DCDC升压电源模块的设计

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1、本科毕业设计（2012届）题 目DC/DC升压电源模块的设计系电子工程专 业班 级学 号学生姓名指导教师完成日期诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文DC/DC升压电源模块的设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日杭州电子科技大学本科毕业设计摘 要DC/DC变换器是将一种直流电压变换为另一种所需的直流电压(固定或可调)。这种技术被广泛应用于计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业中，变换器还需要符合上述领域的安全标准。本文重点讲述了DC-DC升压型变换器的

2、工作原理，描述了DC-DC变换器的控制方法，同时，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理，分析比较了它们各自的优缺点。本文设计了一款采用峰值电流控制型脉宽调制芯片UC3842设计的Boost升压型DC-DC变换电路，外接元器件少，控制灵活方便，输出电压稳定可调。在系统的硬件部分设计中，有三个部分组成，主要涉及到Boost拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。在设计、制作、调试完整机之后，本系统基本能够达到预期的要求：1.在输入电压15V-20V范围内输出电压在32-55V；2.最大输出电流达到1A；3.DC/DC变换器的效率70%。 关键词：升压型DC/DC变换器

3、；电流控制；电压控制；脉宽调制ABSTRACTDC-DC converter is one DC voltage is transformed into another DC voltage required (fixed or adjustable). This technology is widely used in computers, office automation equipment, industrial instrumentation, military, aerospace and other fields related to national economy secto

4、rs, the converter also need to meet safety standards in these areas. This paper focuses on the working principle of step-up DC-DC converter. Describes the DC-DC converter control method. At the same time, expounds the pulse width modulation of voltage control mode and the basic principle of current

5、control model, and analyses their advantages and disadvantages. This paper designs a using current peak control mode pulse width modulation UC3842 chip design Boost booster type DC-DC transform circuit，less External components, control is flexible and convenient, the output voltage stability can be

6、adjusted.There are three parts of hardware in the system design, mainly related to the Boost topology circuit, PWM control circuit, feedback loop circuit.In the design, production and testing after the system achieves the desired requirements: 1.The input voltage range of 15V-20V Output voltage 32-5

7、5V; 2.The maximum output current of 1A; 3.DC-DC Converter efficiency 70%.Keywords: Step-up DC/DC converter; current control; voltage control; Pulse width modulation目 录1 绪论11.1 设计目的及意义11.2 开关电源的发展综述21.3 本文主要工作与结构安排42 概述52.1 DC/DC开关电源概述52.2 DC/DC开关电源设计思路52.3 研发方向和技术关键62.4 主要技术指标63 总体设计73.1 系统整体方案73.1.

8、1 Boost斩波结构部分73.1.2 脉冲调制驱动部分83.2 系统性能指标104 硬件设计114.1 Boost主拓扑电路设计114.2 控制芯片及外围电路125 系统的制作与调试165.1 系统电路的布局和布线165.2 电路板的制作165.3 系统组装175.4 硬件电路的调试175.4.1 Boost电路调试175.4.2 脉宽调制电路调试205.5 系统测试误差分析225.6 系统性能测试226 结论24致 谢25参考文献26附 录271 绪论在如今的生活中，形形色色的电子设备越来越多，与人们的工作、生活的关系也日益密切。而电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力，因此电源系统的稳定

9、性对于整个系统具有决定性的意义，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视，人们对电源的要求也越来越高。经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。1.1 设计目的及意义现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。传统的稳压电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗较大，电源率较低。相对的，DC-DC开关电源就可以适应现当代的电子设备对

10、电源的要求，达成电子设备对电源的发展需求。其功耗小，效率可高达70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（线性电源只有40%），自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时音比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子和

11、电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大效益，从而得到迅速推广。分布式电源的发展及与IT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DC-DC开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC开关电源的需求也

12、越来越大，性能要求也越来越高，而DC-DC开关电源的设计也更具挑战性。DC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类1： （1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压UI，极性相同。 （2）Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压UI，极性相同。 （3）Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI，极性相反，电感传输。 （4）C

13、uk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。本次的毕业设计,目的在于巩固电路、模拟电子技术和学习有关开关电源的基础知识,并能够学以致用,同时拥有分析、解决问题和动手的能力,以及一定的基于模拟电子技术的研究设计能力。从另一方面来说，DC-DC开关电源的技术追求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出发很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。再者说，DC-DC开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。1.2 开关电源的发展综述开关的电源的发展可分为以下几个时期：（1）电子管稳压电源时期（

