开关电源的设计毕业论文.doc

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1、北京经济管理职业学院毕业设计论文毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目 开关电源设计 学生姓名 闫猛 专业 应用电子技术 指导教师姓名 吴劲松 下发日期 2012 年 2 月 21 日设计（论文）的主要内容：主要对如何实现直流直流变换以及如何进行脉宽调制进行设计。本设计主要包括输入电路、功率变换电路、输出电路、控制电路和保护电路的设计。输入电路主要包括滤波电路、防冲击电路和整流滤波电路，输入的220V交流电压经全波整流得到300V左右的直流电压作为功率变换电路的直流电源；功率变换电路采用单端反激式DC/DC变换器，功率开关采用绝缘栅型场效应管，简称MOSFET；输出电路对变换后的电压进行整流滤

2、波从而得到稳定的电压输出；控制电路选用电流型PWM控制集成芯片UC3842，它具有控制精度高，调节速度快，保护电路结构简单，应用范围广等优点；设计中对过流及过压等情况进行了保护，使其能安全稳定的工作。任务起止日期 2012 年3 月 26 日至 2012 年 6 月 3 日进 度 安 排摘要 开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光电路、日光灯等。开关源与变压器相比具有效率高

3、、稳性好、体积小等优点，缺点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰，电路复杂不易维修等。在谈开关电源之前，先熟悉一下变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的电路；它于基本放大电路与一个反馈回路组成，其中C2、L1组成一个并联谐振选频电路，在电路通电的瞬间VT导通，此时在C2、L1组成的并联谐振电路上产生非常丰富的谐波，当外加频率和并联谐振电路的固有频率相等时,电路进入振荡状态，并通过L3反馈到VT的基极进一步放大，最终形成有规律的脉冲电流或电压输出到负载RL上。开关电源就是围绕变压器反馈式振荡电路而设计，只不过在原来的基础上

4、增加了一些保护和控制电路，我们可以用分析振荡电路的方法来分析开关电源。开关电源振荡按方式分，可以分为自激式和它激式两种，自激式是无须外加信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。根据激励信号结构分类；可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的宽度，也就是频率，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围内，达到稳定电压的效果。变压器的绕组一般可以分成三种类型，一组是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。在家用电器中使用的开关电源，将220V的交流

5、电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。负载绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力，其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的，为了避免电路的干扰，反馈回振荡电路的电压会用光电耦合器隔离。大多数开关电源有待机电路，在待机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低。有些开关电源很复杂，元件密密麻麻，很多保护和控制电路，在没有技术支持的情况下，维修起来是一件

6、很头疼的事。在我面对这种情况是，首先我会找到开关管及其参与振荡的外围电路，把它从电路中分离出来，看它是否满足振荡的条件，如检测偏置是否正常，正反馈有无故障，还有开关管本身，开关电源有极强大的保护功能，排除后检察控制和保护及负载电路。一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（Jen Sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科

7、学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提

8、高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许

9、多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。Abstract Switching power supply is a voltage conversion circuit, the main work is the step-up and step-down, are widely used in modern electronic products. Always work because the switching transistor in the on and off state, so called switching power supply. Switching power s

10、upply in real terms is an oscillator circuit, the conversion of electrical energy not only used in power circuit, the circuit in other applications are also common, such as LCD backlight circuits, such as fluorescent lamps. Switch the source compared with the transformer high efficiency, good stabil

11、ity, small size and other advantages, disadvantages is the relatively small power, and high-frequency interference on the circuit, circuit complexity, such as easy maintenance.Talking about switching power supply before you familiar with the feedback oscillator circuit transformer, can produce a reg

12、ular pulse current or voltage of the circuit is called oscillation circuit, transformer feedback oscillator circuit is able to meet these conditions the circuit; it in the basic amplifier circuit with a feedback loop composed of C2, L1 election to form a parallel resonant frequency circuit, the inst

13、antaneous power in the circuit turn-VT, this time in the C2, L1, composed of parallel resonant circuits have a very rich harmonic, when the plus parallel resonance frequency and the natural frequency of the same circuit, the circuit to enter a state of oscillation, and VT through L3 feedback to furt

14、her enlarge the base, and ultimately the formation of a regular pulse current or voltage output to the load RL. Switching power supply is around the transformer and the feedback oscillator circuit design, but the basis of the original increase in the number of protection and control circuits, analys

15、is of our oscillation circuit can be used to analyze the method of switching power supply.Switching Power Supply vibration by way of sub-swing can be divided into self-excited and it excited the two, since there is no need for plus-excited self-oscillation signal source, since the excitation can see

16、 it as a feedback oscillator circuit transformer, and it is excited is totally dependent on the outside to maintain the oscillation, in the practical application of self-excitation of a comprehensive range of applications. According to the structure of incentives signal classification; can be divide

17、d into pulse-width-modulated pulse amplitude modulation and two pulse-width-modulated signal to control the width, that is, frequency, pulse amplitude modulation control signal of the magnitude of the role of the two the same so that oscillation frequency is maintained at within a certain range, to

