直流稳压电源

开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型 脉宽调制（PWM）技术，而近年电流型PWM技术得到了飞速发展。相比电压型PWM，电流型 PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特 别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。直流稳压电源是常用的电子设备，它能保证在电网电压波动或负载发生变化时，输出稳 定的电压。一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实 际应用价值。信号源产生控制信号，该信号有它激或自激电路产生。比较放大器对给定信号和输出反 馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值,、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的 占空比，以达到稳定输出电压值的目的。DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源 的核心部分。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输 出采样、功能指示等电路。开关电源典型结构有串联开关电源结构、并联开关电源结构、正激开关电源结构、反激 开关电源结构、半桥开关电源结构、全桥开关电源结构等。这里重点介绍一下反激开关电源 结构。所谓单端是指只有一个脉冲调制信号功率输出端一漏极D。反激式则指当功率MOSFET 导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送 电能，由于开关频率高达100kHz，使得高频变压器能够快速存储、释放能量，经高频整流 滤波后即可获得直流连续输出。这也是反激式电路的基本工作原理。而反馈回路通过控制 TOPSwitch器件控制端的电流来调节占空比，以达到稳压的目的。稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出 电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括 稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。课程设计任务书错误!未定义书签。直流稳压电源错误!未定义书签。1. 设计主要内容及要求错误!未定义书签。11课程设计目的错误!未定义书签。1.2基本要求错误!未定义书签。1.3发挥部分错误!未定义书签。2. 设计过程及论文基本要求错误!未定义书签。2.1设计过程的基本要求错误!未定义书签。2.2课程设计论文的基本要求错误!未定义书签。3. 时间进度安排错误!未定义书签。课程设计评定表错误!未定义书签。摘要1目录5第一章设计任务描述61. 1设计题目:直流稳压电源的设计612设计要求61.21设计目的61.2.2基本要求61.2.3发挥部分6第二章总体设计思路与电路图72.1总体设计思路72.2 仿真电路图8第三章原理方框图9第四章 工作过程分析10第五章具体电路设计与计算过程115.1整流滤波电路的设计1152高频变压器的设计115.3控制电路的设计125.4电压反馈电路1255输出电流反馈1356输出整流滤波电路设计13第六章个人心得体会16致谢17参考文献15第一章设计任务描述1.1设计题目：直流稳压电源的设计1.2设计要求1.2.1设计目的（1）掌握反激式开关电源或线性开关直流电源的构成、原理与设计方法;（2）熟悉模拟原件的选择、使用方法1.2.2基本要求（1）220V交流输入电压，+5V直流输出电压（2）使用集成三端稳压器进行稳压输出，输出纹波系数1%；（3）输出功率5W1.2.3发挥部分（1）输出电压线性可调；（2）负载短路（输出过流）保护，输入过压保护；（3）多路输出电压，+5V、+12V、土 15V等；（4）其它。第二章总体设计思路与电路图21总体设计思路50HZiUj 1. t JnrM 1 1U1曲嚓唏入电源 離流 滤诙L * I 稳压五芮屋曲I I姦I 1诙I I葫U，H图2-1基本设计思路图电压交流220V（有效值）50Hz,要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电 压降低获得所需要交流电压。其中的控制芯片采用UC3842。电源的输出电压+5 V。该电路的变换器是一个降压型开 关电路。由单管驱动隔离变压器TC主绕组N1电流，C2、R3可以提供变压器原边泄放通 路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源VCC由R2从整流后电压提供。VCC同时 也作为辅助反馈绕组的反馈电压。反馈比较电路信号是从辅助绕组经过VI、V2、C3、C4等整流滤波后得到的VCC 分压提取的。C6、R7构成信号的有源滤波。开关管电流被R10取样后，经R9、C7滤波， 送芯片ISENSE端，当反馈信号值超过阈值1 V时，确认过载，关断电源输出。芯片输出部 分由OUT端驱动单MOSFET管，C8、V3对开关管有电压钳位作用。根据要求，本次设计控制电路形式为反激式，单端反激式电路比正激式开关电源少用一 个大储能滤波电感以及一个续流二极管，因此其体积小，且成本低。此电源设计要采用的是 反激式的开关管连接方式，并且开关电源的触发方式是它激式。设计采用了 UC3842作为 PWM控制电路。采用单端反激开关电源。单端反激开关电源采用了稳定性很好的双环路反馈（输出直流电压 隔离取样反馈外回路和初级线圈充磁峰值电流取样反馈内回路）控制系统，就可以通过开关 电源的PWM （脉冲宽度调制器）迅速调整脉冲占空比，从而在每一个周期内对前一个周期 的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节，达到稳定输出电压的目的。这种反馈控 制电路的最大特点是：在输入电压和负载电流变化较大时，具有更快的动态响应速度，自动 限制负载电流，补偿电路简单。反激电路适应于小功率开关电源。