1、 本科畢業設計(2012屆題目DC/DC升壓電源模塊的設計系電子工程專業班級學號學生姓名指導教師完成日期誠信承諾我謹在此承諾:本人所寫的畢業論文DC/DC升壓電源模塊的設計均系本人獨立完成,沒有抄襲行為,凡涉及其他作者的觀點和材料,均作了注釋,若有不實,后果由本人承擔。承諾人(簽名:年月日摘要DC/DC變換器是將一種直流電壓變換為另一種所需的直流電壓(固定或可調。這種技術被廣泛應用于計算機、辦公自動化設備、工業儀器儀表、軍事、航天等領域,涉及到國民經濟的各行各業中,變換器還需要符合上述領域的安全標準。本文重點講述了DC-DC升壓型變換器的工作原理,描述了DC-DC變換器的控制方法,同時,詳細闡

2、述了脈寬調制中電壓控制模式和電流控制模式的基本原理,分析比較了它們各自的優缺點。本文設計了一款采用峰值電流控制型脈寬調制芯片UC3842設計的Boost升壓型DC-DC變換電路,外接元器件少,控制靈活方便,輸出電壓穩定可調。在系統的硬件部分設計中,有三個部分組成,主要涉及到Boost拓撲結構電路、脈寬調制控制驅動電路、反饋閉環電路。在設計、制作、調試完整機之后,本系統基本能夠達到預期的要求:1.在輸入電壓15V-20V范圍內輸出電壓在32-55V;2.最大輸出電流達到1A;3.DC/DC變換器的效率>70%。關鍵詞:升壓型DC/DC變換器;電流控制;電壓控制;脈寬調制ABSTRACTDC

3、-DC converter is one DC voltage is transformed into another DC voltage required (fixed or adjustable. This technology is widely used in computers, office automation equipment, industrial instrumentation, military, aerospace and other fields related to national economy sectors, the converter also nee

4、d to meet safety standards in these areas.This paper focuses on the working principle of step-up DC-DC converter. Describes the DC-DC converter control method.At the same time, expounds the pulse width modulation of voltage control mode and the basic principle of current control model, and analyses

5、their advantages and disadvantages.This paper designs a using current peak control mode pulse width modulation UC3842 chip design Boost booster type DC-DC transform circuit,less External components, control is flexible and convenient, the output voltage stability can be adjusted.There are three part

6、s of hardware in the system design, mainly related to the Boost topology circuit, PWM control circuit, feedback loop circuit.In the design, production and testing after the system achieves the desired requirements: 1.The input voltage range of 15V-20V Output voltage 32-55V; 2.The maximum output curr

7、ent of 1A; 3.DC-DC Converter efficiency> 70%.Keywords: Step-up DC/DC converter; current control; voltage control; Pulse width modulation目錄1 緒論. 錯誤!未定義書簽。1.1 設計目的及意義 (11.2 開關電源的發展綜述 (21.3 本文主要工作與結構安排 (42 概述 (52.1 DC/DC開關電源概述 (52.2 DC/DC開關電源設計思路 (52.3 研發方向和技術關鍵 (62.4 主要技術指標 (63 總體設計 (73.1 系統整體方案 (7

8、3.1.1 Boost斬波結構部分 (73.1.2 脈沖調制驅動部分 (83.2 系統性能指標 (104 硬件設計 (114.1 Boost主拓撲電路設計 (114.2 控制芯片及外圍電路 (125 系統的制作與調試 (165.1 系統電路的布局和布線 (165.2 電路板的制作 (165.3 系統組裝 (175.4 硬件電路的調試 (175.4.1 Boost電路調試 (175.4.2 脈寬調制電路調試 (205.5 系統測試誤差分析 (225.6 系統性能測試 (226 結論 (23致謝 (25參考文獻 (26附錄 (271 緒論在如今的生活中,形形色色的電子設備越來越多,與人們的工作、生

9、活的關系也日益密切。而電源有如人體的心臟,是所有電設備的動力,因此電源系統的穩定性對于整個系統具有決定性的意義,其質量的好壞直接影響著電子設備的可靠性,而且電子設備的故障60%來自電源。因此,電源越來越受到人們的重視,人們對電源的要求也越來越高。經濟建設和社會生活各個方面的發展都會促進電源產業的發展。1.1 設計目的及意義現代電子設備使用的電源大致有線性穩壓電源和開關穩壓電源兩大類。所謂線性穩壓電源,就是其調整管工作在線性放大區,開關穩壓電源的調整管工作在開關狀態。傳統的穩壓電源雖然具有穩定性能好,輸出紋波電壓小,使用可靠的優點,但其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器,

10、并且功耗較大,電源率較低。相對的,DC-DC開關電源就可以適應現當代的電子設備對電源的要求,達成電子設備對電源的發展需求。其功耗小,效率可高達70%-95%。散熱器的體積也隨之減小,可直接對電網電壓進行整流、濾波、調整。總體來說,它具有體積小、重量輕(體積和重量只有線性電源的30%、效率高(線性電源只有40%,自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優點,又提高了整機的穩定性和可靠性,對電網的適應能力也有較大的提高。但也存在一些缺點:在隔離型開關電源中,由于逆變電路中會產生高頻電壓,對周圍設備有一定的干擾,需要良好的屏蔽及接地。開關電源是利用現代電力電子技術,控制開關晶體管開通和關斷的時音比率

