一個開關電源的設計

一個開關電源的設計,一個,開關電源,設計 摘要 近年來隨著計算機在社會領域的滲透,電源芯片的應用正在不斷地走向深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的電源芯片應用系統(tǒng)中，電源芯片往往是作為一個核心部件來使用，僅電源芯片方面知識是不夠的，還應根據具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。 隨著數字技術，特別是計算機技術的飛速發(fā)展與普及，在現代控制、通信及檢測領域中，對信號的處理廣泛采用了數字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際處理對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數字儀表能識別和處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數字信號；而經計算機分析、處理后輸出的數字量往往也需要將其轉換成為相應的模擬信號才能為執(zhí)行機構所接收。這樣，就需要一種能在模擬信號與數字信號之間起橋梁作用的電路——模數轉換電路和數模轉換電路。通過對電源芯片接口我們可以將這些線路進行有效利用起來，本設計最后通過5V,12V,100V的電源來說明一下用途。 在基本電路設計方面，說明電路重要性，然后分別介紹小濾波電路、啟動電路、以及在電路中所利用的重要接口作說明，從而過渡到電源芯片接口上；在電源芯片應用系統(tǒng)的接口技術，介紹UC3842的單緩沖和雙緩沖接口及他們的應用，最后對這兩個的典型應用TL431芯片與PC817的接口比較。 綜上所述，本設計按照任務書要求，主要從介紹電源芯片基本電路設計、接口技術的發(fā)展和應用，最后對電源芯片開發(fā)設計及應用—5V,12V,100V的電源設計這些方面來進行的；而且在設計時充分考慮到各種可能的因素。 關鍵詞：UC3842基本電路TL431PC817 32 Abstract Inrecentyears,withcomputerpenetrationinthesocialsphere,powerchipapplicationsarecontinuouslydeepening,andleadthetraditionalcontroloftheCrescentbenefitsupdates.Inthereal-timedetectionandcontrolofpowerchipapplications,thepowerchipsareoftenasacorecomponenttouseonlypowerchipsknowledgeisnotenough,andalsoonspecifichardwarestructure,aswellasspecificcharacteristicsofthetargetapplicationsoftwareintegrationtobeperfect. Withdigitaltechnology,especiallycomputertechnologyandtherapiddevelopmentofuniversal,inthemoderncontrol,communicationsanddetectioninthefieldofsignalprocessingiswidelyuseddigitalcomputertechnology.Becausetheactualobjectsareoftendealingwithsomeanalog(suchastemperature,pressure,displacement,image,etc.),toacomputerordigitalinstrumenttoidentifyanddealwiththesesignals,theymustfirstbeconvertedintodigitalanalogsignal,andtheComputeranalysis,processingbeforeexportvolumefiguresoftenneedtobeconvertedintocorrespondinganalogsignalscanbereceivedbytheagenciesfortheimplementation.Inthisway,theneedforasignalintheanaloganddigitalsignalfromtheroleofabridgebetweenthecircuit-analog-digitalconversioncircuitsandato-analogconvertercircuit.ThroughthePowerchipinterfacewewillbeabletoeffectivelyusetheselines,andthefinaldesignofthe5V,12V,100Vpowersupplytoillustratethisuse. Inthebasiccircuitdesign,theimportanceofthecircuit,andthenintroducedonthefiltercircuit,thestartcircuitry,aswellasbytheuseofthecircuitinanimportantinterfaceforillustration,thetransitiontoapowerchipinterface;applicationinthepowersysteminterfacechip,introducedUC3842single-anddouble-bufferandbufferinterfacetheirapplications,thesetwofinalTypicalapplicationsTL431interfacechipandPC817comparison. Tosumup,inaccordancewiththemandateofthedesignrequirements,mainlyfrompowerchiponthebasiccircuitdesign,interfacetechnologydevelopmentandapplication,thefinaldesignofthepowerchipdevelopmentandapplicationof-5V,12V,100Vpowersupplyintheseareastocarryoutdesign;inthedesignandfullytakenintoaccountallpossiblefactors. Keywords:UC3842basiccircuitTL431PC817 目錄 1、緒論 4 1.1開關電源的發(fā)展概況 4 1.2.電力電子器件在電源中的應用 5 2 電路的硬件分析 8 2.1變換器極其技術分析 8 2.2晶體管極其技術分析 11 3電源系統(tǒng)的原理與組成 15 3.1開關電源原理方框圖： 15 3.2開關控制穩(wěn)壓原理 15 3.3開關穩(wěn)壓電路的類型 16 4電源主電路設計 16 4.1、UC3842的內部結構和特點 16 4.2電路結構與工作原理 17 4.2.1啟動過程 18 4.2.2穩(wěn)壓過程 18 4.2.3過流保護原理 19 4.3、設計中的注意事項 20 4.3.1起動電路的設計 20 4.3.2反饋繞組的設計 20 5電源反饋系統(tǒng)原理及方案確定 21 5.1Tl431與pc817的運用 21 6開關電源變壓器設計 24 6.1開關變壓器工作原理 24 6.2輸出100V,5V和12V的設計 26 7電源的emi設計 29 7.1電源EMI電磁干擾 29 7.2共模和差模干擾信號 29 7.3解決開關電源的電磁兼容性 29 致謝 31 參考文獻 32 附一: 32 1、緒論 能源在社會現代化方面起著關鍵作用。電力電子技術以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世紀必將得到大力發(fā)展，而開關電源是電力電子技術中占有很大比重的一個重要方面。 1.1開關電源的發(fā)展概況 開關穩(wěn)壓電源(以下簡稱開關電源)問世后，在很多領域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現的是串聯型開關電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關狀態(tài)。隨著脈寬調制(PWM)技術的發(fā)展，PWM開關電源問世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調制，電源的效率可達65%~70%，而線性電源的效率只有30％~40％。因此，用工作頻率為20kHz的PWM開關電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關注，在電源技術發(fā)展史上被譽為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、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備(如手提計算機、移動電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進了開關電源的不斷發(fā)展和進步。 開關電源的三個重要發(fā)展階段 40多年來，開關電源經歷了三個重要發(fā)展階段。 第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實現高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。 第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。 第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。 1.2.電力電子器件在電源中的應用 電力電子產品或電路的發(fā)展方向是模塊化、集成化。具有各種控制功能的專用芯片，近幾年發(fā)展很迅速，如功率因數校正（PFC）電路用的控制芯片；軟開關控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全橋用的控制芯片；ZVT、ZCTPWM專用控制芯片；并聯均流控制芯片；電流反饋控制芯片等。 功率半導體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作功率開關，將控制、驅動、保護、檢測電路一起封裝在一個模塊內。由于外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。 電路集成的進一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成。