1.開(kāi)關(guān)電源基本工作原理

1 開(kāi)關(guān)電源的基本構(gòu)成

開(kāi)關(guān)電源電路的基本構(gòu)成，它包括整流濾波電路，DC-DC 控制器，開(kāi)關(guān)占空比控制器及取樣比較電路等模塊。

2 開(kāi)關(guān)電源常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

作為電源設(shè)計(jì)的核心組件,可靠性升級(jí)的基礎(chǔ),輕薄小型化的關(guān)鍵,電磁兼容性的保障的 DC-DC 直流變換電路,引導(dǎo)著開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的方向,從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)絕大部分開(kāi)關(guān)控制器都具有常規(guī)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其有兩種基本的類型：非隔離型和隔離型。

2.1 降壓型

降壓型又稱為 BUCK 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)?；竟ぷ髟?當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通(Ton)時(shí),電感 L 將能量以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存起來(lái)。隨著電源電壓 Vin 對(duì)電感 L 的充電，L 電流 IL 對(duì)輸出電容 CO 充電，并提供負(fù)載電流 Io， VD 被反向偏置而截止。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止(Toff)時(shí)，L 中消失的磁場(chǎng)使其極性顛倒 VD 加正向偏壓而導(dǎo)通，L 和 CO 在 Toff 提供負(fù)載電流 Io。輸出電壓：

2.2 升壓型

升壓型又稱為 BOOST 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)。基本工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量?jī)?chǔ)存在 L 中，由于 VD 截止，所以 Ton 期間，負(fù)載的電壓和電流由 CO 供給在開(kāi)關(guān)管。截止時(shí)，儲(chǔ)存在 L 中的能量通過(guò)正向偏置的 VD 傳送到負(fù)載和 CO， L 放電電壓的極性與VIN 相同，且與 Vin 相串聯(lián)因而提供了一種升壓作用。

2.3 升降壓型

升降壓型又稱為 BUCK-BOOST 控制器，其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理：當(dāng) Q1 導(dǎo)通時(shí)，接在 Vin 兩端的 L 被充電，由于 VD 截止，所以 TON 期間，負(fù)載的電壓和電流由 CO 供給。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，儲(chǔ)存在 L 中的能量通過(guò) VD 傳送到負(fù)載和 CO ，因?yàn)?L 上消失的磁場(chǎng)顛倒了電感器電壓的極性。

輸出電壓：

2.4 反激式

反激式又稱為 Fly-back 型，它能產(chǎn)生在輸入電壓范圍內(nèi)的輸出電壓，不同于降壓升壓控制器。這是反激式控制器所獨(dú)有的特點(diǎn)， 為其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)變壓器 T1 的初次線圈 N1 ，變壓器將能量以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存起來(lái)。由于初次級(jí)圈不同相位，所以當(dāng)電流流過(guò)初次線圈時(shí)，次級(jí)線圈 N2 中沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，消失的磁場(chǎng)使初次次線圈中電壓極性反轉(zhuǎn)，整流二極管 VD 導(dǎo)通。電流通過(guò) VD 流向負(fù)載，變壓器的能量釋放，提供負(fù)載電壓電流。

輸出電壓：

(1)電流連續(xù)狀態(tài)下

(2)電流斷續(xù)狀態(tài)下

2.5 正激式

正激式不同于反激式，在原邊導(dǎo)通的同時(shí)，副邊向負(fù)載釋放能量。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期。這是它的特點(diǎn)

基本工作原理：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)變壓器 T1 的初次線圈 N1 。由于初次級(jí)圈同相位，所以當(dāng)電流流過(guò)初次線圈時(shí)，整流二極管 VD 導(dǎo)通，次級(jí)線圈 N2 中也有電流流過(guò)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，初次級(jí)線圈均沒(méi)有電流流過(guò)。

