1、. . . . 單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源學(xué)生： xxx 學(xué)生學(xué)號： xxx 院（系）： xxx 年級專業(yè)： xxx 指導(dǎo)教師： xxx 二一三年十二月- 18 - / 21摘 要電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備。在信息時(shí)代，農(nóng)業(yè)、能源、交通運(yùn)輸、通信等領(lǐng)域迅猛發(fā)展，對電影產(chǎn)業(yè)提出個(gè)更多、更高的要求，如節(jié)能、節(jié)材、減重、環(huán)保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索尋求各種鄉(xiāng)關(guān)技術(shù)，做出最好的電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。開關(guān)電源是一種新型的電源設(shè)備，較之于傳統(tǒng)的線性電源，其技術(shù)含量高、耗能低、使用方便，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。UC3842是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器。假如由于某

2、種原因使輸出電壓升高時(shí)，脈寬調(diào)制器就會改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動MOS管、IGBT等，適合于制作2080W小功率開關(guān)電源。由于器件設(shè)計(jì)巧妙，由主電源電壓直接啟動，構(gòu)成電路所需元件少，非常符合電路設(shè)計(jì)中“簡潔至上”的原則。設(shè)計(jì)思路，并附有詳細(xì)的電路圖。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源，uc3842，脈寬調(diào)制，功率，IGBT目 錄摘 要I1 設(shè)計(jì)要求12 設(shè)計(jì)方案22.1開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體框圖22.2電路結(jié)構(gòu)的選擇22.3 啟動電路32.4 PWM脈沖控制驅(qū)動電路42.5 直流輸出與反饋電路 42.6 總體電路圖分析63

3、設(shè)計(jì)過程73.1變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì)73.2 電路仿真波形84 PCB設(shè)計(jì)114.1 PCB設(shè)計(jì)規(guī)114.2 PCB設(shè)計(jì)圖145總結(jié)和體會15參考文獻(xiàn)16附 錄1：總體電路圖171 設(shè)計(jì)要求電源設(shè)計(jì)指標(biāo)小型電源輸入、輸出參數(shù)如下：輸入電壓：AC 110/220V；輸入電壓變動圍：90240V；輸入頻率：50/60Hz；輸出電壓：12V；輸出電流：2.5A。控制電路形式為它激式，采用UC3842為PWM控制電路。電源開關(guān)頻率的選擇決定了變換器的特性。開關(guān)頻率越高，變壓器、電感器的體積越小，電路的動態(tài)響應(yīng)也越好。但隨著頻率的提高，諸如開關(guān)損耗、門極驅(qū)動損耗、輸出整流管的損耗會越來越突出，而且頻率

4、越高，對磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)的要求會越苛刻。另外高頻下線路的寄生參數(shù)對線路的影響程度難以預(yù)料，整個(gè)電路的穩(wěn)定性、運(yùn)行特性以與系統(tǒng)的調(diào)試會比較困難。在本電源中，選定工作頻率為85kHz.。2 設(shè)計(jì)方案2.1開關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)總體框圖 2.2電路結(jié)構(gòu)的選擇小功率開關(guān)電源可以采用單端反激式或者單端正激式電路，電源結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低。與單端反激式電路相比，單端正激式電路開關(guān)電流小，輸出紋波小，更容易適應(yīng)高頻化。用電流型PWM控制芯片UC3842構(gòu)成的單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路如圖4-1所示。單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源加有磁通復(fù)位電路，以釋放勵磁電路的能量。在圖4-1中，開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)V1導(dǎo)

5、通，副邊線圈N2向負(fù)載供電，V4截止，反饋電線圈N3的電流為零；VT關(guān)斷時(shí)V1截止，V4導(dǎo)通，N3經(jīng)電容C1濾波后向UC3842腳供電，同時(shí)原邊線圈N1上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢使V3導(dǎo)通并加在RC吸收回路。由于變壓器中的磁場能量可通過N3泄放，而不像一般的RCD磁通復(fù)位電路消耗在電阻上，達(dá)到減少發(fā)熱，提高效率的目的。圖21單端正激式開關(guān)電源的主電路圖2.3 啟動電路圖22輸入220v交流電，經(jīng)過C1、 L、 C2進(jìn)行低通濾波 濾波后的交流電壓經(jīng)D1D4橋式整流以與電解電容C1、C2濾波后變成3l0V的脈動直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻R18分壓給uc3842提供啟動電壓，當(dāng)電壓達(dá)到16v時(shí)達(dá)到芯片的啟動