11、,維持穩定輸出電壓的一種電源。從上世紀90年代以來開關電源相繼進入各種電子和電器設備領域,計算機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源。由于其高效節能可帶來巨大效益,從而得到迅速推廣。分布式電源的發展及與IT技術的結合,對傳統的電路系統造成巨大的影響,帶來了對電路系統概念的革新,在同一電路系統中越來越廣泛地使用分布式開關電源,使電路技術產生顯著進步,形成了新型的專項技術。DC-DC開關電源技術是分布式開關電源的關鍵技術,被譽為高效節能電源。它代表著穩壓電源的發展方向,現已成為穩壓電源的主流產品。開關電源內部關鍵元器件工作在高頻開關狀態,本身消耗的能量很低,電源效率可達

12、80%-90%,特別是目前便攜式設備市場需求巨大,DC-DC開關電源的需求也越來越大,性能要求也越來越高,而DC-DC開關電源的設計也更具挑戰性。DC-DC開關電源的核心部分DC-DC轉換器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓,也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種,一是脈寬調制方式Ts不變,改變ton(通用,二是頻率調制方式,ton不變,改變Ts(易產生干擾。其具體的電路由以下幾類1:(1Buck電路降壓斬波器,其輸出平均電壓U0小于輸入電壓UI,極性相同。(2Boost電路升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于輸入電壓UI,極性相同。(3Buck-Boost電路降壓或升壓斬波器,其輸出平均電

13、壓U0大于或小于輸入電壓UI,極性相反,電感傳輸。(4Cuk電路降壓或升壓斬波器,其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓UI,極性相反,電容傳輸。本次的畢業設計,目的在于鞏固電路、模擬電子技術和學習有關開關電源的基礎知識,并能夠學以致用,同時擁有分析、解決問題和動手的能力,以及一定的基于模擬電子技術的研究設計能力。從另一方面來說,DC-DC開關電源的技術追求也日趨高漲和發展趨勢亦漸廣泛,而且派生出發很多特殊的應用領域研制和開發的難度變得更大了,這就更有很多的研究價值和技術發展的空間了。再者說,DC-DC開關電源的發展與應用在節約資源及保護環境方面都具有深遠的意義。1.2 開關電源的發展綜述開關的

14、電源的發展可分為以下幾個時期:(1電子管穩壓電源時期(1950 年代。此時期主要為電子管直流電源和磁飽和交流電源,這種電源體積大、耗能多、效率低。(2晶體管穩壓電源時期(1960 年代1970 年代中期。隨著晶體管技術的發展,晶體管穩壓電源得到迅速發展,電子管穩壓電源逐漸被淘汰。(3低性能穩壓電源時期(1970 年代1980 年代末期。出現了晶體管自激式開關穩壓電源,工作頻率在20KHZ以下,工作效率60%左右。隨著壓控功率器件的出現,促進了電源技術的極大發展,它可使兆瓦級的逆變電源設計簡化,可取代需要強迫換流的晶閘管,目前仍在使用。功率MOSFET的出現,構成了高頻電力電子技術,其開關頻率可

15、達100HZ以上,并且可并聯大電流輸出。(4高性能的開關穩壓電源時期(1990 年代-現在。隨著新型功率器件和脈寬調制(PWM電路的出現和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應用,出現了小體積、高效率、高可靠的混合集成DC-DC開關電源2。國內開關電源技術的發展基本上起源于20世紀70年代末和80年代初。當時在高等院校和一些科研院所停留在試驗和教學階段。20世紀80年代中期開關電源產品開始推廣和應用。它的特點是采用20KHZ脈寬調制(PWM技術,效率可達65%-70%。目前,DC-DC開關電源的功率密度可達到7.3W/cm3(每立方英寸120W。當今的軟開關技術在DC-DC開關電源中的應用使得

16、DC-DC開關電源發生了質的飛躍。國外自20世紀90年代以來,開關電源的發展更是日新月異。許多新的領域和新的要求又對開關電源提出了更新更高的挑戰。如果從一個開尖電源的輸入和輸出端口觀察,可以發現輸入的要求變得更嚴了,不符合IEC1000-3-2標準的產品將陸續被淘汰。也正是這樣的外界條件推動了開關電源的有源功率因數校正技術和低壓大電流高功率DC-DC變換技術成為了當今電力電子領域的研究課題。如今美國VICOR開關電源公司設計制造的多種ECI軟開關DC-DC變換器,效率為: 80%-90%。日本Nemic Iambda公司最新推出的采用軟開關技術的高頻RM系列開關電源模塊,采用同步整流器,使整個

17、DC-DC開關電源電路的效率提高到90%3。由于開關電源功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優點,而線性電源效率低,并且電壓轉換形式單一(只有降壓等缺點。如今開關電源已逐漸取代線性電源。當然線性電源因為其低噪聲、低紋波的優點,在一些電子測量儀器、取樣保持電路中,線形電源仍然無法被開關電源取代。隨著技術的進步,開關電源將沿著以下幾個方面發展:(1小型化、輕量化和高頻化。(2高效率和高可靠性。(3低噪聲和良好的動態響應。(4低電壓、大電流、高功率。并且,DC-DC開關電源也將朝著高可靠、高穩定、低噪聲、抗干擾和實現模塊化方向發展:1.專用化:對通信電源等大

