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基于UC3842的开关电源设计研究
嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。基于 UC3842 的开关电源设计研究 摘 要开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高效率变换、 将粗电变换成精 电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方 式，因此它具有高频率、高功率密度、高可靠性。 本文主要介绍了基于 UC3842 的开关电源电路拓扑的选取、变压器和电感设计、功 率驱动电路、控制电路及保护电路的设计。开关电源采用 MOSFET 作为开关器件，通 过控制开关器件导通的占空比调整输出电压。开关电源对电网的适应能力强，当开关电 源在电网电压为 220V± 10%范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。 本设计主要分为四章，分别介绍了开关电源的发展，工作原理，电路设计及参数计 算和电磁兼容设计。回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高频率、小型化、集成 化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。 关键词：开关电源；电路拓扑；电磁兼容如需此论文 Word 版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问: 嵌入式应用软件园。1嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。Switching Power Supply Design And Research Based on the UC3842 AbstractSwitching power supply technology is that semiconductor power devices are used to achieve high efficiency power conversion that makes the power change from crude to varitronix. The quality of power supply meets the technical requirements. For power semiconductor devices in the switching power working in high frequency switching, it has a high frequency, high power density and high reliability. This paper introduces the UC3842 based switching power supply topology selection, transformer and inductor design, Power-driven circuit, control circuit and protection circuit design. Switching power MOSFET is used as a switch device, the output voltage is adjusted by the control switch duty cycle. Switching power supply is adaptable to the grid. The output voltage is steady when switching power supply voltage is within the scope of changes 220 V ±10%. The paper consists of four chapters. Switching power supply development, working principles, circuit design and parameters and EMC design are introduced. Recalling SPS technology development process, high-frequency, small, integrated, intelligent and high reliability is the general development trend. Keywords: Sw EMC如需此论文 Word 版本，单片机程序/单片机技术支持，请访问: 嵌入式应用软件园。2嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。目引 第1章 绪录言 ......................................................................................................................................... 7 论 ............................................................................................................................. 81.1 开关电源的发展历史 .......................................................................................................... 8 1.2 开关电源发展的现状 .......................................................................................................... 9 1.3 功率器件的介绍 ................................................................................................................ 10 1.3.1 电力二极管 ................................................................................................................ 10 1.3.2 功率场效应管（MOSFET）.................................................................................... 11 1.4 系统设计的总体思路 ........................................................................................................ 11 1.4.1 系统设计原理 ............................................................................................................ 12 1.4.2 系统设计指标及分析 ................................................................................................ 12 1.5 本设计的意义和目的 ........................................................................................................ 13 第2章 开关电源工作原理 ...................................................................................................... 142.1 PWM 反馈控制模式方案选择 ......................................................................................... 14 2.1.1 电压模式控制 PWM ................................................................................................. 14 2.1.2 峰值电流模式控制 PWM ......................................................................................... 15 2.1.3 控制方式的选择 ........................................................................................................ 15 2.2 PWM 开关电源的基本原理 ............................................................................................. 16 2.3 开关电源拓扑的选择 ........................................................................................................ 17 第3章 电路设计及参数计算 .................................................................................................. 203.1 UC3842 的结构、功能及工作原理 ................................................................................. 20 3.2 硬件电路的设计 ................................................................................................................ 22 3.2.1 输入整流滤波的设计 ................................................................................................ 22 3.2.2 控制电路的设计 ......................................................................................................... 23 3.2.3 转换电路的设计 ......................................................................................................... 24 3.2.4 变换器中的开关元件及其驱动电路 ........................................................................ 25 3.2.5 保护电路的设计 ......................................................................................................... 27 3.3 参数计算及器件的选择 ................................................................................................... 30 3.3.1 器件材料的选择 ........................................................................................................ 30 3.3.2 主要参数确定 ............................................................................................................ 