1.开关电源基本工作原理

　　1 开关电源的基本构成

　　图1.1 为开关电源电路的基本构成，它包括整流滤波电路，DC-DC 控制器，开关占空比控制器及取样比较电路等模块。

　　图 1.1 开关电源的基本构成

　　2 开关电源常用的拓扑结构分析

　　作为电源设计的核心组件,可靠性升级的基础,轻薄小型化的关键,电磁兼容性的保障的 DC-DC 直流变换电路,引导着开关电源设计的方向,从本质上来说绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。其有两种基本的类型：非隔离型和隔离型。

　　2.1 降压型

　　降压型又称为 BUCK 控制器，图 1.2 为其典型电路结构。

　　图 1.2 降压型典型电路结构

　　基本工作原理:当开关管导通(Ton)时,电感 L 将能量以磁场的形式储存起来。随着电源电压 Vin 对电感 L 的充电，L 电流 IL 对输出电容 CO 充电，并提供负载电流 Io， VD 被反向偏置而截止。当开关管截止(Toff)时，L 中消失的磁场使其极性颠倒 VD 加正向偏压而导通，L 和 CO 在 Toff 提供负载电流 Io。为降压型电路的二极管电压和电感电流的波形如下。

　　图 1.3 降压型电路的二极管电压和电感电流波形

　　2.2 升压型

　　升压型又称为 BOOST 控制器，图 1.4 为其典型电路结构。

　　图 1.4 升压型典型电路结构

　　基本工作原理：当开关管导通时，能量储存在 L 中，由于 VD 截止，所以 Ton 期间，负载的电压和电流由 CO 供给在开关管。截止时，储存在 L 中的能量通过正向偏置的 VD 传送到负载和 CO， L 放电电压的极性与VIN 相同，且与 Vin 相串联因而提供了一种升压作用。

　　输出电压：

　　图 1.5 升压电路的开关管电压和电感电流波形

　　2.3 升降压型

　　升降压型又称为 BUCK-BOOST 控制器，图 1.6 为其典型电路结构。

　　图 1.6 升降压型典型电路结构

　　基本工作原理：当 Q1 导通时，接在 Vin 两端的 L 被充电，由于 VD 截止，所以 TON 期间，负载的电压和电流由 CO 供给。当开关管截止时，储存在 L 中的能量通过 VD 传送到负载和 CO ，因为 L 上消失的磁场颠倒了电感器电压的极性。

　　输出电压：

　　图 1.7 升降压型电路电感的电压与电流波形

　　2.4 反激式

　　反激式又称为 Fly-back 型，它能产生在输入电压范围内的输出电压，不同于降压升压控制器。这是反激式控制器所独有的特点。图 1.8 为其典型电路结构。

　　图 1.8 反激式典型电路结构

　　基本工作原理：当开关管导通时，电流流过变压器 T1 的初次线圈 N1 ，变压器将能量以磁场的形式储存起来。由于初次级圈不同相位，所以当电流流过初次线圈时，次级线圈 N2 中没有电流流过。当开关管截止时，消失的磁场使初次次线圈中电压极性反转，整流二极管 VD 导通。电流通过 VD 流向负载，变压器的能量释放，提供负载电压电流。

　　输出电压：

　　(1)电流连续状态下

　　(2)电流断续状态下

　　图 1.9 为反激式电路的在电流断续情况下的电压电流波形如下。

　　图 1.9 反激式电路的电压与电流波形

　　2.5 正激式

　　正激式不同于反激式，在原边导通的同时，副边向负载释放能量。当开关管关断时，变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期。这是它的特点。图 1.10 为其典型电路结构。

　　图 1.10 正激式典型电路结构

　　基本工作原理：当开关管导通时，电流流过变压器 T1 的初次线圈 N1 。由于初次级圈同相位，所以当电流流过初次线圈时，整流二极管 VD 导通，次级线圈 N2 中也有电流流过。当开关管截止时，初次级线圈均没有电流流过。

　　输出电压:

　　图 1.11 为正激式电路开关管电压和原边电流波形。

　　图 1.11 正激式电路开关管电压和电流波形

　　2.6 推挽式

　　推挽式又称为 Push-Pull 控制器，图 1.12 为其典型电路结构。

　　图 1.12 推挽式典型电路结构

　　基本工作原理:Q1 和 Q2 交替导通和截止,且导通和截止时间必须严格错开,当 Q1 导通 Q2 截止时,由于次级绕组两线圈匝数相等,绕向相反,能量通过变压器 T1 以磁通方式耦合过来的正电压使 VD1 正向导通,负电压使 VD1 导通.次级电压整流、滤波后加到输出端。当 Q2 导通 Q1 截止时，这个过程重复进行，T1 的次级绕组开关工作频率为加在 Q1 Q2 上 PWM 频率的两倍。

