开关电源实验报告.docx
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开关电源实验报告
开关电源实验报告
开关电源实验报告
一、开关电源电路图及清单
1.160W-12V开关电源电路图
图1-1开关电源电路原理
1.2.60W-12V开关电源电清单
60W-12V电源清单
序号
代号
名称及规格
数量/台
1
R3,R13
电阻10R/0.25W
2
2
R14,R16,R18
电阻1K/0.25W
3
3
R17
电阻2K/0.25W
1
4
R12
电阻750R/0.25W
1
5
R22
电阻270R/2W
1
6
R15,R21
电阻5.1K/0.25W
2
7
R9,R11,R19
电阻10K/0.25W
3
8
R20
电阻22R/0.5W
1
9
R1
电阻680K/0.5W
1
10
R10
电阻0.47R/2W
1
11
R7,R8
电阻100K/2W
2
12
RTH1
热敏电阻5D-11
1
13
SVR1
卧式电位器1K
1
14
BD1
整流桥U4K8
1
15
C1,C2
电解电容68uF400V
2
16
C3,C18
高压陶瓷电容103/1KV
2
17
C12
高压陶瓷电容222/1KV
1
18
C4
电解电容100uF/35V
1
19
C9
涤纶电容471
1
20
C5,C7,C8
涤纶电容103
3
21
C6,C11
涤纶电容223
2
22
C17
涤纶电容333
1
23
C19
涤纶电容333
1
24
C13,C14,C15
电解电容1000uF/16V
3
25
C16
电解电容470uF/16V
1
26
CX1,CX2
安规X2电容0.1uF/250VAC
2
27
CY1,CY2,CY3
高压陶瓷电容222/250VAC
3
28
CY4
高压陶瓷电容472/250VAC
1
29
D1
快恢复二极管HER207
1
30
D2
快恢复二极管HER104
1
31
D6
肖特基二极管STPS10LCD100
1
32
FS1
引线式保险管4A250V
1
34
L1
输出滤波电感L-001
1
35
Q1
5N60
1
36
T1
LS-30-12
1
37
U1
UC3842
1
38
U2
PC817
1
39
U3
TL431
1
40
LED
发光二极管
1
41
PCB板
1
42
TB1
接线端子5位
1
43
LF1
输入滤波电感
1
44
ZD1,J1
短接线
2
45
LED
发光二极管
1
路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
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来调整输出电压。
开关电源具有以下特征：
电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；
输出与输入之间有良好的电气隔离；
可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。
本次实验是要采用UC3842制作一路输出的AV220V-DC5V的30W开关电源。
三、开关电源原理及其工作原理
3.1.开关电源原理
1）工作模式
开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。
开关电源一般有三种工作模式：
频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。
前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。
另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：
直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。
同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。
根据开关器件在电路中连接的方式，开关电源，大体上可分为：
串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。
其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：
推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：
正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。
2）开关电源原理
开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。
也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。
他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。
本实验电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4部分组成。
主电路采用单端反激式拓扑。
控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能，电路电流环控制采用UC3842内部电流环，电压外环采用TL431和PC817构成外部误差放大器。
输入市电首先经过滤波、整流后变换为直流电压，再经过直流变换器变换为所需的直流电压；通过检测和控制电路对其输出进行调整。
图3-1开关电源基本结构框图
3.2.开关电源工作原理
1）开关电源滤波原理
该滤波器有两个输入端和一个接地端，两个输出端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感LFIA、滤波电容器CY1、CY2、CX1。
CY1、CY2跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。
LFIA对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。
2）整流电路原理