18、功率系統,采用集成的開關控制器和新型的高速功率開關器件,改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化,達到最佳的效率。對于小型便攜式電子設備,則主要是單片集成開關電源的形式,采用新型的控制方式和電路結構來減小器件體積、減小待機功能,提供低輸出電壓、高輸出電流以適應微處理器和便攜式電子設備等產品電源系統的供電要求。2.高頻率:隨著開關頻率的不斷提高,開關變換器的體積也隨之減小,功率密度也得到大幅度提升,動態響應得到改善,小功率DC-DC轉換器的開關頻率將上升到MHz。但隨著開關頻率的提高,開關元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數以及高頻電磁干擾(EMI等新的問題也將隨之產生,因此實現零電壓導通(Z

19、VS、零電流關斷(ZCS的軟開關技將成為開關電源產品未來的主流。3.高可靠:開關電源比線性電源使用的元器件多數十倍,因此降低了可靠性。從壽命角度出發,電解電容、光耦合器、開關管及高頻變壓器等決定電源的壽命。追求壽命的延長要從設計方面著手,而不是依賴使用方。4.低噪聲:與線性電源相比,開關電源的一個缺點是噪聲大,單純追求高頻化,噪聲也隨之增大。采用部分諧振轉換回路技術,在原理上既可以高頻化,又可以降低噪聲。但諧振轉換技術也有其難點,如很難準確控制開關頻率、諧振時增大了器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應力轉向開關管等問題難以解決。5.抗電磁干擾:當開關電源在高頻下工作時,噪聲通過

20、電源線產生對其它電子設備的干擾,世界各國已有抗電磁干擾的規范或標準,如美國的FCC,德國的VDE等,研究開發抗電磁干擾的開關電源日益顯得重要4。1.3 本文主要工作與結構安排本課題主要工作是DC-DC升壓電源模塊電路的設計,主要完成以下工作。1. 對DC-DC升壓電源模塊的工作原理和系統性能進行了較為深入的研究。2. 對兩種控制方式(電流型和電壓型進行了比較分析。3. 對整體電路系統進行設計。4. 繪制PCB版圖。5. 進行焊接調試。本論文的結構安排依據工作進度,主要是做了以下安排:第一章為總體緒論;先說明了本次論文的計設目的及意義,而后介紹了開關電源的發展及發展趨勢,最后對本文總體構造進行了

21、說明。第二章概述了本次設計的DC-DC升壓電源模塊,設計思路,研發方向和技術關鍵以及主要技術指標。第三章介紹了系統整體方案以及系統的性能指標。第四章詳細描述了DC-DC升壓電源模塊的構成,工作原理;并重點分析了Boost 主拓撲電路設計與控制電路中的各參數設置,并詳細介紹了其中用到的主要元器件,如UC3842,主要有引腳功能、適用范圍,基本工作原理等。第五章詳細描述了系統的制作與調試,誤差分析以及系統的性能測試。最后總結了本文的設計工作。2 概述2.1 DC/DC 開關電源概述DC/DC 電壓模塊系統一般由主拓撲電路部分、開關管驅動部分和反饋閉環三部分構成。主拓撲電路部分:主要包括功率開關管、

22、儲能電感、續流二極管以及濾波電容;開關管驅動部分:主要包括脈寬調制專用芯片以及必要的增強驅動功率開關管能力的電路;反饋閉環部分:主要包括采樣輸出電壓以及誤差放大電路5。圖2-1所示的就是最基本的DC/DC 開關電源系統。圖2-1 最基本的DC/DC 開關電源系統 2.2 DC/DC 開關電源設計思路本文課題在于對Boost 電路構成的DC-DC 開關電源進行設計。在設計過程中主要任務有以下幾個方面:1熟悉掌握DC/DC 變換器的基本組成和DC/DC 變換器的工作原理。2對整個系統分模塊進行理論分析,其中包括Boost 變換主電路模塊、脈寬調制驅動模塊、反饋閉環模塊。3根據要求對電路進行設計和元

23、器件的選型,并且掌握每個元器件所起的作用,特別是電感磁性元件、UC3842所組成的脈寬控制電路。4在進行電路布線時一定要注意元器件的布局、信號干擾、模擬電路與數字電路之間的相互影響等問題,在很大程度上決定著你的調試時間長短,最終結果正確與否。5進行電路的調試,在這一環節一定要仔細分析問題的所在,比如是模擬電路還是數字電路問題、控制還是反饋問題等。只有正確查找出問題才能對癥下藥,DC/DC 變換電路輸入 輸出 反饋開關管驅動電路可大大縮短調試時間。6系統的功能性測試及其電路的優化,其主要有DC/DC的轉換效率、輸出電流等電源主要參數。通過這一過程讓整個系統達到更好的效果。2.3 研發方向和技術關

