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稳压源设计毕业论文
###本科毕业论文（设计）
题目稳压源设计
学生###
指导教师###讲师
年级###
专业电气工程及其自动化
二级学院机电学院
###机电学院
###年###月
郑重声明
本人的毕业论文（设计）是在指导教师###老师的指导下独立撰写完成的。
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特此郑重声明。
毕业论文（设计）作者（签名）：
年月日
稳压源设计
摘要
稳压电源具有功率传输和电能转换的功能。
在科学技术不断地发展过程，各行各业都得到了快速地发展，对电源的需求也越来越大，同时对电源产业提出了严厉的要求，比如节约资源、减小体积和重量，更加环保，更加有安全性和可靠性等。
新型的开关电源与传统的线性电源进行比较，我们可以知道新型电源有先进的技术，消耗能源少，使用起来更方便等特点，并且还受到了各行各业的欢迎。
本文不仅描述了开关电源的工作方式、优点和缺点、规划方法及将来发展方向等，还重点对开关稳压电源进行了设计。
开关电源的设计由辅佐电源模块、PWM管制模块、升压电路局部等构成，而对于PWM控制电路而言，它更是开关电源设计的关键。
首先我们要确定电路设计方案，然后运用Multisim12对开关电源的电路进行仿真试验，并且把已知参数和实验参数进行对比，使实验参数接近已知参数从而能够使输出电压趋于稳固。
关键词:
开关电源稳压脉宽调制功率
Voltagesourcedesign
ZhengYueqiaoDirectedbylectureHaoMeilan
Abstract
Powerhaspowerconversionandpowertransmissionfunctions.Inscienceandtechnologyconstantlyevolvingprocess,allwalksoflifehavebeenrapiddevelopment,thedemandforpowerisgrowing,whilethepowerindustrymadestringentrequirements,suchasresourceconservation,reducedsizeandweight,moreenvironmentallyfriendly,moresecurityandreliability.Thenewswitchingpowersupplywithtraditionallinearpowersupplycomparison,wecanseethatthenewpowersupplywithadvancedtechnology,consumelessenergy,usemoreconvenient,andalsowaswelcomedbyallwalksoflife.
Thisarticlenotonlydescribesthemodeswitchpowersupply,advantagesanddisadvantages,planningmethodsandthefuturedevelopmentdirection,alsofocusedonswitchingpowersupplyisdesigned.Switchingpowersupplymoduledesignedbyhisassistant,PWMcontrolmodule,alocalboostercircuitandthelike,andforthePWMcontrolcircuitisconcerned,itisthekeytoswitchingpowersupplydesign.Let'smakesurethecircuitdesign,andtheuseofMultisim12oftheswitchingpowersupplycircuitsimulation,andtheknownparametersandlaboratoryparameterswerecompared,soclosetotheexperimentalparametersknownparameterstherebyenablingtheoutputvoltagetendstobestable.
KEYWORDS:
SwitchingPowerSupplyStabilivoltPWMpower
1绪论
1.1稳压源的发展背景
