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1、-基于UC3845的单级反激式开关电源的设计毕业论文-第 - 21 - 页 2015届毕业设计（论文）资料基于UC3845的单级反激式开关电源的设计教 学 部： 机电信息工程教学部 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 朱 赟 班 级： 电气1101 助教职称的填写在第二行；如只有一位指导教师则去掉第二行，如有三位教师，则再添加一行学号1112180114 指导教师姓名： 肖强晖 职称研究员级高工 职称 最终评定成绩： 2015年 5 月湖南工业大学科技学院毕业论文诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文，题目基于UC3845的单级反激式开关电源的设计是本人在指导教师的指导下，进行研
2、究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担责任。 作者签名： 日期： 年 月 日摘 要 随着电力电子技术的迅速发展，开关电源以其小体积，高效率等优点而得到广泛运用。传统开关电源普遍采用的是电压型脉宽调制(PWM) 技术，它有较多的自身缺陷,比如稳定性不好、寿命短、响应速度慢,，而且当用于大功率应用时，信号变化大会产生干扰,还会造成功率管损坏等故障。而对于一个既实用又稳定可靠的开关电源而言,核心控制电路模块是其整个开关电源是否能够真正达到稳定可靠的关键所在。论文采用单
3、端输出的电流型控制芯UC3845作为本设计开关电源的核心控制器。这种芯片基于电流型PMM技术。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的负载调整率和电压调整率,系统的动态特性和稳定性也得以显著改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使整个控制电路变得简单可靠。通过对峰值电流控制模式进行分析和计算,利用电流控制模式进行外环电压信号采样和内环电流信号采样,通过简单而有效的斜率补偿电路和驱动电路,可实现电路的过流保护,磁通平衡,负载调整率等,具有动态响应速度快和内环电流环工作稳定特点。通过对峰值电流控制模式进行分析和计算,利用电流控制模式进行外环电压信号采样和内环电流信号采样,通过简单而有效的斜率补
4、偿电路和驱动电路,可实现电路的过流保护,磁通平衡,负载调整率等,具有动态响应速度快和内环电流环工作稳定特点。通过实验表明,基于UC3845的开关电源核心控制电路具有很好的稳定性和可靠性。关键词:UC3845;反激式变换器；电流型PWM;开关电源基于UC3845的单级反激式开关电源的设计第 1 章 绪论.1.1 课题背景及意义 1.2 国内外开关电源的研究现状1.3 开关电源及其技术的发展趋势1.4 本文工作内容及结构第 2 章 开关电源设计的理论基础2.1 开关电源的基本工作原理2.2 开关电源电路常用拓扑结构2.3 反激式变换器不同工作状态下的参数分析2.4 反激式开关电源的控制反馈模式2.
5、4.1 电压控制模式2.4.2 电流控制模式2.5 本章小结第3章控制电路工作原理及设计3.1开关电源的功能要求3.2电流控制型脉宽调制器UC38453.2.1 UC3845内部方框图3.2.2 UC3845功能介绍3.3基于UC3845的控制电路设计3.3.1开关频率计算3.3.2保护电路设计3.4 本章小结第4章 单端反激式开关电源软件仿真与P测试分析第5章 总结与展望第一章 绪 论1.1 课题背景及意义 电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分。随着电力电子技术的发展，电子信息技术领域里电子设备的广泛应用，这些设备对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源已经无法再