如現在的逆變器是將200～300個零件裝配在一起成為一個系統(tǒng)。這樣做法要花很多時間和人工，成本也高，也難于做得體積很小。美國VICOR公司生產的第一代電源模塊受生產技術、功率、磁元件體積和封裝技術的限制，密度始終未能超過每立方英寸80W。近年來，推出的第二代電源模塊，內部結也改為模塊式，達到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經達到了每立方英寸120W。電源模塊內含元件只有第一代產品的1/3，由115個減為35個。第二代電源模塊的控制電路只含兩個元件，被稱作“大腦”（Brain）?！按竽X”是兩片厚膜電路，由VICOR公司自己的無塵室自行開發(fā)生產，其總體積只有0.1in3，取代了第一代產品中的約100個控制元件，體積縮小了60%。第二代產品的另一個突破是變壓器的改良，采用屏蔽式結構和鍍銅磁芯，把初級和次級線圈分置左右兩邊而溫升很低。寄生電容和共模噪聲也很低。變壓器處理功率的密度達到了每立方英寸1000W，溫升只有3℃。第二代產品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封裝，可以提高散熱效率，降低寄生電感、電容和熱阻。第二代產品的集成度顯然提高了，但還不是系統(tǒng)集成。李澤元教授領導的美國電力電子系統(tǒng)中心（CenterofPowerElectronicsSystems,簡稱CPES）已經提出了系統(tǒng)集成的設想，信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起，組成的元件之間不用導線聯接以增加可靠性，采用三維空間熱耗散的方法來改善散熱，有可能將功率從低功率（幾百瓦～千瓦）做到高功率（幾十千瓦以上）。系統(tǒng)集成的結果，可以改變現在的半自動化、半人工的組裝工藝而可能達到完全自動化生產，因而可以降低成本，有利于普遍地推廣應用。李澤元教授正在應用這一設想，以CPES結合美國幾所大學的特長，在做電機驅動的系統(tǒng)集成工作。系統(tǒng)集成的第一步是把逆變器做成一個模塊，驅動電路、保護電路全部放進去；第二步是把逆變器和電機做在一起，形成一個系統(tǒng)集成。還有一個例，英特的微處理器是非常領先的，這些年的發(fā)展趨勢是速度更快，電壓更低，而需要的電流容量一直在增加。目前英特微處理器工作電壓是2～3V/10A，操作頻率是300MHz。預計兩年后甚至不需要兩年，它的工作電壓會降到1V、電流30～50A，操作頻率為1GHz。現在的做法是把開關電源緊靠在微處理器，開關電源以很快的速度提供電流給微處理器，這樣尚能滿足現有微處理器的要求。但將來微處理器工作電壓降低，電流增加，速度加快的時候，現有的解決方法將無法達到它的要求。三年前，李澤元教授就提出要徹底解決問題，必須將開關電源與微處理器結合在一起。今天英特公司大部分人接受了這一想法而在積極促成此事。提出的構想是：開關電源緊密結合在微處理器主機板下面。這樣開關電源的大小必須與微處理器相當，而現在的開關電源要比微處理器大幾十倍。如何減小體積？這又面臨新的挑戰(zhàn)！ 1.3開關電源發(fā)展的永恒方向 （1）開關電源頻率要高，這樣動態(tài)響應才能快，配合高速微處理器工作是必須的；也是減小體積的重要途徑。 （2）體積要減小，變壓器電感、電容都要減小體積。 （3）效率要高，產生的熱能會減少，散熱會容易，容易達到高功率密度。 2 電路的硬件分析 2.1變換器極其技術分析 隔離型開關變換器 1．推挽型變換器 下面是推挽型變換器的電路。 S2 S1 L C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T 圖2-6：推挽型變換電路 S1和S2輪流導通，將在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。 由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。 2．半橋型變換器 圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。 當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。 C 2Ui S2 S1 L R N1 N2 N2 Uo T C1 C2 同樣地，這個電路也相當于降壓式拓補結構。 圖2-7：半橋式變換電路 3．全橋型變換器 下圖是全橋變換器電路。 C Ui S3 S2 L R N1 N2 N2 Uo T S4 S1 圖2-8：全橋式變換電路 當S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，一次側將通過電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。 這個電路也相當于降壓式拓補結構。 4．正激型變換器 下圖為正激式變換器。 T N3 C L R N2 Uo S N1 VD2 VD3 Ui 圖2-9：正激型變換器電路 當S導通時，原邊經過輸入電源-N1-S-輸入電源，產生電流。當S斷開時，N1能量轉移到N3，經N3-電源-VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開期間續(xù)流。 5．