UC3843大電流輸出數(shù)控可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)

ID:629841 · 發(fā)表于 2019-10-25 12:22

（1）將220V50Hz交流市電轉(zhuǎn)換輸出從0到30V的可調(diào)直流穩(wěn)定電源。

（2）最大電流輸出：3A。

（3 由按鍵每次0.1v控制電壓變化。

（4）LCD屏顯示輸出電壓。

2.2開關(guān)電源的電路組成[3]

可調(diào)開關(guān)電源的主要電路組成方框圖如下：

圖2.1 系統(tǒng)組成框圖電路

2.2.1 電磁干擾濾波器（EMI）[4]

(1)設(shè)計(jì)中干擾主要是模干擾與共模干擾兩種。EMI濾波器可以抑制串模干擾和共模干擾。

2.2.2 整流濾波電路[5]

（1）、整流電路

①、工作原理：

圖2.9 整流電路圖2.10 整流電路的波形圖

當(dāng)輸入正弦波時(shí)，T=0~Pi為正，二極管D1與二極管D3導(dǎo)通，二極管D2與二極管D4截止，負(fù)載得到半個(gè)正波；同理T=Pi~2Pi時(shí)負(fù)載又得到半個(gè)正波；所以負(fù)載電阻得到的是合成同向單向脈動(dòng)電壓。

②、負(fù)載上的直流電壓和直流電流

一般用輸出電壓的平均值表示直流電壓。

圖2.11 負(fù)載電壓波形

輸出的平均電壓為：

流過(guò)負(fù)載的平均電流為：

流過(guò)二極管的平均電流為：

二極管所承受的最大反向電壓：

濾波電路

圖2.12 濾波電路

①、基本概念及原理

濾波電路主要通過(guò)電容電感不同特性對(duì)交、直流進(jìn)行濾波。

電容器C通交流，斷直流。將電容C與負(fù)載并聯(lián)，以穩(wěn)定電壓；

電感器L通直流，阻交流。將電感L與負(fù)載串聯(lián)，以起到穩(wěn)定電流的作用。

濾波電路后，保留了直流分量，濾除交流成分，提高直流比例，降低紋波系數(shù)電路，提高了輸出直流電壓的質(zhì)量。

2.3方案的選擇

系統(tǒng)模塊方案如下：

（1）主電路模塊：選用橋式變壓器開關(guān)電源

（2）主電路開關(guān)模塊：選擇使用功率開關(guān)MOSFET.

(3)控制電路：脈沖調(diào)制選擇UC3843電源集成控制器。

3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
3.1主電源電路和輔助電源電路

設(shè)計(jì)開關(guān)電源整個(gè)系統(tǒng)的電路圖如下：

圖3.1

圖 3.2

3.1.1啟動(dòng)電路[6]

如上所示，主電路交流電由C22、L3、進(jìn)行低通濾波整流。濾波后的交流電壓經(jīng)D9整流橋整流。經(jīng)過(guò)電解電容C23濾波后變成直流電，降壓后給C32充電，當(dāng)C32的電壓達(dá)到UC3843的啟動(dòng)電壓時(shí)，UC3843開始工作，并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由引腳6驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管工作。隨著UC3843的啟動(dòng)，由Vcc3（輔助電源）給UC3843供電。由于收入電壓超過(guò)了UC3843的工作，為了避免意外，用D14穩(wěn)壓管限定UC3843的收入電壓，否則將出現(xiàn)UC3843被損壞的情況。

3.1.2短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路

電路是保護(hù)必不可少，穩(wěn)定電路是電路正常工作的基礎(chǔ)。電路因輸出不穩(wěn)定和外在因素影響，時(shí)常會(huì)有短路、過(guò)壓、欠壓等現(xiàn)象發(fā)生。使用UC3843有欠壓、過(guò)壓、短路過(guò)流保護(hù)。

3.1.3反饋電路

反饋電路采用億光光電耦合器和精密穩(wěn)壓源TL431。先利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器。再經(jīng)過(guò)億光光電耦合器對(duì)輸出進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)整。

3.1.4整流濾波電路

輸出整流濾波電路在一定程度上影響輸出電壓的性能。開關(guān)電源輸出端中對(duì)電壓影響主要是一般電源噪聲和高頻噪聲。有以下幾方面解決：

（1）、輸入電源中包含的交流成分被稱為輸入電源的噪聲。可在電源輸入端增加一個(gè)電容C20來(lái)解決。

（2）、高頻噪聲的產(chǎn)生主要有2種：一種是功率管器件在開關(guān)的過(guò)程中產(chǎn)生的；另一種是開關(guān)電源進(jìn)行高頻斬波產(chǎn)生的。濾波電感采用150μH的電感；輸出端采用∏型濾波的方式來(lái)解決

