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15V开关电源设计 摘 要 开关电源在计算机技术、通信技术、自动化仪表以及普通家电等方面应用广泛。随着当代人们生活水平的提高，人们对开关电源的要求越来越高。开关电源因其具有效率高、体积小、重量轻、使用方便等显著优点，已经逐步取代了传统的效率低、体积大、笨重的线性电源。目前，随着电源技术的蓬勃发展，开关电源正朝着高频化、集成化等方向迈进。本论文利用反激式变换器的特点，设计了一种基于UC3842芯片的开关电源系统。论文首先介绍了开关电源设计的理论知识，主要包括开关电源基本的工作原理，几种常用的开关电源拓扑结构介绍，完成了开关电源拓扑结构的选取。接着详细阐述了开关电源系统的整体设计方案，主要包括主电路的设计和控制电路的设计。主电路的设计，包括EMI滤波电路、输入输出整流滤波电路、功率开关电路、高频变压器等。控制电路的设计，完成了UC3842型电流模式PWM控制电路及其外围电路的设计。最后绘制了完整的电路原理图，并通过MATLAB的Simulink模块对所设计的开关电源电路进行了实验仿真，结果验证了本文所设计开关电源电路的正确性和可行性。关键词 开关电源，15V，UC3842，PWMABSTRACTIn computer, communications, automation instrument and switch power supply widely used household appliances, etc. As people living standard rise, people of switch power supply put forward higher requirements. Switching power supply because of its high efficiency, small volume, light weight, easy to use and other significant advantages, has gradually replaced the previous low efficiency, big volume, heavy linear power supply. Over the years, with the vigorous development of power electronic technology, especially the great development of semiconductor technology, will be the performance of the switch power supply referred to a higher level. The core of switching power supply unit, control circuit to realize integration is one of the development direction of switching power supply, in the process, smaller volume, less electromagnetic pollution, has reliable overvoltage and overcurrent protection circuit of the technology is in rapid development.This thesis is based on the UC3842 chip 15 v low power high frequency switch power supply system design, the paper first completed the selection of switch power supply topology structure, expounds its working principle in detail, then completed the UC3842 type current mode PWM control circuit, auxiliary circuit design, as well as the high frequency transformer design work, finally draw a complete circuit schematic diagram, through MATLAB Simulink module for the design of switch power supply circuit simulation, results show the correctness and effectiveness of the design in this paper.Key Words Switch Power Supply，15V，UC3842，PWM1 绪论1.1 课题的研究背景当今社会，经济蓬勃发展，科技不断进步，能源消耗与日俱增，大力倡导能源的节约已成为时代的潮流。