开关电源设计大学学位论文.docx

1、开关电源设计大学学位论文 毕 业 论 文（设 计）题 目 开关电源设计 英文题目 switch source design 院 系 专 业 姓 名 年 级 指导教师 2015年4月 摘 要摘要内容：本论文题目是学校根据学生的实际情况和所学的专业而设计的，它体现了学校对学生的理论知识和实践动手能力的考察，并且让学生充分的发挥自己所学的知识。随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源

2、变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。本论文共分七章，内容包括：开关电源概述，输入电路，隔离单端反激式变换器电路，UC3842的原理及技术参数，UC3842常用的电压反馈电路的选用，UC3842在开关电源电路的应用，电源市场的概况。【关键词】：变压器滤波过载Switch Source DesignAbstract摘要内容：Abstract content:本论文题目是学校根据学生的实际情况和所学的专业而设计的，它体现了学校对学生的理论知识和实践动手能力的考察，并且让学生充分的发挥自己所学的知识。 The topic of this thesis is designe

3、d according to the actual situation of the school and professional school students which reflects the effects of school students theoretical knowledge and practical ability, and let the students give fulllay to their own knowledge.随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工

4、频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。With the rapid development of large-scale and ultra large scale integrated circuit, especially the microprocessor and a semconductor memory utilization, gave birth to the electronic system of a new generati

5、on of products. Obviously, the volume is big and heavy use of industrial frequency transformer linear adjustable regulated power supply is out of date. Replace sb. is isolated switching power supply miniaturization, light weight, high efficiency. The core of isolated switching power supply is a kind

6、 of high frequency power conversion circuit. It makes the AC power efficient generates one or more adjusted stable DC voltage.本论文共分七章，内容包括：开关电源概述，输入电路，隔离单端反激式变换器电路，UC3842的原理及技术参数，UC3842常用的电压反馈电路的选用，UC3842在开关电源电路的应用，电源市场的概况。This paper is divided into seven chapters, including: input switching power s

7、upply circuit, an overview, isolation of single end flyback converter circuit, principle and technical parameters of UC3842, UC3842 common voltage feedback circuit selection, application of UC3842 in switching power supply circuit, power market overview.【关键词】：Key Words：变压器Transformer ；滤波Wave filteri

8、ng ； 过载，Overload第1章 开关电源概述 1.1 开关电源的产生与发展5 1.2 隔离式高频开关电源51.3 开关电源所用的术语6第2章 输入电路2.1 电压倍压整流技术92.2 输入保护器件92.3 输入阳间电压保护10第3章 隔离单端反激式变换器电路3.1 单端反激式变换器电路中的开关晶体管123.2 单端反激式变换器电路中的变压器绕组13第4章 UC3842的原理及技术参数4.1 原理与特点154.2 工作描述16 4.3 技术参数19第5章 UC3842常用的电压反馈电路的选用5.1 概述235.2 UC3842常用的电压反馈电路235.2.1 输出电压直接分压作为误差放大

9、器的输入235.2.2 辅助电源输出电压分压作为误差放大器的输入245.2.3 采用线性光偶改变误差放大器的输入误差电压255.2.4 结语 27第6章 UC3842在开关电源电路的应用6.1 UC3842组成的开关电源电路 286.1.1 启动过程 296.1.2 稳压过程296.1.3 过流保护原理306.1.4 过压保护原理 316.1.5 开关保护电路 316.1.6起动电路的设计 316.1.7反馈绕组的设计316.2 显示器开关电源电路 326.2.1 特点326.2.2 采用开关稳压电源激励行输出的优缺点如下 326.2.3 UC3842在显示器电路的应用 33第7章 电源市场的

10、概述7.1 直流稳压电源(出口)购市场概况 347.2 开关电源的市场概况 35721开关电源的市场规模357.2.2 开关电源的生产倾向 36致 谢37参考文献38第1章 开关电源概述1.1 开关电源的产生与发展随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被

11、广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一200k

12、Hz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。1.2 隔

13、离式高频开关电源 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图11所示。 在图1l中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关元

14、件，比如开关晶体管、场效应管(MOSFE)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的。 在方波的上升沿和下降沿有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此