电源开关频率的选择决定了变换器如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗会 越来越突出，对磁性材料的选择和参数设计的要求也会越苛刻。另外，高频下线路的寄生参 数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会比较困难。 在本电的特性。开关频率越高，变压器、电感器的体积越小，电路的动态响应也越好。但 随着频率的提高，诸源中，选定工作频率为100 kHz。2.2 仿真电路图cia= = 50uF202CD2 1N1T1uR4 k38.3kQ 10C7丰佃uFDR1120kQ17R123.7kn100pFR1015QkCC1 丰 22 Ou F 0 丄AC5470 pFU1iaonUC3842470 pFD4MBR1635|0iR62SK31421kDQ2IRFBE3Q RS ：4n6 cJ20Is图2-2仿真电路图第三章原理方框图第四章工作过程分析具体工作过程：首先上网查找此类的电源电路设计，之后研究其思路，观察其原件。然后整体规划出整 体设计思路，确定主要原件为UC3842。查找UC3842的用法及其作用。之后具体实施计划， 修改，测试。由UC3842构成的开关电源电路，220V市电由桥式滤波电路，得到+300 v直流电压， 经R2降压后加到UC3842的供电端，为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的付绕 组的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另一方面经R fR 2分压加到误差放 大器的反相输入端脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占 空比越小，以此稳定输出电压。脚和脚外接的R、C决定了振荡频率，其振荡频率的最6 8大值可达500KHz。R、C用于改善增益和频率特性。脚输出的方波信号经R、R分压后驱9556动M0SFEF功率管，变压器原边绕组的能量传递到付边绕组，经整流滤波后输出的直流电压 供负载使用。电阻R用于电流检测，经R、C滤滤后送入UC3842的脚形成电流反馈环.所873以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的脚电压高 于IV时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。电路上电时，外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用 下，芯片开始工作，脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工 作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚，维护系统的正常工 作。电路正常工作后，取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器，与 内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到脉宽调制电路，完成脉冲宽度的调制，从而 达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高，贝吆脚的取样电压也变高，脉 宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄，则开关功率管的导通时间变短，输出电压变低，从而 使输出电压稳定，反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波，其周期取决于4脚外接 的RC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器，作为其工作周期，脉宽调制器输出的脉 冲周期不变，而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。跑仿真，具体完善，改动其中原件的参数，最后达到设计目的第五章具体电路设计与计算过程5.1整流滤波电路的设计在整流滤波环节采取的是单相整流滤波电路,本电路常用于小功率的单相交流输入的场XFG1合。nt :丄 D5；;JL1N4004 lflW4004 C1W4004 j1N404图5-1整流滤波电路整流桥的二极管的选择：电源电压有效值为210V最大值为310V则考虑二极管的耐压 值，所以二极管的选择最大耐压值一定要高于310V。根据资料查得1N4004型二极管的耐压值为400V,完全满足工作要求。表5-1整流滤波电路参数选择耐压值型号电容值二极管4001N4004滤波电容电解电容50u5.2高频变压器的设计由于此次的课程设计是基于moudisim仿真软件进行一系列的仿真与设计工作。所以， 我设计的变压器选用的为二对一型变压器，即原边的两个绕组，一个作为输入，一个作为反 馈绕组，进行反馈的控制，副边绕组输出。由于我们的输入电压为直流+300V电压，输出 5V直流电压，且要求UC3842的工作电压为+16V，所以变压器的原边与副边的绕组可以直 接进行设置。：3TS XFMR2标签I显示参数|故障|引脚变量|用户定义|Rati ol:RatioZ:60I:?-o 亠 AC-D3-SaMBR花览图5-2变压器参数设置5.3控制电路的设计控制电路方面选择UC3842芯片，UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制 输出的集成芯片。后面会对UC3842的原理、特点和工作性能进行了详细的介绍，这里着重 分析一下参数的选择。5.3.1启动降压电阻：因为整流输出为300 - VccR2=1st_即 R2=284k05.3.2开关管VT:承受的反压为2+300V，工作电压 V =16V，JccST=1mA,所以284kQ :VC=424V,型号选择IRFBE301.85.3.3时钟电路：因为f=，f=1000HZ,Rt * Ct故取 Ct=470uF1.8小所以 Rt=38.3k0T Ct * fR V3+；38.3I图 5；3 控制电路 -15- I -5.4电压反馈电路 5 :；47DpF :OUT-5EK5L VEB.SKD .:：R1：:IVvV-i：150kQ和NbC617匚图5-4电压反馈电路IpF ;R123.?kQ电压反馈电路如图5-6所示。