基于UC3842的開關電源設計

 摘要

在現代經濟和科技的飛速發展的時代,電源的運用已經變得非常常見。目前,各種科技手段正在推動著電力電子技術和電源設備研發技術的快速發展,同時也促使電源設備向著高頻化集成化方向發展。電源供電設備的開發和運用已經成為電力電子這門技術的一個非常常見的應用手段。相對于老式的線性穩壓器,開關電源的研發與設計設計,雖然比較復雜,有些指標可能不會像線性穩壓器,且噪聲大,但由于體積小,重量輕,效率高,性能穩定等優點高頻開關電源并已被廣泛接受和使用。

在本文中,給大家詳細介紹了一個基于UC3842芯片和反激式變壓器的特性設計了一個可以提供兩個輸出電壓,并且可以隨著輸入電壓的變化來調整PWM輸出,以確保穩定的輸出電壓的多輸出反激式開關電源。本文介紹了目前我們日常生活中較為常見的開關電源拓撲結構,并通過比較分析選擇出適合本次設計的拓撲結構。本文簡要介紹了PWM控制芯片UC3842的結構,根據UC3842芯片的特點及應用方式給出了詳細的電路參數設計和高頻變壓器的設計,包括最大占空比計算,初級和次級匝數計算,線徑計算。最后,通過PSIM軟件對開關電源電路設計建模仿真和仿真波形,利用AD軟件進行電路的設計和印刷電路板的設計。

  關鍵詞:UC3842、反激式、開關電源、AD、PSIM

第一章緒論

  1.1開關電源的發展現狀

電源是能量變換及功率傳遞的重要設備,當代幾乎所有電力電子設備的正常使用和可靠的直流電源是不可分離的,因此對我們所使用開關電源的各方面指標要求也越來越嚴格。在日常生活中我們所使用的直流電源可以分為開關電源和線性穩壓源。開關電源是通過芯片產生脈沖來控制MOSFET的截止和導通,從而達到改變電壓和電流的目的,也可以稱為非工頻變壓器電源?,F在我們已經開始使用小體積的高頻變壓器來完成人們所需要的電壓轉變和電源隔離。開關電源具有輕便小巧、工作效率高、產熱低、工作性能穩定可靠等優點,代表了今后電源的發展趨勢和電源供應的主力市場產品。

目前一些傳統的線性穩壓電源擁有很多的的集成模塊、具有較高的穩定性、紋波電壓小、可靠性高、使用方便等優點,其技術還較為成熟。但其調整管功率消耗大、散熱高、低效率,因為傳統的線性穩壓電源通常需要使用重量和體積都很大的電容器和高頻變壓器,而且調整管工作在線性放大狀態。美國航空航天局為搭載火箭開發了體積小、重量輕、效率高的開關電源,在20世紀50年代。開關電源被稱為高效節能的電源,它是當代穩壓電源的發展趨勢,開關電源目前已經成為占據市場絕大部分市場額的主流產品。開關穩壓器的研發和使用,完全改變了以前人們對穩壓器的穩壓概念的認識,開關電源其實是一個功率半導體元件(如N-MOSFET)的開關,通過芯片控制輸出脈沖信號的占空比來控制MOSFET的關斷與導通,最終可以調節輸出電壓的大小。開關電源內部的關鍵部件(如高頻電壓器、N-MOSFET)通常均工作在高頻狀態,其自身的能耗是非常低的,所以可以保證機器不過度發熱,進而提高了整個機器的穩定性和可靠性。而其適應能力(主要是對電網的適應力)也有很大的提升,通常普通的串聯穩壓電源能夠允許電網在220V—240V的范圍內波動,但開關電源能適應電網電壓變化的范圍是110V—260V,并且可以得到穩定的輸出電壓。

我國開關電源的開發起始于20世紀60年代,直到60年代中期我國自主研發的開關電源進入了實質性應用階段,到了70年代初我們已經可以自主研發無工頻降壓型開關電源,并且取得的一定的成功。在過去的二十年中,我們的很多研究所、高等院校已成功研究出一系列的高頻電源,其輸出功率較低不足1Kw,廣泛應用于各種電子設備(如電腦、播放器等),并且取得了巨大成就。20世紀80年代初我國已經開始了高頻開關電源的研發工作,至90年代初已初步取得成功,并已經開始進行實用性使用階段,后來研究人員又開始進一步提高開關電源的工作頻率。多年來,雖然中國的各類研究機構和研究人員們在開關電源的研發工作中作出了巨大努力和貢獻,但是目前中國在開關電源的研發技術和制造工藝方面仍然還不能達到國際先進水平。目前,雖然在全球范圍內開關電源已經有非常廣闊的應用空間,但是開關電源技術還一直處于發展階段。各國都爭先恐后的研發性能更加優良、穩定性更好、適用范圍更大的開關電源。就如今開關電源的發展現狀和發展趨勢來看,主要存在以下幾個較為重要的問題:

(1)目前,在我們日常生活中所使用的開關電源依然存在較為嚴重的噪聲干擾。當MOSFET工作在開關狀態時,會造成電路產生的高頻交流電壓和電流;這些高頻交流電壓和電流通過電路中的其他元件時會產生尖峰干擾和諧振噪聲,會嚴重影響整個設備的工作穩定性和可靠性[21]。

(2)電源電路復雜和難以維護。目前,我們研發的開關電源中所需要的電解電容、高反壓大電流的功率管和電源中最重要的高頻變壓器磁性材料及其它部件仍處于研究、開發、試驗階段。雖然,一些開關電源技術較為領先的國家在開關電源的研發工作上取得了一些進展,但在實際的使用中所表現出來的一些缺陷(包括設計缺陷和制造工藝所造成的缺陷)并不能完全令人滿意。這還透露了開關電源的一個缺點:電路結構復雜,維修困難[22]。

(3)制作的成本較高且設備工作可靠性低。因為我國的微電子應用技術、阻容器件的生產技術和磁性材料燒結技術還未達到國際先進水平行列,所以設備的成本不能進一步減少,這也影響其工作可靠性進一步增加。

