开关稳压电源设计_通信电子-电子设计.pdf
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1、-.可修编-.开关电源的设计 同组参与者:方舟、周恒、涛 开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频试两种,实际应用中,而调宽式应用的较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制(PWM)型。开关稳压电源具有效率高,输出功率大,输入电压变化围宽,节约能耗等优点。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压;通常有三种方式:脉冲宽度调制(PWM),脉冲频率调制(PFM)和混合调制。PWM 调制是指开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式,因为周期恒定,滤波电路的设计比较简单,也是应用能够最广泛的调制方式。开关稳压电源的主要
2、结构框架如图1-1所示,有隔离变压器产生一个 15-18V的交流电压,在经过整流滤波电路,将交流电变成直流电,然后再经过 DC DC 变换,由 PWM 的驱动电路去控制开关管的导通和截止,从而产生一个稳定的电压源,如图1-1所示;-.可修编-.图 1-1 一 开关转换电路 1:滤波电路 输入滤波电路具有双向隔离作用,它可以抑制交流电网输入的干扰信号,同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。如图 1-2所示滤波电路中 C1 用以滤除直流份量中的交流成分,隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容,电阻 R 给电容提供放电回路,避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性,C2、C
3、3 跨接在输出端,能有效地抑制共模干扰,为了减小漏电流 C2、C3 宜选用瓷电容器.图 1-2 2.电压保护电路 如图 1-3 所示为输出过压保护电路。稳压管 VS 的调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它
4、可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.击穿电压稍大于输出电压额定值,输出电压正常时,VS 不导通,晶闸管 VS 的门极电压为零,不导通,当输出过压时,VS 击穿,VS 受触发导通,使光电耦合器输出三极管电流增大,通过 UC3842 控制开关管关断。图 1-3 输出过压保护电路 3.电压反馈电路 电压反馈电路如图 1-4 所示。输出电压通过集成稳压器 TL431 和光电耦合器反馈到 的 1 脚,调节 R1 R2的分压比可设定和调节输出电压,达到
5、较高的稳压精度。如果输出电压 U0 升高,集成稳压器 TL431 的阴极到阳极的电流在增大,UC3842的输出脉宽相应变窄,输出电压 U0 变小,同样,如果输出电压 U0 减小,可通过反馈调节使之升高。调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过
6、变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.图 1-4 电压反馈电路 二设计思路 开关电源由隔离变压器,整流滤波和 DC-DC变换电路组成。设计的关键是 DC-DC变换电路,它包含了开关电源中的开关器件,储能器件,脉冲变压器,滤波器,输出整流等所有功率器件和控制模块;而控制模块的设计又是 DC-DC的核心,一般 DC-DC控制模块使用专用的 PWM 调制芯片。如 TL494、UC3842 等,芯片部集成了误差比较器
7、、振荡器、PWM 调制器等,有的甚至有保护电路和驱动电路,在此情况下使用集成芯片加上少量的外围电路即可构成 PWM 控制电路,稳定性能较好、控制简单、芯片功耗几乎可以忽略、成本低,过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。当取样电阻超过指定围,立即切断负载,或者降低输出电压,然后过一段时间再自动启动,接上负载,由调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制
8、方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.继电器控制负载的连通性。三整流滤波电路设计 1.整流滤波电路设计:由给定题目可知开关稳压电源的前级电路主要由整流、滤、波稳压电路构成,特别是前一级经过隔离变压器降压,降压后得到 18V 的交流电,然后经过整流滤波稳压后,得到一个稳定的直流电送往后级。整流电路如图
9、 1-5 所示:图 1-5 整流滤波电路 整流滤波电路仿真波形 2.PWM 脉冲控制驱动电路 四:UC3842 分析:调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工
10、作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.UC3842 管脚排列图 UC3842 部结构连接图 调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由
11、的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.UC3842 功能说明 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,部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定,f=1.8/(RT CT);脚为公共地
12、端;脚为推挽输出端,部为图腾柱式,上升、下降时间仅为 50ns 驱动能力为 1A;脚是直流电源供电端,具有欠压、过压锁定功能,芯片功耗为 15mW;脚为 5V 基准电压输出端,有 50mA 的负载能力。如图所示,由分压电阻 R 提供分得的电压接入uc3842 的 7 脚(vcc),uc3842 启动工作,由 6 脚输出推动开关管工作,输出信号为高低电压脉冲,高电压脉冲期间,场效应管导通,电流通过变压器原边,同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况,此调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电
13、源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.时变压器各路副边没有能量输出,当 6 脚输出的高电平脉冲结束时,场效应管截止,根据楞次定律,变压器原边为维持电流不变,
14、产生上负下正的感生电动势,此时副边二极管导通,向外提供能量,同时反馈线圈向 UC3842 供电,UC3842 部设有欠压锁定电路其开启和关闭值分别为 16v 和 10v,电源电压接通后,当 7 脚电压升至 16v 时,uc3842 开始工作,开始正常工作后,它的消耗电流约为 15mA。如果出于某种原因,是输出端短路而产生过流,开关管的漏极电流将大幅度上升,uc3842 的 3 脚电压也将上升,当该脚的电压值超过正常值 0.3v 时,uc3842的 pwm 比较器则输出高电平,使 pwm 锁存器复位,关闭输出。此时 uc3842 的 6 脚无输出 mos 管 Q1 截止,从而起到保护电路的目的。
15、PWM 输出波形 调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以滤除直流份量中的交流成分隔离电容应选用
16、高频特性较好的碳膜电容电阻给-.可修编-.PWM 脉冲控制驱动电路 根据 MOS 管的工作频率围,选取适当的工作开关 频 率,此 设计 选 择的 工 作频 率 为 f=40kHz,因 此UC3842 的工作频率为 f=1.8/Rt Ct,再根据选择的工作频率 f=40khz,选择适当的电阻电容值,电阻为 1k、电容为 45nf,供给 vcc 管脚电压为 16v,2 脚输入基准电压为 5v。3开关管的选择 作为开关管使用的晶体管,除了具有放大特性以外,还要求具有开关速度和输出功率大等优点。由于开关管应能承受 380v 以上的电压,为安全起见,应采用耐压 vdcm=1kv,最大漏极电流 Idm=4
17、.3A,最大功耗Pdm=150w,这些参数完全符合要求。调宽式应用的较多在目前开发和使用的开关电源集成电路中绝大多数也为脉宽调制型开关稳压电源具有效率高输出功率大输入电压变化围宽节约能耗等优点开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即 冲宽度来改变占空比的方式因为周期恒定滤波电路的设计比较简单也是应用能够最广泛的调制方式开关稳压电源的主要结构框架图所示有隔离变压器产生一个的交流电压在经过整流滤波电路将交流电变成直流电然后再经过变换由的 波电路具有双向隔离作用它可以抑制交流电网输入的干扰信号同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网如图所示滤波电路中用以
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