./畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目升壓式〔Boost型穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源系別電子信息與機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化年級(jí)07電氣班學(xué)號(hào)9學(xué)生中指導(dǎo)教師徐曉燕完成時(shí)間2011-4-17學(xué)院教務(wù)處制目錄1緒論………………031.1開(kāi)關(guān)電源的歷史背景…………..04

1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)……………04

1.3本設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)參數(shù)及研究意義……………05

2開(kāi)關(guān)電源的基本分類和工作原理…………………05

2.1開(kāi)關(guān)電源的基本分類……………06

2.1.1各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源分析………06

2.2PWM和Boost型開(kāi)關(guān)電源的工作原理…………12

3Boost型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)………….14

3.1Boost型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖…………..14

3.2輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)…………15

3.3Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)…………………16

3.4控制芯片采用UC3842………….16

4開(kāi)關(guān)電源主要器件的選擇原理……………………17

4.1功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET〔IRF640|……………17

4.2UC3842芯片………………………204.3其他主要器件的選擇………………225實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法以及數(shù)據(jù)……………235.1測(cè)試儀器…………..235.2測(cè)試方法………….235.3測(cè)試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析…………..24測(cè)試數(shù)據(jù)………………………..24數(shù)據(jù)分析…………26誤差分析……………………….266結(jié)論…………………26

