基于UC3843的高效升压电路的设计.docx
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基于UC3843的高效升压电路的设计
1绪论
课题背景及目的
随着社会的发展，能源的重要性越来越受到大家的重视，由于石油和煤炭等矿物质资源的不可再生性，而且随着人们的开发力度越来越大，石油和煤炭等矿物质资源会逐渐地被人们消耗殆尽，所以我们需要迫切的去开发新的能源，来维持人类社会的可持续发展。
现在已经为人们所了解使用的可再生能源主要包括太阳能、风能、潮汐能等能源，这些能源的特点是可持续性，而且非常的洁净，不会对大气和水源造成不必要的污染，但是为什么这些能源还没有被大家广泛的使用起来呢，我感觉主要是因为这些能源的收集和应用还不是太方便，续航能力不是太稳定，所以需要我们来研究如何才能使这些洁净的能源变得更加普及，就拿太阳能发电充电来说吧，我们普通电动车电池的电压一般是48V，而普通民用的太阳能电池板发电产生的电压一般都达不到48V，所以很难采用太阳能直接给电池充电，就算是有的勉强能够给电池充电，但是由于充电电压不稳定也很容易损失电池的寿命，像风能和潮汐能相对于太阳能来说就更加的不稳定，想要加以利用必须找到合适的方案。
而采用本方案设计的高效的升压电路就可以有效地解决这个难题，只要太阳能电池板提供一个12V-60V之间的电压，我们就可以采用本方案设计的升压电路使其电压升到14V-80V。
所以我才想到收集关于斩波升压电路和UC3843的相关知识，尽快做出高效的DC-DC升压电路，来满足人们迫切的需求。
直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。
PWM控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。
随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点，该课题是基于UC3843集成电路，所以设计采用UC3843集成电路产生占空比可变的方波信号，以达到场效应管开通或关断时间变化的目的。
1.2国内外研究的状况
直流升压就是将电池提供的较低的直流电压，提升到需要的电压值，其基本的工作过程都是：
高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。
集成电路是在微电子学的基础上，将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件，按照一定电路“集成”在一起，完成特定的电路或功能的系统。
集成电路技术包括半导体材料及器件物理，集成电路及系统的设计原理和技术，芯片加工工艺、功能和特性测试技术等。
集成电路按功能可分为：
数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路及其他集成电路，其中，数字集成电路是近年来应用最广、发展最快的集成电路品种集成电路的发展是在应用需求的基础上，依托一系列的创新发展起来的。
它的发展一直遵循摩尔定律，即在集成电路的单个芯片上集成的元件数，即集成电路的集成度，每18个月增加一倍．即集成度每三年翻两番．特征尺寸缩小倍，而且集成电路芯片的需求量也以相同的速度增加，在集成电路性能提高的同时价格下降。
我国集成电路的起步并不晚。
在世界上于1958年诞生第一块半导体集成电路之后仅7年，1965年我国己生产了第一块集成电路，但在之后30年间发展缓慢，与世界发达国家和地区的差距越拉越远。
我国集成电路的发展分为三个阶段：
起步阶段。
50年代中后期到六十年代中期是我国集成电路产业的起步阶段。
1966年硅双极IC和1968年MOSIC在工厂实现批量生产，标志着我国集成电路产业真正起步发展起来了。
调整阶段。
六十年代末到七十年代中期是我国集成电路产业发展的调整时期。
这一时期主要通过三次LSI会战，推动了一批技术成果的涌现。
发展形成阶段。
80年代以后，我国集成电路产业进入了发展形成阶段。
这一阶段，通过“六五"、“七五"、“八五’’等一系列科技攻关项目的实施，我国集成电路产业取得了长足的发展。
目前，我国已建和在建的8英寸、12英寸集成电路生产线有17条，成为全球新的集成电路代工基地。
集成电路设计公司从最初的几十家增至400多家，特别是VIMICRO，HUAWEI，ZHONGXIN，中芯国际、宏力半导体、华虹NEC和苏州的和舰等一批大型集成电路制造企业的投产，增强了我国集成电路产业的整体实力。
在地区布局上，我国集成电路产业形成了四大重镇：
以上海为龙头的长三角地区，产业链最完整、产业集聚度最高。
以北京、天津为核心的环渤海区，具有研发、人才优势。
