20V稳压电源设计

目录

摘要 (1)

第一章引言 (2)

1.1 研究意义 (2)

1.1 设计要求 (2)

第二章方案设计 (3)

2.1设计思路 (3)

2.2硬件电路组成 (3)

2.2.1电源噪声滤波 (3)

2.2.2电压保护电路 (4)

2.2.3电压反馈电路 (5)

2.3电路原理简述 (5)

2.4整流滤波电路设计 (6)

2.4.1整流滤波电路 (6)

2.5 UC3842芯片介绍 (7)

第3章电路仿真及参数计算 (10)

3.1PWM脉冲驱动电路 (9)

3.2开关管的选择 (10)

3.3电路输出部分设计 (10)

3.4升压斩波电路 (10)

第4章电路整体分析 (14)

4.1电路整体分析 (14)

4.2电路测试 (15)

4.3理论仿真结果 (16)

第5章调试及问题解决方法 (17)

结束语 (18)

参考文献 (19)

附录一电路原理图 (20)

附录二主要元器件清单 (21)

小组分工 (22)

AC/DC 20V开关稳压电源

设计

摘要

开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压。

本开关稳压电源的主要由隔离变压、整流滤波、斩波电路等组成，由隔离变压器产生一个18V的交流电压，在经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC —DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个输出电压为20V；输出最大电流I=2A; 输出噪声纹波电压峰-峰值Vopp=290mv≤1V;DC-DC变换器的效率η=80%稳定的电压源。

关键词：隔离变压整流滤波斩波电压源

第1章引言

1.1研究意义

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频试两种，实际应用中，而调宽式应用的较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制（PWM）型。

1.2设计要求

本开关稳压电源的主要由隔离变压、整流滤波、斩波电路等组成，由隔离变压器产生一个18V的交流电压，在经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC—DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个输出稳定的电压源。

⑴出电压20V；

⑵输出最大电流I=2A;

⑶电压调整率Su=0.069%＜2%；

⑷负载调整率Si=3.164%≤5%;

第2章方案设计

2.1设计思路

开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频试两种，实际应用中，而调宽式应用的较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制（PWM）型。

开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。

开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压；通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM），脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，也是应用能够最广泛的调制方式。开关稳压电源的主要结构框架如图1-1所示，有隔离变压器产生一个15-18V的交流电压，在经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC—DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源，如图2-1所示；

RL

图2-1开关稳压电源框图

2.2硬件电路组成及介绍

2.2.1电源噪声滤波

流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。

输入滤波电路具有双向隔离作用，它可以抑制交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。如图2-2所示滤波电路中C1用以滤除直流份量中的交流成分，隔离电容应选用高频特性较好的碳膜电容,电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性，C3、

C4跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰，为了减小漏电流C3、C4宜选用陶瓷电容器

.

图2-2输入滤波电路

该滤波器有两个输入端，两个输出端和一个接地端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感L、滤波电容器C1~C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。

2.2.2电压保护电路

如图2-3所示为输出过压保护电路。稳压管VS的击穿电压稍大于输出电压额定值，输出电压正常时，VS不导通，晶闸管VS的门极电压为零，不导通，当输出过压时，VS击穿，VS受触发导通，使光电耦合器输出三极管电流增大，通过UC3842控制开关管关断。

UO

R1

R2

VS

C1R3V

UC3842

1

图2-3 输出过压保护电路

2.2.3电压反馈电路

电压反馈电路如图2-4所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的1脚，调节R1 R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压U0升高，集成稳压器TL431的阴极到阳极的电流在增大,UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压U0变小,同样，如果输出电压U0减小，可通过反馈调节使之升高。

UO

R1 R2

UC3842

1

R3

C1

V

图2-4电压反馈电路

2. 3电路简述

开关电源由隔离变压器，整流滤波和DC-DC变换电路组成。设计的关键是DC-DC变换电路，它包含了开关电源中的开关器件，储能器件，脉冲变压器，滤波器，输出整流等所有功率器件和控制模块；而控制模块的设计又是DC-DC的核心，一般DC-DC控制模块使用专用的PWM调制芯片。如TL494、UC3842等，芯片内部集成了误差比较器、振荡器、PWM调制器等，有的甚至有保护电路和驱动电路，在此情况下使用集成芯片加上少量的外围电路即可构成PWM控制电路，稳定性能较好、控制简单、芯片功耗几乎可以忽略、成本低，过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。当取样电阻超过指定范围，立即切断负载，或者降低输出电压，然后过一段时间再自动启动，接上负载，由继电器控制负载的连通性。