6、满足当前的使用要求。 线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压电源。电源是节能的重要环节之一，电源经过电源技术与电力电子技术处理后，其节能效果显著提高。比如家用电子设备的待机损耗往往很容易被人们所忽视，其实这个耗电量非常惊人。据美国调查显示，这种损耗在美国每年损失大概 35.64 亿美元。德国环卫机构显示，在德国这样的损耗每年高达 23.1 亿美元，超过都柏林一年总用电量。因此电源技术的进步是衡量一个国家科技发展的重要标志之一1。传统线性稳压电源的技术虽然比较成熟，并且已有大量集成化的稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠性强等优点，但通常都需要体积
7、大且笨重的工频变压器和体积与重量都很大的滤波器，而且调整管工作在线性放大状态，导致了调整管的功耗较大、散热高、效率低2。20世纪50年代，美国航天局体积小、重量轻、效率高为目标，为搭载火箭开发了开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。关稳压器的出现，彻底改变了稳压器的稳压概念，开关电源是以功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比来调节输出电压。开关电源内部的关键器件工作在高频开关状态，其本身消耗的能量很低，因此机内温升也低，保证了整机的稳定性和可靠性3。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以
8、来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。1.2 国内外开关电源的研究现状美国科学家 G.H.Royer在1995年首先研制了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。从而引领了一股风潮，各种形式晶体管直流转换器陆续问世，并取代了之前广泛运用的旋转式换流设备与机械振子式设备4。但是当时的电子技术还在起步阶段，并不能研发出耐高压、开关转换速度快、高功率的开关晶体管，所以这个时期的开关电源只能采取低
9、电压输入、低功率频率。20 世纪 60 年代，随着微电子技术的高速发展，各种高电压、大电流的功率开关管相继出现了，所以直流变换器可以直接由电网电压经过整流、滤波后输入供电，体积庞大、重量笨重、效率低的工频降压变压器终于被弃用了。由于省掉了工频变压器，开关稳压电源真正走上了效率高、重量轻、体积小而备受青睐应用的道路。20 世纪 70 年代，与这种技术有关的高频率、高电流的功率管，高频率、高温电容、快恢复的肖特二极管，高频变压器磁芯材料等元器件不断被研发、生产出来，使得开关电源不断得到完善与发展，被广泛应用于电子计算机、航天、航海、军事电子设备等领域，成为各种供电电源的佼佼者5。 80 年代初，意
10、法半导体有限公司率先推出了 L4960 系列单片开关式稳压器。1994年美国动力公司在世界上首先成功研制三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们称为“顶级开关电源”，随后又推出了高效、低价位、小功率的四端单片开关电源Tiny Switch系列。到2000年，美国国家半导体公司研制出高效率0.5ASimple Switch DC-DC转换器，其效率高达 96%，能够适应低温运行，并且长寿命、小体积。而安森美半导体生产的微功率脉冲宽度调制器（PWM）的升压 DC-DC 变换器，可以节约百分之六十的封装体积，具有增强功能，可以降低手机、数码相机以致其他消费类手提产品的电源损耗。由此可见，开关电源技术
11、发展迅速，日趋成熟6。与国外开关电源技术相比，国内从 1977 年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。到了上个世纪80年代中期幵始对幵关电源进行市场推广,并应用于各个行业。目前国内 DC/DC 模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一般的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产 DC/DC 产品所代替。目前市场上开关电源中功率管多采用双极性晶体管，开关频率可达几十千赫兹；采用 MOSFET 的开关电源转换频率可达几百千赫兹。而高速开关器件的使用，可以提高开关电源的开关频率。对于兆赫兹以上开关频率