18、the effect of voltage stability. Winding transformer can be divided into three types in general, a group involved in the primary winding of the oscillation, a group is to maintain the oscillation of the feedback winding, there is a group of the load windings. Household appliances used in switching p

19、ower supply,after the AC to 220V bridge rectifier, converted into about 300V DC, filter into the transformer is added after the switch to high-frequency oscillations of the collector, feedback winding back to the base to maintain the oscillation circuit, load sensor windings of the electrical signal

20、, by rectification, filtering, the DC voltage regulator has been to provide power to the load. Winding in the provision of electric power load, but also take up the capacity of voltage stability, the theory is then a circuit voltage output voltage sampling devices to monitor the output voltage chang

21、es, timely feedback to adjust the oscillation frequency oscillator circuit to achieve the voltage stability The purpose of the circuit in order to avoid interference, the feedback voltage to the oscillator circuit will be isolated optocoupler. Most switches have a standby power circuit, switching po

22、wer supply in standby mode still oscillating, but the frequency of normal working hours than lower.Some switching power supply are complex, numerous components, many protection and control circuit, in the absence of technical support, maintenance is a headache with the matter. I face this kind of si

23、tuation is, first of all, I will find the switch and its participation in the external oscillation circuit, it separated from the circuit to see if it met the conditions for oscillation, such as detection bias and whether it is normal, whether positive feedback failure, as well as its own switches,

24、switching power supply has very large protection, after exclusion of the prosecution and load control and protection circuit.the control circuit while output from the sample, with the set standards, then controlled inverter, change its frequency or pulse width output achieve stability, on the other

25、hand, according to test data provided by the circuit by circuit protection identification, Control circuit for the unit for various protection measures. SMPS developments and trends in the United States in 1955 Roje (GH.Roger) invention of the self-excited oscillation push redeem transistor single t

26、ransformer DC converters, high-frequency conversion is the beginning of control circuit, 1957 United States investigation tournament (Jen Sen) since the invention of the push-pull double Flyback transformers, 1964 American scientists proposes to abolish the frequency transformer series switching pow

27、er supply scenario, This power to the right size and weight of the decline was a fundamental way. To the 1969 high-power silicon transistor because the pressure increase diode reverse recovery time shortened, and other components improve, and finally turned into a 25 kHz switching power supply. Curr

28、ently, switching power supply to small, Light volume and the characteristics of high efficiency has been widely used in electronic computer-driven variety of terminal equipment, Communications equipment almost all electronic equipment, the electronic information industry indispensable to the rapid d

29、evelopment of a power mode. Currently the market for sale in the switching power supply using bipolar transistors made of 100kHz. use made of 500kHz MOS power, though practical, but its frequency to be further enhanced. To improve the switching frequency, it is necessary to reduce the switching loss

30、, and to reduce the switching loss, you need to have high-speed switching devices. However, the switching speed, will be affected by the circuit inductance and capacitance diode or stored charge arising from the impact of the surge or noise. This will not only affect the surrounding electronic equip

31、ment, but also greatly reduce the reliability of the power supply itself. Among them, with the switch to prevent Kai-closed by the voltage surge, it is R-C or L-C Composite bumpers, and the storage charge by the diode current surge caused by the use made of amorphous cores such as magnetic bumper. H

32、owever, the high frequency of 1 MHz and above, using resonant circuit, Switch to enable the voltage or current through the switch was a sine, which could reduce the switching loss, This can also control the surge occurred. Switches such as resonant mode switching. Currently such SMPS of very active,

33、 because this means no significant increase switching speed can theoretically put switching loss fall to zero. and the noise is small, is expected to become high-frequency switching power supply of one of the main ways. At present, many countries in the world are working on several trillion Hz conve

34、rter practical research.关键字：开关电源振荡 芯片UC3842 电源 电路图目 录目录1、概述71.1开关电源及其发展趋势81.1.1 国内开关电源的发展概况91.1.2 国外开关电源的发展概况102 开关电源概述132.1 开关电源的分类132.2 开关电源的控制原理132.3 开关电源的优点143 开关电源常见的变换器153.1 PWM变换器153.2 DC/DC变换器164 基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计174.1 UC3842的简介174.1.1 UC3842的工作原理174.1.2 UC3842的工作描述214.2 主电路的设计274.2.1

35、启动电路284.2.2 短路过流、过压、欠压保护电路284.2.3 反馈电路294.2.4 整流滤波电路294.3 主要器件的选择及其功能304.3.1 TL431304.3.2 PC817304.3.3 场效应管MOSFET314.3.4 高频变压器31结 论32参 考 文 献32致 谢33附录：34图一：电路原理图34表1：元器件清单351、概述电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是生产电的装置，表示电源特性的参数有功率，电压，电流，频率等；在同一参数要求下，又有重量，体积，效率和可靠性等 指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需要。例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功

36、率变成小功率等。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳压输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching power supply）。电源，即提供电能的设备，主要分三类：一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。其中，二次电源指的是把