2.4整流滤波电路设计

2.4.1整流滤波电路

由给定题目可知开关稳压电源的前级电路主要由整流、滤波稳压电路构成，特别是前一级经过隔离变压器降压，降压后得到18V的交流电，然后经过整流滤波稳压后，得到一个稳定的直流电送往后级。整流电路如图2-5所示：

C2图2-5整流滤波电路

整流滤波电路仿真波形

2.5 UC3842芯片介绍

UC3842内部结构连接图

UC3842采用DIP-8封装如上图1，管脚I V 、O V 、GND 端分别接输入电压、输出电压、地。REF V 为内部5.0V 基准电压引出端。T R /T C 是外接定时电阻、定时电容的公共端。UC3842内部框图如图2,其主要包括5.0V 基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM 锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V 稳压管。

UC3842功能说明

①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；

②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的 2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；

③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；

④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RT×CT)；

⑤脚为公共地端；

⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ；

⑦脚是直流电源供电端，具有欠压、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；

⑧脚为5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。

如图所示，由分压电阻R提供分得的电压接入uc3842的7脚（vcc）,uc3842启动工作，由6脚输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲，高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出,当6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生上负下正的感生电动势，此时副边二极管导通，向外提供能量，同时反馈线圈向UC3842供电，UC3842内部设有欠压锁定电路其开启和关闭值分别为16v和10v,电源电压接通后，当7脚电压升至16v 时，uc3842开始工作，开始正常工作后，它的消耗电流约为15mA。

如果出于某种原因，是输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，uc3842的3脚电压也将上升，当该脚的电压值超过正常值0.3v时，uc3842的pwm 比较器则输出高电平，使pwm锁存器复位，关闭输出。此时uc3842的6脚无输出mos 管Q1截止，从而起到保护电路的目的。

第3章电路仿真及参数计算3.1 PWM脉冲驱动电路

PWM脉冲控制驱动电路

PWM输出波形

根据MOS管的工作频率范围，选取适当的工作开关频率，此设计选择的工作频率为f=40kHz,因此UC3842的工作频率为f=1.8/Rt×Ct,再根据选择的工作频率f=40khz，选择适当的电阻电容值，电阻为1k、电容为45nf,供给vcc管脚电压为16v，2脚输入基准电压为5v。

3.2开关管的选择

作为开关管使用的晶体管，除了具有放大特性以外，还要求具有开关速度和输出功率大等优点。由于开关管应能承受380v以上的电压，为安全起见，应采用耐压vdcm=1kv，最大漏极电流Idm=4.3A，最大功耗Pdm=150w，这些参数完全符合要求。3.3电路输出部分设计

根据设计要求，输出电路部分采用升压式斩波电路。这一部分电路由电感、续流二极管、电容及负载电阻组成。

3.3.1升压斩波电路

升压斩波电路的结构如图所示

升压斩波电路

开关管以uc3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量，当开关管导通时，电感以Vi/L的速度充电，通过二极管D把储存的电能以（V0-Vi）/L的速度释放到输出电容器c2中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少通过电感电流的峰值来控制。

升压斩波电路参数分析：

升压斩波电路可以工作在电流断续工作模式和电流连续工作模式，电流工作模式适合大功率输出电路，负载要达到10%以上时，电感电流需保持连续状态。

设开关管v处于导通的时间为Ton，在此阶段L上储存的能量为EIiTon。设V处于关断的时间为Toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）IiToff当电路工作与稳定状态时1个周期T中电感L储存与释放的能量相等；即

EIiTon=(U0-E)IiToff （1）

化简得：U0=(Ton+Toff)/Toff=T/Toff×E （2）

（2）式中的T/Toff≥1，输出电压高于输入电压，即升压斩波电路。

（2）式中T/Toff表示升压比，通过调节升压比的大小就可以改变输出电压的大小，从而达到升压的目的。

若定义斩波电路的占空比：K=T0n/T

则输出电压为：

U0=Ton×U/Toff=Ton×U/(T-Ton)=k×U/(1-K) (3)