12、的电源可以利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫兹级变换器已经实用化。开关电源发展的趋势和技术的追求可以概括四个方面，即： 高频化、薄型化、轻量化、小型化。开关电源的重量和体积主要由一些储能元件（如电容和磁性元件）来决定，所以说，使开关电源尽量的小型化就是使其中电容和磁性元件等储能元件体积尽可能的减小；一般来说，提高电源的开关频率，一方面能够使变压器及电感、电容的尺寸减小，另一方面还能够有效的抑制干扰，使系统的动态性能得到很好的改善。所以，高频化就成了开关电源一个主要的发展
13、方向。 高可靠性。开关电源所使用的电子元器件与连续工作的电源相比少了数十倍，所以提高了电源的可靠性。另一方面，从寿命的角度出发，如光耦合器、排风扇以及电解电容等元器件的寿命能够决定着开关电源的使用寿命。因此要从设计的方面考虑，尽可能较少的使用元器件，以提高电源的集成度。这样不但能够解决可靠性差、电路复杂的问题，还增加了一些保护功能等，使电路得到简化，最重要是将平均无故障的时间提高了。 低噪声。噪声大是开关电源一个很大的缺点。在单纯去追求电源高频化的同时，电源的噪声也将随之而增大。为此采用部分谐振转换回路技术，能够在原理上不仅降低噪声还可以提高开关频率。所以，开关电源另一个发展的方向就是尽可能的
14、使电源的噪声降低。 开关电源一直被称为是高效能的电源，现在它代表了稳压电源发展的方向，并且成为了稳压电源最主要的产品。开关电源采用了控制集成电路和高频变压器，具有效率高、可靠性好、输出稳定等一些特点，成为了电源今后发展的趋势。 成本高，可靠性低。微电子技术、阻容器件生产技术和磁性材料烧结技术等与发达国家相比，我国还存在一定的差距，所以开关电源的造价与成本不能够进一步降低，这也影响到电源的可靠性进一步的提高。 1.3 开关电源及其技术的发展趋势 我国信息业、国防业、家电行业，特别是电信业的迅速发张，是电源市场的强大推动力。进入 21 世纪，开关电源技术将有更大的发展。为了满足人类对开关电源更广泛
15、的需求,开电源已经朝着智能化、模块化、小型化和高频化方向继续向前发展。源技术发展的大趋势概括如下: 1、高频化磁技术 就目前来说,幵关电源小型化已经是电力、电子设备发展的主要方向之一,开关电源频率的提高,跟随其后的功率密度、开关电源质量、体积、动态响应度等等,也都发生了革命性的变化。随着开关电源工作频率的增高，在低频下可以忽略的某些参数，在高频下会对电路的某些性能产生重要的影响，对磁性材料也有更高的要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。2、高频化电磁兼容(EMI)技术 关电源的工作频率相对很高,甚至有的会产生浪涌电流现象,有的时候一些尖峰电压,或者其他各种噪声,都会引起电磁干扰、谐波干扰、传导
16、型干扰等,这不但严重污染周围的电磁环境，对附近的电磁设备造成干扰，还可能危及到附近操作人员的安全。并且单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。在原理上，可以采用谐振变换技术，这样既能提高频率又可以降低噪声与干扰，所以电磁兼容技术也是开关电源又一发展方向鉴于这一缺点,一些稍微精密的电子仪器通常不能应用开关电源。现在,开关电源的电磁千扰由于自身的特性,在测量调试过程中具有一定困难,对于电磁兼容方面的研究还有待进一步深入7。3、软开关技术 们可以用增加功率密度方法来提高开关电源的开关频率。那么如何解决开关频率提高带来的增加开关噪声和开关管损耗呢？软开关技术可以解决上述问题,其中比较常见的应用是有源软开关
