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1、目录 一、引言.2 1.1 设计背景.2 1.2 设计基本要求.2 二、功率开关管的选择错误!未定义书签。三、UC3842 简介.错误!未定义书签。3.1 UC3842 的结构.错误!未定义书签。3.2 UC3842 的功能.错误!未定义书签。四、变压器设计.6 4.1 估算输入和输出功率.6 4.2 计算最小和最大输入电流.7 4.3 计算脉冲信号最大占空比.8 4.4 磁芯参数确定方法.8 五、光耦信号传输电路9 5.1 保护采样电路.9 5.2 微机处理芯片电路.9 5.3 变频器的控制方式选择.9 六、输出滤波电路10 七、整体电路与实物.11 八、心得体会12 一、引言 1.1 设计
2、背景 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：含欠电压锁定电路、低启动电流（典型值为 0.12mA）、稳定的部基准电压源、大电流推挽输出（驱动电流达 1A）、工作频率可到 500kHz、自动负反馈补偿电路、双脉冲抑制、较强的负载响应特性。电流型控制系统是电压电流双闭环系统，一个是检测输出电压的电压外环，一个是检测开关管电流且具有逐周期限流功能的电流环，具有更好的电压调整率和负载调整率，稳定性和动态特性也得到明显改善。高频开关稳压电源由于具有效率高、体积小、重量轻等突出优点而得到了广泛应用。传统的开
3、关电源控制电路普遍为电压型拓扑，只有输出电压单闭控制环路，系统响应慢，线性调整率精度偏低。随着 PWM 技术的飞速发展产生的电流型模式拓扑很快被大家认同和广泛应用。1.2 设计基本要求（1）设计一款 72V 多路输出的 flyback 拓扑开关电源。（2）要求：输入电压：60-85V；（3）输出：5V/1.5A；15V/1.2A；需与输入隔离；（3）控制芯片：UC3842；二、功率开关管的选择 第一步是选用 N 沟道还是 P 沟道。这是设计选择正确器件的第一步。在典型的功率应用中，当一个场效应管接地，而负载连接到干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用 N 沟道场效应
4、管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用 P 沟道场效应管，这也是出于对电压驱动的考虑。第二步是选择场效应管的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的场效应管能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，场效应管处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。第三步：确定热要求。选择
5、场效应管的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在场效应管的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。第四步：决定开关性能。选择场效应管的最后一步是决定场效应管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。场效应管的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗
6、(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。场效应管开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。三、UC3842 简介 3.1 UC3842 的结构 3.2 UC3842 的功能 各管脚功能简介如下:1 脚 COM 是部误差放大器的输出端，通常此脚与 2 脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。2 脚 Vfb 是反馈电压输入端，此脚与部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。3 脚 Isen 是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管(如 VMOS管)的源极串接一个小阻值的
7、取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入 3 脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1V 时，UC3842 就停止输出，有效地保护了功率开关管。4 脚 RT/CT 是定时端，锯齿波振荡器外接定时电容 C 和定时电阻 R 的公共端。5 脚 GND 是接地。6 脚 OUT 是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管 VTl截止时，VT2 导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。7 脚 VCC 是电源。当供电电压低于 16V 时，UC3842 不工作，此时耗
