開關(guān)電源的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 開關(guān)電源的產(chǎn)生與發(fā)展</p><p>　　隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過時(shí)。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關(guān)電源[1]。</p&g

2、t;<p>　　隔離式開關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。</p><p>　　早在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對多種電壓和電流的需求。</p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的

3、高度發(fā)展，高反壓快速開關(guān)晶體管使無工頻變壓器的開關(guān)電源迅速實(shí)用化。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開關(guān)電源控制要求的集成開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來越少，使得開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關(guān)穩(wěn)壓器系列。近年來高反壓Mos大功率管的迅速發(fā)展，又將開關(guān)電源的工作頻率從20kHz提高到150~200

4、kHz，其結(jié)果是使整個(gè)開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關(guān)電源的性能價(jià)格比達(dá)到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導(dǎo)之勢。當(dāng)然開關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢。在70年代后期，功率在100w以上的開關(guān)電源是有競爭力的。到1980年，功率在50w以上就具有競爭力了。隨著開關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20w以上，就要考慮使用開關(guān)電源了。過去，開關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成本較

5、高，但進(jìn)入90年代后，其成本下降非常顯著當(dāng)然這包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，</p><p>　　開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，因而引起社會(huì)各方面的重視而得到迅速推廣。 </p><p>　　隨著ＰＷＭ技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，以往

6、開關(guān)電源的設(shè)計(jì)通常采用控制電路與功率管相分離的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種方案存在成本高、系統(tǒng)可靠性低等問題。美國功率集成公司。Power Integration Inc開發(fā)的TOP Switch系列新型智能高頻開關(guān)電源集成芯片解決了這些問題，該系列芯片將自啟動(dòng)電路、功率開關(guān)管、ＰＷＭ控制電路及保護(hù)電路等集成在一起，從而提高了電源的效率，簡化了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)，使開關(guān)電源發(fā)展到一個(gè)新的時(shí)代?，F(xiàn)在有很多的設(shè)計(jì)

7、方法就是用TOP Switch的第三代產(chǎn)品TOP249Y開發(fā)變頻器用多路輸出開關(guān)電源[3]。</p><p>　　開關(guān)電源問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的發(fā)展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點(diǎn)是用20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)65%~70%，而線性電源的

8、效率只有30％~40％。因此，用開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20kHz革命。隨著超大規(guī)模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備（如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等）更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容

9、的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。</p><p>　　1.2 開關(guān)電源的研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　國際發(fā)展?fàn)顩r： </b></p><p>　　1955年美國的科學(xué)家羅耶首先研制成功了利用磁芯來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。20世紀(jì)

10、60年代末，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓、大電流的功率開關(guān)晶體管出了，從此直流變化器就可直接由工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)整流、濾波后輸入供電，體積大、重量重、效率低的工頻降壓變壓器終于給甩掉，這迅速擴(kuò)大了晶體管直流變壓器的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源。20世紀(jì)70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻率、高反壓，大電流的功率開關(guān)晶體管，高頻率、高溫電容、高反壓、快恢復(fù)肖特基二極管，高頻變壓器磁芯材料等元器件不斷地被研制，生產(chǎn)，

11、使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源不斷得完善和快速發(fā)展[6]。 </p><p>　　目前正在克服的困難，第一：從事開關(guān)穩(wěn)壓電源研究和生產(chǎn)的技術(shù)人員正致力于研制出轉(zhuǎn)換效率更高，體積更小，重量更輕的開關(guān)變壓器或者通過其他途徑和方法來取代電路中的變壓器。第二：進(jìn)一步研制適應(yīng)開關(guān)穩(wěn)壓電源高頻率工作的有管元器件和PCB電路。第三：進(jìn)一步提高它的輸出穩(wěn)定度和降低它的輸出紋波電壓，擴(kuò)大它的適用范圍。第四：尋求新的驅(qū)動(dòng)方式和

12、研制新的功率開關(guān)管。 </p><p>　　面對難題所出現(xiàn)的新突破和新進(jìn)展，第一：諧振式開關(guān)穩(wěn)壓電源，從根本上解決了由于功率管上的功耗大而導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換效率低的問題，和由于功率開關(guān)上的電流和電壓應(yīng)力大而導(dǎo)致開關(guān)電源可靠性和穩(wěn)定性低的問題。第二：具有零流關(guān)斷和零壓導(dǎo)通的復(fù)合功率開關(guān)管IGBT既具M(jìn)OSFT輸入驅(qū)動(dòng)所需功率非常小的輸入特性，又具有GTR導(dǎo)通以后管壓降非常小的輸出特性。這兩個(gè)問題的解決，

13、是的開關(guān)穩(wěn)壓電源可以拓展到大功率和超大功率的應(yīng)用場合。 </p><p><b>　　國內(nèi)發(fā)展情況： </b></p><p>　　我國晶體管直流工頻變換器和開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，研制和生產(chǎn)開始于20世紀(jì)60年代初期，到20世紀(jì)60年代中期進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)70年代初期開始設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)無工頻降壓變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源，1974年研制成功我國第一

14、臺10KHz、輸出直流電壓為5V的無工頻降壓變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源，近10年來，我國的許多研究所、工廠和高等院校紛紛研制出多種型號和多種用途的工作頻率在20K左右、輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源，并應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、電視機(jī)等方面。20世紀(jì)80年代初期開始試制工作頻率100-200KHz、無工頻降壓變壓器的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源，20世紀(jì)90年代初期試制成功，目前正在走向?qū)嵱煤瓦M(jìn)一步提高工作頻率階段，但是技術(shù)上與一

15、些先進(jìn)的國家相比仍有巨大的差距。由于我國的半導(dǎo)體與工藝跟不上時(shí)代的發(fā)展，導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無工頻降壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中的關(guān)鍵元器件，如功率開關(guān)晶體管、高頻開關(guān)變壓器磁性材料、儲(chǔ)能電感、快恢復(fù)續(xù)流二極管大部分仍然通過國外進(jìn)口。因此我國的開關(guān)穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界先進(jìn)水平，最根本的問題就是要提高我國的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝[5]。</p><p>　　1.3 開關(guān)電源的特點(diǎn)</p><

16、;p>　　(1)效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可達(dá)90%以上；</p><p>　　(2)重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量只有同容量線性電源的1/5，體積也大大縮小了；</p><p>　　(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在90~270 V內(nèi)變化時(shí)，輸

17、出電壓的變化在±2%以下。合理設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率；</p><p>　　(4)安全可靠。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護(hù)電路，因此當(dāng)電源負(fù)載出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，保障其功能可靠； </p><p>　　(5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在20 kHz以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是

18、，由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞，因此采用開關(guān)電源可以提高整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性[4]。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及主要部分電路</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)</p>

19、<p>　　輸入電壓：AC220V</p><p><b>　　輸入頻率：50Hz</b></p><p>　　輸入電壓范圍：AC176V-264V</p><p>　　輸出電壓、電流：DC5V，7A</p><p><b>　　輸出功率：35W</b></p><

