《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于UC3842開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)
黎曉貞 涂敏
摘要: 開(kāi)關(guān)電源是一種效率很高的電源變換電路,此系統(tǒng)利用軟件硬件相結(jié)合,力求線路簡(jiǎn)單,又能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)各單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試,收到了很好的穩(wěn)壓效果, 完成了設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo),具有一定的實(shí)際意義。
Abstract:
Key words :

1.總體設(shè)計(jì)方案論證
    開(kāi)關(guān)電源由隔離變壓器、整流濾波和DC—DC變換網(wǎng)絡(luò)組成。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是DC~DC變換器,它包含了開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器等所有功率器件和控制模塊,而控制模塊的設(shè)計(jì)又是DC~DC的核心,一般DC—DC變換的控制模塊使用PWM調(diào)制的專用芯片,如TL494,UC3842等。芯片內(nèi)部集成了振蕩器(由外接電阻電容來(lái)決定頻率),誤差比較器,PWM調(diào)制器等,有的甚至有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路。在此情況下用集成芯片外加少量的電路即可構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源,穩(wěn)定性能較好,控制簡(jiǎn)單,芯片功耗幾乎可以忽略不計(jì),且成本低。過(guò)流保護(hù)可以使用電流取樣電阻串接在負(fù)載上。當(dāng)取樣的電流超過(guò)指定的范圍,立即切斷負(fù)載,或者降低輸出電壓,然后過(guò)一段時(shí)間再自動(dòng)啟動(dòng),接上負(fù)載,由繼電器來(lái)控制負(fù)載的連通性。同時(shí)用A/D采樣,經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后顯示當(dāng)前輸出電流和電壓。還擴(kuò)展了鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓步進(jìn)和預(yù)置,設(shè)置蜂鳴器實(shí)現(xiàn)過(guò)流時(shí)報(bào)警。

2.單元電路模塊設(shè)計(jì)
    開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖一所示

2.1 整流濾波電路設(shè)計(jì)
    整流濾波電路如圖二,在開(kāi)機(jī)瞬間,濾波電容等效為短路,可串接0.1Ω限流電阻保護(hù)整流橋。此設(shè)計(jì)最大輸出功率72瓦特,電網(wǎng)電壓低到15V輸入時(shí)(整流后可達(dá)到18V),加上最不利效率為70%,則輸入端功率經(jīng)計(jì)算為102W,整流濾波后輸出的電流約5.6A,取6A電流。用普通整流二極管不能滿足要求,故用承受電流較大的硅橋。為達(dá)到可以接受的紋波系數(shù),濾波電容的容值需要較大。考慮到其它無(wú)用功耗,取P=102W,經(jīng)計(jì)算C≈30000uF,這時(shí)候紋波系數(shù)低至2.5%,但電容體積太大,DC—DC變換級(jí)對(duì)紋波系數(shù)的要求可以降低,取10000uF,紋波約8%,可以滿足要求。大電容濾波還需并接瓷片電容,來(lái)抑制尖峰電壓。

2.2 Boost升壓型開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇非隔離型中Boost型升壓斬波電路,如圖三。假設(shè)C和L足夠大,輸入輸出電壓,即為常數(shù)。據(jù)推理電感兩端的電壓值也為常數(shù),記電感兩端的電壓值是VL,經(jīng)過(guò)L的電流記為IL,電流變化正增量記為△i+,電流變化的負(fù)增量記為△i一。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí),續(xù)流二極管關(guān)斷,此時(shí)電源向電感充電儲(chǔ)存能量,忽略開(kāi)關(guān)管的壓降。則由電感電流不可以突變、法拉第電磁感應(yīng)公式和基爾霍夫電壓定律推導(dǎo)出:增量電流△i+和時(shí)間△t成正比,呈線性上升趨勢(shì),與電感成反比。當(dāng)開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管D導(dǎo)通,忽略續(xù)流二極管導(dǎo)通電壓,輸入端電源電壓與電感器L中自感電動(dòng)勢(shì)正向疊加后,通過(guò)續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電,同時(shí)對(duì)電容器C充電。同理推導(dǎo)出:負(fù)增量電流與電感值成反比,與關(guān)斷時(shí)間成正比。下降是從上個(gè)時(shí)間充電后的電流點(diǎn)開(kāi)始線形下降的。當(dāng)動(dòng)態(tài)平衡后,△i+=一△i一,經(jīng)過(guò)占空比計(jì)算公式推導(dǎo)后得:在設(shè)計(jì)中輸入15V~21V,整流濾波后可得約18V~25V的直流電壓,而設(shè)計(jì)要求輸出為30V~36V。那么當(dāng)輸入是18V變換到36V時(shí),升壓比最大,則占空比最大,記為α1,從25V變換到30V時(shí),升壓最小,則占空比最小,記為α2,經(jīng)過(guò)推算:α2=1/6,α1=1/2。