17、技术和无源软开关技术。软开关是指零电压开关 ZVS 或零电流开关 ZCS。利用软开关，可使功率开关管开关损耗降至最低，既可以提高电源效率，还对功率开光起到了保护作用。4、功率因数校正技术(PFC)在电力电子装置当中，一般都采用二极管整流电路，存在导通角的问题，从而使得输入电流在输入电压峰值附近出现尖脉冲（如图1-1所示），故而造成功率因数低，如图1-1所示。功率因数校正（英文全称为Power factor correction ，缩写为PFC）的关键思想就是通过一定的控制方式使得二极管整流电路的输入阻抗特性呈现纯阻性8，实现输入电流同步跟踪输入电压变化。如图1-2所示。根据其电路组成的不同，P
18、FC技术可划分为无源功率因数校正技术和有源功率因数校正技术。 图1-1不加PFC模块时输入电压电流的波形 图1-2加PFC模块时输入电压电流的波形5、数字智能化在传统的开关电源技术方面,控制部分不是主导地位,作用也不是很好,因为开关频率是由控制部分通过采样相关的模拟信号来工作的,不能实现真正的稳定效果。伴随着开关电源技术的不断提高,其中的拓扑系统性能和功效也在不断得到提升。以前的开关电源对于现在人们的需求,已经不能够在市场上应用了,逐步被淘汰。更多的控制则要通过具备成本和经济效益以及一些其他优点的数字电路来一一实现。数字智能电源是以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源
19、驱动器及 PWM 控制器作为控制对象而构成的电源系统，能充分发挥数字信号处理器与微控制器的优势，采用了“整合数字”技术，实现了开关电源中的模拟组件与数字组件的优化组合，其高集成化，实现了电源系统单片集成化，便于构成分布式数字电源系统9。智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，引起人们的关注。此外，数字电源还可以通过远程诊断来确保系统长期安全可靠工作，包括故障处理、过电流保护以及避免停机等。 开关电源可编程化。可调式开关电源都是通过手动调节电阻来改变输出电压的，调节精度低，且使用也不方便。利用数字电位器（DCP）代替可调电阻，可构成由计算机控制的可编程开关电源10。6、大电容技术 超级电容
20、器是电容器方面进来最新技术进展。它可以分为有机系与水系两个系列。超级电容器可以串联组成超高压组件或者并联组成低压高能量储存组件，它具有储能大充电快，充电电流可大可小，工作温度范围宽，无毒性，寿命长等居多优点，有很强的使用价值。7、模块化技术现在的集成电路越来越应用广泛,在开关电源部分也逐渐被集成化、模块化。在开关电源集成模块中,为了将整体体积缩小、质量降低,将开关电源的功率开关器件、保护电路以及控制电路都集成在一个模块当中。对开关电源进行模块化、集成化处理的同时也伴随着不良现象:比如频率不断升高时,功率开关管、寄生电容电感工作时产生的噪声会随之严重,可靠性也降低。为了解决这个问题,用户专用模块
21、ASPM被研发生产出来。这种模块化技术就是将一台整机的一切硬件部分全部都安放到此模块当中,这种模块具有很好的应用性,不仅降低了整体噪声的影响,而且体积小,重量轻,便于携带,稳定性高,同时降低了对外界产生的干扰。可以看出,开关电源模块化和集成化顺应现代各行各业的需求,也是开关电源发展的一大趋势。1.4 本文工作内容及结构本文利用反激式变压器的特点，基于 PWM专用控制芯片UC3845，设计一个单级反激式小功率的开关电压源。电源输入交流电压220V（175V265V），输出直流电压为+24V，要求具有过压保护、短路保护、过热保护等功能。本文分为六章，主要内容和结构安排如下： 第一章 绪论，主要介绍
22、本文的选题背景及其意义、国内外研究状况、开关电源及其应用技术的发展趋势。 第二章 简述开关电源的基本原理。介绍了几种常用的开关电源拓扑结构，通过对比分析，为本文选择合适的拓扑结构，并对所选择的反激式变换结构进行了详细的参数分析，同时对开关电源的反馈控制模式作出了对比分析与选择。 第三章是单端反激式开关电源电路级设计。从电路级对本设计开关电源各电路模块参数进行计算和选取，主要包括 EMI 滤波器设计、保护电路和整流电路、高频变压器设计、无源钳位 RCD 电路设计、SR 电路设计、控制电路及后级滤波电路等。 第四章是单端反激式开关电源软件仿真与 PCB 设计。主要包括电路建模和仿真，波形测量及分析