从电源滤波输出后的电压经整流滤波器输入，经过BD1进行桥式全波整流得到非稳压的直流输出。
采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。
3）振荡电路原理
由R12、C6与UC3842内部振荡器，+12V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。
+12V基准电压经过定时电阻R12给C6充电，然后C6再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。
由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C7。
4）输出电路原理
由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842PWM波调整，通过Q1进行功率转换，直流电压从T原边N1流经Q1输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D6整流，C13-C15滤波，再经过平波电抗器L1使输出为平滑稳定的12V稳压输出。
N2输出用作电压负反馈。
交流220V电源输入先经双向滤波器，过滤电网上的干扰谐波，再经桥式整流电路变成直流；
再利用高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，控制反激式斩波电路的输出电压，再经过滤波电路得到输出电压；
输出部分通过光电耦合反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的；
在变压器部分存在回馈电路是辅助电路，在桥式整流电路的输出是控制PWM电路的起振。
从电网取出的220V交流输入电压经过隔离变压器输出220V交流电压，这样做的目的是防止开关电源出现问题时产生较为严重的损失。
220V交流输入电压CON3经双向滤波器CY1、CY2和滤波电容CX1输出220V直流电压，保险丝FS的使用是为了防止浪涌电流损坏整流桥BDKBP210。
整流过的高电压（280~300VDC）经过稳压管C1接到变压器的一端上，变压器的另一端接到高压MOSFETQ1的Source。
为了保证控制电路的正常工作，D2、R3、C4、C5构成辅助电源为控制芯片UC3842提供工作电压。
根据反激式变换器的工作原理，当电压由正半周期到负半周期时，电压传到变压器的另外一边。
经滤波电容和电感的作用，在输出端得到稳定的+12V直流电压。
在控制信号部分，如果要让UC3842开始工作，必须要给芯片提供一个工作电压。
而提供工作电压的辅助电源，在正半周期是不工作的，因为在正半个周期由于反激式变换器的缘故没有给辅助电源提供电压。
这时经过R7降压就得到一个+5V电压，这个电压可以为UC3842提供电压，所以R7可以起到启动电路的作用，R7的阻值就要求很大，可以达到100K。
在R18和R19的公共短接入反馈电压，下面的R19、R17、SVR1、TL431和C11构成误差放大器，将误差信号通过光电耦合器PC817传到三极管的基极。
UC3842的启动电压为+12V，这样也起到了标准电压的作用，将反馈电压和标准电压进行比较，从UC3842的6号引脚输出控制MOSFET的开通和关断来减小误差。
UC3842为主回路提供一个方波信号，使得主回路符合反激原理，方波占空比的大小可以控制输出电压的大小，由此，得到我们想要稳定的一个电压值。
四、主要元器件介绍
1）UC3842
〈1〉UC3842简介：
Unitrode公司的UC3842是一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元，其结构图如图1所示。
各管脚功能简介如下。
1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。
2脚FEEDBACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压（一般为+2.5V）进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。
3脚ISENSE是电流传感端。
在外围电路中，在功率开关管（如VMos管）的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。
此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。
4脚RT/CT是定时端.锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。
5脚GND是接地。
6脚OUT是输出端，此脚为图滕柱式输出，驱动能力是±lA。
这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。
7脚Vcc是电源。
当供电电压低于＋16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。
输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。
芯片工作后，输入电压可在+10～+30V之间波动，低于+10V停止工作。
工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。
8脚VREF是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。
UV3842的电压调整率可达0.01%，工作频率为500kHz，启动电流小于1mA，输入电压为10～30V，基准电压为4.9～5.1V，工作温度为0～70℃，输出电流为1A。
〈2〉UC3842的性能特点：
它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。
能通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。
最高开关频率为500kHZ,频率稳定度达0.2%。
电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。
输出电流为200mA，峰值为1A，既可驱动双极型三极管也可驱动MOSFET管。
