基于UC3802的开关电源设计论文.docx

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基于UC3802的开关电源设计论文

电子课程设计报告

设计课题：

基于UC3802的开关电源设计

专业班级：

08电气工程

（1）班

学生姓名：

吴建

指导教师：

杨本全

设计时间：

2011.10.15-2011.12.15

物理与电子工程学院

基于UC3802的稳压电源设计

一、集成稳压电源和开关电源的区别：

（1）、集成稳压器的组成

电路内部包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分,另外加上保护电路和启动电路。

1调整管

在W7800系列三端集成稳压电路中，调整管为由两个三极管组成的复合管。

这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。

2.放大电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。

3.基准电源

在W7800系列三端集成稳压电路中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声、低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛采用。

4.采样电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，采样电路由两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送到放大电路的输入端。

5.启动电路

启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路和基准电源等部分建立起各自的工作电流。

当稳压电路正常工作后，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。

6.保护电路

在W7800系列三端集成稳压电路中，芯片内部集成了三种保护电路，它们是限流保护电路、过热保护电路和过压保护电路。

（2）.开关电源：

当输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较并将二者的差值放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。

此脉冲信号作为开关管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也发生变化，从而使滤波后输出电压的平均值基本保持不变。

二．开关电源的分类：

（1）按开关管的连接方式，开关电源可分为串联型开关电源和并联型开关电源。

串联型开关电源的开关管是串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路；而并联型开关电源的开关管是在输入电压和输出负载之间并联的，属于升压式稳压电路。

（2）按激励方式，开关电源可分为自激式和他激式。

在自激式开关电源中，由开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激振荡，类似于间歇振荡器；而他激式开关电源必须附加一个振荡器，振荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路工作并有直流电压输出。

（3）按调制方式，开关电源可分为脉宽调制（PWM）方式和脉频调制（PFM）方式。

PWM是通过改变开关脉冲宽度来控制输出电压稳定的方式，而PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差值放大后去控制开关脉冲周期（即频率），使输出电压稳定。

（4）按输出直流值的大小，开关电源可分为升压式开关电源和降压式开关电源，也可分为高压开关电源和低压开关电源。

（5）按输出波形，开关电源可分为矩形波和正弦波电路。

（6）按输出性能，开关电源可分为恒压恒频和变压变频电路。

（7）按开关管的个数及连接方式又可将开关电源分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式等。

单端式仅用一只开关管，推挽式和半桥式采用两只开关管，全桥式则采用四只开关管。

（8）开关电源按能量传递方式又可分为正激式和反激式。

（9）按软开关方式分，开关电源有电流谐振型、电压谐振型、E类与准E类谐振型和部分谐振型等

三．常见开关电源的介绍：

1、基本电路：

 开关式稳压电源的基本电路框图如下图所示。

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

２．单端反激式开关电源 

 单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。

电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。

所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。

当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容Ｃ滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20－100Ｗ，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。

唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

       单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

３．单端正激式开关电源       

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。

当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。

为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。

由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200Ｗ的功率。

电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

４．自激式开关稳压电源    

    自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，也是目前广泛使用的基本电源之一。

     当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。

与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器Ｔ初级绕组中的储能释放给负载。

在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。

这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器Ｔ的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。

电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。

这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

５．推挽式开关电源       

推挽式开关电源的典型电路如图六所示。

它属于双端式变换电路，高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。

电路使用两个开关管VT1和VT2，两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止，在变压器Ｔ次级统组得到方波电压，经整流滤波变为所需要的直流电压。

     这种电路的优点是两个开关管容易驱动，主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。

电路的输出功率较大，一般在10

0-500Ｗ范围内。

６．降压式开关电源   

降压式开关电源的典型电路如图七所示。

当开关管VT1导通时，二极管VD1截止，输人的整流电压经VT1和L向Ｃ充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载RL和续流二极管VD1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。

电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

这种电路使用元件少，它同下面介绍的另外两种电路一样，只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

７．升压式开关电源      

 升压式开关电源的稳压电路如图八所示。

当开关管VT1导通时，电感Ｌ储存能量。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，该电压叠加在输人电压上，经二极管VD1向负载供电，使输出电压大于输人电压，形成升压式开关电源。

８．反转式开关电源       

反转式开关电源的典型电路如图九所示。

这种电路又称为升降压式开关电源。

无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压，电路均能正常工作。

        当开关管VT1导通时，电感L储存能量，二极管VD1截止，负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。

当开关管VT1截止时，电感Ｌ中的电流继续流通，并感应出上负下正的电压，经二极管VD1向负载供电，同时给电容Ｃ充电。

         以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型，在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。