24、鍵6現代電子設備使用的電源大致有線性穩壓電源和開關穩壓電源兩大類。所謂線性穩壓電源,就是其調整管工作在線性放大區,開關穩壓電源的調整管工作在開關狀態。傳統的穩壓電源雖然具有穩定性能好,輸出紋波電壓小,使用可靠的優點,但其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器,并且功耗大,電源效率較低。相對的,DC-DC開關電源就可以適應現當代的電子設備對電源的要求,達成電子設備對電源的發展需要。其功耗小,效率可高達70%-95%。散熱器的體積也隨之減小,可直接對電網電壓進行整流、濾波、調整。總體來說,它具有體積小、重量輕(體積和重量只有線性電源的30%、效率高(線性電源只有40%,自身抗干

25、擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優點,又提高了整機的穩定性和可靠性,對電網的適應能力也有較大的提高。但也存在一些缺點:在隔離型開關電源中,由于逆變電路中會產生高頻電壓,對周圍設備有一定的干擾,需要良好的屏蔽及接地。隨著電子技術的飛速發展,集成電路工作電壓越來越低,工作速度越來越高,輸出電流能力越來越大,要求其供電電路小體積、低電壓、高效率、大電流輸出,這一趨勢對供電電路的設計提出了嚴峻的挑戰。目前,設計優秀的DC/DC電源轉換器有高達95%以上的轉換效率。較高的系統效率不僅可以延長電池使用周期,也可以進一步減小設備體積。經分析不難發現,DC/DC電源的系統效率一方面受限于電源系統本身的耗能元件

26、,如電源內阻、濾波器阻抗、連接導線及接觸電阻等;另一方面與DC/DC電源轉換器的工作狀態和電源參數也有很大關系,合理地配置這些設計參數可以改善系統效率。電源內阻的耗能會使電源本身的效率降低,同時也影響到DC/DC電源轉換器的輸入電壓,因而也影響DC-DC電源轉換器的轉換效率。在極端情況下,DC/DC電源轉換器會進入非正常狀態,嚴重時系統將完全停止工作,即使能正常工作也會嚴重損失系統效率。所以在設計中合理選擇電源電壓、減小電源內阻、正確選擇DC/DC電源轉換器的工作點可以有效地改善DC/DC 電源的系統效率。DC/DC電源電源系統的優化設計關鍵在于正確分析電子設備各部分之間(尤其是電源和DC/D

27、C電源轉換器之間的相互作用,找出影響電源系統效率的主要因素。2.4 主要技術指標1、在輸入電壓15V-20V范圍內輸出電壓在32-55V之間;2、最大輸出電流達到1A;3、轉換效率>70%;3 總體設計3.1 系統整體方案7本次設計將做一個DC/DC 升壓電源模塊,通過UC3842控制電路的控制來實現系統輸出電壓。在系統的硬件部分設計中,主要涉及到Boost 拓撲結構電路、脈寬調制控制驅動電路、反饋閉環電路。系統結構框圖如圖3-1所示。圖3-1系統結構框圖3.1.1 Boost 斬波結構部分開關變換器的拓撲結構是指能用于轉換、控制和調節輸入電壓的功率開關器件和儲能器件的不同配置。開關變換

28、器的拓撲結構分為兩種基本類型:非隔離型(在工作期間輸入電源和輸出負載共用一個電流通路和隔離型(能量轉換是用一個相互耦合磁性元件“變壓器”來實現的,而且從電源到負載的耦合是借助于磁通而不是共同的電流。變換器拓撲結構是根據系統造價、性能指標和輸入/輸出負載特性等因素選定的。DC/DC 拓撲的種類繁多,對于大多數電源產品的設計者來說,挑選合適的拓撲結構是一項非常艱巨的任務。圖3-2為本系統Boost 拓撲電路圖,開關的開通和關斷受外部PWM 信號控制,電感L 將交替地存儲和釋放能量,而電容C 可將輸出電壓保持平穩,通過改變PWM 控制信號的占空比可以相應實現輸出電壓的變化。電路結構較為簡單,擁有開關

29、電源固有的特性損耗較小,效率較高的特點8。UC3842 振蕩電路和補償電路功率開關管S 電流取樣Rs 反饋Vcc 輸出Vo 整流濾波 儲能電感L 輸入Vi 圖3-2 系統Boost 拓撲電路圖 3.1.2 脈沖調制驅動部分脈寬調制指固定時鐘頻率,通過調節開關管控制信號的占空比D 實現對輸出電壓的調整。PWM 技術在較寬的負載范圍內都具有較高效率,此外因為頻率恒定噪聲頻譜相對窄,利用簡單的低通濾波技術便可得低紋波輸出電壓。因此PWM 技術普遍應用于通信技術中。PWM 調制方式根據反饋采樣的不同可分為:電壓模式和電流模式8。(1 電壓控制模式傳統PWM 開關電源采用電壓型控制模式,只對輸出電壓采樣

30、并作為反饋信號實現閉環控制,以穩定輸出電壓。圖3-3為電壓控制電路圖:電源輸出電壓out U 與參考電壓ref U 經誤差放大器比較放大后,又經PWM 比較器比較,由鎖存器輸出占空比隨誤差電壓信號e U 變化的一系列脈沖,再驅動控制用的開關晶體管,使輸出電壓穩定。Error AMP UrefUout Ue PWMCOMP SR Q LATCH U inUoutOSC CLOCK圖3-3 電壓控制電路圖(2 電流控制模式圖3-4是電流控制電路圖,它是一個雙控制系統,既保留了電壓型控制器的輸出電壓反饋控制部分,又增加了一個反饋環節,它的電路工作原理是:與經誤差放大器比較放大后得到 ,由恒頻時鐘脈沖