23、，电路 PCB 设计。 第五章是单端反激式开关电源测试与分析。分别进行开机启动特性分析、效率测量、输出电压准确度测量和分析、高频变压器电气性能测试、负载调整率测试和分析、纹波和纹波系数测量和分析等。 第六章是结论和展望。包括本文的工作总结及下一步工作的改进意见。最后总结与回顾全文的工作，提出了不足之处并对下一步工作进行了展望。第 2 章 开关电源设计的理论基础2.1 开关电源的基本工作原理开关电源是利用控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开
24、关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。采用交-直的变换，能够高效地产生一路或多路高品质的稳定直流输出电压。开关电源的基本结构比较简单，具体如图 2-1 所示，主要由以下 4 个部分组成。 （1）输入整流滤波电路，包括从交流电到输入整流滤波器的电路，用来消除来自电网的各种干扰，也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网，将电网输入的交流电进行整流滤波，同时为开关变换器提供波纹较小的直流电压8。 （2）开关变换器，它包括功率开关管与高频变压器，它是开关电源的核心部分，它把直流电压转换成高频交流电，经过高频变压器再变成所
25、需要的隔离输出交流电压9 （3）PWM 控制电路（PWM 调制器），包含振荡器、基准电压 UREF、误差放大器与 PWM 比较器，控制电路产生脉冲宽度调制信号，其占空比受反馈电路的控制10。 （4）输出整流滤波电路，将开关变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压，并且防止高频噪音对负载的干扰，电路原理与输入滤波电路相同。图2-1 开关电源的基本构成2.2 开关电源电路常用拓扑结构反激式开关电源的拓扑结构如图 2-2 所示，当开关管 Q1 导通时，只有初级绕组导通（其他绕组因未导通，可暂不考虑其对初级电压的影响），此时，开关管可认为只是给电感储存能量。当开关管 Q1 关断时，只有次级绕组导
26、通，分析时可暂不考虑初级绕组对次级绕组的影响（此时次级可认为只是电感放电过程）。所以，反激变换器从功能上考虑，实际只是有着若干绕组的电感而已。在这种情况下，初次级绕组的电压并不相关，次级绕组电压只与负载有关系。假设次级绕组安匝数为 100，匝数为 10，则峰值电流为 10A，如果将这样的次级绕组100 的负载相连，则可以在次级得到不可思议的 1000V 电压。当次级有几个绕组同时导通时，则所有次级绕组的安匝数之和与初级绕组的安匝数守恒11。根据反激变换器初级电感和负载电流的不同，可分为以下三种工作模式：续工作模式(DCM）、连续工作模式(CCM)和临界工作模式。 2-2反激式开关电源拓扑结构2
27、.3 反激式变换器不同工作状态下的参数分析反激式变换器一般有两种工作方式：完全能量转换（电感电流不连续）和不完全能量转换（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的，动态分析时要做不同的处理。实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化，和负载电流在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式，因此，常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。但是，要求同一个电路能实现从一种工作方式转变为另一种工作方式，在设计上是较为困难的。而且，作为单片开关电源的核心部件高频变压器的设计，反激式变换器中的变压器兼有储能、限流、隔离的作用。2.3.1当电流连续时反激式变换器的基本