1.2開關電源的分類和特點

隨著現在人們生活質量的提高和科學技術的迅速發展,對供電電源的性能提出了更高的要求:更加安全可靠的性能、功能的多樣化、自動化的大規模應用、微型化、模塊化,這使得能夠滿足上述人們對電源性能及其穩定性要求的開關電源得到人們的大力運用。由于,開關電源在人們生活各個方面已被越來越廣泛的應用,并且發揮著至關重要作用,這極大的促使人們去進一步研究性能更好的開關電源。而且隨著這幾年的發展,在這方面的研究和生產的人員也越來越多,其性能也越來越好。

目前我們所使用的開關電源的類型各式各樣,主要有以下幾種類型:他激式、自激式(按照激勵方式來劃分);半橋式、全橋式、單端式、推挽式(按照晶體管連接方式來劃分);晶體管型、可控硅型(按照晶體管類型來劃分);開關型、諧振型(按照電流的工作方式來劃分);串聯型、并聯型(按照儲能電感與負載的連接方式來劃分);脈寬調制型、混合調制型、頻率調制型(按照調制方式來劃分)。

開關電源的開關其實是一個功率半導體裝置,通過控制輸出脈沖信號的占空比來控制MOSFET的關斷與導通來調節輸出電壓的大小。開關電源可以直接對電網提供的交流電壓進行整流、濾波、調整,然后通過高頻變壓器將原邊的脈動直流感應到副邊,通過副邊上所接的電容器進行濾波穩壓,最后可以穩定的輸出直流電。因為通常開關電源的工作頻率較高,所以其兩端接的濾波電容值和電感值均很小。

開關電源具有輕便小巧、較大穩壓范圍、很小紋波系數、輸入和輸出可以隔離等多種特性。此外,由于效率高(可以達到70—90%)、耗能少、發熱量小等優點從而改善了電源整體的運行穩定性和可靠性。輸入端能夠允許接入電網波動較大的電壓;一般而言,串聯穩壓電源輸入端允許接入220V—240V范圍內的電網供電電壓波動;但是對于開關電源來說只要電網電壓是110V—260V的范圍內波動,開關電源就可以得到一個穩定的輸出電壓。

 1.3開關電源的發展趨勢

中國的信息產業,國防工業,家電行業,尤其是快速發展電信行業已經成為電源技術發展和市場發展的強大推動力。在當前,開關電源的研發技術和制造工藝已經迎來一個黃金的發展時期。

(1)碳化硅功率半導體器件的使用。其優點是:禁帶寬、耐高溫、導熱性強、通態電阻小、漏極電流很小、PN結耐高壓??梢钥隙ǖ氖翘蓟韫β拾雽w器件將會成為21世紀最可能被廣泛應用并能取得較大成功的新型功率半導體器件。

(2)高頻化磁技術。目前,對開關電源所需要的磁性材料的生產有了更高的要求:低損耗,良好的導熱性能、磁特性優越。是因為隨著高頻開關電源技術的高速發展,在低頻開關電源電路中一些元件的參數可以被忽略。而在電路的某些性能方面高頻會對其性能產生很大的影響。

(3)高頻開關電源的EMC技術。目前高頻開關電源的EMC技術還處于發展階段,主要是由于電磁兼容性問題具有一定的特殊性。它可能會產生強烈的電磁干擾和諧波傳導障礙。這是因為在切換過程中會產生的電壓和電流突變,這會使得電源周圍電磁環境受到嚴重污染,會使周圍存在的電磁設備不能正常工作或者會損壞設備甚至可能危及附近操作人員的安全。并且隨著頻率的增高噪聲也會隨之增加。原則上,可以使用諧振變換器的技術,這樣既能增加頻率,并可以減少噪聲和干擾,因此EMC技術的發展直接制約了今后開關電源的發展程度。

(4)軟開關技術。PWM開關電源使用一種叫“硬開關”技術。由于開關電源的損耗會隨著開關電源工作頻率的升高而增大同時也大大的增加了電磁干擾的幾率,這嚴重的制約了開關電源技術高頻化發展。為了解決“硬開關”技術帶來的不足,研發人員們開始引入軟開關技術。軟開關是指ZVS(零電壓開關)或者ZCS(零電流開關)。如果在開關電源中采用軟開關技術,不僅可以使功率開關管的開關損耗降至最低,還提高了電源效率和對電源的開關起到保護作用。20世紀90年代中,IEEE組織會議曾指出,無源元件性能、開關器件的性能和封裝技術能夠直接影響高功率密度的直流—直流零電壓開關轉換器的性能??梢灶A見的是,在不久的將來電源功率變換器成本將降低至一半,但是開關管可靠性將會增加一倍,而且功率密度也將提高一倍以上。目前,已經有研究所研發的一些開關變換器可以達到這個目的。

(5)在電容器技術發展方面,最新的技術進展是大容量超級電容器技術的研究和使用。并聯或串聯超級電容器可以形成低壓高儲能元件或者超高壓元器件,它具有充電快、存能大、充電電流靈活、適應性強、使用壽命長、無毒等許多優勢,有較強的使用價值。

(6)采用計算機軟件輔助技術。如CAD軟件可以用來對電路和磁性元件進行設計,設計出最新的拓撲結構使開關電源用最簡單的結構完成最佳的工況。Saber軟件可以用來對電路進行仿真試驗,可以根據仿真數據選定最佳的元件參數,實現了最佳的系統性能設計。AD軟件可以用來對電路進行制作,不僅可以降低設計和制造成本,還可以做可制造性分析,計算機軟件輔助技術是21世紀開關電源研究技術的發展方向之一。

目前,跟開關電源研發有關的各種新技術、新工藝和新設備如雨后春筍般不斷問世,且隨著人民生活水平的提高和社會環境的需求,開關電源已越來越受關注,可以預見的是未來開關電源供電的發展已呈現出越來越多不同的趨勢:

