基于uc3842的开关稳压电源的设计-学位论文.doc
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1、xx大学毕业设计(论文)基于UC3842的开关稳压电源的设计摘 要随着电力电子技术的发展以及创新,使得开关电源这一项技术也在不断地发展与创新,由于这一成本反转点日益向低输出电力端的移动,为开关电源提供了广阔的发展空间。电源设备用以实现电能变换和功率传递,是各种电子设备正常工作的基础,而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势,在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 开关电源是利用现代电力电子技术,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。开关电源和线性电源相
2、比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。 设计论文主要是利用一种性能优良的电流控制型脉宽调制器UC3842。假如由于某种原因使输出电压升高时,脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度,亦即占空比D,使斩波后的平均值电压下降,从而达到稳压目的,反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等,适合于制作2080W小功率开关电源。关键词:开关电源;UC3842;脉宽调制AbstractAlong with the Power electronic technology development and i
3、nnovation,it make that technology Switching power supply is always in the way of developing and innovating, whit the cost of inversion points increasingly to the low output power end mobile,make the Switch power supply provide a broad space for development.Power equipment used to achieve the power c
4、onversion and power transmission,which is basic to the various electronic devices working normally,and the high frequency and high efficient small switching power supply is an inevitable development trend,which is used more and more in communications,militaryequipment,transportacilities,instrumentat
5、ion,insustrial equipment,household appliances and other ares.Switching power supply use the Modern electronic technology to control the turn-on and turn-off time ratio,maintain the stability of the output voltage of Power supply.Switching power supply used by Pulse width modulation(PWM)Control IC an
6、d MOSFET. Switching power supply and Linear power comparison,they are costs as the Output Power increases,But their growth is different.Linear power supply costs in Certain output power point,is higher than Switching power supply.This point is called Cost inversion point. Design thesis is mainly usi
7、ng a kind of high performance current control Pulse width modulation UC3842.If some reasons make the output voltage rise,Pulse width modulator can change the drive signal pulse width,the Duty ratio D,the chopper after the average voltage drop,to achieve the goal of stabilizing voltage,The reverse is
8、 also true.UC3842 Can directly drive MOSFET,IGBT and so on.Suitable for the production of 2080W Small power switch power supply.Key Words:Switching power supply,UC3842,Pulse width modulation目 录基于UC3842的开关稳压电源的设计I摘 要I目 录III插入图表V引 言VI第1章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究历程与现状11.3 本课题的研究内容与目标2第2章 开关电源的基本工作原理与电路结
9、构32.1 开关电源概述32.1.1 开关电源的工作原理32.1.2 开关电源的组成52.1.3 开关电源的特点52.2 DC-DC变换电路拓扑概述72.2.1 单端反激式电压变换器72.2.2 推挽式电压变换器72.2.3 单端正激式电压变换器82.2.4 半桥变换器92.2.5 全桥变换器9第3章 高频变压器设计113.1 “黑箱”预先估计113.2 设计反激式变压器11第4章 控制单元的选择144.1 UC3842的简介144.1.1 UC3842的封装形式144.1.2 UC3842内部电路框图介绍144.1.3 UC3842的工作原理154.1.4 UC3842功能介绍164.2UC
10、3842外围电路设计174.2.1工作频率设计17第5章 开关电源设计185.1 开关器件的选择185.1.1 开关器件的特征185.1.2 器件TL431185.1.3 电力二极管195.1.4 光耦PC817205.2 启动电路和PWM脉冲控制驱动电路225.2.1启动电路设计225.2.2 PWM脉冲控制驱动电路设计225.3 输入滤波电路235.4 输出滤波电路的设计235.4.1输出滤波电容的设计235.4.2死区电阻的设计245.5 过流保护电路255.6 电压反馈电路255.7开关电源总电路图及工作过程分析275.7.1工作过程与原理分析27结论与展望29致谢30参考文献31附录
11、A外文文献与译文32A.1 英文原文32A.2译文34附录B AWG导线规格表36插入图表图2-1 开关电源电路框图3图2-2 开关电源的工作原理4图2-3 开关电源工作波形4图2-4 开关电源的基本组成5图2-5 开关型稳压电源的原理电路5图2-6 单端反激式电压变换电路7图2-7 推挽式电压变换电路8图2-8 单端正激式电压变换电路8图2-9 半桥变换电路9图2-10 全桥变换电路9图4-1 UC3842外形图和管脚排列图14图4-2 UC3842内部电路框图15图4-3 RT和振荡频率的关系曲线16图4-4 输出静区时间和振荡频率的关系曲线16图5-1 TL431的引脚19图5-2 TL