电源是一个设备，它不仅有向电子设施供给功率的功能，还有把其余各种方式的能变换成电能的作用。
对于发电机而言，电能是由它的机械能变换而来的，对于电池而言，电能是由它的化学能变换而来的。
而对于发电机、电池而言，他们自身本来就没有电，但是它的两极有正负电荷的区别，而且正负电荷能产生电压，导体本身具有电荷，只要加上电压就可以产生电流。
整流电源是指经过变压器和整流器，将交流交换直流电的设备。
信号源是指能够供给信号的电子设施。
对于晶体三极管来说，它的作用是第一能够把它前面连接的电路送来的信号进行扩大，第二把扩大了的信号能够再次输送到它后面连接的电路中。
在科学技术向前发展的过程中，我们知道大功率器件IGBT和MOSFET的发展最为突出，开关电源技术得到了很大的进度[1]。
对于信息产业而言，他们特别依赖开关电源，随着信息技术不断地发展和生活水平的不断提高，我们对稳压电源技术提出了更高的期望，从而促进科研工作者对稳压源的研究。
1.2开关电源的基本原理与组成特点
1.2.1开关电源的基本原理
开关电源的工作原理是指通过调整开关器件的接通时间和工作周期之间比值的方法来实现维持稳定电源输出的目的。
对于PWM控制而言，它是在开关周期不变的情况下经过调整脉冲宽度来改变占空比的方法来实现的。
如图1-2所示它描述的是开关稳压电源的主回路，它可以分为四步：
第一步是需要隔离变压器产生一个交流电压18V，第二步是将隔离变压器次边得到的交流电压通过整流滤波后变成一个直流电压，第三步也就是直流到直流的变换（DC一DC变换），第四步是开关电源管的导通和截止受PWM的驱动电路控制[2]。
图1-2开关稳压电源
1.2.2开关电源的特点
开关电源具有如下特点:
（1）很高的效率。
在开关电源稳定工作的时候，由于开关电源的功率开关调整管工作处于开关的状态，因此有功耗比较小，效率比较高等特点，通常最低在80%而最高的能超过90%；
（2）重量轻。
因为开关电源在设计过程没有使用电源变压器，不但使它的重量减轻了，而且体积也同样变小了；
（3）稳压范围宽。
开关电源的交流输入电压在90-70V内变化时，输出电压的变化在12%以下。
合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；
（4）安全可靠。
在电路出现故障时，由于装备了保护装置，能自动把故障点切除，保障了它的功能可靠性；
（5）功耗小。
原因一是滤波元件的数值会随着开关电源工作频率升高而下降，原因二是功率开关管工作处在开关状态，工作损耗比较小[3]。
1.3开关稳压电源的发展及趋势
随着科学技术的不断发展，线性稳压源和SCR相控电源已经满足不了社会的发展需求，而开关电源技术的出现则迅速地受到了人们的欢迎。
对于开关稳压电源而言，它将随着电力电子器件和电力电子电路的迅猛发展而得到不断地完善，尤其是由晶闸管构成的各种类型开关电源也不断出现。
开关电源与传统的电动机-发电机组相比，有很高的效率，较小的体积，非常的节能等。
开关电源是静止式装置，具有占地面积小，重量轻，安装方便等优点。
同时，对开关电源而言，频率、电压等的调节具有比较容易，响应快，功能多，自动化程度高的特点，因此在工业上不但节能明显突出，而且生产效率和产品质量明显提高，节省原材料，并能改善工作环境。
随着科学技术的飞速发展，对于开关电源的复杂性和运用广泛性而言，他们之间的矛盾使电力电子技术的发展遭遇了前所未有的阻碍。
很多领域都依赖开关电源。
而另外，开关电源的应用各不相同，给设计、生产和维护带来了大量的人力和物力耗费，使普及和推广难以前进。
我们周围的噪声会随着开关电源的高频化程度越高而变得越大。
我们可以采用软开关技术来解决噪声问题，但是，软开关技术现在也只有在理论上即可完成不但高频化程度高而且噪声非常低，实践应用中还是存在着一些难以攻克的现实问题，我们还要投入大量的人力物力去攻克它。
2开关变换电路
2.1滤波电路
对于输入滤波电路来说，它有双向隔离的功能，具体表现为：
第一是输入滤波电路在很大程度上阻止从交流电网输入的干扰信号；第二是输入滤波电路克服在开关电源工作的情况下，产生的谐波和电磁干扰信号来干扰交流电网正常稳定的工作。
这次介绍的输入滤波电路是一种复合式EMI滤波器，它的第一级滤波是由L2，C1和L1构组成，而它的第二级滤波是由共模电感L3和电容C2、C3组成，如图2-1所示。
图2-1输入滤波电路
对于电容C1来说，它具有滤除差模干扰的功能，而对于电容C2，C3来说，它具有抑制共模干扰的功能，另外电容C1和电容C2，C3分别采用薄膜电容、陶瓷电容器。