開關電源的綠色供電。綠色節能開關電源的使用是國情所要求,這有利于保護我們的生態環境和人文環境?,F在,國外許多著名的IC制造商都在大力開發低功耗、集成化的綠色節能開關電源。飛利浦公司21世紀初推出“TEA1520”系列“綠色芯片”甚至將高效節能列在首位。上世紀90年代,美國首先提出了ENERGY STAR計劃,以降低開關電源空載損耗為目的。2005年,美國CEC委員會提出了具有強制性的能耗標準,并于2006年開始實施。該標準要求廠家要利用相關的技術手段減少使用外部電源適配器或充電的電子產品的待機功耗和空載功耗。

開關電源數字智能化。開關電源數字智能化是指由數字信號處理器或單片機(作為核心處理器)、數字電源驅動器和PWM控制器構成的一個電源控制系統。該控制系統可以充分發揮核心處理器的優點,從而實現開關電源的模擬元件和數字元件的完美組合。且高度集成化的單芯片電源系統,不僅便于實現了電源一體化,還促進了分布式數字電源系統的最佳組合。智能數字電源系統以其良好的性能正在慢慢引起人們的關注。

開關電源可編程技術??烧{式開關電源是通過手動調節可變電阻器來改變其輸出電壓的,這種調整方式精度低并且不容易控制。將可調電阻變成數字電位器即可由計算機程序來控制開關電源。

 第二章開關電源理論

  2.1開關電源的設計要求

  一、開關電源的特點

隨著現在人們生活中電子設備的類型和用途的增多,以及人們對它們的工作穩定性的要求越來越高,促使人們對開關電源設備的性能要求也提高了。本文提到的開關電源的特點一一列出如下:

(1)寬輸入的電壓范圍。在正常情況下,開關電源要直接接入電網電壓即輸入電壓為AC 220V。但是由于電網的電壓不穩定,會在一定的范圍內隨機波動,這就要求開關電源可以確保在指定的范圍內的電網電壓波動,開關電源的輸出電壓總是穩定不變的。

(2)高精度輸出電壓。衡量開關電源性能是否優越的重要指標之一就是其輸出電壓的精度大小。隨著電子產品日趨小型化、集成化(如精密儀器),對開關電源輸出電壓精度的要求變得越來越嚴格,一般輸出電壓不超過額定輸出電壓范圍150 mV或更小。

(3)良好的電壓調節能力。電壓調節能力同樣是衡量開關電源性能是否優越的重要指標之一。其指的是在電源的輸入電壓發生改變時還能夠保持一個穩定輸出電壓的能力。較好的電壓調節能力能夠保證開關電源的工作穩定性,同樣也能保證其供電設備的工作穩定性。

(4)紋波小。電源輸出電壓中含有紋波容易使用電設備發生諧振,同時降低電源的效率。較大的紋波還會引尖峰電壓或電流的產生導致電氣設備毀壞。因此紋波越小越好。

(5)較高的供電效率。在當今這個提倡效率優先的社會,開關電源的效率同樣也是越高越好。

 二、開關電源性能指標

在進行電源設計時,要充分收集用戶要求電源工作時的各項技術指標,以便所設計的電源滿足用戶的要求。目前,日常生活中經常使用到的開關電源所要求的性能指標主要有:標準輸入電壓為:AC 220V,50Hz;輸入端允許輸入電壓范圍:90V—240V;開關電源正常工作頻率:78KHz;輸出端輸出電壓:12V,5V;開關電源允許工作溫度范圍:-25℃~80℃;開關電源最大輸出電壓準確度:3%;開關電源最大電壓調整率:3%;輸出電壓最大輸出紋波:150mV;開關電源最大紋波系數:2%;整體效率:86%等技術指標。

2.2開關電源常用的拓撲結構

功率轉換電路是開關電源的核心,整流后不同的直流電壓功率轉換電路有大量的拓撲結構類型,常見我已一一列出如下:

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ee89fafb6f62d7cbb52ffce57568918f  在本次設計中,開關電源輸入端接入電網(AC 220V/50Hz)時,輸出端輸出功率小。由于降壓轉換器和升壓轉換器無變壓器、非隔離、沒有更多的輸出端,所以不考慮使用降壓轉換器和升壓轉換器。正激電路有點很多,但正激變換器的變壓器是不能夠儲存能量,經常使用在大功率的情況下,并且對MOSFET的要求較為嚴格。反激更有優勢,正好符合本文所要求的開關電源的設計路線,因此采用反激式轉換器拓撲結構。

 2.3反激式開關電源的認識

  一、工作核心原理

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原理:首先假設開關晶體管、二極管、電感、電容均為理想元件,輸出電壓中的紋波電壓很小,可以忽略不計。

當PWM控制的N-MOSFET導通時,變壓器原邊繞組中的電感開始儲存能量,且與變壓器副邊繞組相連的二極管VD處于反向偏置狀態,變壓器副邊沒有電流流動,即沒有能量傳遞給負載。當PWM控制的N-MOSFET截止時,變壓器副邊線圈中的電壓極性反轉,使得二極管VD導通,輸出端接的電容器C開始被充電,且負載R也有電流I流過。在電路中變壓器不僅起到了變壓器的作用,也起著電感儲能的作用。

N-MOSFET導通和截止時的等效電路圖如下:

92b73b8c41a35fdcc8562d97f8327c89  二、工作方式的選取

目前,我們在日常生活中所使用的反激式電源主要有兩種基本工作模式:(1)連續工作模式,簡稱為CCM;(2)不連續模式,簡稱為DCM。CCM的工作原理:PWM脈沖控制MOSFET被接通時,則電壓V被施加到原邊繞組上,原邊繞組中的電感開始存儲能量。變壓器電感中儲存的能量還沒來得及完全釋放,下一脈沖就已經到來,從而副邊繞組中的電流還沒有下降到零它就開始下一個過程。DCM與CCM相比,其不同點是變壓器儲存的能量被釋放完全在下一個脈沖到達之前,且副邊繞組中的電流已經降低到零,下一過程是從零開始增加。因此在高頻變壓器的每一個開關周期,CCM都是從非零狀態儲能開始下一個過程,而DCM都是從零狀態儲能開始下一個過程。CCM開關電流從一定的幅值開始的,上升到某一峰值后又迅速回到零,初級脈動電流IR和峰值電流IPK比例因子KRP<1.0,如圖2.3(a)所示。DCM開關電流從零增加至某一峰值后快速下降到零,KRP=1.0,如圖2.3(b)所示。

(a)CCM(b)DCM

圖2.3工作模式

0eaf3795feb61ad95bf8842aec202703  事實上在CCM和DCM之間并沒有嚴格的界限,他們之間只是存在一個過渡過程。對于給定的交流輸入范圍,當KRP較小時,連續性好、初級電感大、IPK和IRSM較小,因此可以使用功率較小的控制器件和尺寸較大的高頻變壓器進行優化設計。相反地,當KRP較大時,意味著其連續性差,初級電感小,IPK和IRSM較大,這個時候可以使用功率較大的控制器件和一個尺寸較小的高頻變壓器。

通過參照相關資料可知CCM模式的優點主要有:損耗小、原邊電流小、輸出性能穩定等;缺點是該模式下所需要的變壓器體積過大、所占空間過大、不利于電源小型化。DCM模式與CCM模式剛好相反,其主要優點就是變壓器體積??;具有初始副邊電流大、輸出性能一般、需要較大的LC濾波器、損耗大等缺點。因此本次設計選擇KRP<1,即工作在CCM模式。

 第三章多端反激式開關電源硬件電路及PCB板設計

 ? ? 3.1 UC3842芯片介紹

UC3842芯片是一種電流型PWM控制芯片且性能好、頻率可以自己設定。其頻率由RC網絡確定,最大占空比可高達100%。并且它可以對每一個周期的電流進行限制,可以提供100瓦以下的輸出功率,主要用于控制反激式轉換器。芯片內部有高度穩定的可以用于外部電路的參考電壓源。UC3842芯片通過“圖騰柱”輸出高達1A的電流,可以用來驅動多種晶體管。UC3842芯片由于引腳少、性能穩定、外圍電路簡單、易于安裝和調試、低廉的價格,因此它被廣泛用于研發開關電源。

UC3842的內部結構圖如圖3.1所示。從圖中可以看出它的內部集成了誤差放大器、振蕩器、5V基準電源、脈沖調制鎖存器、電流檢測比較器等多種器件和一些輔助電路及元件。

圖3.1

d215c6870b78cb700adb71a9c60d990e  基于本次設計的開關電源的控制方式和其組成電路的拓撲結構,結合UC3842的上述特點,決定本次使用的芯片為UC3842。

UC3842的外型圖如圖3.2所示。

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? ?3.2開關電源的總體設計框圖

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由上面框圖可已看出整個開關電源電路系統主要包括以下幾個模塊:輸入整流濾波電路模塊、變換器模塊(包括功率開關管、緩沖吸收回路、高頻變壓器和RCD鉗位電路)、輸出濾波電路模塊和控制電路模塊。

系統輸入電網電壓(AC 220V/50Hz),通過橋式整流濾波電路進行整流濾波后變為直流電壓,然后通過UC3842驅動功率管的導通與關斷來控制高頻變壓器進行電壓轉換,最后通過輸出端口的整流濾波即可以輸出直流電壓。由于電網電壓是在一定范圍內波動的,為了確保在電壓波動時輸出端還能夠穩定的輸出電壓,所以在輸出端接入電壓反饋電路通過UC3842進行反饋電壓調節是必不可少的。從整個開關電源電路系統中可以看出控制芯片UC3842會將各個電路反饋的信號進行采樣、比較等環節,通過調節芯片的輸出進而控制開關管的開關,最終達到能輸出穩定的電壓的目的。

 3.3芯片啟動電路和其外圍電路的設計與分析

  一、啟動電路設計

圖3.4啟動電路

9ecb37a3f8a13b3ad4c654a7a5e22249  UC3842芯片需要通過引腳7提供+16V電壓才能啟動,該電壓由R2和C8組成的電路提供。220V交流電通過橋式整流器整流和電容器濾波后得到直流高電壓,然后由R2降壓后接UI,電壓開始逐漸升至+16V以上從而完成啟動。開關電源進入正常工作過程中后,反饋電壓經過D4和C9整流濾波后繼續為UC3842芯片提供工作電壓。

UC3842芯片內部自帶的欠壓鎖定電路正常工作的電壓為10V—16V。如圖3.5所示。當UC3842芯片的供電端口的端電壓到達16V時,UC3842芯片就開始工作。開始啟動運行前,UC3842的正常電流消耗范圍是0mA—1mA;開始工作后,其消耗電流約為15mA。在設計時R2可以選取消耗功率非常小的電阻,因為UC3842的啟動電流在1mA以內。在啟動電路時,為了使UC3842芯片的7端口有穩定、適當的電壓供給,保證電源能夠正常工作,所以電容器C8必須足夠大。因為電源供電時會出現“打嗝”現象,所以電容器C8的放電時間應該較長,一般情況下通常要大于UC3842芯片PWM端口(6端口)輸出脈沖高電平的持續時間。從上面可以看出,電容器C8的選擇顯得尤為重要。

圖3.5

0c68ee1b3c1cfcdeea4313c1ca9bd241  二、電壓反饋的電路設計

圖3.6

b491dd261c5f9bf35da58b9620744f68  該電路主要用于反饋電壓給UC3842,使其可以控制MOSFET的關斷與導通來調節輸出電壓穩定。電壓反饋與誤差放大器電路如圖3.6所示,R6上端接反饋繞組。在放大器反相輸入端(芯片UC3842引腳2)和輸出端(芯片UC3842引腳1)之間接有補償網絡,它可以控制閉環頻率響應。因為該網絡回路的傳輸特性產生一個極點,且電源電路中濾波電容的等效串聯電阻為零、R6和R9固定低頻增益,所以R7和C6要選擇適當的值。為了提高放大器的動態響應、提高開關電源的穩定性,所以需要在電路中加上反饋網絡。通常在開關電源電路的設計中,我們常取R6=20K,R9=4.5k或者保持R6/R9約等于4即可。