15、，在交流输入端，必须要设置无线频率干扰(RFI)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。 此外，为了使整个电路安全可靠地工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等。图ll 隔离式开关电源酌方框图1.3 开关电源所用的术语下面列出一些书本所使用的开关电源术语。 效率：电源的输出功率与输入功率的百分比。其测量条件是满负载，输入交流电压为标准值。 ESR：等效串联电阻。它表示电解电容呈现的电阻值的总合。一般情况下，ESR值越低的电容，性能越好。 输出电压保持时间：在开关电源的输入电压撤消后，依然保持其额定输出电压的时间。 启动浪涌电流限制电路：它属于保护电路。它对电源启动时产生的尖峰电流起限

16、制作用。为了防止不必要的功率损耗，在设计这一电路时，一定要保证滤波电容充满电之前，就起到限流作用。 隔离电压：电源电路中的任何一部分与电源基板地之间的最大电压，或者能够加在开关电源的输入端与输出端之间的最大直流电压。 线性调整率：输出电压随输入线性电压在指定范围内变化的百分率。条件是负载和周围的温度保持恒定。 负载调整率：输出电压随负载在指定范围内变化的百分率。条件是线电压和环境温度保持不变。 噪音和波纹：附加在直流输出信号上的交流电压和高频尖峰信号的峰值。通常是以mV度量。隔离式开关电源：一般指高频开关电源。它从输入的交流电源直接进行整流和滤波，不使用低频隔离变压器。 输出瞬态响应时间：从输

17、出负载电流产生变化开始，经过整个电路的调节作用，到输出电压恢复额定值所需要的时间。 过载或过流保护：防止因负载过重，使电流超过原设计的额定值而造成电源损坏的电路。 远程检测：电压检测的一种方法。为了补偿电源输出的电压降，直接从负载上检测输出电压的方法。 软启动：在系统启动时，一种延长开关波形的工作周期的方法。工作用期是从零到它的正常工作点所用的时间。 电磁干扰无线频率干扰(EMLBFI)：即那些由开关电源的开关元件引起的，不希望传按和发射的高频能量频谱。 快速短路保护电路；一种用于电源输出端的保护电路。当出现过压现象时，保护电路启动，将电源输出端电压快速短路。占空比；在高频开关电源中，开关元件

18、的导通时间和变换器的工作周期之比。 第2章 输入电路2.1 电压倍压整流技术 在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90130v和180一260v的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图31所示。 在图21中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻Rv和可控硅Vs具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。 电路工作过程如下：当开关S1闭合时电路在115v交流输入电压下1：作。在交流

19、电的正半周，通过二极管VDl和电容器c1被充电到交流电压的峰值。即115v14160v，在交流电的负半周，电容器c2通过二极管vD4也被充电到160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器c1和c2上充电电压之和即160V十160V320V。当开关S1打开时，二极管VDlVD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整流，也同样产生320v的直流电压。2.2 输入保护器件隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很低的阻抗，一般

20、情况下，只是电容的E5R值。如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。 通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络；另一种方法是采用负温度系数(NTC)的热敏电阻。用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值。 电阻双向可控硅技术：采用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输入线相串联。当输入滤波电容充满电后由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把电阻短路，对其进行分流。这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。设计时要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。图21中的Vs和R1为

21、双向可控硅和电阻的并联网络。热敏电阻技术：这种方法是把NTC(负温度系数)的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。图21中的RT1和RT2是热敏电阻的电阻温度特性和温度系数，关系如图22所示。 在图22中，T是热敏电阻的温度系数，用每度百分比(c)表示。当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。这样，由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选择得合适，在负载电流达到稳定状态时，其阻值应该是最小。这样，就不会影响整个开关电源的效率。2.3 输

22、入阳间电压保护 在一般情况下，交流电网上的电压为115v或230v左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式：公式中，L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。 由此可见，虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。 用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器。如图2l所示，把压敏电阻Rv连在交流电压的输入端。压敏电阻