20、p>　　2.1.2 總體設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)上述要求選用單端反激式電路,該電路的特點(diǎn)是:電路簡單,設(shè)計(jì)體積小且成本低。單端反激式電路由輸入濾波電路、電流型脈寬調(diào)制電路、功率傳遞電路、RCD 緩沖器、輸出整流濾波電路、誤檢測電路及信號傳遞電路等組成。</p><p>　　開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，輸入電壓為AC220V、50Hz的交流電經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路得到一

21、直流電壓，再通過控制電路中功率開關(guān)管不斷的導(dǎo)通和關(guān)斷對直流電壓斬波，和高頻變壓器T的降壓作用得到頻率為100KHz的矩形波電壓，然后經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓。為了使輸出電壓穩(wěn)定，用了TL431取樣，將誤差經(jīng)光耦合放大，通過PWM來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間（即占空比），使得輸出電壓保持穩(wěn)定[8]。</p><p>　　圖2-1開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.2 單端反激式變

22、換器</p><p>　　在此功率轉(zhuǎn)換電路中，采用單端反激式變換器，如圖2-2所示，它由開關(guān)管VT1、高頻變壓器T1、整流管VD1、濾波電容C1、及反饋控制和PWM驅(qū)動(dòng)等組成。單端是因?yàn)槠涓哳l變壓器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)，并且只有一個(gè)輸出端。按變壓器的副邊開關(guān)整流器二極管的接線方式不同，單端變換器可為兩種：正激式與反激式。原邊主功率開關(guān)管與副邊整流管的開關(guān)狀態(tài)相反（開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，副邊的整流二極管截止）稱為單

23、端反激式。當(dāng)原邊加到高電平激勵(lì)脈沖使VT1導(dǎo)通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時(shí)因副邊是上負(fù)下正，使整流二極管截止；當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為低電平使VT1截止，原邊兩端極性反向，使副邊繞組兩端變?yōu)樯险仑?fù)，則整流二極管被正向?qū)?，此后變壓器副邊的磁能向?fù)載釋放。因此單端反激式變換器只是在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放，故高頻變壓器在開關(guān)過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)能元件。</p><p>　　圖

24、2-2 單端反激式變換器原理圖</p><p>　　單端反激式變換器通常采用加氣隙來增大可工作的磁場強(qiáng)度H，減少剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；當(dāng)反激式變換器處于連續(xù)工作模式時(shí)，氣隙可有效防止磁芯飽和，因而可增大電源的輸出功率，減少變壓器磁芯損耗，進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。</p><p>　　2.3 雙環(huán)電流型PWM控制器</p><p>　　2.3.1雙環(huán)電流型PWM控制器的工作原理

25、</p><p>　　電流型PWM是在電壓型PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它在原有的電壓環(huán)上增加了電流反饋環(huán)節(jié),構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制。隨著電流型PWM控制器被越來越廣泛地應(yīng)用,正確掌握使用方法可以節(jié)約大量設(shè)計(jì)時(shí)間,并能取得較好的設(shè)計(jì)效果,因而是使用這一類控制器必須注意的問題。</p><p>　　從圖2-3可以看出,電流型控制器有兩個(gè)控制閉合環(huán)路:一個(gè)是輸出電壓反饋輸入到誤差放大器,與基準(zhǔn)電

26、壓比較后產(chǎn)生誤差電壓;另一個(gè)是變壓器初級電感線圈中電流在R 產(chǎn)生的電壓與誤差電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生調(diào)制脈沖的寬度,使得誤差信號對電感的峰值電流起著實(shí)際的控制作用。</p><p>　　圖2-3 電流型PWM控制器原理圖</p><p>　　其工作過程如下:若輸入電壓下降,整流后的直流電壓下降,經(jīng)電感延遲使輸出電壓下降,經(jīng)誤差放大器延遲, Vea 上升,占空比變化,從而維持輸出電壓不變,在電流環(huán)

27、中電感的峰值電流也隨輸入電壓下降,電感電流的斜率di/dt 下降,導(dǎo)致斜坡電壓推遲到達(dá)Vea ,使PWM 占空比加大,起到調(diào)整輸出電壓的作用。由于既對電壓又對電流起控制作用,所以控制效果較好,得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　2.3.2 雙環(huán)電流型PWM控制器的特點(diǎn)</p><p>　　(1)由于輸入電壓Vi的變化即反映為電感電流的變化，不經(jīng)過誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈沖寬度（

28、電流控制環(huán)），因而使得系統(tǒng)的電壓調(diào)整率非常好，可達(dá)到0.01%/V，能夠與線性穩(wěn)壓器相比。</p><p>　　(2)由于雙環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)在的快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性，反饋回路的增益較高，不會(huì)造成穩(wěn)定性與增益的矛盾，使輸出電壓有很高的精度。</p><p>　　(3)由于電阻R上感應(yīng)出峰值電感電流，只要R上電壓達(dá)到1V，PWM控制器就立即關(guān)閉，形成逐個(gè)脈沖限流電路，使得在任何輸入電壓和負(fù)載瞬態(tài)變化

29、時(shí)，功率開關(guān)管的峰值電流被控制在一定范圍內(nèi)，在過載和短路時(shí)對主開關(guān)管起到有效保護(hù)。</p><p>　　(4)誤差放大器用于控制，由于負(fù)載變化造成的輸出電壓變化，使得當(dāng)負(fù)載減小時(shí)電壓升高的幅度大大減小，明顯改善了負(fù)載調(diào)整率。</p><p>　　(5)由于系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是一個(gè)良好的受控電流放大器，所以把電流取樣信號轉(zhuǎn)變成的電壓信號和一個(gè)公共電壓誤差放大器的輸出信號相比較，就可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流，因

30、而系統(tǒng)并聯(lián)較易實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.4 UCC3802開關(guān)電源集成控制器</p><p>　　無工頻變壓器式集成開關(guān)電源分脈寬調(diào)制式(PWM ) 和脈頻調(diào)制式(PFM ) 兩大類。前者是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制, 后者則是對脈沖頻率進(jìn)行調(diào)制, 均可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓目的。目前, 開關(guān)電源大多采用PWM 方式, 也有少數(shù)用PFM 方式,后者要求濾波電路能在寬頻帶下工作。表2-1 列出目前國內(nèi)外生

31、產(chǎn)的脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器典型產(chǎn)品的分類。本文介紹的UCC3802是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片，由該集成電路構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源和電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，價(jià)格低廉；</p><p>　　(2)電壓調(diào)整率很好；</p><p>　　(3)負(fù)載調(diào)整

32、率明顯改善；</p><p>　　(4)頻響特性好，穩(wěn)定幅度大;</p><p>　　(5)具有過流限制、過壓保護(hù)和欠壓鎖定功能。因此它是目前比較理想的新型的脈寬調(diào)制器。</p><p>　　表2-1　脈寬調(diào)制器和脈頻調(diào)制器產(chǎn)品分類</p><p>　　2.4.1 UCC3802的原理及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　