28、关系(1) 开关状态1（0-Ton）在t=0瞬间，开关管S导通，电源电压Ui加在变压器初级绕组W1上，此时，在次级绕组W2中的感应电压为，其极性“*”端为正，是二极管D1截止，负载电流由滤波电容Cf提供。此时，变压器的次级绕组开路，只有初级绕组工作，相当于一个电感，其电感量为L1，因此初级电流从最小值开始线性增加，其增加率为： （1-1）在时，电流达到最大值。 （1-2）在此过程中，变压器的铁心被磁化，其磁通也线性增加。磁通的增加量为： （1-3）(2）开关状态2（Ton-Ts） 在t=Ton时，开关管S关断，初级绕组开路，次级绕组的感应电动势反向，其极性“*”端为负，使二极管D1导通存储在变
29、压器磁场中的能量通过二极管D释放，一方面给电容C充电；另一方面也向负载供电。此时只有变压器的次级绕组工作，相当于一个电感，其电感量L2。次级绕组上的电压为，次级电流从最大值线性下降，其下降速度为： （1-4） 在时，电流达到最大值。 （1-5） 在此过程中，变压器的铁心被磁化，其磁通也线性增加。磁通的增加量为： （1-6）(3）基本关系在稳态工作时，开光导通铁心磁通的增加量必然等于开关管关断时的减少量，即，则由式（1-3）和式（1-6）可得 （1-7） 式中，是变压器初、次级绕组的匝数比。 开关管S关断时所承受的电压为Ui和初级绕组W1中感应电动势之和，即 （1-8）在电源电压Ui一定时，开关
30、管S的电压和占空比Du有关，故必须限制最大占空比Dumax的值。二极管D承受的电压等于输出电压Uo与输入电压Ui折算到次级的电压之和，即 （1-9） 负载电流Io就是流过二极管D1的电流平均值，即 （1-10）根据变压器的工作原理，下面的两个表达式成立： （1-11） 由以上各式可得 （1-12）2.3.2在电流断续时反激式变换器的基本关系在电感电流断续时，不仅与占空比有关，而且还与负载电流有关,下面通过能量守恒进行推导。一个周期T内直流母线电压Ui提供的功率为 (1-16)又因,则有 (1-17)设变换器的效率为80%，则有输入功率=1.25*输出功率,即： (1-18) 可以求得 (1-1
31、9)2.4 反激式开关电源的控制反馈模式开关电源主要有两种控制模式，即电流控制（Current Mode Control）与电压控制（Voltage Mode Control），两种都有各自的优越性与局限性。要根据实际情况选择选择控制模式。2.4.1 电压控制模式电压控制型是开关电源常用的一种控制类型,其工作原理(如图2-4-1所示):首先对输出电压进行釆样,将所釆集到的电压作为反馈信号来控制电路的输入信号，取样电压 Uf与基准电压 Uref进行比较，并将比较结果放大成为误差信号，此误差信号作为 PWM 比较器的输入端，PWM 的另一个输入端为振荡器产生的锯齿波信号，两者进行比较可以获得脉冲宽
32、度与误差电压成正比的调制信号即 PWM 信号，PWM 信号用来控制开关管的占空比。电压控制模式输出阻抗低，可以通过多路电源给同一负载供电，且只有一个电压反馈控制环，电路设计简单。其最大的缺点是对于电压信号有相位延迟，故其响应速度慢，补偿网络设计本来就复杂，闭环增益随输入电压而变化，使得其更为复杂，另外需设计过电流保护。 电压控制型 关电源的优点:(1)单环控制(电压控制环)电路设计简单。(2)抗噪声能力强。(3)在调制过程中工作稳定。(4)输出阻抗低,可以釆用多电源给同一负载供电。电压控制型 关电源的缺点:(1)响应速度慢。(2)需要另外设计过流保护电路。(3)控制回路相位补偿较为复杂。 图2
33、-4-1电压控制模式原理图2.4.2 电流控制模式电流控制模式(如图2-4-2所示)是在电压控制模式中电压控制环的基础上新增了电流控制环,属于双环控制系统,其电压控制环是用来侦测输出电压,内部电流控制环是用来侦测功率开关管的开关电流,并逐个周期对电路进行限制,便于实现过流保护。电流控制型 关电源的优点:(1)双环控制系统(电压控制环和电流控制环)。(2)对输入电压瞬态变化的响应快,从而迅速的调节输出电压。(3)本身带有限流保护电路。电流控制型开关电源的缺点:(1)由于是双环控制,电路设计和分析较为复杂。(2)对噪声的抑制力较差。 图2-4-2 电流控制模式原理图2.5 本章小结本章介绍了开关电
