低电压输入的DCDC稳压电源的设计课案.docx
《低电压输入的DCDC稳压电源的设计课案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低电压输入的DCDC稳压电源的设计课案.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
低电压输入的DCDC稳压电源的设计课案
低电压输入的DC-DC稳压电源的设计
摘要
本课题主要设计了一款升压型的稳压电源，主要运用boost拓扑结构对低电压进行升压，实现输出电压的提高，其主要原理是主要通过开关管控制电源对电感充电的时间，通过电感对电容的充电实现升压，最终通过PWM的占空比的控制来实现稳压。
本课题选用芯片UC3843作为开关电源的控制芯片，对其引脚功能及优势进行了详细的介绍，并介绍了几种现在流行的稳压电源的设计方案，并进行比较，选择最优方案。
因saber软件具有完善的性能、全面的算法体系、高度的可靠性，此稳压电源的仿真模拟实验选择在saber软件的环境下进行，也对仿真结果中的波形图进行详细分析。
硬件电路结构方面也有详细的介绍，本文主要运用boost的电路结构进行升压实现，外部器件少，结构简洁，原理简单。
输出电压端接反馈电阻，通过反馈电阻对输出电压进行取样后反馈到芯片上，芯片通过内部电路自动对输出的PWM信号的占空比进行调节。
由于开关电源具有高效，节能的特性，而逐渐取代线性电源被广泛应用。
目前开关稳压电源在市场上发展迅猛，主要应用在航海、电力电子技术等广阔领域。
关键字：
UC3843boost拓扑结构升压稳压电路saber软件
LowVoltageDCInputTheDesignofDCRegulatedPowerSupply
ABSTRACT
Thistopicmainlydesignedaboostertyperegulatedpowersupply,themainuseoftheboosttopologyforlowinputvoltageboostercircuitimplementation,USESUC3843chipasthecoredesignofperipheralcircuit,thechipitselfoscillator,followedbythebooststructuretorealizetheimprovementoftheoutputvoltage,throughcorechipinternalfeedbacksetstableoutputvoltagevalue.ItsoutputfeedbackandcompensationreliesheavilyonUC3843chipimplementation,functionandadvantagesofthistopiconthechippinindetail,thistopicintroducesseveralpopularnowregulatedpowersupplydesign,andcomparison,choosetheoptimalsolution,becausethesabersoftwaretoimprovetheperformanceofthesystem,highreliability,comprehensivealgorithm,thesimulationexperimentofregulatedpowersupplychoiceundertheenvironmentofthesabersoftware,alsohavedetailedwaveformfigureontheresultsofsimulationanalysisandeachchippinswaveformisintroduced.Hardwarecircuitstructurealsohasadetailedintroduction,inthispaper,weusetheboostcircuitstructureofthebooster,theexternaldeviceislittle,structureiscompact,simpleprinciple.Mainlythroughtheswitchtubetocontrolthepowerofinductivechargingtimeoftime,throughinductivecharginganddischargingofcapacitanceboostertotheregulatedprocess.Soastorealizetheoutputofregulatedpowersupply.Outputvoltageterminationfeedbackresistance,resistancetosamplingandthenfeedbacktothechip,chipisadjustedautomaticallybytheinternalcircuitoftheinputvoltage.Moreconvenient,fastandreliable.Theregulatedpowersupplywithhighefficiency,energysavingfeatures,andgraduallyreplacetheswitchingpowersupplyiswidelyused.Currentlyregulatedpowersupplyinthemarket,developingrapidly,mainlyusedinswitchingpowersupply,navigation,powerelectronictechnologysuchasvastareas.