以广州、深圳为中心的珠三角，是我国最大的信息产品制造和出口基地，依托巨大的市场需求，开始进军集成电路产业。
以成都、西安为中心城市的中西部地区，人力、电力、水资源丰富，并拥有传统的电子工业基础[1]。
1.3课题研究方法
本课题需要利用模拟电子技术、数字电子技术、电路分析基础、protel工具软件等设计一个DC-DC的升压电路模块，该模块采用UC3843集成电路和LM358运算放大器，通过PWM脉冲宽度调制技术来驱动85N10管子的开关频率来实现升压稳压的目的。
首先要在网上或者图书馆查阅相关资料，弄懂本课题的要求，熟悉斩波升压电路的工作原理，然后制定简单易行的电路设计方案，写出详细工作原理，计算出参数，画出电路原理图，完成元器件及参数选择，PCB文件生成与打印输出。
到实验室进行装配调试，能够发现问题并能及时解决问题，根据设计过程写出详细的毕业设计报告。
本论文主要介绍基于UC3843高效的DC-DC升压电路的电路原理及设计方案，包括主要芯片的功能及单元电路的设计，在方案及电路原理图正确的基础上画出PCB图，借助公司实验室做出实物，然后进行装配与调试，主要研究UC3843为主要芯片的斩波升压电路，还研究了从总体电路的设计到具体单元电路和元器件的选择及参数的计算，最后把DC-DC升压模块装配调试成功[2]。
2电路的原理及其应用
2.1主电路工作原理
假设L和C值很大，IGBT（V）处于导通状态时，电源E向电感L充电，电流恒定
，电容C向负载R供电，输出电压
恒定[3]。
IGBT（V）处于断开时，电源E和电感L一起向电容C充电，并向负载提供电能。
图2.1升压斩波电路主电路图
首先假设电感L的值很大，电容C的值也很大。
当V-G（驱动电路与IGBT连接处端口名）为高电平时IGBT（V）导通，24V电源向L充电，充电基本恒定为4V电源向L充电，充电基本恒定为
此时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，可以保持输出电压
为恒值，记为
。
设V处于导通状态的时间为
，此阶段电感L上积储的能量为
。
当V处于关断状态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
设V处于导通态状态的时间为
，则在此时间内电感释放的能量为
。
当电路工作于稳定状态时，一个周期（T）的时间内，电感积储的电能与释放的电能相等，即
（1.1）
化简得
（1.2）
上式中的
，
输出电压则高于电源电压。
式（1-1）中
为升压比，调节
的大小，即可改变输出电压的大小。
设IGBT通态的时间为
，此阶段L上积存的能量为：
设IGBT断态的时间为
，则此段时间内电感L释放能量为：
稳态时，一个周期时间内中L积存的能量与释放的能量相等：
（）
，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。
－升压比;升压比的倒数记为β，即β=
。
又因为α+β=1。
所以：
=
E=
E（）
电压升高得原因：
电感L储能使电压泵升的作用，电容可将输出电压保持住。
2.2升压斩波电路的典型应用
图2.2升压斩波电路的典型应用
通常用于直流电动机再生制动时把能量回馈给直流电源
实际电感值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种，工作状态电机反电动势相当于图2.2中的电源，此时直流电源相当于图2.2中的负载。
由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器[4]。
基于“分段线性”的思想进行解析IGBT（V）处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式
（）
式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。
设i1的初值为I10，解上式得
（）
当IGBT（V）处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：
（）
设i2的初值为I20，解上式得：
（）
用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形，如图2.3和图2.4所示。
图2.3电流连续升压斩波电路波形
图2.4电流断续升压斩波电路波形
当电流连续时，从图2.4的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：
（2.5）
（2.6）
把上面两式用泰勒级数线性近似，得
（2.7）
该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即
（2.8）
