开关稳压电源的设计和应用（开关稳压电源的设计及制作）

摘要：本设计采用隔离反激式DC-DC功率变换技术，完成开关电源的设计和制作。该系统主要由整流滤波电路、DC-DC转换电路和单片机显示控制电路三部分组成。电源的集成控制由脉宽调制控制芯片UC3843及相关电路完成。采用单片机进行D/A转换，完成输出电压的键盘设定和步进调节。同时单片机A/D采集数据，通过数码管显示输出电压和电流。该系统具有输出电压可调范围宽、噪声纹波电压低、DC-DC转换效率高的特点。此外，系统还具有过流保护功能，过流故障消除后，电源可自动恢复正常状态。

一、方案论证

图1是开关电源系统的结构图。从图中可以看出，系统分为三个部分：电路电源、控制回路和显示设置部分。

DC-DC主电路拓扑

主环路拓扑分为隔离型和非隔离型。隔离拓扑(如图2所示)只能获得低于输入电压的输出电压，而隔离单端反激拓扑(如图3所示)的输入端和输出端不电连接，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量，从而保证开关管导通，驱动脉冲变压器原边时， 变压器的次级侧不向负载供电，即初级/次级侧交替接通和断开。 其优点是电路结构简单，适用于200W以下的电源，具有较好的多路输出互调特性。因此，我们使用隔离拓扑。

控制方法和实施方案

方案一：采用PFM (Pulse Frequency ModulaTIon，PFM)的控制方式，其特点是固定脉宽，通过改变开关频率来调节占空比。输出电压调节范围大，但滤波电路必须工作在宽频带。

方案二：采用脉宽调制(PWM)的控制方式，特点是固定开关频率，通过改变脉宽来改变占空比。这种控制方式效率高，输出电压纹波和噪声小。

基于以上考虑和课题的具体要求，我们选择PWM调制。

3.提高效率的方法和实施方案

为了提高效率，我们提出了两个方案。

方案一：降低开关变压器次级输出整流器VD2的损耗，进而提高转换效率。可选用肖特基二极管，正向传输损耗低，没有快恢复整流器的反向恢复损耗。

方案二：振荡器的频率与开关变压器的频率相匹配可以提高效率。RC振荡电路可以改变振荡频率以匹配开关变压器的频率，从而提高转换效率。

二、电路设计和参数计算

主电路器件的选择和参数计算

(1)开关电源集成控制器

与其他芯片相比，UC3843外部电路布线简单，元器件少，性能优越，成本低，其驱动电平非常适合MOSFET。

(2)促进功率管的选择。

电路中选用功率MOSFET场效应晶体管，因为功率晶体管是电流驱动，场效应晶体管是电压驱动，开关速度快，对温度不敏感。本设计最大输出功率约为90W，输入电压约为18V，因此本设计采用P60NF06 MOSFET。

(3)开关变压器的设计

开关变压器是一种隔离传输能量的电抗器，与功率MOSFET串联。

临界电流连续时的原边电感：其中Uimino为变压器原边输入的最小DC电压，Ts为开关周期，P为输出功率，为转换效率。

变压器铁芯的气隙为：B为铁芯的工作磁感应强度，SC为铁芯的截面积，K为最小输出功率与额定输出功率的比值。

数字

UC3843产生的部分PWM波控制MOSFET的开关状态。由于MOSFET的开关状态，开关变压器的初级线圈产生交流电压，开关变压器的次级通过整流滤波电路输出所需的DC电压。同时光耦电路受TL431电压调节电路控制，返回UC3843的电压检测端稳定电压。

UC3843的工作频率

3.效率分析和参数计算

(1) IO=2A，当U2从15V到21V时，电压调整率。

(2)当U2=18V，IO从0A到2A时，负荷调整率

(3)DC-DC转换器的效率，其中

4.保护电路设计和参数计算。

本设计具有两种保护功能：单片机软件控制保护和UC3843自身保护功能。

(1)在电源的输出端，单片机利用电流传感器对电流进行采样，经LM324放大器放大后送到AD采集芯片AD1543，转换成数字信号，由单片机进行检测。当电流大于设定值时，单片机控制继电器断开负载，保证电源正常工作。

(UC3843正常工作时，检测电阻RS的峰值电压由内部误差放大器控制，满足，其中UC为误差放大器的输出电压，IS为检测电流。

UC3843内部电流测量比较器的反相输入箝位在1V，最大限制电流=1V/RS。在RS和3脚之间，R和C组成一个小滤波器，用来抑制功率管导通时的电流峰值，其时间常数约等于电流峰值的持续时间。

当工作电流超过2.5A时，电源能自动断开负载，过流故障消除后，电源能自动恢复正常状态。

5.数字设定和显示电路的设计

如图，单片机检测键盘，将键值发送给DA转换芯片MAX 504。12位数字信号被转换成模拟信号，并被发送到电压调整部分以设置输出电压。单片机利用TLC1543芯片实时采集AD，将采集到的电压信号转换成12位数字信号，送入数码管显示。

7.软件设计。

单片机系统流程图如图所示。

三。测试方法和数据

检测方法

连接所有电路模块，先输入18VAC，用万用表的电平测量输出电压的可调范围；然后，通过电流水平测试最大输出电流；将输出电流固定在2A，将U2从15V调整到21V，用万用表的电压档测量UO的变化范围；将U2固定在18V，将IO从0A调至2A，用万用表的电流档测量UO的变化范围；使U2=18V，UO=36V，IO=2A，用示波器读出纹波的峰峰值；使U2=18V，UO=36V，IO=2A，用万用表的电压档测量UIN，然后用电流档测量IIN。