3.電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇
    此設(shè)計(jì)采用UC3842作為PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可獲得低成本高效益的解決方案。其內(nèi)部框圖如圖四,UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式,共有8個(gè)引腳,各腳功能如下:①腳是誤差放大器的輸出端,外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性;②腳是反饋電壓輸入端,此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,產(chǎn)生誤差電壓,而控制脈沖寬度;③腳為電流檢測(cè)輸入端,當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài);④腳為定時(shí)端,內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定,f=1.8/(RT×CT);⑤腳為公共地端;⑥腳為推挽輸出端,內(nèi)部為圖騰柱式,上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為±1A;⑦腳是直流電源供電端,具有欠、過(guò)壓鎖定功能,芯片功耗為15mW;⑧腳為5V基準(zhǔn)電壓輸出端,有50mA的負(fù)載能力。輸入端接Rl再輸入到芯片電源端,由于UC3842啟動(dòng)電壓需要16V,輸入經(jīng)整流濾波后至少有18V左右,可保證正常啟動(dòng)。串聯(lián)電阻Rl取100Ω或不用R1,直接接至18V電源也可正常工作。UC3842振蕩器可以工作高達(dá)500kHz,經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇較折中的頻率40kHz取Rt=10k,Ct=4.7nF,Rt接在振蕩端和參考電壓8腳處,4腳退耦電容C3取O.1uF。

 

3.3 過(guò)流保護(hù)以及電壓電流顯示
    用單片機(jī)和ADC0832來(lái)采樣。采樣電阻Rss=0.1Ω,用溫度系數(shù)很小的繞線電阻,但不能直接采樣Rss兩端的電壓,因?yàn)檫\(yùn)放不能輸入比電源電壓大的信號(hào),所以要設(shè)計(jì)恒降壓電路,將Rss兩端的電壓同時(shí)減去一個(gè)常數(shù),再進(jìn)行差分放大,如圖五。恒壓源用TL431準(zhǔn)確穩(wěn)定在一個(gè)固定的電壓,設(shè)置兩個(gè)恒壓源壓降一致。由于運(yùn)放采用12V單電源供電,所以將電壓降到6V以下才能工作;又因?yàn)檩敵鲎畲箅妷簽?6V,設(shè)計(jì)的恒壓源壓降為19V,那么下面兩個(gè)電阻可用同樣阻值的精密可調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)抽頭在中間位置,則U=36—19=8V進(jìn)行l(wèi)/2分壓得4V。當(dāng)電流為2A時(shí)Rss上壓降為0.2V,則到差放上的電壓差為O.1V,放大15倍后再經(jīng)恒壓源壓降,保證變化范圍在O~5V后送給0832采樣,同時(shí)通過(guò)0832的另外一個(gè)通道采樣得輸出電壓值。經(jīng)過(guò)單片機(jī)計(jì)算電流電壓后判斷是否超過(guò)2.5A的電流,如果是,再利用繼電器斷開(kāi)負(fù)載并用蜂鳴器報(bào)警,然后等待恢復(fù)。延時(shí)數(shù)秒后再次嘗試接通負(fù)載,這就實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)和恢復(fù)后自動(dòng)啟動(dòng)的功能。同時(shí)把采樣到的電流、電壓顯示在數(shù)碼管上。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)設(shè)置電壓增減的功能,該芯片采用ZLG7290鍵盤(pán)顯示芯片可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

4. 測(cè)試結(jié)果和實(shí)現(xiàn)功能

5.結(jié)束語(yǔ)
    開(kāi)關(guān)電源是一種效率很高的電源變換電路,此系統(tǒng)利用軟件硬件相結(jié)合,力求線路簡(jiǎn)單,又能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)各單元電路的設(shè)計(jì)、制作與測(cè)試,收到了很好的穩(wěn)壓效果, 完成了設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo),具有一定的實(shí)際意義。

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