　　输出电压：

　　图 1.13 为推挽式电路开关管 Q1 的电压和电流的波形如下。

　　图1.13 推挽式电路开关管电压和电流波形

　　3 拓扑结构的确定

　　开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。开关电源设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制;而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。

　　根据系统造价、性能指标和输入、输出负载特性，结合本课题的实际选用的拓扑结构是正激型变换器电路。

　　2. 基于 UC3842 的开关电源的设计与实现

　　2.1 开关电源电路的设计

　　2.1.1 开关电源电路的总体简介

　　输入整流滤波器将交流输入电压进行整流滤波，为变压器器提供直流电压。变压器把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波器将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。控制电路检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。保护电路在开关电源发生过电压或者过电流时，使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

　　2.1.2 基于 UC3842 的基本结构

　　基于 UC3842 正激式开关电源的结构框图如图 2.1。

　　图 2.1 开关电源的结构框图

　　2.1.3 各部分功能简介

　　输入整流与滤波电路：

　　其一般都采用桥式整流，将输入的交流整成高压直流，经过滤波输入变压器的一次侧。

　　变换器：

　　变换器是用来变换电能的，是开关电源设计的核心。

　　输出整流滤波滤波：

　　变压器输出侧的电压还不够理想，需要整流滤波来达到设计的指标。

　　反馈回路：

　　将输出部分的电压或电流信息反馈回到前级，进入控制部分，由控制部分来控制交换组件的运作状态。

　　隔离组件：

　　隔离组件的设立主要是出于安全的考虑，一般常用的隔离组件是光耦，将后级信息反馈到前级。

　　控制部分：

　　有两种控制方式 RCC 和 PWM，RCC 是由反馈回来的信号改变电容充放电时间来达到控制开关组件开关时间的目的，这种模式实现的电路电路简单，不固定频率，也不容易控制。本文所研究的正激式采用的是 PWM 控制模式，其是通过反馈信号和相应的 IC 芯片上的标准波形进行比较，进而对应的改变开关组件的开关时间，这种方式的控制稳定度高，可固定频率，目前流行的开关电源都是采用这种方式。

　　2.2 UC3842 芯片简介

　　2.2.1 UC3842 的特点

　　UC3842 是美国 Unitorde 公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少，外围电路简单，电压调整率可达 0.01%，工作频率高达 500kHz，启动电流小于 1mA，正常工作电流为 5mA，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及 PWM 锁存器电路。

　　2.2.2 内部结构和引脚图

　　芯片的内部电路如图 2.2，引脚图如图 2.3 所示。

　　图 2.2 UC3842 内部电路

　　图 2.3 引脚图

　　2.2.3 引脚功能

　　UC3842 采用固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整导通宽度，共 8 个脚，各引脚功能如下：

　　第 1 脚为补偿脚，内部误差放大器的输出端，外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。

　　第 2 脚是反馈脚，将采样电压加到误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲的宽度。

　　第 3 脚为电流传感端，在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻，构成过流保护电路。当电源电压异常时，功率管的电流增大，当采样电阻上的电压超过1V 时，UC3842 就停止输出，有效地保护了功率管。

　　第 4 脚为锯齿振荡器外部定时电阻 R 与定时电容 C 的公共端。

　　第 5 脚为地。

　　第 6 脚为图腾柱式输出电压，当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速了功率管的关断。

　　第 7 脚为输入电压，开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于 16V 的电压，芯片工作后，输入电压可以在 10～30V 之间波动，低于 10V 时停止工作。

