【完整版】毕业论文---基于UC3845的单级反激式开关电源的设计

-1-2015届毕业设计（论文）资料基于UC3845的单级反激式开关电源的设计教学部：机电信息工程教学部专业：电气工程及其自动化学生姓名：朱赟班级：电气1101学号1112180114指导教师姓名：肖强晖职称研究员级高工职称最终评定成绩：2015年5月助教职称的填写在第二行；如只有一位指导教师则去掉第二行，如有三位教师，则再添加一行湖南工业大学科技学院毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，题目《基于UC3845的单级反激式开关电源的设计》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明应承担责任。作者签名：日期：年月日摘要随着电力电子技术的迅速发展，开关电源以其小体积，高效率等优点而得到广泛运用。传统开关电源普遍采用的是电压型脉宽调制(PWM)技术，它有较多的自身缺陷,比如稳定性不好、寿命短、响应速度慢,，而且当用于大功率应用时，信号变化大会产生干扰,还会造成功率管损坏等故障。而对于一个既实用又稳定可靠的开关电源而言,核心控制电路模块是其整个开关电源是否能够真正达到稳定可靠的关键所在。论文采用单端输出的电流型控制芯UC3845作为本设计开关电源的核心控制器。这种芯片基于电流型PMM技术。相比电压型PWM，电流型PWM具有更好的负载调整率和电压调整率,系统的动态特性和稳定性也得以显著改善，特别是其内在的限流能力和并联均流能力使整个控制电路变得简单可靠。通过对峰值电流控制模式进行分析和计算,利用电流控制模式进行外环电压信号采样和内环电流信号采样,通过简单而有效的斜率补偿电路和驱动电路,可实现电路的过流保护,磁通平衡,负载调整率等,具有动态响应速度快和内环电流环工作稳定特点。通过对峰值电流控制模式进行分析和计算,利用电流控制模式进行外环电压信号采样和内环电流信号采样,通过简单而有效的斜率补偿电路和驱动电路,可实现电路的过流保护,磁通平衡,负载调整率等,具有动态响应速度快和内环电流环工作稳定特点。通过实验表明,基于UC3845的开关电源核心控制电路具有很好的稳定性和可靠性。关键词:UC3845;反激式变换器；电流型PWM;开关电源基于UC3845的单级反激式开关电源的设计第1章绪论..1.1课题背景及意义1.2国内外开关电源的研究现状1.3开关电源及其技术的发展趋势1.4本文工作内容及结构第2章开关电源设计的理论基础2.1开关电源的基本工作原理2.2开关电源电路常用拓扑结构2.3反激式变换器不同工作状态下的参数分析2.4反激式开关电源的控制反馈模式2.4.1电压控制模式2.4.2电流控制模式2.5本章小结第3章．控制电路工作原理及设计3.1开关电源的功能要求3.2电流控制型脉宽调制器UC38453.2.1UC3845内部方框图3.2.2UC3845功能介绍3.3基于UC3845的控制电路设计3.3.1开关频率计算3.3.2保护电路设计3.4本章小结第4章单端反激式开关电源软件仿真与P测试分析第5章总结与展望第一章绪论1.1课题背景及意义电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分。随着电力电子技术的发展，电子信息技术领域里电子设备的广泛应用，这些设备对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源已经无法再满足当前的使用要求。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压电源。电源是节能的重要环节之一，电源经过电源技术与电力电子技术处理后，其节能效果显著提高。比如家用电子设备的待机损耗往往很容易被人们所忽视，其实这个耗电量非常惊人。据美国调查显示，这种损耗在美国每年损失大概35.64亿美元。德国环卫机构显示，在德国这样的损耗每年高达23.1亿美元，超过都柏林一年总用电量。因此电源技术的进步是衡量一个国家科技发展的重要标志之一[1]。传统线性稳压电源的技术虽然比较成熟，并且已有大量集成化的稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠性强等优点，但通常都需要体积大且笨重的工频变压器和体积与重量都很大的滤波器，而且调整管工作在线性放大状态，导致了调整管的功耗较大、散热高、效率低[2]。20世纪50年代，美国航天局体积小、重量轻、效率高为目标，为搭载火箭开发了开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。关稳压器的出现，彻底改变了稳压器的稳压概念，开关电源是以功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比来调节输出电压。开关电源内部的关键器件工作在高频开关状态，其本身消耗的能量很低，因此机内温升也低，保证了整机的稳定性和可靠性[3]。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。1.2国内外开关电源的研究现状美国科学家G.H.Royer在1995年首先研制了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。从而引领了一股风潮，各种形式晶体管直流转换器陆续问世，并取代了之前广泛运用的旋转式换流设备与机械振子式设备[4]。但是当时的电子技术还在起步阶段，并不能研发出耐高压、开关转换速度快、高功率的开关晶体管，所以这个时期的开关电源只能采取低电压输入、低功率频率。20世纪60年代，随着微电子技术的高速发展，各种高电压、大电流的功率开关管相继出现了，所以直流变换器可以直接由电网电压经过整流、滤波后输入供电，体积庞大、重量笨重、效率低的工频降压变压器终于被弃用了。由于省掉了工频变压器，开关稳压电源真正走上了效率高、重量轻、体积小而备受青睐应用的道路。