开关电源设计

开关直流稳压电源设计

摘要

直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器，电力或者电子设备都毫不例外的需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不点的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电又如何使直流电压（电流）稳定这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，他们又各自可以用集成电路或分立元件构成。开关稳压电源具有效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点。

一、引言

基本要求

稳压电源。

1.基本要求

①输出电压UO可调范围：12V～15V；

②最大输出电流IOmax：2A；

③U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；

④IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；

⑤输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

⑥DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

⑦具有过流保护功能，动作电流IO（th）=±；

发挥部分

(1)排除短路故障后，自动恢复为正常状态；

(2)过热保护；

二、方案设计与论证

开关式直流稳压电源的控制方式可分为调宽式和调频式两种。实际应用中，调宽式应用较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数为脉宽调制（PWM）型。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值，即占空比来改变输出电压，通常有三种方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定，滤波电路的设计比较简单，因此本次设计采用PWM调制方式实现电路设计要求。主要框架如图1所示。由变压器降压得到交流电压，再经过整流滤波电路，将交流电变成直流电，然后再经过DC-DC变换，由PWM的驱动电路去控制开关管的导通和截止，从而产生一个稳定的电压源。

整流滤波整流滤波DC-DC

变换器DC-DC 变换器可调

变压

可调变压220V 50Hz

R L

图1

三、系统硬件电路设计 3．1系统整体框图

开关电源由隔离变压器，整流滤波和DC-DC 变换电路组成。设计的关键是DC-DC 变换电路，它包含了开干电源中的开关器件，储能器件，脉冲变压器，滤波器，输出整流等所有功率器件和控制模块。而控制模块的设计又是DC-DC 的核心，一般DC-DC 控制模块使用专用的PWM 调制芯片，本设计使用UC3842。芯片内部集成了误差比较器，振荡器，PWM 调制器等。在此情况下使用集成芯片加上少量的外围电路即可构成PWM 控制电路，稳定性能较好，控制简单。

220V

50Hz 交流电

降压模块整流模块滤波模块

DC-DC 变换模块

滤波模块稳压输出模块

图2

交流信号源

所采用的交流信号源为、49kHz 。采用此参数是为了使后面电路

得到一个合适的电压与电流。 整流模块

如图3所示。当输入电压U 处于正半周期时，二极管D1，D3导通，D2，D4截止。当输入电压U 处于负半周期时，D2，D4导通，D1，D3截止。

其中相关参数：

（1）整流电压平均值10

129.0)(sin 21U t td U U ⎰==

π

πωω （2）整流电流平均值L

R U I 2

0=

（3）流过每个二极管电流平均值02

1I I D =

（4）每个二极管承受的最高反向电压12U U RM =

（5）变压器二次电流有效值()020

2m 11.1sin 21I t d t I I ==⎰π

πωω

RL

图3

滤波模块

从整流模块出来的半波电流经过滤波模块得到一个较为平整的直流电流。如图4所示。其原理为电压的变化使的电容器一直处于一个充放电的过程中，将电路中急剧变化的电流起到一个缓冲作用，从而得到一个平稳电流输出。电容越大效果越好，出于成本、空间和作用效果综合考虑，我们采用1000uF 的电容。

+-

半波电流

直流电流

图4 整流滤波综合

由题目可知，开关稳压电源的前级电路主要由整流滤波电路构成。根据需要，降压后得到的交流电，然后整流滤波得到稳定直流送往后级。如图5所示。

图5

整流滤波仿真波形

矩形波发生模块

矩形波发生模块如图6所示。

UC38427

8132

5

64

+

-

图6

换能模块

输入电流通过场效应管使改变其电流的占空比从而使矩形电流变为直流信号，其中二极管作用为防止电流倒流，电容是为了进一步滤波使输出电流更为平整。如图7所示。

图7

调压模块

使上级的电流通过三个电阻，其中一个为电位计，通过调整电位计来对分得的电压进行调整，从而得到调压的功能。如图8所示。

+

-+ -

u1

u2

图8

重要元器件的参数计算

如图9所示。

注：(当电源电压50HZ，220V时，U2=18v经桥式整流滤波后，

可得直流电压为U1=U2*=，题目要求输出电压U0=30v～36v)

根据题目测试条件取U0=36v

最大占空比D= （U0- U1）/ U0-=35%

充电电感L1>=2(U0- US)D(1-D)/I0*fs=105uf

流过电感L1的电流值IL=30%IL(平均)=30%*I0/(1-D)=

流过电感L1的峰值电流L1=*I0/(1-D)=

CL=U0*U0*DT/U0I0=

图9

四、总结

电子设备离不开电源，电源是电子设备的重要组成部分，电源的