对于电阻R来说，它具有给电容提供放电回路的作用[4]。
2.2反馈电路
2.2.1电流反馈电路
我们可以把电流互感器和检测开关管上的电流分别作为电流反馈电路、采样电流，原理如图2-2所示。
电流互感器的输出有两种反馈电路分别为电流瞬时值反馈、电流平均值反馈，而对于电流瞬时值来说，它是由R2上的电压表现出来的。
UR2电压会随着开关管上的电流变动而变化，而由原理如图2-2可知电压UR2连接在UC3842的保护输入端（3）脚上，在UR2电压等于1v情况下，对于UC3842芯片来讲，它的输出脉冲将会马上关闭。
对于限流式保护而言，它描述的是调整Rl，R2的分压比值来调整开关管的限流值。
对于截流式保护而言，它描述的是输出脉冲关闭并且对电流平均值进性行保护。
图2-2电流反馈电路
2.2.2电压反馈电路
电压反馈电路如图2-3所示。
电压反馈电路有两个用途，第一是它可以把输出电压经过集成稳压器TL431和光电祸合器反应到UC3842的
（1）脚，第二是它可以通过调整Rl和R2之间的分压比值来实现比较高的稳压精度。
光电耦合器输出的三极管电流会随着集成稳压器TL431的阴极和阳极之间的电流增加而变大[5]。
图2-3电压反馈电路
2.3电压保护电路
图2-4描述的是输出过电压保护电路。
当输出电压在正常电压范围内时，对于VS来说，它是不会被击穿的，不会有电流流过，而对于晶闸管V来说，它的门极更不会有电压，当然也就不会导通。
当输出电压超出正常电压范围时，我们就可以知道VS就会被直接击穿，就会有电流经过它，晶闸管V的门极就会有电压，随之晶闸管V就会处在导通状态，就会促使光电祸合器输出三极管电流变大，然后就会经过UC3842调控开关管关闭。
图2-4输出过电压保护电路
3UC3842
3.1UC3842简介
随着科技的不断创新，科研的工作者成功地研发出性能愈加好的它激单端输出驱动集成电路。
对于它激单端输出驱动集成电路而言，它有PWM系统、配备多路保护输入、工作稳定的基准电压发生器、比较小的电流启动功能等。
UC3842就是它激单端输出驱动集成电路的典型代表之一，它具有功能齐全、性能稳定等特点，因此它受到了人们的欢迎[6]。
对于UC3842的内部原理而言，它的主要器件分别为振荡器、比较器、降压器、5.0V基准电压源、误差放大器、PWM锁存器和较大电流推挽输出电路等。
UC3842的8脚端的名称分别为：
把端6作为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；把端4连接Rt，Ct作为锯齿波频率；把端1作为COMP端；把端7作为集成块工作电源电压端，能够工作在8~40V之间；把端5连接地；把端3作为电流测定端；对于端8而言，它的作用是不仅为外面器件供给基准电压5V，还具有带载能力为50mA的能力；把端2作为反馈端。
3.1.1UC3842的引脚及其功能
图3-1UC3842的引脚
UC3842的引脚如图3-1所示，其中:
对于①脚而言，它作为内部误差放大器输出端，我们可以把①脚和电阻、电容元件连接起来不但可以改进误差放大器的增益还可以改进误差放大器的频率特性；
对于②脚而言，它作为误差放大器的取样电压输入端，我们可以把②脚电压和误差放大器的2.5V基准电压（同相端）相比较，就会出现误差电压，从而调控脉冲宽度；
对于③脚而言，它作为PWM比较器的另外一个输入端，如果检测电压在1V以上时，就不会有脉冲输出[7]；
对于④脚而言，它作为定时电容
端，我们可以通过外面连接的电阻和电容的时间常数来改进它的内部振荡器工作频率。
⑤脚为接地端。
对于⑥脚而言，它作为推挽输出端，因其内部结构为图腾柱式，所以它的上升时间和下降时间都非常短为50ns，而它的驱动能力为
A；
对于⑦脚而言，它作为启动或者工作电压输入端脚是直流电源供电端，具备欠电压和过电压锁定功能，芯片的工作消耗仅仅为15mW；
对于⑧脚而言，它作为内部5V基准电压输出端，还具备负载能力为50mA。
3.1.2UC3842的内部结构
对于UC3842而言，它的内部结构由欠压锁定电路、振荡器、5VC基准电源、图腾柱输出电路、误差放大器、电流取样比较器、输出电路、PWM锁存电路等组成，见图3-2。
图3-2UC3842的内部结构
（1）对于电流取样比较器而言，③脚ISENSE作用是检测开关管电流，我们能够通过选择电阻或者电流互感器采样来实现，如果VISENSE的电压大于1V，输出脉冲就会立即停止，同样开关管也会立即关闭。