31 第4章 开关电源的电磁兼容性.............................................................................................. 334.1 抑制电磁干扰的基本原则与措施 ................................................................................... 33 4.2 开关电源的电磁兼容设计 ............................................................................................... 34 4.2.1 抑制开关电源中各类电磁干扰源 ........................................................................... 34 4.2.3 使用屏蔽降低电磁敏感设备的敏感性 ................................................................... 36 结论与展望 ................................................................................................................................... 373嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。致谢 ......................................................................................................................................... 38参考文献 ....................................................................................................................................... 39 附录 A 附录 B 附录 C 附录 D 设计原理图 ................................................................................................................. 40 外文文献及其译文 .................................................................................................... 41 主要参考文献的题录及摘要 ................................................................................... 47 元器件明细表 ............................................................................................................ 494嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。插图清单图 1-1 系统原理方框图 .............................................................................................................. 12 图 2-1 开关电源基本原理框图 ................................................................................................... 17 图 2-2 单端反激型开关电源主回路 .......................................................................................... 18 图 3-1 UC3842 引脚图 ................................................................................................................. 20 图 3-2 UC3842 内部结构图 ........................................................................................................ 21 图 3-3 开关电源基本原理框图 .................................................................................................. 22 图 3-4 单相桥式整流电路 ........................................................................................................... 22 图 3-5 脉宽调制原理图 ............................................................................................................... 24 图 3-6 单端反激转换电路结构图 .............................................................................................. 24 图 3-7 单端反激转换电路等效拓扑图 ...................................................................................... 25 图 3-8 MOSFET 的极间电容示意图 .......................................................................................... 26 图 3-9 N 沟道增强型绝缘栅场效应管特性曲线 ...................................................................... 27 图 3-10 MOS 开关管漏极上的电压波形 .................................................................................. 28 图 3-11 过压保护电路原理图 ..................................................................................................... 28 图 3-12 过流保护电路原理图 ..................................................................................................... 29 图 4-1 饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用 ........................................................ 34 图 4-2 开关电源滤波器 .............................................................................................................. 355嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。表格清单表 2-1 PWM 开关电源拓扑的比较 ............................................................................................ 18 表 3-1 软磁铁氧体磁芯的材料性能 .......................................................................................... 30 表 4-1 电感量范围与额定电流的关系 ..................................................................................... 356嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。引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。 Unitrode 公司推出的 UC3842 系列控制芯片是电流型 PWM 控制器的典型代表。7嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第1章1.1 开关电源的发展历史绪论开关电源己有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫 星电源等少数领域。20 世纪 60 年代出现的晶闸管(旧称可控硅) 相位控制式开关电源， 70 年代由分离元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调 试困难而难于推广，使之应用受到限制。70 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技 术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开 关频率己从二十千赫兹左右提高到几百千赫兹甚至兆赫兹。与此同时，供开关电源使用 的元器件也获得长足发展。MOS 功率开关管(MOS―FET )、肖特基二极管（ SBD）、超 快恢复二极管(SRD)、 瞬态电压抑制器(TVS )、 压敏电阻器(TL431)、 电磁干扰滤波器(EMI Filter ) 、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠(magnetic bead ) 等一大批新器件、 新材料正被广泛采用。所有这些，都为开关电源推广与普及提供了必要条件。 电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶 体管串联调整稳压电源是连续控制的线型稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟， 并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可 靠等优点。但其通常都需要体积大并且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波 器。由于调整管等工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之 间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源频率很低，一般只有 45%左右。 另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散 热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化、重 量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因 具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的 连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20 世纪 80 年代，计算机全面实现了 开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设 备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。 近 20 多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个是对电源的核心 单元―控制电路实现集成化。