开关电源实验报告

1开关电源实验报告一、开关电源电路图及清单1.160W-12V开关电源电路图7635812432112+5VFS1A/250VR1560K0.5WRTH110D-9CY1222CY2222CX10.1uF/250VACLF1ABD1KBP210C122uF400VCY3222R7100K2WR8100K2WC310nF1KVD1FR207R20220.5WC12222/1KVD6SR1060C13~C153?1000uF/16VL1C16470uF16VC17333CON2CON3D2FR104R310C5103C447uF/35V+5VR18430R192.4KSVR11KR172KU3TL431C11333U2PC817C7103C8222R1110KR122.4KC6103C9471R101O/0.5WR141KR1310R910KR155.1KQ12N60++++++R161KC10103U1UC384230W开关电源电路图图1-1开关电源电路原理1.2.60W-12V开关电源电清单60W-12V电源清单序号代号名称及规格数量/台1R3,R13电阻10R/0.25W22R14,R16,R18电阻1K/0.25W33R17电阻2K/0.25W14R12电阻750R/0.25W125R22电阻270R/2W16R15,R21电阻5.1K/0.25W27R9,R11,R19电阻10K/0.25W38R20电阻22R/0.5W19R1电阻680K/0.5W110R10电阻0.47R/2W111R7,R8电阻100K/2W212RTH1热敏电阻5D-11113SVR1卧式电位器1K114BD1整流桥U4K8115C1,C2电解电容68uF400V216C3,C18高压陶瓷电容103/1KV217C12高压陶瓷电容222/1KV118C4电解电容100uF/35V119C9涤纶电容471120C5,C7,C8涤纶电容103321C6,C11涤纶电容223222C17涤纶电容333123C19涤纶电容333124C13,C14,C15电解电容1000uF/16V325C16电解电容470uF/16V126CX1,CX2安规X2电容0.1uF/250VAC227CY1,CY2,CY3高压陶瓷电容222/250VAC328CY4高压陶瓷电容472/250VAC129D1快恢复二极管HER207130D2快恢复二极管HER104131D6肖特基二极管STPS10LCD100132FS1引线式保险管4A250V134L1输出滤波电感L-001135Q15N60136T1LS-30-12137U1UC3842138U2PC817139U3TL431140LED发光二极管141PCB板142TB1接线端子5位143LF1输入滤波电感144ZD1,J1短接线245LED发光二极管13二、开关电源介绍开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它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，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国4特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。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来调整输出电压。开关电源具有以下特征：①电源电压和负载在规定的范围内变化时，输出电压应保持在允许的范围内或按要求变化；②输出与输入之间有良好的电气隔离；③可以输出单路或多路电压，各路之间有电气隔离。本次实验是要采用UC3842制作一路输出的AV220V-DC5V的30W开关电源。三、开关电源原理及其工作原理3.1.开关电源原理1）工作模式开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。2）开关电源原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，5电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。本实验电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4部分组成。主电路采用单端反激式拓扑。控制电路是整个开关电源的核心，控制的好坏直接决定了电源整体性能，电路电流环控制采用UC3842内部电流环，电压外环采用TL431和PC817构成外部误差放大器。输入市电首先经过滤波、整流后变换为直流电压，再经过直流变换器变换为所需的直流电压；通过检测和控制电路对其输出进行调整。图3-1开关电源基本结构框图3.2.开关电源工作原理1)开关电源滤波原理该滤波器有两个输入端和一个接地端，两个输出端，制作使用时外壳使用金6属屏蔽并接地，电路包括共模电感LFIA、滤波电容器CY1、CY2、CX1。CY1、CY2跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。LFIA对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。2)整流电路原理从电源滤波输出后的电压经整流滤波器输入，经过BD1进行桥式全波整流得到非稳压的直流输出。采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。3)振荡电路原理由R12、C6与UC3842内部振荡器，+12V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。+12V基准电压经过定时电阻R12给C6充电，然后C6再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C7。4)输出电路原理由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842PWM波调整，通过Q1进行功率转换，直流电压从T原边N1流经Q1输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D6整流，C13-C15滤波，再经过平波电抗器L1使输出为平滑稳定的12V稳压输出。N2输出用作电压负反馈。①交流220V电源输入先经双向滤波器，过滤电网上的干扰谐波，再经桥式整流电路变成直流；②再利用高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，控制反激式斩波电路的输出电压，再经过滤波电路得到输出电压；③输出部分通过光电耦合反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的；④在变压器部分存在回馈电路是辅助电路，在桥式整流电路的输出是控制PWM7电路的起振。从电网取出的220V交流输入电压经过隔离变压器输出220V交流电压，这样做的目的是防止开关电源出现问题时产生较为严重的损失。220V交流输入电压CON3经双向滤波器CY1、CY2和滤波电容CX1输出220V直流电压，保险丝FS的使用是为了防止浪涌电流损坏整流桥BDKBP210。整流过的高电压（280~300VDC）经过稳压管C1接到变压器的一端上，变压器的另一端接到高压MOSFETQ1的Source。为了保证控制电路的正常工作，D2、R3、C4、C5构成辅助电源为控制芯片UC3842提供工作电压。根据反激式变换器的工作原理，当电压由正半周期到负半周期时，电压传到变压器的另外一边。经滤波电容和电感的作用，在输出端得到稳定的+12V直流电压。在控制信号部分，如果要让UC3842开始工作，必须要给芯片提供一个工作电压。而提供工作电压的辅助电源，在正半周期是不工作的，因为在正半个周期由于反激式变换器的缘故没有给辅助电源提供电压。这时经过R7降压就得到一个+5V电压，这个电压可以为UC3842提供电压，所以R7可以起到启动电路的作用，R7的阻值就要求很大，可以达到100K。在R18和R19的公共短接入反馈电压，下面的R19、R17、SVR1、TL431和C11构成误差放大器，将误差信号通过光电耦合器PC817传到三极管的基极。UC3842的启动电压为+12V，这样也起到了标准电压的作用，将反馈电压和标准电压进行比较，从UC3842的6号引脚输出控制MOSFET的开通和关断来减小误差。UC3842为主回路提供一个方波信号，使得主回路符合反激原理，方波占空比的大小