若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速RC电路，同时将内部振荡器的频率限制在40kHz以下；若驱动MOSFET管，振荡频率由外接RC电路设定。
内部有高稳定度的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1V的偏差。
温度系数为0.2mV/℃。
稳压性能好。
其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器（例如LM317）相媲美。
启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。
除具有输入端过压保护与输出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。
最高输入电压
=30V，输出最大峰值电流
=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗
=1W,最大输出功率
=50W。
启动电压大于16V、启动启动前电源电流仅0.5mA。
处于正常工作状态时，工作电压在10～34V之间，负载电流为15mA。
超出此限制，开关电源呈欠电压或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。
内设5V（50mA）基准电压源，经2∶1分压后作为取样基准电压。
内设过流保护输入端（3脚）和误差放大器输入端（1脚）两个PWM控制端。
误差放大器输入构成主PWM控制系统，可使负载变动在30%～100%时输出负载调整率在8%以下，负载变动70%～100%时输出负载调整率在3%以下。
过流检测输入端可对逐个脉冲控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电压调整率达到0.01%/V。
如果3脚电压大于1V或1脚电压小于1V，PWM比较器输出高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。
利用1脚和3脚的电平关系，在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只输出一次触发脉冲。
因此，电路的抗干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。
〈3〉UC3842的引脚排列及内部框图
图4-1UC3842结构图
UC3842采用DIP-8封装如上图4-1，管脚
、
、GND端分别接输入电压、输出电压、地。
为内部5.0V基准电压引出端。
/
是外接定时电阻、定时电容的公共端。
UC3842内部框图如图2,其主要包括5.0V基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管。
其中:
1脚是内部误差放大器的输出端,通常此脚与2反馈网络,以确定误差放大器的增益和频响。
2脚是反馈电压输入端,将取样电压加到误差放大器的反相输入端,再与同相输入端的基准电压（一般为5V）进行比较,产生误差电压。
3脚是电流检测输入端,与取样电阻配合,构成过流保护电路。
当电源电压异常时,功率开关管的电流增大,当取样电阻上的电压超过1V时,UC3842就停止输出,可以有效地保护功率开关管。
4脚外接锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容,决定振荡频率。
5脚接地。
6脚是输出端,此脚为图腾柱式输出,能提供lA的峰值电流,可驱动双极型功率开关管或MOSFET。
7脚接电源,当供电电压低于16V时,UC3842不工作,此时耗电在1mA以下。
输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得[2]。
芯片工作后,输入电压可在10~30V之间波动,低于10V则停止工作。
工作时耗电约为15mA。
8脚是基准电压输出,输出精确的5V基准电压,电流可达50mA。
由图1（b）可见,它主要包括误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。
UC3842的电压调整率可达0.01%,工作频率为500kHz。
2）TL431
TL431是可控精密稳压源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替稳压二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。
TL431在开关电源中起到误差放大器的作用，将产生的直流电压与标准的+12V比较，将误差通过PC817送到UC3842中，从而控制Q1的开通和关断。
将输出的电压经R19和R18降压，输入TL431进行比较，再通过电位计SVR调节，使输出电压达到+12V。
〈1〉内部结构
TL431的具体功能可以用图c的功能模块示意。
由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压高于VI（2.5V）时，三极管中才会有电流通过，同相输入电压少于2.5V时,三极管处于截止状态（理想状态下），随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。
当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。
TL431可等效为一只稳压二极管，其基本连接方法如下图所示。
下图a可作2.5V基准源，下图4-3作可调基准源，电阻R2和R3与输出电压的关系为U0=（1+R2/R3）2.5V
具体工作原理：
当输入电压增大，输出电压增大导致了输出采样增大，这时内部电路通过调整使得流过自身的电流增大，这也就使得流过限流的电路增大，这样限流电阻的压降增大，而输出电压等于输入电压减限流电阻压降增大使得输出电压减小，实现稳压。
〈2〉TL431的相关参数
在绝对极大等级下；阴极电压可达到37V，阴极电流值范围为-100~+150mA。
一般在实际应用时，阴极电压取36V，阴极流过的电流值为100mA。
反馈输入电压为2.495V，反馈输入电流为1.5mA。
3）PC817
