基于UC3843控制的充电器电路设计论文

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1、 . . . 本科毕业设计(论文)中文题目：基于UC3843控制的充电器电路设计 英文题目：THE CHARGER CIRCUIT DESIGN BASED ON UC3843 CONTROL 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名：

2、 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声

3、明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 与格 不与格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 与格 不与格3

4、、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 与格 不与格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 与格 不与格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优

5、 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日42 / 46评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格建议成绩：优 良 中 与格 不与

6、格（在所选等级前的画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）与教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 与格 不与格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 与格 不与格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 与格 不与格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规？ 优 良 中 与格 不与格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订与附件）？ 优 良 中 与格 不与格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 与格 不与格2

7、、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 与格 不与格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 与格 不与格评定成绩：优 良 中 与格 不与格（在所选等级前的画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要最近几年，随着电子产品的大量推入市场，可充电电池的性能在某些方面有所提高。只有正确的维护好电池的特性，才能充分发挥充电电池的优势。而且能为充电电池充电的电源有许多种。本课题是设计基于UC3843构成的80W充电器 ，主要由开关电源电路、EMI抑制电路、反激式直流转换电路、输出整流滤波与隔离电路和电池电压状态显示电路

8、等组成，能达到的技术性能如下：输入电压为90264V，输出电压为44V/1.82A，具有恒压恒流特性，同时具有体积小、转换效率高等优点。关键词: 充电器 单片机 开关电源ABSTRACTIn recent years, along with the large electronic products into the market, the rechargeable battery performance in some areas of improvement.Only the correct maintenance of the characteristics of the battery

9、, in order to give full play to the advantages of charging battery.But also for charging a rechargeable battery power source has many kinds.This topic is based on UC3843 80W charger, mainly by Switch power supply circuit,the EMI suppression circuit, flyback DC conversion circuit, an output rectifier

10、 filter and isolation circuit and battery voltage state display circuit, can meet the technical performance are as follows: the input voltage 90264V, output voltage 44V/1.82A, with constant voltage and current characteristics, at the same time has small volume, high conversion efficiency.KEYWORDS:Ch

11、arger Single-chip Switch power supply目 录1 绪论51.1 课题背景与意义51.1.1 充电器概念和国发展现状51.1.2 充电器的特点51.1.3 充电器模式选择61.2 充电器的发展趋势61.3 课题研究的目的和意义71.3.1 课题研究的目的71.3.2课题研究的意义82 充电器的概述92.1 充电电池的特性92.2 开关电源103 充电器的总体设计123.1 充电器实现的功能与技术指标123.2 充电器控制电路设计123.3 硬件电路的设计133.3.1 电源电路133.3.2 输出电压电流检测控制电路223.3.3 输出整流滤波与隔离电路的设计2

12、83.3.4 电池电压状态显示电路323.3.5 总体电路的设计与工作原理334 总结355 技术经济分析报告36致38参考文献391 绪论1.1 课题背景与意义1.1.1 充电器概念和国发展现状充电器通常指的是一种将交流电转换为低压直流电的设备。充电器在各个领域用途广泛，特别是生活领域被广泛用于手机，相机等常见电器。充电器是采用电力电子半导体器件，将电压和频率固定不变的交流电变换为直流电的一种静止变流装置。在以蓄电池为工作电源或备用电源的用电场合，充电器具有广泛的应用前景。充电器有很多，如铅酸蓄电池充电器、阀控密封铅酸蓄电池的测试与监测、镉镍电池充电器、镍氢电池充电器、锂离子电池充电器、便携

13、式电子设备锂离子电池充电器、锂离子电池保护电路多功能充电器、电动车蓄电池充电器等。充电器的用途十分广泛，许多数码产品如手机、数码相机等都配有充电器，除了数码产品以外，在我国普遍使用的一些交通工具也配有充电器。最近几年，伴随着电子产品在我国市场的热销，我国充电器行业得到了迅速的发展。根据调查研究，在我国的充电器市场上手机、数码相机、笔记本电脑、电动自行车这四种产品的充电器已经占据了整个充电器市场份额的90%以上。1.1.2 充电器的特点如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能，小尺寸，重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求要实现快速安全的充电。因此需要对充电过程进行更