 三、振蕩器和時鐘電路設計

圖3.7振蕩器和時鐘電路

58e32d84d584b13a5b8ad9170dc7c738  在開關電源的所有電路中,該電路用來確定UC3842的工作頻率。從圖3.7中可以看出,時鐘振蕩電路由R12、C12、C13和芯片內部的振蕩器共同構成。根據UC3842的工作特性,選定定時電阻R12=10KΩ,定時電容C12+C13=0.0022μF。確定開關頻率為≈78KHz,周期為T≈13μs。

 四、電流取樣與限流電路

圖3.8電流取樣和限流電路

b1a809f0c4b9ae6e96c9c2b79825bd5a  該電路主要用于限制電流并且收集通過功率開關管的電流的作用。N-MOSFET左端接UC3842的6端口(開關管驅動電路)。在正常運行情況下,芯片內部誤差放大器的輸出電壓Vc控制電流取樣電阻R13兩端的電壓。流經R13峰值電流為:d695d8d69ffddccd8d1c4b5504eb195f

由于電源變壓器線間電容和整流器恢復會使電流波形產生大的前沿峰值電流,它應該接入一個簡單的RC濾波電路,來消除尖峰電流和防止誤觸發UC3842芯片。RC的時間常數應為電流尖峰的持續時間或者接近該時間,一般為幾百納秒。取常用值R14=1KΩ、C14=500pF,則時間常數ζ=R14C14=500(NS)??蔀榱藴p少功率損耗,R13的取值一般比較小,其取值范圍是0.1—2Ω,此處取R13=0.5Ω。

UC3842芯片內部的電流檢測比較放大器的反相輸入端電壓通常為1V,將該電壓稱為門限電壓。當該比較器的同相輸入端(即UC3842的3腳)ISENSE的電壓大于1V即達到門限電壓時,開關電源將產生限流作用。

 五、功率管驅動電路

圖3.9功率管驅動電路

1ae5352de04680d2eac5d042ba91295e  該電路的主要功能是通過UC3842芯片內部的PWM來驅動功率開關接通和關斷,最終調節電壓穩定輸出。驅動電路如圖3.9所示,開關電源通過UC3842芯片內部的PWM(即引腳6)輸出脈沖電流直接驅動N-MOSFET的導通與截止。為了限制峰值驅動電流,一般加入一個阻值在15KΩ?20KΩ范圍內電阻,這里取R10=18KΩ。為了加速功率管的關斷過程,UC3842的6端口可以提供一個低阻抗反向提取電流電路。R8的取值在10KΩ—20KΩ范圍內,在此取15KΩ。

 六、整流電路

圖3.10整流電路

1fc578bcdda5a5990c389c6df49cef53  在制作開關電源過程中,我們必須把輸入的工頻交流轉變為直流,在本次設計中我們可以采用單相橋式整流電路。如圖3.10所示,4個二極管按照一定連接方式連接共同組成單相電橋D2。在電壓的正半周期,1號和4號二極管導通,2號和3號二極管截止,如果二極管的管壓降和變壓器電阻忽略不計,則Uzl=Uin。同樣在電壓負半個周期,2號和3號二極管導通,1號和4號二極管截止,如果二極管的管壓降和變壓器電阻忽略不計,則Uzl=Uin。由上可知,在正、負半周期均有電流通過負載電壓且方向是相同的。因此輸出的直流分量得到很大的提高,且由于在整流輸出端接了濾波電容是的整流輸出的電壓紋波極小。

  七、緩沖電路設計

圖3.11緩沖電路

654ef33fa5edb0f77a79f7811a59e32e  在開關電源中,開關管在瞬間關斷時會產生大的電壓尖峰脈沖,那是由于變壓器存在漏電感和引線電感。之所以在功率裝置兩端和反激式變壓器上必須有尖峰電壓緩沖電路來抑制或從構成噪聲源的部分的兩端消除噪聲;是因為快恢復整流二極管在反向恢復時會產生大量的反向恢復尖峰電壓,這些過電壓尖峰會危及功率器件的操作可靠性,還會造成強烈的電磁干擾噪。

緩沖電路如圖3.11,在N-MOSFET器件的源極和漏極之間可以直接安裝緩沖元件(包括:電阻、電容、二極管)。由于電路中電容器C11的端電壓不能發生突變,所以當N-MOSFET關斷時,所形成的尖峰電壓脈沖能量轉移到電容器C11中儲存,然后電容器C11儲存的能量可以通過電阻R11消耗,也可以返回電源,從而起到了緩沖吸收電壓尖峰的作用。

 八、無源RCD鉗位吸收電路設計

圖3.12無源RCD鉗位吸收電路

17a30c20f6b816455ed8294b80d02b6b  在開關電源的設計中之所以需要設計一個RCD鉗位吸收電路;是因為高頻變壓器初級繞組的漏電感產生的反電動勢不能通過次級整流濾波電路對其的限制。而且從參考文獻中可知,這個反電動勢的峰值極大,因此需要設計一個限制電路。并且在實際生活中,變壓器的初級繞組的漏電感是不能忽略的。如圖3.12所示,鉗位電路的參數C1、R3的取值對反激變換器的性能有重要影響,如果選值不合適,將會影響開關電源的工作性能。把鉗位電路如上圖一樣接入電路中即可。