34、源的结构原理与基本拓扑结构，通过对比分析采取了适合本论文的反激式拓扑结构，并对反激式开关电源的工作参数进行了计算与分析。最后阐述了PWM 开关电源的两种反馈控制模式，选择电流控制模式作为本论文的反馈模式。3.1 开关电源的功能要求 随着电子设备种类的增多，且对他们的工作要求越来越高，所以对作为供电设备的开关电源的性能要求也增大了。本文设计的开关电源应用于继电保护装置等电子设备，具有以下功能： （1）宽输入电压范围。一般情况下，开关电源的输入电压为交流 220V，但来自电网的电压会出现波动，宽电压输入范围的开关电源能保证电网电压在规定范围内波动时，开关电源能稳定输出电压。 （2）高精度输出电压。
35、输出电压精度是衡量开关电源性能优劣的基本指标之一。随着小型电子产品等精密仪器的出现，对开关电源的输出电压准确度更为严格，输出电压一般不能超出额定范围的 150mv 甚至更少。 （3）良好的电压调整率。电压调整率反映了电源输入电压发生改变时，输出电压维持稳定的能力。电压调整率越小，电源稳定输出电压的能力越强。 （4）纹波小。输出纹波容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害，同时降低了电源的效率。较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁电器。所以纹波越小越好。 （5）效率较高。在节能、环保型社会，开关电源的效率越高越好。在设计开关电源时，要充分收集开关电源的各项性能指标，以便能满足用户
36、的需求。根据上述功能要求，本文开关电源的技术指标如下（1）输入电压：AC175V265V，输入频率：50Hz；（2）输出电压范围：+24V ；（3）输出额定电流：2A；（4）额定输出功率：50W；（5）电源效率：不低于84%；（6）输出纹波电压：不高于100mV（峰峰值）；（7）负载稳定度：负载从0%到100%不高于0.5%；3.2电流控制型脉宽调制器UC38453.2.1 UC3845内部方框图UC3845系列芯片的内部方框图，如图3-2所示。 图3-2 UC3845内部方框图1脚为误差放大输出，并可用于环路补偿；2脚是误差放大器的反相输入；3脚是电流取样端，通常通过一个正比于电感器电流的电
37、压接到这个输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通；4脚为RT/CT端，通过将电阻RT连至Vref并将CT连至地，使得振荡器频率可调；5脚为接地端；6脚为输出端，输出开关频率为振荡器的一半；7脚为Vcc端；8脚为参考输出，它经RT向电容CT提供充电电流，可提供大电流图腾柱输出，输出电流达1A。3.2.2 UC3845功能介绍（1）过压保护和欠压锁定当工作电压Vcc大于36V时，稳压二极管稳压，使内部电路在小于36V下可靠工作；而当欠压时，有锁定功能。在输入电压U小于开启电压阀值时，整个电路耗电lmA，降压电阻功耗很小。此芯片采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可
38、用，正电源端和参考输出各由分离的比较器监视，每个都具有内部的滞后，以防止通过它们各自的门限时产生错误输出动作。（2）振荡频率的设置如图3.2所示，UC3835芯片8脚和4脚之间接RT，4脚和5脚之间接CT，8脚5V基准电源经RT给定时电容CT充电，U振荡器工作频率f为 (3-1 )(3)误差放大器的补偿UC3845的误差放大器同相输入端接在内部+25V基准电压上，反相输入端接受外部控制信号，其输出端可外接RC网络，然后接到反相输入端，在使用过程中，可改变R、C的取值来改变放大器的闭环增益和频率响应。(4)电流检测和限制电流检测电路，如图3-3所示。正常运行时，检测电阻K的峰值电压由内部误差放大
39、器控制，满足式(3-2)。 (3-2)图3-3 电流检测与限制为误差放大器输出电压、为检测电流。UC3845内部电流测定比较器反向输入端箝位电压为lV，最大限制电流。在RS和3脚之间，常用R、C组成一个滤波器，用于抑制功率管开通时产生的电流尖峰，其时间常数近似等于电流尖峰持续时间(通常为几百纳秒)。（5）内部锁存器UC3845内部设置有PWM锁存器，加入锁存器可以保证在每个振荡周期仅输出一个控制脉冲，防止噪声干扰和功率管的超功耗。（6）图腾柱输出UC3845的输出级为图腾柱式输出电路，输出晶体管的平均电流为200mA，最大峰值电流可达4-1A，由于电路有峰值电流自我限制的功能，所以不必串入电流