1977 年国外首先研制成功脉宽调制 (PWM) 控制器集成电 路，美国摩托罗拉(Motorola)公司、尤尼特德 (Unitrode)公司等相继推出一批 PWM 芯片， 典型产品有 MC3520、 SG3524、 UC3842。 90 年代以来， 国外又研制出开关频率达 1 MHz 的高速 PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片典型产品，如 UC1825、UC1864。第二个方向 是对中小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80 年代初，意 -法半导体 有限公司(SGS-Thomson ) 率先推出 L4960 系列单片开关式稳压器。该公司于 90 年代推 出了 L4970A 系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片 中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适用于制作低压连续可调式输出 (5.1-40V)、大 中功率(400W 以下)、 大电流(1.5-10A)、 高效率( 可超过 90%)的开关电源。 但从本质上讲， 它仍属于 DC/DC 电源变换器。1994 年，美国电源集成公司在世界上首先研制成功三端 隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源，其第一代产品为 TOPSWITCH 系列，第二代产 品则是 1997 年问世的 TOPSWITCH-Ⅱ系列。该公司于 1998 年又推出了高效率、低功 率、 低价格的四端单片开关电源 TINYSWITCH 系列， 并于 1999 年开发出 TNY256 系列 新产品。在这之后 2000 年初，美国电源集成公司又研制出 TOPSWIECH-FX 系列的五8嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。端单片开关电源，充分显示出开关电源的蓬勃的新局面和良好的应用前景。目前，单片 开关电源已形成具有六大系列、67 种型号的产品。单片开关电源属于 AC/DC 电源变换 器，以 TOPSWITCH-Ⅱ系列为例，它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、 并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动极、高压功率开关管、过流保护电路、过 热保护及上电复位电路、关断/自动重启电路和高压电流源。芯片的集成度很高，外围电 路简单，通过输入整流滤波器，适配 85~265V, 47~440Hz 的交流电，可构成世界通用的 各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线形稳压电源相竞争，而 电源效率显著提高，体积和重量则大大减少。单片开关电源的迅速发展与应用，使人们 多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。 1.2 开关电源发展的现状 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，性能优劣直接关系到电子设备的技术指 标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线 性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使 用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和 重量大，效率低。开关电源被誉为高效节能电源，它代表着电源的发展方向，现己成为 电源的主流产品。 开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态， 本身消耗的能量很低， 电源效率可达 80%~90%，比普通性能稳压电源提高近一倍。开关电源亦称为无工频变 压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去 掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效 率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。 以电力电子器件为核心技术的电源产业，从 20 世纪 60 年代中期开始形成。以整流 技术(AC/DC)为主的各种电源装置，如电解、电镀和中小容量的 AD/DC 变换器的出现 是这个时期的主要标志。采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可 靠性高，并可实现远程控制等功能，是开关电源的发展趋势。经过近十年的努力，我国 电力半导体器件的研制和生产有了长足的发展。 20 世纪九十年代以来是我国电力电子技 术和电源产业快速发展的时期。产业界也涌现一些技术难度较大、具有国际先进水平的 产品， 如 “多谐振双环控制的通信开关电源” 、 “单芯片控制的 500W 以下 PFC 控制器” 、 “智能化高频开关电源”等。但与国际发达国家相比，在应用基础研究深度方面差距为 5-10 年，在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平等综合实力方面 差距估计为 10-15 年。 目前国际上流行的开关电源向着以下几个方面发展： (1) 进一步提高电能变换效率，降低待机损耗； (2) 避免电力公害：尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近 1 ； (3) 提高电源装置和系统的电磁兼容性 (EMC)； (4) 降低电噪声； (5) 小型轻量化：通过高频化、元件小型化和先进工艺加以实施； (6) 高性能。9嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。1.3 功率器件的介绍 1.3.1 电力二极管 1. 电力二极管的工作原理 电力二极管是以半导体 PN 结为基础的，实际上是由一个面积较大的 PN 结和两端 引线以及封装组成的。 当 PN 结外加正向电压（正向偏置），即外加电压的正端接 P 区、负端接 N 区时， 外加电场与 PN 结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成 扩散电流， 在内部造成空间电荷区变窄， 而在外电路上则形成自 P 区流入而从 N 区流出 的电流，称之为正向电流。当外加电压升高时，自建电场将进一步被削弱，扩散电流进 一步增加。这就是 PN 结的正向导通状态。当 PN 结上流过的正向电流较小时，二极管 的电阻主要是作为基片的低搀杂 N 区的欧姆电阻， 其阻值较高且为常量， 因而管压降随 正向电流的上升而增加；当 PN 结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低搀杂 N 区 的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加， 使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应 使得 PN 结在正向电流较大时压降仍然很低， 维持在 1V 左右， 所以正向偏置的 PN 结表 现为低电阻。 当 PN 结外加反向电压时（反向偏置），外加电场与 PN 结自建电场方向相同，使 得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽， 而在外加电路上则形成自 N 区流入而从 P 区流出的电流， 称之为反向电流。 但是少子的 浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流，一般仅为毫 安数量级，因此反向偏置的 PN 结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被成为反向截止 状态。 这就是 PN 结的单向导电性，二极管的基本原理就在于 PN 结的单向导电性这个主 要特性。 2. 电力二极管的静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。当电力二极管承受的正向电压大到一 定值，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而恒 定的反向漏电流。 3. 电力二极管的主要类型 （1） 普通二极管 普通二极管(General Purpose Diode)又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开 关频率不高(1kHz 以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，但其正向电流定额和反 向电压定额却可以达到很高，分别可达到数千安和数千伏以上。 （2） 快恢复二极管 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管被称为快恢复二极管，简称快速 二极管(Fast Recovery Diode)。特别是采用外延型 PiN 结构的快恢复外延二极管，其反向 恢复时间更短 （可低于 50ns） ， 正向压降也很低 （0.9V 左右） ， 但其反向耐压多在 1200V 以下。 不管是什么结构， 快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100ns 以下，甚至达到 20-30ns。10嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。（3） 肖特级二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特级势垒二极管（ Schottky Barrier Diode），简称为肖特级二极管。与以 PN 结为基础的电力二极管相比，其优点 在于：反向恢复时间很短（10ns-40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在 反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。因此，其开关损耗 和正向到通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特级二极管的弱点在于：当所能承 受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于 200V 以下的低压 场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地 限制其工作温度。 1.3.2 功率场效应管（MOSFET） MOSFET 种类和结构繁多，按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。当栅极电压为零 时漏极之间就存在导电沟道的称为耗尽型；对于 N（ P）沟道器件，栅极电压大于（小 于）零时才存在导电沟道的称为增强型。在电力 MOSFET 中，主要是 N 沟道增强型。 当漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极间电压为零时，P 基区与 N 漂移 区之间形成的 PN 结反偏， 漏源极之间无电流流过。 如果在栅极和源极之间加一正电压， 由于栅极是绝缘的，所以并不会有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面 P 区中 的空穴推开，而将 P 区中的少子 ―电子吸引到栅极下面的 P 区表面。当所加正电压大于 某一电压值时，栅极下 P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使 P 型半导体反型而 成 N 型半导体，形成反型层，该反型层形成 N 沟道而使 PN 结消失，漏极和源极导电。 此电压值称为开启电压（或阈值电压），所加正电压值超过开启电压越多，导电能力越 强，漏极电流越大。 功率场效应管（ MOSFET）由于采用单极性多子导电，使开关时间显著地减小，又 因其很容易达到 1MHz 的开关工作频率而受到世人瞩目。但是 MOSFET 提高器件阻断 电压必须加宽器件的漂移区， 结果使器件内阻迅速增大， 通态压降增高， 通态损耗增大， 所以只能应用于中小功率产品，为了降低通态电阻，美国 IR 公司采用提高单位面积内 的原胞个数的方法。如 IR 公司开发的一种 HEXFET 场效应管，其沟槽（Trench）原胞 密度以达到每平方英寸 1.12 亿个的世界最高水平，通态电阻可达 0.003 欧姆。自 1996 年以来，HEXFET 通态电阻以每年 50%的速度下降。IR 公司还开发了一种低栅极电荷 （QG）的 HEXFET ，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低， 则 R× QG 的下降率为每年 30%。 