隔離型Cuk變換器 隔離型Cuk變換器電路如下所示： N2 C12 T C2 L2 R Uo S N1 VD Ui L1 C11 圖2-10：隔離型Cuk變換器 當S導通時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過L2、C2 濾波后，對負載放電。 這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。 6．電流變換器 能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。 S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T N4 N3 VD1 VD2 VD3 圖2-11：能量回饋型電流變換器電路 該電路與推挽電路類似。不同的是，在主通路上串聯了一個電感。其作用是在S1、S2斷開期間，使得變壓器能量轉移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。 下面是升壓型變換器的電路圖： S2 S1 C R N1 N1 N2 N2 Ui Uo T L VD1 VD2 圖2-12：升壓型電流變換器電路 該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯了一個電感。在開關導通期間，L積蓄能量。當一側開關斷開時，電感電動勢和Ui疊加在一起，對另一側放電。因此，L有升壓作用 2.2晶體管極其技術分析 二極管主要是由晶體材料（硅、鍺及其他半導體材料等）制成，其主要的特性是單向導電。具體的是，當加在二極管兩端的正向電壓超過一定的數值時，二極管導通，隨之電路連通。而這個一定的電壓即死區(qū)電壓，一般為0.5～0.7V左右。如下圖Uon：在電路中可將二極管理想化為以下等效電路，在具體的電路分析中可簡化分析過程。 圖2—3 二極管主要有以下幾種： 整流、檢波、開關作用二極管：這類二極管有兩個相同的主要參數，即最大整流電流IF和最大反向電壓URRM。這兩個參數都是指二極管在長期連續(xù)工作時的電流和電壓。整流二極管的原理是利用其單向導電性，將交流成分濾掉。而檢波二極管是把原來調制在高頻電波中的低頻信號取出來，也叫解調。 穩(wěn)壓二極管：及當二極管導通后，其輸出電壓保持在一個穩(wěn)定的范圍之內。利用這一點可以制成用做穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)壓電源等。 快速恢復二極管：是近幾年出現的一種新型的半導體器件，具有開關特性好、反向恢復時間短、正向電流大、體積小等特點。它與普通的二極管的不同之處在于在P型、N型硅材料之間增加了基區(qū)I，構成P—I—N硅片，由于基區(qū)薄，反向恢復電荷少，降低了瞬時正向 壓降、且能承受較高的反向電壓、恢復時間一般為幾百鈉秒。其封裝形式為TO.220型。即兩個二極管對陰極或對陽極封裝。一般用在開關電源、不間斷電源、做高頻、高壓、大電流整流等作用。在本次研究分析電路中多處用到了這種二極管。其符號為： 圖2—4 兩端為其正極，中間為負極它的反向恢復電流波形如下： 圖2—5 （主要參數請參考附錄c） 三極管的基本特性是對電信號的放大和開關作用，在電路應用廣泛，它由三個區(qū)（集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)）、兩個結（集電結、發(fā)射結）組成。在電路中主要起到放大電流信號，并在開關電路中起到開關作用。 RPC—1000電路主要三極管及其特性： N 溝 道 ID UG UD RD 耗盡區(qū) P 漏極D 源極S 柵極G 結型場效應管：一般的雙極型晶體管是通過控制其基極的電流大小使集電極電流變化的目的，但由于其輸入阻抗不夠高，所以需要信號源提供一定的電流才能工作。而結型場效應管可以克服這一缺點。其主要原理是在一塊N型硅棒兩端引處電極，分別為漏極D和源極S，又在其兩側各制一個P區(qū)，制成柵極G。 圖2-6 其主要是利用耗盡區(qū)的寬度改變導電溝道的寬度來控制漏極電流，由于其輸入阻抗高，噪聲低，動態(tài)范圍大、溫度系數低，所以廣泛應用于調制，放大，穩(wěn)流，限流等電路中，在本次研究分析電路中應用較多。主要參數請參考附錄B 功率MOSFET三極管：在電子技術中，越來越多要求是低損耗，而功率MOSFET的損耗在以往的硅管器件中是最低。所以，RPC—1000在其電路的設計中大量采用了功率MOSFET管,來滿足它導通時的低阻抗性能。功率MOSFET管的主要特點是： 低導通電阻功率MOSFET器件的應用并不局限于在開關電源方面,功率MOSFET器件一直沿低導通阻抗方向發(fā)展。作為該器件的導通電阻值是有限度的(即受PN結耐壓和電阻的限制也稱為硅極限值)。對于在變壓器副邊實現同步整流應用的30V以下耐壓的功率MSOFET器件產品,主要是謀求削減溝道部分的電阻,現已由壓縮MOSFET的單元尺寸(SizeShrink)和平面縱向結構轉向溝柵(TrenchGate)結構。在持續(xù)降低溝道電阻的過程中,降低基板晶體的電阻也很重要;以往利用Sb摻雜的基板晶體電阻約為10～20mΩ,最近利用As摻雜基板晶體,其低電阻化效果顯著(數mΩ程度)。此外，由于芯片自身低電阻化顯著,封裝電阻方面顯得突出起來,尤其是壓焊引線電阻應當縮減。在削減壓焊接線電阻方面,通常利用直徑較大的引線多條并聯壓焊的方法;但是,更有效的是從功率MOSFET器件封裝方面進行改進,例如,日立公司采取LFPA封裝結構;在LFPAK封裝里,利用引線框架(LeadFrame)取代以往的壓焊用金屬絲,通過導膠鏈合使封裝電阻減半。