參考文獻(xiàn)……………27升壓式〔Boost型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源摘要：開(kāi)關(guān)電源是一種效率很高的電源變換電路,通過(guò)對(duì)Boost型開(kāi)關(guān)電源作詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)后得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù).該系統(tǒng)包括：變壓器和電感的設(shè)計(jì),功率驅(qū)動(dòng)電路,整流電路,濾波整形電路,反饋補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)計(jì),保護(hù)電路．另外也采用UC3842作開(kāi)關(guān)電源控制芯片,開(kāi)關(guān)管采用耐高壓,導(dǎo)通電阻很小的MOSFET管IRF640。開(kāi)關(guān)電源中半導(dǎo)體功率器件工作在高頻開(kāi)關(guān)方式,它具有高效率,高功率密度,高可靠性。關(guān)鍵詞：Boost型開(kāi)關(guān)電源變壓器和電感的設(shè)計(jì)整流電路UC3842IRF640Abstract:Theswitchingpowersupplyisaveryefficientpowerconversioncircuits,Boostswitchingpowersupplythroughadetailedmathematicalderivationofaccuratedataobtained.Thesystemincludes:thedesignoftransformersandinductors,powerdrivercircuit,rectifier,filtershapingcircuit,thedesignoffeedbackcompensationparameterstoprotectthecircuit.ThereisalsousedforswitchingpowersupplycontrolchipUC3842,theswitchuseshighvoltage,small-resistanceMOSFET,IRF640.Switchingpowersupplyinthepowersemiconductordevicesathighfrequencyswitchmode,ithashighefficiency,highpowerdensity,highreliability.Keywords:BoostswitchingpowersupplytransformerandinductordesignrectifiercircuitUC3842IRF6401、緒論隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,開(kāi)關(guān)電源以其小型、輕量和高效率的特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)中,而且其性能的優(yōu)劣還直接影響到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源有多種類型,其中反激式開(kāi)關(guān)電源憑借其線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、輕便、所需要的元器件少、高效率,能夠提供多路隔離輸出等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于小功率電源領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是一門運(yùn)用半導(dǎo)體功率器件實(shí)現(xiàn)電能的高效率變換,將粗電變換成精電,以滿足供電質(zhì)量要求的技術(shù).由于在開(kāi)關(guān)電源中半導(dǎo)體功率器件工作在高頻工作方式,因此它具有高效率,高功率密度,高可靠性．由于開(kāi)關(guān)電源的突出優(yōu)點(diǎn),在相同功率容量下,開(kāi)關(guān)電源比線性電源效率更高,體積更小,開(kāi)關(guān)電源更替線性電源是發(fā)展的必然趨勢(shì)．近年來(lái),由于微型計(jì)算機(jī)的普及,通信行業(yè)的迅猛發(fā)展,推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展．開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)涉及半導(dǎo)體功率器件應(yīng)用技術(shù),電力電子技術(shù),模電,自動(dòng)控制理論等知識(shí),因此是一門多學(xué)科交叉的應(yīng)用性技術(shù)．然而,電路拓?fù)涞倪x取,變壓器和電感的設(shè)計(jì),功率驅(qū)動(dòng)電路,整流電路,濾波整形電路,反饋補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)計(jì),保護(hù)電路的設(shè)計(jì),是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在．1.1、開(kāi)關(guān)電源的歷史背景開(kāi)關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源,線性穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其中穩(wěn)壓調(diào)整管起到關(guān)鍵作用,電源工作時(shí)檢測(cè)輸出電壓,通過(guò)反饋電路對(duì)穩(wěn)壓調(diào)整管的基極電流進(jìn)行反饋控制。當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化或者負(fù)載引起輸出電壓變化時(shí),就可以通過(guò)對(duì)穩(wěn)壓調(diào)整管的管壓降進(jìn)行調(diào)整來(lái)保持輸出電壓穩(wěn)定。為此,穩(wěn)壓調(diào)整管必須工作在線性放大狀態(tài),且保持一定的管壓降,才能發(fā)揮足夠的調(diào)節(jié)作用。早期設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源頻率較低,但隨著電力電子器件及磁性材料性能的不斷改進(jìn),開(kāi)關(guān)頻率得到了提高。由于垂直導(dǎo)電的高耐壓、大電流的雙極型電力晶體管的出現(xiàn),使高工作頻率的開(kāi)關(guān)電源得以問(wèn)世。