14、精确的监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并且防止电池损耗。同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。目前各种电器使用的充电电池主要有镍镉电池，镍氢电池，锂电池和密封铅酸电池四种类型。然而电池是一种化学电源，是通过能量转换而获得电能的器件。而可以反复使用的电池，它又称为可充电电池或蓄电池。当对充电电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。所以针对这些电池的特点，以单片机为控制芯片，结合国外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的智能充电器，以达到最佳的充电效果，使智能充电器具有良好的性能指标，电路简单可靠。1.1.3 充电器模式选择恒流充电

15、电流：要考虑电池的实际容量、阻、以与对充电时间的要求等多项因素，电流的大小决定着充电时间的长短，使用小电流充电的好处是：有利于电池在使用较长时间后，保证充电质量，以与夏天充电时，使单位时间产生的热量降低，减少热失控，有利于降低输出功率，减少充电器的制造成本。但是过小的电流又会影响到充电的时间。 恒压充电电压：它是比恒流充电电流重要得多的参数，因为它不能像恒流充电电流那样，在较宽围调整，确定这个参数首先需要兼顾被充电池的以下情况：电池在充电时，正极上的析氧速率与施加的充电电压成正比，当氧的析出大于还原时，产生水化；当用户使用中不能与时充电，会导致电池硫酸盐化。提高充电电压是解决硫酸盐化的常用方法

16、，但较大提高充电电压又会产生失水。因此，在设计恒压充电电压时，同时要考虑抑制失水和抑制硫酸盐化两个问题。涓流充电电流（恒功率充电电流）：以恒压充电阶段中，电流的变化为参数，当电流小到某一设定值以下时，充电器切换到涓流充电阶段，充电电流会随着充电过程逐渐减小，当小到一定程度，电流将会恒定，不再下降，此电流是与环境温度高低与电池新旧程度有关的动态值。因此从涓流充电开始定时，延时一定时间后停止涓流充电，以在保证电池充满的前提下，从根本上杜绝电池热失控的发生。本课题是在以上三种充电方式的基础上加以改进，结合这三种充电方式的特点，是在充电过程中不同阶段采取不同充电方式的充电模式。1.2 充电器的发展趋势

17、 充电器的发展经历了三个阶段: （1）限流限压式充电器最原始的就是限压式充电，然后过渡到限流限压式充电，它使用的方式就是浅充浅放，寿命较短。 （2）恒流/限压式充电器 这是充电器发展的第二阶段，这种模式的充电器占据了充电器市场近半个世纪。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。这种充电器充电电流总是低于电池的可接受能力，造成充电效率低，大大降低了电池的寿命。 （3）自适应智能充电器 随着大规模集成IC的出现，充电设备进入了一个全新的自适应、智能阶段，即称为第三代充电器。自适应充电器遵循各类电池的充、放电规律进行充、放电。并

18、且具有温度补偿功能。充电系统由单片机控制，不断检测系统参数，按模糊推理算法不断调整充电参数，同一充电器可适应不同种类电池的充电，充电器自适应调整自己的输出电流，无需人工选择，避免操作失误。采用单片机技术的智能充电器在我国的研究发展比较晚，因其体积小、动态响应速度快、输出纹波小、效率高等特点，近年来得到国外的广泛研究与关注，特别在通信、电力等领域中，己经得到了普遍的研究与使用。 而国外市场大部分充电器均采用Wa、WaWo、U&U等充电曲线方式，充电方式更科学、合理，从而大大提高了蓄电池的使用寿命，大大降低了使用和维护成本，简化了充电过程，解放了操作人员的劳动强度，市场前景非常广阔。近年来，国外人

19、士正致力于充电器的智能化研究，智能化程度较高的充电器解决了动态跟踪电池可接受充电电流曲线的技术关键，使充电电流始终与可接受充电电流保持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下进行，比常规充电模式可节约电能30%-50%左右，提高了充电质量和效率。1.3 课题研究的目的和意义1.3.1 课题研究的目的如今，随着越来越多的手持式电器的出现，对高性能，小尺寸，重量轻的电池充电器的需求也越来越大。电池技术的持续进步也要求要实现快速安全的充电。因此需要对充电过程进行更精确的监控，以缩短充电时间，达到最大的电池容量，并且防止电池损耗。同时，对充电电池的性能和工作寿命的要求也不断地提高。然而电池是一种化学