37、输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出

38、信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。 1.1开关电源及其发展趋势开关稳压电源简称开关电源 (Switching Power Supply)，因电源中起调整稳压控制功能的器件始终以开关方式工作而得名。它是利用现代电力电子技术，通过控制开关管通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、纹波小、噪音低、智能化程度高、易扩容等优良特性，广泛应用在诸如计算机、彩色电视机、程控交换机、摄像机、VCD、电子游

39、戏机等电子设备上。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性，因此，开关电源将逐渐取代使用工频变压器的线性稳压电源。 开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术 (IT)的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息 产业和电源产业。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和 产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重 的作用。而在这个方面我国与世界先进国家的差距

40、很大，作为一个电源工作者，应该不仅只局限于完成当前的本职工作，还必须通过各种信息渠道及时搜索和掌握电源技术最新发展方向与 电源相关的元器件、原材料的最新发展动态，及时吸取国内外先进的薄膜工艺、厚膜工艺、集成化工艺等，只有这样才能设计出世界上一流的电源产品。 概括地讲，开关电源技术的发展趋势为2：继续向高频、高效、高密度化、低压、大电流化 和多元化发展。其封装结构、外形尺寸必然向国际标准化发展，以适应全球一体化市场的要求进而使国内电源产品进入国际市场2。 最后，强调一下，性能价格比仍然是赢得市场占有率的永恒主题。产品价格、各种性能指标、品牌效应及使用寿命一直是广大用户最关心的问题。国内知名电源厂

41、商及世界顶级电源供 应商都面对同样的压力， 价格之争、性能比拼、产品的精益求精以至艺术化、人性化设计都是 电源厂商必须面对的问题，特别是在当前信息时代，由于信息网络给客户提供了网上查询、定 货、采购的平台，使产品价格变得日趋公开，迫使每个电源供应商都采取降低成本，提高性价比等一系列措施，尽最大努力赢得市场占有率。 1.1.1 国内开关电源的发展概况(1) 电源技术的发展 21世纪我国通信、信息、家电、和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐淘汰。国内开关电源技术的发展，基本起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段

42、。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz，脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MUSEFT和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz，（AC/DC）或1MHz(DC/DC)；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高电源的效率，国产6kW通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93%；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大

43、提高；有源功率因数校正技术(APFC)的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率3。在开关电源的所有应用领域内，通信电源是增长速度最快的一部分。新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容等元器件的发展，也将对电

44、源技术的发展起到重要作用。总之，高效、小型化、集成化、智能化以及提高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。(2)电源生产的发展 在开关电源领域，民族产业一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过20多年的不懈努力，逐渐向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已经形成一批上亿元、甚至10亿元以上产值的电源企业，有产品已进入国际市场。（3）电源市场的发展 我国信息产业、国防工业、家电行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大推动力。据国家统计局最新资料显示，当前我国电子信息产业的产区、产出、销售总规模以及对国家经济增长

45、得贡献，均居全国工业行业之首，成为我国工业第一支柱产业。（4）电源标准的制定 20世纪90年代初，高频开关电源的应用刚刚在电子、电信行业起步，适时颁布的通信用高频开关整流器和通信局（站）电源系统总技术要求等标准对指导生产、服务用户起到了重要作用，对高频开关电源在电信行业的迅速推广也起到了积极作用。随着市场的扩大，用户对电源智能化程度的要求越来越高，有关电源集中监控的标准相继被推出。随着技术不断进步，经验逐渐积累，行业标准急需修订，技术指标需要改进，测试方法需要完善，内容需要增加，为把好的产品质量关提供更可靠依据。 1.1.2 国外开关电源的发展概况 自20世纪90年代以来，许多领域和新的要求对

46、开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察可以发现，输入的要求变得更严，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则派生出了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的这些要求推动力两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题4,9，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。另外由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCB Layout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。1 开关电源电路器件的发展动态（1） 半导体

47、器件的发展。功率半导体器件仍是电力电子技术发展的龙头，电力电技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。功率场效应管（MOS-FET）由于采用单极性多子导电，是开关时间显著的减小，又因其很容易达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。但是MOS-FET提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美国IR公司采用提高单位面积内的原胞个数的方法。如IR公司开发一种HEXFET场效应管，其沟槽原胞密度已达每平方英寸1012亿个的世界最高水平，通态电阻可达3m.自1996年以来，HEXFET通态电阻每年50%

48、的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷(QG)的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则的下降率为每年30%。对于肖特基二极管的开发，最近利用沟槽结构，有望出压降更小的肖特基二极管，它被称作TMBS沟槽MOS势垒肖特基二极管，有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOS-FET竞争。（2）新型变压器的发展。新型变压器是电力电子产品或开关电源中必不可少的部件。平面变压器是近两年才面世的一种全新产品，与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上，其突出优点是能量密度高因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%99%；工作频率高，从50kHz到2MHz;漏感低；电感干扰小（EMI）小等。（3）超容电容器的发展。超容电容器是电容器件近年来的最新产品。美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容器技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。现