式（3）中，若改变占空比k则输出电压即可于输入电压，也可能低于。

由此可知当0＜k＜1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压电路。当1/2＜k＜1时，斩波器输出电压高于直流电源输入，此时为升压斩波电路。

2.升压斩波电路参数选择

⑴储能电感L：

根据输入电压和输出电压可决定最大占比即：

当输出最大负载时至少应满足电路工作在电流连续工作模式下，即必须满足：

同时考虑在10%额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的20%-30%，为不增加输出纹波电压就需增加输出电容C2,取30%为平衡点，即L电感量选取180~300uH且通过5A以上电流不回饱和的电感。

⑵输出二极管D和输出电容C的选择：

升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰峰值电流Id=1.5A,根据需要此电路的二极管可选用6A/50V以

上的快速恢复二极管，如正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。输出电容C 2的选择主要取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻有关，电容器的允许纹波电流要大于电路中的纹波电流。

电容的等效电阻约为0.3Ω,由于低温时电容的等效电阻将增大，故应按低温下的等效电阻来选择电容器，因此应选择200uF/50V以上频率特性较好的电解电容。

第4章电路整体分析

4.1电路整体分析

整体电路如图所示，电路由三部纷纷组成：

⑴启动电路，即降压整流滤波电路，这一部分电路主要是得到DC-DC的输入电压和为UC3824提供驱动电压。

⑵PWM脉冲控制驱动电路，它的主体是芯片UC3842，以及他的外围电路组成。

⑶输出部分，它是由一个升压斩波电路构成，结构原理简单。

仿真电路

输出波形

4.2电路测试

测量电路如图所示（1、2、3、4、5、6、为测量点）：

在1、2点间接入电压表测出U2电压，在5、6点间接入电压表测出输出电压Uo，其结果如下表格1

4.3理论仿真结果

⑵出电压20V；

⑵输出最大电流I=2A;

⑶电压调整率Su=0.069%＜2%；

⑷负载调整率Si=3.164%≤5%;

⑸输出噪声纹波电压峰-峰值Vopp=290mv≤1V;

⑹DC-DC变换器的效率η=80%;

第5章调试及问题解决方法

在设计过程中遇到很多问题，但是我们通过查阅资料，请教老师，很多问题都得以克服，凭我们的能力也并不是所有的问题都能解决，电路的整体基本满足设计设计要求，整体功能基本实现。

调试中遇到以下问题：

1、降压整流滤波电路响应时间比较长，有等待时间，令人不耐烦，这个问题查阅资料后增大了整流滤波电容，问题得到较好的解决；

2、PWM控制器的输出脉冲波形有失真，波形和预期有差别，经过减小储能电感和输出电容，找到适当的值，并且调节UC3842①②脚的补偿网络，改变放大器的增益和频响，得到PWM波形比较理想；

3、UC3842输出驱动波形不稳定，经过在它的输入端增加一个滤波电容，对输入进行再一次的滤波，通过调节找到合适的电容，得到稳定波形，满足设计要求

4、在测试输出时有较大的纹波，查阅资料后得知MOS管驱动不足，经过改变驱动mos 管，问题得到解决

5、使用软件进行仿真时，响应太慢，这个属于软件弊端，无法解决只能耐心等待

结束语

在设计过程中遇到很多问题，但是通过我们的商量，很多问题都得以克服，凭我们的能力也并不是所有的问题都能解决，电路的整体设计还有几处没有达到题目要求，整体效果不是太理想。题目中的发挥部分只有一小部分可以实现，像进一步体改负载调整率使Si≤0.5%、具有输出电压、电流的测量和数字显示功能等暂时还没有更好的办法解决。但是我相信这些问题都是暂时的，只要我们积极认真去努力不管什莫问题都还是可以解决的。当然了如果电路所需原件都能有或者有相似的比如说电感（精密电感）可能没有想要的合适的原件就可能导致整个电路的设计受阻（只局限于理论通过）。当然了这要看条件、配置等。

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