1.4 系统设计的总体思路 本设计利用电流控制型脉宽调制器产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号， 控制场效应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。11嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。1.4.1 系统设计原理 本设计的系统原理方框图如图 1-1 所示。开关电源包括主电路和控制电路两部分。 控制电路部分，是本文所要设计的芯片。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后， 变成含有一定脉动成份的交流电压，该电压通过高频变换器高频变压器被转换成所需电 压值的方波，最后再将这个方波电压经高频整流滤波变为所需要的直流电压。反馈控制 电路为脉冲宽度调制器(PWM)，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电 压等电路构成。这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。控制电 路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。开关电源的功 率调整器件处于开关工作状态。作为开关而言，导通时，压降很小，几乎不消耗能量， 关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关电源的功率转换效率可达 80%以上。 开关电源的滤波电感的体积和重量也因为工作频率提高而减小，所需的滤波电容也减 小。整流滤波高频变换器 高频变压器高频整流 滤波输出辅助电源PWM 调制器误差比较 放大器电压电流 取样电路基准电压保护电路图 1-1 系统原理方框图1.4.2 系统设计指标及分析 开关电源性能优于相控整流电源，它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性，特 别是输出直流电压较高时应能可靠工作。除元器件及生产工艺等因素外，开关电源的可 靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。在本系统中，先通过对开关电源的主电 路拓扑结构的分析，并结合系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑，设计出主电路； 并结合系统的具体情况，设计出滤波、整流和保护控制部分。本系统要达到的技术指标 :12嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。1）交流输入电压 AC220V± 20％； 2）直流输出电压 12V； 3）输出电流 4A； 4）输出电压调整率 ≤1％。 1.5 本设计的意义和目的 开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效 率高、体积小、重量轻的优势席卷了整个电子界。为了顺应现代电子技术设备对多种电 压和电流的需求，在满足体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好 的可靠性和经济性。电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。 本次设计所阐述的是单路输出开关电源的设计，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。 Unitrode 公司推出的 UC3842 系列控制芯片是电流型 PWM 控制 器的典型代表。13嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第2章开关电源工作原理开关电源技术属于电力电子技术， 它运用功率变换器进行电能变换， 经过变换电能， 可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的 重视而得到迅速推广。 电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域， 其中高频开关式直流稳压电源由于 具有效率高、体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛地应用。开关电源的控制电路可 以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难 达到较高的线性调整率精度；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电 压控制型有不可比拟的优点。本次设计主要研究基于 UC3842 的单端反激式开关电源， 以 PWM 集成芯片 UC3842 为核心的电流型脉宽调制器电路产生频率固定而脉冲宽度可 以调节的驱动信号，控制功率管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压目的。 2.1 PWM 反馈控制模式方案选择 PWM 开关稳压或稳流电源的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载 的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关 器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 PWM 的开 关频率一般为恒定值，控制取样信号有输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压 及开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统。实现稳压、稳 流及恒定功率的目的。 同时， 可以实现一些附带的过流保护、 抗偏磁及均流等功能。 PWM 反馈控制模式主要有电压型控制及电流型控制。 2.1.1 电压模式控制 PWM 电压模式控制 PWM 是 20 世纪 60 年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的 第一种控制方法。 该方法与一些必要的过电流保护相结合， 至今仍然在工业界广泛应用。 电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样 放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上的斜波相比较，通过脉冲宽度调制原 理，得到当时的脉冲宽度。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。但是如果电压突然 变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容 C 及电感 L 相移延时作用， 输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路 延时滞后，才能传至 PWM 比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主 要原因。 电压模式控制的优点有： ① PWM 三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量； ② 占空比调节不受限制； ③ 对于多路输出电源，他们之间的交互调节效应较好； ④ 单一反馈电压闭环设计、峰值比较容易； ⑤ 对输出负载的变化有较好的响应调节。 电压模式控制的缺点有： ① 对输入电压的变化动态响应较慢； ② 补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化，使其更为复杂；14嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。③ 输出 LC 滤波器给控制环增加了双极点， 在补偿设计误差放大器时， 需要将主极 点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿； ④ 在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。 2.1.2 峰值电流模式控制 PWM 峰值电流模式控制（Peak Current-mode Control）简称电流模式控制。它的概念 源于 20 世纪 60 年代后期具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在 20 世 纪 70 年代后期，才从学术上做深入地建摸研究。直至 20 世纪 80 年代初期，第一批电 流模式控制 PWM 集成电路（UC3842、UC3846 ） 出现， 才使得电流模式控制迅速推广应用， 主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时必需的同步不施失真斜波补偿技术 实现上的难度及抗噪声性能差， 因此电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的 挑战。 峰值电流模式控制 PWM 是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬 时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功 率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅 需控制输出电容，不必控制 LC 储能电路。因此，峰值电流模式控制 PWM 具有比电压模 式控制大得多的带宽。 峰值电流模式控制 PWM 的优点有： ① 暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应也较快； ② 控制环易于设计； ③ 输入电压的调整技术可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美； ④ 具有简单、自动的磁通平衡功能； ⑤ 具有瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能； ⑥ 有自动均流功能。 峰值电流模式控制 PWM 的缺点有： ① 具有占空比大于 50%的开环不稳定性， 存在难以校正的峰值电流与平均电流的误 差； ② 闭环响应不如平均电流模式控制理想； ③ 容易发生次谐波振荡， 即使占空比小于 50%， 也有发生高频次谐波振荡的可能性， 因而需要斜波补偿； ④ 对噪声敏感，抗噪声性差，因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程 决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜波通常较小，电流信号上的较小的 噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡； ⑤ 电路拓扑受限制； ⑥ 对多路输出电源的交互调节性能不好。 2.1.3 控制方式的选择 在控制方式的选择上，选择电流型控制。电流型控制相比较电压型控制而言，有以 下优点： 1) 快速的瞬态响应：在电压型控制方式中，当输入电压变化时，要等到输出电压 发生变化后，靠电压外环调节脉冲宽度改变占空比，以保证输出电压稳定。在电流型控15嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。制方式中， 当输入电压变化时， 会引起变压器初级线圈电流上升率的变化， 输入电压高， 变压器初级线圈电流增长快， 开关管截止时刻提前， 占空比变小， 保证了输出电压稳定。 因此，当输入电压变化尚未导致输出电压变化时，靠电流内环调节便可改变占空比，保 证输出电压稳定。由于电流内环响应快速，因此电流型控制具有比电压型控制更快的输 入瞬态响应。 2) 高度的稳定性和输出电压精度：在电压型控制方式中，电感电流未参与控制， 电源为具有两个状态变量(输出滤波电容电压和输出滤波电感电流)的二阶系统。 二阶系 统是有条件稳定系统，只有满足一定条件，系统才能稳定工作。而电流型控制方式增加 了电流反馈环，电感电流不再是独立变量，电源也由有条件稳定的二阶系统降为无条件 稳定的一阶系统。由于系统的快速响应和高度的稳定性，使电流型控制反馈回路增益比 电压型控制反馈回路增益高得多，不会造成稳定性和回路增益间的矛盾，使输出电压具 有更高的静态精度。 3) 内在的电流控制和限流能力：在电流型控制方式中，检测电阻可以及时、准确 地检测出开关管的瞬态电流，形成逐个电流脉冲检测电路。