基于UC3802的開關(guān)電源設(shè)計(jì)論文

1、電子課程設(shè)計(jì)報告設(shè)計(jì)課題：基于UC3802的開關(guān)電源設(shè)計(jì)專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時間： 2011.10.15-2011.12.15 物理與電子工程學(xué)院基于UC3802的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)一、 集成穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源的區(qū)別： （1）、集成穩(wěn)壓器的組成電路內(nèi)部包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分,另外加上保護(hù)電路和啟動電路。1調(diào)整管在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管為由兩個三極管組成的復(fù)合管。這種結(jié)構(gòu)要求放大電路用較小的電流即可驅(qū)動調(diào)整管發(fā)射極回路中較大的輸出電流，而且提高了調(diào)整管的輸入電阻。2. 放大電路在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，放大管也是復(fù)合管，電路組態(tài)為共射接法

2、，并采用有源負(fù)載，可以獲得較高的電壓放大倍數(shù)。3. 基準(zhǔn)電源在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，采用一種能帶間隙式基準(zhǔn)源，這種基準(zhǔn)源具有低噪聲、低溫漂的特點(diǎn)，在單片式大電流集成穩(wěn)壓器中被廣泛采用。4. 采樣電路在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，采樣電路由兩個分壓電阻組成，它對輸出電壓進(jìn)行采樣，并送到放大電路的輸入端。5. 啟動電路啟動電路的作用是在剛接通直流輸入電壓時，使調(diào)整管、放大電路和基準(zhǔn)電源等部分建立起各自的工作電流。當(dāng)穩(wěn)壓電路正常工作后，啟動電路被斷開，以免影響穩(wěn)壓電路的性能。6. 保護(hù)電路在W7800系列三端集成穩(wěn)壓電路中，芯片內(nèi)部集成了三種保護(hù)電路，它們是限流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電

3、路和過壓保護(hù)電路。(2). 開關(guān)電源：當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時，采樣電路將輸出電壓變化量的一部分送到比較放大電路，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并將二者的差值放大后送至脈沖調(diào)制電路，使脈沖波形的占空比發(fā)生變化。此脈沖信號作為開關(guān)管的輸入信號，使調(diào)整管導(dǎo)通和截止時間的比例也發(fā)生變化，從而使濾波后輸出電壓的平均值基本保持不變。二開關(guān)電源的分類：（1） 按開關(guān)管的連接方式，開關(guān)電源可分為串聯(lián)型開關(guān)電源和并聯(lián)型開關(guān)電源。串聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是串聯(lián)在輸入電壓和輸出負(fù)載之間，屬于降壓式穩(wěn)壓電路；而并聯(lián)型開關(guān)電源的開關(guān)管是在輸入電壓和輸出負(fù)載之間并聯(lián)的，屬于升壓式穩(wěn)壓電路。（2） 按激勵方式，開關(guān)電源可分為自激式和他激式

4、。在自激式開關(guān)電源中，由開關(guān)管和高頻變壓器構(gòu)成正反饋環(huán)路，來完成自激振蕩，類似于間歇振蕩器；而他激式開關(guān)電源必須附加一個振蕩器，振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖加在開關(guān)管上，控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，使開關(guān)電路工作并有直流電壓輸出。（3） 按調(diào)制方式，開關(guān)電源可分為脈寬調(diào)制（PWM）方式和脈頻調(diào)制（PFM）方式。PWM是通過改變開關(guān)脈沖寬度來控制輸出電壓穩(wěn)定的方式，而PFM是當(dāng)輸出電壓變化時，通過取樣比較，將誤差值放大后去控制開關(guān)脈沖周期（即頻率），使輸出電壓穩(wěn)定。（4） 按輸出直流值的大小，開關(guān)電源可分為升壓式開關(guān)電源和降壓式開關(guān)電源，也可分為高壓開關(guān)電源和低壓開關(guān)電源。（5） 按輸出波形，開關(guān)電源可分為