31、置位鎖存器輸出脈沖驅動管導通,電源電路中因輸出電感的作用使脈沖電流逐漸增大,當電流在采樣電阻RS 上的電流信號電壓VS 幅度達到電平時,脈寬比較器的狀態反轉,鎖存器復位,驅動撤除,功率管關斷,電路逐個的檢測和調節電流脈沖,控制電源輸出。 Error AMP UrefUout Ue PWMCOMP S R Q LATCHCLOCK RsUs U inU out圖3-4 電流控制電路圖電壓控制模式電路控制過程中電感電流未參與控制,是獨立變量,開關轉換器為二階系統,有兩個狀態變量,即輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統是一個有條件的穩定系統,只有對控制電路進行精心設計和計算,滿足一定條件

32、,方能使閉環系統穩定工作。開關電源的電流均流經電感,將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產生90度延遲。因此,僅用電壓采樣的方法反應速度慢,穩定性差,甚至在大信號變動時產生振蕩,從而損壞功率器件,以致在推挽和全橋等電路中引起變壓器偏磁化飽和而產生電流尖峰,最終導致線路工作失常。電流型控制器正是針對電壓型控制器的缺點發展起來的,它增加了電流反饋環,電感電流不再是一個獨立變量,從而使開關轉換器成為一個一階無條件的穩定系統,它只有單個極點和90度相位滯后,因而很容易不受約束的得到大的開環增益和完善的小信號、大信號特性。本系統即采用電流控制型的UC3842 作為主回路的控制芯片。根據UC3842的功能特

33、點,結合Boost 電路拓撲結構,完全可設計成電流控制型的升壓DC-DC 電路。該電路外接元器件少,控制靈活,成本低,具有其他專用芯片難以實現的功能。另外,給定電壓的穩定主要由硬件電路完成,實時性好,可靠性高,不需要用到高速單片機9。如圖3-5為UC3842控制芯片及周圍電路。 圖3-5 UC3842控制芯片及周圍電路3.2 系統性能指標本系統設計中,首先要完成的就是實現直流輸入電壓在15V-20V范圍內能夠輸出直流電壓在32-36V之間可調。如果這一功能不能實現別的技術指標就不可能達到,這是實現全部技術指標的基礎。因此,根據以上要求設計本系統的性能指標如下:(1直流輸入電壓從15V到20V,

34、直流輸出電壓在3255V之間;(2最大輸出電流Io=1A;(3DC/DC轉換效率大于70%;總之,通過上面的介紹,可以大體上了解整個系統的結構和工作原理,接下來將進行具體的電路原理圖設計。4 硬件設計本系統主要以Boost 為主拓撲電路、驅動以UC3842為脈寬調制芯片為主,它們共同構建起了整個DC/DC 變換系統。4.1 Boost 主拓撲電路設計本系統利用最為簡單可靠的Boost 斬波結構,開關的開通和關斷受外部PWM 信號控制,電感L 將交替地存儲和釋放能量,而電容C 可將輸出電壓保持平穩,通過改變PWM 控制信號的占空比可以相應實現輸出電壓的變化。Boost 升壓電路可以工作在電流斷續

35、工作模式(DCM和電流連續工作模式(CCM 10。圖3-2所示的是本系統的Boost 拓撲電路。B oost 拓撲結構升壓電路基本波形如圖4-1所示。開關管S 漏極電壓波形Ton ToffILon 開關管S 電流波形 ILp 電感L 電流波形 IL(ave IL ILoff 整流二極管D 電流波形 Id(ave輸出電容C2電流波形 Ic2(aveIc2圖4-1on T 時,開關管S 為導通狀態,二極管D 處于截止狀態,流經電感L 和開關管的電流逐漸增大,電感L 兩端的電壓為i V ,考慮到開關管S 漏極對公共端的導通壓降s V ,即為s i V V -。on T 時通過L 的電流增加部分on

36、IL 滿足式(1。LT V V IL ons i on (-= (1 式中:s V 為開關管導通時的壓降和電流取樣電阻s R 上的壓降之和,約0.6-0.9V 。off T 時,開關管S 截止,二極管D 處于導通狀態,儲存在電感L 中的能量提供給輸出,流經電感L 和二極管D 的電流處于減少狀態,設二極管D 的正向電壓為f V ,off T 時,電感L 兩端的電壓為o V +f V -i V ,電流的減少部分off IL 滿足(2。LT V IL offi off +V V (f o -= (2式中:f V 為整流二極管正向壓降,快恢復二極管0.8V ,肖特基二極管0.5V 。在電路穩定狀態下,

37、從電流連續后到最大輸出,on IL =off IL ,由式(1和(2可得if si on off V V V V T T -+-=o V (3 因占空比D=on T /T,即最大占空比max Doo f o f o max V V +V V +V V is i V V V D -= (4 如果忽略電感損耗,電感輸入功率等于輸出功率,即o ave i I Il V =o V (5 由式(4和式(5可得電感平均電流D I Il oave -=1 (6同時由式(1得電感器電流紋波,式中:f 為開關頻率。f L DV V Il s i -=( (7為保證電流連續,電感電流應滿足2/Il Il ave