33、UCC3802是新一代電流型PWM開關(guān)電源集成控制器，它是在UC3842 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,采用BiCMOS 晶片工藝,相比UC3842 的Bipolar 工藝,IC 消耗的功率小,電路傳輸時(shí)間短,可靠性高。該系列產(chǎn)品控制器外接元件少、設(shè)計(jì)簡單、成本低,且電源性能和可靠性可大幅度提高,是UC3842 系列的理想換代產(chǎn)品。</p><p>　　2.4.2 UCC3802的構(gòu)成與原理</p><

34、;p>　　UCC3802為8腳雙列直插式封裝形式，如圖2-4所示，它內(nèi)部主要由5.0V基準(zhǔn)電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。</p><p>　　圖2-4 UCC3802的管腳配置及內(nèi)部等效電路</p><p>　　電流控制型脈寬調(diào)制器能產(chǎn)生頻率固定而脈沖寬

35、度可以調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)信號，控制功率開關(guān)管的通斷狀態(tài)來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓的目的，鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時(shí)鐘頻率信號，利用誤差放大器和電流測定比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流測定、電流測定比較器構(gòu)成電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感電流的信號與誤差放大器輸出信號進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號的占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化，假如由于某種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號的脈沖寬度，亦即占空比D，使

36、斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。</p><p>　　由等效電路可知，反饋通道由電壓誤差放大器E/A、PWM 比較器和鎖存器及驅(qū)動(dòng)電路組成。受時(shí)鐘脈沖觸發(fā),功率管開通,電感電流上升,但電流上升到由E/A 控制的門限時(shí),PWM 比較器翻轉(zhuǎn),鎖存器復(fù)位,驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷功率管,電感電流下降,直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來,鎖存器置位,開關(guān)管重新開通。輸入電壓變化時(shí),電感電流的上升斜率變化,輸出占空改變以抑制輸

37、入電壓的變化,這是一個(gè)前饋調(diào)節(jié)過程,響應(yīng)極快;負(fù)載擾動(dòng)則是通過E/A 改變電流門限值進(jìn)行調(diào)節(jié)的。</p><p>　　UCC3802芯片引腳名稱見表2-2。</p><p>　　表2-2 芯片引腳名</p><p>　　2.4.3 UCC3802的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　（1）100uA超低啟動(dòng)電流。</p><

38、;p>　?。?）500uA超低工作電流。</p><p>　?。?）對電流檢測信號進(jìn)行前沿（100ns）數(shù)字濾波。</p><p><b>　?。?）軟啟動(dòng)功能。</b></p><p>　?。?）故障5ms延時(shí)再啟動(dòng)。</p><p>　?。?）圖騰柱輸出，峰值電流可達(dá)1A。</p><p&g

39、t;　?。?）振蕩器最高振蕩頻率可達(dá)1MHz。</p><p>　?。?）參考電壓精度為1%。</p><p>　?。?）電流檢測到輸出響應(yīng)時(shí)間70ns。</p><p>　　（10）電壓誤差放大器具有2MHz的頻帶寬度。</p><p>　　（11）低結(jié)溫、故障應(yīng)力小[14]。</p><p>　　2.4.4 UC

40、C3802的功能特點(diǎn)</p><p>　　UCC3802在UC3842系列基礎(chǔ)上作了較大的改進(jìn)并新增了一些功能，給使用和設(shè)計(jì)帶來許多方便，電路設(shè)計(jì)更加簡化，可靠性更高。</p><p>　?。?）簡化的芯片饋電方式</p><p>　　UCC3802極大地減小了芯片的啟動(dòng)電流和工作電流，電路內(nèi)部13.5V的穩(wěn)壓管可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓功能。這些特點(diǎn)允許芯片在低頻輸出時(shí)可直接

41、由整流電壓通過串聯(lián)電阻供電，不必加輔助的饋電繞組。</p><p>　?。?）輸出接口簡單可靠</p><p>　　芯片內(nèi)部輸出級采用CMOS電路，電路對電壓的過沖和下沖有很低的輸出阻抗，可以很好地抑制輸出驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降過沖，因此輸出端不必并聯(lián)肖特基二極管嵌位，MOSFET門極也不必加保護(hù)穩(wěn)壓管。此外，在欠壓鎖定（UVLO）期間，輸出端保持低電平將功率管可靠關(guān)斷，柵源極之間可不加泄放

42、電阻。芯片的輸出端只需一限流電阻與MOSFET門極直接相連。</p><p>　?。?）較強(qiáng)的抗噪能力</p><p>　　功率管開通時(shí)由于寄生電容放電引起電流尖峰，可能引起PWM比較器誤觸發(fā)。UC3842采用外加RC濾波電路的方法抑制信號前沿的尖峰噪聲，但濾波電容影響了系統(tǒng)的快速性。而UCC3802采用數(shù)字電路將電流反饋信號前沿的100ns屏蔽，有效地濾除了前沿的干擾噪聲。電流檢測信號可

43、直接送給芯片，不必外加濾波電路，取樣變得簡單而可靠。</p><p>　?。?）完善的保護(hù)電路</p><p>　　a. 內(nèi)部軟啟動(dòng)。電源啟動(dòng)時(shí)，由于輸出電壓沒有建立，輸出脈寬最大，濾波電容會(huì)有很大的沖擊電流，因而電源必須有軟啟動(dòng)功能。UC3842外加延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，而UCC3802將軟啟動(dòng)功能集成在芯片內(nèi)部，外圍的軟啟動(dòng)電路可以省去。</p><p>　　b.

44、 故障延時(shí)重啟動(dòng)。UCC3802的電流反饋信號除參數(shù)與PWM比較外，還送到過流保護(hù)比較器，過流保護(hù)門檻值為1.5V。過流或短路故障時(shí)，保護(hù)電路一方面關(guān)斷輸出脈沖，一方面啟動(dòng)延時(shí)電路，5ms后若故障消失，電源重新啟動(dòng)恢復(fù)正常；若故障存在，電路又進(jìn)入5ms延時(shí)，如此反復(fù)。該功能將開關(guān)管的短路重復(fù)周期從開關(guān)周期微秒級降低到幾個(gè)毫秒，極大地降低了變換器的短路損耗。</p><p>　　c.內(nèi)有5V精密基準(zhǔn)電壓，具有完備的

45、欠壓、過壓、及過流保護(hù)；啟動(dòng)電壓閾值為16V，關(guān)閉閾值為10V，6V的啟動(dòng)與關(guān)閉差值可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生振蕩[15]。</p><p>　　2.4.5 UCC3802的應(yīng)用</p><p>　　UCC3802可用于正激、反激、Buck、Buck-Boost、Boost以及Sepic等單端變換器中，本設(shè)計(jì)中示出UCC3802在反激變換器中的應(yīng)用[13]。</p&g