 3.4 PCB線路板的設計

印制電路板(Printed Circuit Board,PCB),是電子設備的主要部件。目前人們所使用的幾乎所有的電子設備都離不開PCB電路板。隨著人們科學技術的不斷進步和納米技術的推廣使用,PCB板向著小型化集成化方向發展??梢灶A測的是,今后在我們所設計的PCB板中單位面積的元件個數一定會成倍增加。此處我們使用Altium Designer 10作為PCB的制作軟件。

AD10是Altium公司基于protel開發出來的新型PCB設計軟件。AD10的全新設計理念和使用理念為開發人員提供了前所未有的便利,它極大的提高了開發人員的工作效率和工作質量,起到了事半功倍的效果;極大的減少了開發人員這這方面的資金、技術和時間的投入,強有力的推動了PCB技術的發展。AD10集多種功能于一體,讓開發人員的工作變得更為方便快捷。

 一、原理圖和原理圖庫的繪制

打開軟件后,其操作步驟如下:

(1)文件→新建→工程→PCB工程,到這里我們就已經新建好一個PCB工程了。

(2)文件→新建→原理圖,到這里我們就新建好一個原理圖文件了。

(3)文件→新建→PCB,到這里我們就建好一個PCB文件。

然后我們需要加載兩個很重要的元件庫,分別是Miscellaneous Devices.IntLib及Miscellaneous Connectors.IntLib這兩個軟件自帶元件庫。這兩個元件庫能夠提供大部分常用的元件,在元件庫中找到我們所需要的元件后將它拖入原理圖中連線即可。

由于我們畫原理圖所需的高頻變壓器在元件庫中沒有,所以我們只能自己創建原理圖庫,操作步驟是:文件→新建→庫→原理圖庫。然后利用畫圖工具畫出該圖即可,如圖3.13所示。

圖3.13

9cdb288e7bd27f7e805fa8906ec91723  同樣,UC3842元件同需要我們自己畫出,步驟同上。如圖3.14所示。

圖3.14

56b5facdb3b4e02b58648fb8c45ae22d-1  完成上述原理圖庫制作后,就可以將這些元件通過庫導入到原理圖中,如圖3.15所示。

圖3.15

d7ef7b0ff1f7b3ddf71c21e1e72cc9d5  導入元件后用導線將元件連接起來,檢查導線連接有沒有電氣錯誤。繪制好全部電路圖如圖3.16所示。

圖3.16

1773c4d2b2e6acd9249629048113fd92  二、封裝的選擇和繪制

元器件的封裝需要根據元器件的引腳數量來選擇。在此處,UC3842元件我們選擇DIP-8作為它的封裝。我們在原理圖中雙擊UC3842芯片即可以彈出下圖的對話框。我們點擊ADD選擇Footprint即可添加封裝。

1b5492d334bfe0afa2f8eb335f4d5ee1  有些元件例如高頻變壓器、輸入輸出端,由于軟件無法提供其封裝,我們只能自己畫出該高頻變壓器的封裝。操作步驟:文件→新建→庫→PCB元件庫。然后利用繪圖工具畫出即可。如圖3.17和圖3.18所示。值得注意的是我們要選擇合適的焊孔和焊盤的大小,注意是否會引起短路。

圖3.17

1048cf8ddd46ef148e90a1ea0f514311  圖3.18

1b22d8dfc209a2a38d2e0d9c3514dc99  除此之外我們還可以給PCB元件庫里的元件添加3D封裝。在PCB元件庫中雙擊該元件,彈出該對話框,如圖3.19所示。點擊“插入步驟模型”選擇3D模型即可。(注意:該3D模型需要自己去網上下載或者使用3Dmax制作)

圖3.19

7ce884eaf3fbb6489321685b32b6cc74  三、生成網絡表

繪制好原理圖,添加好封裝后就可以生成網絡表了。具體操作步驟:設計→工程的網絡表→protel。

四、PCB板的繪制

生成網絡表后,可以開始PCB板的繪制工作了。新建一個PCB文件后,再設計菜單下選擇Update PCB document,即可將網絡表中的信息導入PCB板中。

然后開始對PCB板進行布局,將相關的模塊放在一起。此次設計的開關電源可以劃分為3個模塊,分別是:整流供電模塊、UC3842外圍電路模塊和輸出模塊。由于此次設計的開關電源內部電壓大小不一,所以也要對布線的粗細進行調整。我設置高壓模塊布線寬度為50mil,中低壓模塊布線寬度為30mil。布局布線完成后即可得到一塊完整的PCB板,如圖3.19所示。

圖3.19完整的PCB板

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同時還可以得到PCB板的3D模型,如圖3.20所示。

圖3.20 3D模型

c6adc220ea96b9dde1f45c80c5f16315  第四章基于PSIM的反激式開關電源的仿真

  4.1開關電源高頻變壓器的設計

高頻變壓器是制作開關電源的核心部件,因為其具有能量傳輸、電壓變換及電氣隔離的作用。之所以高頻變壓器的設計是生產開關電源的關鍵技術,是因為高頻變壓器性能的好壞,直接影響到電源相關的技術規范和電磁兼容性,對電源效率的影響也較大。具有很低的直流損耗、很小的漏電感、較低的交流損耗、小繞組分布電容和繞組的耦合電容等優點的變壓器即為性能良好的變壓器。

  一、高頻變壓器鐵芯材料的選擇

鐵芯材料的特性對高頻變壓器的可靠性和開關電源的工作穩定性及可靠性產生重要影響。因此,在制作開關電源是所選用的高頻變壓器的鐵芯材料應該有如下特性:

(1)磁感密度B?較高

變壓器工作時為了使原邊繞組的匝數越少,只能選用磁感密度較大的鐵芯材料。即可以使用更少的繞組匝數來承受更大的電壓。

(2)鐵損耗Pc較低

在選擇高頻變壓器時,其鐵芯材料應該選擇密度大、電阻率高、帶薄、磁滯回歸線窄的鐵芯材料。主要因為變壓器鐵損耗的大小與磁滯回歸線包圍的面積、鐵芯的材料密度、鐵芯的電阻率、鐵芯帶厚有關。