40、限制电阻。（7）驱动电路UC3845的输出能提供足够的漏电流和灌电流，非常适合驱动N沟道MOS功率晶体管，图3-4(a)为直接驱动N沟道MOS功率管的电路，此时UCl84X和MOSFET之间不必进行隔离。若需隔离可采用图3-4(b)所示的隔离式MOSFET的驱动电路。图3-4 驱动电路3.3基于UC3845的控制电路设计控制电路原理图如图2-5所示。稳压管VZ2和电阻R3是为了防止脉冲信号电压过高而照成开关管的损坏，对电路进行稳压，考虑到开关所能承受的电压，选取15V的稳压管，电阻R3=20k。电阻R11和电容C13组成RC滤波器对6脚输出的脉冲电压进行滤波，所以R11=20欧姆，C13=47
41、00pF。3.3.1开关频率计算如图3-5所示，UC3844的脚8与脚4间电阻R8及脚4的接地电容C17决定了芯片内部的振荡频率，由于UC3844内部有个分频器，所以驱动MOSFET功率开图3-5 驱动电路原理图关管的方波频率为芯片内部振荡频率的一半。本实验设计的电路频率为40KHz，则UC3845的振荡器工作频率为80KHZ。电阻R8一般取10k，则电容C17由式3-1计算可得为2.15nF。电容C18取为0.1uF。3.3.2保护电路设计如图3-5所示,电源电压过压时，2脚电压将会增大，当增大到一定值后，UC3845将会关断PWM波，即让6脚输出为0，MOS管Q1关断，电源电压自然就会下降
42、，下降到一定程度后，反馈电压VFB也同时变小，这样UC3845的6脚又开始输出PWM波，控制MOS管的开通关断，使电压维持在12V左右。MOSFET功率开关管的源极所接的R6是电流取样电阻，变压器原边电感电流流经该电阻产生的电压经滤波后送入UC3844的脚3，构成电流控制闭环。当负载短路或过流时，通过MOS管的电流增大，则取样电阻R6上的电压也会升高，当三脚的电压高于1V时，电流采样比较器输出高电平使PWM锁存器置0而使输出封锁，从而达到保护的效果。若故障消失，下一个时钟脉冲到来时将使PWM锁存器自动复位。由于MOS管开通关断时，有可能产生电流尖峰，并传递到UC3845的3脚，为防止UC384
43、5误保护，我们在R6上并联一个RC滤波电路，其中R5=1K，C14=470pF，这样就可以滤除电流尖峰，防止误保护。3.4本章总结本章首先介绍了控制芯片UC3843的基本结构，并对其外围电路进行了设计和参数计算。然后设计了基于UC3845的控制电路，阐述了系统的整个框图，并对整个系统的工作原理进行了讨论。对开关频率进行了计算，最后完成了保护电路的设计。第4章 单端反激式开关电源软件仿真与测试分析第5章 总结与展望 如今,电力电子技术正在飞速地发展,一些电子控制设备对直流稳压电源的要求不断严格,因为一些设备更加精密复杂,对开关电源要求输出电流增大,对应的功率值也就需要提高。同时还要考虑到噪声、干
44、扰信号、输出电压纹波、工作效率、电磁干扰等因素。这些指标的要求相对来说都很高。所以,对于开关电源的控制电路上,对容量大、性能高方面的研究有着非常广阔的市场前景。本设计主要针对大功率开关电源的控制硬件电路,整体上可以有如下几方面的结论:1、在开关电源启动的时候为防止产生非常大的电流信号对幵关管损坏或信号干扰,设计了软启动电路。启动电路延时了开启时间,保证了系统电路的正常运行。2、设计采用PWM(脉冲宽度调制)型控制电路,选择性能比较好的UC3846芯片,釆用性能较好的双环控制电流型控制方式。3、针对电流控制方式自身的局限性,设计了斜率补偿电路,对控制电路起到了扬长避短的效果。因为时间有限,还有很多后续工作亟待完成:一个完整可以调节输出电压的稳压开关电源没能够完全做好,只做了其中的核心控制部分,如果放到整个系统当中,还需要做大量的工作。比如把此控制电路放到大功率电源中,考虑到一些电路环境的影响:温度、电压纹波、电磁兼容等,这些因素可能就会影响到一些电阻、电