电源作为一种使用最广泛的情节能源，是节能的重要环节之一，电源经过当今成熟的电源技术与电力电子技术处理后，其节能效果显著提高12。当今时代，是电子的时代，电子系统在各行各业中广泛应用，琳琅满目的电子产品，如电脑、平板、手机、电视、电冰箱、电热装置等应运而生。当今社会，人手至少一部手机，人人都要进行网上冲浪。无论是学生，还是其它的社会工作者，电子产品极大地丰富了我们的生活，人们对其依赖程度越来越大。生活在现代，如果没有电能，我们的生活将会陷入困难，生活枯燥乏味，社会停止进步。但是，一个不争的事实是，任何电子设备的可靠的正常的运行都需要电源的供电。而且，如果电子设备越高端，它对电源的要求也就越高。过去，传统的线性稳压电源具有多重优点而被广泛使用，但其体积大而笨重，功耗较，效率低，渐渐地，它很难满足日益增长的需求。20世纪中期，开关电源在世界范围内初次得到应用，到了世纪之末，各种高新技术（集成电路技术、通讯技术、半导体技术等等）飞速发展，电源技术进入一个潜力无限的时代。显然，传统的体积大而笨重的线性电源已经过时，取而代之的是体积小、重量轻、效率高的开关电源。开关电源是一种高效的直流稳压电源，其通过PWM技术来调整输出电压使其稳定，满足用电设备需求。因其突出的优点，在世界各国广泛应用，是当今社会发展不可或缺的一种电源形式。近年来，开关电源顺应时代的发展口号与不断变化的潮流浪涌，集成化、小型化、数字化、高频化、绿色化正成为其发展的伟大目标。开关电源必将为全球能源节约和促进全球经济的可持续发展做着具有深远战略意义的伟大贡献。1.2 国内外研究状况国外研究现状：20世纪50年代，美国最先研制了最初的晶体管直流变换器，但此时的开关电源仅限低电压、低功率应用。接着，随着各种技术的高速发展，更加优秀的大功率开关管出现，开关管的性能明显优于普通的晶体管，于是线性电源被替代，开关电源成为主流。20世纪后期，更加优秀的高频率、高电压电流的功率管被研发，开关电源不断发展，被广泛应用各个领域，成为众多类电源之中的王者。回顾我国开关电源的发展历程，从上世纪60年代初期开始，我国对开关电源的研制初见端倪。接下来的十年时间进入了实用性阶段，再十年，我们能够自主研发普通型开关电源。90年代初基本完成了高频开关电源的研制工作。经过我国科学家和科研工作者的不懈努力，尽管我国的开关电技术成果诱人，但是不得不说，放眼欧美的国际市场，我们研制的开关电源性能与人家存在较大的差距。开关电源发展到如今，虽然有了巨大的成绩，但其技术水平并没有达到完全成熟的地步，目前来讲，主要存在下面几个问题：（1）噪声和干扰严重。电网波动不可避免，开关管不断快速的开断，尖峰电压电流干扰无时不在，又不断传播，各种噪声也趁虚而入，严重影响了电源的质量。（2）电路结构复杂，维修困难。开关电源的设计涉及众多的环节，无论哪一个环节出现故障，都会导致电源性能变坏，产生一系列坏的影响。因为电路结构复杂，导致故障诊断难以轻松完成，维修周期和维修成本大大增加，极大地削弱了生产效率。（3）成本高，可靠性低。开关电源因其复杂的电路设计和高效的性能，导致开关电源的价格偏高，电源技术理论体系的不完整以及生活中频繁出现的种种故障，电源的可靠性大打折扣。1.3 研究的目的及意义本毕业论文的目的就是在理解开关电源基础理论的基础上，通过自己查阅电源技术的相关背景和理论知识，掌握开关电源的内部拓扑结构的选取原则及其基本工作原理，根据具体的设计目标，设计出一款基于UC3824的小功率开关电源系统，通过整个设计流程，锻炼自己的开关电源电路设计能力，以及电子电路的设计能力，开阔视野，巩固所学电学知识，为以后的事业积蓄自己的内在能力。本论文的研究具有重要的意义。当今是工业化时代，无论是生产还是生活，很难离开电能的使用，电力设备的可靠运行是世界经济发展的保障。设计稳定可靠的开关电源能够实现社会生产的进步和人们生活水平的提高。我们倡导大力节约自然能源（电能是最重要的一种）、减少能源消耗、提高社会生产力和生产效率，这也是开关电源研制工作者孜孜不倦追求的伟大目标。目前，开关电源在这些方面做出了较大的贡献，设计出更加完美的开关电源必将造福整个世界，为现代生产和现代生活带来无尽的好处。1.4 本课题主要任务及要求设计任务：1.完成开关电源的拓扑结构选取及工作原理；2.掌握PWM控制的原理并完成UC3842型电流模式PWM控制电路的设计；3.