而且,LFPAK封裝的實際組裝面積和SOP—8相同,可安裝的最大芯片尺寸比SOP—8的大20%,便于降低電阻。良好散熱封裝結構在謀求功率MOSFET器件低導通電阻和同樣尺寸芯片大電流的同時,對于組裝面積小的封裝必然要求高散熱性。前文提及的LFPAK封裝結構,正是謀求低導通電阻RON和高散熱性的良好封裝結構。通過采用外露散熱片的LFPAK封裝結構,可獲得到與SOP—8同樣的組裝面積,實現低熱阻化。 本次分析電路中大量用到功率MOSFET三極管。主要參數請參考附錄c 3電源系統(tǒng)的原理與組成 采樣電路 比較放大 基準電源 V/F轉換 震蕩器 基極驅動 開關器件 變壓器 整流 濾波 保護電路 功率因素校正 濾波 整流 浪涌抑制 輸入電路 變換電路 輸出電路 控制電路 3.1開關電源原理方框圖： PM電路控器（PFM） 圖3.1開關電源的基本結構圖 3.2開關控制穩(wěn)壓原理 開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供?？梢?，輸入電源向負載提供能量是斷續(xù)的，為使負載能得到連續(xù)的能量提供，開關穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。圖中，由電感L、電容C2和二極管D組成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲存能量，在開關斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負載，使負載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示： EAB=TON/T*E 式中TON為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期（即開關接通時間TON和關斷時間TOFF之和）。 由式可知，改變開關接通時間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負載及輸入電源電壓的變化自動調整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”（TimeRatioControl,縮寫為TRC）。 按TRC控制原理，有三種方式： 3.2.1、脈沖寬度調制（PulseWidthModulation,縮寫為PWM） 開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。 3.2.2、脈沖頻率調制（PulseFrequencyModulation,縮寫為PFM） 導通脈沖寬度恒定，通過改變開關工作頻率來改變占空比的方式。 3.2.3、混合調制 導通脈沖寬度和開關工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。 3.3開關穩(wěn)壓電路的類型 按調整管與負載的連接方式可分為串聯型、并聯型、變壓器型。 本設計（使用UC3842）開關電源是變壓器型開關電源，是由并聯型轉變而成，更具優(yōu)越性。 4電源主電路設計 4.1、UC3842的內部結構和特點 UC3842是美國Unitrode公司生產的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片。 UC3842為8腳雙列直插式封裝，其內部原理框圖如圖1所示。主要由5.0V基準電壓源、用來精確地控制占空比調定的振蕩器、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動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等構成。端1為COMP端；端2為反饋端；端3為電流測定端；端4接Rt、Ct確定鋸齒波頻率；端5接地；端6為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端7為集成塊工作電源電壓端，10-13VDC，關閉電壓10VDC；端8為內部供外用的基準電壓5V，帶載能力50mA。 4.2電路結構與工作原理 圖1 圖2所示為筆者在實際工作中使用的電路圖。輸入電壓為220V交流電。三路直流輸出，分別為+5V/4A，+12V/0.3A和100V/0.3A。所有的二極管都采用快速反應二極管，核心PWM器件采用UC3842。開關管采用快速大功率場效應管。 圖2 4.2.1啟動過程 首先由電源通過啟動電阻R1提供電流給電容C2充電，當C2電壓達到UC3842的啟動電壓門檻值16V時，UC3842開始工作并提供驅動脈沖，由6端輸出推動開關管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場效應管導通，電流通過變壓器原邊，同時把能量儲存在變壓器中。根據同名端標識情況，此時變壓器各路副邊沒有能量輸出。當6腳輸出的高電平脈沖結束時，場效應管截止，根據楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產生下正上負的感生電動勢，此時副邊各路二極管導通，向外提供能量。同時反饋線圈向UC3842供電。UC3842內部設有欠壓鎖定電路，其開啟和關閉閾值分別為16V和10V，如附圖所示。在開啟之前，UC3842消耗的電流在1mA以內。電源電壓接通之后，當7端電壓升至16V時UC3842開始工作，啟動正常工作后，它的消耗電流約為15mA。