只要给定和限制参考电流信 号，就可准确地限制流过开关管和可防止电路在阈值附近工作时产生振荡；UC3842的3 与5脚间外接电阻对电流进行检测，当 UC3842的3脚电压超过1V时，锁存器复位使输出 关闭，保证在每个振荡周期内只出现一个控制脉冲，有效地防止噪声干扰。最大1A的峰 值驱动电流，可直接驱动功率 MOSFET等。 2.2 PWM 开关电源的基本原理 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状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，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组数。 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，可以设计成与线形调节器相同。它 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。16嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。输入整流 滤波功率转换 电路高频变换 器输出整流 滤波脉宽调制比较器取样器振荡器基准电压图 2-1 开关电源基本原理框图开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和反激式变换。尽管它们各部分的布 置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。 2.3 开关电源拓扑的选择 开关变换器的拓扑结构指能用于转换、 控制和调节输入电压的功率开关元件和储能 元件的不同配置。开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输 入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件 变压器来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流） 。变换器 拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素选定的。 （1）非隔离开关变换器 非隔离开关变换器有四种基本拓扑结构用于 DC/DC 变换器。 ① 降压变换器将输入电压变换成较低的稳定输出电压； ② 升压变换器将输入电压变换成较高的稳定输出电压； ③ 逆向变换器将输入电压变换成较低的反相输出电压； ④ CUK（“丘克”）变换器将输入电压变换成稳定的反相较低值或较高值输出电压。 （2）隔离开关变换器 隔离开关变换器的拓扑结构有很多种， 但其中三种比较常用， 它们是逆向型变换器、 正向型变换器和推挽型变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一 个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。 （3）准谐振型变换器 在 PWM 电路中接入电感和电容的谐振电路，流经开关的电流以及加在开关两端的 电压波形为准正弦波，这种电路被称为准谐振型变换器。 本设计开关电源开始时，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，但是输出的功率受到限制；而有的可以 输出足够的功率，但是成本比较高等。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。表 2-1 总结了各种各样拓扑及其相应的优 点。17嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。表 2-1 PWM 开关电源拓扑的比较 拓扑 Buck 电路 Boost 电路 Buck-Boost 电路 正激式电路 反激式电路 推挽式电路 半桥电路 全桥电路 功率范围/W 0~ 0~150 0~150 0~150 100~ 400~2000 Vin （dc） 范围/V 5~40 5~40 5~40 5~500 5~500 50~0 50~1000 输入输出距离 无 无 无 有 有 有 有 有 典型效率 （%） 相对成本 70 80 80 78 80 75 75 73 1.0 1.0 1.0 1.4 1.2 2.0 2.2 2.5选择最合适的拓扑要考虑的主要因素有： (1) 输入输出是否需要变压器隔离？ (2) 加在变压器一次侧或电感上的电压值有多大？ (3) 通过开关管的峰值电流多大？ (4) 加在开关管上的最高电压是多少？ 无变压器隔离的拓扑可以用在分布式电源系统中的板载变换器中。 在分布式电源系 统中，通过直流电压总线向系统中各个模块供电，每个模块都有自己的板载电源。母线 电压一般来说是安全的，也就是对使用该装置的操作人员来说不至于致命，因此可选择 无隔离变换器。而在部分应用场合，通过变压器进行隔离。相对于变压器隔离对负载的 保护来说，这种成本的增加很小。在输入直流电压高于 40V 的情况下，开关电源都要求 用变压器隔离。 反激式电路拓扑，由于具有使用元件少、本身固有频率比较高的特点，在功率低 于 100～150W 的场合非常受欢迎，但是，反激式电路的电流峰值比正激式电路高得多， 因此在相当低的输出电压下，也可能超出开关管的安全工作范围 (SAFE OPERATION AREA)。在 150～500W 范围内，半桥电路比较常用。它使用的元器件比较多，但还是 可以接受的。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加。因 此半桥电路只在 500W 或更低输出功率场合下使用。超过 500W 到几千瓦的情况下，使 用半桥电路。电路使用四个开关管，其中有两个需要浮动驱动，所以它的元器件成本最 高。但考虑到它的输出功率比较大，所以这种成本的增加还是值得的。 在本次设计中，根据设计指标要求，应该采用有变压器隔离的拓扑，即反激式电路 拓扑。图 2-2 单端反激型开关电源主回路图 2-2 所示为单端反激型开关电源的主回路，当功率晶体管 T 导通时，高频变压器18嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。的原边电压等于输入电源电压 U，其极性为上正下负。与之对应的高频变压器副边电压 为上负下正，此时整流二极管 D 承受的是反向偏置电压，故不导通。负载 RL 上的电流 是靠输出电容 C0 的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而 在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管 D(和反相型开 关电源中的续流二极管相对应) 由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能 变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容 C0 充电。此电路的整流二极管 D 是在功率晶体管截止时才导通的。故称此电路为反激型电路。19嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第3章3.1 UC3842 的结构、功能及工作原理电路设计及参数计算本论文的开关电源是采用以 UC3842 为核心的 PWM 集成芯片构成的，设计思想乃 是当今比较普遍流行的，最主要的特点就是用到了一种电流型开关电源集成控制器，即 以 PWM 集成电路 UC3842 构成的，本设计的最大优点是外接元件少，外接电路装配简 单，可靠性高、成本极低。 UC3842 是美国 Unitrode 公司生产的电流型单端输出脉宽调制器(PWM)，具有管脚 数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点。性能好，其电 压调整率可达 0.01%V，除具有输入端过压保护与输出端过流保护电路之外，还设有欠 压锁定电路，使工作稳定可靠。 UC3842 采用 DIP-8 封装，其中的 VCC、OUT、GND 端分别接输入电压、输出电 压、 地，Vref 为内部 5.0V 基准电压引出端， RT/CT 是外接定时电阻、定时电容的公共端。 管脚排列如图 3-1 所示。图 3-1 UC3842 引脚图各管脚功能简介如下： 1 脚 COM 是内部误差放大器的输出端，通常此脚与 2 脚之间接有反馈网络，以确 定误差放大器的增益和频响。 2 脚 Vfb 是反馈电压输入端， 此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为 +2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 3 脚 Isen 是电流传感端，在外围电路中，在功率开关管( 如 VMOS 管) 的源极串接一 个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入 3 脚，控制脉宽。 此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过 1V 时， UC3842 就停止输出，有效地保护了功率开关管。 4 脚 RT/CT 是定时端，锯齿波振荡器外接定时电容 C 和定时电阻 R 的公共端。 5 脚 GND 是接地。 6 脚 OUT 是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是± lA。这种图腾柱结构对被 驱动的功率管的关断有利，因为当三极管 VTl 截止时，VT2 导通，为功率管关断时提供 了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 7 脚 VCC 是电源。当供电电压低于 ＋16V 时， UC3842 不工作，此时耗电在 1mA 以下，输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得，芯片工作后，输入电压可在20嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。+10～+30V 之间波动，低于+10V 停止工作。工作时耗电约为 15mA，此电流可通过反 馈电阻提供。 8 脚 Vref 是基准电压输出，可输出精确的+5V 基准电压，电流可达 50mA。（7 ）VCCUVL0 D欠电压锁定电路5V基准源（4 ）Vref（5 ）GNDOB 2.5V内部偏置 门PWM锁存 R S误差放大器+衰减电路电源比较器+电 路 设 计 （4 ）RT/CT （6 ）out（2 ）VFB -衰减电路-（1 ）COM（3 ）ISEN 振荡器图 3-2 UC3842 内部结构图UC3842 的内部框图如图 3-2 所示。主要包括：5.0V 基准电压源、振荡器、误差放 大器、过流检测电压比较器、PWM 锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V 稳压管。 内部基准电压源产生 5.0V 基准电压，作为 UC3842 内部电源，经衰减得 2.5V 电压 作为比较放大器基准，并可作为向外电路输出 5V/50mA 的电源。振荡器产生方波振荡， 振荡频率取决于外接定时元件，RT 接在 4 脚和 8 脚之间，CT 接在 4 脚到地，振荡频率 为 f=1.8/RTCT。反馈电压 Ufb 由 2 脚接误差放大器反相端 1 脚外接 R、C 网络改变误差 放大器闭环增益和频率特性；第 6 脚输出驱动开关管的方波，为图腾柱式输出，适用于 驱动 VMOS 开关管，输出电流可达± 200mA。3 脚为电流检测端，用于检测开关管电流， 当 U3≥1V 时，可关闭输出脉冲，保护开关管不致过流损坏。UC3842 包括过压、欠压保 护电路，当电源电压超过 16V 或低于 10V 时，集成电路停止工作。21嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。3.2 硬件电路的设计 本设计方案中，硬件设计主要包括整流滤波电路、控制电路、功率转换电路、驱动 电路、保护电路的设计。下面就各个部分进行详细的介绍。图 3-3 是开关电源的基本原 理框图。图 3-3 开关电源基本原理框图3.2.1 输入整流滤波的设计 本设计过程中，由于开关电源输入的是交流电，而各种无线电装置需要用直流电， 这就需要进行整流，就是把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件， 可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。 下面介绍利用晶体二极管组成的单相桥式 整流电路。 1、电路组成 单相桥式整流电路如图 3-4 所示。图 3-4 单相桥式整流电路2、工作原理 当 u(t)为正半周时， V1、V3 正偏而导通， V2 、 V4 反偏而截止。电流经 V1→RL→ V3 形成回路， RL 上输出电压波形与 u(t)的正半周波形相同，电流 iL 从 b 流向 c。