开关电源设计毕业设计

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1、开关电源设计摘要随着开关电源在运算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方 面的普遍应用, 人们对其需求量日趋增加 , 而且对电源的效率、体积、重 量及靠得住性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、 重量轻等优势在很多方面慢慢取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电 子技术的进展，专门是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速进展，将开关 电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳固性和高性价比等特 性。开关电源技术的要紧用途之一是为信息产业效劳。信息技术的进展对 电源技术又提出了更高的要求，从而增进了开关电源技术的进展。开关电 源的高频变换电路形式很多, 经常使用的变换电路有

2、推挽、全桥、半桥、 单端正激和单端反激等形式。本论文是基于芯片 UC3842 的小功率高频开 关电源系统设计。关键词 开关电源；半桥全桥；高频变压器目录摘要 I第1章绪论1课题背景1研究的目的及意义2课题研究的目的2课题研究的意义2第2章 开关电源输入电路设计3电压倍压整流技术3交流输入整流滤波电路原理3倍压整流技术3输入爱惜器件爱惜4浪涌电流的抑制4热敏电阻技术分析5本章小结6第3章 开关电源主电路设计7单端反激式变换器电路的工作原理7开关晶体管的设计8变压器绕组的设计10输入整流器的选择11输出滤波电容器的选择12本章小结12第4章 开关电源操纵电路设计13芯片简介13芯片原理13UC38

3、42 内部工作原理简介13工作描述14UC3842经常使用的电压反馈电路18本章小结20结论21致谢22参考文献23第1章 绪论1.1 课题背景随着大规模和超大规模集成电路的快速进展，专门是微处置器和半导 体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大 而笨重的利用工频变压器的线性调剂稳压电源已通过时。取而代之的是小 型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源1。开关电源技术进展趋势能够归纳以下几点：1. 小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的要紧进展方向。2. 提高靠得住性，提高集成度，增加爱惜功能，拓宽输入电压范 围，提高平均无端障时刻。3. 随着频率提高，开关电源的噪声随

4、之增大，降低噪声也是高频开 关电源的研究方向。4. 提高电源装置和系统的电磁兼容性( EMC )。5. 用运算机软件进行辅助设计与操纵，具有高效、高精度、高经济 性和高靠得住性的优势，能够使开关电源具有最正确电路结构与最正确工 作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的进展状 况有着紧密的关系。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效 率地产生一路或多路经调整的稳固直流电压。早在 70 年代，随着电子技 术的不断进展，集成化的开关电源就已被普遍地应用于电子运算机、彩色 电视机、卫星通信设备、程控互换机、周密仪表等电子设备。这是由于开 关电源能够知足现代电子设

5、备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术 的高度进展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速有效 化。而半导体集成电路技术的迅速进展又为开关电源操纵电路的集成化奠 定了基础，适应各类开关电源操纵要求的集成开关稳压器应运而生，其功 能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件愈来愈少，使得开关电源 的设计、生产和调整工作日趋简化，本钱也不断下降。目前己形成了各类 功能完善的集成开关稳压器系列。最近几年来高反压 MOS 大功率管的迅 速进展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，其结果 是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价 钱比达到了前所

6、未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。 固然开关电源能被工业所同意，第一是它在体积、重量和效率上的优势。 在 70 年代后期，功率在 100W 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50W 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20W 以上，就要考虑利用开关电源 了。过去，开关电源在小功率范围内本钱较高，但进入 90 年代后，其本 钱下降超级显着，固然这包括了功率组件，操纵组件和磁性组件本钱的大 幅度下降。另外，能源本钱的提高也是增进开关电源进展的因素之一2。1.2 研究的目的及意义1.2.1 课题研究的目的随着社会经

7、济的进展，人类已经进入工业时期，并正在转入高新技术 产业迅猛进展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的 基础3。本论文的目的确实是查阅相关资料，把握开关电源的内部结构，学习 如何设计小功率开关电源的方式，这以后从事相关事业打下基础，开阔视 野，从而提高自身的能力。课题研究的意义课题研究的意义在于：今世许多高新技术均与电源的电压、电流、频 率、相位和波形等大体技术参数的变换和操纵相关，电源技术能够实现对 这些参数的精准操纵和高效率的处置，因此，电源技术不但本身是一种高 新技术，而且仍是其评它多项高新技术的进展基础。电源技术及其产业的 进一步进展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗和提

8、高生产效率提供重 要的手腕，并为现代生产和现代生活带来为深远的阻碍4。第2章 开关电源输入电路设计2.1电压倍压整流技术2.1.1交流输入整流滤波电路原理在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整 流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一样都要知 足国际市场的需求，因此他们所设计的开关电源必需要适应世界范围的交 流输入电压，一般是交流90 -130V和180-260V的范围。如图2-1所示。输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双n型滤波网络主若是对输 入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，避免对电源干扰，同时也避免电 源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开

