UC3842开关稳压电源设计.docx
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UC3842开关稳压电源设计
本科生学年论文(课程设计)
题目:
基于uc3842稳压电源的设计
学院物理科学与技术学院
学科门类理学
专业电子信息科学与技术
学号2009434110
姓名李腾飞
指导教师孙业岐
2012年10月30日
基于uc3842稳压电源的设计
摘 要
开关电源是一种效率很高的电源变换电路,通过对Boost型开关电源作详细的数学推导后得到准确数据.该系统包括整流滤波模块、DC-DC变换模块、过流保护及人机接口模块,以DC-DC变换器作系统的核心.采用UC3842作开关电源控制芯片,开关管采用耐高压,导通电阻很小的MOSFET管IRF640.输出滤波电路中用LC构成的型网络,同时输出采用单片机采样系统,可显示当前的电流和电压,且通过采样电流实现过流保护功能。
.
关健词:
Boost型开关电源;DC-DC变换模块;整流滤波模块;过流保护模块
Uc3842powersupplydesign
ABSTRACT
Theswitchingpowersupplyisahighefficiencypowerconversioncircuit,byBoosttypeswitchingpowersupplyforadetailedmathematicalderivationtoobtainaccuratedatathesystemcomprisingarectifierfiltermodules,DC-DCconversionmodule,overcurrentprotection,andhuman-machineinterfacemoduleUC3842forswitchingpowersupplycontrolchip,switchtoasmallhighpressure-resistanceoftheMOSFETofIRF640.networks,whiletheoutputusingtheoutputfiltercircuitwithLCconstitutethecoreoftheoperatingsystemtotheDC-DCconverter.microcontrollersamplingsystemcandisplaythecurrentandvoltage,andovercurrentprotectionachievedbysamplingthecurrent
KeywordsBoost-typeswitchingpowersupply;DC-DCconvertermodule;therectifierfiltermodule;overcurrentprotectionmodule
目录
1 总体设计方案论证1
2 单元电路模块设计1
2.1 整流滤波电路设计2
2.2 Boost升压型开关电源拓扑结构3
3 电路设计及参数选择4
3.1开关管的选择5
3.2反馈回路5
3.3 过流保护以及电压电流显示5
4 测试结果和实现功能6
5 电路工作原理7
6 结束语8
7参考文献9
1 总体设计方案论证
开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。
设计的关键是DC~DC变换器,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、输出整流器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变换的控制模块使用PWM调制的专用芯片,如TL494,UC3842等。
芯片内部集成了振荡器(由外接电阻电容来决定频率),误差比较器,PWM调制器等,有的甚至有保护电路和驱动电路①。
在此情况下用集成芯片外加少量的电路即可构成开关电源,稳定性能较好,控制简单,芯片功耗几乎可以忽略不计,且成本低。
过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。
当取样的电流超过指定的范围,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,由继电器来控制负载的连通性②。
同时用A/D采样,经过单片机处理后显示当前输出电流和电压。
还扩展了键盘来实现电压步进和预置,设置蜂鸣器实现过流时报警。
2 单元电路模块设计
开关稳压电源系统框图如图一所示
2.1 整流滤波电路设计
整流滤波电路如图二,在开机瞬间,滤波电容等效为短路,可串接0.1Ω限流电阻保护整流桥。
此设计最大输出功率72瓦特,电网电压低到15V输入时(整流后可达到18V),加上最不利效率为70%,则输入端功率经计算为102W,整流滤波后输出的电流约5.6A,取6A电流。
用普通整流二极管不能满足要求,故用承受电流较大的硅桥。
为达到可以接受的纹波系数,滤波电容的容值需要较大。
考虑到其它无用功耗,取P=102W,经计算C≈30000uF,这时候纹波系数低至2.5%,但电容体积太大,DC—DC变换级对纹波系数的要求可以降低,取10000uF,纹波约8%,可以满足要求。
大电容滤波还需并接瓷片电容,来抑制尖峰电压③。
2.2 Boost升压型开关电源拓扑结构
主回路拓扑结构选择非隔离型中Boost型升压斩波电路,如图三。
假设C和L足够大,输入输出电压,即为常数。
据推理电感两端的电压值也为常数,记电感两端的电压值是VL,经过L的电流记为IL,电流变化正增量记为△i+,电流变化的负增量记为△i一。
当开关闭合时,续流二极管关断,此时电源向电感充电储存能量,忽略开关管的压降。
则由电感电流不可以突变、法拉第电磁感应公式和基尔霍夫电压定律推导出:
增量电流△i+和时间△t成正比,呈线性上升趋势,与电感成反比④。
当开关管T关断时,续流二极管D导通,忽略续流二极管导通电压,输入端电源电压与电感器L中自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电,同时对电容器C充电。
同理推导出:
负增量电流与电感值成反比,与关断时间成正比。
下降是从上个时间充电后的电流点开始线形下降的。
