UC3846脉宽调制高频开关稳压Word格式.docx
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3）主电路保护环节设计
4.控制电路设计与分析
1）检测电路设计
2）功能单元电路设计
3）触发电路设计
4）控制电路参数确定
二．设计要求：
1．用UC3846产生脉冲。
2．设计思路清晰，给出整体设计框图；
3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；
4．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。
5．绘制总电路图
6．写出设计报告；
主要设计条件
1．设计依据主要参数
1）输入输出电压：
单相（AC）220（1+15%）、60V（DC）
2）输出电流：
8A
3）电压调整率：
≤1%
4）负载调整率：
5）效率：
≥0.8
6）功率因数：
2.可提供实验与仿真条件
说明书格式
1．课程设计封面；
2．任务书；
3．说明书目录；
4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；
5．单元电路设计（各单元电路图）；
6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。
7．总结与体会；
8．附录（完整的总电路图）；
9．参考文献；
11、课程设计成绩评分表
进度安排
第一周：
星期一:
课题内容介绍和查找资料；
星期二:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
控制电路设计
星期五:
控制电路设计；
第二周：
控制电路设计
星期二：
电路原理及波形分析、实验调试及仿真等
星期四~五:
写设计报告，打印相关图纸；
星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998
2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000
4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
第1章概述
第2章系统总体方案确定
2.1电路的工作原理
2.2电路的组成
第3章主电路设计与分析
3.1主电路的设计
3.2主电路元器件的计算及选型
3.3主电路保护环节的设计
第4章控制电路设计与分析
4.1芯片详情
4.2功能单元电路的设计
4.3控制电路参数确定
第5章总结与体会
第6章附录总电路图
参考文献
课程设计评分表
第1章概述
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。
对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。
在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。
高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。
开关稳压电源（以下简称开关电源）问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30％~40％。
因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；
而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。
因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。
开关电源的特点
1高频化，理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。
所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。
无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。
同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。
由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料经济效益,更可体现技术含量的价值。
2模块化，近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块（IPM）,不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。
为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM）,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。
3数字化，在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。
在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。
但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:
