基于单片机的PWM脉宽调制开关电源

目录
内容摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 选题背景 (1)
1.2 开关电源的基本概念 (1)
1.3 开关电源的发展 (2)
1.3.1 开关电源的发展史 (2)
1.3.2 开关电源的技术追求和发展趋势 (4)
1.3.3 开关电源技术发展的关注点 (6)
1.4 本论文的研究意义 (10)
2 电源的分类及工作原理 (12)
2.1 线性电源 (12)
2.1.1 线性电源的基本概念 (12)
2.1.2 线性电源基本工作原理 (12)
2.2 高效率的谐振开关电源 (13)
2.3 脉冲调宽开关电源 (13)
2.3.1 PWM开关电源的介绍 (13)
2.3.2 开关电源的基本分类 (13)
2.3.3 选用何种开关电源拓扑 (19)
2.3.4 开关电源的基本工作原理 (20)
2.3.5 单片开关电源的两种工作模式 (22)
2.3.6 单片开关电源反馈电路的四种基本类型 (23)
3 数字式开关稳压电源的研制 (25)
3.1 特点及其技术指标 (25)
3.2 开关电源电路中关键元器件的选择与设计 (25)
3.2.1 UC3843单片开关电源 (26)
3.2.2 线性光耦合器PC817 (29)
3.2.3 可调式精密并联稳压器TL431 (30)
3.2.4 启动和集成电路供电电路的设计 (32)
3.2.5 输入整流器/滤波器部分的设计 (33)
3.2.6 高频变压器的设计 (33)
3.2.7 输出整流滤波电路的设计 (35)
3.2.8 单片机开关电源印制板的设计规范 (36)
3.3 开关电源电路的设计 (36)
3.3.1 开关电源电路的工作原理 (37)
3.3.2 该开关电源单片机最小系统的设计 (38)
4 开关电源程序设计及测试 (42)
4.1 开关电源的程序设计流程 (42)
4.2 开关电源程序设计软件 (43)
4.3 开关电源的程序代码 (44)
4.4 实验测试 (44)
4.4.1 测试电压调整率 (44)
4.4.2 测负载调整率 (44)
4.4.3 效率的计算 (45)
4.4.4 输出纹波电压测试 (45)
4.4.5 输出过压保护功能测试 (45)
4.5 测试结果分析 (46)
5 总结 (47)
参考文献 (48)
附录 (49)
附录A 开题报告 (49)
附录B 电路原理图 (52)
附录C 单片机开关电源印制板的设计规范 (53)
附录D 开关电源程序代码清单 (56)
附录E 外文资料与中文译文 (56)
致谢 (57)
内容摘要：论文围绕当前流行单片机开关电源芯片UC3843进行的数字式开关稳压电源的设计与制作。