PC817是常用的线性光耦，广泛用在电脑终端机、可控硅系统设备、测量仪器、影印机、自动售票、家用电器，如风扇、加热器等。
电路之间的信号传递，常常在各种要求比较紧密的功能电路中被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。
使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
〈1〉PC817的特点及内部引脚
光耦的基本结构是将光发射器（红外发光二极管。
红外LED）和光敏器（硅光电探测敏感器件）的芯片封装在同一外壳内，并用透明树脂灌封充填作光传递介质，通常将光发射器的管脚作输入端，光敏器的引脚作为输出端，当输入端加电信号时，光发射器发出的光信号通过透明树脂光导介质投射到光敏器后，转换成电信号输出，实现了以光为媒介的电→光→电信号转换传输，并在电气上是完全隔离的。
光耦的主要性能特点如下：
①隔离性能好，输入端与输出端完全实现了电隔离，其绝缘电阻RISO一般均能达到1010Ω以上，绝缘耐压VISO在低压时都可满足使用要求，高耐压一般能超过lKv,有的可达10kV以上。
②光信号单向传输，输出信号对输入端无反馈，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递。
③光信号不受电磁干扰，工作稳定可靠。
④抗共模干扰能力强，能很好地抑制干扰并消除噪音。
⑤光发射和光敏器件的光谱匹配十分理想，响应速度快，传输效率高。
⑥易与逻辑电路连接。
⑦无触点。
寿命大。
体积小耐冲击。
⑧工作温度范围宽，符合工业和军用温度标准。
当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。
普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。
线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。
五、焊接工艺介绍
焊接是整个试验过程的一种重要环节，焊接工艺的好坏直接决定了实验的成功与否，即使实验元器件全部都选择、安装正确，焊接不达标的话也达不到理想
效果，因此我们必须学习焊接的基本工艺，掌握一些焊接的技巧。
〈1〉进行锡焊，必须具备的条件有以下几点：
①焊件必须具有良好的可焊性
所谓可焊性是指在适当温度下，被焊金属材料与焊锡能形成良好结合的合金的性能。
不是所有的金属都具有好的可焊性，有些金属如铬、钼、钨等的可焊性就非常差；有些金属的可焊性又比较好，如紫铜、黄铜等。
在焊接时，由于高温使金属表面产生氧化膜，影响材料的可焊性。
为了提高可焊性，可以采用表面镀锡、镀银等措施来防止材料表面的氧化。
②焊件表面必须保持清洁
为了使焊锡和焊件达到良好的结合，焊接表面一定要保持清洁。
即使是可焊性良好的焊件，由于储存或被污染，都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧化膜和油污。
在焊接前务必把污膜清除干净，否则无法保证焊接质量。
金属表面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清除氧化程度严重的金属表面，则应采用机械或化学方法清除，例如进行刮除或酸洗等。
③要使用合适的助焊剂
助焊剂的作用是清除焊件表面的氧化膜。
不同的焊接工艺，应该选择不同的助焊剂，如镍铬合金、不锈钢、铝等材料，没有专用的特殊焊剂是很难实施锡焊的。
在焊接印制电路板等精密电子产品时，为使焊接可靠稳定，通常采用以松香为主的助焊剂。
一般是用酒精将松，香溶解成松香水使用。
④焊件要加热到适当的温度焊接时，热能的作用是熔化焊锡和加热焊接对象，使锡、铅原子获得足够的能量渗透到被焊金属表面的晶格中而形成合金。
焊接温度过低对焊料原子渗透不利，无法形成合金，极易形成虚焊，焊接温度过高，会使焊料处于非共晶状态，加速焊剂分解和挥发速度，使焊料品质下降，严重时还会导致印制电路板上的焊盘脱落。
需要强调的是，不但焊锡要加热到熔化，而且应该同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。
⑤合适的焊接时间
焊接时间是指在焊接全过程中，进行物理和化学变化所需要的时间。
它包括被焊金属达到焊接温度的时间、焊锡的熔化时间、助焊剂发挥作用及生成金属合金的时间几个部分。
当焊接温度确定后，就应根据被焊件的形状、性质、特点等来确定合适的焊接时间。
焊接时间过长，易损坏元器件或焊接部位；过短，则达不到效果，时间最长不超过5s。
焊点质量及检查：
对焊点的质量要求，应该包括电气接触良好、机械结合牢固和美观三个方面。
保证焊点质量最重要的一点，就是必须避免虚焊。
虚焊产生的原因及其危害：
虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象，噪声增加而没有规律性，给电路的调试、使用和维护带来重大隐患。
此外，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。
但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。
虚焊点的接触电阻会引起局部发热，局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化，最终甚至使焊点脱落，电路完全不能正常工作。
这一过程有时可长达一、二年，其原理可以用“原电池”的概念来解释，当焊点受潮使水汽渗入间隙后，水分子溶解金属氧化物和污垢形成电解液，虚焊点两侧的铜和铅锡焊料，相当于原电池的两个电极，铅锡焊料失去电子被氧化，铜材获得电子被还原。
在这样的原电池结构中，虚焊点内发生金属损耗性腐蚀，局部温度升高加剧了化学反应，机械振动让其中的间隙不断扩大，直到恶性循环使虚焊点最终形成断路。
据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。
然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里来，实在不是容易的事。
所以，虚焊是电路可靠性的重大隐患，必须严格避免。
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