20、电源，是通过能量转换而获得电能的器件。而可以反复使用的电池，它又称为可充电电池或蓄电池。当对充电电池充电时，电能转变为化学能，实现向负荷供电，伴随吸热过程。 所以针对这些电池的特点，以单片机为控制芯片，结合国外现行的各种充电技术和充电器设计方案，设计一款基于单片机控制的充电器，以达到最佳的充电效果，使充电器具有良好的性能指标，电路简单可靠。1.3.2课题研究的意义随着电子技术的发展,芯片体积小型化与其价格的降低，智能充电器大规模的批量生产已经成为可能。而智能充电器具有操作简单、可靠性高和通用性强等优点，是充电器家族中一个重要的组成部分，也是未来充电器发展的主要方向。因此，对充电器智能化的研究与

21、应用具有深远的现实意义。2 充电器的概述2.1 充电电池的特性最近的十年、可充电式电池的性能在某些方面有所提高。只有正确地维护好电池的特性，才能充分发挥充电电池的优势。能为充电电池充电的电源有许多种。通常可充电式电池有三种常用的方法：恒压源；恒流源；恒功率源.恒压源的主要缺点在于当电池电压处于耗尽时开始充电时瞬间会产生一个大的冲击电流，充电电流只流过部的阻抗。输出特性关系如图2-1(a)所示。当电池电压处于耗尽时开始充电，采用电流源能解决这个问题，但当不接负载时产生的电流为无穷大，因此不能依靠新的输出电压来给电池充电。输出特性关系如图2-1(b)所示：恒功率源往往没有类似的缺点，它即可看作恒压

22、源的电流，又可看作恒流源的电压。输出特性关系如图2-1(c)所示。 a b c 图2-1 充电电池的典型输出特性曲线图（a） 恒压源；（b）恒流源；（c）恒功率源充电电池最好的输出特性似乎是结合了恒压源和恒流源的特性。在另一方面，许多适当的充电特性更趋于具有恒流源有电压限制或恒压源有电压限制的特性。理想的电池充电特件最好具有矩形特性，如图2-2所示。给电池充电最好的方式是使用高效率的开关电源架构，开关电源具有体积小，动态响应快，转换效率高等优点。图2-2 理想的矩形充电电池特性2.2 开关电源开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已以为稳压电源的主流产品。近20多年来，集成

23、开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化；第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛应用。开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图2-3所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压Ur比较，误差电压放大与脉宽调制（PWM），再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的

24、目的。开关电源的核心部分DC/DC变换器有多种电路形式，常用的工作波形为方波的PWM变换器以与工作波形为准正弦波的谐振型变换器。对于串联性稳压源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。调高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用调高开关频率、降低输出滤波器LC体积的方法来改善瞬态响应特性。图2-3 开关电源的基本构成方框图3 充电器的总体设计3.1 充电器实现的功能与技术指标(1) 充电保护：在充电过程中，能够自行调节输出电

25、流与电压，保证充电电压在44V左右；(2) 充电显示：通过LED灯的闪烁，能够显示当前的充电状态；(3) 技术指标：输入电压是90-264V （AC）；输出电压是44V/1.82A；效率是86%；输出特性是恒压、恒流输出，近似于矩形输出特性。3.2 充电器控制电路设计根据要求和技术指标，本设计研究的充电器主要是为了实现对充电过程的保护，充电状态显示，本充电器的设计包含五部分，即电源电路、输出整流滤波与隔离电路、检测控制电路与充电状态指示电路。充电器控制原理方框图如图3-1所示检测控制电路 电源电路充电状态指示电路输出整流滤波与隔离电路 电池图3-1 充电器控制原理方框图 3.3 硬件电路的设计

26、3.3.1 电源电路电源电路是由EMI抑制电路、桥式整流与滤波电路组成（图3-1）。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中，常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流电路等。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以与由电感、电容组合而成的各种复式滤波电路。该电路是将市电220V由输入端输入，经D1-D4桥式整流变成脉动直流，再经C2滤波将脉动直流转换成直流电压。图3-1 电源电路图3.3.1.1 EMI抑制电路我们知道之所以会产生

27、EMI干扰，是因为在开关电源中，电压和电流的突变。即高dv/dt和di/dt、是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于两点： (1)尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理布局。 (2)通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以与提高电源的EMS。 开关电源的EMI干扰源集少体现在功率开关管、整流二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。 (1)功率开关管。功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干