23、起到一个可变阻抗的作用。也就是说，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。 1选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大10一20；2计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数； 3查明器件所需要承受的最大尖峰电流； 上述几步完成后，就可以根据生产厂家的压敏电阻参数资料选择合适的压敏电阻器件。第3章 隔离单端反激式变换器电路 图31所示的单端反激式变换器电路在其输入和输出回路之间缺少安全隔离措施。一般情况下，隔离式开关电源都是用高频变压器作为主要隔离器件。在电

24、路中，它是以变压器的形式出现的，但实际上它起的作用是扼流圈，所以应该称它为变压器扼流圈。所谓单端，指的是变压器磁芯仅工作在其磁滞回线的一侧。 典型的单端隔离反激式变换器电路结构如图34所示。 从图34的电路工作状态波形可见，电路的工作过程如下：当晶体管VT1导通时，它在变压器初级电感线圈中储存能量，与变压器次级相连接的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止。在变压器次级回路无电流流过，即没有能量传递给负载。当晶体管VT1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转过来，使得二极管VD导通，给输出电容c充电，同对在负载RL上也有了电流IL。图34 隔离单端反激式变换电路及相关波形由于隔离变压

25、器T除了具有初、次级间安全隔离的作用外，它还有变压器和扼流圈的作用，所以在反激式变换器的输出部分一般不需要加电感，但在实际应用中，往往在整流器和滤波电容之间加一个小的电感线圈，用以降低高频开关噪声的峰值。 3.1. 单端反激式变换器电路中的开关晶体管在单端反激式变换器电路中。所使用的开关晶体管必须符合两个条件，即在晶体管截止时，要能承受集电极尖峰电压，在晶体管导通时，要能承受集电极的尖峰电流。晶体管截止时所承受的尖峰电压按下面的公式进行计算： 公式中，vin是输入电路整流滤波后的直流电压，6mx是最大工作占空比。所谓占空比指的是晶体管导通的时间与晶体管的一个工作周期(导通时间十截止时间)之比。

26、为了限制晶体管的集电极安全电压，工作占空比应保持在相对地低一些，一般要低于50，即8mmo5。在实际设计时， x一般取0.4左右，这样它就限制了集电极峰值电压，vcmn22vm。因此，在单端反激式变换器电路设计中，晶体管的工作电压一般在800V以上，通常按900v计算可安全可靠地工作。 按如下粗算考虑：交流输入电压180260V，取260V，260v乘以14(有效值)，即是整流后的直流电压260L 4354V，360V再乘以22除800V，实际取值M mf等于900V即可。 第二个设计准则是必须满足晶体管在导遏时的集电极电流的需求。公式中，il是变压器初级绕组的峰值电流而n是变压器初级与次级间

27、的匝数比。 为了导出用变换器输出功率和输入电压表达集电慑峰值工作电流的公式，变压器绕组传递的能量尸m可用下式表示： (33)公式中，v是变换器的效率。略去推导过程，由输出功率和输入电压表达的晶体管工作电流的公式为： 假定变换器的效率V是0.8，最大工作占空比入f0.43.2. 单端反激式变换器电路中的变压器绕组 由于在单端反激式变换器电路中，变压器初级绕组只在BH待佐曲线磁滞回线)的一个方向上被驱动，因此，在设计时注意不要使其饱和，更为详尽的分析和设计将在第五章给出。在这里，我们只是强调一下，所选择的磁芯一定要有足够大的有效体积，通常应用空气隙来扩大其有效体积，传输变压器有效体积v的计算公式如

28、下： Ilamx最大负载电流L：变压器次级绕组的电感量；U0：空气的导磁率。其值为15Ue：所选磁芯的磁性材料的相对导磁率Bmax：磁芯的最大磁通密度。 相对导磁率从应尽可能选得大一些，以避免由于喂制磁充尺寸和线径，以及铜损和铁损引起磁芯温升过高。第4章 UC3842的原理及技术参数4.1 原理与特点UC3842 是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。该电路主要特点有：1，内含欠电压锁定电路2，低起动电流（典型值为0.12mA）3，稳定的内部基准电压源4，大电流推挽输出（驱动电流达1A）5，工作频率可到500kHz6，自动负反馈补偿电路7，双脉冲抑制8，较强的负载响应特性UC3842内部工作原理简介图1 示出了UC3842内部框图和引脚图，UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RTCT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上