当动态平衡后,△i+=一△i一,经过占空比计算公式推导后得:
在设计中输入15V~21V,整流滤波后可得约18V~25V的直流电压,而设计要求输出为30V~36V。
那么当输入是18V变换到36V时,升压比最大,则占空比最大,记为α1,从25V变换到30V时,升压最小,则占空比最小,记为α2,经过推算:
α2=1/6,α1=1/2。
3 电路设计及参数选择
此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。
它只需要很少的外部元件就可获得低成本高效益的解决方案。
其内部框图如图四,UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式,共有8个引脚,各脚功能如下:
①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件可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,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时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态;④脚为定时端,内部振荡器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、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。
输入端接Rl再输入到芯片电源端,由于UC3842启动电压需要16V,输入经整流滤波后至少有18V左右,可保证正常启动。
串联电阻Rl取100Ω或不用R1,直接接至18V电源也可正常工作。
UC3842振荡器可以工作高达500kHz,经过计算选择较折中的频率40kHz取Rt=10k,Ct=4.7nF,Rt接在振荡端和参考电压8脚处,4脚退耦电容C3取O.1uF。
3.1开关管的选择
开关管选择导通电阻很小,能通过高达16A电流的MOSFET管TRF640[3],且输入电阻为1nF,如果由UC3842驱动(最大可摊拉1A电流),那么MOSFET的GS从0V~5V变化需要时间是0.1us,在500kHZ工作频率时,T=2us,上升沿不可忽略,但工作频率为40kHZ时,即使占空比最小为六分之一,导通时间推算为4us,则影响不是很大。
开关管的保护电路有D1,R3,C5构成,开关管关断时,整流二极管D2不能立即导通,电感的反响电动势可能把MOSFET管击穿,整流滤波电路由续波二极管D2和电感电容组成低通滤波网络。
开关导通时不带负载,避免周期内工作或不工作的问题,在输出端接入约1.5kΩ的假负载,保证空载测试电压时能有正常输出。
3.2反馈回路
反馈由取样电阻Rf1、Rf、Rf2构成,取样后经过一个积分电路可得平均值,然后反馈给UC3842误差比较器,误差比较器的另外输入端是一个基准2.5V,由于误差放大器增益很大。
通过计算得知:
改变中心滑动电阻的插头位置实现调压,注意Ui>Uo,利用模拟开关变换不同的电阻分压,实现步进和预置调压,切换到电位器时实现手动无级调压。
3.3 过流保护以及电压电流显示
用单片机和ADC0832来采样。
采样电阻Rss=0.1Ω,用温度系数很小的绕线电阻,但不能直接采样Rss两端的电压,因为运放不能输入比电源电压大的信号,所以要设计恒降压电路,将Rss两端的电压同时减去一个常数,再进行差分放大,如图五。
恒压源用TL431准确稳定在一个固定的电压,设置两个恒压源压降一致。
由于运放采用12V单电源供电,所以将电压降到6V以下才能工作;又因为输出最大电压为36V,设计的恒压源压降为19V,那么下面两个电阻可用同样阻值的精密可调来实现抽头在中间位置,则U=36—19=8V进行l/2分压得4V。
当电流为2A时Rss上压降为0.2V,则到差放上的电压差为O.1V,放大15倍后再经恒压源压降,保证变化范围在O~5V后送给0832采样,同时通过0832的另外一个通道采样得输出电压值。
经过单片机计算电流电压后判断是否超过2.5A的电流,如果是,再利用继电器断开负载并用蜂鸣器报警,然后等待恢复。
延时数秒后再次尝试接通负载,这就实现了过流保护和恢复后自动启动的功能。
同时把采样到的电流、电压显示在数码管上。
系统还设计了键盘设置电压增减的功能,该芯片采用ZLG7290键盘显示芯片可以简化设计复杂度⑤。
4 测试结果和实现功能
5 电路工作原理
首先,将来自电网的220V,50Hz工频交流电送入开关电源电路。
选取适当的滤波电路,将工频交流电中的杂波滤掉,然后经由电力二极管构成的全波整流电路整流,将工频交流电转化为电压约300V的直流电。
然后,直流电被控制电路中的开关功率管斩波,得到高频脉冲信号,高频脉冲信号经高频变压器降压,由自馈线圈反馈得到反馈信号,经UC3842用以调整开关功率管频率;次级线圈产生正弦波交流电。
最后,由次级线圈上的整流电路对次级线圈上的交流电进行整流,得到所要求的36V,5A,功率180W的直流电。
简单来说就是电网工频交流先整流为固定直流,通过功率变换(高频逆变)得到20-50KHz的高频交流,再经高频整流与滤波,得到所需的直流。
工作其原理框图如下:
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6 结束语
开关电源是一种效率很高的电源变换电路,此系统利用软件硬件相结合,力求线路简单,又能满足系统设计要求。
通过对各单元电路的设计、制作与测试,收到了很好的稳压效果,完成了设计要求的各项指标,具有一定的实际意义。
7考文献
[1] 石玉,栗书贤.电力电子技术题例与电路设计指导.机械工业出版社,1998.
[2] 王兆安,黄俊.电力电子技术(第4版).机械工业出版社,2000.
[3] 浣喜明,姚为正.电力电子技术.高等教育出版社,2000.
[4] 莫正康.电力电子技术应用(第3版).机械工业出版社,2000.
[5] 郑琼林.耿学文.电力电子电路精选.机械工业出版社,1996.
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