当 u(t) 为负半周时，V1 、V3 截止，V2 、V4 导通，电流经 V2→ RL→ V4 形成回路，RL 上 输出电压波形是 u2(t)的负半周波形倒相，电流 iL 仍从 b 流向 c。所以无论 u(t)为正半周 还是负半周，流过 RL 的电流方向是一致的。 3 、参数估算Ud ?2 2?U 2 ? 0.9U 2（式 3-1）IL =Ud U =0.9 2 RL RL（式 3-2）22嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。IV T =1 IL 2（式 3-3） （式 3-4）U DRM = 2 U 2因此，二极管最大整流应电流满足 I F ? I L ；最高反向工作电压应满足 U RM ? U 2 。 3.2.2 控制电路的设计 控制电路是开关电源的很重要的部分，是电源系统可靠工作的保证，在图 3-1 的原 理框图中，虚线框内为控制部分电路。开关电源的控制方式基本上都采用时间比率控制 (TRC)方式。这种方式又大致分为三大类： (1) 脉宽调制方式，简称脉宽调制(Pulse Width Modulation ，缩写为 PWM)式。其特 点是固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期也是固定的，这就为 设计滤波电路提供了方便。其特点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电源不能 做宽范围的调节；另外输出端一般要接假负载，以防止空载时输出高电压。目前，集成 开关电源大多采用 PWM 方式。 (2) 脉冲频率调制方式，简称脉频调制(Pulse Frequency Modulation,缩写为 PFM)式。 它是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽 发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压频率转换器 (例如压控振荡器 VCO) 改变频率。其稳压原理是：当输出电压 Vo 升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不 变而周期变长，使占空比减小，Vo 降低。PFM 式开关电源的输出电压调节范围很宽， 输出端可不接假负载。 (3) 混合调制方式，使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定，彼此都能改变的方式，它 属于 PWM 和 PFM 的混合方式。由于 TF 和 T 均可调节，因此占空比调节范围最宽，适 合供实验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源。 本设计采用的是脉宽调制方式，简称脉宽调制(Pulse WidthModulation PWM) 式，通 过电流型脉宽调制器产生固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。因开关周期 也是固定的， 这就为设计滤波电路提供了方便。 由于受功率开关管最小导通时间的限制， 对输出电压不能做宽范围调节；另外输出端一般要接假负载 (亦称预负载)，以防空载时 输出电压升高，目前，集成开关电源大多采用 PWM 方式。图 3-5 是脉宽调制器的基本 原理图。23嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。图 3-5 脉宽调制原理图基准电压：片内大部分电路由它供电，同时，兼作误差放大器基准电压输入。 振荡器：恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，振荡频率由外接 RC 元件所 决定，频率 f=1/RC0。 误差放大器：将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。 脉宽调制器：输入为误差放大器输出。输出分两路，一路送给门电路，另一路送给 振荡器输入端。 门电路：门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。 分频器：将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲的频率。 UC3842 的输出频率等于振荡器的振荡频率，最大占空比可达 100%，通常用于单端 反激式变换器，输出功率限于 100W 以下。而本次设计要求输出功率为 48W，正好满足 条件。 3.2.3 转换电路的设计 本设计中，功率开关元件特性及其驱动和保护是开关电源中很关键的问题。开关管 的损耗与基极的驱动电压、电流的波形有直接的关系。在本设计中，开关管采用功率场 效应管，具有耐压高、电流大、驱动简单等特点，但在高频时，输入极间电容不能忽略， 在开关速度上，必须同时考虑 MOSFET 内部所并联的反向二极管的反向恢复时间，开 关频率受到一定的限制。由于 UC3842 的输出信号可以直接驱动 MOSFET ，在高频时注 意寄生振荡，但在实际设计中，保证开关管可靠工作非常重要，MOSFET 在关断和开通 的瞬间最易损坏，所以必须重视开关管的保护。图 3-6 单端反激转换电路结构图转换器是开关电源中最重要的组成部分之一，其有 5 种基本类型：单端正激式、单24嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。 本设计中采用是的单端反激式，下面重点分析隔离式单端反激转换电路，电路结构 图如图 3-6 所示。 电路工作过程如下：当 N1 导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压 器次级相连的二极管 VD 处于反偏压状态，所以二极管 VD 截止，在变压器次级无电流 流过，即没有能量传递给负载；当 N1 截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转， 使 VD 导通，给输出电容 C 充电，同时负载 RL 上也有电流 IL 流过。 N1 导通与截止的 等效拓扑如图 3-7 所示。图 3-7 单端反激转换电路等效拓扑图3.2.4 变换器中的开关元件及其驱动电路 1、开关器件 本设计中采用的开关器件是场效应管，是通过脉宽调制器产生固定开关频率，通过 改变脉冲宽度来调节占空比从而来控制开关管的通断的。 (1) 场效应管的主要参数介绍 ①漏源击穿电压 BVDS，表征功率管的耐压极限。 ②最大漏极电流 IDmax，在特性曲线饱和区中，漏极电流达到的饱和值。 ③阀值电压 VGS(th)， 又称开启电压， 是指功率 MOSFET 流过一定量的漏极电流时的最小 栅源电压。 当栅源电压大于阀值电压 VGS(th)时， 功率 MOSFET 开始导通。 阀值电压 VGS(th) 一般在 1.5 V~5V 之间。 ④导通电阻 RON，导通电阻是指在确定的栅源电压 VGS 下，功率 MOSFET 处于恒流区 的直流电阻，它与输出特性密切相关，在开关电源中，RON 决定了输出电压和自身的损 耗。一般导通电阻 RON 小，漏源击穿电压 BVDS 高的 MOSFET 好。现在的工艺水平可以 达到 1 ? 以下。 ⑤跨导(互导)gm，表征功率 MOSFET 的放大性能。g m = ?I d?VGS( 式 3-5)⑥最高工作频率 fm，在漏源电压 VDS 的作用下，电子从源区通过沟道到漏区是需要一定 时间的。当栅源之间的控制信号的周期与此时间相当时，电子就来不及跟随控制信号。 这个信号的频率就是最高工作频率。选用 MOSFET 的原因之一便是由于它的响应频率 较高，一般达到几百千赫兹。 ⑦导通时间 ton 和关断时间 toff，MOSFET 是依靠多数载流子传导电流的。一般来说，影 响开关速度的主要因数是器件的输入电阻 Rm，输入电容 Ciss、输出电阻 RON 、输出电容25嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。COUT。导通时间 ton 定义为：从输入信号波形上升至幅值的 10%到输出信号下降至幅值 的 90%所需时间：关断时间 toff 定义为：从输入信号波形下降至幅值的 90%到输出信号 上升至幅值的 10%所需时间：开关时间几乎与温度变化无关，但与栅极驱动电源以及漏 极所接的负载性质、大小有关。一般导通时间 ton 为几十纳秒，关断时间 toff 为几百到几 千纳秒。 ton 随 ID 增加而增加，toff 却随 ID 增加而减小。 ⑧极间电容，极间电容是影响开关频率的主要因数。定义为：图 3-8 MOSFET 的极间电容示意图输入电容： C iss ? C GS ? C GD 输出电容： C oss ? C DS ? C GD 反馈电容： C rss ? C GD（式 3-6） （式 3-7） （式 3-8）(2) 功率场效应管的静态特性 输出特性以栅源电压 VGS 为参变量， 漏极电流 ID 与漏源电压 VDS 的关系称为输出特 性。典型的特性曲线如图 3-9（a）所示，当漏源电压 VDS 较小时， VDS 增加，ID 线性增 加，这段区域VDS ?R ID（式 3-9）基本保持不变，可称为恒阻区，标为 I 区。当 VDS 较大时， VDS 增加，ID 缓慢增加，直 至靠近漏区一端的沟道被夹断为止，特性曲线有微小的弯曲，离开恒阻区， VDS 继续增 加，ID 保持不变，称为恒流区 II , VDS 超过时，曲线急剧上升，称为雪崩区 III ，相应于 非正常工作，应避免发生。本设计选用的 MOSFET 是 2SK727 型号，属于 N 沟道增强 型，它存在着一个阀值电压 VGS(th)，在阀值电压以下，漏电流值很小，MOSFET 属于截 止状态。 转移特性是指栅源电压 VDS 与漏极电流 ID 的关系曲线。 曲线的斜率表示管子的放大 能力。称为跨导 gm。由图 3-9 可以看出，在 I 区中，随着 VDS 的增加，源极电流 ID 也相 应的增加，而且在 VDS 不变时，源极电流 ID 随着栅源电压 VGS 而增加，因此，在 I 区中， 场效应管可以看作受栅源电压 VGS 控制的可变电阻。II 区称为饱和区，III 称为击穿区。26嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。III 5V IIIIDV DS ? 10VVG S4V 3VBV DSVG SVD SVGS (th )图 3-9 N 沟道增强型绝缘栅场效应管特性曲线（a）输出特性（b）转移特性(3) 功率 MOSFET 与功率晶体管的比较 功率 MOSFET 比功率晶体管有如下的优点： ① 开关速度非常快；功率 MOSFET 是多数载流子器件，不存在功率 BJT 的少数 载流子存贮效应，所以具有非常快的开关速度。一般低压器件开关时间为 l0ns 数量级， 高压器件为 100ns 数量级。特别适合于制作高频开关，可以大大减少元件的损耗、尺寸 和重量。 ② 高输入阻抗和低驱动电流；直流电阻达 40M 以上，因而它的输入阻抗极高，是 一种理想的电压控制器件。平均直流驱动电流很小，在 100nA 数量级。 ③ 安全工作区大，功率 MOSFET 没有二次击穿。 ④ 漏极电流为负的温度系数有良好的热稳定性。可以简单地并联以增加其电流容 量。 2、MOSFET 的驱动： 由上所知，功率 MOSFET 工作频率可以达到很高，但是，当功率 MOSFET 工作在 高频时，就会出现振荡。为了防止振荡，应注意两点： (1) 尽可能减少功率 MOSFET 各端点的连线长度，特别是栅极引线，或者在靠近栅 极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡。 (2) 由于功率 MOSFET 的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈 所引起的振荡。 本设计中，对于功率 MOSFET 的驱动，采用 UC3842 的输出直接驱动，在桥路的 高电压端采用变压器隔离驱动。隔离变压器要求频率响应要好，能量的传输效率要高， 磁芯一般采用铁氧体，使得变压器不容易出现磁饱和。 3.2.5 保护电路的设计 本设计的开关电源电路担负着向整个电力设备各个单元电路提供电压和功率的任27嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。务，因此，开关电源一旦发生故障，整个电子设备就不能正常工作，严重时还会引起一 系列的烧坏元器件事故， 其后果极其严重。 在开关电源电路中， 功率开关管工作在高压、 大电流状态之下，其故障率比小信号电路要高得多，这不仅要求功率开关管及其电源电 路的可靠性高，而且还要设置一些必要的保护电路，使其在一旦出现故障或故障先兆时 迅速切断电源，以免故障蔓延，损坏更多的元器件。 1、过电压保护 对本设计的开关电源而言，输入电压的范围是影响开关管选择的主要因素。在开关 电源正常工作时，开关管承受的电压主要取决于两个因素：输入电压和开关电源所用变 换器的种类。通常中小功率电源多采用单管正激或反激变换器。对正激变换器开关管的 电压至少应为输入电压的两倍， 对反激变换器开关管的耐压应大于输入电压与输出电压 折算到原边的电压之和。 