对电流断续工作状态的进一步分析可得出：
电流连续的条件为
（2.9）
根据此式可对电路的工作状态作出判断。
3方案设计
3.1升压直流变换器电路总设计概述
市场上销售的很多升压模块的电压可调范围都比较小，而且功率不够高，在转换过程中会产生很大的功率损耗，本方案计划在基本斩波升压电路中增加可控制的集成电路，增大输入和输出电压的范围，提升模块的整体功率，并且有效的降低电路上的损耗；本方案的核心是UC3843芯片，主要思想是采用电压反馈和电流反馈给UC3843集成电路，使其来输出脉冲占空比可变的方波，从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压Uo。
把输出电压Uo通过降压后得到的信号Uco反馈给A/D转换电路，再通过比较器判断电压是否过压，过压则UC3843输出恒高电平，MOSFET关断,因此整个系统构成一个可调的直流升压斩波电路，并且达到过压保护的目的。
本设计主要由:
电源电路、控制电路、驱动电路、斩波电路和保护电路组成[5]。
本方案的亮点在与两个可调的电位器，通过电流电位器可以控制运算放大器输出电流信号的大小，通过电压电位器可以控制放大器输出电压范围的大小，由于本方案的电压最高输入电压是60V超过了UC3843和LM358的承受范围，所以特别设计了一个稳压电源为电路供电。
整体系统框架原理图如下：
图系统框架原理图
该方案中LM358运算放大器采集电路中电压和电流的信号，并将它们放大后反馈给UC3843集成电路,通过集成电路UC3843产生占空比可调的方波信号，之后将该方波信号送到驱动电路。
UC3843是近年来问世的新型脉宽调制集成电路，它具有功能全，工作频率高，引脚少外围元件简单等特点，它的电压调整率可达0.01%V，非常接近线性稳压电源的调整率。
工作频率可达500kHz，启动电流仅需1mA，所以它的启动电路非常简单。
下面是它的主要特点：
最优化的离线DC-DC变换器、低静态电流（1mA）、快速自动补偿电路、单步脉冲控制电路、增强负载回馈特性、断电停滞特性、双脉冲抑制、大电流标识输出、内置能隙参考电压、500kHz的工作频率、低
过零放大器本设计采用的是8pin封装[6]，如下图
图UC3843引脚图
观察引脚图可以发现COMP是补偿端，外接电阻电容元件以补偿误差放大器的频率特性。
VBF反馈端，将取样电压加至误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，输出误差控制电压。
ISENSE脚接过流检测电阻,组成过流保护电路。
RT/RC为锯齿波振荡器的定时电阻和电容的公共端，VCC是供电端，OUT是输出端，GND是接地端；内部基准电压为VREF=5V。
输入电压Vi≤30V，输出端电压Vo取决于高频变压器的变压比。
UC3843可用作开关的电源的核心元件，它产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截止，通过高频变压器换能将电压输出到次级绕组上，再经整流和滤波向负载提供直流电源，电源兼反馈绕组取得的控制电压同时输入UC3843的误差放大器，与基准电压比较产生控制电压，控制输出脉宽的占空比，从而达到稳压升压的目的。
运算放大器是一种直流耦合，差动模式输入、通常为单端输出的高增益电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。
一个理想的运算放大器必须具备下列特性：
无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。
最基本的运算放大器如图3.3，一个运算放大器模组一般包括一个正输入端、一个负输入端和一个输出端，运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。
它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便[7]。
图3.3双运算放大器结构图
由于本方案中要采集两种不同的信号，分别是电压信号和电流信号，所以本设计采用的是是LM358双运算放大器，因为它是由两个独立的高增益运算放大器组成，可以是单电源，也可以是双电源，电源的电流消耗与电源电压的大小无关。
在本方案中电路中的电流信号通过LM358的正向输入端，被LM358放大后反馈给UC3843芯片的电流采样段，然后UC3843根据反馈端接收到的信号，输出一定占空比的方波来控制场效应管SUP85N10的通断，来实现稳压升压的目的。
结合集成电路UC3843和运算放大器LM358的原理和应用方法，参考图书馆和网上的相关电路实例，设计控制电路如下图3.4。