38、(8考慮到式(6、式(7和式(8,可得到滿足電流連續情況下的電感值為f I D D V V L o s i -1(2 (9另外,由Boost 升壓電路可知,開關管電流峰值Is(max=二極管電流峰值Id(max=電感器電流峰值Ilp 。2/(Il Il Ilp ave += (10開關管耐壓 f off V Vds +=o V (11 二極管反向耐壓 r V =o V -a V (124.2 控制芯片及外圍電路采用UC3842 作為主回路的控制芯片。UC3842價格低廉,廣泛應用于電子信息設備的電源電路設計中。根據UC3842的功能特點,結合Boost 電路拓撲結構,完全可設計成電流控制型的升

39、壓DC-DC 電路。該電路外接元器件少,控制靈活,成本低,具有其他專用芯片難以實現的功能。另外,給定電壓的穩定主要由硬件電路完成,實時性好,可靠性高,不需要用到高速單片機,也隨即降低了軟件編寫的難度。本系統控制驅動具體電路如圖3-5所示。UC3842是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應用而設計,為設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償的參考、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰式輸出,可以直接驅動外部功率開關管,所以是驅動功率MOSFET 的理想器件。其他的保護特性包括輸入和參考欠

40、壓鎖定,各有滯后、逐周電路限制、可編程輸出靜區時間和單個脈沖測量鎖存。有16V (通和10V (斷低壓鎖定門限,十分適合于離線變換器,這里采用DC 輸入直接給芯片供電11。UC3842管腳如圖4-2所示,其功能說明如表4-1。圖4-2 UC3842管腳圖表4-1 UC3842管腳功能介紹管腳 功能 說 明1 補償該管腳為誤差放大器輸出,并可用于環路補償2電壓反饋 該管腳是誤差放大器的反向輸入,通常一個電阻分壓器連至開關電源輸出3 電流取樣 一個正比于電感器電流的電壓接至此輸入,脈寬調制器使用此信息中止輸出開關的導通4t C /R t通過將電阻t R 連接至ref V 以及電容t C 連接至地,

41、使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調,工作頻率可達500KHZ5 地 該管腳是控制電路和電源的公共地6輸出該輸出直接驅動功率MOSFET 的柵極,高達1A 的峰值電流經此管腳拉和灌7 cc V該管腳是集成電路的正電源8ref V該管腳為參考輸出,它通過電阻t R 向電容t C 提供充電電流1 2 3 4 5 6 7 8UC3842是專為低壓應用設計的,低壓鎖定門限為8.5V (通和7.6V(斷,其主要特性有:1微調的振蕩器放電電流,可精確控制占空比 2電流模式工作到500千赫 3自動前饋補償4鎖存脈寬調制,可逐周限流 5內部微調的參考電壓,帶欠壓鎖定 6大電流圖騰柱輸出 7欠壓鎖定,帶滯后 8低啟

42、動和工作電流如圖4-3所示為UC3842內部結構及工作原理圖。其中內部誤差放大器與電流檢測比較器的輸入設計將直接影響系統的整體穩定性,因此在設計好之后調試過程中也要非常注意。V ref 欠壓鎖定5.0V 參考電壓V cc 欠壓鎖定鎖存脈寬調制器振蕩器+-V ref 8(14R T C T4(7電壓反饋輸入2(3輸出補償1(1誤差放大器地5(9Vcc7(12Vc7(11輸出6(10電源地5(8電流檢測輸入3(5圖4-3 UC3842內部結構及工作原理圖這種電流型控制電路的主要特點是:(1輸入電壓的變化引起電感電流斜坡的變化,電感電流自動調整而不需要誤差放大器輸出變化,改善了瞬態電壓調整率;(2電

43、流型控制檢測電感電流和開關電流,并在逐個脈沖的基礎上同誤差放大器的輸出比較,控制PWM 脈寬,由于電感電流隨誤差信號的變化而變化,從而更容易設置控制環路,改善了線性調整率;(3電流型控制電路中需要對電感電流的斜坡進行補償,因為,平均電感電流大小是決定輸出大小的因素,在占空比不同的情況下,峰值電感電流的變化不能與平均電感電流變化相對應,特別是占空比,50%的不穩定性,存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差,即使占空比小于50%,也可能發生高頻次諧波振蕩,因而需要斜坡補償,使峰值電感電流與平均電感電流變化相一致,但是,同步不失真的斜坡補償技術實現上有一定的難度。(4簡化了限流電路,在保證電源工作可

44、靠性的同時,電流限制使電感和開關管更有效地工作;UC3842芯片的振蕩頻率估算公式為:tt C R f =75.1 (13上式中,t R 取10k ,t C 取1.5nF ,理論計算出來的頻率值為116KHz ,但由于電容值不準確,實際值92KHz 。還可以通過增加外補償網絡和斜坡補償大大加強系統穩定性。5 系統的制作與調試5.1 系統電路的布局和布線12當我們設計好系統的電路原理后,接下來的工作就是要進行排版布線。雖然軟件具有自動布局、布線的功能,但是要想有好布局和布線還是手動較好。元件布局直接影響著布線難度以及系統穩定性,電源的PCB布局主要注意以下幾方面: 1、按電路模塊進行布局,實現同

