毕业设计论文一种新型开关电源的设计Word格式.docx
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毕业设计（论文）
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综合评定成绩
InstituteofTechnology.
EastChinaJiaotongUniversity
毕业设计（论文）
GraduationDesign（Thesis）
（20—20年）
题目一种新型开关电源的设计
分院：
电信分院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
05电气（4）班
学号：
学生姓名：
指导教师：
起讫日期：
毕业设计（论文）原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的毕业设计（论文）是本人在导师指导下独立进行的研究工作所取得的研究成果。
设计（论文）中引用他人的文献、数据、图件、资料，均已在设计（论文）中特别加以标注引用，除此之外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
毕业设计（论文）作者签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）版权使用授权书
本毕业设计（论文）作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。
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指导教师签名：
签字日期：
年月日签字日期：
摘要
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
特别是随着小型电子设备的应用越来越广泛，也要求能够提供稳定的电源，以满足小型电子设备的用电需要。
开关电源具有高频率、高功率密度、高效率等优点,被称作高效节能电源。
由于开关稳压电源具有这些优点，基于这个思想设计了一个12V的低功率开关稳压电源，以满足小型电子设备的供电需要。
本设计主要介绍了开关电源的发展历程，未来发展趋势，以及开关电源的优缺点。
本设计采用典型的反激拓扑开关电源结构设计形式，以UC3842作为控制核心器件。
采用场效应管作为开关器件，其导通和截止速度很快，导通损耗小，这就为开关电源的高效性提供保障。
其次，控制电路以UC3842芯片为控制核心，采用闭环控制模式，实现系统的稳压和限流。
另外，对控制系统的过电流保护、过压保护、过热保护电路等保护电路进行了设计。
关键词：
PWM；
UC3842；
开关电源；
MOSFET
Abstract
Withthehigh-speeddevelopmentofelectronictechnology,theapplicationoftheelectronicsystemismoreandmoreextensive,aswellasthevarietyoftheelectronicequipment.Therelationbetweenelectronicequipmentandourdailylifeisgettingmuchcloserdaybyday.Asweknowanykindofcanworkdependingonsomekindsofpowersupplywhichwouldhavetobeimprovedtomeettheneedofelectronicequipment.Especiallythepopularizationofthesmall-scaleelectronicequipment,itrequiresthesteadypowersupplyinordertomeetthedemandofsmall-scaleelectronicequipment.
Theswitchpowersupplyhassuchadvantagesashighfrequencyrates,strongpower,highefficiency,andwascalledtheenergy-efficientpower.Inthiswaytheswitchpowersupplyshownhereison12V,inordertomeettheneedsofsuchpowersupplyforthesmall-scaleelectronicequipment.
Thedesignofthemainswitchpowersupplyonthecourseofdevelopment,futuredevelopmentrends,andtheadvantagesanddisadvantagesofswitchingpowersupply.ThedesignofatypicalflybacktopologyswitchingpowersupplydesignofthestructuretocontrolUC3842asthecoredevice.MOSFETusedasaswitchingdevice,anditson-deadlinefast,conductionlossessmall,whichisthehighefficiencyswitchingpowersupplytoprovideprotection.
Secondly,thecontrolcircuit,ItscontrolcircuitiscenteredonUC3842,usesacontrolthatbasedregulationtorealizethefunctioniscomposedofanalogofvoltage-stabilizationandcurrent-limited.Inaddition,thesafeguardcircuitthatmainlyconsistsofovercurrent,overheat,overvoltageandcircuitarestudiedanddesignedinthepaper.
