电力电子技术课程设计
题 目： 脉宽调制稳压电源
学生姓名：
指导教师： 院 系: 工程技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号：
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摘 要
随着电力电子技术的发展以及创新，使得开关电源这一项技术也在不断地发展与创新，由于这一成本反转点日益向低输出电力端的移动，为开关电源提供了广阔的发展空间。
电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 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。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，这一点称为成本反转点。
设计论文主要是利用一种性能优良的电流控制型脉宽调制器UC3842。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20～80W小功率开关电源。
关键词：开关电源；UC3842；脉宽调制
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目录
前 言 ....................................................................................4 一.总体设计方案....................................................................5 二．开关电源电路的设计.....................................................6 2.1 .开关器件的特性.................................................. ..........6 2.2 .UC384的简介.................................................................6 2.3 .器件TL431 .............................................................. ......7 2.4.整流电路的设计.............................................................8 2.5 .应用电路的设计.............................................................9 三．实验结果.................................................. ...................10 3.1 电压调整率（抗电压波动能力）测试......................10 3.2 负载调整率（抗负载波动能力）测试.......................10 四．实验结论............................................................. .......11 五．参考文献............................................................. .......11
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摘 要
随着电力电子技术的发展以及创新，使得开关电源这一项技术也在不断地发展与创新，由于这一成本反转点日益向低输出电力端的移动，为开关电源提供了广阔的发展空间。
电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 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。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，这一点称为成本反转点。
设计论文主要是利用一种性能优良的电流控制型脉宽调制器UC3842。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20～80W小功率开关电源。
关键词：开关电源；UC3842；脉宽调制
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前言
随着电子技术的高速发展，电子系统应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。开关电源就是在这种情况下发展起来的一种小型电源。它具有体积小、重量轻、频率高、成本低、效率高等一系列优点。同时，由于它的线路简单，可靠性高，而被广泛地应用于航空、航天和电子计算机等方面。
开关电源就是通过控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转换为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。简单地说，开关电源的工作原理是：交流电源输入经整流滤波成直流；通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 开关电源以其高效率、小体积等优点获得了广泛应用。传统的开关电源普遍采用电压型脉宽调制(PWM)技术，而近年电流型PWM技术得到了飞速发展。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的电压调整率和负载调整率，系统的稳定性和动态特性也得以明显改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路变得简单可靠。电流型PWM集成控制器已经产品化，极大推动了小功率开关电源的发展和应用，电流型PWM控制小功率电源已经取代电压型PWM控制小功率电源。
本文介绍的UC3842是美国Unitrode公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：
1）管脚数量少，外围电路简单，价格低廉； 2）电压调整率很好；
3）负载调整率明显改善； 4）频响特性好，稳定幅度大；
5）具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。
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一． 总体设计方案介绍
开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过了对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。一般开关电源控制集成电路包括振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用AC/DC变换器就是离线式开关变换器。开关电源的工作原理框图如图2-1所示。
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压
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二．开关电源电路设计
2.1 开关器件的特性
同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：
(1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。
(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。