45、一功能的相關電路稱為一個模塊,電路模塊中的元件應采用就近集中原則,同時數字電路和模擬電路分開;2、定位孔、標準孔等非安裝孔周圍1.27mm 內不得貼裝元、器件,螺釘等,安裝孔周圍3.5mm、4mm內不得貼裝元器件;3、電阻、電感、電解電容等元件的下方避免布過孔,以免波峰焊后過孔與元件殼體短路;4、元器件的外側距板邊的距離為5mm;5、貼裝元件焊盤的外側與相鄰插裝元件的外側距離大于2mm;6、金屬殼體元器件和金屬件不能與其它元器件相碰,不能緊貼印制線、焊盤,其間距應大于2mm。定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其它方孔外側距板邊的尺寸大于3mm;7、發熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件;高熱器件要均衡

46、分布。在布版時,一定要先確定各個元器件的型號及封裝,然后畫原理圖時,盡量能找到同型號器件,不一樣時標記一下。PCB布局布線的好壞對系統性能的穩定性影響很大,這一點在高頻電路中尤為突出,所以,在進行電路布線時一定要注意以下幾點:1、模擬地和數字地應分開單點接地,直接可以通過一個磁珠鏈接,這樣可以避免數字信號和模擬信號的相互干擾;2、信號線改變方向時應該走斜形、曲線,避免出現直角、銳角;3、元器件引腳之間盡量走短線,線越短電阻越小,干擾越小;4、旁路去耦電容要盡量靠近芯片引腳;5、回路面積要小,大電流走線要短而粗。5.2 電路板的制作1、打印電路板。將繪制好的電路板用轉印紙打印出來,注意滑的一面面

47、向自己,一般打印兩張電路板,即一張紙上打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。圖5-1是打印好的電路板圖。 圖5-1 打印好的電路板圖2、裁剪覆銅板,用感光板制作電路板全程圖解。覆銅板,也就是兩面都覆有銅膜的線路板,將覆銅板裁成電路板的大小,不要過大,以節約材料。3、預處理覆銅板。用細砂紙把覆銅板表面的氧化層打磨掉,以保證在轉印電路板時,熱轉印紙上的碳粉能牢固的印在覆銅板上,打磨好的標準是板面光亮,沒有明顯污漬。4、轉印電路板。將打印好的電路板裁剪成合適大小,把印有電路板的一面貼在覆銅板上,對齊好后把覆銅板放入熱轉印機,放入時一定要保證轉印紙沒有錯位。一般來說經過2-3次轉印,電路

48、板就能很牢固的轉印在覆銅板上。熱轉印機事先就已經預熱,溫度設定在160-200攝氏度,由于溫度很高,操作時注意安全!5、腐蝕線路板,回流焊機。先檢查一下電路板是否轉印完整,若有少數沒有轉印好的地方可以用黑色油性筆修補。接下來,將壓制好的銅板放入FeCl3溶液中進行腐蝕,為了加快腐蝕的速度,我們可以適當提高FeCl3的濃度以及提升溶液的溫度,并來回的搖動容器,腐蝕的時間過長或過短都會造成腐蝕的效果不好,等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時,將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈,這樣一塊線路板就腐蝕好了。6、線路板鉆孔。依據電子元件管腳的粗細選擇不同的鉆針,打孔的鉆頭一定要與焊盤孔相匹配,否則,會是焊盤掉

49、落,對電路的正常工作帶來影響,在使用鉆機鉆孔時,線路板一定要按穩,鉆機速度不能開的過慢。7、線路板預處理。鉆孔完后,用細砂紙把覆在線路板上的墨粉打磨掉,用清水把線路板清洗干凈。水干后,用松香水涂在有線路的一面,為加快松香凝固,我們用熱風機加熱線路板,只需2-3分鐘松香就能凝固。8、焊接電子元件。焊接完板上的電子元件,通電。5.3 系統組裝系統組裝過程中,首先就是元器件的焊接,元器件的焊接按從低到高,從小到大的原則。在元器件焊接之前應該先在電路銅線上上一層松香,防止銅暴露在空氣中被氧化,以便于焊接;在焊接過程中焊錫量要用得當,過多造成不必要的浪費,過少有可能造成虛焊;元器件焊完后,可以給發熱量大

50、的元器件裝上散熱片,這樣可以延長元器件的壽命,增加系統穩定性。最后還可以給電路板安裝底座。通過以上步驟,一個完整的硬件電路部分就差不多完成了,此時還可以用萬用表再檢查確認一下是否有元器件漏焊、焊錯的情況,以確保電路的正確性,防止在上電以后造成短路電路的燒毀。5.4 硬件電路的調試5.4.1 Boost電路調試這部分主要包括輸入輸出電容、電感、續流二極管和MOS管這四個元器件。如圖5-2 Boost 主電路所示。 圖5-2 Boost 主電路 (1MOS 管13輸出電壓out U 輸入電壓in U 的關系為1/(-=in out U U ,為MOS 管導通比。在系統運行過程中會發現MOS 管是整