46、t;<p>　　第3章 系統(tǒng)主要元器件的選擇</p><p>　　3.1 電源噪聲濾波器PNF</p><p>　　PNF集標(biāo)準(zhǔn)IEC插座和濾波器一體化，提供優(yōu)良的電磁干擾抑制性能，小巧輕便，高可靠性，低價(jià)位，易于安裝，適用于開關(guān)電源，UPS，以及其他工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備，特別設(shè)計(jì)的接地裙邊同基板良好的電接觸能有效抑制高頻干擾的耦合路徑[12]。</p><

47、p>　　3.2 開關(guān)電源中的整流二極管的選擇</p><p>　　在開關(guān)電源中，無論是AC-DC變換器還是DC-DC變換器，高頻整流管的應(yīng)用之處很多。比如，RCD吸收緩沖回路、單端正激（或者反激）變換器中的去磁電路、電感續(xù)流電路、輸出整流電路、高頻隔離傳輸電路等。</p><p>　　在開關(guān)電源中常用的高頻整流二級管通常有：</p><p>　　快速恢復(fù)二級管

48、（Fast Recovery Diode），它是利用PN結(jié)單向?qū)щ娞匦酝瓿烧髯饔?，從?dǎo)通到關(guān)斷狀態(tài)的反向恢復(fù)時(shí)間很短。例如IXYS公司的DSEI60-06A的恢復(fù)時(shí)間ty≈75ns，IXYS公司的MEE250-12DA的tyy=400ns。FRD二極管的反向額定電壓可高達(dá)1000V以上，常用在高電壓輸出的整流電路中。</p><p>　　超快恢復(fù)二極管（Ultra-Fast Recovery Diode

49、），它也是利用PN結(jié)單向?qū)щ娞匦哉鞯?，反向恢?fù)時(shí)間比同類功率的FRD更短，正向壓降更小。例如反向額定電壓約1000V的IN6620-IN6631的反向恢復(fù)時(shí)間tyy=50ns，同F(xiàn)RD一樣，反響額定電壓可達(dá)1000V以上，并且高溫下反向電流小，正向恢復(fù)電壓低，常用在中、高壓輸出整流電路中。</p><p>　　肖特基二極管（Schottky Barrier Diode），準(zhǔn)確說為肖特基勢壘二極管，它是利用金屬

50、和半導(dǎo)體材料面接觸產(chǎn)生的勢壘完成整流作用的。目前多數(shù)SBD是用Si半導(dǎo)體材料，已出現(xiàn)SiC半導(dǎo)體材料、GaAs材料制成的SBD，其正向壓降VDF比UFRD還要低，約為UFRD的1/2～1/3。由于整流作用機(jī)理不同，由漂移現(xiàn)象產(chǎn)生電流，不存在積累現(xiàn)象，因此肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間很短，通常大約在10ns。肖特基整流二極管存有兩大缺點(diǎn)：其一，反向截止電壓的承受能力較低，目前的產(chǎn)品大約為100V；其二反向漏電流較大，使得器件比其他類型的整流

51、器件更容易受熱擊穿。當(dāng)然，這些缺點(diǎn)也可以通過增加瞬時(shí)過電壓保護(hù)電路及適當(dāng)控制結(jié)溫來克服。</p><p>　　RCD緩沖器（即前面所述的兩級吸收回路中）可選FR305 型快恢復(fù)二極管, 其耐壓值為1000 V , 額定整流電流為3 A。次級線圈回路宜選用肖特基二極管, 它屬于高頻、大電流、低功耗器件, 其正向?qū)▔航颠€不到快恢復(fù)二極管VF值的一半。D80- 004型肖特基二極管的主要參數(shù)如下: 平均整流電流I0=

52、 15 A , 最大正向壓降VF= 0.4V ,反向恢復(fù)時(shí)間tyy< 10 ns, 反向峰值電壓VR= 40 V。</p><p>　　反向恢復(fù)時(shí)間tyy的定義是: 電流通過零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)換成反向, 再從反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔。它是衡量高頻整流及續(xù)流器件的重要技術(shù)指標(biāo)。反向恢復(fù)時(shí)間愈短, 高頻開關(guān)特性愈好。肖特基二極管(SBD) 是以金、銀、鉬、鉑等貴金屬為正極(陽極) , 以N 型半導(dǎo)體材料為負(fù)極(陰

53、極) , 利用二者接觸而上形成的勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。由于它不存在電荷儲(chǔ)存問題, 故tyy值可小于10 ns?？旎謴?fù)二極管(FRD)采用P-I-N 硅片制成, 因基區(qū)很薄, 反向恢復(fù)電荷很小, 不僅大大減小了tyy值, 還降低了瞬態(tài)壓降, 使向電壓, 其tyy≈ 400 ns。超快恢復(fù)二極管(UFRD)的tyy≈ 50 ns。</p><p>　　3.3 功率開關(guān)管的選擇</p>

54、<p>　　開關(guān)電源中無論何種結(jié)構(gòu)的變換器，作為電子開關(guān)的功率開關(guān)管是不能缺少的重要器件，要求其只工作在快速開通和快速關(guān)斷兩種狀態(tài)，以減小轉(zhuǎn)換過程中引起的損耗，同時(shí)要求通態(tài)正向壓降小。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，選用功率MOSFET管。</p><p>　　功率場效應(yīng)晶體管MOSFET是利用柵極G電場效應(yīng)控制漏極D和源極S之間溝道電導(dǎo)，即電流通路中多數(shù)載流子密度，從而控制漏極電流的半導(dǎo)體器件。若導(dǎo)電溝道中載流子是

55、電子的，稱N溝道MOSFET；若溝道中載流子是空穴的，稱P溝道MOSFET（如圖3-1所示）。其中，每一類又可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。為提高功率容量，縮短溝道長度，降低通態(tài)電阻，都采用垂直并采用雙擴(kuò)散工藝，故功率MOSFET也稱VDMOS。它們絕大數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是因?yàn)镻溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻RON是N型器件的2～3倍。</p><p>　?。╝）N溝道

56、 （b）P溝道</p><p>　　（a）N channel （b）P channel</p><p>　　圖3-1 MOSFET管的符號</p><p>　　功率場效應(yīng)晶體管（功率MOSFET）具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小和安全工作區(qū)（SOA）寬等特點(diǎn)，因此，在高性能的開關(guān)電

57、源、斬波電源及電機(jī)控制的各種交流交頻電源中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。功率MOSFET與雙極型晶體管不同，因是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)，且輸入阻抗極高（約109Ω以上），因此是一種理想的電壓型控制器件。在高頻（比如100KHz）使用MOSFET比使用雙極型晶體管具有更多的好處，比如無載流子復(fù)合的存儲(chǔ)時(shí)間問題、工作頻率高、不存在二次擊穿、具有正溫度系數(shù)、多管并聯(lián)可自動(dòng)均流。缺點(diǎn)是導(dǎo)通壓降大，漏源擊穿電壓電壓BVDS大的管子導(dǎo)