（3）、選用MBR20200進(jìn)行整流。減少高頻噪聲并提高效率。

3.2 主要器件的選擇及其功能
3.2.1 TL431

TL431是一個(gè)熱穩(wěn)定性能良好的器件。外部電極分別為：陰極、陽(yáng)極、參考端。TL431是三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。該芯片具有體積小，參考電壓精度可調(diào)，具有輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)，可用于生產(chǎn)各種穩(wěn)壓裝置。

由圖3.3可看出，VI是一個(gè)內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)源，連接到反相輸入運(yùn)算放大器。由運(yùn)放特性可知，只有當(dāng)參考端的電壓很接近VI時(shí)。穩(wěn)定的非飽和電流將隨著參考端電壓變化。參考端電壓的很小的改變時(shí)電流就通過(guò)三極管，電流將由1mA慢慢變化到100mA。

圖3.3 TL431的功能模塊示意圖

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)，通過(guò)TL431反饋誤差放大器的輸出，TL431打開光電耦合器，光電耦合器的光敏部件在高壓電源反饋，從而控制脈寬調(diào)制控制器的開關(guān)時(shí)間來(lái)得到一個(gè)穩(wěn)定的直流輸出電壓。

3.2.2 LM7805

用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805構(gòu)成穩(wěn)壓電源，只需要很少的外圍元件，電路，內(nèi)部電路和過(guò)熱保護(hù)和調(diào)節(jié)流量管，使用方便可靠，起來(lái)，而且價(jià)格便宜。本設(shè)計(jì)中LM7805作用是將15V電壓降為5V電壓。

圖3.4 LM7805圖

3.2.3 EL817

億光光電耦合器EL817，是一種集結(jié)紅外發(fā)射與接收及信號(hào)處理于一起的器件。輸入端輸入信號(hào)使發(fā)光LED發(fā)光；接收端收到LED發(fā)射的光信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)處理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后輸出。從而實(shí)現(xiàn)了電轉(zhuǎn)換光，光在轉(zhuǎn)換為電的傳輸，光信號(hào)為傳輸介質(zhì)。EL817實(shí)現(xiàn)了讓輸入和輸出電絕緣，也被稱為電氣隔離。

圖3.5 EL817內(nèi)部框圖

3.2.4 場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET

本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是N溝道增強(qiáng)型MOSFET,參數(shù)最大耐壓600V、電流11A、功率125W.MOSFET是工作再高頻的器件。工作頻率可以高達(dá)200kHz以上。使用MOSFET后可以進(jìn)一步減小設(shè)計(jì)的體積和減輕設(shè)計(jì)的重量。同時(shí)，它還具有工作速率快、高功率、耐壓高、高增益，幾乎沒(méi)有存儲(chǔ)時(shí)間，無(wú)熱擊穿等。當(dāng)開關(guān)器件使用功率MOSFET時(shí)，漏極電流與漏源極間電壓降成正比。換句話說(shuō),MOSFET工作在恒定電阻區(qū)可以像電阻一樣起作用。

3.2.5 高頻變壓器[7]

高頻變壓器在電路中的功能是功率傳送、電壓變換、電氣隔離。本設(shè)計(jì)中主電源電路用到B1變壓器和輔助電源電路用到T1變壓器。

主電源B1變壓器

預(yù)定初級(jí)側(cè)電壓

預(yù)設(shè)效率

，工作頻率53kHz

電源輸出功率

,取110W

變壓器的輸入功率

，輸入功率取130W

用面積乘積法來(lái)確定磁芯型號(hào)，選用錳鋅鐵氧體磁芯EE42，可留有一定裕量，有效截面積

。

在30 V裕量條件下因?yàn)樗x的MOS管的最大耐壓值

。所以允許的最大反射電壓

最大占空比

初級(jí)電流

初級(jí)最大電感量

初次級(jí)匝數(shù)比

初級(jí)匝數(shù)

其中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B =0．25 T；由于該轉(zhuǎn)換器在k = 0.5（不連續(xù)模式k = 1）的連續(xù)工作模式的設(shè)計(jì)

磁芯氣隙

36V，次級(jí)匝數(shù)

