基于UC3843B的小功率开关电源设计
基于UC3843B的小功率开关电源设计[20200410140736]
摘要
开关电源通常由PWM（脉冲宽度调制）控制IC和MOSFET组成，其具有体积小、重量轻、功耗低和工作范围大等一系列优点，是采用现代电力电子技术来控制开关管的导通与关断时间比率来维持输出电压稳定的优质电源。本次毕业设计以UC3843B作为控制核心器件，完成了控制电路、高频变压器和反馈电路的设计。用场效应管作为开关器件，其截止和导通的速度非常快，导通损耗比较小，为开关电源的高效性提供了保障。通过电磁干扰滤波器来处理交流电网中的高频干扰对设备的影响和设备对交流电网的干扰。本次设计制作的一款固定电压输出的小功率开关电源，可用作手机充电器。
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关键字: 开关电源场效应管脉冲宽度调制
目录
1.1引言 1
1.1开关电源的研究背景及意义 1
1.2开关电源的国内外发展现状 1
1.3主要设计工作 2
2.系统总体方案的选择 3
2.1设计要求 3
2.2系统基本方案 3
2.3方案的选择 3
2.3.1常用开关电源变压器方案的介绍、对比和选择 3
2.3.2功率开关器方案的介绍、对比和选择 7
2.3.3控制芯片UC3843B的介绍 8
2.4系统方案的确定 10
3.系统的设计与实现 11
3.1系统硬件的基本组成 11
3.2主要电路设计 11
3.2.1 EMI滤波器和桥式整流的电路设计 11
3.2.2变压器的设计 12
3.2.3反激式变换电路设计 14
3.2.4控制电路设计 14
3.2.5反馈电路设计 15
3.2.6整体电路组成 17
4.实物的制作 18
4.1电路板的焊制 18
4.2元件清单 19
4.3实物图 20
5.实物调试 21
5.1电路空载和带载调试 21
5.1.1电路空载时的输入输出电压表和输出波形图 21
5.1.2电路带载时的输入输出电压表和输出波形图 22
5.1.3电压调整率计算 23
5.1.4电压负载率的测试 23
5.2电源的波形调试 24
5.2.1控制波形 24
5.2.2反馈波形 24
5.2.3输出波形 24
6.总结 26
参考文献 27
致谢 28
1.1引言
1.1开关电源的研究背景及意义
现代通讯技术、计算机技术、航空航天技术、生物技术等高科技领域内的电子设备都离不开电源的动力支持。优秀的动力是高质量和高可靠性的支撑。电源产业的迅速发展使之成为了电子制造业的一个重点。传统线性电源固然有不少优点，就像较高的可靠性、较好稳压性能、输出纹波电压小；但它的弊端也同样很明显，就是往往线性电源所使用的工频变压器体积会很大，而且线性电源效率较低、功耗较大、发热比较严重。开关电源比传统的线性电源更为高效，它通过将输入的直流电压幅值转成跟输入电压幅值的脉冲电压来实现它的工作过程即脉宽调制过程。功率管通常作为开关器件出现在开关电源中，因为功率管工作在开关状态，所以低损耗是它的一个显著优点；开关电源的滤波电容和电感比较小，工作频率一般在几十赫兹到几千赫兹之间。由于开关电源的功耗较小，内部各个电子器件高出环境的温度比较低，因而开关电源的可靠性和稳定性就得到了提高。开关稳压电源允许电网电压的范围比一般线性稳压电源允许的电网波动范围要大很多，在85～260V范围内使用开关电源的器件都可以得到稳定的电压输出。
基于上面这些优点，现代电力电子系统中对于开关电源的运用也越来越多。但是因为开关电源的理论相对复杂，具体设计比较依赖制作人员的经验，有些问题只能是经验丰富的工程师才能处理。一个电源的稳定性和可靠性通常取决于一小部分关键环节的设计，可是有因为一些理论不能形成成熟的体系或者跟实际使用不符合，致使设计开关电源成为一个难题，不适合刚刚接触开关电源的普通从业人员。
1.2开关电源的国内外发展现状
在上世纪的五十年代，由于搭载火箭的需要，美国宇航局开发出了首个开关电源。在六十多年的发展过程中，开关电源逐步取代了传统的相控稳压电源，在电子整机设备中被广泛的使用。基于集成电路的发展，开关电源的发展方向也逐渐转向集成化方向，越来越小型化，越来越模块化。近三十年间，开关电源的集成化发展主要沿着两个方向。一方面是集成化发展开关电源的控制电路。集成电路的脉宽调制(PWM)控制器在1977年被首次研制出来，许多美国公司接连推出了它们的PWM芯片系列。经过三十多年的发展，国外的单位率先研制出高性能的PWM、PFM芯片，开关频率高达1MHz，使得开关电源的市场更加的广阔。另一方面是单片集成中、小功率的开关电源。随着三端隔离式PWM型单片开关电源这一款AC/DC变压器电源在1994由年美国电源集成公司(Power Integrations)首先成功研制出来，随后意-法半导体公司也开发出一系列得到广泛应用的开关电源产品。就目前而言，单片开关电源已经开发出了数百种产品，构成了一个大的体系。不论国外还是国外从事电源行业的对单片开关电源这一发展前景良好，具有较大影响力的产品均比较关注。一些开关电源生产商通过一系列措施以减少器件的应力，例如降低结温、降低运行电流等等，使产品的可靠性得到了很大的提高了。