14、1950 年代）。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。（2）晶体管稳压电源时期（1960 年代1970 年代中期）。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。（3）低性能稳压电源时期（1970 年代1980 年代末期）。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20KHZ以下，工作效率60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达100HZ以上，并且可并联大电流输出。（4

15、）高性能的开关稳压电源时期（1990 年代-现在）。随着新型功率器件和脉宽调制（PWM）电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠的混合集成DC-DC开关电源2。国内开关电源技术的发展基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时在高等院校和一些科研院所停留在试验和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。它的特点是采用20KHZ脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。目前，DC-DC开关电源的功率密度可达到7.3W/cm3(每立方英寸120W)。当今的软开关技术在DC-DC开关电源中的应用使得DC-DC开关电源发生了质的飞跃。

16、国外自20世纪90年代以来，开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开尖电源的输入和输出端口观察，可以发现输入的要求变得更严了，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰。也正是这样的外界条件推动了开关电源的有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC-DC变换技术成为了当今电力电子领域的研究课题。如今美国VICOR开关电源公司设计制造的多种ECI软开关DC-DC变换器，效率为：80%-90%。日本Nemic Iambda公司最新推出的采用软开关技术的高频RM系列开关电源模块，采用同步整流器，使整个DC-DC开关电源电路的效率提高到9

17、0%3。由于开关电源功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低，并且电压转换形式单一（只有降压）等缺点。如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。随着技术的进步，开关电源将沿着以下几个方面发展：（1）小型化、轻量化和高频化。（2）高效率和高可靠性。（3）低噪声和良好的动态响应。（4）低电压、大电流、高功率。并且，DC-DC开关电源也将朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展：1.专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控

18、制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，达到最佳的效率。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功能，提供低输出电压、高输出电流以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。2.高频率：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密度也得到大幅度提升，动态响应得到改善，小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰（EMI）等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通（ZVS）、零电流关断（ZC

19、S）的软开关技将成为开关电源产品未来的主流。3.高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。4.低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。5.抗电磁干扰：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子

20、设备的干扰，世界各国已有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的FCC，德国的VDE等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要4。1.3 本文主要工作与结构安排本课题主要工作是DC-DC升压电源模块电路的设计，主要完成以下工作。1.对DC-DC升压电源模块的工作原理和系统性能进行了较为深入的研究。2.对两种控制方式（电流型和电压型）进行了比较分析。3.对整体电路系统进行设计。4.绘制PCB版图。5. 进行焊接调试。本论文的结构安排依据工作进度，主要是做了以下安排：第一章为总体绪论；先说明了本次论文的计设目的及意义，而后介绍了开关电源的发展及发展趋势，最后对本文总体构造进行了说明。第二章概述了本次设计

21、的DC-DC升压电源模块，设计思路，研发方向和技术关键以及主要技术指标。第三章介绍了系统整体方案以及系统的性能指标。第四章详细描述了DC-DC升压电源模块的构成，工作原理；并重点分析了Boost主拓扑电路设计与控制电路中的各参数设置，并详细介绍了其中用到的主要元器件，如UC3842，主要有引脚功能、适用范围，基本工作原理等。第五章详细描述了系统的制作与调试，误差分析以及系统的性能测试。最后总结了本文的设计工作。2 概述2.1 DC/DC开关电源概述DC/DC电压模块系统一般由主拓扑电路部分、开关管驱动部分和反馈闭环三部分构成。主拓扑电路部分：主要包括功率开关管、储能电感、续流二极管以及滤波电容

22、；开关管驱动部分：主要包括脉宽调制专用芯片以及必要的增强驱动功率开关管能力的电路；反馈闭环部分：主要包括采样输出电压以及误差放大电路5。图2-1所示的就是最基本的DC/DC开关电源系统。DC/DC变换电路输 入输 出反馈开关管驱动电路图2-1 最基本的DC/DC开关电源系统2.2 DC/DC开关电源设计思路本文课题在于对Boost电路构成的DC-DC开关电源进行设计。在设计过程中主要任务有以下几个方面：1）熟悉掌握DC/DC变换器的基本组成和DC/DC变换器的工作原理。2）对整个系统分模块进行理论分析，其中包括Boost变换主电路模块、脉宽调制驱动模块、反馈闭环模块。3）根据要求对电路进行设计