但當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到10KHz左右時(shí),變壓器、電感等磁性元件會(huì)發(fā)出刺耳的噪聲,給工作和生產(chǎn)帶來(lái)較大的噪聲污染。為了減少噪聲,并進(jìn)一步減小電源體積,70年代末出現(xiàn)了一系列新型的電力電子器件,為開(kāi)關(guān)頻率的提高提供了物質(zhì)條件。1.2、開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求有非常高的效率,高效率減少了能量在傳遞過(guò)程中的損失,最理想的情況是輸入端的能量完全傳遞到輸出端,在開(kāi)關(guān)電源部不損失任何的能量。然而,在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中是不可能實(shí)現(xiàn)的,這涉及到各種元件的性能和設(shè)計(jì)電路的布局。如果電源部出現(xiàn)較大的損失,這部分的能量將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能損耗在元器件上,倘若開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)缺少了散熱系統(tǒng)或者散熱系統(tǒng)出現(xiàn)工作不良的情況,這將會(huì)影響到開(kāi)關(guān)電源的長(zhǎng)時(shí)間工作,從而縮短了電源的壽命,也會(huì)增加了電源的不穩(wěn)定性。但是巨大的散熱部件阻礙了開(kāi)關(guān)電源向小型化的發(fā)展,其中在小型開(kāi)關(guān)電源或手持設(shè)備的應(yīng)用中尤為明顯。其次,這也違背了當(dāng)代節(jié)約能源的理念,因此電子設(shè)備的功耗也規(guī)定了硬性的指標(biāo)。20XX我國(guó)開(kāi)始實(shí)施的節(jié)能評(píng)價(jià)值為待機(jī)能耗1W,能效指數(shù)為0.75。所以提高開(kāi)關(guān)電源的效率已成為各個(gè)產(chǎn)品必須滿足的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域中小型化和集成化的需求越來(lái)越高,例如筆記本電腦的電源系統(tǒng),不僅需要完成充電控制,還需要完成對(duì)微處理器和硬盤供電的降壓處理,以及對(duì)屏幕供電的直流交流變換等。這就要求所有的功能都盡可能在較小的體積中完成。因此,小型化是開(kāi)關(guān)電源的另一個(gè)發(fā)展方向。1.3、本設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)參數(shù)及研究意義隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,電源技術(shù)要求也越來(lái)越高,體積小、重量輕、高效能、高可靠性的"綠色電源"已成為新一代電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。Boost型開(kāi)關(guān)電源以其電路抗干擾、高效、穩(wěn)定性好、成本低廉等許多優(yōu)點(diǎn),特別適合小功率的電源以及各種電源適配器,具有較高的實(shí)用性。本人設(shè)計(jì)的就是Boost型開(kāi)關(guān)電源。Boost變換器是一種開(kāi)關(guān)直流升壓電路,輸出電壓比輸入電壓高,Boost變換器可將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?廣泛應(yīng)用于可調(diào)整直流開(kāi)關(guān)電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Boost變換器克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源能耗大、體積大的缺點(diǎn),具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。本人利用Boost自身電路結(jié)構(gòu),結(jié)合UC3842控制芯片的特點(diǎn),開(kāi)關(guān)管也采用耐高壓,導(dǎo)通電阻很小的MOSFET管IRF640,設(shè)計(jì)一個(gè)Boost型開(kāi)關(guān)電源。其設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)參數(shù)如下：輸出最大功率：15W輸入交流電壓：15V~20V輸出直流電壓:25V~45V輸出最大直流電流：1A帶載輸出直流電壓：15.9V/770MA<負(fù)載為5W20Ω電阻>空載紋波電壓：10mv2、開(kāi)關(guān)電源的基本分類和工作原理2.1開(kāi)關(guān)電源的基本分類〔1按驅(qū)動(dòng)方式分,有自勵(lì)式和他勵(lì)式；〔2按電路控制方式分,有脈寬頻率調(diào)制〔PFM式、脈調(diào)制〔PWM式和PWM與PFM混合式；〔3按電路組成分,有諧振型和非諧振型；〔4按電源是否隔離和反饋控制信號(hào)耦合方式分,有隔離式、非隔離式、光耦合式等；〔5按變換器的工作方式分,有單端正激式和反激式、推挽式、半橋式、全橋式、降壓式、升壓式和升降壓式等。=1\*GB3①反激式：電路拓?fù)浜?jiǎn)單,元器件少,成本較低。但該電路變換器的磁芯單向磁化,利用率低,而且開(kāi)關(guān)器件承受電流峰值很大,廣泛應(yīng)用于數(shù)瓦到數(shù)十瓦的小功率開(kāi)關(guān)電源中。由于不需要輸出濾波電感,容易實(shí)現(xiàn)多路輸出。=2\*GB3②正激式：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式和反激式變換器相似,雖然磁芯也是單向磁化,但存在著嚴(yán)格意義上的區(qū)別,變壓器僅起電氣隔離作用,而且電路變壓器的工作點(diǎn)僅處于磁化曲線的第一象限,沒(méi)有得到充分的利用,因此同樣的功率,其變換器體積、重量和損耗大于半橋式、全橋式、推挽式變換電路,廣泛用于功率為數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的通信電源等電路中。=3\*GB3③半橋式：電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,但磁芯利用率高,沒(méi)有偏磁的問(wèn)題,且功率開(kāi)關(guān)管的耐壓要求低,不超過(guò)線路的最高峰值電壓,克服了推挽式的缺點(diǎn),適合數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源、高輸入電壓的場(chǎng)合。