6、電壓，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖， uc3842的啟動電壓大于16 V，啟動電流僅1 mA即可進(jìn)入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時(shí)，工作電壓在1034 V之間，負(fù)載電流為15 mA。超出此限制，開關(guān)電源呈欠電壓或過電壓保護(hù)狀態(tài)，無驅(qū)動脈沖輸出。 圖22高頻濾波整流電路2.4 PWM脈沖控制驅(qū)動電路圖23 PWM脈沖控制驅(qū)動電路圖23由分壓電阻R18提供分得的電壓接入uc3842的（vcc）管腳，uc3842啟動工作，由端（output）輸出推動開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場效應(yīng)管導(dǎo)通，電流通過變壓器原邊，同時(shí)把能量儲存在變壓器中。根據(jù)同名端標(biāo)識情況，此時(shí)變壓器各路副

7、邊沒有能量輸出。當(dāng)腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時(shí)，場效應(yīng)管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產(chǎn)生下正上負(fù)的感生電動勢，此時(shí)副邊各路二極管導(dǎo)通，向外提供能量。同時(shí)反饋線圈向UC3842供電。UC3842部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟和關(guān)閉閾值分別為16V和10V，電源電壓接通之后，當(dāng)7端電壓升至16V時(shí)UC3842開始工作，啟動正常工作后，它的消耗電流約為15mA。由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時(shí)會導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。如圖43所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R6兩

8、端的電壓上升，其中R19和C8組成濾波電路防止脈沖尖峰使電路誤操作，UC3842的腳3上的電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過正常值0.3V達(dá)到1V(即電流超過15A)時(shí)，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時(shí)，UC3842的腳無輸出，MOS管S1截止，從而保護(hù)了電路。 2.5 直流輸出與反饋電路當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開關(guān)管截止后，能量通過次級繞組釋放到負(fù)載上。由公式：Uo=(Ton/(n)E （21）可以得出，輸出電壓和開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成正比；與初，次級繞組的匝數(shù)比與開關(guān)管的截止時(shí)間成反比。圖24 直流輸

9、出與反饋電路反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC81。利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖24輸出電壓經(jīng)R9，R11分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓>2.5 V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負(fù)誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達(dá)到穩(wěn)壓目的。在對電壓精度要求高的場合，會把電壓反饋信號從補(bǔ)償端(CMO

10、P)輸入，不用UC3842的部放大器，因此反饋信號的傳輸縮短了一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間，使電源的動態(tài)響應(yīng)更快。2.6 總體電路圖分析圖25總體電路圖本設(shè)計(jì)利用uc3842組成的PWM脈沖控制驅(qū)動電路，輸出5v和12v兩個(gè)直流電源。電路分為四個(gè)模塊，整流濾波電路，為uc3842提供啟動電壓，uc3842組成的PWM脈沖電路，驅(qū)動MOSFET管為變壓器線圈提供脈沖，兩個(gè)輸出電路，以與一個(gè)電壓反饋電路。當(dāng)電路啟動運(yùn)行后，uc3842的啟動電壓由R7分壓,再經(jīng)二極管整流后，得到的直流電壓提供，此時(shí)第一模塊的啟動電路不再提供啟動電壓。設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于精密的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3 設(shè)計(jì)過程3.1變壓器和輸出電感的設(shè)計(jì)

11、依據(jù)UC3842應(yīng)用方式，選定定時(shí)電阻RT1.8k，定時(shí)電容CT10F。確定開關(guān)頻率f85kHz，周期T11.8s。設(shè)計(jì)單端控制開關(guān)電源時(shí)，一般占空比D最大不超過0.5，這里選擇D0.5，則： (3-1)根據(jù)電源規(guī)格、輸出功率、開關(guān)頻率選擇PQ26/25磁芯，磁芯截面積S1.13cm2，磁路有效長度L6.4cm，飽和磁通密度BS0.4T。取變壓器最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度BmaxBS/30.133T，則電感系數(shù)A為： (3-2) 變壓器原邊線圈匝數(shù)N1為： (3-3)式中，UI最小直流輸入電壓。交流輸入電壓的最小值約為90V，UI90×2127(V)，得出N149.9匝，取50匝。原邊線圈電