因為UC3842 的啟動電流在1mA以內，設計時參照這些參數選取R1，所以在R1上的功耗很小。 當然，若VCC端電壓較小時，在R1上的壓降很小，全部供電工作都可由R1降壓后來完成。但是，通常情況下，VCC端電壓都比較大，這樣完全通過R1來提供正常工作電壓就會使R1自身功耗太大，對整個電源來說效率太低。一般來說，隨著UC3842的啟動，R1的工作也就基本結束，余下的任務交給反饋繞組，由反饋繞組產生電壓來為UC3842供電。故R1的功率不必選得很大，1W、2W就足夠了。筆者認為，雖然理論上UC3842啟動電流在1mA以內，但實際應用時，按1.6～2.0mA設計則工作比較便利。即當VCC端電壓為U伏時 4.2.2穩(wěn)壓過程 從圖2中可知，當場效應管導通時，整流電壓加在變壓器T初級繞組Np上的電能變成磁能儲存在變壓器中，在場效應管導通結束時，Np繞組中電流達到最大值Ipmax，根據法拉第電磁感應定律： 式中：E——整流電壓；Lp——變壓器初級繞組電感；Ton——場效應管導通時間。 在場效應管關閉瞬間，變壓器次級繞組放電電流為最大值Ismax，若忽略各種損耗應為 式中：n——變壓器變比，n=Np/Ns，Np、Ns為變壓器初、次級繞組匝數。 高頻變壓器在場效應管導通期間初級繞組儲存的能量與場效應管關閉期間 次級繞組釋放的能量相等： 式中：Ls——變壓器次級繞組電感；Uo——輸出電壓；Toff——場效應管關閉時間。 上式說明，輸出電壓Uo與Ton成正比，與匝比n及Toff成反比。比如，由于電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓降低時，反饋線圈的輸出電壓則會變低，從而使2端電壓變低，則脈寬調制器會相應的增大輸出PWM波形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變長；反之，當電源電壓變化或負載變化而引起輸出電壓升高時，則脈寬調制器會相應的減小PWM輸出脈沖波形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變短，從而維持輸出電壓為一恒定值。 UC3842為固定工作頻率脈寬調制方式，輸出電壓或負載變化時僅調整占空比，控制場效應管的導通時間。反饋電壓輸入2腳，此腳電壓與內部2.5V基準進行比較，產生控制電壓，從而控制脈沖寬度；輸出脈沖的頻率由4腳外接定時電阻Rt及定時電容Ct決定，f 的單位取kΩ，Ct取μF。3腳為電感電流傳感器端，當取樣超過1V時，縮小導通脈寬，使電源處于間隙工作狀態(tài)；6腳，輸出端，內部為圖騰柱式，上升、下降時間僅50ns，驅動能力為±1A；7腳，供電輸入，起振后工作電壓為10～13V，低于10V停止工作，功耗為15mW；8腳，內部基準5V(50mA)。 4.2.3過流保護原理 當負載電流超過額定值或短路時，場效應管電流增加，R9上的電壓反饋至3腳(電壓大于1V)，通過內部電流放大器使導通寬度變窄，輸出電壓下降，直至使UC3842停止工作，沒有觸發(fā)脈沖輸出，使場效應管截止，達到保護功率管的目的。短路現象消失后，電源自動恢復正常工作。 4.2.4過壓保護原理 當因某種原因使輸出電壓過高時，由反饋繞組形成的電壓也高，從而使2腳的電壓過高，內部保護電路起動，使6腳輸出脈沖高電平時間變短，或不輸出 高電平使開關管截止。 4.2.5開關管保護電路 由D3、R10、C1及R11、C14、D4構成，消除由變壓器漏感產生的反峰電壓，從而使開關工作電壓不至于太高而毀壞。 4.3、設計中的注意事項 4.3.1起動電路的設計 電路如附一圖所示，電容C2儲存的能量要能滿足電源開始正常工作的需要，使得UC3842第7腳有穩(wěn)定、充足的輸入供給。即電容C2的放電時間要大于UC3842輸出脈沖的高電平持續(xù)時間。否則，電源將出現打嗝現象。因此，電容C2的容量和質量的選取非常重要。筆者在實際設計過程中，C2曾用100μF鋁電解電容，經常發(fā)現電源打嗝；測量反饋端電壓，總是太低，以至于反饋端的整流二極管都沒有工作，說明反饋端電壓幅度不夠。原因在于C2容量不夠，不能提供足夠的能量來使UC3842充分工作，因此，容量最好在100μF以上。 4.3.2反饋繞組的設計 當UC3842啟動后，若反饋繞組不能提供足夠的UF，電路就會不停地起動，出現打嗝現象。另外，根據筆者的經驗，若UF大于17.5V時，也會引起UC3842工作異常，導致輸出脈沖占空比變小，輸出電壓變低。故而反饋繞組匝數的選取及其纏繞是非常重要的，一般可按13～15V設計，使UC3842正常工作時，7腳的電壓維持在13V左右。 5電源反饋系統(tǒng)原理及方案確定 5.1Tl431與pc817的運用 本設計的基準電壓和反饋電路采用常用的三端穩(wěn)壓器TL431來完成，在反饋電路的應用中運用采樣電壓通過TL431限壓，再通過光電耦合器PC817把電壓反饋到uc3842的COMP端。 圖5.1.1TL431動能框圖 由于TL431具有體積小、基準電壓精密可調，輸出電流大等優(yōu)點，所以用TL431可以制作多種穩(wěn)壓器。其性能是輸出電壓連續(xù)可調達36V，工作電流范圍寬達0．1～100mA，動態(tài)電阻典型值為0．22歐,輸出雜波低。其最大輸入電壓為37V，最大工作電流為150mA，內基準電壓為2.5V，輸出電壓范圍為2.5～30V。 