Keywords:
PulseWideModuation；
SwitchingPowerSupply；
第1章绪论
1.1背景
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制集成芯片和绝缘栅场效应管MOSFET构成。
开关电源不仅体积小而且损耗低，故几乎己应用在所有的电子设备中。
随着许多电器尺寸不断减小，供电电源所占尺寸变得大得多，人们在降低开关电源的体积、重量等方面做了不少工作。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源经历了三个重要发展阶段。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOSFET、IGBT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。
第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。
高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，它是当今国际电力电子界函待解决的新问题之一。
目前市场上的高频开关电源大多采用晶闸管驱动，开关速度低、损耗大、噪声也大，并且使高频开关电源的频率受到限制，从而缩小了它的使用范围[1]。
电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域，其中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。
1.2开关电源取代线性稳压电源
1.2.1线性稳压电源
介绍开关电源前，先得介绍一下线性稳压电源，因为开关电源技术是在克服线性稳压电源缺点的基础上发展起来的。
开关电源的前身是线性稳压电源，由于主要功率调整管工作在线性放大状态，固而称之为线性稳压电源。
线性稳压电源的结构框图如图1-1所示。
线性稳压电源的工作原理是:
将来自电网的交流电压经过工频变压器降压后，再经过整流、滤波和线性稳压及输出滤波、反馈电路处理，最后输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压。
线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量（精度、纹波等）的要求，但存在严重的缺点:
（1）功耗大，效率低，其效率一般只有30%～40%。
（2）体积大，重量重，不能微小型化。
（3）滤波必须选用大容量的滤波电容。
造成这些缺点的原因是:
（1）从图1-1的线性稳压电源的结构框图可以看到，线性稳压电源使用了50Hz工频降压变压器，这种变压器效率通常只有80%～90%，所以这样不但增加了电源的体积和重量，而且还大大降低了电源效率。
（2）调整管在电源整个工作过程中一直是工作在晶体管特性曲线的线性放大区，调整管本身功率与输出电流成正比。
这样调整管本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而增大，使调整管急剧发热。
为了保证管子正常工作，除选用大功率管子外，还必须给管子加上较大的散热片。
图1-1线性稳压电源的结构框图
（3）线性稳压电源工作频率较低，为50Hz，所以要降低输出电压中纹波电压的峰值，就必须增大滤波电容的容量。
正因为线性稳压电源的效率低、体积大、较笨重等原因，人们需要一种转换效率高，小型轻便的新型电源。
特别是在发生世界性能源危机的年代，如何节能降耗引起人们广泛关注。
随着半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越来越强而它们的体积却越来越小，这就是人们对效率高、小型轻便、性能良好的新型电源需求更加迫切，这些需求成了开关电源技术发展的源源不断的动力[2]。
1.2.2开关电源
开关电源是应用功率半导体器件，在一个电路拓扑中运行于“开关状态"
，按一定规律控制开通和关断，对电能进行处理变换而构成的电源。
典型开关电源的基本电路框图如图1-2所示。
开关电源工作原理不同于传统线性稳压电源，它是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性开通和关断，通过控制开关元件的占空比来调整输出电压。
它直接将电网工频电压经整流滤波为直流电压，再经主变换电路处理后经输出整流滤波，反馈电路对输出电压进行采样，并把所采样信号送到控制电路进行比较放大处理，以此调节输出的PWM脉冲占空比，最终输出一个纹波电压和稳定性能均符合要求的直流电压[2]。
图1-2开关电源的基本结构框图
与线性电源相比开关电源有如下优点:
（1）功耗小，效率高
由图1-2知，功率半导体器件在激励控制信号的激励下交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率高。
这使开关器件功耗很小，电源效率大幅度提高，其效率可达80%以上。
（2）体积小，重量轻
从开关电源基本结构框图可以清楚看到，这里没有采用笨重的工频变压器，再加上调整管上耗散功率大幅度降低以后又省去了较大的散热片。
因此开关电源的体积小，重量轻。
（3）滤波的效率大为提高，滤波电容的体积和容量大为减小
开关电源工作频率目前基本上是在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后滤波效率几乎也提高了1000倍。
就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍，在相同纹波输出电压的要求下，采用开关电源时的滤波电容容量只有线性稳压电源中滤波电容容量的1/1000～1/5000。
（4）稳压范围宽
开关电源的输出电压是由激励控制信号的占空比来调节的。
输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。
这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证稳定的输出电压，所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果好。
此外，改变占空比的方法有脉宽调制型（PWM）和频率调制型（PFM）两种。
所以开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压方法也较多。
（5）电路形式灵活多样
比如:
有自激式和他激式；
单端式和双端式；
隔离型和非隔离型。
设计者可发挥各种电路特长，设计出能满足不同场合所需的开关电源。
1.3开关电源的发展方向
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（Jensen）发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科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。
高频开关电源自问世至今，已经经历了五十多年的发展，高频化、小型化、模块化、集成化、智能化、环保化仍是21世纪开关电源的发展方向。
（1）高频化是电源技术发展的主流
电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。
开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHZ发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源。
为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。
高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。
（2）高效率
作为电源，效率是重要的关键指标之一。
高频化的结果，使开关损耗显著增加。
因此，80年代后期以来，软开关变换技术始终是电源技术研究的热门课题。
软开关技术理论上可使开关损耗降为零。
实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由80%提高到90%以上，达到高频率、高效率的功率变换。
（3）电源电路的模块化、集成化
电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。
单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。
已经在通讯、电力获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制—分布式供电，是集中供电单一体制走向多元化。
（4）电源设备的标准规范
电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证[3]。