(3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。
(5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。
2.2 .UC384的简介
主要特点
·工作电压8～40 V
·电流传感和电压反馈输入－0．3～＋5．5 V ·误差放大输出吸入电流10 mA ·欠压锁存功能 ·占空比可调
·最高开关频率500 kHz，稳定度0．2％，电源效率高 ·内部有高稳定度的基准电压源5．0 V
·稳定性能好，电压调整率很容易达到0．01％，
工作原理
UC3842为8脚双列直插式封装形式，如图1所示，他内部主要由5．0 V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器和适用于驱
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动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。
端1为COMP端； 端2为反馈端； 端3为电流测定；
端4接Rt，Ct确定锯齿波频率；端5接地； 端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力； 端7为集成块工作电源电压，可以在8～40 V； 端8为内部供外用的基准电压5 V，带载能力50 mA。
电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率晶体管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。
2.3 .器件TL431
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2欧姆，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等。 由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流将从1到100mA变化，TL431需要最少1mA电流流过才能工作。 TL431特点：
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（1）最大输出电压为36V； （2）电压参考误差：±0.4％，典型值@25℃（TL431B）； （3）低动态输出阻抗，典型0.22欧姆； （4）负载电流能力1.0mA ~ 100mA； （5）等效全范围温度系数50 ppm/℃典型； （6）温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压。
2.4.整流电路的设计
50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180°(导通范围是从0°～180°)，但由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC≈3ms，其导通角仅为54°(导通范围是36°～90°)。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图2所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图3和4所示。
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设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当使IBR≥2IRMS。计算IRMS的公式如下：
式中，PO为开关电源的输出功率，η为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cosφ为开关电源的功率因数，通常允许cosφ=0．5～0．9电路确定后电源输出功率越低输入电压越高功率因数会相应更低。由于整流桥实际通过的不是正弦波电流，而是窄脉冲电流(参见图1)，因此整流桥的平均整流电流Id 图2为芯片UC3842、桥式整流电路、高频变压器以及大功率晶体管构成的电流控制型脉宽调制开关稳压电源，这种新型的控制方式使得开关电源同时具有很高的电压调整率和负载调整率。 其工作原理为：220 V的交流电经过桥式整流电路、滤波电路得到一直流电压，再由大功率晶体管不断的导通和关断对直流电压斩波和高频变压器T2的降压作用得到频率为几十kHz 的矩形波电压，然后经整流滤波后得直流输出电压，其中高频变压器T2的自馈线圈Ns2中感应的直流电压反馈到误差放大器并和基准电压比较得到误差电压 Vr，初级线圈中流过的电流在取样电阻0．25Ω上建立的直流电压反馈到电流测定比较器的同相输入端并和误差电压Vr相比较，从而产生脉冲宽度可调的驱动信号，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化，输出电压稳定在某个固定的数值。 比如，当由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，则脉宽调制器会相应的增大输出 PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当由于电源电压变 10 化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。 三．实验结果 为了检验该电流控制型脉宽调制开关稳压电源的性能，本文按上述应用电路进行了测试，开关电源的波形和负载调整率、电压调整率如图3、表1、表2所示。 3.1 电压调整率（抗电压波动能力）测试 调节RP1使Vs（直流输入电压）减小，用万用表42测量Vs改变前后的输出电压Vo1和Vo2，测5个数据，组成4组，电压调整率为Vo1－Vo2／Vo1×100％。 从表1所得到的数据可以算出该稳压电源的电压调整率为： (0.009%+0.018%+0+0.018%)/4=0.011%V 3.2 负载调整率（抗负载波动能力）测试. 11 将RP3左旋到底，用万用表测量输出电压Vo1，再将RP3右旋，测量输出电压Vo2，测5个数据，组成4组，则负载调整率为Vo1－Vo2／Vo1×100％。 从表2所得到的数据可以算出该稳压电源的负载调整率为： （2．17％＋2．59％＋1．61％＋2．03％）／4＝2．10％／V 四．实验结论 在的课程设计中，我收获颇丰，深深明白了一个道理：学习知识不仅需要踏实有耐心，并且要理论与实际相结合。 刚接触课题时，大脑一片茫然，不知从何处入手。首先是电力电子相关知识已忘记很多，并且以前从没有进行过有关设计。于是不得不把书本知识重新复习一遍，然后在网上查找相关资料。在整个设计过程中，也遇到了很多的问题，但是最主要的问题是电路参数的计算。因为对公式的不理解，也不知道怎么用，所以最后的参数确定花费了很大一部分时间。当然这其中主要的问题是自己的学习不够扎实，对课本上以及老师讲的东西理解的不够透彻。 在设计过程当中也发现了一些自己存在的不足，需要自己以后的学习过程中多加注意，每个设计的思路都存在着一定的思维模式,要弄懂思维的过程，这样才有利于培养自己设计的基本思路。自己对设计过程当中一些主电路的计算还相对比较陌生，而平时较少接触保护电路，对保护电路的设计也考虑有所欠缺。 总之，通过这次的课程设计，让自己对电力电子知识点进行总结回顾，也接触到相关的电力电子知识的充分利用，虽然在平时感觉自己对这些知识掌握的还可以，但在运用时还是有很多的问题。因此，在今后我们不仅是要学好知识，更应该学会如何去运用它，毕竟学以自用这才是最重要的。这些对自己来说只是一个开始，今后应该多接触这方面的设计，在头脑中形成总体思路，有利于自己今后其他课程的学习 12 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容