TL431是由美國德州儀器（TI）和摩托羅拉公司生產的2.5～36V可調式精密并聯穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價格低廉，可廣泛用于單片精密開關電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。此外，TL431還能構成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時電路、精密恒流源等。 TL431大多采用DIP-8或TO-92封裝形式，引腳排列分別如圖4.26所示。 圖5.1.2TL431電氣符號圖和等效電路圖 圖中，A為陽極，使用時需接地；K為陰極，需經限流電阻接正電源；UREF是輸出電壓UO的設定端，外接電阻分壓器；NC為空腳。 TL431的等效電路如圖所示，主要包括①誤差放大器A，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相端則接內部2.5V基準電壓Uref，并且設計的UREF=Uref，UREF通常狀態(tài)下為2.5V，因此也稱為基準端；②內部2.5CV基準電壓源Uref；③NPN型晶體管VT，它在電路中起到調節(jié)負載電流的作用；④保護二極管VD，可防止因K-A間電源極性接反而損壞芯片。TL431的電路圖形符號和基本接線如圖4.27所示。 圖5.1.3TL431的電路符號 它相當于一只可調式齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密分壓電阻來設定，其公式為： UO=(1+R1/R2)Uref R3是IKA的限流電阻。其穩(wěn)壓原理為：當UO上升時，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREF>Uref，比較器輸出高電平，使VT導通，UO開始下降。 反之，UO下降會導致UREF下降，從而UREF在本設計中就是利用TL431和光耦構成反饋電路，其工作原理就是當輸出電壓發(fā)生波動時，經分壓電阻得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流發(fā)生變化，再通過光耦去改變UC3842的COMP控制端電流的大小，調節(jié)UC3842的輸出占空比，從而達到穩(wěn)壓的目的 5.2PC817功能簡介 光電耦合器是以光為媒介來傳播電信號的器件。通常是把發(fā)光器（發(fā)光二極管LED）和受光器（光敏晶體管）封裝在同一管殼內如圖4.28。 圖5.2.1PC817內部框圖 當輸入端加電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導通，產生光電流從輸出端輸出，從而實現了“電-光-電”的轉換。 普通光電耦合器只能傳輸數字信號（開關信號），不適合傳輸模擬信號。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強弱變化會產生相應的光信號，從而使光敏晶體管的導通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。 PC817光電耦合器不但可以起到反饋作用還可以起到隔離作用。圖5.2.2為PC817集電極發(fā)射極電壓V與發(fā)光二極管正向電流If關系。 圖5.2.2PC817集射極電壓Vcb與二極管正向電流If關系 6開關電源變壓器設計 6.1開關變壓器工作原理 開關變壓器是將DC電壓﹐通過自激勵震蕩或者IC它激勵間歇震蕩形成高頻方波﹐通過變壓器耦合到次級,整流后達到各種所需DC電壓﹒變壓器在電路中電磁感應的耦合作用﹐達到初﹒次級絕緣隔離﹐輸出實現各種高頻電壓 開關變壓器主要工作方式 一.隔離方式:有隔離;非隔離(TV&TVM11) 二.激勵方式:自激勵;它激勵(F+&IC) 三.反饋方式:自反饋;它反饋(F-&IC) 四.控制方式:PWM:PFM(T&TON) 五.常用電路形式:FLYBACK&FORWARD 非隔離:P-S共用地﹐俗稱熱底板 有隔離:P-S不共用地 一.隔離方式: S2 S1 P=300V 220V*√2-VD F－ 取樣 分立元件震蕩 P=300V S1=120V S1=110V S2=57V F＋ 激勵 S3=16V 分立元件 單端反激勵(Flyback) 自激勵﹕用變壓器F+自激勵震蕩 它激勵﹕用集成IC它激勵間歇震蕩 二.激勵方式: S1=85V S1=120V S1=120V S2=12V S1=40V ＩＣ P=40V P=300V S3= ±12V F+=5VV S2=5V 單端反激勵(Flyback) 控制電路 Vo Vi 控制電路 Vo Vi Tr 單端正激勵(Forward) - Tr + Tr:TonIRLIRL 6.2輸出100V,5V和12V的設計 6.2.1繞組匝數的確定 而本次設計才用的是單端反激(Flyback)式變壓器如下圖 圖6.2變壓器繞組 圖為反激變壓器,其中 N1是一次側繞組 N2是反饋繞組 N3,N4,N5為二次側繞組 N1的輸入電壓約220V交流 N2的輸入電壓約10V直流（經半波整流后） N3的輸出電壓約102V直流（經半波整流后） N4的輸出電壓約13V直流（經半波整流后） N5的輸出電壓約6V直流（經半波整流后） 設計以占空比約等于50%設計此變壓器 若選取N1為100匝則 N2，N3，N4，N5分別為5匝，51匝，7匝，4匝， 6.2.2電壓的確定 N1的輸出電壓經tl431的2.5V的基準電壓，計算出輸出電壓為100V，再經pc817返饋到控制芯片，確定100V的穩(wěn)壓輸出。 