开关电源设计.docx

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开关电源设计

摘要

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，有电器的地方就有电源,现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。

这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。

大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。

完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。

开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。

开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。

关键词：

开关电源,经济效益,uc3842，小功率高频

SWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNBASED

ABSTRACAT

Poweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment,wherethereareelectricalapplianceswithpower,modernelectronicequipmentinthecircuitusingalargenumberofsemiconductordevices,semiconductorneedsafewvoltstotensofvoltsofDCpower,inordertoobtainrequiredbythenormalenergy.SomeofthesechemicalDCpowersupply,suchasbatteriesandusedbatteries,butthesecannotbesustainedinpower.DCpowersupplymethodmostelectronicdevicesareACpowerthroughtransformer,rectifier,filter,voltagetransformationfortherequiredDCvoltage.CompletionofthistasktransformpowerintoDCregulatedpowersupply.Switchingpowersupplyisanewtypeofpowersupply,comparedtotraditionallinearpowersupply,hightechnologicalcontent,lowenergyconsumption,easytouse,andhasachievedgoodeconomicbenefit.Manyhigh-frequencytransformationcircuitswitchingpowersupply,commonlyusedwithpush-pullconverter,fullbridge,halfbridge,forwardandflybacketc..ThispaperisthedesignofsmallpowerhighfrequencyswitchingpowersupplysystembasedonUC3842chip.

KEYWORDS:

SwitchingPowerSupply，economicbenefits，uc3842，Smallpowerhighfrequency

目　录

前言

随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。

本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。

课题研究的意义在于：

当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。

电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。

目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。

国内开关电源技术的发展，基本上起源于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。

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MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到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，而且提高了电源的效率（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。

第1章开关电源简介

1.1开关电源概述

电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。

1.1.1开关电源的概念

电是工业的动力，是人类生活的源泉。

电源是产生电的装置，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求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，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，人们研发出了二极管、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作开关，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，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（SwitchingPowerSupply）[1]。

开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-lineSwitchingCpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。

开关电源通常由六大部分组成，如图1-1所示。

图1-1开关电源工作原理框图

第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。

220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。

功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。

所谓有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。

开关电源电路常采用有源功率因数校正。

第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。

第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。

第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。

第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。

有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。

高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。

在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间

与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=

。

断开时间

所占T的比例称为断开占空比（D'），

。

开关周期是开关频率的倒数，

。

例如：

一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期

（微秒）。

很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。

这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。

但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输入整流二极管的发热量高、损耗大。

对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。

开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：

（1）节能。

绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。

最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。

美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。

（2）体积小，重量轻。

据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350cm3，而100W的开关电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。

（3）开关电源具有各种保护功能，不易损坏。

而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。

（4）改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。

（5）根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。

1.1.2开关电源的分类

目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。

所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。

显然，开关是接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有损耗的。

但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）器就属于硬开关。

目前，很多开关电源都用PWM来控制。

另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。

可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。

为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。

从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。

如果正弦波电压加到并联的电感回路上，这时电感上的电压就无穷大。

利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（ZeroVoltageSwitching）。

同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（ZeroCurrentSwitching）。

总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。

它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。

准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。

调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。

DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。

从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。

每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压—降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。

按激励方式分，有自激式和他激式两种。

自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。

调宽式变换器有以下几种：

正激式（ForwardConverter）、反激式（FeedbackConverterMode）、半桥式（HalfBridgeConverter）、全桥式（OverallBridgeMode）、推挽式（PushDrawMode）和阻塞式（RingingChokeConverter，RCC）等6种。

按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。

凡是以脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。

1.2开关电源的工作原理

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1-2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。

（a）电路图；（b）波形图

图1-2开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下

（1-1）

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=UiD（1-2）

由式（1-1）和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间

，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

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

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

，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。

1.3开关电源的组成

开关电源的基本组成如图1-3所示。

其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。

图1-3开关电源的基本组成

1.4开关电源中存在的问题

客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。

材料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。

但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。

目前要解决的问题有：

（1）器件问题。

电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。

（2）材料问题。

开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。

（3）能源变换问题。

按照习惯，变换有这样几种形式：

AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。

实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。

（4）软件问题。

开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。

要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。

要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。

（5）生产工艺问题。

往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。

这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。

未来的开关电源像一只茶杯的盖子：

它的工作频高达2~10MHz，效率达到95%，功率密度为3~6W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。

这就是开关电源的发展趋势。

所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：

第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（1~3V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。

第2章开关电源元器件的选用

2.1器件TL431

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

TL431特点：

（1）最大输出电压为36V；

（2）电压参考误差：

±0.4％，典型值@25℃（TL431B）；

（3）低动态输出阻抗，典型0.22Ω；

（4）负载电流能力1.0mAto100mA；

（5）等效全范围温度系数50ppm/℃典型；

（6）温度补偿操作全额定工作温度范围；

（7）低输出噪声电压。

图2－1tl431的外观和管脚

2.2电力二极管

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；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

肖特基二极管的不足之处是：

当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

。

2.3光耦PC817

PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响.

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,PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。

主要应用范围：

开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其它家用电器等产品。

图2－2PC817的外观和内部结构

2.4电力场效应晶体管MOSFET

（1）电力场效应晶体管的特点

电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。

其特点是：

用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电源电子装置。

（2）电力场效应晶体管的结构和工作原理

（a）N沟道内部结构断面示意图；（b）电气图形符号

图2-3电力MOSFET的结构和电气图形符号

电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图2-3所示。

其中G为栅极，S为源极，D为漏极。

电力MOSFET的工作原理是：

在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。

第3章主要开关变换电路

3.1滤波电路

输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。

图3-1所示滤波电路是一种复合式EMI滤波器，L1、L2和C1构成第一级滤波，共模电感L3和电容C2、C3进行第二级滤波。

图3-1输入滤波电路

C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。

电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。

C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。

为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。

3.2反馈电路

3.2.1电流反馈电路

电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图3-2所示。

电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。

开关管上的电流变化会使UR2变化，UR2接入UC3842的保护输入端⑶脚，当UR2＝1V时，UC3842芯片的输出脉冲