KeyWords:
UC3843BoosttopologystructurePressureregulatingcircuitThesabersoftware
第一章绪论
1.1本课题的背景和意义
随着电子技术的快速发展,开关电源因其高效节能且具有更高的效率、电路相对简洁，功耗低、更高的可靠性、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用，从家用电器设备到移动设备通信设置、地面安全设施、数据交互方面、中型机器制造方面以及工业设备等都有很多应用并引起了社会各方面的重视。
人们已在电路的拓扑结构方面进行探索、提高工作效率的功率半导体筛选、元器件的分布范围以及电子电路的集成控制方向等方面进行了不懈地努力,且取得了很大进步。
现在已经成为普通开关电源以及特种开关电源选择的最优的集成控制电路。
移动电话、GPS导航系统，汽车燃油系统、电脑游戏系统、医疗器械系统、工业机械工作系统等方方面面都离不开开关电源，开关电源为其提供了基本的工作环境，使其有足够的驱动保持正常工作状态，以稳定的电流为其系统稳定的工作性能。
开关电源为研发者、生产者、消费者提供丰富的产品供筛选，与生活、生产、研发密不可分，有着十分开阔的市场需求，这些都与高性能的开关电源息息相关，因此开关电源的需求逐步提升，发展迅猛。
1.2开关电源的概念及分类
概念：
利用现代电力电子的相关技术，通过调节占空比来实现对开关管的导通和关断的时间比率的控制，维持稳定的电压输出的电源统称为开关电源，开关电源一般由MOSFET和脉冲宽度调制（PWM）控制IC构成。
开关电源中应用的电力电子器件主要分为IGBT、MOSFET和二极管三大组成部分。
分类：
在开发开关变频技术的同时进行对相关电力电子器件的开发是人们在开关电源的技术领域的未来研究和发展的必然方向，也是快速促进开关电源向着体积小、面积薄、质量轻、抗干扰能力强、高效率可靠性、弱噪声的方向快速发展。
AC/DC和DC/DC是开关电源的两种主要组成部分，AC/DC的模块化，因其AC/DC自身的特性使得在模块化的进程中，在工艺研发、生产、制造等各个方面的遇到的问题不易解决。
但DC/DC变换器现已实现模块化进程，且其在海内外都已经形成成熟的、稳定的、成功的工艺研发、生产、制造的一系列体系，并且已经得到大家的肯定，并已在市场中应用广泛，有着极大的需求，由于稳压电源的功率消耗较低、完善的性能、高速可靠的特性、小型的体积造型被广泛应用，在开关电源、航海、电力电子技术等领域，发展迅猛，适用程度高。
1.3开关电源的发展历程
早在二十世纪时，美国的航空局就开发、设计了全世界第一个体积小、质量轻的开关电源，由于此次开关电源研制的成功，因此在接下来的科技发展中，开关电源的飞速发展，逐渐替代了最基础、最简单的相控稳压电源，并且在生活、生产、研发、工业设计等方面被广泛使用。
开关电源的电路主要向着集成化的方向发展，开关电源的体积进一步缩小，开关电源的系统设计主要趋于模块化方向。
最近30年开关电源的发展方向主要分为两大发展方向：
第一个方向是开关电源的系统功能电路的集成化的快速发展，外国早在1977年就已经研制出了高速集成化的PWM控制器的主要集成电路。
第二个方向是利用单芯片实现在中、小功率开关电源的高集成化，早在1994年时，美国的一家专注于电源集成电路设计的公司就已经率先研制出一款新型的三端隔离式开关电源，也可以称为PWM型单片开关电源，这款电源是一种AC/DC电源变换器的。
意-法半导体公司在中、小功率方面单片机电源产品的设计方面也有很大进步，其公司生产出的新型开关电源也被用户认可并得到广泛应用。
但是，相对来说，我国与国外在开关电源的研发、设计等技术方面相比，国内的起步发展时间比较晚，技术水平不高、功能特性、安全性能不高。
目前国内DC/DC模块电源产品主要由外国生产，覆盖了中小功率模块电源一半的市场以及大功率模块电源的大部分。
但是由于国内生产规模的扩大和技术的进部分以及中小功率模块电源一半的市场。
1.4本课题的研究内容
本文主要对稳压电源进行研究，其实现主要通过三大部分：
芯片UC3843芯片、boost拓扑结构、saber软件，UC3843是一种电流型控制器，由于电流型控制器具有完善的结构，功能全面的性能，此控制器具有内部振荡器，方便电路的设计，可以调整占空比实现通过反馈来改变输入电压值，可以进行输出补偿，可以很好的驱动MOSFET，其内部功能完善的UC3843芯片减缩了许多外围电路的设计。