23、和元器件的选型，并且掌握每个元器件所起的作用，特别是电感磁性元件、UC3842所组成的脉宽控制电路。4）在进行电路布线时一定要注意元器件的布局、信号干扰、模拟电路与数字电路之间的相互影响等问题，在很大程度上决定着你的调试时间长短，最终结果正确与否。5）进行电路的调试，在这一环节一定要仔细分析问题的所在，比如是模拟电路还是数字电路问题、控制还是反馈问题等。只有正确查找出问题才能对症下药，可大大缩短调试时间。6）系统的功能性测试及其电路的优化，其主要有DC/DC的转换效率、输出电流等电源主要参数。通过这一过程让整个系统达到更好的效果。2.3 研发方向和技术关键6现代电子设备使用的电源大致有线性稳压

24、电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳管工作在开关状态。传统的稳压压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗大，电源效率较低。相对的，DC-DC开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需要。其功耗小，效率可高达70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（线性电源只有40%），自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点

25、，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。随着电子技术的飞速发展,集成电路工作电压越来越低,工作速度越来越高,输出电流能力越来越大，要求其供电电路小体积、低电压、高效率、大电流输出,这一趋势对供电电路的设计提出了严峻的挑战。目前，设计优秀的DC/DC电源转换器有高达95%以上的转换效率。较高的系统效率不仅可以延长电池使用周期,也可以进一步减小设备体积。经分析不难发现，DC/DC电源的系统效率一方面受限于电源系统本身的耗能元件，如电源内阻、滤波器阻抗、连接导线及

26、接触电阻等；另一方面与DC/DC电源转换器的工作状态和电源参数也有很大关系，合理地配置这些设计参数可以改善系统效率。电源内阻的耗能会使电源本身的效率降低，同时也影响到DC/DC电源转换器的输入电压，因而也影响DC-DC电源转换器的转换效率。在极端情况下，DC/DC电源转换器会进入非正常状态，严重时系统将完全停止工作，即使能正常工作也会严重损失系统效率。所以在设计中合理选择电源电压、减小电源内阻、正确选择DC/DC电源转换器的工作点可以有效地改善DC/DC电源的系统效率。DC/DC电源电源系统的优化设计关键在于正确分析电子设备各部分之间（尤其是电源和DC/DC电源转换器之间）的相互作用，找出影响

27、电源系统效率的主要因素。2.4 主要技术指标1、在输入电压15V-20V范围内输出电压在32-55V之间；2、最大输出电流达到1A；3、转换效率70%；3 总体设计3.1 系统整体方案7本次设计将做一个DC/DC升压电源模块，通过UC3842控制电路的控制来实现系统输出电压。在系统的硬件部分设计中，主要涉及到Boost拓扑结构电路、脉宽调制控制驱动电路、反馈闭环电路。系统结构框图如图3-1所示。UC3842振荡电路和补偿电路功率开关管S电流取样Rs反馈Vcc输出Vo整流滤波储能电感L输入Vi图3-1系统结构框图3.1.1 Boost斩波结构部分开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入

28、电压的功率开关器件和储能器件的不同配置。开关变换器的拓扑结构分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件“变压器”来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流）。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素选定的。DC/DC 拓扑的种类繁多，对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的拓扑结构是一项非常艰巨的任务。图3-2为本系统Boost拓扑电路图，开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现

29、输出电压的变化。电路结构较为简单，拥有开关电源固有的特性损耗较小，效率较高的特点8。图3-2 系统Boost拓扑电路图3.1.2 脉冲调制驱动部分脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比D实现对输出电压的调整。PWM技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此PWM技术普遍应用于通信技术中。PWM调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模式和电流模式8。（1） 电压控制模式传统PWM开关电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。图3-3为电压控制电路图：电源输出电压与

30、参考电压经误差放大器比较放大后，又经PWM比较器比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号变化的一系列脉冲，再驱动控制用的开关晶体管，使输出电压稳定。图3-3 电压控制电路图（2） 电流控制模式图3-4是电流控制电路图，它是一个双控制系统，既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分，又增加了一个反馈环节，它的电路工作原理是：与经误差放大器比较放大后得到 ，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通，电源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大，当电流在采样电阻RS上的电流信号电压VS幅度达到电平时，脉宽比较器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功率管关断，电路逐个的检测和调节电流脉冲，控制电源输出。