输出电压UC3842的脚，调节R、R12的分压比可设定 和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输 出电压Uo升高，即UC3842脚对地的分流变 大, UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压Uo 减小。同样，如果输出电压U减小，则可通过反 馈调节使之升高。R11，R12的电阻的计算：由于要尽量保证 脚的输入电压维持在2.5V,因为UC3842 工作电压在16V，所以可以进一步确定R ,=20k0，R=3.7k011. 12L口 彳了5.5输出电流反馈过流保护电路是由R7、R8以及C3组成。R8上的电压反映了电流瞬时值，当开关电源 发生过电流时，开关管漏极的电流会增大，会增大，接入UC3842的保护输入端脚，当UR9=1V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过R9调节R7和R8的分压比可以改变开关管的限流值， 实现电流瞬时值的逐周期保护比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属 于截流式保护。原边输出电流I=52MA, UC3842输出电流1= 200MA，所以三极管漏极I漏=I1+I=252MA电流假设 R7=1K0，滤波电容C3=470pf。所以流过R7的电流 Ir7=251MA。所以 R7=40 .nr-12100Q :2SK3142REo :IRFB5.6输出整流滤波电路设计UG3W：图5-5电流反馈电路:加：黑i：丰商哄:-03MBR1633f1：9：:G9图5-6镇流滤波电路输出电压经过二极管的半波整流以及滤波输出稳定的直流5V/1A,参数的计算，二极 管承受的反压为输出电压，最大不可以超过15V，所以二极管选型MBR1625,电容C9=2.1mF。主要原件介绍UC3842内部工作原理简介：各管脚功能简介如下。1脚COMP是内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FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内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ISENSE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，此脚为图滕柱式输出，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VT1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，UC3824不工作，此时耗电在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。图6-1 UC3842内部框图和引脚图直流稳压电源仿真结果第六章个人心得体会时间飞逝，一周的课设已经结束。在这一周中我与四位同学一组对直流稳压电源的课题进行 了研究。由于我们是第一次做这种课程设计所以在开始的时候有许多问题的出现，甚至不知该如何开 始我们的设计。但是老师为我们带来了设计的思路，让我知道我们该做什么。首先就是上网 或者去图书馆查有关于直流稳压电源的资料及其电路的设计图，然后自己研究电路的特点原 件等，找出其中我们可以用到的原件及连线方式。通过这种方式让我了解到了我们可以利用 的资料怎么去寻找，及我们可以如何利用资料，让我学会了利用多方面的途径去学习。 再有就是在这个课设的过程中让我了解了芯片的强大，小小的一块东西就可以产生非常重要 的能量，正是这种芯片的特点才激起了我对它的兴趣。特别是我组主要用的UC3842，由 UC3842组成的反激式的快关电源，具有体积小、重量轻、效率高、线路简单和可靠性高等 优点。虽然在初始运用的时候感到无从入手，但是经过查其参数表及应用特点，我们知道了 它的用法。在设计的过程中我组人员分配工作，分工协作，集体讨论。真正的让我了解到了小组的优势， 让我更能够在小组中找到自己的位置，让我们每一个人都可以在小组中发挥最大的能量，为 小组作出最大的能量贡献。但是在这次的课设中也是对自己的不足有了了解。让我知道了在模拟电子这门深奥的课 程中。我不理解的地方还有太多太多，及这门课程的基础也不是很牢，就算是刚刚学习的东 西在实际的应用中也是有许多的不灵活。还有就是我们对资料运用的不足，资料在哪里，资 源在哪里我们却不能够好好的利用。以后我一定要多方面的学习，把我能够融合的东西都融 合到我的学习之中，汲取我们能够汲取的营养来丰富自己，完善自己，能力让自己在这门课 程的学习中做到最好。这次我感觉我最大的收获还是老师对我指导时我对老师的思路的学习，让我感觉我以前 的思想的方式对模电是错误的。在问老师问题时老师的讲解也让我对电路修改的方法有了全 新的了解。最后我想说虽然本次的课设结束了，但是以后我一定不会放弃对这些电路，及其原件的了解， 并且应用仿真原件来学习。致 谢为期一周的课程设计让我受益匪浅。在这里首先让我感谢我的老师XX。是他的耐心教导和神奇的指引让我找到了课设的方向。 让我从对其一无所知到后来的可以自己摸索，最后可以自己调试，在这个过程中与老师的指 引是分不开的。也正是老师的教导让我对对路的设计有了兴趣，让我了解到了其中的神奇， 让我愿意把自己投入到题目的设计中。同时我也想感谢和我一组的同学，是他们与我一起研究，讨论，给我信心，让我能够成功的 完成课设，是他们让我感觉到了团队的力量。感谢老师和同学在课设过程中对我的帮助参考文献1：辛伊波，陈文清开关电源基础与应用西安：西安电子科技大学出版社，2009.72：王兆安，黄俊电力电子技术北京：机械工业出版社，20003:胡君臣用UC3842芯片设计开关电源仪表技术.2005，(3)： 79814：百度，搜狗等搜索引擎