以UC3843为核心产生脉宽可调而频率固定的脉冲输出，推动开关功率管的导通和截至。

在反馈电路中取得输出参数输入到UC3843的误差放大器，与基准参数进行比较放大，控制输出脉宽的占空比，从而达到稳压的目的。

该开关电源供选用的主要集成电路——UC3843单片开关电源、线性光耦合器PC817、可调式精密并联稳压器TL431等集成电路。

介绍了一种电流控制型PWM控制器UC3843的特点和原理。

由UC3843构成的逆变器辅助开关电源具有高集成度、高效率、过载与短路能力强、可靠性高等优点。

分析了其构成开关电源的整体电路结构和工作原理。

最后提出了一种基于UC3843的单端反激式开关电源的设计方法。

关键字：电流控制型；开关电源；PWM；UC3843；高频变压器
Abstract：This paper focuses on the current prevalence single-chip switching power supply chips for digital switching power supply design and fabrication.UC3843 as the core to have a pulse width adjustable and fixed frequency pulse output, and promote the power switch and the on-Up. In a feedback circuit, the output parameters are sent into the error amplifier of UC3843, compared with basic parameters and enlarged, the output pulse duty cycle is controlled to maintain voltage stability. The switching power supply has employed three major IC--linear optical coupler PC817, adjustable precision parallel regulator TL431, and some integrated circuits.
The features and principle of a current controlling mode pulse width modulation controller UC3843 are introduced. The designed and developed auxiliary switching power supply of inverter has excellent comprehensive performance such as high power density, high conversion efficiency, strong ability of overload and short circuit, high reliability. Then analysis of the basic circuit and operating principle of switching power supply are introduced. At last, a kind of designing method of single-end fly-back switching power supply based on UC3843 is presented.
Key words: Current Controlling Mode Switching Power Supply PWM UC3843 High-Frequency Transformers
1 绪论
1.1 选题背景
社会在不断的发展，科技在不断的进步，人们的生活质量在不断的提高，我的生活中的电子设备越来越多，而繁多的电子设备的供电是一个亟待解决的科技难题。

从普通的线性电源发展至今到现在的开关电源，电源时时刻刻都在更新，而我们所提到的开关式稳压电源按接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。

高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。

在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。

一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。

开关电源的集成化与小型化正在变为现实，目前正在研制开发主开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。

目前，世界各国正在大力研制开发新型开关电源，因为这是节约能源的重大举措。

为了赶上和超过世界先进水平，国内很多单位正在研制和应用，不断的向高频化、线路简单化和控制电路集成化方向发展。

而我们已经进入数字化时代，所以我们要把自己身边的开关电源同样带入数字时代。

1.2 开关电源的基本概念
电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。

直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置，用于交流—直流或直流—直流电能变换，通常称其为开关电源（Switching Mode Power Supply-SMPS）其功率从零点几瓦到数十千瓦，广泛用于生活、生产、科研、军事等各个领域。

彩色电视机、VCD播放机等家用电器、医用X光机、CT机，各种计算机设备，工业用的电解、电镀、充电、焊接、激光等装置，以及飞机、卫星、导弹、舰船中，都大量采用了开关电源。

顾名思义，开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行控制。

开关电源的这一技术特点使其同其他形式的电源，如采用调整管的线性电源和采用晶闸管的相控电源相比具有两个明显的优点：
（1）效率高采用占空比控制的开关电源，在理想情况下，只进行能量的变换而没有损耗。

实际上，电路中开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损耗等非理想因素，电感和电容元件也有等效串联电阻和漏电流等非理想因素，所以存在损耗。

但电路的总效率仍能达到85%～98%，远远高于靠动态电阻调节的线性电源，通常比相控电源的效率也要高些。

（2）体积小、重量轻开关电源采用较高的开关频率，一般高于20kHz这一人耳的听觉极限。

因此电路中的电感、电容等滤波元件和变压器都大大减少。

而线性电源和相控电源通常都需要采用很大的滤波元件和笨重庞大的工频变压器。

所以在同等功率的条件下，开关电源的体积和重量仅为线性电源和相控电源时的1/10。

另外，开关电源的效率较高，需要的散热器也较小，这在很大程度上减小了体积和重量。

同时，还节省了很多硅钢片、铜、铝等原材料。

因为具有这些优点，开关电源的应用越来越广泛，大有取代线性电源和相控电源的趋势。

值得注意的是，开关电源的输出噪声和纹波一般比线性电源大，所以在需要非常低的噪声与纹波（如纹波峰峰值要小于5～10mV）的情况下，仍需要线性电源，由于大功率全功率非常大（1MW以上）时，仍需采用相控电源。

但随着控制技术和元器件技术的不断发展，开关电源的各方面的性能都在不断提高，容量也在不断扩大。

1.3 开关电源的发展
1.3.1 开关电源的发展史
随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体
管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点，随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

并且自开关稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。

随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%～70%，而线性电源的效率只有30%～40%。

因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。

随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI) 片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。

因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。

此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。

这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段：
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换
器性能更好、重量更轻、尺寸更小。