31、图3-4 电流控制电路图电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制，是独立变量，开关转换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对控制电路进行精心设计和计算，满足一定条件，方能使闭环系统稳定工作。开关电源的电流均流经电感，将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生90度延迟。因此，仅用电压采样的方法反应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，从而损坏功率器件，以致在推挽和全桥等电路中引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰，最终导致线路工作失常。电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的，它增加了电流反馈环，电感电流不再是

32、一个独立变量，从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。本系统即采用电流控制型的UC3842 作为主回路的控制芯片。根据UC3842的功能特点，结合Boost电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的升压DC-DC电路。该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，具有其他专用芯片难以实现的功能。另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时性好，可靠性高，不需要用到高速单片机9。如图3-5为UC3842控制芯片及周围电路。图3-5 UC3842控制芯片及周围电路3.2 系统性能指标本系统设计中，首先要完成的

33、就是实现直流输入电压在15V-20V范围内能够输出直流电压在32-36V之间可调。如果这一功能不能实现别的技术指标就不可能达到，这是实现全部技术指标的基础。因此，根据以上要求设计本系统的性能指标如下：（1）直流输入电压从15V到20V，直流输出电压在3255V之间；（2）最大输出电流Io=1A； （3）DC/DC转换效率大于70%；总之，通过上面的介绍，可以大体上了解整个系统的结构和工作原理，接下来将进行具体的电路原理图设计。4 硬件设计本系统主要以Boost为主拓扑电路、驱动以UC3842为脉宽调制芯片为主，它们共同构建起了整个DC/DC变换系统。4.1 Boost主拓扑电路设计本系统利用最

34、为简单可靠的Boost斩波结构，开关的开通和关断受外部PWM信号控制，电感L将交替地存储和释放能量，而电容C可将输出电压保持平稳，通过改变PWM控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。Boost升压电路可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM) 10。图3-2所示的是本系统的Boost拓扑电路。Boost拓扑结构升压电路基本波形如图4-1所示。开关管S漏极电压波形 Ton Toff ILon开关管S电流波形 ILp 电感L电流波形IL(ave) IL ILoff整流二极管D电流波形 Id(ave)输出电容C2电流波形Ic2(ave)Ic2 图4-1时，开关管S为导通状

35、态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降，即为。时通过L的电流增加部分满足式(1)。 （1）式中：为开关管导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和，约0.6-0.9V。 时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为，时，电感L两端的电压为+-，电流的减少部分满足(2)。 （2） 式中：为整流二极管正向压降，快恢复二极管0.8V，肖特基二极管0.5V。在电路稳定状态下，从电流连续后到最大输出，=，由式(1)和(2)可得 （3）因占空比

36、D=/T,即最大占空比 （4） 如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即 （5） 由式（4）和式（5）可得电感平均电流 （6）同时由式(1)得电感器电流纹波，式中：f为开关频率。 （7）为保证电流连续，电感电流应满足 （8）考虑到式(6)、式(7)和式(8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为 （9）另外，由Boost升压电路可知，开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值Ilp。 （10）开关管耐压 （11）二极管反向耐压 =- （12）4.2 控制芯片及外围电路采用UC3842 作为主回路的控制芯片。UC3842价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电

37、路设计中。根据UC3842的功能特点，结合Boost电路拓扑结构，完全可设计成电流控制型的升压DC-DC电路。该电路外接元器件少，控制灵活，成本低，具有其他专用芯片难以实现的功能。另外，给定电压的稳定主要由硬件电路完成，实时性好，可靠性高，不需要用到高速单片机，也随即降低了软件编写的难度。本系统控制驱动具体电路如图3-5所示。UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器。电流取样比较器和大电流图腾式输出，可以直接

38、驱动外部功率开关管，所以是驱动功率MOSFET的理想器件。其他的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电路限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。有16V（通）和10V（断）低压锁定门限，十分适合于离线变换器，这里采用DC输入直接给芯片供电11。UC3842管脚如图4-2所示，其功能说明如表4-1。87654321图4-2 UC3842管脚图表4-1 UC3842管脚功能介绍管脚功能说 明1补偿该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿2电压反馈该管脚是误差放大器的反向输入，通常一个电阻分压器连至开关电源输出3电流取样一个正比于电感器电流的电压接至此输入，脉宽调制器使用此信息中止输出