=4\*GB3④全橋式：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但在所有隔離型開(kāi)關(guān)電源中,采用相同電壓和電流容量的開(kāi)關(guān)器件時(shí),全橋型電路可以達(dá)到最大的功率。目前,全橋型電路多被用于數(shù)百瓦到數(shù)千瓦的各種工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源中。=5\*GB3⑤推挽式：電路形式實(shí)際上是兩個(gè)正激式變換器電路組成,只是工作的相位相反。變換器的磁芯雙向磁化,因此相同鐵芯尺寸的輸出功率是正激式的約一倍,但如果加在兩個(gè)原邊繞組上的VS積稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致鐵芯偏磁現(xiàn)象的產(chǎn)生,應(yīng)用是需要特別注意,推挽電路適用于數(shù)瓦到數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源。2.1.1各類拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)電源分析一．非隔離型開(kāi)關(guān)變換器〔一．降壓變換器Buck電路：降壓斬波器,入出極性相同。由于穩(wěn)態(tài)時(shí),電感充放電伏秒積相等,因此：〔Ui-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,Ui*ton=Uo<ton+toff>,Uo/Ui=ton/<ton+toff>=Δ即,輸入輸出電壓關(guān)系為：Uo/Ui=Δ<占空比>UoUoIDSIDVDIDLIDCID圖2-2：Buck電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)在開(kāi)關(guān)管S通時(shí),輸入電源通過(guò)L平波和C濾波后向負(fù)載端提供電流；當(dāng)S關(guān)斷后,L通過(guò)二極管續(xù)流,保持負(fù)載電流連續(xù)。輸出電壓因?yàn)檎伎毡茸饔?不會(huì)超過(guò)輸入電源電壓。〔二．升壓變換器Boost電路：升壓斬波器,入出極性相同。利用同樣的方法,根據(jù)穩(wěn)態(tài)時(shí)電感L的充放電伏秒積相等的原理,可以推導(dǎo)出電壓關(guān)系：Uo/Ui=1/〔1-ΔUiUiIDUoIDSIDVDIDLIDCID圖2-3：Boost電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)這個(gè)電路的開(kāi)關(guān)管和負(fù)載構(gòu)成并聯(lián)。在S通時(shí),電流通過(guò)L平波,電源對(duì)L充電。當(dāng)S斷時(shí),L向負(fù)載及電源放電,輸出電壓將是輸入電壓Ui+UL,因而有升壓作用。〔三．逆向變換器Buck-Boost電路：升/降壓斬波器,入出極性相反,電感傳輸。電壓關(guān)系：Uo/Ui=-Δ/〔1-ΔUiUiIDUoIDSIDVDIDCIDL圖2-4：Buck-Boost電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)S通時(shí),輸入電源僅對(duì)電感充電,當(dāng)S斷時(shí),再通過(guò)電感對(duì)負(fù)載放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電源傳輸。所以,這里的L是用于傳輸能量的器件。〔四．丘克變換器Cuk電路：升/降壓斬波器,入出極性相反,電容傳輸。電壓關(guān)系：Uo/Ui=-Δ/〔1-Δ。N2N2C1TC2L2RUoVDL1SUi圖2-5：Cuk變換器電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí),Ui對(duì)L1充電。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí),Ui+EL1通過(guò)VD對(duì)C1進(jìn)行充電。再當(dāng)S閉合時(shí),VD關(guān)斷,C1通過(guò)L2、C2濾波對(duì)負(fù)載放電,L1繼續(xù)充電。這里的C1用于傳遞能量,而且輸出極性和輸入相反。二．隔離型開(kāi)關(guān)變換器1．推挽型變換器下面是推挽型變換器的電路。S2S2S1LCRN1N1N2N2UiUoT圖2-6：推挽型變換電路S1和S2輪流導(dǎo)通,將在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流,經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào),再經(jīng)L、C濾波,送給負(fù)載。由于電感L在開(kāi)關(guān)之后,所以當(dāng)變比為1時(shí),它實(shí)際上類似于降壓變換器。2．半橋型變換器圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。當(dāng)S1和S2輪流導(dǎo)通時(shí),一次側(cè)將通過(guò)電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產(chǎn)生交變電流,從而在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流,經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào),再經(jīng)L、C濾波,送給負(fù)載。C2UiC2UiS2S1LRN1N2N2UoTC1C2圖2-7：半橋式變換電路3．全橋型變換器下圖是全橋變換器電路。CCUiS3S2LRN1N2N2UoTS4S1圖2-8：全橋式變換電路當(dāng)S1、S3和S2、S4兩兩輪流導(dǎo)通時(shí),一次側(cè)將通過(guò)電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電源產(chǎn)生交變電流,從而在二次側(cè)產(chǎn)生交變的脈動(dòng)電流,經(jīng)過(guò)全波整流轉(zhuǎn)換為直流信號(hào),再經(jīng)L、C濾波,送給負(fù)載。這個(gè)電路也相當(dāng)于降壓式拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。