从下图分析可以看出运算放大器处理从电路中采集来的电压和电流信号后，经过处理放大后反馈到UC3843的电压反馈端和电流反馈端，经过UC3843分析处理后调制出驱动电路所需要的占空比的方波。
图控制电路电路图
下图3.5给出了电力MOSFET一种驱动电路，它包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。
当无输入信号时高速放大器输出负电平，Q2导通输出负驱动电压，从而场效应管关断，当有输入信号时放大器输出正电平，Q1导通输出正驱动电压，从而场效应管导通[8]。
图3.5驱动电路电路图
功率场效应晶体管（VF）又称VMOS场效应管。
在实际应用中，它有着比晶体管和MOS场效应管更好的特性。
即是在大功率范围应用的场效应晶体管，它也称作功率MOSFET，其优点表现在以下几个方面；1.具有较高的开关速度；2.具有较宽的安全工作区而不会产生热点，并且具有正的电阻温度系数，因此适合进行并联使用；3.具有较高的可靠性；4.具有较强的过载能力。
短时过载能力通常额定值的4倍；5.具有较高的开启电压，即是阈值电压，可达2~6V（一般在1.5V~5V之间）。
当环境噪声较高时，可以选用阈值电压较高的管子，以提高抗干扰能力；反之，当噪声较低时，选用阈值电压较低的管子，以降低所需的输入驱动信号电压。
给电路设计带来了极大地方便；6.由于它是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，因此其驱动功率很小，对驱动电路要求较低；由于这些明显的优点；功率场效应晶体管在电机调速，开关电源等各种领域应用的非常广泛。
图功率管等效电路图
本方案中由于最大电压是80V最大电流是10A，所以选择SUP85N10这一型号来作为本方案的功率场效应晶体管。
3.4斩波电路
本设计为直流升压斩波（boostchopper）电路，该电路是本系统的核心。
原理图如下图3.6所示[9]。
图3.7斩波电路原理图
原理分析：
首先假设电感L值很大，电容C值也很大。
当V-G为高电平时，场效应管导通，电源向L2充电，充电基本恒定为
同时电容C8和C9上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压
为恒值，记为
。
设V处于通态的时间为
，此阶段电感L上积储的能量为
。
当V处于断路状态态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
设V处于段态的时间为
，则在此期间电感L释放的能量为
。
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，等量关系在第2章工作原理中已经计算[10]。
4整体电路设计和供电电路设计
由于在本方案中采用的UC3843PWM电流型控制器的工作电压范围在之间，LM358运算放大器的工作电压也在之间，而本方案的最高输入电压却高达60V，所以为了保护这两个核心的软件，就必须给他们提供一个稳定的工作电源，经过查阅网上可图书馆的相关资料后，绘制电路图如下所示[10]：
图4-1供电电路原理图
上述的供电电路图大致工作流程是，输入端接入正常的直流电源，范围在12-60V之间，通过保险丝的电流不能超过15A，否则保险丝会熔断，起到了简单的过流保护作用；在本电路中TL431DB提供一个的参考电压，与不同的输入电压相互比较后通过调整管
的调整作用，使电压稳定在11V为电路中的UC3843和LM258供电。
一般只要LED指示灯LED亮起，就表示供电电路工作正常。
根据原理框图和设计要求，查阅了相关资料后设计出了DC-DC升压电路的系统电路图，电路图如图4-2所示[11]。
图4.2系统总体电路图
DC-DC升压电路最基本的原理是斩波升压电路（BOOST）原理,其控制部分就是采样电路中的电流和电压信息后接入运算放大器的正向输入端，由于LM358运算放大器内部包含两个独立的高增益运算放大器，所以可以分别处理采集来的电压信号和电流信号，经过运算放大器的信号放大作用后通过输出端，反馈给UC3843集成电路，电压信号通过VFB端输入，电流通过ISENSE输入；然后通过UC3843内部电路的比较把方波调制成所需要占空比的脉冲方波，通过控制场效应管的通断来获取所需要的电压[10]。
由于接入电路的电流虽然是直流电，但是还是存在一定的纹波，在本方案中，接入的电流要首先通过一个大的滤波电容，经过滤波电容的滤波作用获得一个低纹波的电源，但是电压还不能直接接在控制电路上，要经过电源电路的调整后，使其稳定输出一个+11V的电压为控制电路供电，在电路中D3的作用是用来续流，我们从前面了解到，由于驱动电动中的场效应晶体管有开通有关断的时候，所以需要在其关断的时候需要一个反接的MBR20100，使电路保持导通。
