小功率开关电源课程设计报告.docx
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小功率开关电源课程设计报告
《电力电子技术》
课程设计报告
题目：
小功率开关电源的设计
华中科技大学
第1章课程设计目的……………………………………………………………………4
第2章课程设计题目描述与要求……………………………………………………4
1题目描述……………………………………………………………………4
2设计要求………………………………………………………………………5
第3章开关电源的基本工作原理与电路结构…………………………………………5
1开关电源的概述……………………………………………………………………5
1.1开关电源的工作原理以及组成………………………………………………5
1.2开关电源的特点……………………………………………………………7
2开关器件…………………………………………………………………………8
2.1开关器件的特征………………………………………………………………8
2.2MOSFET…………………………………………………………………………8
3PWM开关电源的基本原理………………………………………………………9
第4章具体设计…………………………………………………………………………10
1主电路设计………………………………………………………………………10
1.1输入电路……………………………………………………………………10
1.2整流滤波电路………………………………………………………………11
2控制电路设计……………………………………………………………………12
2.1UC3842的特点………………………………………………………………12
2.2UC3842的引脚排列及部框图…………………………………………13
2.3基于UC3842的控制电路…………………………………………………14
3总体电路设计……………………………………………………………………14
3.1总体电路框图………………………………………………………………14
3.2整体电路设计说明…………………………………………………………15
3.3总体电路设计图………………………………………………………………16
第5章印质电路板的焊接及调试………………………………………………17
第6章课程设计总结…………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………19
第1章课程设计目的
电源和驱动是电力电子技术的两大主要应用领域。
课程设计的主要任务是设计和实现一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源及控制用小功率开关电源。
其目的是通过对实际电力电子装置的设计、制作和调试，深化和拓展课程所学知识，提高工程实践能力。
本次课程设计的安排旨在提升学生的动手能力，加强大家对专业理论知识的理解和实际运用，通过团队成员之间的密切配合，加强团员的合作协调能力。
通过本次课程的历练，加强大家的自学能力，为大家做毕业设计做很好的铺垫。
第2章课程设计题目描述与要求
1题目描述
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
2设计要求
根据电压等级要求，设计主电路及控制电路，实现电路及设备的保护，选定所需的电气元件，并对系统进行制作、焊接并调试。
最后提交设计说明书和一份完整的开关电源原理图。
针对这个需求，本设计要求利用PWM控制芯片UC3842，设计一个小功率开关电源，具体指标如下：
输入交流电压变动围：
AC65～265V；
输入频率：
50/60Hz；
输出电压：
稳定的DC36V；
输出电流：
≤2A；
控制电路形式为它激式，采用UC3842为PWM控制电路。
电源开关频率的选择决定了变换器的特性。
开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。
但随着频率的提高，诸如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突出，而且频率越高，对磁性材料的选择和参数设计的要求会越苛刻。
另外高频下线路的寄生参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会比较困难。
在本电源中，选定工作频率为43kHz[9]。
第3章开关电源的基本工作原理与电路结构
1开关电源的概述
1.1开关电源的工作原理以及组成
开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。
主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。
本设计开关电源控制集成电路主要包括电源电路、滤波整流电路、升压斩波电路以及UC3842控制芯片构成的控制电路。
由于此为小功率开关电源，故电路设计不包括各
种反馈电路以及各种保护功能电路。
在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用AC/DC变换器就是离线式开关变换器。
开关电源的工作原理框图如图2.1所示。
图2.1开关电源电路框图
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图2.2进行说明。
图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。
这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。
图2.2开关电源的工作原理
上图中，a图为电路图，b图为波形图。
为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：
公式（2.1）
上式中，T表示开关S的开关重复周期；Ton表示开关S在一个开关周期中的导通时间。
开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：
Uo=Ui公式（2.2）
由式（2.1）和式（2.2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间Ton，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。
T不变，只改变Ton来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。
由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。
若保持Ton不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）。
由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。
既改变Ton，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。
在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。
1.2开关电源的特点
开关电源具有如下特点：
（1）开关器件节能（效率一般可达85%以上）。
开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗比较小，但是效率较高，一般在80%～90%，高的甚至可达90%以上；
（2）体积小、重量轻。
由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量大大减轻，只有同容量线性电源的1/5，体积也在很大程度上缩小了；
（3）稳压围宽。
开关电源的交流输入电压在90~270V变化时，输出电压的变化在±2%以下。
合理设计开关电源电路，还可使稳压围更宽并保证开关电源的高效率；
（4）安全可靠，具有各种保护功能。
在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠；
（5）功耗小。
由于开关电源的工作频率高，一般在20KHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是由于功率开关管工作在开关状态下，因此损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损
坏。
因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。
2开关器件
2.1开关器件的特征
同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：
（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。
（2）开关器件一般都工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。
（3）开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。
作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。
（4）电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。
（5）为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。
导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。
对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。
2.2MOSFET
开关电源中的功率开关器件是影响电源可靠性的关键器件。
在开关电源中，用作开大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度。
MOSFET在大功率开关电源中用作开关，比双极性功率晶体管具有明显的优势。
所有类型的有源功率因数矫正器都是为驱动功率MOSFET而设计的。
MOSFET功率管的特点
1）MOSFET是电压控制型器件因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单
2）输入阻抗高，可达108Ω以上；
3）工作频率围宽，开关速度快（开关时间为几十纳秒到几百秒）、开关损耗小；
4）有较优良的线性区，并且MOSFET的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，
5）功率MOSFET可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。
2.3电力二极管
可分为普通二极管，快恢复二极管，肖特基二极管三种。
（1）普通二极管（GeneralPurposeDiode）
普通二极管又称为整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。
其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。
其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。
（2）快恢复二极管（FRD）
快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。
快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。
采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes，FRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下。
快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，有的甚至达到20~30ns。
（3）肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SBD），简称为肖特基二极管。
肖特基二极管的优点很多，主要是：
反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗
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