N3和N4的輸出電壓略高于12V和5V的輸出，然后，通過7812和7805穩(wěn)壓輸出之后，正好是所要的12V和5V的輸出電壓。  7電源的emi設計 7.1電源EMI電磁干擾 （美）IBM公司的一項研究表明：一臺普通計算機裝置每月都會遭受120多次電源干擾。且電源問題是造成美國45％以上的計算機裝置丟失數據和發(fā)生故障的根本原因，對電源干擾的統(tǒng)計分析，如圖1.1。其中脈沖干擾占39.5％。振蕩瞬變占49％，這兩項共占88.5％，是電源干擾的主要成分。電網中的負載切換、電網切換或其它各種故障都會使電網發(fā)生瞬變過程產生脈沖噪聲，它通常也稱瞬變噪聲，其波形是一系列的單個脈沖或脈沖束。 7.2共模和差模干擾信號 關于上述各式各樣的EMI信號對電子設備的影響，可用圖1.3所示的單相供電系統(tǒng)模型來說明。其中把相線（L）與地（E）和中線（N）與地（E）之間存在的EMI信號稱之為共模干擾信號，即圖1.3 圖7.1供電系統(tǒng)產生的CM和DM干擾信號 7.3解決開關電源的電磁兼容性 從電磁兼容性的三要素講，要解決開關電源的電磁兼容性，可從三個方面入手。 1） 減小干擾源產生的干擾信號； 2） 切斷干擾信號的傳播途徑； 3） 增強受干擾體的抗干擾能力。 在解決開關電源內部的電磁兼容性時，可以綜合運用上述三個方法，以成本效益比及實施的難易性為前提。 對開關電源產生的對外干擾，如電源線諧波電流、電源線傳導干擾、電磁場輻射干擾等，只能用減小干擾源的方法來解決。一方面，可以增強輸入輸出濾波電路的設計，改善有源功率因數校正（APFC）電路的性能，減少開關管及整流續(xù)流二極管的電壓電流變化率，采用各種軟開關電路拓撲及控制方式等。另一方面，加強機殼的屏蔽效果，改善機殼的縫隙泄漏，并進行良好的接地處理。 而對外部的抗干擾能力，如浪涌、雷擊應優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力。通常，對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，可采用氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管等的組合方法來解決。對于靜電放電，通常在通信端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離，或選用具有抗靜電干擾的器件來解決?？焖偎沧冃盘柡泻軐挼念l譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波（如加共模電容或插入損耗型的鐵氧體磁環(huán)等）來提高系統(tǒng)的抗擾性能。 減小開關電源的內部干擾，實現其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩(wěn)定性及可靠性，應從以下幾個方面入手：注意數字電路與模擬電路PCB布線的正確區(qū)分、數字電路與模擬電路電源的正確去耦；注意數字電路與模擬電路單點接地、大電流電路與小電流特別是電流電壓取樣電路的單點接地以減小共阻干擾、減小地環(huán)的影響；布線時注意相鄰線間的間距及信號性質，避免產生串擾；減小地線阻抗；減小高壓大電流線路特別是變壓器原邊與開關管、電源濾波電容電路所包圍的面積；減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積；減小變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容；采用諧振頻率高的濾波電容器等。 關于傳播途徑，有如下問題值得注意。MCU與液晶顯示器的數據線、地址線工作頻率較高，是產生輻射的主要干擾源；小信號電路是抗外界干擾的最薄弱環(huán)節(jié)，適當地增加高抗干擾能力的TVS及高頻電容、鐵氧體磁珠等元器件，以提高小信號電路的抗干擾能力；與機殼距離較近的小信號電路，應加適當的絕緣耐壓處理等。功率器件的散熱器、主變壓器的電磁屏蔽層要適當接地，綜合考慮各種接地措施，有助于提高整機的電磁兼容性。各控制單元間的大面積接地用接地板屏蔽，可以改善開關電源內部工作的穩(wěn)定性。在整流器的機架上，要考慮各整流器間電磁耦合、整機地線布置、交流輸入中線、地線及直流地線、防雷地線間的正確關系、電磁兼容量級的正確分配等。 致謝 在本次畢業(yè)設計中，我得到了指導老師的熱心指導。自始至終關心督促畢業(yè)設計進程和進度。幫助解決畢業(yè)設計中遇到的許多問題。還不斷向我們傳授分析問題和解決問題的辦法，并指出了正確的努力方向，使我在畢設過程中少走很多彎路。同時，他還提供給我們專門的各種設備及場所，在調試過程中能夠有充足的時間。在這里非常感謝老師的指導和幫助，并致以誠摯的謝意！ 同時，身邊的同學給了我許多的幫助。在此，我向身邊關心我的同學致以誠摯的謝意！另外，系里的領導和老師也給了我們必要的指導，我也向系和年級的領導們表示衷心的感謝！最后感謝學院對我這幾年的培養(yǎng)。  參考文獻 [1]汪德彪、郭杰.MCS-51單片機原理及接口技術.北京：電子工業(yè)出版社，2003.8 [2]王港元.電子技能基礎.四川：四川大學出版社，2001.9 [3]李東生.Protel99SE電路設計技術入門及應用[P].電子工業(yè)出版社2002.2 [4]謝自美.電子線路設計、實驗、測試[M].武漢：華中科技大學出版社，2000. 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