由于本次设计的是输出功率是 48W， 属于小功率开关电源的设 计，所以采用反激变换器。图 3-10 所示为一反激变换器的 MOS 开关管上的电压波形， 其中 UOF 为输出反馈回来的电压，而且在开关关断的瞬间还有一电压尖峰。显然当输入 电压在一很大的范围内变化时，相应要求开关管必须要有很高的耐压，才能保证开关电 源正常工作，但当输入电压由于一些偶然因素超出预计的范围时，就很难保证开关电源 安全工作，为此必须设计保护电路。 UU DSU OFTONTOFFU ONT图 3-10 MOS 开关管漏极上的电压波形过压保护电路原理如图 3-11 所示。图 3-11 过压保护电路原理图实际上设计输入过压保护电路除了可以确保在比较高的输入电压下电源的安全外， 还可以使开关管的选择更合理，从而减小电源损耗，提高效率。因为采用输入过压保护28嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。电路后，只要保证所选择开关管在要求的电压范围内电源能正常工作即可，而不必考虑 电网的意外波动可能对开关管造成的损坏，这样就可以选择耐压相对较低的开关管，而 对 MOS 开关管而言，电压低意味着通态电阻小，电源的功耗也就减小了。 2、过电流保护 开关电源通常设有电流保护电路，当负载电流超过设定值或发生短路时，对电源本 身提供保护，系统的过流保护在系统的安全性方面占有重要的地位，过流保护采用了两 重保护：一是在系统的输入级的单相交流引入处安置熔断保险管，在系统出现短路和其 它意外重大故障的时候切断外部电源的输入以保护系统免受损坏； 二是系统的最主要的 过流保护部分， 通过对系统电流的检测来控制 PWM 信号脉宽从而达到过流保护的目的， 过流保护电路的形式有多种，下面将详细介绍限流 -切断式保护。 限流 -切断式保护电路分两个阶段进行，当负载电流达到某设定值时，保护电路动 作，输出电压下降，负载电流被限制；如果负载电流增大至第二个设定值时，保护电路 进一步动作，将电源切断。 本次设计中，过流保护电路的设计，采用的是通过电流检测电阻 R10 的检测，经过 低通滤波后送到 UC3842 的 3 脚，当开关管电流超过 1A 时，UC3842 关断，保护了开关 管不致损坏。其过流保护电路原理如图 3-12 示。图 3-12 过流保护电路原理图3、吸收电路（缓冲电路） 吸收电路是将电压波形上升时间延迟的无源网络。最初，吸收电路用于使功率器件 元件工作在正向和反向安全工作区（FASOA 和 RBSOA）或抑制电源的射频辐射，它们 基本上是有损储能电路（带有 R 的 L-C 电路） 。应用缓冲电路的好处要大于由此带来的 损耗。如今半导体器件的容限都很高，传统的用于保护的 RLC 缓冲电路并不是很必要， 但有时还是需要加这些缓冲电路。 现在高频率开关电源趋向于从整形电路获得能量，并回送到功率电路中加以利用， 此时要采用无损吸收电路。现代开关电源的挑战性工作是使电路中每一处的损耗都很 小。 吸收电路一直是为防止双极型功率晶体管的二次击穿所采用的方法，在控制恢复整 流管的 du/dt 以减少 EMI 辐射方面也很有用。它的设计很重要，因为设计不合适，会使 吸收电路有很大损耗。然而吸收电路的设计主要还是靠经验而不是理论计算，这是由于29嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。需要吸收电路去改善的波形主要是由电路中存在的寄生元件引起的。吸收电路应该在电 路实际搭建好以后才设计。即从已确定的印制电路板、变压器、功率开关以及整流器的 参数来构建吸收电路雏形，这样寄生参数就很接近实际情况。本文所用的吸收电路见图 3-13。图 3-13 吸收电路图3.3 参数计算及器件的选择 3.3.1 器件材料的选择 常见软磁铁氧体磁芯的材料性能见表 3-1，表中的材料标号 MXO 为锰锌铁氧体， NXO 为镍锌铁氧体，NQ 为镍铅铁氧体，NGO 为镍锌高频铁氧体， GTO 为甚高频铁氧 体。因 NQ、NGO、GTO 型软磁性材料的电阻率极高，接近于无穷大，故表中未列出具 体数值。表 3-1 软磁铁氧体磁芯的材料性能 型 号 磁导率 μ/(H/m) MXO-2000 NXO-20 NQ-10 NGO-5 GTO-16 2 000 20 10 5 16 居里温度 TC/(℃) 150 400 400 350 200 电阻率 ρ/(Ω cm) 1×10 1×102 6 .饱和磁通 BS/(mT) 400 200 180 60 200矫顽力/ (A/m) 24 790 2 390 3 180 500最高工作频率 fmax/(MHz) 0.5 50 300 300 700极高 极高 极高(1)磁性材料的选择：开关电源的频率一般为几十千赫至几百千赫，宜选国产 MXO2000 锰锌铁氧体，其磁导率 ? = 2000。由这种材料制成 EE 型磁芯具有漏感小、耦合性 能好、绕制方便等优点。对于 20~80 W 的小功率开关电源，可采用 E-12 型磁芯，磁芯 有效面积 Sj=1. 44cm2，饱和磁通密度 Bs=400mT，使用时为防止出现磁饱和，实取磁通 密度 B=250 mT。 (2)开关功率管的选择：前已述及，开关功率管应能承受 630 V 以上的高压，为安全 起见，应采用耐压 1000V 的 VMOS 管。可选用 2SK727 型号，其漏 -源极可承受最高电30嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。压 VDSM=1000V，最大漏极电流 IDM=4.3 A，最大功耗 PDM=150 W ，完全可以满足要 求。但在使用时，必须加合适的散热器。 (3)自馈线圈、次级线圈中整流管的选择：自馈线圈回路中可选 MUR160 型号的二 极管，其耐压值为 1000 V，额定整流电流为 3A。次级线圈回路宜选用 MBR20100CT 型 号的二极管，它属于高频、大电流、低功耗器件，其正向导通压降仅 0. 4 V 左右。还不 到快恢复二极管 VF 值的一半。MBR20100CT 型号的二极管的主要参数是：平均整流电 流 I0=15 A，最大正向压降 VF =0. 4 V，反向恢复时间 trr & 10 ns，反向峰值电压 VR =40 V。 3.3.2 主要参数确定 由 UC3842 构成的开关电源属于单端反激式变换器。 其工作频率尽管可达 500 kHz， 但受制作工艺、开关功率管频率特性等因素的限制，通常将 f0 设计在几十千赫以下。使 用 VMOS 管时， f0 ? 40kHz，用双极型开关功率管时， f0 ? 20 kHz 为宜，当电路起振后， 用示波器从 UC3842 的第 4 脚可观察到幅度约为 1.5 V，周期为 25?s 的锯齿波。反向恢 复时间 trr 愈小，高频开关性能越好。YG802C06 型号的二极管的 trr& 1 ns， MUR160 型 号的二极管的 trr ? 400 ns,超快恢复二极管(SRD)的：trr ? 35 ns。 (1)计算脉冲信号最大占空比 Dmax： 当电网电压在 220V ? 20%范围内变化时，对应于 176~264 V。经全波整流后的直流 输入电压 VImin ? 240V ， VImax ? 360V 。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势 e ? 170V。线圈漏感造成的尖峰电压 Vl ? 100 V，因为 VIMAX+e+Vl ? 630 V。故开关功率 管应能承受 630 V 以上的高压。计算脉冲信号最大占空比：Dmax =170 e ? 100%= ? 100%=41.5% 170 ? 240 e ? V1 min( 式 3-10)(2)计算初级线圈的电感量 L1： 高频变压器初级线圈的电感量 L1 由下式确定： ? (V D ) L1 = 1 min max2 p0 f 0（式 3-11）将开关电源效率 η=70%、 VImin=240V, Dmax=41.5%，p0=40W , f0=40kHz 一并代入 式（3-11） ，则 L1= 2.18 mH。设满载时峰值电流为 Ip，在进行短路保护时的过载电流为 Is，有公式： 2 p0 I p= （式 3-12） ?V1 min D maxI s =1.3 I p（式 3-13）不难求出 Ip=1.15A；Is=1.5 A。 在初级线圈储存的电能为： 1 1 2 W= L1 I s = ? 2.18 ? 10 ?3 ? 1.32 =1.8mJ （式 3-14） 2 2 (3)确定初级线圈的匝数 N1： 在初级线圈的安匝数 N1×Is 与所储存的电能 W 之间存在下述关系式：31嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。N1 ? I s =2 ? 10 7 W B?Sj（式 3-15）将 W=1.8J、B=250 mT,、 S j =1.44 cm2 代人(3-15)式得 N1 Is =100 安匝。因此N 1 ? I s 100 = =66.7 匝 （式 3-16） 1 .5 Is 实取 N1=70 匝，采用 ? 0.31 高强度漆包线绕制。 (4)确定自馈线圈匝数 N3、次级线圈匝数 N2： 确定 N1 后，利用下式可计算出 N3、N2 N ?V ? V F ??1 ? Dmax ? （式 3-17） N3 = 1 0 V1 min Dmax 70 ? ?20 ? 1? ? ?1 ? 41 .5% ? 式中 N 3 = =8.63 匝，取 N3=10 匝，采用 ? 0.51 高强度漆包线绕 240 ? 41 .5%N1 =制。 次 级 线圈 N 2 的 回 路中 选用 YG802C06 型号的 二 极 管 , VF ? 0.4V, V0=5V ，故70 ? ?5 ? 0.4 ? ? ?1 ? 41.5% ? =2.22 匝 240 ? 41.5% 鉴于输出电流 I0 达 4A 时，线圈的铜阻与输出引线电阻上均会形成压降，为避免输 出电压跌落，应适当提升 V0 的值，可取 N2=4 匝。用 4 股 ? 1.0 高强度漆包线并联后绕 制而成。电流密度 J = 2. 1 A/mm2。 (5)计算应留出的空气隙： 为避免因高频变压器发生磁饱和形象而损坏开关功率管，需在 E-12 磁芯两侧各留 出一定的空气隙 ? 。假定气隙处磁场未发生泄漏，则 0.04? ? N1 ? I s 0.04 ? 3.14 ? 90 ? 1.3 = = 0. 6 mm （式 3-18） ? = 250 B 实取 ? =1. 0 mm，每边留出 0.5mm 的气隙。N2 =32嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。第4章开关电源的电磁兼容性近年来，随着自动化技术和半导体器件的迅速发展，电力电子技术和微电子技术迅 速地向电气控制设备领域渗透，逐步形成电力电子与电子设备的相互结合，强电与弱电 交叉的局面。 电磁兼容 （ Electromagnetic compatibility,简称 EMC ） ， 是指干扰可以在不损害信息的 前提下与有用信号共存。具体地说，是指装置或系统具有在其设置的预定场所投入运行 时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围环境，也不发生性能恶化和误动作，而 能按设计要求正常工作的能力。因此，抑制电磁干扰，防止相互之间的有害影响，成为 电控设备和自动化系统可靠运行的关键技术之一。 4.1 抑制电磁干扰的基本原则与措施 在大功率电力电子装置中， 由于功率开关器件一直处于大电流、 高电压的开关状态， 对控制部分产生电磁干扰不仅是不可避免的，而且是相当强烈的，如果在设计中考虑不 到这些因素，则系统在实际运行中必然不可靠，甚至失败。因此，在设计时，就应该从 以下几个方面着手。 （1）电路板设计 首先，慎重选择元件。元件的可靠性直接关系到控制的效果，应该尽量采用集成度 高的芯片，这样减小电路辐射；其次，设计合理的结构。使用多层板加强电源线和地线 的去耦。在集成电路附近处接入高频特性好的旁路电容来降低电源线的阻抗；再者，妥 善在电路板上布线。高速信号线要用短线，忌长距离平行走线；信号环行面积应最小； 主要信号线与时钟电路最好放在电路板中央；不同电位级别的线最好分开；输出线不要 与输入线放在一起。最后，妥善布置元件位置。相关的器件应尽量靠得近一些，逻辑电 路部分放在一起，易发热以及功率器件应靠边放置。 （2）系统布局与走线 布局与走线对大功率电力电子系统来说，是相当重要的。对于相同的电路原理，相 同的电路参数，如果布局与走线不一样，那么运行的实际效果会不一样，有的会成功， 有的会失败。布局与布线虽然没有什么高深的理论，但也有一些原则要遵循的，如在布 局方面，大功率器件、接触器应远离控制板，控制电路滤波器应靠近控制电源输入端， 控制板上开关电源、信号继电器、小功率管应远离微机电路，不同电位或功能的电路应 分开，等等；在走线方面，首先要保证布局的合理性，只有器件的布局合理走线才有可 能合理；其次应对走线进行分类处理，同类引线放在一起，交直流分开走，小信号线离 强电力线越远越好，最好单独处理。在大功率电力电子系统中，最重要的原则是各部分 相互干扰最小。 （3）屏蔽与接地 在抗干扰技术中，屏蔽与接地是一种很重要的措施。所谓屏蔽，就是采用一定的手 段，将空间的电力线或磁力线限定在某一范围，或阻止电力线、磁力线进入某个区域。 工程上，一般使用导电性能优良或导磁性好的材料做成一定形状的屏蔽体，将需要防护 的部分（器件、电路及导线）包围起来，以防电的或磁的以及电磁感应所形成的干扰。 屏蔽的目的从根本上说，是切断场的耦合，屏蔽的措施一般分为三种，电场屏蔽、磁场 屏蔽和电磁屏蔽。 所谓接地就是通过导线和大地（或等位体）连通，与大地（或等位体）同电位。接33嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。地的作用是为了保证系统稳定和可靠运行，以及在事故状态下保证人员安全。良好的接 地可以在很大程度上抑制系统内部的噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干 扰能力。反之，若接地处理得不好，将反而导致噪声耦合形成严重干扰。根据这两点， 把接地分为工作接地与保护接地。在抗干扰技术中主要讨论工作接地。 在电子设备的工作接地中，按照工作对象和用途的不同，有信号地和模拟地、数字 地、电源地、计算机地、外设地、负荷地和机壳地等的区别。由于各类接地对接地线要 求不同。按照接地方式不同，又可分为三种基本接地方式：悬浮地、单点接地和多点接 地。悬浮地是指设备地线系统与大地绝缘，这样大地电磁干扰就不会传导到设备；单点 接地就是把整个电路系统中某一点作为接地的基准点， 其它信号的地线都连接到这一点 上；多点接地是指设备 (或系统)中各个接地点都直接接到距它最近的接地母线上，使接 地引线的长度最短。所以上述各类接地线一般应分别设置。 4.2 开关电源的电磁兼容设计 电磁兼容的三要素是干扰源、耦合通路和敏感体，抑制以上任何一项都可以减少电 磁干扰问题。开关电源工作在高电压大电流的高频开关状态时，其引起的电磁兼容性问 题是比较复杂的。但是，仍符合基本的电磁干扰模型，可以从三要素入手寻求抑制电磁 干扰的方法。 4.2.1 抑制开关电源中各类电磁干扰源 为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，开关电源需要使用功率因数校正 （PFC）技术。PFC 技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波。 从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，同时也提高了开 关电源的功率因数。 软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性的重要方法。开关器 件开通和关断时会产生浪涌电流和尖峰电压， 这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主 要原因。使用软开关技术使开关管在零电压、零电流时进行开关转换可以有效地抑制电 磁干扰。 使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压也能有效地改 善电磁兼容特性。图 4-1 饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用输出整流二极管的反向恢复问题可以通过在输出整流管上串联一个饱和电感来抑 制，如图 4-1 所示，饱和电感 Ls 与二极管串联工作。饱和电感的磁芯是用具有矩形 BH 曲线的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一样，这种磁芯做的电感有很高的磁导 率， 该种磁芯在 BH 曲线上拥有一段接近垂直的线性区并很容易进入饱和。 实际使用中， 在输出整流二极管导通时，使饱和电感工作在饱和状态下，相当于一段导线；当二极管 关断反向恢复时，使饱和电感工作在电感特性状态下，阻碍了反向恢复电流的大幅度变 化，从而抑制了它对外部的干扰。 4.2.2 切断电磁干扰传输途径 电源线干扰可以使用电源线滤波器滤除， 开关电源 EMI 滤波器基本电路如图 4-5 所 示。 一个合理有效的开关电源 EMI 滤波器应该对电源线上差模干扰和共模干扰都有较强 的抑制作用。在图 4-2 中 CX1 和 CX2 叫做差模电容，L1 叫做共模电感，CY1 和 CY2 叫做34嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。共模电容。差模滤波元件和共模滤波元件分别对差模和共模干扰有较强的衰减作用。图 4-2 开关电源滤波器共模电感 L1 是在同一个磁环上由绕向相反、匝数相同的两个绕组构成。通常使用 环形磁芯，漏磁小，效率高，但是绕线困难。当市网工频电流在两个绕组中流过时为一 进一出，产生的磁场恰好抵消，使得共模电感对市网工频电流不起任何阻碍作用，可以 无损耗地传输。如果市网中含有共模噪声电流通过共模电感，这种共模噪声电流是同方 向的，流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，使得共模电感对干扰电流呈现出较大的 感抗，由此起到了抑制共模干扰的作用。L1 的电感量与 EMI 滤波器的额定电流 I 有关， 具体关系参见表 4-1 所列。表 4-1 电感量范围与额定电流的关系 额定电流 I/A 1 3 6 10 12 15 电感量 L/mH 8～23 2～4 0.4～0.8 0.2～0.3 0.1～0.15 0～0.08实际使用中共模电感两个电感绕组由于绕制工艺的问题会存在电感差值， 不过这种 差值正好被利用作差模电感。所以，一般电路中不必再设置独立的差模电感了。共模电 感的差值电感与电容 CX1 及 CX2 构成了一个滤波器。这种滤波器对差模干扰有较好的 衰减。 除了共模电感以外，图 4-2 中的电容 CY1 及 CY2 也是用来滤除共模干扰的。共模 滤波的衰减在低频时主要由电感器起作用，而在高频时大部分由电容 CY1 及 CY2 起作 用。电容 CY 的选择要根据实际情况来定，由于电容 CY 接于电源线和地线之间，承受 的电压比较高，所以，需要有高耐压、低漏电流特性。 一般装设在可移动设备上的滤波器，其交流漏电流应&1mA；若为装设在固定位置 且接地的设备上的电源滤波器，其交流漏电流应&3.5mA，医疗器材规定的漏电流更小。 由于考虑到漏电流的安全规范，电容 CY 的大小受到了限制，一般为 2.2～33nF。电容 类型一般为瓷片电容，使用中应注意在高频工作时电容器 CY 与引线电感的谐振效应。35嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。差模干扰抑制器通常使用低通滤波元件构成， 最简单的就是一只滤波电容接在两根 电源线之间而形成的输入滤波电路， 只要电容选择适当， 就能对高频干扰起到抑制作用。 该电容对高频干扰阻抗甚底，故两根电源线之间的高频干扰可以通过它，它对工频信号 的阻抗很高，故对工频信号的传输毫无影响。该电容的选择主要考虑耐压值，只要满足 功率线路的耐压等级，并能承受可预料的电压冲击即可。为了避免放电电流引起的冲击 危害，CX 电容容量不宜过大，一般在 0.01～0.1μF 之间。电容类型为陶瓷电容或聚酯薄 膜电容。 4.2.3 使用屏蔽降低电磁敏感设备的敏感性 抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽。可以用导电性能良好的材料对电场进行屏蔽， 用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。为了防止变压器的磁场泄露，使变压器初次级耦合 良好，可以利用闭合磁环形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明显比 E 型的小很多。开 关电源的连接线，电源线都应该使用具有屏蔽层的导线，尽量防止外部干扰耦合到电路 中。或者使用磁珠、磁环等 EMC 元件，滤除电源及信号线的高频干扰，但是，要注意 信号频率不能受到 EMC 元件的干扰，也就是信号频率要在滤波器的通带之内。整个开 关电源的外壳也需要有良好的屏蔽特性，接缝处要符合 EMC 规定的屏蔽要求。通过上 述措施保证开关电源既不受外部电磁环境的干扰也不会对外部电子设备产生干扰。36嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。结论与展望本设计借助以 PWM 集成电路 UC3842 为核心设计了一种高频率单端反激式开关电 源，其硬件设计主要包括滤波电路、整流电路、控制电路、功率转换电路、保护电路的 设计。在硬件设计过程中涉及到相关参数的计算，在设计过程中，翻阅了大量相关中外 文最新资料以及厂家的技术资料手册，借鉴了前人的成熟经验。经过三个多月的精心设 计，可以得出如下结论： UC3842 是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。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。由于器件设计巧妙，由主电源电 压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上” 的原则。 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的 各种终端设备、通信设备等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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 100kHz、 用 MOS-FET 制成的 500kHz 电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开 关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开 关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪 声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止 随开关启 -闭所发生的电压浪涌，可采用 R-C 或 L-C 缓冲器，而对由二极管存储电荷所 致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对 1MHz 以上的高频，要采 用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗， 同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究 很活跃， 因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到 零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家 都在致力于数兆赫兹的变换器的实用化研究。 在开关电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量， 高压功率集成电路得到广泛应用和快速发展。 采用了这种集成电路来调节和控制的开关 电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网 (LAN)来实现编程或控制功能，是目前 75W 以下高效率、多功能开关电源的最佳解决方 案。 可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向： （ l）开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的； 也是减小体积的重要途径。 （2）体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。 （3）效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。37嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。致谢作 者： 日 期： 年 月 日38嵌入式应用软件园，版权所有，请勿转载/销售。参考文献[1] [2] [3] [4] [5] 丁道宏.电力电子技术[M].航空工业出版社 ,1992 . 王水平,付江敏.开关稳压电源[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999. 王兆安,黄俊 .电力电子技术[M].北京:机械工业出版社 ,2002. 戈特利布 IM.稳压电源[M].北京 :科学出版社 ,1993. 刘树林,钟久明,刘健,韦力.基于 UC3842的开关电源输入过压保护电路研究[J]. 铸造技 术.2005. 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