8、电在 1mA 以下，输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得，芯片工作后，输入电压可在+10+30V 之间波动，低于+10V停止工作。工作时耗电约为 15mA，此电流可通过反馈电阻提供。8 脚 Vref 是基准电压输出，可输出精确的+5V 基准电压，电流可达 50mA。四、变压器设计 4.1 估算输入和输出功率 总的输出功率：WIUIUPooooo5.255.152.1152211 假设效率为 100%，则inP=oP=25.5W 4.2 计算最小和最大输入电流 AUpIAUpIinininininin425.0605.25(min)(max)3.0855.25(max)(min)4.3
9、计算脉冲信号最大占空比)(min)(maxDSinororVUUUD 式中：orU是二次侧反射电压。在反激式开关电源中，orU固定不变，一般取值围 85-165V，本设计计算取orU=110V。DSV为主开关导通时D、S 间压降，典型值为 10V。通过计算得到：%75.68)1060(110110maxD 4.4 磁芯参数确定方法 4.4.1 磁芯材料选择 开关电源中的高频变压器大部分采用EE 或者 EI 型磁芯。它们的外形分别如图所示。EE 型磁芯有形状简单、磁芯有效面积较大、可靠性高、热特性好、小漏感等优点，不足的是方形截面不易饶制粗线，磁屏蔽较差。本设计中使用 EE磁芯，常用 EE 磁芯
10、的尺寸如表所示 EI 型 EE 型 图 3-1 磁芯材料型号 图 3-2EE 型磁芯的规格 本文选取 EE 型镍锌铁氧体磁芯。4.4.2 磁芯尺寸的选择 确定磁芯尺寸有两种方法，包括读表法和计算法。其中计算法又包括GK几何参数法和PA磁芯面积乘法。本次设计使用PA磁芯面积乘法。412.01134114114.0)3662.0105044.01051()10(cmKBfKKPAAAxjWsfoTewp 其中TP为变压器的视在功率，51)11(5.25)11(oTPP fK为波形系数，取fK=4。wB为磁芯的磁感密度，取WB=2000G=0.2T。jK是电流密度系数。X 是常数，通常由磁芯决定，如
11、下图表所示。图 3-3 磁芯种类表 经过与表中参数对比，与之最接近的磁芯为 EE22。4.4.3 变压器绕组计算（1）计算变压器原边的电感量pL)21(10)1(26RPsRPpkopKfKIZPL 其中 Z 是损耗分配因子。如果 Z=1，所有的损耗都在次级边。如果 Z=0，所有的损耗都在初级边。简单的说，Z 就是次级与总的损耗的比率。如果计算没有给出Z 的值，一般取作 0.5。计算可得：58.307)265.01(109065.0596.11015.27326pLuH（2）计算初级绕组匝数 3341.020001090410100410(max)3881emsinpABfVN.8 取1pN=
12、33 匝 6.1641.02000109041040410(min)3882emsinpABfVN 取2pN=17 匝（3）5V 输出绕组匝数：44.433%)57.781(%57.7840)1(min)2pNDDVinN，实取 5 匝 15V 输出绕组匝数则取 15 匝。五、光耦信号传输电路 电路中采用一片 TOP104Y 三端单片开关电源集成电路，主输出绕组电压经过二极管和电容滤波后，得到+5V 电压，二极管采用MBR340T3 型 40V/3A 肖特基二极管，另外一个+15V 输出电流较小，故整流管选择SF31型50V/3A超快恢复二极管。由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器
13、TL431C 构成光耦反馈式精密开关电源。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成漏极保护电路，能够吸收尖峰电压，保护芯片部的功率场效应管 MOSFET不受损坏。六、输出滤波电路 经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率围的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。由于正激式开关电源电路拓扑通过输出滤波电
14、感平滑了逆变器输出电流，因此需要输出整流滤波电容器滤除的交流分量仅为开关电源额定输出电流的 20%以下，需要电容器的性能要求不是很高；反激式开关电源要求输出整流滤波电容器“短路”逆变器输出电流的所有交流电流成分，因此将流过非常高的有效值电流，要求电容器具有能够承受这个电流的能力；不仅如此，为了尽可能将 所有的交流电流分量“短路”要求输出滤波电容器均由尽可能低的 ESR，因此输出整流滤波电容器将需要极低 ESR 的“高频低阻”铝电解电容器或低 ESR 钽电解电容器以及瓷贴片电容器。选择一般的 低阻铝电解电容器实则需要更多数量的才能满性能要求。七、整体电路与实物 八、心得体会 亲手调试这样一个开关
15、电源，让我对书本的理论知识有了更深的理解。从最初的原理拓扑图，到最终实际电路图，以主干电路，不断进行丰富和完善，使一个正激电路逐步完善。每一次试验都是对电力电子知识的不断深入和探索，这样的经历让我印象深刻。还记得一开始一直没有调试出来，先是检查出来稳压管坏了，之后又发现变压器绕反了，这些错误虽然细小，甚至很难发现，但对一个电路的正常运行至关重要，因此需要严谨地排查错误，细心地分析每一块电路出错的地方，我相信这才是此次课程设计的目的所在。参考文献 1马洪涛，沙占友.开关电源制作与调试.中国电力 2009 2荫福。段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学，2006 3 王兆安，进军.电力电子技术.机械工业,2008 4 小林冉建桥贤云我国开关电源发展的思考微电子学2004 5 国川洪英 实用开关电源技术科学技术 2004 6 王水平贾静方海燕等 开关稳压电源的原理及设计 人民邮电 2008