12、感LAN1211.1(mH)。副邊線圈匝數(shù)為： (3-4)式中：UDF整流二極管VDl上的壓降； UL輸出電感L上的壓降。取UDF+UL0.7V，代入式(6-4)，得N210匝。副邊線圈電感為： (3-5)開關(guān)管斷開時(shí)，N1兩端將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，為了保證開關(guān)管正常工作，將感應(yīng)電動勢限制到e=300V。反饋電線圈向UC3842提供U12V的工作電壓，按電容C1上的電壓UC16V計(jì)算，以保證有足夠的供電電壓給UC3842。由N3(UC /e)N1可得N32.67匝，取3匝。變壓器副邊電流為矩形波，其有效值為： (3-6)導(dǎo)線電流密度取4A/mm2，所需繞組導(dǎo)線截面積為1.77/40.44(mm2

13、)。同樣可選擇原邊繞組導(dǎo)線，原邊電流有效值為： (3-7)所需繞組導(dǎo)線截面積為0.354/40.0885mm2，選用截面積為0.09621mm2的導(dǎo)線(0.41mm)。取輸出電感的電流變化量IL0.2IO0.5A，則輸出電感為： (3-8)式中：U2副邊線圈最小電壓。計(jì)算得： (3-9)取UDF0.5V，UO3V，代入式(6-8)可得L140H。根據(jù)輸出電感上的電流ILIO，所需繞組導(dǎo)線截面積應(yīng)為2.5/40.625mm2，選擇截面積為0.6362mm2導(dǎo)線(0.96mm)。3.2 電路仿真波形本電路采用Multisim 11.0仿真，其仿真結(jié)果如下：圖32 12v輸出仿真波形圖圖32（3）U

14、C3842輸出波形圖32（4）取樣電路仿真波形圖4 PCB設(shè)計(jì)4.1 設(shè)計(jì)規(guī) 在任何開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，PCB板都是物理設(shè)計(jì)的最后一環(huán)，如果設(shè)計(jì)方法不當(dāng)，PCB可能會輻射過多的電磁干擾，造成電源工作不穩(wěn)定，以下針對各個(gè)步驟中所需注意的事項(xiàng)進(jìn)行分析:元 器件布局實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會對電子設(shè)備的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果PCB上兩條細(xì)平行線靠得很近，則會形 成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲；由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會使產(chǎn)品的性能下降，因此在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)注意采用正確的方 法。每一個(gè)開關(guān)電源都有四個(gè)電流回路：(1). 電源開關(guān)交流回

15、路(2). 輸出整流交流回路(3). 輸入信號源電流回路(4). 輸出負(fù)載電流回路輸 入回路通過一個(gè)近似直流的電流對輸入電容充電，濾波電容主要起到一個(gè)寬帶儲能作用；類似地，輸出濾波電容也用來儲存來自輸出整流器的高頻能量，同時(shí)消除輸 出負(fù)載回路的直流能量。所以，輸入和輸出濾波電容的接線端十分重要，輸入與輸出電流回路應(yīng)分別只從濾波電容的接線端連接到電源；如果在輸入/輸出回路和電 源開關(guān)/整流回路之間的連接無法與電容的接線端直接相連，交流能量將由輸入或輸出濾波電容并輻射到環(huán)境中去。電源開關(guān)交流回路和整流器的交流回路包含高幅 梯形電流，這些電流中諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)基頻，峰值幅度可高達(dá)持續(xù)輸

16、入/輸出直流電流幅度的5倍，過渡時(shí)間通常約為50ns。這兩個(gè)回路最容 易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路，每個(gè)回路的三種主要的元件濾波電容、電源開關(guān)或整流器、電感或變壓器應(yīng)彼此相鄰 地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。建立開關(guān)電源布局的最好方法與其電氣設(shè)計(jì)相似，最佳設(shè)計(jì)流程如下：(1)放置變壓器(2)設(shè)計(jì)電源開關(guān)電流回路(3)設(shè)計(jì)輸出整流器電流回路(4)連接到交流電源電路的控制電路設(shè)計(jì)輸入電流源回路和輸入濾波器 設(shè)計(jì)輸出負(fù)載回路和輸出濾波器根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：(1) 首先要考慮PCB尺寸大小。PC

17、B尺寸過大時(shí)，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。電路板的最佳形狀矩形，長寬比為3：2或4：3，位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。(2) 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、 整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接, 去耦電容盡量靠近器件的VCC。(3) 在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。(4) 按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致