28、扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。 (2)高频变压器。高频变压器的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。 (3)整流二极管。整流二极管的EMI来源集个体现在反向恢复特性上。反向恢复电流的断续点会在电感(引线电感、杂散电感等)产生高dv/dt从而导致强电磁干扰。 (4)PCB布线。准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB布线的优劣直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。从EMl产生的机理来分析，仅仅是简单地将电容从电路个移除或减小其数值一般情况不太可行，因为这样做会显著增加EMI。而在电路中增加共模扼流圈或其他滤波元件又会增加成本。因此，我们

29、必须将注意力集中到如何降低EMI电流上。 目前已有一些减小共模EMI电流的方法。尽管在变压器绕线层之间使用带状物增加线层间距离可以减小层间电容，但单独使用这一方法只能很有限地减小EMI电流。长期以来也在工频变压器中一直应用屏蔽绕组来降低噪声与耦合，在开关变压器中这一方法同样有效。在开关变压器中使用屏蔽绕组是降低共模EMI电流最合效的方法，而且对电源总体成本的影响最小。在这里我们采用交流输入，而交流输入分为低频段差模骚扰和高频段共模骚扰。所以在交流输入端采用适当的滤波器，可以很有效的抑制干扰。本设计由C1、CY1、CY2、R1、R2和L1组成输入回路EMI抑制电路(图3-4-1-1-1)。差模电

30、容用来短路差模噪声电流，而接地的电容是用来短路共模噪声电流。R1，R2是泄放电阻。图 3-2 EMI抑制电路图3.3.1.2 单相整流电路(1) 单相桥式整流电路1)工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3-3（a）所示。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3-3（a）的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图3-3（b）。2)

31、参数计算根据图3-3（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。（a）桥式整流电路（b）波形图图3-3 单相桥式整流电路图与波形图流过负载的平均电流为:式（3-1）流过二极管的平均电流为:式（3-2）二极管所承受的最大反向电压:式（3-3）流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。式（3-4）式（3-5）3) 单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系该曲线如图3-4所示，曲线的斜率代表了整流电路的阻。图3-4

32、单相桥式整流电路的负载特性曲线图(2) 单相半波整流电路单相整流电路除桥式整流电路外还有单相半波和单相全波两种形式。单相半波整流电路如图3-5(a)所示，波形图如图3-5(b)所示。根据图3-5可知，输出电压在一个工频周期，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为:式（3-6）流过负载和二极管的平均电流为:式（3-7）(a)电路图(b)波形图图3-5 单相半波整流电路图二极管所承受的最大反向电压 (3) 单相全波整流电路单相全波整流电路如图3-6(a)所示，波形图如图3-6(b)所示。(a)电路图(b)波形图图3-6 单相全波整流电路图根据图3-6（b）可知，全波整流电

33、路的输出电压与桥式整流电路的输出一样。输出平均电压为:式（3-8）流过负载的平均电流为:式（3-9）二极管所承受的最大反向电压：式（3-10）单相全波整流电路的脉动系数S与单相桥式整流电路一样。式（3-11）通过对比可知，单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。因此，设计中采用单向桥式整流电路对交流电压进行整流，从而得到脉动直流。3.3.1.3 滤波电路滤波电路中整流电路输出的直流电压脉动大，仅适

34、用于对直流电压要求不高的场合，如电镀、电解等设备。而在有些设备中，如电子仪、自动控制装备等，则要求直流电压非常稳定。为了获得平滑的直流电压，可采用滤波电路，滤除脉动直流电流中的交流部分，滤波电路常由电容和电感组成。(1) 容滤波电路1) 电路的组成现以单相桥式整流电容滤波电路为例来说明。电容滤波电路如图3-7所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图3-7 电容滤波电路图2) 电容滤波电路工作原理 若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦波。 当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以

35、指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图3-8。图3-8 电容滤波电路波形图需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤

36、波的效果不好，见图3-9滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。图3-9 电容滤波的效果图3)电容滤波电路参数的计算滤波电容C的大小取决于放电回路的时间常数，RLC愈大，输出电压脉动就愈小，通常取RLC为脉动电压中最低次谐波周期的3-5倍，即 式（3-12）式中T为交流电源电压的周期。电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅，一般常采用以下近似估算法：一种是用锯齿波近似表示，即：式（3-13）另一种是在RLC=（35）的条件下，近似认为VO=1