9、启刹时，要对C5充电，由 于刹时电流大，加RT1 （热敏电阻）就能够有效的避免浪涌电流。因瞬时 能量全消耗在RT1电阻上，一按时刻后温度升高后RT1阻值减小（RT1是 负温系数元件），这时它消耗的能量超级小，后级电路可正常工作。2.1.2倍压整流技术一 为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图 2-2所 /示O在图中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，另外，本电路 中的压敏电阻RV和可控硅VS具有浪涌电流抑制、刹时输入电压爱惜的 功能。电路工作进程如下：当开关S1闭合时.电路在115V交流输入电压 下作用。在交流电的正半周，通过二极管VD1和电容器C1被充电到交流 电压的峰值

10、。即115vX1. 414160v，在交流电的负半周，电容器C2通 过二极管VD4也被充电到160v。如此，电路输出的直流电压应该是电容 器C1和C2上充电电压之和.即160V十160V=320V。当开关S1打开 时，极管VaVD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整 流，也一样产生320V的直流电压5。RTL夺1-TL?I-图2-2倍压整流电路2.2输入爱惜器件爱惜2.2.1浪涌电流的抑制隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流，设计者必需在电 源的输入端采取一些限流方法，才能有效地将浪涌电流减小到许诺的范围 之内。浪涌电流主若是由滤波电容充电引发的，在开关管开始导通的刹 时

11、，电容对交流呈现出很低的阻抗，一样情形下，只是电容的ESR值。若 是不采取任何爱惜方法，浪涌电流可接近几百安培。通常普遍采纳的方法 有两种，一种方式是：利用电阻双向可控硅并联网络；另一种方式是：采纳负温度系数(NTC)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把 浪捅电流减小到平安值。电阻一双向可控硅技术：采纳此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交 流输入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并 联的，能够把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电 路，当某些预定的条件知足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时 要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通

12、 时，要流过全数的输入电流。2.2.2 热敏电阻技术分析这种方式是把NTC（负温度系数）的热敏电阻串联在交流输入端或串联 在通过桥式整流后的直流线上。用了 RTC 热敏电阻的电阻温度特性和 温度系数的关系如图 2-3 所示。RTC热敏电阻的温度系数，用每度百分比（/c）表示。当开关电源接 通时，热敏电阻的阻值大体上是电阻的标称值。如此，由于阻值较大，它 就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对 其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始 下降，若是热敏电阻选择得适合，在负载电流达到稳固状态时，其阻值应 该是最小。如此，就可不能阻碍整个开关电源的效率

13、。输出过压爱惜电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压 限定在一平安值的范围内。当开关电源内部稳压环路显现故障或由于用户 操作不妥引发输出过压现象时，过压爱惜电路进行爱惜以避免损坏后级用 电设备 7。在一样情形下，交流电网上的电压为115v或230v左右，但有时也会 有高压的尖峰显现。比如电网周围有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现 象，都是产生高尖峰的因素。受严峻的雷电阻碍，电网上的高压尖峰可达 5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量知足下面的公式2-1：1W = LI2（2-1）2公式中.L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。由此可见，尽管电压尖峰持续的时刻很短，可是它确有

14、足够的能量使 开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。因此必需要采取 方法加以幸免。2.3 本章小结本章介绍了电压倍压整流技术和输入器件爱惜。第3章 开关电源主电路设计3.1单端反激式变换器电路的工作原理单端反激式变换器电路在其输入和输出回路之间加入平安隔离方法。 一样情形下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为要紧隔离器件。在电 路中，它是以变压器的形式显现的，但事实上它起的作用是扼流圈，因此 应该称它为变压器一一扼流圈。所谓单端，确实是指的是变压器磁芯仅工 作在其磁滞回线的一侧。典型的单端隔离反激式变换器电路结构如图3-1 所示。仇载图3-1隔离单端反激式变换电路及相关波形从电路的

15、工作状态波形可见，电路的工作进程如下：当晶体管VT1导 通时，它在变压器低级电感线圈中贮存能量，与变压器次级相连接的二极 管VD处于反偏压状态，因此二极管VD截止。在变压器次级回路无电流 流过，即没有能量传递给负载。当晶体管 VT1 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来， 使得二极管 VD 导通，给输出电容 C 充电，同对在负载 RL 上也有了电流 IL。由于隔离变压器 T 除具有初、次级间平安隔离的作用外，它还有变压 器和扼流圈的作用，因此在反激式变换器的输出部份一样不需要加电感， 但在实际应用中，往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈，用 以降低高频开关噪声的峰值8。由于隔离变压器 T 除具有初、次级间平安隔离的作用外，它还有变压 器和扼流圈的作用，因此在反激式变换器的输出部份一样不需要加电感， 但在实际应用中，往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈，用 以降低高频开关噪声的峰值，如此的设计便开关电源工作更平安。3.2 开关晶体管的设计如何选择到性能参数适合的主开关与操纵电路直接阻碍到变换器的性 能。在那个地址需要清楚的是作为主开关的晶体管、 MOSFET、IGBT 或 晶闸管的性能均耐压的上升而下降，因此在选择耐压时并