便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。
所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:
诸如印制版的布图、电磁兼容（EMC）问题以及功率因数修正（PFC）等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
4绿色化，电源系统的绿色化有两层含义:
首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;
其次这些电源不能（或少）对电网产生污染,国际电工委员会（IEC）对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。
事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:
向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。
20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。
这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础
本系统采用了UC3846作为开关控制器。
UC3846是一种双端输出的电流控制型脉宽调制器芯片，其内部结构方框图如图3所示。
第二章系统总体方案确定
2.1电路的工作原理
整体思路：
电网工频交流先整流为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20－50KHz的高频交流，再经高频整流与滤波，得到所需的直流。
具体的处理方法如下：
首先，我们采用的是电网的220V，50Hz工频交流电做为输入，选取是当地电网滤波电路，将工频交流电中的谐波滤掉，然后经由电力二极管构成的全波整流电路整流，将工频交流电转化为电压约300V的直流电。
然后，在经过限流电阻输入主功率变换（高频逆变器）。
逆变器为电压型半桥式，有两只IGBT管（VI1、VI2），电容C1、C2以及高频变压器组成，将直流变换成40KHz的正负矩形波电压
最后，该高频变压器经高频变压器的T1降压，电压比为3.0：
1，送至高频整流桥全波整流与滤波，从而的到稳定的60V直流电压。
其工作原理框图如下：
2.2电路的组成
电路由主电路跟控制电路组成：
主电路由以下部分组成：
线路滤波器、电力二极管形成的全波整理电路、半桥逆变电路、高频变压器，包括初级线圈和次级线圈、变压器二次侧整流电路和线路滤波器，稳压电路，分压电路，以及主电路保护。
控制电路由以下部分组成：
脉冲发生芯片UC3846以及周边电路（包括UC3846够成的振荡电路、电流反馈、电压反馈及补偿电路、过欠压保护电路、过流过载检测电路），功率开关管（主要以MOSFET作为高频开关器件）、检测电路、保护电路等。
第3章主电路的设计与分析
3.1主电路的设计
按要求主电路包括一下几个部分：
1.输入滤波器：
其作用是将电网存在的谐波过滤，让我们得到高质量的正弦交流电，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网；
2.整流：
将电网交流电通过全波整流电路整流为较平滑的直流电，以供下一级变换；
3.斩波：
将上一级的直流电用高频开关器件进行斩波，把较平滑的直流电变成正值和负值的高频信号。
在这一步里，高频开关器件的主要作用就是在高频变压器的初级线圈上产生高频信号，供次级线圈使用。
另外，这个高频开关器件并不是开关频率越高越好，应该根据成本，功耗和效率三个因素中找出最佳器件；
4.输出整流与滤波：
根据实际需要，提供稳定可靠的直流电源。
主电路图如下：
UC3846开关电源主电路
3.2主电路元器件的计算及选型
1电网滤波的设计
高频装置必须考虑射频干扰（RFI）与电磁干扰（EMI）以及谐波影响，本装置在交流输入端采用线路滤波器，用于有效抑制和吸收电网可能出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和差模损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网，实现电源与电网的隔离和减少电源对周围环境的电磁干扰，见下图。
图3-2
本电路主要由互感变压器L1、电容C1、C2、C3、C4组成。
其作用是阻断电网的干扰进入电源,以及防止此开关电源自身产生的脉冲干扰电网。
2整流电路的设计
当正弦电压为上正下负的时候，由零逐渐增大时，二极管D1、D3正偏导通，电源通过D1、D3向负载供电，同时向电容充电，直到
以后随着输入电压下降，电容C开始向负载放电。
在处于输入电压小于Uc期间，四个二极管都反偏截止，此时负载两端电压靠C的放电来维持，当电容放电到Uc等于输入电压的绝对值,输入电压的负半周使D2\D4正偏道通，电容充电，如此周而复始的充放电。
电容滤波主要利用电容两端电压不能突变的特性,使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联,且电容值较大，见下图。
图3-3
电网电压的波动范围为220（1±
15%），其范围即为187-253V
整流桥的输出直流电压