58、通電阻RON大，一般限制功率MOSFET在高反壓開關(guān)電源中應(yīng)用，電壓和電流容限等級不大。MOSFET適用于高頻中、小功率開關(guān)變換器的電子開關(guān)及同步整流。使用MOSFET時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖的幅度應(yīng)控制在10V左右。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)MOSFET的導(dǎo)通閾值在2～5V，又因柵源間氧化層擊穿電壓在20～30V。過高的脈沖幅度或信號振蕩，有可能擊穿柵源間的氧化層。為防止振蕩，一般在靠近柵極串聯(lián)一只小電阻，在柵源之間接瞬態(tài)抑制二極管或穩(wěn)壓管，驅(qū)動(dòng)電路至MOS

59、FE</p><p>　　前已述及, 開關(guān)功率管應(yīng)能承受630V以上的高壓。為安全起見, 應(yīng)采用耐壓1000V的VMOS管故本設(shè)計(jì)中現(xiàn)選用美國國際整流器公司( IR ) 生產(chǎn)的具有低通電阻Ron 的N型溝道功率MOSFET管IRFPG40, 其漏-源極可承受最高電壓VDSM= 1000V , 最大漏極電流IDM= 4.3A , 最大功耗PDM=150W ,完全可滿足要求。但在使用時(shí)必須加合適的散熱器。</p

60、><p>　　3.4 開關(guān)電源中使用的電容器</p><p>　　(1)鋁電解電容器特性功能 </p><p>　　平波電容用于平滑紋波電流，主要采用大容量電解電容器。開關(guān)電源中使用的鋁電解電容器采用了很多新技術(shù)，如</p><p>　?、贁U(kuò)大電極箔蝕刻倍率；</p><p>　?、谔岣唠娊怏w被膜的化學(xué)和熱穩(wěn)定性；&l

61、t;/p><p>　?、坶_發(fā)耐熱性能好的高電導(dǎo)率電解液；</p><p>　?、懿捎酶邭饷苄缘哪蜔岱饪谝r料；</p><p>　?、萃ㄟ^生產(chǎn)工藝自動(dòng)化和生產(chǎn)技術(shù)的確定，提高產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　蝕刻倍率的增大跟電解體的有效面積的擴(kuò)大有關(guān)，且會(huì)增大每個(gè)電極箔單位面積的靜電容量，所有有助于小型化。影響鋁電解電容器的適用溫度范圍、溫度特性、高

62、頻阻抗和壽命等基本性能的是電解液。近年來開發(fā)出的一種新電解液已經(jīng)達(dá)到了開關(guān)電源所要求的性能，這種電解液是通過高沸點(diǎn)溶媒和離子離解度高的溶質(zhì)的組合并添加了高溫穩(wěn)定劑而成的。電容器的封口襯墊具有控制電液干燥的重要作用，所以襯墊材料的選擇對器件壽命的影響很大。現(xiàn)已開發(fā)出適用開關(guān)電源用的鋁電解電容器，如最新的發(fā)PL系列電容器，它的特點(diǎn)是在高溫壽命測試中，損耗角的正切值（tanδ）增加極小，即使在試驗(yàn)后，其高頻阻抗值也很少增加，所以，即使長期作開

63、關(guān)電源平滑用，也能保持穩(wěn)定性。</p><p><b>　　(2)吸收電容器</b></p><p>　　吸收電容器的作用是吸收晶體管與二極管開關(guān)工作以及變壓器與接線等電感所產(chǎn)生的浪涌，用于保護(hù)開關(guān)器件。這類電容要使用自身發(fā)熱少，即低損耗以及耐高壓的產(chǎn)品。HR系列是低損耗、耐高溫（+125℃）絕緣型陶瓷電容器，用于初級吸收電路的電容，耐壓250V/3kV，容量10～1

64、0000pF 。</p><p>　　目前，開關(guān)電源的模塊與低電壓直流/直流變換器中主要使用片狀疊層陶瓷電容器，現(xiàn)有500V系列已商品化。</p><p>　　3.5 精密可調(diào)基準(zhǔn)電源TL431</p><p>　　TL431是內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償?shù)母呔芏炔⒙?lián)穩(wěn)壓器，屬于三端可調(diào)式器件，有如下特點(diǎn):利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50～36V 范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值（即其陰

65、極工作電壓UKA＝2.50～36V）；參考電壓源誤差為±1.0%，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值為0.22 Ω；輸出電流（即陰極工作電流IKA ）為1.0～100mA;全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，典型電壓溫度系數(shù)αT＝50×10-6V/℃（即50ppm/℃）;低輸出噪聲電壓。其引腳、符號及內(nèi)部等效電路如圖3-2所示。從等效電路可知，它是一個(gè)內(nèi)含基準(zhǔn)電壓和誤差放大器的穩(wěn)壓集成電路。VREF視為誤差放大器的反向輸入端，工作時(shí)電路自

66、行調(diào)節(jié)陰極端的電壓，以使VREF端的電壓永遠(yuǎn)保持在2.5V[10]。</p><p>　　（a） </p><p>　?。╝） (b) (c)</p><p>　　圖3-2 TL431引腳、符號及內(nèi)部等效電路</p><p>　　三端并聯(lián)

67、穩(wěn)壓器TL431廣泛應(yīng)用于數(shù)字電壓表、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源、開關(guān)電源等等。在開關(guān)電源中常用于基準(zhǔn)參考電壓和輸出電壓取樣比較器。</p><p>　　TL431的三種基本應(yīng)用如下：其一作穩(wěn)壓管用，如圖3-3所示，當(dāng)R端（即VREF端）與陰極K端子短接時(shí)，變成輸出2.5V的基準(zhǔn)參考電壓，相當(dāng)于一個(gè) 2.5V的穩(wěn)壓管，但比普通穩(wěn)壓管具有更高的精密度和溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3-3

68、作穩(wěn)壓管用 </p><p>　　圖3-4 組成可變電源的電路</p><p>　　其二是用TL431構(gòu)成的可調(diào)輸出電壓的穩(wěn)壓器，如圖3-4所示，輸出電壓經(jīng)電阻、分壓加在TL431的端，輸出電壓為</p><p>　　==（1+/）+ （3-1）</p><p>

69、　　由于為uA 級電流，項(xiàng)可忽略，則</p><p>　　=（1+/） （3-2）</p><p>　　調(diào)節(jié)即可調(diào)節(jié)輸出電壓，范圍為2.50～36V。</p><p>　　其三作恒壓元件使用，它被廣泛用作開關(guān)穩(wěn)壓器的恒壓元件，如圖3-5所示。</p><p>　　在交流輸入方式的開關(guān)穩(wěn)壓器中，開