完成开关电源辅助电路设计；4.完成高频变压器设计；5.完成整体电路原理图绘制；6.完成所设计开关电源的仿真，验证其正确性。设计要求：1.掌握开关电源电路中的主电路、控制电路、EMI滤波电路、整流电路、反馈电路的原理；2.完成反激式高频变压器的设计；3.在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，进行仿真验证；2开关电源理论基础2.1 开关电源的基本工作原理根据不同的划分标准，电源的种类有很多。按照转换方法的不同主要分为线性电源和开关电源。开关电源对电压形式的控制过程是：先将电网传输来的高压交流电整流滤波成直流电，实现AC-DC，再将直流电逆变成低压交流电，实现DC-AC，接着再整流滤波输出成所需要的低压直流电，最终实现AC-DC。其一般主要通过PWM控制反馈电路，使得调整管工作在开关状态（这和线性电源工作在线性状态不同），开关的一开一合，导致管子的损耗较小，同样能达到非常高的调整精度。粗略地讲，开关电源的主要由以下4个基本电路部分组成（不考虑总输入输出）：（1）输入整流滤波电路。接收电网输入的高压交流电。（2）开关变换电路。此是开关电源系统的核心和心脏，细分开来，包括功率开关管和高频变压器。 （3）输出整流滤波电路。输出为最终所需低压直流电。以上三大部分组成了开关电源的主电路。（4）PWM 控制电路。一般通过控制芯片作用，根据反馈机制产生PWM信号控制功率开关管通断时间来稳定输出直流电压。图 1 开关电源的基本组成框图2.2 开关电源的拓扑结构由上述所提到的开关电源的基本组成结构可知，开关变换电路是电源的核心部分，是要放于设计首位的，其性能的好坏会影响到整个电路系统的性能。下面介绍几种常用的拓扑结构。1. Buck变换器。又称降压式变换器，这种结构是最基本的结构。图 2 Buck变换器的基本结构2. Boost 变换器。又称升压式变换器。图 3 Boost变换器的基本结构3. 正激式变换器。图 4正激式变换器的基本结构4. 反激式变换器。图 5反激式变换器5. 其它结构的变换器。此外还有自激式、反转式、推挽式等变换器拓扑。对于本论文所设计的开关电源，假定输入为220V/50Hz交流，输出为15V直流。通过对上述拓扑结构的对比发现，相比于其它的结构，反激式变换器优点较多，其输入电压范围大，结构简单，所需器件少，可以实现隔离作用，恰好符合本论文所设计的开关电源的设计要求，因此本论文采用反激式变换器的拓扑结构。2.3 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，分别是电压控制模式与电流控制模式2.3.1 电压控制模式电压控制模式的原理图如下图所示，主要构成单闭环电压反馈控制系统。图 6 电压控制模式原理图2.3.2 电流控制模式电流控制模式原理如下图所示。相比于上一种控制方式，电流控制模式是双闭环控制系统，具有电压调整率高，响应快，输出稳定等优点，并带有限电流保护。图 7 电流控制模式原理图到此为止，通过对开关电源电路以上的分析，我们决定变换电路采用反激式变换器，控制模式选择电流模式PWM控制。3基于UC3842的反激式开关稳压电源的设计3.1主电路设计主电路主要包括输入整流滤波电路、开关变换电路和输出整流滤波电路三大部分。3.1.1 输入整流滤波电路1、EMI滤波电路设计开关电源的输入为220V/50Hz交流电，其不可避免地掺杂了来自电网的干扰和外部的其它干扰。EMI滤波电路的良好设计可以有效地抑制来自电网干扰和开关操作干扰以及环境中混入的不同噪声，提高了系统的抗干扰能力，可靠性大为提高。EMI滤波电路的基本电路结构如图 8所示。图 8 开关电源的EMI滤波器结构2、整流滤波电路设计在众多整流电路形式中，鉴于桥式整流电路的优良特性，我们使用桥式整流电路作为输入输出整流电路的形式，并配合电感、电容等基本元器件组成相应的滤波电路。 图 9 单相桥式全波整流电路及其波形3.1.1 开关变换电路如前面所说，开关变换电路是开关电源系统的核心和心脏部分。主要包括功率开关管的选择和高频变压器的设计。1、 功率开关管的选择功率开关管的不同的开通和关断时间，将直流电转换成脉动的交流电，是电路的关键性部分。功率开关管在电路中通过反馈控制作用进行快速的开通和快速状态之间的转换，使得其引起的电能损耗变小。开关管耐压性好，工作在额定电压和额定电流下，在大小功率应用场合均有应用。 因为MOSFET具有较小的驱动功率，开关速度较快。所以本文选择MOSFET作为开关电源的开关器件。2、 高频变压器设计高频变压器在整个电源系统中的作用举足轻重。它不仅传递能量到输出整流滤波电路，而且起着电气隔离的作用较少了电路的互扰。