(3)磁導率高

磁導率能夠體現一種物質在磁場中所表現出來的性質。一般我們在選擇變壓器鐵芯材料時往往選擇磁導率較高的,雖然它與變壓器的工作效率沒有直接關系。

(4)合理的鐵芯結構

鐵芯結構要利于散熱、繞制簡單、裝配容易、漏磁和漏感較低,因為鐵芯結構的合理與否直接影響開關電源的運行性能。

(5)合適的鐵芯尺寸

要根據變壓器傳輸功率的大小選擇合適的鐵芯尺寸。

(6)其他性能要求

適宜的工作溫度、良好的機械性能、噪聲小、溫度穩定性高、性價比高、工作頻率范圍大。

綜上所述,根據所制作電源的規格、輸出功率和開關頻率,選擇鐵芯型號是PQ26/25的高頻變壓器。鐵芯截面積為S=1.13cm2,磁路有效長度L=6.4cm,飽和磁通密度Bs=0.4T。

  二、高頻變壓器繞組計算

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a0ad5f001a00c79e185ef1a9d3e0282c

 4.2 PSIM建模仿真與結果分析

  一、PSIM建模

在電路設計的各個環節中,仿真是重要的一個環節之一,仿真可以驗證你本次電路設計是否正確合理。利用仿真軟件模擬的電路運行情況,根據運行過程中所出現的數據、波形可以了解各個子電路是否運行良好,進而對整個電路進行優化設計?;诟鞣N仿真軟件的仿真,不需要提供各種硬件設施,不僅經濟實惠,而且實驗數據的誤差大大降低,且搭建電路的時間大大縮短。

PSIM是應用于電力電子技術和電機控制技術的仿真應用軟件。PSIM全稱Power Simulation,是由SIMCAD和SIMVIEM兩個軟件來組成的,它具有仿真速度快、用戶界面友好、波形測量等功能,為電力電子電路的分析、電機控制系統和驅動的設計提供了良好的仿真運行環境。

在本次畢設中,為了驗證開關電源的各個性能,所以采用PSIM對開關電源進行仿真,具體操作步驟如下:

(1)打開PSIM軟件→file→New,至此我們已經新建了一個psimsch文件,即PSIM仿真文件;

(2)點擊Subcircuit→選擇Load Subcircuit→在軟件自帶芯片庫中找到UC3842將其加載如仿真模型中即可;

(3)點擊Elements→選擇元件→將其導入原理圖→連線,至此我們就可以完成本次仿真模型的搭建工作;

(4)雙擊每一個元件,對元件參數進行設定;

(5)點擊Simulate→simulate control,即可對仿真時間長度及步長進行設置;

(6)點擊即可運行該仿真模型,然后可得出相應波形。

按照上述操作步驟可得下圖。下圖是本次開關電源設計中基于PSIM9.0仿真軟件的模型搭建,如圖4.1所示。

圖4.1仿真電路搭建

006347d68c5af5f88bd2266011ad3156  二、仿真結果分析

如圖4.2所示,為輸入電壓波形,輸入電壓為AC 220V/50HZ。

圖4.2輸入電壓波形

7c3b483646f51b7cfecfd30bbc99ef02  如圖4.3所示,為整流后的輸出波形。從圖中可以看出該整流波形紋波較小,主要因為在整流橋后接了一個電容器進行紋波吸收。

圖4.3整流輸出波形

17bd5832427374defe1de10930e9fd36  如圖4.4所示,電流檢測端電壓始終保持在1V,證明電路處于穩定工作狀態。

圖4.4電流檢測端電壓

32febcf89a3cfb9f0be48ceceb5a03d8  如圖4.5所示,反饋電壓始終保持在2.5V,說明反饋線圈供電穩定,UC3842芯片能夠正常工作。

圖4.5反饋電壓

8c91ed6cce3567e4783c776d4745ce9f  如圖4.6所示,為UC3842芯片6端輸出的控制N-MOSFET關斷的脈沖信號。

圖4.6脈沖信號

3780e1fcae2b9dfc7496068b598f7c15  如圖4.7所示,為供電電阻R兩端的電壓,當UC3842芯片正常啟動后,該電阻就不再向芯片提供供電電壓。

圖4.7

1c7b8ce0dfb0765d4453c74e184a93ad  如圖4.8和圖4.9所示,為變壓器線圈Np1和Np2的電壓,當變壓器開始工作時,副邊才產生感應電壓。

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如圖4.10所示,為開關電源輸出的+5V和+12V電壓波形。從波形中可以看出電壓在0.7S的時候趨于穩定,且在僅微小的范圍內進行波動,符合設計要求。

圖4.10輸出電壓

a087ddf87cbc0e809be9af9de1f1ea16  當改變輸入電壓改為240V時,可得仿真結果如下:

如圖4.11所示,為輸入電壓改為240V時的輸入電壓,從圖中可知輸入電壓為240V/50Hz。

圖4.11輸入電壓

b1a7d9c51e67b8be225df064f6739233  如圖4.12所示,為UC3842芯片電流檢測端電壓,從圖中可以看出該檢測端電壓在0V—1V之間,可以看出整體電路處于穩定工作狀態。

圖4.12電流檢測端電壓

9494f56f4d4d2bd14c542c49866e3289  如圖4.13所示,為整流橋整流后的電壓值,從圖中可以看出其紋波電壓很小,主要由于在整流橋后加了電容器進行濾波。

圖4.13整流電壓

cd3bbdac6ccf36de546e27da9f943f6e  如圖4.14所示,為供電電阻R的消耗電壓,由圖可以看出當UC3842進入正常工作狀態后,該電阻就不再向芯片提供供電電壓。

圖4.14

264b048b108e3f5f2331d444713d264e  如圖4.15所示,為UC3842的供電電壓,從圖中可以看出最后電壓穩定在14V供電。

圖4.15供電電壓

e4ff543960e450e7ec3eab1e3fa2097a  如圖4.16所示,為該開關電源的輸出電壓,可以看出當輸入電壓改變為240V后輸出電壓值仍能保持在穩定值。