70、關(guān)電路和交流電源線之間沒有絕緣。但是，為了避免在在直流輸出側(cè)觸電的危險(xiǎn)性，采用變壓器隔離方法。另一方面，輸出電壓的變化也必須以隔離方式傳送給開關(guān)電路，因此，常采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖3-5 使用TL431的開關(guān)穩(wěn)壓電源</p><p>　　在圖3-5所示的電路中，將光電耦合器和TL431接在想穩(wěn)定的直流輸出端。若輸出電壓VO升高，TL431的K極電流IK就增大，流過光

71、電耦合器中發(fā)光二極管的電流也同時(shí)增大。因此，光敏三極管側(cè)的集電極電流增大，它作為穩(wěn)壓信號被接收，改變了加到開關(guān)三極管VT上的驅(qū)動(dòng)電壓波形，使輸出電壓VO降低，若用普通的運(yùn)放制作這部分電路的話，運(yùn)放的VC至少要7~8V。從4V左右開始，工作就十分穩(wěn)定。在本電路中，電源的直流輸出電壓VO與式（3-2）時(shí)完全一樣。另外，在開關(guān)穩(wěn)壓器中，穩(wěn)壓反饋電路中含有電感成分，容易起振。因此，需要在TL431的陰極K和參考極R之間接電阻R和電容C，對其內(nèi)部

72、放大器進(jìn)行相位補(bǔ)償 ，如在開關(guān)電源的原理圖4-1中，在TL431的陰極K和參考極R之間接入了RC網(wǎng)絡(luò)（由R10、C11和C12構(gòu)成）。</p><p><b>　　3.6 光電耦合器</b></p><p>　　光耦合器亦稱光隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。典型的光電耦合器等效電路如圖3-7所示。圖3-8為光電耦合器的基本電路，由內(nèi)部等

73、效電路可知，它主要由光源（即發(fā)光二極管）和光敏器件（即光電池、光敏三極管、光敏晶閘管等）組成。最通用的光電耦合器是把一個(gè)發(fā)光二極管LED和一個(gè)光敏三極管VT封裝在一個(gè)完全與外界光線隔離的外殼中。工作過程簡述如下：當(dāng)有電流流過LED時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)光源，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)電流的大小，此光照射到封裝在一起的光敏三極管VT上，控制VT產(chǎn)生一個(gè)與LED正向電流成比例的集電極電流，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換[9]。</p><

74、p>　　光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高；可廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間耦合、開關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口電路中。</p><p>　　光電耦合器在開關(guān)電源的主振回路中使輸入回路與輸出回路進(jìn)行電氣隔離，并為電源的穩(wěn)壓控制電路提供信號傳送通路。本設(shè)計(jì)中選用的是一只PC817型線形光

75、耦合器，其引腳排列及內(nèi)部電路如圖3-6、3-7所示。它采用DIP-4封裝，靠近黑原點(diǎn)處為第1腳，接收管的基極未引出。</p><p>　　圖3-6 引腳排列 </p><p>　　圖3-7內(nèi)部等效電路</p><p><b>　　圖3-8基本電路</b&

76、gt;</p><p>　　第4章 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 開關(guān)電源的電路原理</p><p>　　開關(guān)電源電路如圖4-1所示。該電路主要由芯片UCC3802、橋式整流電路、高頻變壓器、MOS功率管構(gòu)成的電流控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源。這種新型的控制方式使得開關(guān)電源同時(shí)具有很高的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。</p><p>　

77、　其工作原理為：剛開機(jī)時(shí), 220 V 交流電先通過PNF濾掉射頻干擾, 再經(jīng)過整流濾波獲得約+ 300 V 直流電壓, 然后經(jīng)R2 降壓后加到UCC3802的7腳，利用C2、C3的充電過程使VCC逐漸升至+ 16 V 以上，也就提供UCC3802的+ 16 V啟動(dòng)電壓。R1 是限流電阻, C1為濾波電容。同時(shí)，這一直流電壓被MOSFET功率管斬波并通過高頻變壓器降壓，變成頻率為100KHz的矩形波電壓，再經(jīng)過輸出整流濾波電路就得到了穩(wěn)

78、定的直流輸出電壓。電壓采樣及反饋電路由光耦PC817、TL431 及與之相連的阻容電路組成。其中經(jīng)過反饋電路中TL431內(nèi)部的誤差放大器并和2.5V基準(zhǔn)電壓比較得到誤差電壓，直接控制UCC3802內(nèi)部誤差放大器的輸出端；同時(shí)在電流檢測回路中，檢測電阻上產(chǎn)生的直流電壓也被反饋到UCC3802電流檢測比較器的同向輸入端，這個(gè)檢測電壓和誤差電壓相比較（見圖2-4），產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號，用來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間，以決定高頻變壓器的

79、通斷狀態(tài)，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。</p><p>　　圖4-1 開關(guān)電源的電路原理圖</p><p>　　比如,當(dāng)由于電源電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓降低時(shí),則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的增大輸出PWM波形的占空比,使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變長;反之,當(dāng)由于電壓變化或負(fù)載變化而引起輸出電壓升高時(shí),則脈寬調(diào)制器會(huì)相應(yīng)的減小PWM 波形的占空比,使大功率晶體管導(dǎo)通的時(shí)間變短,從而維持輸出電壓為一恒

80、定值。</p><p>　　4.2 開關(guān)電源保護(hù)電路</p><p>　　(1)為了防止由外部寄生參數(shù)引起的驅(qū)動(dòng)電流振蕩, 在UCC3802PWM控制變換器的輸出(pin6)與MOSFET 柵極之間串入一個(gè)限流電阻R5,以限制驅(qū)動(dòng)電流的峰值。C5 為消噪電容, R7 是電流檢測電阻，經(jīng)低通濾波后送到UCC3802的3腳，當(dāng)開關(guān)管電流超過1A時(shí)，UCC3802關(guān)斷，保護(hù)了開關(guān)管不致?lián)p壞。R6

81、 、C6構(gòu)成濾波器以濾去由R7檢測的電流中可能會(huì)有毛刺，防止電流比較器的誤動(dòng)作。</p><p>　　VD1、VD2 選用快恢復(fù)二級管FR305。VD3為輸出級的整流管, 采用肖特基二級管, 以滿足高頻、大電流整流之需要。</p><p>　　(2)在取樣電阻處串聯(lián)了一個(gè)電感L1。一方面，在M功率管關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，串聯(lián)上這個(gè)電感后能有效抑制這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而防

82、止了UCC3802的誤操作。另一方面，由于L1的電感量遠(yuǎn)大于取樣電阻的感性分量，因此與L1相比，取樣電阻的感性分量幾乎可以忽略不計(jì)，這樣也就不會(huì)產(chǎn)生炸機(jī)現(xiàn)象。</p><p>　　(3)RCD 緩沖器</p><p>　　在反激式變換器中,開關(guān)管所受應(yīng)力較高,這主要是開關(guān)關(guān)斷時(shí)漏電感引起開關(guān)管漏極電壓突然升高所致。抑制開關(guān)應(yīng)力有三個(gè)辦法:一種是在開關(guān)管處并聯(lián)一個(gè)電容,減小漏電感,但其能量損