（2）对于振荡器而言，它能够发出波振荡，并且不仅把
连接在4RET8脚之间，还把
连接接在4GND5之间。
（3）对于PWM锁存电路而言，它就是保障每一个控制脉冲作用不大于一个脉冲周期。
而对于VCC和GND之间的稳压管来说，它具有保护和防止器件损坏的作用[8]。
（4）对于5V的基准电源而言，它的内部电源经过慢慢地衰减得到2.5V时可以当做误差比较器的比较基准。
该电源还能够供给外部5v/50mA。
（5）对于欠压锁定电路VVLO而言，它的开通电压和关闭电压分别为16V、10V，还具备滞回功能。
（6）对于误差放大器而言，我们可以把VFB端输入的反馈电压和2.5V电压进行比较，其目的就是用误差电压COMP来调整脉冲宽度，并且还用Comp端连接外部RC网络，以此来达到调节增益和频率特性的目的。
（7）对于输出电路而言，它的输出结构形式是图腾柱，电路上的电流为1A，并且可以使用MOS管和双极型晶体管。
4利用UC3842设计开关稳压电源
4.1电源设计指标
对于该电路而言，电源在电阻负载条件为：
（1）输出电压Uo可调整范围:
；
（2）可最大输出电流
；（4-1）
（3）当电压
由15V调到21V时，电压调整率为
；（4-2）
（4）当电流
从0变到2A时，负载调整率
；（4-3）
（5）DC-DC变换器的效率为
；（4-4）
（6）在具备过流保护性能情况下，动作电流为
；（4-5）
设计思路:
开关电源由三部分构成分别为DC一DC变换网络部分、隔离变压器部分、整流滤波部分。
DC一DC变换器不但是设计的重要组成部分之一，而且由许多功率器件和控制模块构成，而功率器件包括滤波器、脉冲变压器、储能器件、输出整流器、开关器件等，同时控制模块的设计又是DC一DC的核心，一般用PWM调制的专用芯片来成为DC一DC变换的控制模块[9]。
对于芯片内部而言，它是由误差比较器，振荡器，PWM调制器等组成，有时保护电路和驱动电路也有可能成为它其中一部分。
依照上面的形容用集成芯片外而后加很少的电路就可以形成开关电源，对于开关电源的特点而言，它是稳定性能非常好，控制方便又简单，芯片工作消耗低。
我们可以采用取样电阻串接在负载上作为过流保护。
在取样的电流超出指定的范围时候，应该立即断开负载，或调低输出电压，然后过一会再自动启动，加上负载，负载的连通性由继电器来控制决定的。
4.2具体电路设计
4.2.1启动电路
启动电路图如图4-2，第一步对于输入的220V交流电而言，它通过桥式整流和C1、C2滤波过后可以成为脉动的直流电压[10]。
第二步对于此电压而言，它经过电阻R2可以分压给UC3842用来供给启动电压。
第三步在电压到达16V时满足芯片的启动电压时，随后UC3842就可以开始工作而且供给驱动脉冲。
第四步在UC3842的启动电压超过16V时，即使启动电流仅仅1mA也可进入工作状态。
在正常稳定的工作状态情况下，工作电压一般在10V~34V之间，而负载电流为15mA。
不在此限制范围内，对于开关电源而言，它将造成欠电压或者过电压保护状态，更严重的是没有驱动脉冲输出[11]。
元件参数选择:
（1）变压器的选择:
假如要输出U2=18V的直流电，则全桥整流电路的二次侧必须要输出电压Un2。
因为采用全桥整流，所以有
（4-6）
解此算式可以得到Un2=12.73V（4-7）
计算变压器的一次侧和二次侧的线圈比N1/N2
电路的输入电压是市电交流电压220V
所以:
即:
（4-8）
根据需要和选择期间的方便，取
（4-9）
（2）滤波电容的选择
人们可以通过电路仿真和实验经验就能够得到所需求的滤波电容:
C1=68uF,C2=22uF
图4-1滤波整流电路
仿真结果，通过整流滤波后的输出电压是17.839V，即使有偏差存在，
也是在可以准许的范围内。
4.2.2PWM脉冲控制驱动电路
由图4-3可知：
第一步由分压电阻R供给获得的电压连接uc3842的⑦CVcc）管脚。
第二步uc3842开始启动工作，由⑥端Coutput输出促使开关管工作，使输出信号为高低电压脉冲信号。
在高电压脉冲过程中，场效应管一直保持导通状态，而且电流会经过变压器原边，与此同时变压器中会有能量储存。
对同名端标识来说，我们会知道此刻变压器各路副边无能量输出[12]。
第三步在⑥脚输出的高电平脉冲完成后，场效应管就会马上截止，通过楞次定律我们可以知道通过形成下正上负的感应电动势来促使变压器原边保持电流一直不变，而且变压器副边各路二极管处于导通状态，向外电路供给能量。