輔助電源T1變壓器

預(yù)定初級(jí)側(cè)電壓

預(yù)設(shè)效率

，工作頻率60kHz

電源輸出功率

,取15W

變壓器的輸入功率

，輸入功率取18W

根據(jù)面積乘積法來(lái)確定磁芯型號(hào)，，選用錳鋅鐵氧體磁芯EFD20，可以留有一定裕量，有效截面積

。

在30 V裕量條件下因?yàn)樗x的MOS管的最大耐壓值

。所以允許的最大反射電壓

設(shè)最大占空比0.45

初級(jí)電流

初級(jí)最大電感量

初次級(jí)匝數(shù)比

初級(jí)匝數(shù)

其中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B =0．28 T；因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器在k = 1（連續(xù)模式k = 0.5）的不連續(xù)模式的設(shè)計(jì)

磁芯氣隙

15V--次級(jí)匝數(shù)

輔助繞組匝數(shù)

其中，

是輔助繞組電壓，16V.

3.2.6壓敏電阻[8]

在一定電壓電流范圍內(nèi)電阻值隨著電壓變化而發(fā)生變化的電阻原件叫壓敏電阻，或者說(shuō)“電壓敏感”的阻器。壓敏電阻電路的“安全閥”的作用：壓敏電阻的特點(diǎn)是當(dāng)添加到它的閾值以上的“UN”，流過(guò)它的小電流，相當(dāng)于一個(gè)封閉的閥，當(dāng)電壓超過(guò)UN，流過(guò)它的電流上升，相當(dāng)于閥開。可以執(zhí)行這一功能來(lái)抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)電路不受損壞。

3.2.7 LM358[9]

LM358恒流恒壓

圖3.6恒壓、恒流控制電路

恒壓電路工作原理：U2、I5、R38、R41、VD13、R32、U12組成電壓控制環(huán)路。U2（431）是一種精密電壓調(diào)節(jié)器，控制陰極K和R直接短路由2.5V參考電壓精度。其中U2的限流電阻為R25。電阻R33將2.5V參考電壓送到I5反相輸入端（引腳6）。而同相輸入端（引腳5）則由R38、R41的分壓比來(lái)設(shè)定。如果輸出電壓升高，電壓UR41也上升。比較電壓和反向端2.5V的基準(zhǔn)電壓，7引腳輸出誤差信號(hào)。流入光耦LED中的電流信號(hào)通過(guò)VD13和R32輸出。然后通過(guò)反饋控制的網(wǎng)絡(luò)控制側(cè)PWM輸出占空比，使輸出電壓恒定的壓力下工作。恒流電路工作原理：U2、I3、R23、R24、VD12、R32、U1組成電流控制環(huán)路。R1是輸出電流取樣電阻，輸出電流在R23上產(chǎn)生R23／IOUT的電壓降。電壓直接到同相輸入端I3（引腳3），2.5V的參考電壓為R24，R28組成的分壓電路，將分壓電壓到反相輸入端（引腳2）。在R23和2.5V參考電壓分壓器的電壓比較的電壓降的電流輸出，引腳1輸出誤差信號(hào)，然后通過(guò)vd12和R32改變光耦LED中的電流，然后通過(guò)反饋控制的網(wǎng)絡(luò)控制側(cè)PWM輸出的占空比，使輸出為恒流特性。R26、C25、R33、C30分別是I3、I5的相位補(bǔ)償元件。放大器組成的恒壓、恒流控制電路。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)高精度的恒壓恒流。因?yàn)榉糯笃麟娐�，所以R23可選MΩ水平的電阻值，但它對(duì)電路轉(zhuǎn)換效率沒(méi)有影響。

3.2.8 UC3843的簡(jiǎn)介[10]

UC3843是高性能固定頻率電流模式控制器。專為離線和DC/DC變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。使設(shè)計(jì)方案使用最少的外部元件而節(jié)約成本。UC3843具有良好的調(diào)諧振蕩器，可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖�，精確的占空比控制，高增益誤差放大器。UC3843有驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件：電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出。保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、單個(gè)脈沖測(cè)量鎖存和可編程輸出靜區(qū)時(shí)間。