四．开始设计升压开关电源并计算参数：

１Boost变换器

Boost变换器是一种开关直流升压电路，输出电压比输入电压高，基电路见图1．

假定开关（三极管或者Mos管）已经断开很长时间，所有的元件处于理想状态，电容电压等于输入电压，以充电和放电2个过程分析该电路．

（1）充电过程．在充电过程中，开关闭合（三极管导通），开关（三极管）处用导线代替，等效电路见图2（a）．

这时，输入电流流过变换器电路电感．二极管防止电容对地放电．由于输入是直流电，因此电感上的电流以一定的比率线性增加，该比率与电感大小有关．随着电感电流增加，电感里储存了一些能量

2）放电过程．放电过程中，开关断开（三极管截止），等效电路见图2（b）

．由于电感电流的保持特性，流经电感的电流值不会马上变为0，而是缓慢地由充电完毕时的值变为0．原来的电路已断开，电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时输出电压高于输入电压，升压完毕．充电时电感吸收能量，放电时电感释放出能量．如果电容足够大，那么输出端在放电过程中保持一个持续的电流．如果通、断电的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压

2、uc3802的介绍：

UC3802控制芯片：

UC3802控制芯片是一种电流型脉宽调制电源芯片，工作电压10v一20v，工作电流约为15mA．芯片内有一个频率可设置的振荡器；一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于MOSEFT的驱动；一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器；具有锁存功能的逻辑电路和能够提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100%．此外，该芯片具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等

．

（3）硬件电路设计：

根据UC3802控制芯片的功能特点，结合Boost拓扑结构，设计电流型控制的Boost变换器．电路的技术指标为：

输入电压Vi=15V，输出电压Vo:

28V，输出电流Io=-1.2A，频率，≈49kHz，输出纹波噪声为1%．由UC3802控制芯片控制的Boost电路见上图．图中输入电压Vi既供给芯片，又供给升压变换．开关管以UC3802控制芯片设定的频率周期开

闭，使电感L储存并释放能量．当开关管导通时，电感以v/L速度充电，把能量储存在L中．当开关管截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以（U-Vo）／L的速度释放到输出电容器Cs中．输出电压由传递的能量控制，传递的能量通过电感电流的峰值控制．整个稳压过程由2个闭环控制．闭环1中，输出电压通过取样后反馈给误差放大器，同放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压，误差放大器控制由负载变化造成的输出电压的变化．闭环2中，Ro为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间，流经电感Ｌ的电流在R。

上产生的电压输送至PWM比较器同相输入端，与误差电压进行比较后控制调制脉冲的脉宽，从而保持稳定的输出电压．误差信号控制峰值电感电流．

根据技术指标要求，结合BooST电路结构的定性分析．确定图中的关键参数L先根据输入电压和输出电压确定最大占空比D：

当输出最大负载时，应满足

式中：

Vo为场效应管的栅极电压，Vs-0.9V．

考虑在10％额定负载以上电流连续的情况，设计时假设电路在额定输出时，电感纹波电流△I。

为平均电流ｆ。

的20％～30％，因增加△Ｉ。

可以减小电感L，但为了不增加输出纹波电压，须增大输出电容C。

，取30％为平衡点，即

设计电感Ls:

五：

画原理图和PCB图列清单：

原理图：

元件清单：

PCB图：

六、性能测试分析与结果：

本次设计的结果基本能够达到预期的要求：

空载时：

能比较准确的把10到20V的电源稳定在28V，测的PWM波的频率为50HZ，纹波30mV左右

带负载时：

开始测试出现了问题，随着负载的变化输出电压不能稳定，经过分析，可能在两个反馈出现问题，发现，我们输出电压是接近30V的，而负载最大电阻在20V，就是说我们输出的最小电流是1.5A，这已经超出了芯片应许的范围，使芯片不能正常工作，因为此电路中电流反馈最后也以电压的形式作用于芯片，为了减小芯片的反馈电流，我们修改电路，在原来的采样电阻的基础上，在并一个同样阻值的电阻，实现分流，后来带负载输出电压稳定

测试带负载输出电压24V，输出电流1.02A，输入电压15V，输入电流1.19A

则：

效率=（15*1.19/24*1.02）*100%=72.9%

七、结论与心得：

在Boost变换器的设计中采用UC3802控制芯片，不但有效解决了Boost变换器输出功率小的问题，而且增强了其带负载能力，同时可使Boost变换器的电压与电流控制具有良好的动态性能，在实际应用中具有指导意义

通过这次课程设计，使我对一个电子产品的开发研究有了初步的认识，体会到了开发研究一个电子产品的艰辛，也对我的精神品质得到了一次锻炼，明白了做什么事情都不可能急功近利，只有踏踏实实去做才能较好地完成。

另外，我非常感谢我的指导老师和同学给我的帮助，让我能够顺利完成这项实验。

我相信，本次课程设计对我今后的实习和毕业后的工作，肯定有很大的帮助。

八、参考文献

王水平，《开关稳压电源—原理设计及实用电路》，西安电子科技大学出版社