近四十年前，开关电源技术才在我国开始了初期发展，跟国外相比我国的开关电源技术起步还是比较晚的。由于在起跑线上就落后，我国的开关电源技术也是相对比较滞后的。外国品牌抢占了我国大部分的DC/DC模块电源以及大功率模块电源和中、小功率模块电源的市场。随着各项生产技术的不断进步以及国内生产规模的逐渐增大，我国在中、小功率模块电源的市场上也有了一定的话语权，相信在不远的将来，我国必将成为开发制造开关电源的强国，能够迅速追赶上并且超越国外。
1.3主要设计工作
（1）通过对电磁兼容分析常用方法，设计了EMI滤波器，并在开关电源的前级加入热敏电阻等器件提高开关电源的抗干扰性。
（2）基于磁路理论和电路理论，根据高频变压器的设计理论设计出了所需的高频变压器。
（3）结合线性光耦PC817和精密稳压源TL431设计了反馈电路。
（4）基于主要元件UC3843B设计了控制电路，达到了设计目的，能够输出5V/2A的直流电压电流。
2.系统总体方案的选择
2.1设计要求
在输入交流电压为220V、频率50Hz，电压变化范围为85～265V的条件下：
（1）输出电压：5V
（2）输出电流：2A
（3）本设计可用于电子产品的充电，例如给手机充电。
2.2系统基本方案
开关电源一般是由五个部分共同组成的，即输入电路、功率转换、输出电路、控制电路和频率振荡发生器。组成结构如图2-1所示：
图2-1 开关电源系统结构图
2.3方案的选择
2.3.1常用开关电源变压器方案的介绍、对比和选择
根据的工作方式，可分为单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等。
方案一：采用单端正激式变压器
单端正激式变压器如图2-2所示：当单端正激式变压器次级线圈刚好有功率时直流电压刚好在激励初级线圈。是当开关管接通时，输出变压器充当介质直接耦合磁场能量，电能和磁能之间能互相转换，输入输出同时进行的就是正激式变压器。
优点：输出电压的负载和瞬态控制特性相对较好，工作相对稳定，所以输出电压不易抖动，输出变压器利用率高，功率较大，比较适用于100W－300W的开关电源。
缺点：在控制电源开关关断的瞬间，磁化流过变压器初级绕组中存储的磁场能量的电流产生一个反电动势，需要增加反电动势绕组，亦或是拓扑驱动，次级需要多加1个整流电感，成本较高。
摘要
开关电源通常由PWM（脉冲宽度调制）控制IC和MOSFET组成，其具有体积小、重量轻、功耗低和工作范围大等一系列优点，是采用现代电力电子技术来控制开关管的导通与关断时间比率来维持输出电压稳定的优质电源。本次毕业设计以UC3843B作为控制核心器件，完成了控制电路、高频变压器和反馈电路的设计。用场效应管作为开关器件，其截止和导通的速度非常快，导通损耗比较小，为开关电源的高效性提供了保障。通过电磁干扰滤波器来处理交流电网中的高频干扰
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字: 开关电源场效应管脉冲宽度调制
目录
1.1引言 1
1.1开关电源的研究背景及意义 1
1.2开关电源的国内外发展现状 1
1.3主要设计工作 2
2.系统总体方案的选择 3
2.1设计要求 3
2.2系统基本方案 3
2.3方案的选择 3
2.3.1常用开关电源变压器方案的介绍、对比和选择 3
2.3.2功率开关器方案的介绍、对比和选择 7
2.3.3控制芯片UC3843B的介绍 8
2.4系统方案的确定 10
3.系统的设计与实现 11
3.1系统硬件的基本组成 11
3.2主要电路设计 11
3.2.1 EMI滤波器和桥式整流的电路设计 11
3.2.2变压器的设计 12
3.2.3反激式变换电路设计 14
3.2.4控制电路设计 14
3.2.5反馈电路设计 15
3.2.6整体电路组成 17
4.实物的制作 18
4.1电路板的焊制 18
4.2元件清单 19
4.3实物图 20
5.实物调试 21
5.1电路空载和带载调试 21
5.1.1电路空载时的输入输出电压表和输出波形图 21
5.1.2电路带载时的输入输出电压表和输出波形图 22
5.1.3电压调整率计算 23
5.1.4电压负载率的测试 23
5.2电源的波形调试 24
5.2.1控制波形 24
5.2.2反馈波形 24
5.2.3输出波形 24
6.总结 26
参考文献 27
致谢 28
1.1引言
