开关稳压电源设计说明书

考试号：11    

开关稳压电源设计说明书

                  学 生 姓 名： 刘慧                    

               学       号： 14122502243                    

               专 业 班 级： 电子科学与技术12-1BF                              

               报告提交日期：2015-6-25

                   

湖 南 理 工 学 院 物 电 学 院

    

目 录

一、 前言    3

二、设计任务及要求    4

1. 设计任务    4

2．设计要求    4

三、 设计思路    4

四、 方案设计    5

4.1开关器件的选择    5

4.2参数的设定    5

五、 电路分析    6

（一）基本组成    6

5.1滤波电路    6

5.2.电压保护电路    6

5.3.电压反馈电路    7

    （二）基本类型    8

（1）串联型    8

（2）并联型    8

（3）脉冲变压器耦合（并联）型    10

六、涉及调试及解决方案    11

1、前言

    该电源以单端反激式DC-DC变换器为核心。市电通过自耦式调压器，隔离变压器，整流滤波后产生直流电压，经DC-DC变换得到题目所需输出电压，实现了开关稳压电源的设计。DC-DC变换器采用脉宽调制器（PWM）UC3842，通过调节占空因数使得输出电压UO在30V～36V范围内可调；微控制器与键盘显示构成了控制显示模块，能对输出电压进行键盘设定和步进调整，并显示输出电压、电流的测量和数字显示功能，形成了良好的人机界面。 

    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1-1所示；

                   图1-1

        关键词：DC-DC变换器，脉宽调制器（PWM） 

二、设计任务及要求

1. 设计任务

设计一手机开关型电池充电器，满足：

（1）开关电源型充电；

（2）输入电压220V，输出直流电压自定；

（3）恒流恒压；

(4) 最大输出电流为:Imax＝1.0A;

2．设计要求

（1）合理选择开关器件；

（2）完成全电路理论设计、绘制电路图；

（3）撰写设计报告。

三、设计思路

     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。

四、设计方案

   根据本次设计的要求，本设计的方案如下： 

  4.1开关器件的选择 

 因为脉冲变压器耦合型开关电源具有如下优点：

1）通过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实现电源隔离，使主电源电路与交流电网隔离，即所谓“冷地盘”电路，实现机壳不带电，给制作和维修带来方便；

2）若开关管内部短路，不会引起负载的过压或过流；

3）容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载，辅助电源仍可从主电源中得到。所以本次设计使用的开关电源是变压器耦合（并联）型开关电源。   

 4.2参数的设定  

（1）输入电压220V，输出直流电压为6.0V； 

（2）最大输出电流为:Imax＝1.0 A；

五、电路分析

（一）基本组成

5.1滤波电路

     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1-2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，C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰，为了减小漏电流C2、C3宜选用陶瓷电容器.

          图1-2

5.2.电压保护电路

    如图1-3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。

     图1-3 输出过压保护电路

5.3.电压反馈电路

   电压反馈电路如图1-4所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到    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。

                  图1-4电压反馈电路

（二）基本类型

   （1）串联型

    其特点是开关调整管VT与负载RL串联。因此，开关管和续流二极管的耐压要求较低。且滤波电容在开关管导通和截止时均有电流，故滤波性能好，输出电压U0的纹波系数小，要求储能电感铁心截面积也较小。其缺点是：输出直流电压与电网电压之间没有隔离变压器，即所谓“热地盘”，不够安全；若开关管内部短路，则全部输入直流电压直接加到负载上，会引起负载过压或过流，损坏元件。因此，输出端一般需加稳压管加以保护。 