与此同时反馈线圈会向UC3842不断地供给电能。
UC3842内部有欠压锁定电路，而它的开启电压为16v，它的关闭电压为10V，第三步当电源电压连接电源接通后，对于⑦端而言，它的电压升高到16V之后UC3842就可以开始工作。
图4-2PWM脉冲控制驱动电路
他的输出波形图如图4-3:
图4-3PWM输出波形，占空比50%
保护电路
在UC3842的脚③电压超过1V或脚1电压在1V以下情况下，PWM比较器通过输出高电平来促使PWM锁存器马上复位。
通过UC3842关闭特性可知，在电路中配备过压保护和过流保护的设备对我们来说是很容易的。
对于电路中R1而言，脉冲限流电路是由它感应出的峰值电流形成的，当脚③升高到1V时，就有限流现象发生，因而，整个电路中的电感磁性元件和功率开关管都不需要很大的余量，这样一来不仅保证了稳压电路工作可靠稳定，而且也减少了我们的成本。
4.2.3电路输出部分的设计
对于设计要求而言，它的输出电路部分选用升压式斩波电路。
这一部分电路是由四个器件组成，分别为负载电阻、电容、续流二级管及电感[13]。
4.2.3.1升压斩波电路的基本原理
升压斩波电路的构造如图4-4所示。
为了达到电感L自动地储存能量和释放能量的目的，我们可以通过把UC3842设定的频率周期来作为开关管的开闭。
在开关管处于导通状态期间，电感将以Vi/L的速度充电来达到能量能够快速地储存在L中的目的。
而对开关管截止而言，L首先将会产生反方向的感应电压，然后再够通过二极管D，就能够把储存的电能以（VO-Vi）/L的速度快速地输入到输出电容器C2中[14]。
我们就可以通过传递的能量多少来控制输出电压，而对于传递能量的多少而言，我们可以经过电感电流的峰值来调控。
图4-4升压斩波电路
4.3电路整体分析
整体电路图如图4-5，电路图是由三部分构成:
（1）启动电路也可以叫降压整流滤波电路，其主要作用为两个即得到DC-DC的输入电压、给UC3842供给驱动电压。
（2）M脉冲控制驱动电路，它的主体是一个UC3842芯片，以及它的外围
电路组成。
对于⑥脚而言，它的输出脉冲操控MOS管的工作，而且自带保护脚③，使用很方便[15]。
（3）对输出部分来说，它可以由一个升压直流斩波电路构组成，其特点是结构原路简单。
图4-5整体电路图
5电源的测试及仿真
5.1电路测试
测量电路点如图5-1所示（1，2，3，4，5，6，7为测量点）:
图5-1测量电路
（1）试输出电压和最大输出电流
由上图可以知道在5，6点间用电压表可以测出输出电压，而在5，7点可以用串联方式接入电流表以此来测试出最大输出电流。
（2）电压调整率测试
i.我们可以通过调整可调负载设备，来促使电源满载输出；
ii.调节ACSOURCE，使输入电压为下限值15V，逐步增大ACSOURCE电压，
每隔一段做一次输入与输出电压的记录。
数据记录如表5-1所示。
表5-1数据记录
14.96
16.01
17.04
18.05
19.04
20.01
21.01
22.01
35.981
35.986
35.990
35.995
35.998
36.003
36.005
36.006
（测试条件为输出电压36.052V输出电流为2.00A）
iii.电压调整率计算:
（5-1）
（3）负载调整率
i.我们把输入电压额定值设定为18V，就可以得到输出电流取最小值和最小负载量的输出电压，然后记录在表格中；
ii.我们把负载调节为半满载，就可以得到相应的输出电压，然后记录在表格中；
iii.我们把负载调节为全满载时，就可以得到相应的输出电压，然后记录在表格中；
测试数据记录如表5-2所示。
表5-2测量数据记录
输入电流（A）
2.00
1.53
0.04
输出电流（V）
35.995
36.001
35.959
5.2仿真结果·
仿真电路总图如图5-2。
图5-2仿真电路图
仿真结果如图5-3。
5.3设计问题及解决方法
表5-3设计问题和解决方法
标号
设计问题
解决方法
1
降压整流变换电路的响应时间长，有一段的等待时间，影响后面电路的工作
不断调整加大滤波电容，找到适合的电容
2
PWM控制器的输出脉冲变形较大，有点失真
减小储能电感和输出电容，找到适当的值，并且调节UC3842脚1和脚2之间的补偿网络，改变放大器的闭环增益和频响
3
UC3842输出驱动波形不稳定
在它的输入端增加一个滤波电容，对输入进
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