4．正激型變換器下圖為正激式變換器。TTN3CLRN2UoSN1VD1VD2VD3Ui圖2-9：正激型變換器電路當(dāng)S導(dǎo)通時(shí),原邊經(jīng)過(guò)輸入電源-N1-S-輸入電源,產(chǎn)生電流。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí),N1能量轉(zhuǎn)移到N3,經(jīng)N3-電源-VD3向輸入端釋放能量,避免變壓器過(guò)飽和。VD1用于整流,VD2用于S斷開(kāi)期間續(xù)流。5．隔離型Cuk變換器隔離型Cuk變換器電路如下所示：N2N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11圖2-10：隔離型Cuk變換器當(dāng)S導(dǎo)通時(shí),Ui對(duì)L1充電。當(dāng)S斷開(kāi)時(shí),Ui+EL1對(duì)C11及變壓器原邊放電,同時(shí)給C11充電,電流方向從上向下。附邊感應(yīng)出脈動(dòng)直流信號(hào),通過(guò)VD對(duì)C12反向充電。在S導(dǎo)通期間,C12的反壓將使VD關(guān)斷,并通過(guò)L2、C2 濾波后,對(duì)負(fù)載放電。這里的C12明顯是用于傳遞能量的,所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。6．電流變換器能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。S2S2S1CRN1N1N2N2UiUoTN4N3VD1VD2VD3圖2-11：能量回饋型電流變換器電路該電路與推挽電路類似。不同的是,在主通路上串聯(lián)了一個(gè)電感。其作用是在S1、S2斷開(kāi)期間,使得變壓器能量轉(zhuǎn)移到N3繞組,通過(guò)VD3回饋到輸入端。下面是升壓型變換器的電路圖：S2S2S1CRN1N1N2N2UiUoTLVD1VD2圖2-12：升壓型電流變換器電路該電路也與推挽電路類似,并在主通路上串聯(lián)了一個(gè)電感。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間,L積蓄能量。當(dāng)一側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),電感電動(dòng)勢(shì)和Ui疊加在一起,對(duì)另一側(cè)放電。因此,L有升壓作用。三．準(zhǔn)諧振型變換器在脈沖調(diào)制電路中,加入R、L諧振電路,使得流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流及管子兩端的壓降為準(zhǔn)正弦波。這種開(kāi)關(guān)電源成為諧振式開(kāi)關(guān)電源。利用一定的控制技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管在電流或電壓波形過(guò)零時(shí)切換,這樣對(duì)縮小電源體積,增大電源控制能力,提高開(kāi)關(guān)速度,改善紋波都有極大好處。所以諧振開(kāi)關(guān)電源是當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的主流技術(shù)。又分為：1．ZCS——零電流開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷。2．ZVS——零電壓開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)管在零電壓時(shí)關(guān)斷。2.2PWM和Boost型開(kāi)關(guān)電源的工作原理PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率管工作在導(dǎo)通和判斷狀態(tài),在這兩種狀態(tài)中,加在功率管上的伏－安乘積總是很小的〔在導(dǎo)通時(shí),電壓低,電流大；判斷時(shí),電壓高,電流小．功率器件上的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗．與線性電源相比,PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)＂斬波＂,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的．脈沖的點(diǎn)空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器〔控制IC來(lái)調(diào)節(jié)．一旦輸入電壓被斬成交流方波,其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低．通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)．最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓．控制器的主要作用有兩個(gè)：①提供固定的頻率脈沖給功率管；②通過(guò)輸出反饋電壓給誤差放大器來(lái)調(diào)節(jié)點(diǎn)空比,來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)定．開(kāi)關(guān)電源有兩種基本拓?fù)洌荷龎菏健睟OOST變換器,降壓式〔BUCK變換器．盡管它們各部分元件分布位置差別很小,但是工作過(guò)程相差甚大,在特定的應(yīng)用場(chǎng)合各有優(yōu)點(diǎn)．升壓式<BOOST>變換式的工作原理:BOOST升壓電路,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電流環(huán)路僅包括電感、功率管、輸入電壓源．在這段時(shí)間,二極管是反向阻斷的．電感電流波形是以固定斜率線性上升的,可用下式描述：iL<ton>=Vinton/L;在這個(gè)階段,能量存儲(chǔ)在電感鐵心中．開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),由于電感中的電流不能突變,于是二極管立刻正向?qū)ǎ@時(shí),電感電流不能突變,于是二極管立即導(dǎo)通．這時(shí),電感與開(kāi)關(guān)相連端的電壓被輸出曉以大義鉗位,這個(gè)電壓被稱作反激電壓,愛(ài)迪生幅值是輸出電壓加上二極管的正向?qū)▔航担陂_(kāi)關(guān)管關(guān)斷這段時(shí)間里,電感上的電流用下式表示：iL<toff>=Ipk–<Vout–Vin>toff/L如果在下個(gè)周期之前,鐵心中的磁通完全為零,就稱電路工作在電流斷續(xù)模式．