Vimin=1.36×
U2min=1.36×
187=254V
Vimax=1.36×
U2max=1.36×
253=344V
根据设计要求其输出电流Ii=1.45A
二极管承受的最大反向电压：
（1.5-2）U，在这里取600V
流过二极管的平均电流为：
（1.5-2）I，在这里取3A
故可以选取整流二极管的最大反向耐压值为：
600V，最大允许电流为3A。
3高频变压器的设计
高频变压器初级线圈的储能值W，初级线圈和次级线圈的匝数N1、N2，需要通过计算求得。
L=（Vimin×
Dmax）/2Po×
fo
W=0.5·
L·
I2
N1=2×
107W/B·
SJ·
I
N2=[N1（V0+Vf）（1-Dmax）]/Vimin·
Dmax
其中：
η为电源效率
Po为额定的输出功率
fo为开关功率管的开关频率
L为高频变压器初级线圈的电感量
I为短路保护的过载电流
B为磁性材料的饱和磁通密度
SJ为磁芯有效截面积
Dmax为最大占空比
VF为自馈线圈上整流二极管的管电压
由于在计算过程中，上述变量有部分在控制电路中才能计算清楚，所以在此只给出经过计算后得出的值，其运算过程可在控制电路的设计中查找获得。
L=2.2mH
W=280mJ
N1=1037匝
N2=351匝
另外我们选择饱和磁通B=250mT，有效磁芯截面积为1.44cm2的磁性材料来构成高频变压器。
4输出整流滤波电路
一般而言，输出整流电路有两种：
一种是四个整流二极管构成的全桥整流方式，另一种是两个整流二极管构成的双半波整流方式，即全波整流方式。
当输出电压比较高、输出电流比较小时，一般采用全桥整流方式。
当输出电压比较低、输出电流比较大时，为减小整流桥的通态损耗，提高变压器的效率，一般选用双半波整流方式，见下图。
图3-4
5.DC-AC半桥逆变电路
由于该DC/DC变换器的输入电压较高，主电路选取半桥式拓扑，其结构图如下:
半桥逆变电路
其中由Q1、Q2、C6、C7和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电路。
T1为初级电流检测用的电流互感器。
变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求。
R6，C8，C9为吸收电路。
R3和R4起到保证电容C7及C8分压均匀的作用。
电压型逆变的特点是输出电压矩形波、输出电流近似正弦，电路如下图所示。
（2）MOSFET管的电压电流计算与选择
管子电压交流220V经全桥整流滤波，加至逆变桥的电压U约为260V，考虑余量通常选600V等级的MOSFET管。
通常模块结构的MOSFET，其电压等级为600V、1200V、1700V三种。
管子电流由于MOSFET管较多工作于脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和电路缓冲等结构有关。
MOSFET管标定的电流等级是集电极连续电流Ic,没有考虑重复开关的损耗，工程计算是以实际流过管子的最大峰值电流（瞬时过电流不考虑）再考虑2倍左右裕量来选择。
根据设计要求,输出电流为200A，高频整流变压器电压比为26∶1，变压器一次电流即MOSFET管峰值电流约为8/3=2.67，考虑开关损耗和裕量选6A管子。
本电源的开关频率为40KHz（详细计算过程见第4章），输出整流二极管根据下面的计算求得。
变压器副边是双半波整流电路，变压器副边的电压、电流有效值分别为：
U2=60/0.8=75V
I2=8A
整流二极管上承受的最大反向电压和整流二极管最大允许流过的电流分别为Um=75/1.57=47.77V,Im=8/1.57=5.09A,在整流管开关时，有一定的振荡，因此要考虑1.5-2倍的裕量，可以选用输出整流二极管的额定电压为100V，额定电流为10A。
最后电感和电容起滤波作用，将整流后产生的谐波等杂波滤掉，输出符合要求的，较平滑的直流电。
3.3主电路保护环节的设计
要知道主电路保护电路的必要性，就必须搞清楚UC3846本身保护电路的缺陷。
关于UC3846芯片的内部结构及工作原理，在第4章中会详细介绍。
一.电流检测电路的实现
在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻越小，损耗也越小。
+电流检测电路的实现方法主要有两类：
电阻检测和电流互感器检测。
1.电阻检测
电阻检测方法有两种，如图所示。
但是在实际的电路设计时，特别是在大功率、大电流电路时，采用电阻检测的方法并不理想，因为检测的电阻损耗大，达数瓦甚至十几瓦，而且很难找到几百豪欧或几十豪欧的那么小阻值的电阻。
电阻检测（接地）
电阻检测（不接地）
2电流互感器检测
在大功率电路中，使用的是电流互感器检测，如图所示。
电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电器隔离，并且检测电流小，检测电阻可以选梢大的值，如20Ω。
电流互感器将整个的瞬态电流，包括直流分量偶合到副边的检测电阻上进行测量，同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位，尤其在平均电流模式控制中，电流互感器检测更加适用。
这是因为在平均电流模式控制中，被检测的脉冲电流在每个开关周期中都回零。
为了使电流互感器完全的磁复位，就需要给磁芯提供大小相等、方向相反的伏秒积。