1.1开关电源的研究背景及意义
现代通讯技术、计算机技术、航空航天技术、生物技术等高科技领域内的电子设备都离不开电源的动力支持。优秀的动力是高质量和高可靠性的支撑。电源产业的迅速发展使之成为了电子制造业的一个重点。传统线性电源固然有不少优点，就像较高的可靠性、较好稳压性能、输出纹波电压小；但它的弊端也同样很明显，就是往往线性电源所使用的工频变压器体积会很大，而且线性电源效率较低、功耗较大、发热比较严重。开关电源比传统的线性电源更为高效，它通过将输入的直流电压幅值转成跟输入电压幅值的脉冲电压
基于上面这些优点，现代电力电子系统中对于开关电源的运用也越来越多。但是因为开关电源的理论相对复杂，具体设计比较依赖制作人员的经验，有些问题只能是经验丰富的工程师才能处理。一个电源的稳定性和可靠性通常取决于一小部分关键环节的设计，可是有因为一些理论不能形成成熟的体系或者跟实际使用不符合，致使设计开关电源成为一个难题，不适合刚刚接触开关电源的普通从业人员。
1.2开关电源的国内外发展现状
在上世纪的五十年代，由于搭载火箭的需要，美国宇航局开发出了首个开关电源。在六十多年的发展过程中，开关电源逐步取代了传统的相控稳压电源，在电子整机设备中被广泛的使用。基于集成电路的发展，开关电源的发展方向也逐渐转向集成化方向，越来越小型化，越来越模块化。近三十年间，开关电源的集成化发展主要沿着两个方向。一方面是集成化发展开关电源的控制电路。集成电路的脉宽调制(PWM)控制器在1977年被首次研制出来，许多美国公司接连推出了它们的PWM芯片系列。经过三十多年的发展，国外的单位率先研制出高性能的PWM、PFM芯片，开关频率高达1MHz，使得开关电源的市场更加的广阔。另一方面是单片集成中、小功率的开关电源。随着三端隔离式PWM型单片开关电源这一款AC/DC变压器电源在1994由年美国电源集成公司(Power Integrations)首先成功研制出来，随后意-法半导体公司也开发出一系列得到广泛应用的开关电源产品。就目前而言，单片开关电源已经开发出了数百种产品，构成了一个大的体系。不论国外还是国外从事电源行业的对单片开关电源这一发展前景良好，具有较大影响力的产品均比较关注。一些开关电源生产商通过一系列措施以减少器件的应力，例如降低结温、降低运行电流等等，使产品的可靠性得到了很大的提高了。
近四十年前，开关电源技术才在我国开始了初期发展，跟国外相比我国的开关电源技术起步还是比较晚的。由于在起跑线上就落后，我国的开关电源技术也是相对比较滞后的。外国品牌抢占了我国大部分的DC/DC模块电源以及大功率模块电源和中、小功率模块电源的市场。随着各项生产技术的不断进步以及国内生产规模的逐渐增大，我国在中、小功率模块电源的市场上也有了一定的话语权，相信在不远的将来，我国必将成为开发制造开关电源的强国，能够迅速追赶上并且超越国外。
1.3主要设计工作
（1）通过对电磁兼容分析常用方法，设计了EMI滤波器，并在开关电源的前级加入热敏电阻等器件提高开关电源的抗干扰性。
（2）基于磁路理论和电路理论，根据高频变压器的设计理论设计出了所需的高频变压器。
（3）结合线性光耦PC817和精密稳压源TL431设计了反馈电路。
（4）基于主要元件UC3843B设计了控制电路，达到了设计目的，能够输出5V/2A的直流电压电流。
2.系统总体方案的选择
2.1设计要求
在输入交流电压为220V、频率50Hz，电压变化范围为85～265V的条件下：
（1）输出电压：5V
（2）输出电流：2A
（3）本设计可用于电子产品的充电，例如给手机充电。
2.2系统基本方案
开关电源一般是由五个部分共同组成的，即输入电路、功率转换、输出电路、控制电路和频率振荡发生器。组成结构如图2-1所示：
图2-1 开关电源系统结构图
2.3方案的选择
2.3.1常用开关电源变压器方案的介绍、对比和选择
根据的工作方式，可分为单端正激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式等。
方案一：采用单端正激式变压器
单端正激式变压器如图2-2所示：当单端正激式变压器次级线圈刚好有功率时直流电压刚好在激励初级线圈。是当开关管接通时，输出变压器充当介质直接耦合磁场能量，电能和磁能之间能互相转换，输入输出同时进行的就是正激式变压器。
优点：输出电压的负载和瞬态控制特性相对较好，工作相对稳定，所以输出电压不易抖动，输出变压器利用率高，功率较大，比较适用于100W－300W的开关电源。
缺点：在控制电源开关关断的瞬间，磁化流过变压器初级绕组中存储的磁场能量的电流产生一个反电动势，需要增加反电动势绕组，亦或是拓扑驱动，次级需要多加1个整流电感，成本较高。
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