電流和電壓波形如圖〔c所示．如果鐵心中的磁通沒(méi)有完全降為零,還有一部分剩磁,就稱電路工作在電流連續(xù)模式,波形如圖〔b．由于升壓式變換器工作在電流連續(xù)模式下存在固有的不穩(wěn)定問(wèn)題,所以升壓式變換器通常工作在電流斷續(xù)模式．Boost變換器工作在電流斷續(xù)模式下,存儲(chǔ)在電感中的能量為：Estored=1/2LIpk2單位時(shí)間,傳輸?shù)哪芰勘仨殱M足負(fù)載連續(xù)功率消耗的需求．這就意味著在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間,存儲(chǔ)的能量要足夠大,即電流峰值Ipk要滿足下式的要求：Pload<Pout=fsw*1/2LIpk2fsw為變換器的開(kāi)關(guān)頻率．Boost變換器只能用于升壓情況,也就是說(shuō)輸出電壓必須高于輸入電壓的最大幅值,在所有的拓?fù)渲?升壓式電路輸入電壓動(dòng)態(tài)圍最寬．由于升壓變換器中峰值較高,因此只適合于功率不大于150W的應(yīng)用場(chǎng)合．在所有拓?fù)渲?這類變換器所用的元器件最少,因而在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中很流行．3、Boost型開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)3.1Boost型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖圖一如圖一,該電源工作原理如下：該電路輸入交流電壓為18V,然后通過(guò)輸入整流濾波電路之后再到Boost型變換器電路,此Boost型變換器電路中也包含了濾波器,目的是為了除去在輸出電壓中的交流部分,而在Boost型變換器電路中的電阻則采用變位器R<20K>,這是為了實(shí)現(xiàn)輸出可調(diào)直流電壓。同時(shí)開(kāi)關(guān)管則采用耐高壓,導(dǎo)通電阻很小的MOSFET管IRF640〔IRF640承受的最大電壓值為200V,承受的最大的電流值為10A。另外此設(shè)計(jì)采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。3.2輸入整流濾波電路設(shè)計(jì)圖二輸入整流濾波電路如圖二,包括輸入交流濾波、整流、電容濾波三部分。交流濾波主要是濾除交流輸入端的共模干擾和差模干擾,其中X2是安規(guī)電容,是為了去除差模干擾,L1〔3.3mH是共模電感也叫扼流圈,采取雙線并繞,是為了去除共模干擾。整流電路一般選用滿足電流閥值的整流橋,輸入濾波電容的容量與電源效率、輸出功率密切相關(guān)。一般對(duì)于寬圍輸入的開(kāi)關(guān)電源,濾波電容可按比例系數(shù)來(lái)選取。此外,輸入濾波電容的容量大小還決定著直流高壓的數(shù)值。另外加上電阻R1〔800k,這是為了避免斷電之后,C1<1000uF>會(huì)儲(chǔ)存一定的電流,利用電阻R1〔800k把電路多余的電流給吸收掉。3.3Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路,如圖三。假設(shè)C和L足夠大,輸入輸出電壓,即為常數(shù)。據(jù)推理電感兩端的電壓值也為常數(shù),記電感兩端的電壓值是VL,經(jīng)過(guò)L的電流記為IL,電流變化正增量記為△i+,電流變化的負(fù)增量記為△i一。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),續(xù)流二極管關(guān)斷,此時(shí)電源向電感充電儲(chǔ)存能量,忽略開(kāi)關(guān)管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應(yīng)公式和基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)出：增量電流△i+和時(shí)間△t成正比,呈線性上升趨勢(shì),與電感成反比。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管D導(dǎo)通,忽略續(xù)流二極管導(dǎo)通電壓,輸入端電源電壓與電感器L中自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后,通過(guò)續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電,同時(shí)對(duì)電容器C充電。同理推導(dǎo)出：負(fù)增量電流與電感值成反比,與關(guān)斷時(shí)間成正比。下降是從上個(gè)時(shí)間充電后的電流點(diǎn)開(kāi)始線形下降的。3.4控制芯片采用UC3842此設(shè)計(jì)采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式,共有8個(gè)引腳,各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端,外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端,此腳電壓與誤差放大器同相端的2．5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差電壓,而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測(cè)輸入端,當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)；④腳為定時(shí)端,部振蕩器工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定,f=1．8／<RT×CT>；⑤腳為公共地端；⑥腳為推挽輸出端,部為圖騰柱式,上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為±1A；另外在⑥腳輸出端接入了一個(gè)穩(wěn)壓二極管12V,這是為了使輸出電壓的峰—峰值控制在12V左右,避免對(duì)功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF640的損害。而電阻4.7K的作用就是為了減少輸出的直流電壓中的紋波電壓；⑦腳是直流電源供電端,具有欠、過(guò)壓鎖定功能,芯片功耗為15mW；⑧腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端,有50mA的負(fù)載能力。