boost外围电路设计简单，元器件数量不多，主要通过开关管控制储能元器件电感及电容的充放电时间来调节输出电压值。
电路简洁、易实现。
随着科学技术的飞速发展，由于稳压电源的功耗低、更高的性能、体积小稳压电源被广泛地应用到生活和工业中。
在电子电路方面，几乎每一个电路都要用到稳压电源，为电路提供稳定的电流供电从而可以正常工作，这是最基本的要求。
在生活方面，家里的家电都是将220V交流电转换为低电压，然后进行稳压输出，给电路提供稳定高效的电流供电系统。
在工业方面，各大机器设备的正常工作也离不开稳压电源提供的稳定电压。
由于稳压电源的功耗低、输入范围宽、更高的性能、体积小被广泛应用，在开关电源、航海、电力电子技术等领域，发展迅猛，适用程度高。
第二章方案比较与选择
2.1全桥软开关的开关电源
全桥软开关设计开关电源的原理及元器件组成，如图2.1。
图2.1全桥软开关设计开关电源
Fig.2.1Fullbridgesoftswitchingpowersupplyswitchdesign
全桥软开关电源的优缺点：
保持了PWM转换器和谐振变转器的优势，攻克了其缺点之后兴起的一个新颖电源控制系统，但是由于开关管的特性，在开关管导通和截止动作下，会产生时间的延时，同时会出现由通断电流和通断电压产生的重叠期，从而产生损耗。
导通和截止动作时产生的损耗之和统称为开关损耗。
由于一个周期内开关损耗是一定的，所以，随着开关的频率逐渐升高，开关的压损也逐渐升高，因而不利于变流器频率的提升，阻碍了变流器向体积小，重量轻的方向发展。
而且会产生二次侧占空比丢失、滞后臂不易实现的现象。
2.2DC/DC开关电源闭环反馈设计
DC/DC开关电源闭环反馈设计的工作原理如图2.2。
图2.2DC/DC开关电源闭环反馈设计
Fig2.2Aclosed-loopfeedbackswitchpowersupplydesign
全桥软开关设计电路如图2.3。
图2.3全桥软开关转换器主电路
Fig2.3Fullbridgesoftswitchingconvertermaincircuit
DC/DC开关电源闭环反馈的优缺点：
能够采集到小信号，并对得到的频率进行分析，进行仿真实验时，当对输入进行配置时，能够改变输入路径以及与其相连的输出路径。
但是，由于DC/DC开关电源闭环反馈网络输入电压有小波动时,输出纹波电压影响大,不符合这次设计概念。
如图2.4所示。
图2.4仿真原理图
Fig2.4Theprinciplediagramofthesimulation
2.3反激电路设计开关电源
反激电路如图2.5。
其工作原理为：
当开关管VT1导通后，VD1处于断开状态，从而导致N1绕组的电流线性增长，一直增加电感储能；当开关管VT1关断后，导致N1绕组的电流被切断，因为可以实现变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD1向输出端释放。
图2.5反激电路的变换器电路原理简图
Fig2.5Theflybackconvertercircuitprinciplediagramofthecircuit
反激电路设计开关电源优缺点：
反激电路设计开关电源电路逻辑简单易懂、电子元件个数不多、价格较便宜、在低功率的电源行业中大量采用。
但是由于要对电源开关管进行保护，以免过压摧毁，因此使得电压和电流的输出性能降低。
由于反激电路设计的开关电源对负载输出能量只在电源开关关断瞬间，其在电流或电压的输出的反应不太灵敏，因此瞬态控制性能不太好，而且可能会导致输出电压产生抖动的现象。
变压器中间插入的铁心是与气体保持稳定的间隙。
因此导致初级及次级的漏感值增大，有可能生成反电动势，损坏开关管。
而且会对工作效率产生不良影响
2.4直流电子负载的开关电源
此开关电源主要由三大模块组成：
恒流电路模块、恒压电路模块、恒阻电路模块。
其中场效应管为主要元器件，运用反馈并使用运算放大器在单片机的系统控制下来实现各模块电路功能的，如图2.6。
图2.6直流电子负载的开关电源
Fig2.6Dcelectronicloadswitchpowersupply
电源模块电路如图2.7。
图2.7电源模块电路