高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.3.2 开关电源的技术追求和发展趋势
开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。

以功率晶体管（GTR）为例，当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其集电极电流为零。

所以其功耗小，效率可高达70%～95%。

而功耗小，散热器也随之减小。

开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。

此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。

因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。

另外，由于功率小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。

而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V( 10%),而开关型稳压电源在电网电压在110～260V范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。

开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。

为提高开关频率，必须采用高速开关器件。

对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，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，采用谐振开关式的兆赫级变换器已经实用化。

开关电源的技术追求可以概括为以下五个方面：
（1）高频化技术：随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。

小功率DC-DC变换器的开关频率将上升到MHz。

但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以
及高频EMI等新的问题也将随之产生。

（2）软开关技术：为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关（ZVS/ZCS）谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术（ZVS/ZCS-PWM）以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调（ZVT/ZCT-PWM）技术等。

采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。

（3）功率因数校正技术（PFC）：目前PFC技术主要分为有源PFC技术和无源PFC 技术两大类，采用PFC技术可以提高AC-DC变换器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。

（4）模块化技术：采用模块化技术可以满足分布式电源系统的需要，提高系统的可靠性。

（5）低输出电压技术：随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。

开关电源的发展趋势可以概括为以下五个方面：
（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。

在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。

因此，高频化是开关电源的主要发展方向。

（2）高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。

这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。

（3）低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大。

单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。

所以，
尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

（4）采用计算机辅助设计和控制——采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。

在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。

开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。

高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。

发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。

总之，人们在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。

上世纪60年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。

40多年来，开关电源技术有了飞速发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOSFET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

自上世纪80年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。

高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

上世纪90年代中期，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.3.3 开关电源技术发展的关注点
（1）功率半导体器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”（Super-Junction）结构，故又称超结功率MOSFET。

工作电压600V～800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。

IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。

很长一段时间内，耐压水平
限于1200V～1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT 的工作频率上限为20kHz～40kHz，基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。

随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年历史发展进程中，有以下几种类型：穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）型、沟槽型和电场截止（FS）型。

碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温度高（可达600℃）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

（2）开关电源功率密度
提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。

电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。

电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。

使开关电源小型化的具体办法有：一是高频化。

为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。

应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。

压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动变换”和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域研究热点之一。

三是采用新型电容器。

为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。

（3）高频磁与同步整流技术
电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。

对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。

适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发
应用。

高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。

它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。

对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。

例如同步整流SR技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替肖特基二极管（SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。

（4）分布电源结构
分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站（如图像处理站）、大型数字电子交换系统等的电源，其优点是：可实现DC/DC变换器组件模块化；容易实现N+1功率冗余，提高系统可靠性；易于扩增负载容量；可降低48V母线上的电流和电压降；容易做到热分布均匀、便于散热设计；瞬态响应好；可在线更换失效模块等。

现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是三级结构。

（5）FC变换器
由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为0.6～0.65。

采用PFC （功率因数校正）变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD小于10%。

既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。

这一技术称为有源功率因数校正APFC单相APFC国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。

一般高功率因数AC/DC开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率AC/DC开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。

如果对输入端功率因数要求不特别高时，将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数AC/DC开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级即S4PFC变换器。

（6）电压调节器模块VRM
电压调节器模块是一类低电压、大电流输出DC/DC变换器模块，向微处理器提供
电源。

现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器IC的电场强度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至1V，而电流则高达50A～100A，所以对VRM的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。

（7）全数字化控制
电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。

全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。

但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。

近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。

（8）电磁兼容性
高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性。

功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和dv/dt，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。

有些情况还会引起强电磁场（通常是近场）辐射。

不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。

同时，电力电子电路（如开关变换器）内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。

上述特殊性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。

国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。

近几年研究成果表明，开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。

变化速度越快，电磁噪音越大。

（9）设计和测试技术
建模、仿真和CAD是一种新的设计工具。

为仿真电源系统，首先要建立仿真模型，。