37、.2V2。式（3-14）4) 电容滤波电路的外特性图3-10 电容滤波外特性曲线图整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图3-10所示。此外，对滤波电容器的选择除电容量外，还有耐压值。一般耐压值取（1.5-2）V2.。(2) 滤波电路利用储能元件电感器的电流不能突变的性质，把电感与整流电路的负载L相串联，也可以起到滤波的作用。桥式整流电感滤波电路如图3-11所示。电感滤波的波形图如图3-12所示。当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将更换经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D

38、4的导电角都是180。图3-11 电感滤波电路图图3-12电感滤波电路波形图通过对比可知，电容滤波的特点为结构简单、输出电压高、脉动小。在接通电源的瞬间，将产生强大的充电电流，这种电流称为“浪涌电流”；同时，因负载电流太大，电容器放电的速度加快，会使负载电压变得不够平稳，所以电容滤波电路适用于负载电流较小的场合。而本次设计恰是将整流桥送出的脉动直流经电容滤波转换成近似直流电压，故选用电容滤波电路。所以在电源电路中采用了单相桥式整流电路与滤波电路如图3-12。图3-13 单相桥式整流电路与滤波电路图3.3.2 输出电压电流检测控制电路输出电压电流检测控制电路是以UC3843为核心的电路（图3-1

39、4）。当电源首次接到高压时，电阻R3、R4给电容C5充电，当C5电容的充电电压Ucc达到某个值时，ICl(UC3843)将启功工作。传统Ucc电路的启动电阻连接在直流母线上，而本设计将启动电阻R3、R4直接连接到交流输入端。因为当输入高电压时，在启动电阻上存在着较大的功耗，因此将其改接到交流端则功耗至少减少了12、极少的几个开关周期后，芯片将由辅助绕组供电。在输出短路时，辅助绕组电压将会跌落，UC3843将会周期性进入启动模式。图3-14 输出电压电流检测控制电路图以上电路主要用到光耦和UC3843，所以我们将对主要元器件进行选型。(1) 光电耦合器把发光器件和光敏器件按适当方式组合，就可以实

40、现以光信号为媒介的电信号变换。采用这种组合方式制成的器件称为光电耦合器。光电耦合器一般制成管式或双列直插式结构，由于发光器件和光敏器被相互绝缘地分置于输入和输出回路，故可实现两路间的电气隔离。光电耦合器既可用来传递模拟信号，也可作为开关器件使用，也就是它具有变压器和继电器的功能。但光电耦合器的体积小、重量轻、寿命长、开关速度比继电器快，且无触点、耗能少。与变压器相比，工作频率围宽，耦合电容小，输入输出之间绝缘电阻高，并能实现信号的单方向传递。光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。 常用的

41、4N系列光耦属于非线性光耦；线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 常用的线性光耦是PC817AC系列。开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：1) 光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠；2）在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电

42、耦合器却很容易实现；3) 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题；4) 光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大；5) 线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以与优良地电隔离性能；6)光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以与用于A/D电路等多种场合。本次设计选用的光耦即为PC817AC系列。由于它具有隔离控制作用，故能够有效的保护场效应管，控制充电过程中电压的变化。（2）UC3843UC3843是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需要最少外部元件

43、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，是驱动功率MOSFET的理想器件。其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。UC3843方框图和管脚连接图如图3-15和图3-16所示。图3-15 UC3843方框图图3-16 管脚连接图这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料表面贴装（S0-14）。S0-14封装的图腾式输出级有单独的电源和接地管脚。其管教功能说明如表3-1所示表 3-1 UC3843管脚功能说明通过以上的理解，本设计采用8脚的UC3843。

44、因为UC3843的3脚过流保护动作电压是1V，因此电流检测电阻R9可按下式计算：R9=1V/Ippk=1.0V/2.928A=0.34式（3-15）考虑到电路在冷启动时可能存在的冲击电流，因此选用0.34/2W 标准电阻。在电路工作时，R13这个电阻也有非常重要的功能。如果不接，出于负载的增加引起输出电压的跌落，这个跌落的值(幅度)将会超出期望值。理由如下：当电源满载(额定负载.最低输入电压)，二极管的电流为零(光耦的晶体管部分也为零）。电压调整器TL1（TL431）的阴极需要颐一个电流（最小为1mA）来维持自身部的电压基准。阴极电流的减少会导致基准电压的减少，使输出电压也跟着减少使得输出特征