39、开关的导通4通过将电阻连接至以及电容连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调，工作频率可达500KHZ5地该管脚是控制电路和电源的公共地6输出该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1A的峰值电流经此管脚拉和灌7该管脚是集成电路的正电源8该管脚为参考输出，它通过电阻向电容提供充电电流UC3842是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5V（通）和7.6V(断)，其主要特性有： 1）微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比2）电流模式工作到500千赫 3）自动前馈补偿4）锁存脉宽调制，可逐周限流5）内部微调的参考电压，带欠压锁定6）大电流图腾柱输出7）欠压锁定，带滞后8）低启动和工作电流如图4

40、-3所示为UC3842内部结构及工作原理图。其中内部误差放大器与电流检测比较器的输入设计将直接影响系统的整体稳定性，因此在设计好之后调试过程中也要非常注意。 图4-3 UC3842内部结构及工作原理图这种电流型控制电路的主要特点是：（1）输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率；（2）电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易设置控制环路，改善了线性调整率；（3）电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定

41、输出大小的因素，在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应，特别是占空比，50的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即使占空比小于50，也可能发生高频次谐波振荡，因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 （4）简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地工作；UC3842芯片的振荡频率估算公式为： （13）上式中，取10k，取1.5nF，理论计算出来的频率值为116KHz，但由于电容值不准确，实际值92KHz。还可以通过增加外补偿网络和斜坡补偿大大加强系统稳

42、定性。5 系统的制作与调试5.1 系统电路的布局和布线12当我们设计好系统的电路原理后，接下来的工作就是要进行排版布线。虽然软件具有自动布局、布线的功能，但是要想有好布局和布线还是手动较好。元件布局直接影响着布线难度以及系统稳定性，电源的PCB布局主要注意以下几方面：1、按电路模块进行布局，实现同一功能的相关电路称为一个模块，电路模块中的元件应采用就近集中原则，同时数字电路和模拟电路分开；2、定位孔、标准孔等非安装孔周围1.27mm 内不得贴装元、器件，螺钉等，安装孔周围3.5mm、4mm内不得贴装元器件；3、电阻、电感、电解电容等元件的下方避免布过孔，以免波峰焊后过孔与元件壳体短路；4、元器

43、件的外侧距板边的距离为5mm；5、贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；6、金属壳体元器件和金属件不能与其它元器件相碰，不能紧贴印制线、焊盘，其间距应大于2mm。定位孔、紧固件安装孔、椭圆孔及板中其它方孔外侧距板边的尺寸大于3mm；7、发热元件不能紧邻导线和热敏元件；高热器件要均衡分布。在布版时，一定要先确定各个元器件的型号及封装，然后画原理图时，尽量能找到同型号器件，不一样时标记一下。PCB布局布线的好坏对系统性能的稳定性影响很大，这一点在高频电路中尤为突出，所以，在进行电路布线时一定要注意以下几点：1、模拟地和数字地应分开单点接地，直接可以通过一个磁珠链接，这样可以避免数字

44、信号和模拟信号的相互干扰；2、信号线改变方向时应该走斜形、曲线，避免出现直角、锐角；3、元器件引脚之间尽量走短线，线越短电阻越小，干扰越小；4、旁路去耦电容要尽量靠近芯片引脚；5、回路面积要小，大电流走线要短而粗。5.2 电路板的制作1、打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来，注意滑的一面面向自己，一般打印两张电路板，即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。图5-1是打印好的电路板图。图5-1 打印好的电路板图2、裁剪覆铜板,用感光板制作电路板全程图解 。覆铜板，也就是两面都覆有铜膜的线路板，将覆铜板裁成电路板的大小，不要过大，以节约材料。3、预处理覆铜板。用细砂纸

45、把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。4、转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热，温度设定在160-200摄氏度，由于温度很高，操作时注意安全！5、腐蚀线路板,回流焊机。先检查一下电路板是否转印完整，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。接下来，将压制好的铜板放入FeCl3溶液中进行腐蚀，为了加快腐蚀的速度，我们可以适当