83、耗大;一種是采用瞬間電壓抑制器,但其價(jià)格較高;另一種是RCD 緩沖器來耗散過壓的能量,使能量反饋回電源中。本文采用了后一種方法,即 由VD2、R8和C7 構(gòu)成了主功率開關(guān)管M的緩沖電路，以吸收M 漏源極的電壓尖峰，以防止功率器件的損壞。同理，由于高頻變壓器氣隙大，漏感仍存在，為了減小漏感儲(chǔ)能引起的電流突變及干擾，采用在變壓器原邊并聯(lián)RCD 緩沖器，即R9、C8和VD1作為脈沖變壓器的緩沖回路，吸收Np的漏感所產(chǎn)生的尖峰。電路簡單,相對價(jià)

84、格便宜,耗散過壓的能力依靠并聯(lián)的RC 電路,能量反饋回電源依靠定向二極管VD1 ,從而抑制尖峰脈沖。即由C8、VD1、R9，R8、VD2、C7構(gòu)成了兩級吸收回路, 用于吸收尖峰電壓。</p><p>　　4.3 振蕩器頻率的選擇</p><p>　　UCC3802 內(nèi)部振蕩器的頻率決定于接在RT/CT(4 腳) 的電阻R4和電容C4。據(jù)公式求得:</p><p>　

85、　===100KHz (4-1)</p><p><b>　　=10μs</b></p><p>　　所以振蕩器頻率選為100kHz ,周期為10μs ,若最大占空比為Dmax= 0. 5 此時(shí)導(dǎo)通時(shí)間Ton =5μs(max) ,關(guān)斷時(shí)間Toff=5μs (min) 。</p><p>　　由UCC3802構(gòu)成的開關(guān)

86、電源屬于單端反激變換器式。其最高工作頻率盡管可達(dá)1MHz,但受制作工藝、開關(guān)功率管頻率特性等因素的限制, 通常將f 設(shè)計(jì)為幾十至幾百千赫。使用VMOS管時(shí), f≈100kHz; 用雙極型開關(guān)功率管時(shí), f≈50 kHz 為宜。當(dāng)電路起振后, 用示波器從 UCC3802的第4 腳可觀察一定的周期波。</p><p>　　4.4 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　輸出整流濾波電路直接

87、關(guān)系到輸出電壓紋波大小，影響UCC3802提供的基準(zhǔn)電壓的性能。該部分電路由整流二極管VD3和LC網(wǎng)絡(luò)（C9,L2和C10）組成。開關(guān)電源輸出端的紋波幅值主要由以下幾個(gè)方面決定：</p><p>　　(1)輸入電源噪聲。主要是輸入交流電源中本身所包含的噪聲。</p><p>　　(2)高頻噪聲。開關(guān)電源是依靠功率開關(guān)管對經(jīng)過整流濾波的交流輸入電壓進(jìn)行高頻斬波，然后經(jīng)過變壓器傳輸、整流濾波再

88、次實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的目的，在其輸出端必然含有與斬波頻率相同的高頻噪聲，其大小主要與開關(guān)電源的斬波頻率及輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。</p><p>　　寄生參數(shù)引起的共模噪聲。由于功率器件和變壓器的原副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線間存在寄生電感，當(dāng)矩形波電壓作用于功率電路時(shí)，輸出端將產(chǎn)生共模噪聲。</p><p>　　(3)功率器件開關(guān)過程中引起的超高頻噪聲。由于整流二極管存在反向恢復(fù)時(shí)間，在正偏

89、到反偏的過程中，反偏的二極管存在寄生電容不能立刻停止，表現(xiàn)出電容特性。該等效電容與導(dǎo)線的寄生電感一起產(chǎn)生超高頻噪聲，經(jīng)LC濾波器衰減，在輸出端表現(xiàn)出超高頻噪聲。</p><p>　　為了減小上述幾方面因素產(chǎn)生的紋波，主要采用了以下的措施：</p><p>　　(1)對于交流噪聲，采用在輸入端接濾波電容（圖4-1中C1），進(jìn)行濾波。</p><p>　　(2)輸出整流

90、二極管的開關(guān)損耗占系統(tǒng)損耗的六分之一到五分之一，是影響開關(guān)效率的主要因素之一，本設(shè)計(jì)中的整流二極管選用肖特基二極管，（圖4-1中VD3）基于它低壓、低功耗、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源效率，其反向恢復(fù)時(shí)間短（<10ns），則有利于減少高頻噪聲，以及在消除輸出電壓的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢。整流管實(shí)際承受的最大反向峰值電壓Vs，應(yīng)該大于2倍所選整流管的最高反向工作電壓Vrm。</p><p>　　(3)針對高

91、頻噪聲和超高頻噪聲，采用了π型低通濾波電容電路（由圖中C9,L2和C10組成）。其中主輸出回路中的小電感L2可減小輸出的紋波電壓，并能衰減高頻噪聲。繞制高頻濾波電感時(shí)，應(yīng)避免線圈重疊，且要分布均勻，以減少寄生電容；作為濾波用的電解電容，其上的鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫，這時(shí)電容量不是主要指標(biāo)，衡量它好壞的是阻抗-頻率特性，因此要選用在開關(guān)電源的頻率內(nèi)有效的等效阻抗的電容。另外，安裝時(shí)要盡量靠近，以減少參數(shù)分布。</p>

92、<p>　　4.5 輸出端反饋電路設(shè)計(jì)</p><p>　　以往電路都采用在變壓器上多加一個(gè)反饋線圈,當(dāng)輸出電壓升高時(shí),變壓器的反饋線圈的感應(yīng)電壓就升高, 經(jīng)分壓后作為采樣電壓送入脈寬控制器,來控制占空比,這種電路簡單,但采樣電壓不是從輸出端直接取得,輸出精度不高,當(dāng)電源的負(fù)載變化較大時(shí)很難實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)壓,只適用于負(fù)載變化不大的場合。為了滿足負(fù)載變化較大時(shí)的供電要求,提高輸出電壓穩(wěn)定度，本文設(shè)計(jì)了一種從副

93、邊繞組輸出端直接進(jìn)行取樣反饋的控制電路,如圖4-1所示，電壓采樣及反饋電路由光耦PC817、TL431 及與之相連的阻容電路組成。</p><p>　　光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件,可以形成電流環(huán)路的傳送形式,電流環(huán)路是低阻抗電路,對噪音的敏感度低,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用,同時(shí)消除了電磁干擾而引起開關(guān)管誤觸發(fā)造成的損壞,而且線性度也比較好。</p><

94、p>　　其控制原理如下:輸出電壓經(jīng)R11和R12分壓后得到采樣電壓,此采樣電壓與TL431 提供的2. 5V 參考電壓進(jìn)行比較,當(dāng)輸出電壓為正常(5V) 時(shí),采樣電壓與TL431 提供的2.5V 參考電壓相等,則TL431的K極電位不變,流經(jīng)光耦二極管的電流不變,流過光耦CE 的電流不變, UCC3802的1 腳電位穩(wěn)定,輸出驅(qū)動(dòng)的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變。當(dāng)輸出5V電壓因?yàn)槟撤N原因升高時(shí),經(jīng)分壓電阻R11和R12分壓