45、不符合设计指标。阴极电流必须给足1.5mA，通过R13阴值为：式（3-16）所以R13选1K的电阻。(3) 场效应管场效应晶体管简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件。它具有输入电阻高（100M1 000M）、噪声小、功耗低、动态围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点。可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。场效应管可以用作电子开关。场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源。 场

46、效应晶体管可分为结型场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型，P沟耗尽型和增强型四大类。下面将对场效应管的特性进行比较，如表3-2所示。表3-2 各种场效应管特性比较图结构种类工作方式符号电压极性转移特性iD = f (vGS)输出特性N沟道MOSFET耗尽型-+增 强 型+P沟道MOSFET耗尽型+-增强型-P沟道JFET耗尽型+-场效应管和三极管的功能、作用一样，可以用于放大、振荡、开关电路。本次设计选择N沟道场耗尽型场效应管。不同于增强型场效应管的是它在制造时，就在二氧化硅绝缘层中加入大量正离子，因正离子的作用，栅源极间电压VGS=0时，耗尽型MOS

47、管中的漏源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在VGSVT时才出现导电沟道。故只要加上正向电压VDS，就有电流。电路中场效应管通过导通与关断控制变压器的振荡周期，达到一个稳定的状态。根据输入条件，我们可以计算：DC输入电压：Uin(min)=1.414Uin(min)AC=1.41490=127VDCUin(max)=1.414Uin(max)AC=1.414264=374VDC式（3-17）输入最大平均电流：Iin-av(max)=Pout/(Uin(min)=80W/(0.86127V)=0.732A式（3-18）所以开关管V1用雪崩电压为600V的MOSFET。开关管的开关电压由输入

48、电压和变压器一次线圈的反激电压组成。反激电压上升沿的振铃是出变压器的漏感引起的，振铃可以认为是阻尼振荡。阻尼振荡的振幅被认为是存储在漏感中的能量。振铃由RCD网路来抑制。即使有抑制，振铃的第一个半波也是很危险的。这种抑制器的振幅有50V，所以这个电压会叠加在开关上。另外再提供50V的裕量，以保证开关管的可靠性。根据上面的叙述，我们可以得到一个适当的反激电压：Uflbk=Umos-Uin(max)-100V=600V-373V-100V=127V式（3-19）因为这个值非常接近最小输入电压，考虑电路计算的方便，这里令它们相等：Uflbk=Uin(min)=127V反激电压值的占空比约为：Dmax

49、=Uflbk/(Uflbk+Uin(min)=127V/(127V+127V)=0.5式（3-20）最大输入峰值电流：Ippk=2Iin-av(max)/Dmax=20.732A/0.5=2.928A式（3-21）所以为 EMI 考虑最大工作频率为70KHz。3.3.3 输出整流滤波与隔离电路的设计 输出整流滤波与隔离电路有T1、VD8、Cl2、C13、C14、L2、R15、R19和VD9组成（图3-17）。VD8是输出整流快恢复二极管；Cl2、C13、C14、L2是输出型滤波电路；VD9是输出隔离二极管，防止当电池充满电后电压倒灌回电路。因被充电电池在充满电后端电压不可能超过63V，为了减小

50、在隔离二极管上的功耗，可选用低功耗的肖特基二极管。由电池的充电特性可知，在电池充电的初期，提供一个较大的充电电流使电池的极板能被快速的激化，之后用小电流慢充。FU2是正温度熔丝，在电池充电初期阻值很小，提供大的充电电电流。随着充电的进行，电流使其阻值逐渐加大，减小了充电电流，基本符合充电特性的要求。图3-17 输出整流滤波与隔离电路图变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。变压器是利用电磁感应的

51、原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。二极管是一个具有单向导电的器件，可整流滤波。因电源的外形尺寸较小，特别是高度较低。从磁心厂商了解的信息，决定用CUT3019磁心。选用TDK公司的PC40材质的磁心，相当于Philips3C85材质一次电感量的计算:Ip=maxUin(min)dc/(Ippkfmin)=0.5127/(2.92870103)=310H 式（3-22） 厂商推荐磁心工作的最大磁通密度: Bmax=0.2TCUT3019磁心的有效面积: Ae=132 m由磁通密度定义的公式中得到一次