46、提高FeCl3的浓度以及提升溶液的温度，并来回的摇动容器，腐蚀的时间过长或过短都会造成腐蚀的效果不好，等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将线路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。6、线路板钻孔。依据电子元件管脚的粗细选择不同的钻针，打孔的钻头一定要与焊盘孔相匹配，否则，会是焊盘掉落，对电路的正常工作带来影响，在使用钻机钻孔时，线路板一定要按稳，钻机速度不能开的过慢。7、线路板预处理。钻孔完后，用细砂纸把覆在线路板上的墨粉打磨掉，用清水把线路板清洗干净。水干后，用松香水涂在有线路的一面，为加快松香凝固，我们用热风机加热线路板，只需2-3分钟松香就能凝固。8、焊接电子元件。焊接完

47、板上的电子元件，通电。5.3 系统组装系统组装过程中，首先就是元器件的焊接，元器件的焊接按从低到高，从小到大的原则。在元器件焊接之前应该先在电路铜线上上一层松香，防止铜暴露在空气中被氧化，以便于焊接；在焊接过程中焊锡量要用得当，过多造成不必要的浪费，过少有可能造成虚焊；元器件焊完后，可以给发热量大的元器件装上散热片，这样可以延长元器件的寿命，增加系统稳定性。最后还可以给电路板安装底座。通过以上步骤，一个完整的硬件电路部分就差不多完成了，此时还可以用万用表再检查确认一下是否有元器件漏焊、焊错的情况，以确保电路的正确性，防止在上电以后造成短路电路的烧毁。5.4 硬件电路的调试5.4.1 Boost

48、电路调试这部分主要包括输入输出电容、电感、续流二极管和MOS管这四个元器件。如图5-2 Boost主电路所示。图5-2 Boost主电路（1）MOS管13输出电压输入电压的关系为，为MOS管导通比。在系统运行过程中会发现MOS管是整个系统的发热源之一。开关频率对MOS管的损耗有很大影响，频率越高，损耗越大，MOS管发热也就越严重，为此本系统选择了30KHz为开关频率，以降低开关损耗也就提高了系统效率。通过测试比较这里选用IRF540作为系统中的MOS管，其能够承受的最大电压为100V，最大电流为23A，导通电阻仅为77m。 假设MOS管的开通和关断的重叠时间相同，均为 ，则一个开关周期内MOS

49、管的平均损耗为： （14）其中Ts为开关周期，为开关频率，为MOS管关断期间加在它两端的电压，Is为晶体管导通期间流过的电流。由上式可知，MOS管的开通关断损耗与开关频率成正比，适当降低开关频率有助于降低系统功耗。在输出电压30V，电流2A时，认为t与3842振荡器的死区时间相等，即t=td=300CT时，此时PSW=2.1W，对于效率的影响是3.5%。由此可见，MOS管的开关损耗对系统效率的影响较大。（2）储能电感L根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式（1）得当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式（9）同时考虑在10%额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假

50、设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的20%-30%,因增加可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而需增大输出电容，取30%为平衡点，即 （15）由式（7）、式（15）可得L=流过电感L的峰值电流由式（10）得L可选用电感量为140-200uH且通过5A以上电流不会饱和的电感器。电感的设计包括磁性材料、尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线径大的导线绕制电感能有效降低电感的温升。一旦电感值选定，电感的类型也必须被选定。一般来说，高效率

51、的变换器无法承受低成本的铁粉芯线圈损耗，这迫使我们不得不去使用更贵的铁酸盐或钼材料芯体。实际上，对于一个确定的电感器，芯体损耗与芯体大小无关，而与其自感系数有很大关系。当自感系数增加时，芯体损耗会减小。然而，当自感系数增加时，需要更多圈的金属丝，因此铜耗会增加。实际测得的L电感量如下图5-3所示。图5-3 电感量值L（3）输出取样电阻,因UC3842的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5V，可知输出电压，根据输出电压可确定取样电阻,的取值。（4）输出二极管D和输出电容C2升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相反方向的电压，并传导负载所需的最大电流。二极管峰值电流，本电

52、路可选用6A/50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。电容的。另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足下式根据计算出的ESR值和电容量值选择电容器，由于低温时ESR值增大，故应按低温下的ESR来选择电容，因此，选用560UF/50V以上频率特性好的电解电容可满足需求。5.4.2 脉宽调制电路调试由UC3842组成的脉宽调制电路的稳定性决定着系统能否正常输出电压。开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感储存