　　第 8 脚为内部 5.0V 的基准电压输出，电流可达 50mA。

　　2.2.4 芯片工作原理

　　电路上电时，外接的启动电路通过引脚 7 提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下，芯片开始工作，脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经 6 脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到 3 脚，维护系统的正常工作。电路正常工作后，取样电路反馈的低压直流信号经 2 脚送到内部的误差比较放大器，与内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到脉宽调制电路，完成脉冲宽度的调制，从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高，则 2 脚的取样电压也变高，脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄，则开关功率管的导通时间变短，输出电压变低，从而使输出电压稳定，反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波，其周期取决于 4 脚外接的 RC 网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器，作为其工作周期，脉宽调制器输出的脉冲周期不变，而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。其内部基准电路产生+5V 基准电压作为 UC3842 内部电源，经衰减得 2.5 V 电压作为误差放大器基准。振荡器产生方波震荡，震荡频率取决于外接定时元件，在④脚和⑧脚外接的电阻 RT 和电容 CT 共同 决定了振荡器的震荡频率，f=1.8/(RT*CT)。电路启动后变压器的付绕整流滤波电压一方面为 UC3842 提供正常工作电压，另一方面加到误差放大器的反相输入端②脚，为 UC3842 提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。⑥脚输出的方波信号驱动 MOSFEF 功率管，变压器原边绕组的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。③脚为电流检测端，用于检测开关管的电流，当③脚电压大于或等于 1V 时，UC3842 就关闭输出脉冲，保护开关管不致于过流损坏。

　　2.3 各部分回路设计

　　2.3.1 主回路的设计

　　主回路包括：低通滤波回路，输入整流滤波回路，开关电源吸收回路，输出整流滤波回路。其电路如图 2.4 所示。

　　图 2.4 主回路

　　(1) 低通滤波回路的设计

　　低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，电网电力就是经低通滤波进入的。它有两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入;第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。

　　图 2.5 低通滤波回路

　　(2)整流滤波回路的设计

　　开关电源的输入整流部分采用的是一个全桥整流芯片。滤波部分采用的是电容滤波，滤除输出电压中的交流分量，使得整流出的直流电压尽量平滑

　　图 2.6 整流滤波回路

　　(3)开关电源吸收回路的设计

　　其是利用电阻、电容和阻塞二极管组成的钳位电路，可有效的保护开关功率管不受损坏。VT1 导通时变压器 TR1 的磁通量增大，这时便将电能积蓄起来。VT1截止时，便将积蓄的电能释放，变压器一次绕组中便有剩磁产生，并通过 VD5 反馈到二次侧。

　　(4) 输出滤波电路

　　滤波电路由两块组成：输出的高频电压首先经过一个二极管将负半边的电压滤除，使它变为单向的电压，然后再经过一个 LC 滤波单元滤除高频电压，这样就可以得到所要的直流电压量。

　　图 2.8 输出滤波电路

　　2.3.2 控制保护回路的设计

　　电路启动后变压器的副绕组③④的整流滤波电压一方面为 UC3842 提供正常工作电压，另一方面经 R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为 UC3842 提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的 R6、C8 决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经 R7、R8 分压后驱动 MOSFEF 功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到副边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻 R10 用于电流检测，经 R9、 C9 滤滤后送入 UC3842 的③脚形成电流反馈环. 所以由 UC3842 构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当 UC3842 的③脚电压高于 1V 时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。

　　图 2.9 控制保护回路

　　电路是怎样进行保护的呢?如果由于某种原因，输出短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R10 两端的电压上升，IC1 的 3 脚上的电压也上升。当该脚电压超过正常值 0.3V 达到 1V 时，UC3842 的 PWM 比较器输出高电平，使PWM 锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842 的 6 脚无输出，MOS 管截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压(在 265V 以上)，IC1 无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，IC1 的 7 脚供电电压也急剧上升，其 2 脚电压也上升，关闭输出。如果电网电压低于 85V，IC1 的 1 脚电压也下降，当下降 1V(正常值是 3.4V)以下时，PWM 比较器输出高电平，使 PWM 锁存器复位，关闭输出。如果人为意外的将输出端短路，这时输出电流将成倍增加，使得自动恢复开关RF 内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。

　　2.3.3 反馈电路的设计

　　关电耦合反馈控制是这样的：IC2 是关电耦合器，型号是 NEC2501。IC3 是精密稳压源，型号是 TL431。由 IC3、R11、R12 组成外部误差放大器。误差放大 器的频率响应由 C12、R10、R11 决定。当输出负载变小时，R9 用于提高输出电压的稳定性。当 12V 输出电压由于负载减轻而升高时，经电阻 R11、R12 分压后所得到的取样电压与精密稳压源的 2.5V 标准电压进行比较，其差值必然增大，使 IC3 的阴极 K 的电位降低，发射二极管的工作电流 IF 上升，发光强度增大，通过光电耦合使光电接收三极管的电流 IC 升高。这样使得开光电源控制集成电路 IC1 的①脚的补充输入电流增大，促使片内对 PWM 比较器进行调节，使占空比减小，输出电压下降，达到稳压的目的。