52、圈数的公式: np=LpIppk/(BmaxAe) 式（3-23）AL的值由以下公式决定（决定一次的圈数):AL=Lp/np2=(BmaxAe)2/(LpIppk2) =(0.2)(13210-6)2/(0.3110-32.9282)=131 nH 式（3-24）从厂商推荐的磁心信息（产品信息目录），选用AL为100nH可以得到一次线圈的圈数:np= 式（3-25）二次44V的圈数可以给出(假定用超快恢复二极管)：ns=(Us+Ufwd)(1-max)np/(minUin(min)dc) =(44+1.0)(1-0.5)48/(0.5127)=17T 式（3-26）设计中所采用的变压器由一次线

53、圈、二次级线圈组成。通过变压器振荡频率的改变，输出电压改变，经负载电路的控制，输出可供充电的电压。稳压二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流围（或者说在一定功率损耗围），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的。稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管

54、的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。稳压管的伏安特性如图3-18。稳压管反向击穿后，电流虽然在很大围变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。因为这种特性，稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。图3-18 稳压管伏安特性曲线选用的稳压二极管，应满足应用电路中主要参数的要求。稳压二极管的稳定电压值应与应用电路的基准电压值一样，稳压二极管的最大稳

55、定电流应高于应用电路的最大负载电流50%左右。因为稳压管具有稳定电压的作用，它能使输出电压在一定围变化，从而为负载电路提供稳定的电压。故选择稳压二极管维持电路的正常运行。 因为整个电容系统的频率是固定的，所以输出滤波电解电容的容量的考虑应在纹波电压最。输出滤波电解电容的方程式定义为：Cout=Iout(max)/fUrip(max)=1.82A/(70103Hz0.1V)=260Uf式（3-27）所以输出电容可以用两个180uF 的电容并联或者用一个330uF 的电容。因为拥有较低的寄生电感和较低的等效电阻，所以并联较单个电容效果好，能有效减小纹波电压。输出电流检测电阻 R15是直接串联在输出

56、回路中，因此阻值不能选的太大，否则影响效率。取在 R15的电压降为0.1V，则输出电流检测电阻 R15按下式计算：R15=0.1V/1.82A=55m。式（3-28）所以选用56m、0.5W 金属膜电阻或锰铜丝。因为芯片误差运算放大器的功能是由二次的TL431经过光耦(PC817C)来实现(控制调节）光耦集电结的电压来控制每个周期通过开关电源(MOSFET)的峰值电流。这个脚(集电结)连接到UC3843的1脚误差放大器输出端。为防止误差放大可能存在的干扰直接将误差放大器反相输入端2脚接地。在开关电源的二次端，预设通过分压电阻的电流为0.5mA，就可以计算出另一个取样电阻的阻值： R21=Urs

57、f(431)/Idiv=2.5/0.0005=5 K，取4.7K。 式（3-29）R19+20=式（3-30）为调节方便，R19、R20选用两个电阻串联，R1975K0，R203K。3.3.4 电池电压状态显示电路电池电压状态显示电路由 IC2A、V2、LED1、R22、R23、R24、R31、R32、R33组成（图3-19）。VD9、C15、C16和IC3（78L12）为IC2与充电状态指示电路提供+5V电压。当电池电压未充满时，R15上的电压高，该高电压由R33送到IC2A的反相输入端3脚，而同相输人端则由R22、R23、R24组成的分压电路提供比较电压。此时2脚电压大于3脚因此1脚输出高

58、电平，由R32给v2提供基极驱动电流，因此V2导通，LED1(红色)被点亮，表示电池正处于充电状态。同时1脚输出电平又送到IC2B的反相输入端。而同相输入端5脚则同样由R22、R23、R24组成的分压电路提供电压，因此7脚输出高电平，通过VDl2与R29、R30加到TL431的控制端R上。此电压与原R端的取样电压叠加来控制输出电压。因此IC2组成的比较电路可根据电池的充电电流与端电压自动调整合适的电压值。而当电池电压充满时，则在R15上的电压降低(或为零)，因此IC2A的1脚输出高电平，IC2B 7脚输出低电平，因此V3导通，LED2(绿色)被点亮，表示电池电压被充满。图3-19 电池电压状态显示电路图3.3.5 总体电路的设计与工作原理图3-20是基于UC38