圖4.16輸出電壓

beb0f9726ad16865aef234d2c4f47ca0  當輸入電壓改為200V時,其仿真結果如下:

如圖4.17所示,為輸入電壓波形,從圖中可以看出輸入電壓為200V/50Hz。

圖4.17輸入電壓

5d1efa76703807fbc063949def1a2d83  如圖4.18所示,為整流橋整流后的電壓波形。

圖4.18整流波形

c97345510455189c3c537dd7a93b871f  如圖4.19所示,為為UC3842芯片電流檢測端電壓,從圖中可以看出該檢測端電壓在0V—1V之間,可以看出整體電路處于穩定工作狀態。

圖4.19電流檢測端電壓

5089731287e6e801421e3c8c09cdd66c  如圖4.20所示,為供電電阻R的消耗電壓,由圖可以看出當UC3842進入正常工作狀態后,該電阻就不再向芯片提供供電電壓。

圖4.20

942504d21197af9cd24d514a73e0b5b1  如圖4.21所示,為UC3842的供電電壓,從圖中可以看出最后電壓穩定在14V供電。

圖4.21芯片供電電壓

17842ab81ed57707a6f44af9b193f9fe  如圖4.22所示,為該開關電源的輸出電壓,可以看出當輸入電壓改變為200V后輸出電壓值仍能保持在穩定值。

圖4.22輸出端電壓

92930cb5e733f02f99ed74f7a5b707e5  綜上所述,通過本次仿真實驗,充分驗證了開關電源的工作穩定性符合要求。當輸入電壓波動,該電源依然能夠保證一個穩定的輸出電壓。

第五章總結與展望

  5.1論文總結

在目前,無論任何一種類型的電子產品的使用都離不開性能穩定可靠的電源。開關電源被大規模應用主要是因為其相對于傳統線性穩壓電源具有小巧輕便、高效率、產熱低、性能穩定等優點。

本文介紹了基于UC3842芯片設計的開關電源的設計,從其日常的性能指標要求、常用的拓撲結構、反激式開關電源的工作原理和工作方式、整體電路的分模塊分、PCB板的設計與制作、高頻電壓器鐵芯的選擇和繞組的計算、PSIM的建模仿真及分析等多個方面對本次設計進行說明。本次設計的主要內容和其成果如下:

(1)介紹了開關電源的發展現狀、開關電源分類和特點、開關電源技術的發展趨勢三個方面。

(2)簡單的介紹了開關電源的基礎知識。主要是以下幾個方面的內容包:開關電源的設計要求;開關電源常用拓撲結構的分析比較和本次設計所選擇的拓撲結構(即:反激式變換器拓撲結構);反激式開關電源的工作核心原理和工作方式(連續工作模式,CCM;不連續工作模式,DCM),并且選取出了符合該次設計標準的工作方式(即:連續工作模式,CCM)。

(3)本次設計選用UC3842芯片來控制N-MOSFET的導通與截止,簡單介紹了UC3842的內部結構和其引腳功能;繪制了開關電源的總體設計框圖;詳細介紹了UC3842芯片的啟動電路和外圍電路設計及參數選定,主要包括:UC3842芯片啟動電路的設計、開關電源內部的電壓反饋電路的設計、系統電流取樣和限流電路設計、工作頻率電路的設計(即振蕩器和時鐘電路)、無源RCD鉗位吸收電路設計、功率管驅動電路設計、輸入整流電路設計、開關管緩沖吸收電路設計;最后給出了開關電源的整體原理圖。

(4)利用AD10軟件對開關電源進行PCB板設計。首先繪制出元件庫里沒有的元件的原理圖庫和PCB庫,并對原理圖庫和PCB庫進行封裝;畫出原理圖后自動生成網絡表;最后將網絡表導入到PCB板中,并對PCB板進行布局和布線。

(5)此次設計中,高頻變壓器的設計至關重要。本文介紹了變壓器鐵芯材料的基本要求,并選取出合適型號的鐵芯材料進行設計(即:鐵芯型號是PQ26/25的高頻變壓器);然后計算出變壓器原副邊繞組的匝數。

(6)利用PSIM仿真軟件對開關電源電路進行仿真,由仿真波形可以看出輸入電壓為AC 220V/50HZ時,輸出為DC+12V/+5V,且波動在允許的范圍內。當電壓發生改變后輸出端仍能輸出穩定的電壓,即該開關電源符合制作要求。

 5.2論文展望

本次畢設中,我經歷了從UC3842芯片外圍電路的設計到高頻變壓器的設計,對開關電源有了一個總體的且更為深刻的了解和認識。但是由于畢設的時間和實驗設備的不足及本人檢驗和認識的不到位。所以本次畢設工作還有待進一步深入,開關電源的實際性能還有待進步不得驗證提高。論文下一步的重點為:

(1)可以對高頻變壓器的各種損耗進行詳細分析,在此基礎上進一步完善變壓器的設計參數及型號選擇,進一步提高開關電源的工作效率。

(2)將普通的開關電源想智能化數字化方向發展,尋求更高的市場占有率。

(3)提高開關電源的適應能力及開關電源使用的靈活性,使得開關電源的使用電壓范圍和頻率范圍大大提升,進而增加其使用實用范圍。

(4)本文中沒有估算其輸入和輸出功率,沒有計算最大和最小輸入電壓,沒有計算最大占空比及沒有估算其紋波電流,后續可對其進行進一步的研究。

(5)本次設計未在輸出端加入光電隔離部分,后續可對其進行進一步研究。

(6)本次設計未在輸入端加入EMI濾波器,后續可對其進行研究來改善輸入電流的諧波。

(7)本次設計未能做出實物,在今后的研究中可做出實物對其各個參數及性能進行驗證。

基于UC3842的開關電源設計

基于UC3842的開關電源設計

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價格 ¥9.90 發布時間 2023年10月24日
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