12、431的功能模块示意图19图5-3 PC817的内部结构20图5-4 PC817集射电压Vce与正向电流If的关系21图5-5 与TL431配合的电源反馈电路21图5-6 启动和启动和PWM脉冲控制驱动电路22图5-7 输入滤波电路23图5-8 输出滤波电路24图5-9 电压反馈回路26图5-10 开关电源总电路图27引 言电源在一个典型系统中担当者非常重要的角色。从某种程度上,可以看成时系统的心脏。电源给系统提供持续的,稳定的能量,是系统免受外部的侵扰,并防止系统对其自身作出伤害。如果电源内部发生故障,不应造成系统的故障。电源,即提供电能的设备,主要分三类:一次电源(将其它能量转换为电能),
13、二次电源和蓄电池。其中,二次电源指的是把输入电源(由电网供电)转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性(含电磁兼容,绝缘散热,不间断电源,智能控制)等方面符合要求的电能供给负载。高频开关式直流稳压电源由于具有效率高、体积小和重量轻等突出优点,获得了广泛的应用。开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型,前者是一个单闭环电压控制系统,系统响应慢,很难达到较高的线形调整率精度,后者,较电压控制型有不可比拟的优点。 上世纪八十年代,由于线性电源在成本和价格上比开关占有绝对优势,国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到应用。之后,由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方
14、面都比线性电源有显著减少,而且对整机多项指标有良好影响,因此它的应用得到广泛推广。近年来许多领域,例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源,取得了显著效益。究其原因,是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件(五新)不断地出现并应用到开关电源的缘故。不同的负载要求不同的电源装置,万能的电源至少今天还未出现。一个特定用途的电源装置,应当具有符合负载要求的性能参数和外特性,这是基本要求。高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质,而安全可靠是必须加以保证的。无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题,并由相关的国
15、际和国家标准规范进行约束。有时特定的使用环境又要求电源具备一些额外的适应性能力,比如高温、高寒、高湿、抗辐射、抗振动、防爆、体积小、重量轻、智能化等。UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件,是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统,因此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是比较理想的新型的控制器。35第1章 绪论1.1 课题背景与
16、意义电源向电子设备提供功率的装置,把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能,干电池能把化学能转换成电能。电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了。因此人们把干电池等叫做电源。通过变压器和整流器,把交流电整流成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的
17、水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务,信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。21世纪,人们提倡的是建设可持续发展的社会,提倡的是节约资源,提高能效,环境友好。在这种大背景下,开关电源以其高效、环保、安全、体积小、重量轻等优点已成为人们争相研究的一个热点。同时电源技术已经演变成为一个综合微电子技术、自动控制技术、材料科学、电力变换技术、电机工程等诸多学科相互渗透的综合学科。从日常生活到尖端科技都离不开开关电源技术的参与和支持。1.2 课题研究历程与现状1955年,美国科学家G.H.Royer成功研制出了第一台自激式
18、晶体管直流变换器,从而取代了早期的机械振子式换流设备。但是由于当时的微电子技术落后,生产出的晶体管耐压值低、开关速度慢,致使直流变换器输入电压低,而且电路中还含有笨重的工频变压器。20世纪60年代末,得益于微电子技术的飞速发展,此时的开关管具有耐高压、耐大电流等优点。直流变换器可以直接由电网供电,从而彻底甩掉了体积大、重量大、效率低的工频变压器,诞生了无工频变压器的开关稳压电源,并且凭借其高效率、体积小、重量轻而被迅速推广普及。20世纪70年代以后,与开关电源相关的高频率、大电流、高反压的开关晶体管,快恢复二极管,高频变压器磁芯等元器件的出现,又进一步的加快了开关稳压电源的发展,开关电源被广泛
19、的应用于航天、军事电子、计算机、通信设备等领域。我国无工频变压器的开关电源开始于20世纪70年代初期,当时引进的开关电源技术还停留在高校和科研机构的实验开发阶段。1974年,成功研制了我国第一台10kHz、输出5V的无工频变压器开关电源。20世纪80年代中期,开关电源的产品开始应用和推广,此时开关电源特点是采用PWM技术,工作频率20kHz,效率在60%至70%。20世纪90年代初期,我国成功研制出工作频率100至200kHz的高频开关电源。目前,毫无疑问开关电源已广泛应用于几乎所有的电子设备中,成为电子信息产业必不可少的一种供电方式。但是,随着科技的不断进步,人们对开关电源的要求将会更高,可
20、以预见,高频化、小型化、高效率、模块化、高可靠性以及智能化是21世纪开关电源的发展趋势:(1)小型化,高频化。随着电子技术的飞速发展,大规模集成电路(IC)的出现,制约电子设备体积、重量的主要因素就是电源能否小型化。而提高开关频率是减小体积的有效途径,他能有效减小电容和电感的体积和重量。另外研究人员还致力于研制出体积更小,重量更轻的高频变压器,再或者通过别的方法来取代电源电路中的变压器,从而实现小型化。(2)低噪声。高频开关电源电路中的功率开关管工作在高速开关状态,而且由于元器件的容性、感性等特性,会产生尖峰电压和谐振噪声。这些噪声干扰会影响邻近电子设备的正常工作,特别是一些高精度的仪器仪表。
21、采用辅助谐振开关电路在开关状态发生变化时发生谐振,对降低噪声干扰有一定效果。如何有效地降低噪声干扰将是开关电源的一个发展方向。(3)高可靠性。由于开关电源电路中所用元器件较多,降低了电路的可靠性。但是随着开关电源的模块化、集成化,电源电路将大幅简化,可靠性也将大大提高。(4)高效率。高效率永远是研究人员追求的目标,人们将通过各种技术来提高效率。软开关技术可以有效减小开关的损耗,提高电源的效率;有源功率因数校正(APFC)可以提高功率因数,从而提高电源的整体效率。(5)模块化。模块化是开关电源的一个重要发展方向,通过把控制电路、反馈回路、驱动电路和保护电路集成化,最后实现电源整机的模块化,可以有
22、效地减小体积、减轻重量、降低成本、增强可靠性,提高功率密度等等。(6)智能化。通过将微处理器和开关电源结合,使开关电源变得更智能化、人性化。总之,伴随着越来越广阔的市场需求,人们对开关电源的各项性能要求也日益提高,研究人员需要对新技术、新材料、新控制方式以及电路拓扑进行优化整合,才能不断提高开关电源的各项性能,生产出市场需求的开关稳压电源。电源是各种电子设备不可或缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标级能否安全可靠的工作。目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低,电源效率比普通线性稳压电源提高一倍,被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。半个世纪以
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