1.4直流稳压电源的技术指标
衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小（输出电压和输出电流）、调节范围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标；
另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标；
更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。
下面重点介绍质量指标。
（1）稳压系数
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。
绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量△U。
与输入交流电压变化量△Ui之比，即
（1-1）
它表示输入交流电压变化△Ui引起输出电压变化△U。
越小输出电压就越稳定。
这种表示方法在工程中常常用到相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压U。
的相对变化量△Uo/U。
与输入交流电压Ui的相对变化量△Ui/Ui之比，即：
（1-2）
（2）电压调整率
电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化±
10%时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数），即
（1-3）
一般直流稳压电源的电压调整率为1%，0.1%，0.01%等。
有的也可以用绝对值表示。
（3）负载调整率（也称电流调整率）
在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，用百分数表示
（1-4）
（4）输出电阻（也称内阻）
在额定输出电压的条件下，负载电流变化△IL引起输出电压变化△U。
，则输出电阻为
（1-5）
（5）最大纹波电压
在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波（包括噪声）电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
（6）纹波系数Y
在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压U。
之比，即：
（1-6）
（7）温度漂移和温度系数
环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称为温度漂移。
常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化1℃所引起输出电压值的变化△UoT称为绝对温度系数，单位是V/℃或mV/℃。
温度每变化1℃所引起的输出电压相对变化△UoT/UoT称为相对温度系数。
（8）漂移
稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。
在一般使用中只考虑漂移就可以了。
表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间内输出电压值的变化△Uot来表示；
另一种是用指定时间内输出电压的相对变化△Uot/Uot来表示。
考察漂移时间可以定为1分钟、10分钟、1小时、8小时或更长[4]。
1.5课题简介
1.5.1本课题的研究思路
基本思路是采用变频技术和功率转换电路，将工频电压整流并滤波后，经输入功率转换电路，转变为高频方波交流电压（20kHz以上）后，再经高频变压器降压后根据反馈电压实现直流电压的恒定。
利用UC3842模块作为控制电路，反激电路为主电路拓扑，再加些保护环节，设计一个电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高的输入为交流85V～265V,输出为直流12V的新型开关电源。
1.5.2课题意义
随着微型电子设备的发展，现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，而滤波电感、电容和变压器在电力电子装置的体积和重量占很大比例，提高开关频率，可以相应地提高滤波器的截止频率，从而可以选用较小的电感和电容使得滤波器的体积减小。
可见，电力电子装置小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率，实现开关电源的高频化。
本设计通过提高电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性，提高高频开关电源的性能。
研究开发低成本的各项性能优良的高频开关电源，适应微型电子设备的发展方向，符合节约能源、可持续发展的基本国情，对加速国民经济的发展具有非常重要的现实意义。
1.5.3研究方法
在本课题中，先对开关电源的基本原理进行分析介绍，再对开关电源主电路的各个基本拓扑进行分析对比，和介绍了UC3842模块的功能，最后根据本次设计的技术参数选择反激电路为主电路拓扑。
采用的是PWM控制方式，利用UC3842作为控制保护电路，精密可调稳压源TL431和线性光耦PC817作为反馈电路，设计出性能优良的开关电源。
然后通过用Matalable对系统输出的动态性能进行仿真分析。
第2章开关电源的结构形式
2.1DC/DC变换器
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
按输入与输出是否隔离可分为非隔离式开关变换器和隔离式开关变换器。
2.1.1非隔离式开关变换器
非隔离式开关变换器在电气上输入与输出不隔离的。
可分为Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路、Sepic电路。
（1）Buck电路：
降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。
（2）Boost电路：
升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。
（3）Buck-Boost电路：
降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，
极性相反，电感传输。
（4）Cuk电路：
降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。
2.1.2隔离式开关变换器
隔离式开关变换器是高频变压器将变换器的一次侧（输入）与二次侧（输出）隔离。
隔离式直流开关变换器分为如下的几种:
1、单端反激型开关电源变换器
图2-1所示为单端反激型开关电源的主回路，当功率晶体管VT导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压Ui，其极性为上正下负。
与之对应的高频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管VD1承受的是反向偏置电压，故不导通。
负载RL流过的电流是靠输出电容Co的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来。
而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变，整流二极管VD1（和反相型开关电源中的续流二极管相对应）由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容CO充电。
此电路的整流二极管VD1是在功率晶体管截止时才导通的。
故称此电路为反激型电路。
单端反激式变换器输出波纹电压大，电压和电流调整率低。
要提高性能指标，可以增大滤波电容和辅助LC滤波器，或者在其二次测再串联一线性集成稳压器，这样势必增大体积和成本，消弱了本来具有的优点。
因此，单端反激变换器多用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不严格的场合。
图2-1单端反激型开关电源主回路
2、单端正激型开关电源变换器
图2-2所示为单端正激型开关电源的主回路，当功率晶体管VT导通时，整流二极管VD1也同时导通。
输入电能通过整流二极管VD1传递给负载，同时将部分能量储存在输出回路（即高频变压器副边回路）中的储能电感L中，故这种开关电源称为单端正激型开关电源。
当功率晶体管VT截止时，电感L中的储能流经负载并通过二极管VD2续流释放。
VD1为整流二极管，VD2是续流二极管，L为储能滤波电感，C0为输出滤波电容。
绕组W3和VD3构成磁复位电路，
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