在多数控制电路拓扑中，电流过零时占空比接近100%。
所以过零是磁复位时间在开关周期中只占很小的比例。
要在很短的时间内复位磁芯，常需要在电流互感器上加一个很大的反向偏压。
所以在设计电流检测电路时，应使用高耐压的二极管并藕合在电流互感器的副边和检测电阻之间。
升压电路输入电感电流值检测
电流互感器检测电路
三.过/欠电压保护
当系统输入电压过压或者欠压时（过/欠压判断电路略），可使图5中的过/欠压输入端为低电平，光耦OP1输出高电平，因此，就会通过加速电容C6和二极管D6对UC3846的脚16施加正脉冲，从而使图3所示的UC3846芯片内部晶闸管导通，通过内部电路使脚1电平被拉至接近地电平，电路进入保护状态，UC3846芯片输出脉冲封锁。
另外，光耦OP1输出的高电平使三极管Q407饱和导通接地。
由于电容C6的加速作用，三极管Q407比前述晶闸管导通稍微迟后。
由于三极管的导通压降小于晶闸管的导通压降，晶闸管不能维持导通即晶闸管恢复关断。
当过/欠压故障消除后，三极管Q407截止，系统重新输出脉冲。
过欠压保护电路
四.过流/过载保护
当过流或者过载时，比较器LM393输出低电平，光耦OP2输出高电平，通过D7加在脚16，同样会封锁脉冲输出。
由于晶闸管维持导通，所以系统当不过流不过载时，必须重新启动才能有脉冲输出
过载过流保护电路
第四章控制电路设计与分析
4.1UC3846简介
1，UC3846采用定频电流模式控制，改善了系统的线电压调解率和负载响应特性，简化了控制环路的设计。
它具有管脚数量少，外围电路简单等特点，因而得到了广泛的应用。
UC3846是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，它内置精密带隙可调电压基准电压，高频振荡器，误差放大器差动电流检测放大器，欠电压锁定电路以及软启动电路，具有推挽变换自动校正，并联运行，外部关断，双脉冲抑制以及死区时间调节等功能。
其内部原理框图如图4-1所示。
主要特点
·
工作电压8～40V，电流传感和电压反馈输入－0．3～＋5．5V
误差放大输出吸入电流10mA
欠压锁存功能
占空比可调
最高开关频率500kHz，稳定度0．2％，电源效率高
内部有高稳定度的基准电压源5．0V
稳定性能好，电压调整率很容易达到0．01％，
UC3846是峰值电流模式控制芯片,电流模式控制的优点是：
电感电流的上升坡度为Uin/Uo,所以电感电流的波形对电网电压的变化能迅速响应，避免了响应延时和增益随输入电压的变化而变化。
误差放大器用来控制输出电流而不是输出电压，所以电感可以看做误差电压控制的电流源，输出滤波电路可以简化为单极点电路，这使得补偿电路简化，并且比电压模式控制具有更大的增益带宽。
误差放大器的输出钳位达到逐脉冲电流限制的目的。
电源模块并联时均流容易实现。
图4-1UC3846芯片的内部结构原理图
由图3可以看到，UC3846通过一个放大倍数为3的电流测定放大器（其输入电压必须<
1.2V）来获得电感电流或开关电流信号，其输出接PWM比较器的同相端。
当取样放大器输入信号>
1.2V时，电流型控制器将延时关断。
电压误差放大器的输出经二极管和0.5V偏压后送至PWM比较器的反相端，其输出既作为给定信号，同时又被限流电平设置脚（脚1）箝位在V1＋0.7V，从而完成了逐个脉冲限流的目的。
当差动电流检测放大器检测的是开关电流而不是电感电流时，由于开关管寄生电容放电，检测电流会有一个较大的尖峰前沿，可能使电流检测锁存和PWM电路误动作，所以，应在电流检测输入端加RC滤波。
UC3846具有快速保护功能，它与电流取样电路延时关断不同。
保护功能脚（脚16）经检测放大器接晶闸管的门极，当电路发生异常出现过流，使脚16电位上升到0.35V，保护电路动作，晶闸管导通，使脚1电平被拉至接近地电平，电路进入保护状态，输出脉冲封锁。
2芯片的工作原理
UC3842为8脚双列电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、补偿、电流限制等各大部分组成。
引脚功能如下：
脚1为限流电平设置端；
脚2为基准电压输出端；
脚3为电流检测放大器的反相输入端；
脚4为电流检测放大器的同相输入端；
脚5为误差放大器的同相输入端；
脚6为误差放大器的反相输入端；
脚7为误差放大器反馈补偿；
脚8为振荡器的外接电容端；
脚9为振荡器的外接电阻端；
脚10为同步端；
脚11为PWM脉冲的A输出端；
脚12为地；
脚13为集电极电源端；
脚14为PWM脉冲的B输出端；
脚15为控制电源输入端；
脚16为关闭端。
外部封装图如下：
直插式封装形式，如图4-1所示，他内部主要由5．0V基准
电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
下面则由UC3846组成的控制电路：
图4-2UC3846组成的控制电路
4.2功能单元电路的设计
将控制电路分为以下几个部分：
1.振荡电路
2.过流过载保护电路
3.电压反馈补偿电路
4.过欠压保护电路
其中过流过载保护电路和过欠压保护电路在前面已经介绍过了，在这里就不在做介绍了。
一.振荡电路
震荡电路
R1及C1构成振荡器，振荡频率f=2.2/（R2×
C1）。
为了防止主电路中V1和V2同时导通，要设定开关管都关断的死区时间。
死区时
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