圖3.7 UC3843 8引腳雙列直插塑料封裝

圖3.8 UC3843管腳連

圖3.9 UC3843的簡(jiǎn)單框圖

UC3843各引腳功能如下表：

管腳	功能	說(shuō)明
1	補(bǔ)償	該引腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償
2	電壓反饋	該引腳是誤差放大器的反相輸入，一般通過(guò)一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出。
3	電流取樣	該引腳一個(gè)正比于電感器電流的電壓連接到輸入，脈沖寬度調(diào)制器使用此信息來(lái)停止輸出開關(guān)。
4	RT/CT	通過(guò)將電阻RT接Vref和電容CT接地，使最大輸出占空比以及振蕩器頻率可以調(diào)節(jié)。工作頻率可達(dá)500KHz。
5	接地	該引腳是控制電路和電源的公共地
6	輸出	該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，輸出正負(fù)1.0A電流。
7	Vcc	該引腳是控制集成電路的正電流。
8	Vref	該引腳為參考輸出，它由電阻RT向電容CT提供充電電流。

3.2.9 AT24C02

AT24C02接在電路有配置芯片的作用，可以直接用單片機(jī)進(jìn)行讀寫處理，不需要編程器，也不用提高電壓進(jìn)行編程。操作方便。

3.2.10 AD558JN

AD558JN將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。一般與控制芯片和電路相連。本設(shè)計(jì)中用于顯示電路。

3. 3 顯示部分

圖3.10 控制部分電路圖

由STC12C5A60S2控制LCD1602顯示流程如下圖

圖3.11 程序流程圖

4 制作電路板[11]

電子設(shè)備使用印刷電路板幾。PCB讓電子零件鑲在上面。除了固定各種小零件，印刷電路板的主要功能是提供各種部件電連接。隨著電子技術(shù)的發(fā)展使電子設(shè)備的功能越來(lái)越多。印刷電路板的電路和元件越來(lái)越密集了。

板片由絕緣材料制成，不易彎曲的材料。銅箔覆蓋在整個(gè)板子上。在制板過(guò)程中大部份被蝕刻掉。剩下來(lái)的部份為網(wǎng)絡(luò)線，這些線被稱為導(dǎo)體（導(dǎo)線）或布線。導(dǎo)線提供PCB部件連接。

電路板制作基本流程：1繪制原理圖；2繪制非標(biāo)準(zhǔn)器件的封裝庫(kù)；3選定PCB設(shè)計(jì)環(huán)境；4零件布局；5放置覆銅區(qū)；6做DRC檢測(cè)。

PCB設(shè)計(jì)規(guī)則：1板型大�。�110mm*195mm和85mm*90mm；2間距約束線：0.3mm；3線角模式：45°；4布線層：頂部、底部；5穿孔類型：通孔、焊盤大�。�1.28mm，通孔直徑：0.6211mm；6走線寬度:最小0.261mm，最大5.2mm，最佳0.80mm；7其它設(shè)置為默認(rèn)值。

PCB板效果圖如圖4.1,4.2所示：

圖4.2 PCB板效果圖2

圖4.1 PCB板效果圖1

5制作和調(diào)試中的問(wèn)題及其解決。
5.1硬件中的問(wèn)題

主要是高頻變壓器在接通電路后，高頻變壓器異常發(fā)熱，電源芯片異常發(fā)熱，增加負(fù)載時(shí)輸出電壓迅速降低。

原因是高頻變壓器發(fā)生了磁飽和。

解決方案1適當(dāng)減少一次繞組的磁感量Lp。

2選擇尺寸較大一點(diǎn)的磁心。

3給磁心留出一定的氣隙寬度。

5.2軟件調(diào)試中的問(wèn)題

1問(wèn)題：液晶不顯示。

原因：引腳配置錯(cuò)誤。

解決：軟件里修改了引腳配置后，顯示正常了

2問(wèn)題：電壓顯示不準(zhǔn)。

原因：數(shù)模轉(zhuǎn)換和實(shí)際電壓值之間的關(guān)系倍數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)。

解決：軟件里修改數(shù)模轉(zhuǎn)換和實(shí)際電壓值之間的關(guān)系倍數(shù)。

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將220V50Hz交流市電轉(zhuǎn)換輸出從0到30V的可調(diào)直流穩(wěn)定電源。輸出的最大電流：3A。通過(guò)由按鍵按下每次0.1v控制調(diào)節(jié)電壓增減。數(shù)值可以通過(guò)液晶顯示LCD屏顯示輸出電壓。
本設(shè)計(jì)大電流輸出可調(diào)開關(guān)電源由主電源電路、輔助電源電路以及顯示部分電路組成。硬件用到集成芯片UC3843設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，體積小，易于操作。主電源電路和輔助電源電路都用到高頻變壓器。顯示電路通過(guò)STC12C5A60S2為主控制器。顯示電路還用到AD558JN、AT24C02、LCD1602等。通過(guò)按鍵K1、K2調(diào)節(jié)輸出電壓。

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