Fig.2.7Powersupplymodulecircuit
恒流恒压模块电路如图2.8
图2.8恒流恒压模块电路图
Fig.2.8Constantcurrentconstantvoltagemodulecircuitdiagram
直流电子负载的开关电源的优缺点：
由于进行仿真时经常是多个负载同时工作，此直流电子负载可以通过一个显示面板来展现多台负载的工作情况及数据参数，其还具有同步功能，利用此功能可以实现对多个负载的参数同步，方便快捷，并且数据不易丢失，以免造成不必要的干扰。
但是，此电路较复杂，实现起来较困难。
2.5数字控制电源系统的仿真设计
数字控制电源系统的工作原理与特性介绍
数字处理器与被控对象是数字控制式的开关电源的两大组成部分，此两者的关系是处理器控制被控对象，是通过处理器的AD功能对其进行控制的。
如图2.9
图2.9数字控制原理
Fig.2.9Digitalcontrolprinciple
数字控制电源系统的优缺点：
节省硬件资源，减缩使用周期，高度的集成化，高速的工作效率，在电子力学中得到广泛应用，且仿真结果与实际数据参数偏差不大，准确率高，原理及参数的显示及分析与实际电路误差不大，但是此电路的数字控制系统的闭环实现只能通过对数字处理器进行编程来实现，不符合现在电子元的主流发展趋势，而且模拟和数字电路的设计方法区别较大，兼容性不好，适用度不高。
[21]如下图图一为数字控制电源系统的仿真设计的系统，图二为数字控制模块电源仿真电路。
如图2.10
图2.10系统结构框图
Fig.2.10Systemstructurediagram
数字控制模块电源仿真电路如图2.11
图2.11数字控制模块电源仿真电路
Fig.2.11Digitalcontrolcircuitmodulepowersupplysimulation
2.6UC3843开关电源
基本工作原理：
当开关闭合时，电源给电感充电，电流转化为磁能储存在电感中，电流经电源正极，通过电感，经过开关管，流入电源负极。
当开关管断开时电感放电，电感中的磁能转化为电能，电流经电感流经二极管，给电容充电，电压上升，最终达到高于输入电压的结果，然后流回电源负极，通过开关管的导通、关断时间可以控制生成的电压值。
其中，二极管的作用是为了防止电容放电时，造成对大地放电的浪费。
注意电感中储存的能量不会立刻增加或减少[20]。
在充电和放电过程中，能量是渐变的。
注意：
由于电感在此结构电路的作用是储存能量，因此电感的磁芯应该足够大，导线的口径应该足够粗。
要选用适合的整流管，降低损耗。
开关管的选取也很重要，其中两个很重要的因素：
第一要进入饱和状态，第二导通时导通压降足够低。
为了提高电路的转换效率，我们可以提高控制电路的转换能力，降低能量消耗，减小负载的阻抗值，将电感中储存的磁能更多地转换为电路的电能，使电路的中的能量损耗减弱。
UC3843开关电源电路优点：
UC8343内部有完善的输出补偿，反馈功能，且芯片内部提供振荡器，功能全面、性能可靠。
Boost拓扑结构，电路原理简单，性能安全，是现在发展的主流市场，总体来说，可行度高，结果可靠。
如图2.12
图2.12UC3843开关电源电路图
Fig.2.12UC3843switchpowersupplycircuitdiagram
第三章仿真软件（Saber）的介绍
3.1Saber软件简介
Saber软件是一个功能强大、准确度高、处理速度快、性能完善的一款仿真软件，这款软件包含一个功能完善的混合仿真系统，融合了模拟及数字的混合仿真，囊括范围广，是一款先进的仿真系统软件，在电力电子技术等相关方面发展迅猛，使用率高。
Saber软件是对外设电路进行仿真，SaberSketch和SaberDesigner为Saber的两大组成部分。
SaberSketch的功能是画电路原理图，SaberDesigner的功能则是实现电路图的仿真。
3.2Saber的特性
1．高速的集成性：
在从画原理图到实现仿真的整个过程，不需要改变其工作的周围环境，能够在同样的环境中成功实现。
2．完善的图形浏览特性：
SaberScope和DesignProbe是用来在Saber中浏览电路的仿真过程及成果的，其中SaberScope具有更完善的功能与更高端的特性。
3．多种多样的高端仿真：
能够实现交流分析、直流分析、偏置点分析等。