18、的方向。(5) 盡可能地減小環(huán)路面積,以抑制開關(guān)電源的輻射干擾。布 線開關(guān)電源中包含有高頻信號，PCB上任何印制線都可以起到天線的作用，印制線的長度和寬度會影響其阻抗和感抗，從而影響頻率響應(yīng)。即使是通過直流信號的 印制線也會從鄰近的印制線耦合到射頻信號并造成電路問題(甚至再次輻射出干擾信號)。因此應(yīng)將所有通過交流電流的印制線設(shè)計(jì)得盡可能短而寬，這意味著必須 將所有連接到印制線和連接到其他電源線的元器件放置得很近。印制線的長度與其表現(xiàn)出的電感量和阻抗成正比，而寬度則與印制線的電感量和阻抗成反比。長度反 映出印制線響應(yīng)的波長，長度越長，印制線能發(fā)送和接收電磁波的頻率越低，它就能輻射出更多的射頻能量

19、。根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減 少環(huán)路電阻。 同時(shí)使電源線、地線的走向和電流的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。接地是開關(guān)電源四個(gè)電流回路的底層支路，作為電路的公共參考點(diǎn)起著很重要的作用， 它是控制干擾的重要方法。因此，在布局中應(yīng)仔細(xì)考慮接地線的放置，將各種接地混合會造成電源工作不穩(wěn)定。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1. 正確選擇單點(diǎn)接地。通常，濾波電容公共端應(yīng)是其它的接地點(diǎn)耦合到大電流的交流地的唯一連接點(diǎn)，同一級電路的接地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容 也應(yīng)接在該級接地點(diǎn)上，主要是考慮電路各部分回流到地的電流是變化的，因?qū)嶋H流過的線路的阻抗會導(dǎo)致電路各部分地電位

20、的變化而引入干擾。在本開關(guān)電源中， 它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而采用一點(diǎn)接地，即將電源開關(guān)電流回路 （中的幾個(gè)器件的地線都連到接地腳上，輸出整流器電流回路的幾個(gè)器件的地線也同樣接到相應(yīng)的濾波電容的接地腳上，這樣電源工作較穩(wěn)定，不易自激。做不到單 點(diǎn)時(shí)，在共地處接兩二極管或一小電阻，其實(shí)接在比較集中的一塊銅箔處就可以。設(shè)備的定時(shí)信2. 盡量加粗接地線 若接地線很細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電子號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞，因此要確保每一個(gè)大電流的接地端采用盡量短而寬的印制 線，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線電源

21、線信號線，如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3mm，也可用大面積銅層作地線 用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。進(jìn)行全局布線的時(shí)候，還須遵循以下原則：(1).布線方向：從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產(chǎn)過程常需要在焊接面進(jìn)行各種參數(shù)的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試與檢修（注：指在滿足電路性能與整機(jī)安裝與面板布局要求的前提下）。(2).設(shè)計(jì)布線圖時(shí)走線盡量少拐彎，印刷弧上的線寬不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)90度,力求線條簡單明了。(3). 印刷電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即讓某

22、引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或從 可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如何電路很復(fù)雜，為簡化設(shè)計(jì)也允許用導(dǎo)線跨接，解決交叉電路問題。因采用單面板，直插元件位于top 面，表貼器件位于底面，所以在布局的時(shí)候直插器件可與表貼器件交疊，但要避免焊盤重疊。3輸入地與輸出地本開關(guān)電源中為低壓的DCDC，欲將輸出電壓反饋回變壓器的初級，兩邊的電路應(yīng)有共同的參考地，所以在對兩邊的地線分別鋪銅之后，還要連接在一起，形成共同的地。檢查:布線設(shè)計(jì)完成后，需認(rèn)真檢查布線設(shè)計(jì)是否符合設(shè)計(jì)者所制定的規(guī)則，同時(shí)也需確認(rèn)所制定的規(guī)則是否符合印制板生產(chǎn)工藝的需求，一般檢查線與線、線與元件焊盤、線與貫通孔、元件焊盤與貫通孔、貫通孔與貫通孔之間的距離是否合理，是否滿足生產(chǎn)要求。 電源線和地線的寬度是否合適，在PCB中是否還有能讓地線加寬的地方。注意： 有些錯(cuò)誤可以忽略，例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外，檢查間距時(shí)會出錯(cuò)；另外每次修改過走線和過孔之后，都要重新覆銅一次。4.2 PCB設(shè)計(jì)圖5 總結(jié)和體會通過這次課題設(shè)計(jì)使我更加了解了開關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)之前查閱了很多資料，意識到自己很多的不足，希望能在以后的學(xué)習(xí)中彌補(bǔ)