电路中设置了两个电位器分别是I-ADJ和V-ADJ，通过旋动I-ADJ可以控制输入UC3843电流信号的强弱，从而控制输入电流的大小；旋动V-ADJ可以控制输入UC3843电压信号的强弱，从而控制输出电压的大小。
保险丝的最大承受电流时15A，可以有效的起到过流保护的作用，而电压流电位器的调节可以有效地起到过压保护的效果。
5装配及调试
所示[12]。
图升压电路PCB图
首先准备一台12-60V可调的直流电源接在该升压模块的输入端，还要准备一台电子负载接在该模块的输出端。
步骤一为该升压模块装上保险丝后接上直流电源，设置直流电源电压为12V，这是该模块工作的最低电压，然后接上负载，设置负载到横流CC模式，横流电流为0.8A;然后按下输出键，发现输出电压显示为，此时直流电源显示输出电流为，经过计算后发现转换效率达到88.9%，此时顺时针旋动电流电位器，发现输出电流持续增加，输出电压持续增加（因为设置的负载是恒流模式），但是当电流增压到后，选转电流电位器的时候电压不在变化。
步骤二此时调整电源输出电压到32V，顺时针旋转电压电位器，输出电压表现为连续可调，最高可以达到80V，完全实现了本次设计的目的和要求。
在装配调试的过程中出现了很多问题，首先是出现了虚焊的问题，导致电路时通时断，在连接好所有的电路通电后，发现电压非但没有提升，反而降到了，经过仔细测试发现，有一点焊点是虚焊，并没有连到电路上还有就是很多选件的选型工作，由于场效应管的发热量很大，刚开始只配了一块铝板让其散热，但是在实际应用中发现，铝板的散热性能不好，在大功率工作状态下，很容易导致工作电路过热，最后在孔老师的建议下，选用8500作为接线端口，用大功率的散热器连接在场效应管下面来散热。
总结
本次毕业设计虽然顺利完成了，满足了设计的要求，可以满足一般的测试需求，但还存在着一些不足之出。
能够顺利完成该毕业设计，令我觉得受益匪浅，也是大学期间收获最大的一次实践。
身为电气工程及其自动化专业的学生，设计是我们必备的技能。
毕业设计恰恰给我提供了一个应用自己所学知识去勇于创新和实践的舞台。
可以说，该毕业设计是针对以前所学的知识进行的一次综合性的检验。
毕业设计虽然很累，但却是苦中有乐，让人很充实。
在设计过程中，正确的思路是极其重要的，只有你的设计思路是正确的，设计才有可能成功。
因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。
毕业设计不仅让我培养了严谨的科学态度，更让我领悟到很多人生的真谛。
相信毕业设计过后，我的理论水平和实践动手能力都会有一个质的飞跃，也为今后的工作和学习做了铺垫。
致谢
一段时间的毕业设计，使我有了很多的心得体会，可以说这次基于UC3843高效的DC-DC直流升压电路的课程设计是在大家共同努力和在老师的精心指导下共同完成的。
通过这次设计加深了我对这门课程的了解，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。
但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
通过对电路图的研究，也增强了我们的思考能力。
另外，在使用protel软件绘制电路图的过程中，我学到了很多实用的技巧，这也为以后的工作打下了很好的基础。
从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后贴片选型和实物制作使我学到了课堂上学习不到的知识。
上课时总觉得所学的知识太抽象，没什么用途，现在终于认识到它的重要性。
设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会。
也感谢老师对我们无私忘我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续学习。
通过致谢，我想要感谢几位同事，一位是张玉瑞同事，在这次的设计中，我多次用到了模电知识，虽然我当时学得并不好，但同事任悉心教导，让我为之感动。
还有一位朱彤老师，朱彤老师是我们公司的设计总监，这次的设计是基于UC3843的实验，UC3843集成电路的基础知识就尤为重要，这多亏朱老师的耐心指导。
在这里，要特别感谢我的导师，孔令云老师，孔老师平时教学任务很多，还有很多的项目要做。
我本身的水平不好，老师不厌其烦的教导才让我完成了本次的设计。
最后，感谢老师的耐心指导和同学的大力支持，使我在本次设计遇到的问题都解决了，顺利的完成了本次课程设计，并从中学习到更多的知识。
还要谢谢我的论文的主审老师，谢谢您的细心指导，仔细阅读，才让我的论文更加趋于合格完善。
再次感谢在本次设计中给予我帮助的人，谢谢你们！
参考文献
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