20世纪70年代，与这种技术有关的高频率、高电流的功率管，高频率、高温电容、快恢复的肖特二极管，高频变压器磁芯材料等元器件不断被研发、生产出来，使得开关电源不断得到完善与发展，被广泛应用于电子计算机、航天、航海、军事电子设备等领域，成为各种供电电源的佼佼者[5]。80年代初，意法半导体有限公司率先推出了L4960系列单片开关式稳压器。1994年美国动力公司在世界上首先成功研制三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们称为“顶级开关电源”，随后又推出了高效、低价位、小功率的四端单片开关电源TinySwitch系列。到2000年，美国国家半导体公司研制出高效率0.5ASimpleSwitchDC-DC转换器，其效率高达96%，能够适应低温运行，并且长寿命、小体积。而安森美半导体生产的微功率脉冲宽度调制器（PWM）的升压DC-DC变换器，可以节约百分之六十的封装体积，具有增强功能，可以降低手机、数码相机以致其他消费类手提产品的电源损耗。由此可见，开关电源技术发展迅速，日趋成熟[6]。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。到了上个世纪80年代中期幵始对幵关电源进行市场推广,并应用于各个行业。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一般的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。目前市场上开关电源中功率管多采用双极性晶体管，开关频率可达几十千赫兹；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫兹。而高速开关器件的使用，可以提高开关电源的开关频率。对于兆赫兹以上开关频率的电源可以利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫兹级变换器已经实用化。开关电源发展的趋势和技术的追求可以概括四个方面，即：高频化、薄型化、轻量化、小型化。开关电源的重量和体积主要由一些储能元件（如电容和磁性元件）来决定，所以说，使开关电源尽量的小型化就是使其中电容和磁性元件等储能元件体积尽可能的减小；一般来说，提高电源的开关频率，一方面能够使变压器及电感、电容的尺寸减小，另一方面还能够有效的抑制干扰，使系统的动态性能得到很好的改善。所以，高频化就成了开关电源一个主要的发展方向。高可靠性。开关电源所使用的电子元器件与连续工作的电源相比少了数十倍，所以提高了电源的可靠性。另一方面，从寿命的角度出发，如光耦合器、排风扇以及电解电容等元器件的寿命能够决定着开关电源的使用寿命。因此要从设计的方面考虑，尽可能较少的使用元器件，以提高电源的集成度。这样不但能够解决可靠性差、电路复杂的问题，还增加了一些保护功能等，使电路得到简化，最重要是将平均无故障的时间提高了。低噪声。噪声大是开关电源一个很大的缺点。在单纯去追求电源高频化的同时，电源的噪声也将随之而增大。为此采用部分谐振转换回路技术，能够在原理上不仅降低噪声还可以提高开关频率。所以，开关电源另一个发展的方向就是尽可能的使电源的噪声降低。开关电源一直被称为是高效能的电源，现在它代表了稳压电源发展的方向，并且成为了稳压电源最主要的产品。开关电源采用了控制集成电路和高频变压器，具有效率高、可靠性好、输出稳定等一些特点，成为了电源今后发展的趋势。成本高，可靠性低。微电子技术、阻容器件生产技术和磁性材料烧结技术等与发达国家相比，我国还存在一定的差距，所以开关电源的造价与成本不能够进一步降低，这也影响到电源的可靠性进一步的提高。1.3开关电源及其技术的发展趋势我国信息业、国防业、家电行业，特别是电信业的迅速发张，是电源市场的强大推动力。进入21世纪，开关电源技术将有更大的发展。为了满足人类对开关电源更广泛的需求,开电源已经朝着智能化、模块化、小型化和高频化方向继续向前发展。源技术发展的大趋势概括如下:1、高频化磁技术就目前来说,幵关电源小型化已经是电力、电子设备发展的主要方向之一,开关电源频率的提高,跟随其后的功率密度、开关电源质量、体积、动态响应度等等,也都发生了革命性的变化。随着开关电源工作频率的增高，在低频下可以忽略的某些参数，在高频下会对电路的某些性能产生重要的影响，对磁性材料也有更高的要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。2、高频化电磁兼容(EMI)技术关电源的工作频率相对很高,甚至有的会产生浪涌电流现象,有的时候一些尖峰电压,或者其他各种噪声,都会引起电磁干扰、谐波干扰、传导型干扰等,这不但严重污染周围的电磁环境，对附近的电磁设备造成干扰，还可能危及到附近操作人员的安全。并且单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。在原理上，可以采用谐振变换技术，这样既能提高频率又可以降低噪声与干扰，所以电磁兼容技术也是开关电源又一发展方向鉴于这一缺点,一些稍微精密的电子仪器通常不能应用开关电源。现在,开关电源的电磁千扰由于自身的特性,在测量调试过程中具有一定困难,对于电磁兼容方面的研究还有待进一步深入[7]。3、软开关技术们可以用增加功率密度方法来提高开关电源的开关频率。那么如何解决开关频率提高带来的增加开关噪声和开关管损耗呢？软开关技术可以解决上述问题,其中比较常见的应用是有源软开关技术和无源软开关技术。软开关是指零电压开关ZVS或零电流开关ZCS。利用软开关，可使功率开关管开关损耗降至最低，既可以提高电源效率，还对功率开光起到了保护作用。4、功率因数校正技术(PFC)在电力电子装置当中，一般都采用二极管整流电路，存在导通角的问题，从而使得输入电流在输入电压峰值附近出现尖脉冲（如图1-1所示），故而造成功率因数低，如图1-1所示。功率因数校正（英文全称为Powerfactorcorrection，缩写为PFC）的关键思想就是通过一定的控制方式使得二极管整流电路的输入阻抗特性呈现纯阻性[8]，实现输入电流同步跟踪输入电压变化。如图1-2所示。根据其电路组成的不同，PFC技术可划分为无源功率因数校正技术和有源功率因数校