輸入端接R再輸入到芯片電源端,由于UC3842啟動(dòng)電壓需要16V,輸入經(jīng)整流濾波后至少有18V左右,可保證正常啟動(dòng)。所以采用了穩(wěn)壓二極管18V供電給控制芯片UC3842,另外串聯(lián)了一個(gè)電阻R〔0.5K這是為了限流作用,保證穩(wěn)壓二極管18V能夠正常穩(wěn)定工作。UC3842振蕩器可以工作高達(dá)500kHz,經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k,Ct=4．7nF,Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處,4腳退耦電容C3取O．1uF。4、開(kāi)關(guān)電源主要器件的選擇原理4.1功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET〔IRF640〔IRF640承受的最大電壓值為200V,承受的最大的電流值為10A功率場(chǎng)效應(yīng)管又叫功率場(chǎng)控晶體管。一．原理：實(shí)際上,功率場(chǎng)效應(yīng)管也分結(jié)型、絕緣柵型。但通常指后者中的MOS管,即MOSFET〔MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor。它又分為N溝道、P溝道兩種。器件符號(hào)如下：N溝道P溝道圖1-3：MOSFET的圖形符號(hào)MOS器件的電極分別為柵極G、漏極D、源極S。和普通MOS管一樣,它也有：耗盡型：柵極電壓為零時(shí),即存在導(dǎo)電溝道。無(wú)論VGS正負(fù)都起控制作用。增強(qiáng)型：需要正偏置柵極電壓,才生成導(dǎo)電溝道。達(dá)到飽和前,VGS正偏越大,IDS越大。一般使用的功率MOSFET多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型。而且不同于一般小功率MOS管的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu),使用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu),從而提高了耐壓、電流能力,因此又叫VMOSFET。二．特點(diǎn)：這種器件的特點(diǎn)是輸入絕緣電阻大〔1萬(wàn)兆歐以上,柵極電流基本為零。驅(qū)動(dòng)功率小,速度高,安全工作區(qū)寬。但高壓時(shí),導(dǎo)通電阻與電壓的平方成正比,因而提高耐壓和降低高壓阻抗困難。適合低壓100V以下,是比較理想的器件。目前的研制水平在1000V/65A左右〔參考。其速度可以達(dá)到幾百KHz,使用諧振技術(shù)可以達(dá)到兆級(jí)。三．參數(shù)與器件特性：無(wú)載流子注入,速度取決于器件的電容充放電時(shí)間,與工作溫度關(guān)系不大,故熱穩(wěn)定性好。轉(zhuǎn)移特性：ID隨UGS變化的曲線,成為轉(zhuǎn)移特性。從下圖可以看到,隨著UGS的上升,跨導(dǎo)將越來(lái)越高。IIDUGS圖1-4：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性輸出特性〔漏極特性：輸出特性反應(yīng)了漏極電流隨VDS變化的規(guī)律。這個(gè)特性和VGS又有關(guān)聯(lián)。下圖反映了這種規(guī)律。IDIDVDSVGSIDIDVDSVGS圖1-5：MOSFET的輸出特性VGS=0時(shí)的飽和電流稱為飽和漏電流IDSS。〔3通態(tài)電阻Ron：通態(tài)電阻是器件的一個(gè)重要參數(shù),決定了電路輸出電壓幅度和損耗。該參數(shù)隨溫度上升線性增加。而且VGS增加,通態(tài)電阻減小。〔4跨導(dǎo)：MOSFET的增益特性稱為跨導(dǎo)。定義為：Gfs=ΔID/ΔVGS顯然,這個(gè)數(shù)值越大越好,它反映了管子的柵極控制能力。〔5柵極閾值電壓柵極閾值電壓VGS是指開(kāi)始有規(guī)定的漏極電流〔1mA時(shí)的最低柵極電壓。它具有負(fù)溫度系數(shù),結(jié)溫每增加45度,閾值電壓下降10%。〔6電容MOSFET的一個(gè)明顯特點(diǎn)是三個(gè)極間存在比較明顯的寄生電容,這些電容對(duì)開(kāi)關(guān)速度有一定影響。偏置電壓高時(shí),電容效應(yīng)也加大,因此對(duì)高壓電子系統(tǒng)會(huì)有一定影響。有些資料給出柵極電荷特性圖,可以用于估算電容的影響。以柵源極為例,其特性如下：VGSVGSQG圖1-6：柵極電荷特性〔8正向偏置安全工作區(qū)及主要參數(shù)MOSFET和雙極型晶體管一樣,也有它的安全工作區(qū)。不同的是,它的安全工作區(qū)是由四根線圍成的。最大漏極電流IDM：這個(gè)參數(shù)反應(yīng)了器件的電流驅(qū)動(dòng)能力。最大漏源極電壓VDSM：它由器件的反向擊穿電壓決定。最大漏極功耗PDM：它由管子允許的溫升決定。漏源通態(tài)電阻Ron：這是MOSFET必須考慮的一個(gè)參數(shù),通態(tài)電阻過(guò)高,會(huì)影響輸出效率,增加損耗。所以,要根據(jù)使用要求加以限制。IIDVDSVDSMIDMPCMRON圖1-7：正向偏置安全工作區(qū)4.2UC3842芯片一．管腳排列UC3842UC3842COMPUFBISENSERT/CTOUTPUTGndREFVcc12345678圖4.1UC3842管腳圖COMP：誤差放大器輸出。UFB：反饋電壓輸入端。它與部2.5VDC基準(zhǔn)電源比較,產(chǎn)生誤差電壓來(lái)控制調(diào)節(jié)脈沖寬度。ISENSE：接電感電流傳感器。當(dāng)采樣電壓大于1VDC時(shí),縮小脈沖寬度,使電源處于斷續(xù)工作狀態(tài)。RT/CT：定時(shí)阻容端。頻率f=1.8/<CTRT>。Gnd：地。OUTPUT：輸出端。Vcc：電源。10-13VDC,關(guān)閉電壓10VDC。REF：部基準(zhǔn)電源輸出,5VDC+/-0.1VDC,50mA。二．主要特性用于20-50W的小功率開(kāi)關(guān)電源,管腳少,電路簡(jiǎn)單。1．單輸出級(jí),可以驅(qū)動(dòng)MOS、晶體管。2．PWM芯片。3．工作頻率500kHz。4．低啟動(dòng)和工作電流,啟動(dòng)電流小于1mA,工作電流15mA。5．大電流圖騰柱輸出,1A。6．帶欠壓封鎖保護(hù)。三．芯片原理部框圖如圖。5V基準(zhǔn)5V基準(zhǔn)內(nèi)部偏置SR電流取樣