5、矩形波和正弦波電路。（6） 按輸出性能，開關(guān)電源可分為恒壓恒頻和變壓變頻電路。（7） 按開關(guān)管的個數(shù)及連接方式又可將開關(guān)電源分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式等。單端式僅用一只開關(guān)管，推挽式和半橋式采用兩只開關(guān)管，全橋式則采用四只開關(guān)管。（8） 開關(guān)電源按能量傳遞方式又可分為正激式和反激式。（9） 按軟開關(guān)方式分，開關(guān)電源有電流諧振型、電壓諧振型、E類與準(zhǔn)E類諧振型和部分諧振型等三常見開關(guān)電源的介紹：1、基本電路： 開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如下圖所示。        交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈

6、動成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?       控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。       單端反激式開關(guān)電源    單端反激式開關(guān)電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁

7、芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時，高頻變壓器初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，變壓器初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組及VD1 整流和電容濾波后向負(fù)載輸出。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20100，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。         單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍

8、，工作頻率在20200kHz之間。單端正激式開關(guān)電源         單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，VD2也 導(dǎo)通，這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量，濾波電感儲存能量；當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感通過續(xù)流二極管VD3 繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和 復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器

9、向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50200 的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因?yàn)檫@個原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源          自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振蕩電路組成的開關(guān)電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。      當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1開始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使VT1

10、很快飽和。與此同時，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic 開始減小，在L2 中感應(yīng)出使VT1 基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1 迅速截止，這時二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。 自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作

11、在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。推挽式開關(guān)電源         推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2，兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止，在變壓器次級統(tǒng)組得到方波電壓，經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?#160;     這種電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動，主要缺點(diǎn)是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大

12、，一般在100-500 范圍內(nèi)。降壓式開關(guān)電源    降壓式開關(guān)電源的典型電路如圖七所示。當(dāng)開關(guān)管VT1 導(dǎo)通時，二極管VD1 截止，輸人的整流電壓經(jīng)VT1和L向充電，這一電流使電感中的儲能增加。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，經(jīng)負(fù)載RL和續(xù)流二極管VD1釋放電感中存儲的能量，維持輸出直流電壓不變。電路輸出直流電壓的高低由加在VT1基極上的脈沖寬度確定。這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極管即可實(shí)現(xiàn)。升壓式開關(guān)電源         升壓式

13、開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路如圖八所示。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，電感儲存能量。當(dāng)開關(guān)管VT1 截止時，電感感應(yīng)出左負(fù)右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，使輸出電壓大于輸人電壓，形成升壓式開關(guān)電源。反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源         反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為升降壓式開關(guān)電源。無論開關(guān)管VT1之前的脈動直流電壓高于或低于輸出端的穩(wěn)定電壓，電路均能正常工作。         當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時，電感L 儲存

14、能量，二極管VD1 截止，負(fù)載RL靠電容C上次的充電電荷供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，電感中的電流繼續(xù)流通，并感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，經(jīng)二極管VD1向負(fù)載供電，同時給電容充電。           以上介紹了脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理和各種電路類型，在實(shí)際應(yīng)用中，會有各種各樣的實(shí)際控制電路，但無論怎樣，也都是在這些基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。 四開始設(shè)計(jì)升壓開關(guān)電源并計(jì)算參數(shù)：Boost變換器Boost變換器是一種開關(guān)直流升壓電路，輸出電壓比輸入電壓高，基電路見圖1假定開關(guān)（三極管或者M(jìn)os管）已經(jīng)斷開很