4．整合化和分层化：
能够用一个或多个符号对一部分或多个部分的电路模块进行替代，实现分层化与整合化的设计，而且可以对所组成的新的电路块和系统电路实现仿真。
5．模拟行为模型：
可以实现电路在显示使用当中会遭遇好些状况，例如温度，参数漂移等的仿真。
6.高速精确的收敛性分析：
有完善全面的算法系统，有助于收敛性的分析与性能的提高，降低了仿真的难度。
7.精确高速的仿真：
saber里的仿真精度的参数设置高于一般仿真软件，能够为仿真电路提供精确的仿真结果及仿真数据参数，实现方法安全，实现过程可靠，实现速率高。
8.两个独立的模型与仿真模块：
saber内部有两个独立的模型与仿真操作系统，相互之间不会有干扰，我们可以对模块进行整体化的存取和控制操作，这样更方便、更快捷，且对仿真电路不会产生太大的影响，也不会烦扰仿真数据的生成。
[19]
9.强大、全面的全线分析系统：
saber的全线分析师可以对所有的模型进行分析统计，其特殊的混合信号仿真器使saber全面分析系统的适用范围不断扩大，简单易行。
[18]
10.整体、全面的输出显示功能：
可以从对所画电路图的仿真形成的数据参数，方便快捷地提取出自己所需的数据参数，生成的波形图可以根据模拟显示器进行显示与分析，将波形信息准确无误、客观形象地显示出来。
[17]电路仿真形成的数据参数也比较直观。
11.独特的协同仿真系统：
有专业的算法得到优质性能，有完善的设计理念，可以将仿真设计与实际工作状态良好的契合在一起，按一定的时序进行仿真，得到仿真模拟数据，有一个系统化完整化的分析结果，更方便、更快捷。
[16]
12.独特的TOP-DOWN设计理念：
saber采用的设计理念是按照自顶向下的设计顺序进行的，可以对执行过程中的每个模块进行仿真，编写者对硬件描述语言具有主动的存储提取能力，可以在模拟环境及数字环境下建立模型，有良好的兼容性，并能顺利快速地进行仿真。
13.具有模拟边界和数字边界两种接口:
saber的此两种接口提高了仿真结果的精确性，使得所画电路具有良好的模拟特性。
[15]
14.仿真结果的关联性体现：
saber软件的SaberScope工具可以在形成的仿真数据参数中，按照时间对齐的方式进行参数对比，将所需要的参数信息标注出来，设计者可以对波形和数据进行操作，从而得到我们所需的数据参数及关联性的结果，这样可以将多种仿真在一起进行比较，对影响电路的因素，及各个元器件数据参数的作用及影响直观的展现出来[14]。
3.3Saber的主要功能及简单介绍
一、原理图的绘制
1.先打开SaberSketch，单击工具栏中的File—New—Schematic，先建一个电路图绘制的工作环境，其中包括好多的电子元器件和编辑器等[13]。
可以使用替代电路块的符号进行电路原理图的绘制。
2.击新建界面中的
图标，即可进行电路原理图的绘制的工作环境，接下来可以通过点击
，可以在其下面寻找自己画电路图所要用到的元器件，或者通过点击
，在此空白输入框中
输入所要用到的元器件的名称或缩写，直接找到所需的电路元器件，并选择所需要的具体型号，这种方法更方便，更快捷，更省时，但同时要求你对元器件的名称或简称有一定的基础及了解。
[12]
3.鼠标左键单击元器件，元器件即变成绿色，按住鼠标左键即可拖动元器件，放好元器件之后，可以双击元器件进行参数设置，使其能够实现设计的电路原理图的功能，使其各模块的功能更优化,
是用来确定各个元器件之间的位置，单击此按钮就能够打开电路图的网格。
单击工具栏中的
按钮可以放大原理图，单击工具栏中的
按钮，可以缩小原理图，此两个按钮的作用是用来调整视角的，有些元器件例如电阻在选择的时候是有水平和垂直方向之分的，或者我们可以用另一种方式，选中你想要改变方向的元器件，鼠标右键此元器件，在弹出对话框单击“Rotate-90”，即旋转90度，其中旋转角度可以通过自己的需求选择。
【11】
4.按照电路原理图放置好元器件之后，可以对所选择的元器件进行参数设置，以便实现自己设计的电路图。
首先双击你要设置的元器件，即会弹出一个对话框，对各项进行适当修改以便实现电路功能。
改好后单击对话框上的“Apply”按钮，修改即起作用，注意有些选项是默认的，或是某个固定值，关于这点可以去查看一些资料。
接下来要将已布好的元器件进行连接，单击工具栏中的此两个任意按钮均
升级会员 