高频变压器性能的好坏对电源的运行效率影响甚大，其设计工作是整体系统设计的关键性环节。高频变压器设计需要考虑以下问题：1、磁芯损耗。主要涉及铁芯材料的选取，开关电源的变压器常用EI型磁芯。2、绕组损耗。减少损耗一直是变压器设计不断研究的话题。3、温度变化。合理控制变压器工作温度，提高其工作的稳定性。 其具体的参数计算与设计流程如下：3.1.1 输出整流滤波电路输出整流滤波电路的作用是是最终系统输出的最后一道门槛，其将高频变压器副边传递过来的交流电，通过输出滤波和整流变成干扰较小且波形稳定的直流电压。在小功率电源中，我们选择同输入整流滤波大致相似的电路。对于整流作用，我们通过并联整流二极管减小尖峰电压（如图 10）。对于滤波作用，输出滤波电路的作用是滤除变压器副边输出整流电路输出的脉动直流中的交流成分，以便得到平滑的直流输出。一般第，采用一级LC滤波电路，当然也可以采用两级或多级LC滤波电路获得更好的效果高性能。图 10 输出整流原理3.2控制电路设计3.2.1 控制芯片选型UC3842是Unitrode公司推出的一种PWM控制芯片，其内部集成多个电路功能单元，具有良好的控制特性，而且就目前的应用来讲，其在反激式变换器电路中应用较多。该芯片封装如图 11所示。图 11 UC3842管脚封装图图 12 UC3842的DIL封装外形尺寸图 13 UC3842管脚图 图 14 UC3842内部结构UC3842内部集成了用于PWM控制的必须模块，其内部结构组成框图如图 14所示，具体的引脚功能说明如下：（1） 脚1（补偿）：用于外部回路的补偿。（2） 脚2（反馈）： 接反馈电路。（3） 脚3（过流检测）： 取样电流由此输入。该端与电阻配合，可以实现过电流保护电路。（4） 脚4（RT/CT）：振荡器定时元件接入端。（5） 脚5（GND）：信号地。（6） 脚6（Vo）：输出端。该端通过一外接电阻与开关管相连，直接驱动功率开关管。（7） 脚7（Vi）：电源接入端（一般取值 1034V）。（8） 脚8（VREF）：基准电压输出段，提供稳定的+0.5V基准电压。该芯片的代表性应用框图如图 15所示。图 15 UC3842代表性应用方框图3.1.2 芯片外围电路设计UC3842芯片的外围功能模块主要包括：启动供电电路、电流取样与限流电路、过流过压欠压保护电路、功率管驱动电路、反馈电路等等。下面重点介绍几个重点电路的设计。启动供电电路输入的交流电压经过输入整流滤波电路后，分出一路为控制芯片提供启动电压。时钟振荡电路外部RC振荡电路通过芯片的基准电压供电和U3842内部的振荡器共同构成了时钟振荡电路，为芯片的正常工作提供稳定的步调。过流过压、欠压保护电路过电流保护主要由芯片的电流检测引脚来完成。欠电压保护主要由芯片的Vcc来完成。功率驱动电路驱动电路产生开关管正常工作的驱动功率，激励PWM信号控制开关管的稳定工作。电流取样与限流电路反馈电路根据众多反馈电路的设计结构，本文所设计的反馈电路借鉴了精密的稳压源TL431和线性光电耦合器件PC817和联合作用。3.3 开关电源整体设计框图本设计的开关电源系统主要包括：交流220V高压输入、EMI 滤波电路、输入整流滤波电路、功率变换电路（包含功率开关管MOSFET和高频变压器）、输出整流滤波电路、PWM反馈控制电路等等。开关电源系统的整体工作过程是：高压交流输入220V，接着通过EMI滤波电路滤除电源各种干扰，进而进行输入桥式整流滤波电路，此时变成高压直流电，紧接着经过反激式变换电路的开关作用与高频变压器的变换作用，变成了脉动的低压交流电，最终通过输出整流滤波器整流滤波的作用，输出我们需要的+15V低压直流电压。就这样，主回路工作基本完成。再者，当输入交流电压有波动时，为了确保直流电压输出的稳定性，还需要进行电压反馈的调节作用，将反馈电压信号送入PWM控制芯片 UC3842，控制芯片输出可调节的PWM信号，从而控制功率开关管的开通和关断时间，从而达到稳定输出直流电压的目的。3.4 系统整体原理图5 系统建模与仿真5.1 MATLAB简介MATLAB是MathWorks公司开发的一种高效的工程语言，其简单而强大，是当今最优秀的科技应用软件之一12。在MATLAB友好的环境中，我们通过命令行操作来运行我们的程序，程序设计流程清晰明了。并且其内置了几十多种系统工具箱（包括数学工具箱、符号工具箱、绘图工具箱、控制系统工具箱、信号处理工具箱等等），用户可以通过直接调用工具箱里面的函数来实现所需要的功能。当然，工具箱里的函数并不是全面的和万能的，于是MATLAB还允许用户添加自定义工具箱，发挥MATLAB更强大的功能。SIMULINK作为MATLAB的一种交互式图形设计环境，是MATLAB的重要工具箱组件之一，可以对各种数学系统进行建模和仿真工作，并提供了强大的分析工具。