53、能量并释放能量。实际计算的取10K，取3300uF，但是在实际中的发现，由于元器件误差的存在，实际只有38KHZ。当UC3842的脚3电压升高超过1V或脚1电压降到1V以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位14。根据UC3842的关闭特性，可以很容易在电路中设置过压保护电路。本电路中与MOS管串联的小于0.1电阻就可以起到MOS管过流保护的作用，其上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚3达到1V时就会出现限流现象，所以整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量，就能保证稳压电路工作稳定，又能降低成本。（1）外补偿网络UC3842误差放大器的输出端脚1与反向输

54、入端脚2之间接补偿网络、。、的取值取决于UC3842环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变、的值可改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿，可测试环路的稳定度，测量脉动时输出端电压的瞬态响应来加以判断。（2）斜坡补偿在实用电路中，增加斜坡补偿网络，一般有二种方法，一是从斜坡端脚4接补偿网络、至误差放大器反相输入端脚2，使误差放大器输出为斜坡状，再与上感应的电压比较。二是从斜坡端脚4接补偿网络、到电流感应端脚3，将在的感应电压上增加斜坡的斜率，再与平滑的误差电压进行比较，作用是防止谐波振荡现象，避免UC3842工作不稳定，同时改善电流型控制开关电压的噪声特性。本设计采用方法二。（3

55、）R、C滤波电路15由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842的误动作，在取样点到UC3842的脚3间加入R、C滤波电路，R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间。加入滤波电路后端的波形已无明显电流尖峰脉冲，如图5-4所示。图5-4 加入滤波电路后端波形图最后当输出为32V时，接100欧姆负载，对UC3842的脚6输出的PWM波占空比进行测试，如下图5-5所示。图5-5 输出PWM波的测试5.5 系统测试误差分析通过上面的测试后，可以对系统的性能有一个大概的了解。下面就测试结果的误差做一个简要分析：（1）系统中转换器的精度以及

56、元器件如电阻，电容，电感的精度对于系统也有一定的影响，因此该系统中，可以进一步改善系统的性能。（2）电压表和电流表的精度以及示波器的测量环境也会对系统误差产生较大影响。5.6 系统性能测试在系统正常工作的情况下，对系统整机性能进行测试。在保证系统稳定工作的情况下使用水泥电阻进行了系统输出电压，输出转换效率以及输出电流的测试。 在所有测试进行之前，首先应该对芯片内正向输入端基准电压进行测试，因为此基准电压的输出正确与否直接影响最后输出的电压值，而没有准确合理的输出电压根本不可能对系统进行其他性能指标的测试。经测试后，该基准电压值为2.499V，与理论值2.5V已非常接近。接下来首先对R1,R2进

57、行取值。当R1取33K，R2取3K时，随着输入电压在15-20V之间内的变化，输出电压稳定在32V左右，如表5-1所示输出电压测试。表5-1 输出电压测试(v)1515.51616.51717.51818.51919.520(v)32.132.132.232.232.232.132032031.931.932.0当R1取33K，R2取2K时，随着输入电压在15-20V之间内的变化，输出电压稳定在45V左右，所以只要改变R1，R2的取值根据公式可以改变输出电压值。有了稳定的输出电压，接下来可以测试系统的转换效率了。调节滑动变阻器R1使得空在输出维持在32V，此时外接负载电阻，测试系统转换效率如表

58、5-2所示。表5-2 系统输出32V时的转换效率测试 (v) (A) (v)负载电阻转换效率17.00.2631.830076.26%17.00.3031.825079.31%17.00.3931.720075.78%17.00.5131.715077.27%17.00.7731.610076.28%17.01.3228.85073.93%调节滑动变阻器R1使得空在输出维持在36V时，外界负载电阻测试系统转换效率如表5-3所示。表5-3 系统输出36V时的转换效率测试 (v) (A) (v)负载电阻转换效率17.00.3435.830073.91%17.00.4035.825075.39%17.00.5035.720074.97%17.00.6435.615077.66%17.01.0135.410073.72%17.01.2829.25078.37%根据以上测试结果可知本系统可以基本实现下达的技术指标，最终系统技术指标的测试结果如下表5-4所示。表5-4 系统技术指标的测试结果基本要求测试结果输入电压15-20V内，输出电压在32-36V之间可调随着改变R1,R2的比值，输出电压可以实现25-55V之间内可调DC/DC转换效率70%根据测试结果，转换效率介于73%-79%之间，最高可达79.3%输出电流最大达到1A根据测试结果，输出电流到达1A时，输出电压下降明显最后分析