51、個系統的發熱源之一。開關頻率對MOS 管的損耗有很大影響,頻率越高,損耗越大,MOS 管發熱也就越嚴重,為此本系統選擇了30KHz 為開關頻率,以降低開關損耗也就提高了系統效率。通過測試比較這里選用IRF540作為系統中的MOS 管,其能夠承受的最大電壓為100V ,最大電流為23A ,導通電阻僅為77m 。假設MOS 管的開通和關斷的重疊時間相同,均為 ,則一個開關周期內MOS 管的平均損耗為:t f I V dt t i t v T P S S S Ts d ds S SW =31(10 (14 其中Ts 為開關周期,S f 為開關頻率,S V 為MOS 管關斷期間加在它兩端的電壓,I s

52、 為晶體管導通期間流過的電流。由上式可知,MOS 管的開通關斷損耗與開關頻率成正比,適當降低開關頻率有助于降低系統功耗。在輸出電壓30V ,電流2A 時,認為t 與3842振蕩器的死區時間相等,即t=t d =300CT 時,此時PSW=2.1W ,對于效率的影響是3.5%。由此可見,MOS 管的開關損耗對系統效率的影響較大。(2儲能電感L根據輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(1得55.0401840max =-=-o i o V V V D 當輸出最大負載時至少應滿足電路工作在CCM 模式下,即必須滿足式(9uh f I D D V V L o s i 8649000255.01(55

53、.09.018(21(2=-=- 同時考慮在10%額定負載以上電流連續的情況,實際設計時可以假設電路在額定輸出時,電感紋波電流為平均電流的20%-30%,因增加IL 可以減小電感L ,但為不增加輸出紋波電壓而需增大輸出電容2C ,取30%為平衡點,即A D I Il Il o ave 33.155.012%301%30%30=-=-= (15 由式(7、式(15可得 L=uH f Il D V V s i 1444900033.155.09.018(-=- 流過電感L 的峰值電流由式(10得A D I Il Il Ilp o ave 11.555.01215.1115.12=-=-=+= L

54、可選用電感量為140-200uH 且通過5A 以上電流不會飽和的電感器。電感的設計包括磁性材料、尺寸、型號選擇及繞組匝數計算、線徑選用等。電路工作時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大,材質好的磁芯如環形鐵粉磁芯,承受峰值電流能力較強,EMI 低。而選用線徑大的導線繞制電感能有效降低電感的溫升。一旦電感值選定,電感的類型也必須被選定。一般來說,高效率的變換器無法承受低成本的鐵粉芯線圈損耗,這迫使我們不得不去使用更貴的鐵酸鹽或鉬材料芯體。實際上,對于一個確定的電感器,芯體損耗與芯體大小無關,而與其自感系數有很大關系。當自感系數增加時,芯體損耗會減小。然而,當自

55、感系數增加時,需要更多圈的金屬絲,因此銅耗會增加。實際測得的L 電感量如下圖5-3所示。 圖5-3 電感量值L(3輸出取樣電阻1R ,2R因UC3842的腳2為誤差放大器反向輸入端,芯片內正向輸入端為基準2.5V ,可知輸出電壓1(5.221R R V O +=,根據輸出電壓可確定取樣電阻1R ,2R 的取值。 (4輸出二極管D 和輸出電容C2升壓電路中輸出二極管D 必須承受和輸出電壓值相反方向的電壓,并傳導負載所需的最大電流。二極管峰值電流A Ilp Id 11.5(max=,本電路可選用6A/50V 以上的快恢復二極管,若采用正向壓降的肖特基二極管,整個電路的效率將得到提高。輸出電容C2的

56、選定取決于對輸出紋波電壓的要求,紋波電壓與電容的等效串聯電阻ESR 有關,電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的=3.033.1/%140/IL V ESR o 。另外,為滿足輸出紋波電壓相對值的要求,濾波電容量應滿足下式uF I V DT V C 561490002%14055.040200202= 根據計算出的ESR 值和電容量值選擇電容器,由于低溫時ESR 值增大,故應按低溫下的ESR 來選擇電容,因此,選用560UF/50V 以上頻率特性好的電解電容可滿足需求。5.4.2 脈寬調制電路調試由UC3842組成的脈寬調制電路的穩定性決定著系統能否正常輸出電壓。開關管以UC384

57、2設定的頻率周期開閉,使電感儲存能量并釋放能量。實際計算的t R 取10K ,t C 取3300uF ,但是在實際中的發現,由于元器件誤差的存在,實際只有38KHZ 。 當UC3842的腳3電壓升高超過1V 或腳1電壓降到1V 以下,都可使PWM 比較器輸出高電平,造成PWM 鎖存器復位14。根據UC3842的關閉特性,可以很容易在電路中設置過壓保護電路。本電路中與MOS 管串聯的小于0.1電阻就可以起到MOS 管過流保護的作用,其上感應出的峰值電流形成逐個脈沖限流電路,當腳3達到1V 時就會出現限流現象,所以整個電路中的電感磁性元件和功率開關管不必設計較大的余量,就能保證穩壓電路工作穩定,又能降低成本。(1外補償網絡UC3842誤差放大器的輸出端腳1與反向輸入端腳2之