。 要采用線性良好的光電耦合器。因為光電耦合器具有良好的線性時，電源控制調(diào)整十分有序，輸出穩(wěn)定可靠。 因此，本設(shè)計中對光電耦合器的采用為：光耦NEC2501。 光耦NEC2501參數(shù)如下： 型號：NEC2501；電流傳輸比CTR：80%160%；反向擊穿電壓V（BR）CEO：40V；生產(chǎn)廠商：NEC；封裝形式：DIP4 4.2肖特基二極管 肖特基二極管SBD（Schottky Bsrrier Diode）是一種N型半導(dǎo)體器件，工作在低電壓、大電流狀態(tài)下，反向恢復(fù)時間短，只有納秒，正向?qū)▔航禐?.4V，而整流電流達(dá)數(shù)百安。它是最近在開關(guān)電源中應(yīng)用得最多的一種器件。區(qū)分肖特基二極管和

34、超快速恢復(fù)二極的方法是二者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降為0.3V，超快速恢復(fù)二極管的正向壓降啊0.6V。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V，它適合用在低電壓、大電流的開關(guān)電源中。 因此，在本設(shè)計中肖特基二極管的采用為MBR1045。 肖特基二極管MBR1045參數(shù)如下： 17 型號：MBR1045；反向峰值電壓Vrm：45；平均整流電流Id：10A；反向恢復(fù)時間Trr：<10ns；生產(chǎn)廠商：Motorola 4.3 基準(zhǔn)電壓 德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從V

35、ref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。 圖4-1該器件的電路符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。 圖4-1 TL431電路符號和等效電路 由圖4-2可以看到，VI是一個內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管圖4-2的電流將從1mA到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL43

36、1的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計、分析應(yīng)用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。 18 圖4-2 TL431 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4.4 UC3842介紹 UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個引腳，各腳功能如下：腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；腳為電流檢測輸入端， 當(dāng)檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；腳為定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RTCT)；腳為公共地端；腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