15、長時間，所有的元件處于理想狀態(tài)，電容電壓等于輸入電壓，以充電和放電2個過程分析該電路(1)充電過程在充電過程中，開關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通），開關(guān)（三極管）處用導(dǎo)線代替，等效電路見圖2(a)這時，輸入電流流過變換器電路電感二極管防止電容對地放電由于輸入是直流電，因此電感上的電流以一定的比率線性增加，該比率與電感大小有關(guān)隨著電感電流增加，電感里儲存了一些能量2)放電過程放電過程中，開關(guān)斷開（三極管截止），等效電路見圖2(b)由于電感電流的保持特性，流經(jīng)電感的電流值不會馬上變?yōu)?，而是緩慢地由充電完畢時的值變?yōu)?原來的電路已斷開，電感只能通過新電路放電，即電感開始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時輸出電

16、壓高于輸入電壓，升壓完畢充電時電感吸收能量，放電時電感釋放出能量如果電容足夠大，那么輸出端在放電過程中保持一個持續(xù)的電流如果通、斷電的過程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓2、uc3802的介紹：UC3802控制芯片：UC3802控制芯片是一種電流型脈寬調(diào)制電源芯片，工作電壓10v一20v，工作電流約為15mA芯片內(nèi)有一個頻率可設(shè)置的振蕩器；一個能夠源出和吸入大電流的圖騰式輸出結(jié)構(gòu)，特別適用于MOSEFT的驅(qū)動；一個固定溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓和高增益誤差放大器、電流傳感器；具有鎖存功能的邏輯電路和能夠提供逐個脈沖限流控制的PWM比較器，最大占空比可達(dá)100%此外，該芯片具有內(nèi)部保護(hù)功

17、能，如滯后式欠壓鎖定、可控制的輸出死區(qū)時間等（3）硬件電路設(shè)計(jì)：根據(jù)UC3802控制芯片的功能特點(diǎn)，結(jié)合Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電流型控制的Boost變換器電路的技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓Vi=15V，輸出電壓Vo:28V，輸出電流Io=-1.2 A，頻率，49kHz，輸出紋波噪聲為1%由UC3802控制芯片控制的Boost電路見上圖圖中輸入電壓Vi既供給芯片，又供給升壓變換開關(guān)管以UC3802控制芯片設(shè)定的頻率周期開閉，使電感L儲存并釋放能量當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感以v/L速度充電，把能量儲存在L中當(dāng)開關(guān)管截止時，L產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，通過二極管D把儲存的電能以（U-Vo）L的速度釋放到輸出電容器Cs中

18、輸出電壓由傳遞的能量控制，傳遞的能量通過電感電流的峰值控制整個穩(wěn)壓過程由2個閉環(huán)控制閉環(huán)1中，輸出電壓通過取樣后反饋給誤差放大器，同放大器內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，誤差放大器控制由負(fù)載變化造成的輸出電壓的變化閉環(huán)2中，Ro為開關(guān)管源極到公共端間的電流檢測電阻，開關(guān)管導(dǎo)通期間，流經(jīng)電感的電流在R。上產(chǎn)生的電壓輸送至PWM比較器同相輸入端，與誤差電壓進(jìn)行比較后控制調(diào)制脈沖的脈寬，從而保持穩(wěn)定的輸出電壓誤差信號控制峰值電感電流根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合BooST電路結(jié)構(gòu)的定性分析確定圖中的關(guān)鍵參數(shù)L先根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比D：當(dāng)輸出最大負(fù)載時，應(yīng)滿足式中：Vo為場效應(yīng)管的柵極電壓，Vs-0.9V考慮在10額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況，設(shè)計(jì)時假設(shè)電路在額定輸出時，電感紋波電流I。為平均電流。的2030，因增加。可以減小電感L，但為了不增加輸出紋波電壓，須增大輸出電容C。，取30為平衡點(diǎn)，即設(shè)計(jì)電感Ls:五：畫原理圖和PCB圖列清單：原理圖：元件清單：PCB圖：六、性能測試分析與結(jié)果：本次設(shè)計(jì)的結(jié)果基本能夠達(dá)到預(yù)期的要求：空載時：能比較準(zhǔn)確的把10到20V的電源穩(wěn)定在28V，