2.6 推挽式

推挽式又稱為 Push-Pull 控制器，圖 1.12 為其典型電路結(jié)構(gòu)。

基本工作原理:Q1 和 Q2 交替導(dǎo)通和截止,且導(dǎo)通和截止時(shí)間必須嚴(yán)格錯(cuò)開(kāi),當(dāng) Q1 導(dǎo)通 Q2 截止時(shí),由于次級(jí)繞組兩線圈匝數(shù)相等,繞向相反,能量通過(guò)變壓器 T1 以磁通方式耦合過(guò)來(lái)的正電壓使 VD1 正向?qū)?負(fù)電壓使 VD1 導(dǎo)通.次級(jí)電壓整流、濾波后加到輸出端。當(dāng) Q2 導(dǎo)通 Q1 截止時(shí)，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，T1 的次級(jí)繞組開(kāi)關(guān)工作頻率為加在 Q1 Q2 上 PWM 頻率的兩倍。

3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定

開(kāi)始設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，主要考慮的是采用何種基本拓?fù)?。開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，拓?fù)涞念愋团c電源各個(gè)組成部分的布置有關(guān)。這種布置與電源可以在何種環(huán)境下安全工作以及可以給負(fù)載提供的最大功率密切相關(guān)。這也是設(shè)計(jì)中性能價(jià)格折中的關(guān)鍵點(diǎn)。每種拓?fù)涠加凶约旱膬?yōu)點(diǎn)，有的拓?fù)淇赡艹杀颈容^低，但輸出的功率受到限制;而有的可以輸出足夠的功率，但成本比較高等。在一種應(yīng)用場(chǎng)合下，有好幾種拓?fù)淇梢怨ぷ?，但只有一種是在要求的成本范圍內(nèi)性能最好的。

根據(jù)系統(tǒng)造價(jià)、性能指標(biāo)和輸入、輸出負(fù)載特性，結(jié)合本課題的實(shí)際選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是正激型變換器電路。

2. 基于 UC3842 的開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)

2.1.1 開(kāi)關(guān)電源電路的總體簡(jiǎn)介

輸入整流濾波器將交流輸入電壓進(jìn)行整流濾波，為變壓器器提供直流電壓。變壓器把直流電壓變換成高頻交流電壓，并且起到將輸出部分與輸入電網(wǎng)隔離的作用。輸出整流濾波器將變換器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到需要的直流電壓，同時(shí)還防止高頻噪聲對(duì)負(fù)載的干擾?？刂齐娐窓z測(cè)輸出直流電壓，并將其與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行放大。調(diào)制振蕩器的脈沖寬度，從而控制變換器以保持輸出電壓的穩(wěn)定。保護(hù)電路在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓或者過(guò)電流時(shí)，使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和電源本身。

2.1.2 基于 UC3842 的基本結(jié)構(gòu)

2.1.3 各部分功能簡(jiǎn)介

輸入整流與濾波電路：

其一般都采用橋式整流，將輸入的交流整成高壓直流，經(jīng)過(guò)濾波輸入變壓器的一次側(cè)。

變換器：

變換器是用來(lái)變換電能的，是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心。

輸出整流濾波濾波：

變壓器輸出側(cè)的電壓還不夠理想，需要整流濾波來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

反饋回路：

將輸出部分的電壓或電流信息反饋回到前級(jí)，進(jìn)入控制部分，由控制部分來(lái)控制交換組件的運(yùn)作狀態(tài)。

隔離組件：

隔離組件的設(shè)立主要是出于安全的考慮，一般常用的隔離組件是光耦，將后級(jí)信息反饋到前級(jí)。

控制部分：

有兩種控制方式 RCC 和 PWM，RCC 是由反饋回來(lái)的信號(hào)改變電容充放電時(shí)間來(lái)達(dá)到控制開(kāi)關(guān)組件開(kāi)關(guān)時(shí)間的目的，這種模式實(shí)現(xiàn)的電路電路簡(jiǎn)單，不固定頻率，也不容易控制。本文所研究的正激式采用的是 PWM 控制模式，其是通過(guò)反饋信號(hào)和相應(yīng)的 IC 芯片上的標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，進(jìn)而對(duì)應(yīng)的改變開(kāi)關(guān)組件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，這種方式的控制穩(wěn)定度高，可固定頻率，目前流行的開(kāi)關(guān)電源都是采用這種方式。

2.2 UC3842 芯片簡(jiǎn)介

2.2.1 UC3842 的特點(diǎn)

UC3842 是美國(guó) Unitorde 公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型的功率管或場(chǎng)效應(yīng)管。其主要優(yōu)點(diǎn)是管腳數(shù)量少，外圍電路簡(jiǎn)單，電壓調(diào)整率可達(dá) 0.01%，工作頻率高達(dá) 500kHz，啟動(dòng)電流小于 1mA，正常工作電流為 5mA，并可利用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測(cè)比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及 PWM 鎖存器電路。

