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基于Multisim 10的高品质开关稳压电源的设计与仿真

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3.2.2反激式开关电源

反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感。工作过程是:开关开通后,V处于断态,初级绕组的电流线性增长,电感储能增加;开关关断后,初级绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过次级绕组和V向输出端释放。

图3-3是反激式开关电源原理图,其中的控制芯片采用UC3842。电源的输出电压等级有三种:+5V、+12V、-12V。该电路变换器是一个降压型开关电路。由单管驱动隔离变压器TC主绕组N1电流,C2、R3可以提供变压器原边泄放的通路。输出经整流、滤波送负载。芯片所用的电源Vcc由R2从整流后电压提供。Vcc同时也作为辅助反馈绕组N3的反馈电压。 反馈比较电路信号是从辅助绕组N3经过V1、V2、C3、C4等整流滤波后得到的Vcc分压提取的。C6、R7构成信号的有源滤波。开关管电流被R10取样后,经R9、C7滤波,送芯片ISENSE端,当反馈信号值超过阈值1V时,确认过载,关断电源输出。芯片输出部分由OUT端驱动单MOSFET管,C8、V3对开关管有电压钳位作用。

图3-3 UC3842组成的反激式电源

3.2.3 升压型开关电源

由UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感L5、 开关管VT7组成斩波式开关稳压器,UC3842构成开关控制电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4,成为直流电压,正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时,输入整流电压经L5、VT7漏源极、R6完成回路,输入整流电压全部加在L5两端,从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时,L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接,通过升压二极管V6、 电

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容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量,因此,控制VT7通断占空比,可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入,取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。

图3-5 由UC3842组成的它激式升压开关电源电路

在图3-5中,升压电路由UC3842为核心,构成它激式开关电路。为了提高升压电路的可靠性,UC3842采用多路取样的控制方式形成保护电路。UC3842在该开由UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感L5、开关管VT7组成斩波式开关稳压器,UC3842构成开关控制电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4,成为直流电压,正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时,输入整流电压经L5、VT7漏源极、 R6完成回路,输入整流电压全部加在L5两端,从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时,L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接,通过升压二极管V6、 电容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量,因此,控制VT7通断占空比,可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入,取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。

为了使振荡频率稳定,C12的充电电压取自UC3842⑧脚内部的5 V基准电压。如果电路故障使UC3842输出驱动脉冲占空比过大时,VT7导通时间将变长,截止时间将缩短,其漏源极平均电流增大,致使过流取样电阻R6、 R7压降增大,此时UC3842③脚电压升高,通过内部比较器控制触发器,使驱动脉冲占空比减小。如果过流取样电压达到1 V左右,则自动持续关断驱动脉冲,避免输出电压超高损坏负载电路和开关管。

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4 利用UC3842设计开关稳压电源

4.1 电源设计基本指标

要求该电源在电阻负载条件下满足: (1)输出电压UO幅值0~16V; (2)最大输出电流I0max:2A;

(3)U2从15V变到21V时,电压调整率SU≤2%(IO=2A); (4)IO从0变到2A时,负载调整率SI≤5%(U2=18V);

(5)DC-DC变换器的效率?≥70%(U2=18V,UO=36V,IO=2A); (6)具有过流保护功能,动作电流IO(th)=2.5±0.2A; 设计思路:

开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。设计的关键是DC—DC变换器,它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器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变换的控制模块使用PWM调制的专用芯片,如TL494,UC3842等。芯片内部集成了振荡器(由外接电阻电容来决定频率),误差比较器,PWM调制器等,有的甚至有保护电路和驱动电路。在此情况下用集成芯片外加少量的电路即可构成开关电源,稳定性能较好,控制简单,芯片功耗几乎可以忽略不计,且成本低。过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。当取样的电流超过指定的范围,立即切断负载,或者降低输出电压,然后过一段时间再自动启动,接上负载,由继电器来控制负载的连通性。

4.2 具体电路设计

4.2.1 启动电路

启动电路图如图4-2,输入的220V交流电经过桥式整流以及C1C2滤波过后变成脉动的直流电压,此电压经通过电阻R2分压给UC3842提供启动电压,当电压达到16V时达到芯片的启动电压,UC3842开始工作并提供驱动脉冲, UC3842的启动电压大于16 V,启动电流仅1 mA即可进入工作状态。处于正常工作状态时,工作电压在10~34 V之间,负载电流为15 mA。超出此限制,开关电源呈欠电压或过电压保护状态,无驱动脉冲输出。 元件参数选择: (1)变压器的选择:

要输出U2=18V的直流电,全桥整流电路的二次侧输出电Un2。 因为采用全桥整流,所以有Un2?U2?2

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解此算式可以得到 Un2=12.73V

计算变压器的一次侧和二次侧的线圈比N1/N2 电路的输入电压是市电交流电压220V 所以:N1/N2=Un1/Un2

即:N1/N2=12.73/220=0.05785

根据需要和选择期间的方便,取N1/N2=0.6

当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。线径的选择主要由本系统的开关频率确定。开关频率越大,线径越小,但是所允许经过的电流越小,并且开关损耗增大,效率降低。本系统采用的频率为40K,查表得知在此频率下的穿透深度为0.3304mm,直径应为此深度的2倍,即为0.6608mm。选择的AWG导线规格为21#,直径为0.0785cm(含漆皮).磁芯选择铁镍钼磁芯,该磁芯具有高的饱和磁通密度,在较大的磁化场下不易饱和,具有较高的导磁率、磁性能稳定性好(温升低,耐大电流、噪声小),适用在开关电源上。 (2)滤波电容的选择

在经过电路仿真和经验可以得到所需要的滤波电容: C1=68uF, C2=22uF

(a)滤波整流电路

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