开关电源电路设计与实现

开关电源电路设计与实现

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。

目录

摘要 .............................................. 错误!未定义书签。ABSTRACT ........................................... 错误!未定义书签。

1 绪论 (3)

1.1 课题研究的背景 (3)

1.2 研究的目的及意义 (4)

1.2.1课题研究的目的 (4)

1.2.2课题研究的意义 (5)

1.3 高频开关电源的发展情况 (5)

1.3.1开关电源的发展情况 (5)

1.3.2高频开关电源的主要新技术标志 (6)

1.4 隔离式高频开关电源简介 (8)

2 高频开关电源的总体设计 (9)

2.1 主电路的选择 (9)

2.2 控制电路的选择 (10)

2.2.1单片机控制电路分析 (10)

2.2.2芯片控制电路分析 (10)

2.3 电流工作模式的方案选择 (11)

2.3.1电流连续模式分析 (11)

2.3.2电流断续模式分析 (11)

2.4 综合结构电路图 (12)

3 开关电源输入电路设计 (13)

3.1 电压倍压整流技术 (13)

3.1.1 交流输入整流滤波电路原理 (13)

3.1.2倍压整流技术 (14)

3.2 输入保护器件保护 (15)

3.2.1浪涌电流的抑制 (15)

3.2.2热敏电阻技术分析 (16)

4 开关电源主电路设计 (17)

4.1 单端反激式变换器电路的工作原理 (17)

4.2 开关晶体管的设计 (19)

4.3 变压器绕组的设计 (21)

4.4 输入整流器的选择 (23)

4.5 输出滤波电容器的选择 (24)

5 开关电源控制电路设计 (24)

5.1 芯片简介 (24)

5.1.1芯片原理 (24)

5.1.2 UC3842 内部工作原理简介 (25)

5.2 工作描述 (26)

5.3 UC3842常用的电压反馈电路 (30)

6 结论 (32)

6.1 成果与结论 (32)

6.1.1开关变换器的设计 (32)

6.1.2 PWM集成控制器的设计 (33)

6.1.3电压电流反馈闭环电路的设计 (33)

6.2 进一步工作设想 (34)

1 绪论

1.1 课题研究的背景

随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：

①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。

②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。

③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。

④提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)。

⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，

集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100W 以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

1.2 研究的目的及意义

1.2.1课题研究的目的

随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。

本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。

1.2.2课题研究的意义

课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。

1.3 高频开关电源的发展情况

1.3.1开关电源的发展情况

目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。