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，流經(jīng)初級(jí)的電流減小。與之前階段相同，初級(jí)電壓會(huì)在次級(jí)生成相同極性的電壓，電壓值也成匝數(shù)比。因?yàn)槭钦螂妷?，所以，二極管導(dǎo)通，次級(jí)線圈將輸出電流給電容和負(fù)載。電容在開(kāi)關(guān)打開(kāi)的階段已經(jīng)失去了所有的電荷，但此時(shí)又會(huì)重新充電。

在整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，輸入電源和輸出電源之間沒(méi)有任何電路連接，因此我們可以看出是變壓器隔離了輸入與輸出。

根據(jù)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間可以分為兩種模式。連續(xù)模式和非連續(xù)模式。

在連續(xù)模式下，初級(jí)充電之前，電流先歸零，再如此往復(fù)。而在非連續(xù)模式下，下一周期在初級(jí)電感的電流歸零時(shí)開(kāi)始。

反激式轉(zhuǎn)換器的效率

現(xiàn)在我們來(lái)看一下效率，也就是輸出與輸出功率的比值。

(Pout/Pin)x 100%

因?yàn)槟芰坎荒軕{空生成也無(wú)法抹去，只能轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)，大多數(shù)電能都以熱能的形式消耗掉的。所以實(shí)際運(yùn)用中并不存在理想情況。因此在選擇穩(wěn)壓器的時(shí)候，效率也是一個(gè)關(guān)鍵因素。

而能量損耗的關(guān)鍵因素之一就是二極管。正向壓降乘以電流都轉(zhuǎn)換為了熱能，因此降低了穩(wěn)壓電路的效率。與此同時(shí)，硅二極管的反向恢復(fù)損耗也會(huì)降低整體效率。

而解決這一問(wèn)題最好的方法之一就是避免標(biāo)準(zhǔn)的恢復(fù)二極管，而使用肖特基二極管，因?yàn)楹笳哂兄艿偷恼驂航担灿兄玫姆聪蚧謴?fù)損耗。從另一角度來(lái)說(shuō)，如果將開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換成MOSFET的話，能在更小封裝的情況下提升效率。

反激式變換器電路圖以及工作原理

我們將使用LM5160來(lái)生成12V的隔離電壓。這是該電路的詳細(xì)參數(shù)說(shuō)明。

輸入電壓范圍：18V-32V

隔離輸出：12V

隔離負(fù)載電流范圍：0mA-400mA

標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)頻率：300kHz

最大效率：88%

開(kāi)關(guān)頻率被限制在一個(gè)緊密的頻帶內(nèi)，以簡(jiǎn)化 EMI 濾波。此外，有源鉗位操作的自適應(yīng)數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)初級(jí) FET 的接近 ZVS 導(dǎo)通，并在關(guān)斷期間鉗位漏極電壓，從而進(jìn)一步提高效率并降低 EMI。

與傳統(tǒng)的 ACF 設(shè)計(jì)不同，在大批量生產(chǎn)中，電路的正常運(yùn)行不需要鉗位電容器和漏電感值的嚴(yán)格公差。此外，一個(gè)小的 3.3 nF 鉗位電容器足以實(shí)現(xiàn) ACF 操作的好處。SZ1110 和 SZ1130 非常適合高效率和高功率密度的 AC/DC 電源適配器。這些設(shè)備專為高達(dá) 33 W (SZ1110) 和高達(dá) 65 W (SZ1130) 的輸出功率而設(shè)計(jì)，包括 USB-PD 和快速充電應(yīng)用。

當(dāng)今的市場(chǎng)趨勢(shì)，尤其是便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品，需要更大的電池和更快的充電操作，這意味著需要從電源適配器獲得更多功率。電路的整體尺寸是另一個(gè)相關(guān)的關(guān)鍵因素，因?yàn)樵荚O(shè)備制造商希望在相同尺寸或更小的電源適配器中獲得更多功率(更高的功率密度和更高的效率)。現(xiàn)有的解決方案正在達(dá)到極限，新的創(chuàng)新方法正在取而代之。