根据稳压条件可得：（Ui-U0）T1/L=U0T2/L 即 

    U0=U1T1/（T1+T2）=（T1/T）Ui，  σ=T1/T 

由上式可见，可以通过控制开关管激励脉冲的占空比σ来调整开关电源的输出电压U0。

（2）并联型

    其工作波形与串联电路基本相同，因开关管VT与负载RL并联而称为并联型。此外，二极管VD通常称为脉冲整流管，C为滤波电容。当开关管基极输入开关控制脉冲时，开关管周期性地导通与截止。当开关管饱和导通时，输入电压Ui加在储能电感L两端，此时电感中的电流线性上升，二极管VD反偏二截止，电感L储存能量，此时负载RL所需的电流由前一段时间电容上所充的电压供给。当开关管截止时，VD导通，通过电感上的电流线性下降，感应电压为左负右正，输入电压Ui和电感L上的感应电压同极性串联，电源Ui和电感L所释放的能量同时给负载RL提供电流，并向电容C充电。同样，达到动态平衡时，电感L在开关管饱和时增加的电流量（能量）与开关管截止时减少的电流量（能量）相等。即电感上能量保持一个恒量，故有                 （Ui/L）T1=（U0-Ui）T2/L 

所以有 U0= Ui/（1-σ）   其中σ=T1/(T1+T2) 

可见，并联型开关稳压电源同样可通过控制σ来稳定或调整输出电压，同时还可以看出，由于σ<1，这种并联型开关电源属于升压型电源，开关管所承受的最大反向电压UCE max=U0。而图1所示的串联型开关电源属于降压型电源，开关管所承受的最大反向电压UCE max=Ui。

（3）脉冲变压器耦合（并联）型  

     变压器耦合（并联）型开关电源（自激式）基本电路如图3所示。开关器件可以是双极型晶体管，也可以是场效应管，T为开关（脉冲）变压器，VD为脉冲整流二极管，C为滤波电容。这里脉冲变压器的初级绕组起储能电感作用，脉冲变压器通过电感耦合传输能量，可使输入端与稳压输出端之间互相隔离，实现机壳不带电，同时还可以便利地得到多种直流电压，给制作和维修带来方便。 如果将脉冲变压器视为初、次级匝数比为n:1的理想变压器，把次级参数等效至初级，可画成图2所示并联型的电路形式，只是用nU0代替图2中的U0。对图3电路，可得 U0=Uiσ/n(1-σ)=UiN2T1/N1T2 

由于n>1,变压器型开关电源一般均为降压输出。开关电源中开关管所承受的最大脉冲电压UCE max=Ui+nU0。 

变压器耦合（并联）型开关电源的优点是：1）通过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实现电源隔离，使主电源电路与交流电网隔离，即所谓“冷地盘”电路；2）若开关管内部短路，不会引起负载的过压或过流；3）容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载，辅助电源仍可从主电源中得到。其缺点是：1）对开关管和续流二级管的耐压要求高；2）输出电压纹波系数较高；3）要求储能电感量较大。

手机电池充电器电路

六、涉及调试及解决方案

标号	设计调试中的问题	解决方案
1	降压整流滤波电路响应时间长，有等待时间	不断调整（加大）整流滤波电容
2	PWM控制器的输出脉冲波形有失真	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。
3	uc3842输出驱动波形不稳定	在他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。
4	在测试输出时有较大的纹波	改变驱动mos管
5	使用软件进行仿真时，响应太慢	属于软件弊端

     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(只局限于理论分析)。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

    虽然刚开始做个这设计的时候，我感觉有点心虚，怕自己做不好，经过几天的实验课程设计，让我慢慢的弄懂了一些以前不懂的实验电路以及概念等，在遇到问题时，我会和同学积极讨论，解决不了时，我便会到一些资料书上、或者网上查找答案。在这之中，我不仅增加了自信，增加了解决问题的能力，而且，我们还坚信了一个道理，就是凡事只要自己想去做、认真去做，并且坚持下去，就一定能够将事情做好。所以，我一点一点认真地做设计报告，最后终于成功地完成了。 

    经过这次的实验课程设计，让我真正的学习到了许多知识，特别是在电路的设计方面，让我知道多注重理论和实践的结合，利用理论指导实践，利用实践加深理论认识，如此不断融合，我们的学习效率一定会成倍提高，学习热情也会高涨。对我今后的帮助很大。