比較器PWM鎖存誤差放大器振蕩器VrefTUccGNDCT/RTUFBCOMPISENSEOUTPUTUREFUVLO2RR2.5VDC圖4.1a：UC3842電源控制芯片原理框圖部包括振蕩器、誤差放大器、電流比較器、PWM鎖存、5VDC基準(zhǔn)電源、輸出電路等。5VDC基準(zhǔn)電源：部電源,經(jīng)衰減得到2.5VDC作為誤差比較器的比較基準(zhǔn)。該電源還可以提供外部5VDC/50mA。振蕩器：產(chǎn)生方波振蕩。RT接在4、8〔REF腳之間,CT接4、5〔GND之間。頻率f=1.8/<CTRT>。最大500kHz。誤差放大器：由UFB端輸入的反饋電壓和2.5VDC做比較,誤差電壓COMP用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。COMP端引出接外部RC網(wǎng)絡(luò),以改變?cè)鲆婧皖l率特性。輸出電路：圖騰柱輸出結(jié)構(gòu),電路1A,驅(qū)動(dòng)MOS管及雙極型晶體管。電流取樣比較器：3腳ISENSE用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)管電流,可以用電阻或電流互感器采樣,當(dāng)VISENSE>1VDC時(shí),關(guān)閉輸出脈沖,使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。這實(shí)際上是一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路。欠壓鎖定電路UVLO：開(kāi)通閾值16VDC,關(guān)閉閾值10VDC。具有滯回特性。PWM鎖存電路：保證每一個(gè)控制脈沖作用不超過(guò)一個(gè)脈沖周期,即所謂逐脈沖控制。另外,UCC與GND之間的穩(wěn)壓管用于保護(hù),防止器件損壞。4.3其他主要器件的選擇〔1扼流圈電感L1L1是3.3MH共模電感,采取雙線并繞,是為了去除共模干擾。〔2安規(guī)電容X2X2是安規(guī)電容,是為了去除差模干擾<3>電阻R電阻R1〔800K的作用是為了吸收電路斷電后在電容C1<1000uF>儲(chǔ)存的電流；電阻R2<4.7K>的作用是為了減少輸出的直流電壓中的紋波電壓；變位器R<20K>的作用是為了輸出可調(diào)的直流電壓。使輸出的直流電壓可以在25V到45V圍可調(diào)。5、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法以及數(shù)據(jù)5.1測(cè)試儀器一個(gè)交流電源18V、萬(wàn)用表2個(gè)、示波器一個(gè)、電阻負(fù)載若干個(gè)：包括510、180、205.2測(cè)試方法〔1測(cè)試噪聲紋波電壓峰-峰值、負(fù)載調(diào)整率以及過(guò)流保護(hù)功能首先連接好整個(gè)系統(tǒng),在負(fù)載兩端接萬(wàn)用表測(cè)電壓,并將電流表與負(fù)載串聯(lián)測(cè)電流。在輸入電壓U1=16.8V,輸出電壓U2=25V的時(shí)候,觀察輸出紋波電壓峰-峰值。設(shè)置輸出電壓為U2=25V,保持U1=16.8V不變,改變負(fù)載,觀察負(fù)載調(diào)整率。觀察在各輸出電壓情況下,負(fù)載過(guò)流時(shí)是否具有繼電保護(hù)功能。負(fù)載調(diào)整率：電源負(fù)載的變化會(huì)引起電源輸出的變化,負(fù)載增加,輸出降低,相反負(fù)載減少,輸出升高。好的電源負(fù)載變化引起