　　图 2.10 反馈电路的设计

　　2.4 外围主要器件的选取

　　开关电源设计中要选用的元器件很多，下面介绍一下主要元器件的选取。

　　(1)光电耦合器

　　光电耦合器(Optical Coupler,OC)也叫光电隔离器(Optical Isolation,OI) ,简称光耦。它是一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：一是发光体，实际上是一只发光二极管，受输入电流控制，发出不同强度的红外光;另一部分是受光器，受光器接收光照以后，产生光电流并从输出端输出。它的光——电反应也是随着光的强弱改变而变化的。这就实现了“电——光——电”功能转换，也就是隔离信号传递。光电耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离。不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。因为它是一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小。可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等。在开关电源电路中利用光电耦合器构成反馈回路，通过光电耦合器来调整、控制输出电压。达到稳定输出电压的目的;通过光电耦合器进行脉冲转换。在设计本次开关电源时，对光耦的选取原则是：

　　①电流传输比 CTR 的允许选取范围是 80%～250%。当 CTR 为 80%时，光电耦合器中的发光二极管需要较大的工作工作电流(>5.0MA)才能控制电路的占空比。这样做的结果是增加了光电耦合器的功耗。当 CTR>250%时，若启动电流或输出负载发生突变，有可能发生误触发，即误关断，影响正常工作。

　　②要采用线性良好的光电耦合器。因为光电耦合器具有良好的线性时，电源控制调整十分有序，输出稳定可靠。

　　因此，本设计中对光电耦合器的采用为：光耦 NEC2501。

　　光耦 NEC2501 参数如下：

　　型号：NEC2501;电流传输比 CTR：80%～160%;反向击穿电压 V(BR)CEO：40V;生产厂商：NEC;封装形式：DIP4

　　(2)肖特基二极管 SBD

　　肖特基二极管 SBD(Schottky Bsrrier Diode)是一种 N 型半导体器件，工作在低电压、大电流状态下，反向恢复时间短，只有纳秒，正向导通压降为 0.4V，而整流电流达数百安。它是最近在开关电源中应用得最多的一种器件。区分肖特基二极管和超快速恢复二极的方法是二者的正向压降不同，肖特基二极管的正向压降为 0.3V，超快速恢复二极管的正向压降是 0.6V。值得注意的是：肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过 100V，它适合用在低电压、大电流的开关电源中。因此，在本设计中肖特基二极管的采用为MBR1045。肖特基二极管MBR1045 参数如下：型号：MBR1045;反向峰值电压 Vrm：45;平均整流电流 Id：

　　10A;反向恢复时间 Trr：<10ns;生产厂商：Motorola

　　(3)芯片 TL431

　　德州仪器公司(TI)生产的 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。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，典型动态阻抗为 0.2Ω，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，开关电源等等。

　　图 2.11 该器件的电路符号。3 个引脚分别为：阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)。

　　图 2.11 TL431 电路符号和等效电路

　　由图 2.11 可以看到，VI 是一个内部的 2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当 REF 端(同相端)的电压非常接近 VI(2.5V)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，通过三极管图 2.12 的电流将从 1mA 到 100mA 变化。当然，该图绝不是 TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用 TL431 的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。

　　图 2.12 TL431 内部等效电路图

　　(4)输入端的滤波电容

　　滤波稳压电容 C5 可按照输出功率 2uF/W 来选择，交流输入电压的范围为85V~265V，设整流桥导通时间 Tc=3ms，由式(3-6)可得电容耐压值

　　式中， η为系统效率，选择为 80%，fL 为交流电网频率;Po 为系统输出总频率。

　　考虑到一定的裕量，最终取 C5=100uF/450V。

　　(5)输入整流二极管

　　开关电源的整流桥是由 4 只二极管组成的，每两只二极管串联起来完成交流电压半周整流。因此，每只二极管中流过的电流只有整个电流平均值的一半;每只二极管所承受的电压是最大反向电压的一半。

　　输入有效电流

　　输入回路平均电流

　　电容的负载电阻 RLC为

　　由于是全波整流，故比例系数 K 取 2，Rs/(KRLC)=3(2×463)=0.0032。由 交流输入电流峰值与输出平均电流之间的关系Iacp/Idc=6，则交流输入电流峰值Iacp=6Idc=1.3A。输入回路的最大峰值电压Vmax=2√2V1(max)=2√2×265=750V。选用二极管 IN5398，它的最高反向工作电压为 800V，额定整流电流为 1.5A