95、值就會(huì)大于2.5V ,即輸入到TL431參考端的電壓也升高 ，此時(shí)流過光耦中發(fā)光二極管的電流增大，輸入誤差放大器的反饋電壓降低（即UCC3802的1 腳電位下降），導(dǎo)致6腳輸出驅(qū)動(dòng)信號的占空比變小，于是輸出電壓降低,這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的過程。該電路因?yàn)椴捎昧斯怦詈掀鳎瑢?shí)現(xiàn)了輸出和輸入的隔離，弱電和強(qiáng)電的隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。并且由于是對輸出電壓采樣，能直接反應(yīng)輸出電壓的變化，因此具有良好的穩(wěn)壓性能。</p><

96、;p>　　在使用UCC3802來控制開關(guān)電源的占空比時(shí),常規(guī)的用法是在UCC3802的腳1、2 之間加RC網(wǎng)絡(luò),用光耦和TL431等元件組成電源的反饋控制回路,把光耦的C極接到UCC3802的腳2作為輸出電壓的反饋。圖4-1所示的電路沒有采用這種接法,而是把光耦的C 極直接連到UCC3802 的腳1 作為輸出的電壓反饋, 從UCC3802的8 腳（基準(zhǔn)電壓腳）拉了一個(gè)電阻到1 腳,2腳直接接地。從圖4-1可以看出UCC3802 的

97、2腳是其內(nèi)部誤差放大器的反向輸入端,腳1 是誤差放大器的輸出端。這種接法略過了UCC3802內(nèi)部的放大器,這是因?yàn)榉糯笃饔米餍盘杺鬏敃r(shí)都有它的傳輸時(shí)間,輸出與輸入并不是同時(shí)建立,不用UCC3802的內(nèi)部放大器,其好處是把反饋信號的傳輸耗時(shí)縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間,從而使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。另外, TL431 內(nèi)部本身就有一個(gè)高增益誤差放大器,只不過它與高壓側(cè)隔離了,因此反饋信號經(jīng)TL431 內(nèi)的放大器和光耦后直接控制UCC3802 內(nèi)

98、部誤差放大器的輸出端(腳1) ,其控制精度并不會(huì)降低。而使用UCC3802內(nèi)部誤差放大器,則反饋信號連續(xù)通過了兩個(gè)高增益誤差放大器,增加</p><p>　　該電路通過輸出端采樣然后通過光電隔離反饋到UCC3802的腳1 ,略過了UCC3802內(nèi)部的放大器,縮短了傳輸時(shí)間使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。同時(shí)利用TL431 內(nèi)部的高增益誤差放大器,保證了高控制精度。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、外接元件較少,而且在電壓采樣電路中采用

99、了三端可調(diào)電壓基準(zhǔn),使得輸出電壓在負(fù)載發(fā)生較大的變化時(shí),輸出電壓基本上沒有變化。該電路具有很好的穩(wěn)壓效果。</p><p>　　另外，直接采用1腳做反饋，還能起到過載保護(hù)的功能。當(dāng)電源過載或輸出短路時(shí)，流過光耦中的二極管的電流會(huì)迅速增大，光耦中三極管的集射極電阻就會(huì)變得很小，因此1腳的電壓很快就被拉低。當(dāng)1腳的電壓低于1V 時(shí)，UCC3802 就會(huì)關(guān)閉6腳輸出，從而保護(hù)了電源。</p><p&

100、gt;　　4.6 高頻變壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　在單端反激式開關(guān)電源中, 高頻開關(guān)變壓器既是儲(chǔ)能元件又是傳遞能量的主體, 設(shè)計(jì)難度較大, 是一個(gè)十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)方法與其他類型的變壓器不同。</p><p>　　高頻變壓器的繞制是開關(guān)電源中比較關(guān)鍵的部分，關(guān)于高頻變壓器有關(guān)參數(shù)的計(jì)算及繞制方法，相關(guān)資料很多，介紹的也很詳細(xì)，在這里就不作為重點(diǎn)介紹，只給出幾個(gè)與實(shí)際繞制有關(guān)的參

101、數(shù)，包括變壓器鐵芯類型，初級電感量Lp，變壓器初、次級繞組匝數(shù)Np、Ns，變壓器容量以及鐵芯氣隙大小等參數(shù)。</p><p><b>　　(1)已知:</b></p><p>　　輸入電壓：AC 176-264V</p><p>　　輸出電壓：DC 5V </p><p>　　輸出電流：DC 7A</p>

102、<p>　　(2)磁芯材料的選擇</p><p>　　常見軟磁鐵氧體磁芯的材料性能見表4-1。表中的材料標(biāo)號MXO 為錳鋅鐵氧體,NXO 為鎳鋅鐵氧體,NQ 為鎳鉛鐵氧體,N GO 為鎳鋅高頻鐵氧體, GTO 為甚高頻鐵氧體。因NQ、N GO、GTO 型軟磁性材料的電阻率極高, 接近于無窮大, 故表中未列出具體數(shù)值[7]。</p><p>　　表4-1　軟磁鐵氧體磁芯的材料性能&

103、lt;/p><p>　　開關(guān)電源的頻率一般為幾十千赫至幾百千赫, 宜選國產(chǎn)MXO-2000型錳鋅鐵氧體, 其磁導(dǎo)率u=2000H/m。由這種材料制成EE 型磁芯具有漏感小、耦合性能好、繞制方便等優(yōu)點(diǎn)。對于20～ 80W 的小功率開關(guān)電源, 可采用E-12型磁芯, 磁芯有效截面積SJ= 1.44cm2,飽和磁通密度Bs= 400mT。使用時(shí)為防止出現(xiàn)磁飽和, 實(shí)取磁通密度B= 250mT。</p><

104、;p>　　(3)計(jì)算脈沖信號最大占空比Dmax</p><p>　　當(dāng)電網(wǎng)電壓在220 ×(1±0. 2)V 范圍內(nèi)變化時(shí), 對應(yīng)于176～ 264 V。經(jīng)全波整流濾波后的直流輸入電壓VImin≈ 240V ,VImax≈ 360V。單端反激式開關(guān)電源中所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢e≈170 V , 線圈漏感造成的尖峰電壓VL≈ 100 V。</p><p>　　因VImi

105、n+ e+VL≈ 630 V , 故開關(guān)功率管應(yīng)能承受630 V 以上的高壓。計(jì)算脈沖信號最大占空比：</p><p>　　== (4-2)</p><p>　　(4)計(jì)算初級線圈的電感量Lp</p><p>　　高頻變壓器初級線圈的電感量Lp由下式確定:</p><p>　　= (4-3)&l