在SIMULINK环境中，用户通过调用现成的电路模块，并把它们连接成完整的电路，建立了一个交互式很强的GUI界面，系统结构可见即所得。同时，提供详尽的电路参数设计对话框，完成众多领域的动态系统仿真设计。5.1 系统建模与仿真在对系统进行仿真之前，我们必须建立开关电源电路的仿真数学模型。一般来讲，在MATLAB/Simulink中，我们可以通过三种方法对开关电源电路进行仿真，分别是：l 状态空间平均法；l 电路分析法；l 基于Matlab/Simulink中SimPowerSystem模块的方法。通过分析可知，由于第三种方法直接调用内置的模块simPowerSYstem里的电路单元来搭建，直观而方便。所以本设计利用第三种方法，同时结合Simulink的其它工具模块来实现反激式变换电路的仿真。仿真要求：根据本文的设计要求，我们设计并仿真一个开关转换电路，设定输入为直流电压100V（交流220V经输入整流滤波得到），输出为单路+15V直流电压。设计思路：对于给定的输出电参考压为+15V，以实际输出+15V电压为反馈量，二者的误差作为调节器的输入进行控制，最终的目的是使输出跟随给定的+15V 。由此可见，闭环控制时改变给定值就可以调节输出。一般情况下，闭环中的调节器为PI调节器。图 16 系统仿真SIMULINK模型5.2仿真结果图 17 开关管的电压与电流图 18 输出直流电压与电流从仿真曲线可以看出，当电源电压出现波动时，反馈控制回路通过控制不同PWM信号的产生，使得输出直流电压能较好的稳定在+15V，满足了设计的基本要求。因为是仿真，所以在SIMULINK里并不能对开关变换器进行详尽的参数设置从而，仿真的结果仅供理论分析可参考。6总结与展望当前，电子产品种类繁多，电路形式各异。毋庸置疑的一点，任何电子产品的可靠正常运行都离不开可靠的电源供电。从目前的电源发展形势来看，开关电源具有体积小、重量轻、损耗小、效率高、使用方便等优点，逐步取代了传统的体积大、笨重、损耗大的线性电源，在电子设备中广泛应用。本文进行了基于UC3842控制芯片的小功率开关电源的设计。论文开头，对开关电源的基本工作原理阐释，介绍了常见的开关变换器拓扑结构和PWM控制理论，重点进行了开关电源系统主回路和反馈控制回路的设计工作。本文的主要研究工作和成果总结如下：（1） 绪论部分。首先详细地介绍了本课题研究背景，以及开关电源在国内和国外的研究现状，并概括了其发展趋势。在本章最后，简述了本文的研究目的和研究意义及其具体的设计任务和要求。（2） 基础知识部分。首先简单描述了开关电源基本的工作原理，介绍了开关电源的基本组成框架以及每一部分的作用和原理。并对开关电源常用的几种变换器的拓扑进行了简要的介绍，通过分析和对比，选择了反激式变换器作为主电路拓扑。最后详细分析了PWM开关电源的反馈控制方式：电压控制模式和电流控制模式，通过比较其优缺点，选择电流控制模式作为本设计的控制模式。（3） 核心设计部分。本文核心是设计UC3842电流控制型反激式开关电源，控制电路主要选用UC3842芯片来产生PWM信号。对于主电路的设计，包括EMI滤波器设计、输入输出整流滤波电路、开关管的选择和高频变压器电路等等。对于控制电路的设计，简述了UC3842控制芯片的基本功能特性，封装特性、管脚定义和内部结构，以其为控制核心，进行控制电路的外围电路设计，包括启动电路、振荡电路、开关管驱动电路和电压反馈电路等。在本章最后，给出了开关电源的整体框图和整体电路原理图。（4） 仿真实验部分。本问利用MATLAB的SIMULINK中的SimPowerSystem模块，并结合基本的电路设计模块对开关电源的核心变换器部分进行建模和仿真，通过仿真结果可以看出，开关电源输出直流电压能很好地稳定在+15V左右，反馈控制作用较好，满足了基本的设计要求。通过本次设计实验，本人了解到了开关电源设计的整个过程，深刻学习了开关电源设计的几个关键部分，对开关电源有了进一步的认识和更深层次的理解，同时也认识到了开关电源的优点和不足。开关电源的设计是一个复杂的过程，由于本人对该部分知识的理解和认识存在一定程度上的不足，电源的实际性能和效率还有待进一步改进和提高，这是本文未来需要逐步研究的地方。致谢这部分自己写吧！参考文献1 张小林,冉建桥,李贤云我国开关电源发展的思考微电子学,2004,34(4):402-406.2 周志敏,周纪海,纪海华开关电源实用技术设计与应用(第 2 版)北京:人民邮电出版社,2007,3-13.3 薛永毅,工淑英,何希才. 新型电源应用实例. 北京:电子工业出版社,200:28-40.4 Fazzi.A, Rotta.e, Rozzi.D. 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