第三页共十六页 1DC-DC 电源三路输出测试报告 1参赛人员 指导老师 第三页共十六页 2摘 要：要求 15V 输入，用 UC3843 驱动，主电路采用升降压斩波，希望能实现降压 UC3843 输出 5V。 关键词：开关电源；降压型；DC-DC 转换；UC3843Buck type DC-DC switch power supply research and designAbstract：Requirements for 15V input, UC3843 driven, the main circuit uses the boost buck converter, the hope can realize buck UC3843 output 5V.Key words：Switching Power Supply ； Buck ； DC-DC switch; UC3843第三页共十六页 3目 录1 开关电源现状及前景11.1 国内外开关电源的发展状况11.2 国内开关电源的发展状况21.3 开关电源发展前景31.4 本论文主要工作目的42 开关电源基础理论52.1 稳压电源简介52.2 隔离型开关电源简介62.3 非隔离型开关电源理论基础72.4 开关电源的基本构成73 实验内容及要求83.1 实验名称：DC-DC 降压电路83.2 实验要求84 实验内容104.1 原理图104.2 其 PCB 板如下图所示114.3 DC-DC 降压电路的设计124.4 整流电路124.5 滤波电路134.6 电源电路仿真13第三页共十六页 44.7 电源电路输出电压波形仿真144.8 制作分析145 调试156 测试结果与分析176.1 数据统计176.2 误差分析176.3 改进措施177 实习总结18第三页共十六页 51 开关电源现状及前景1.1 国内外开关电源的发展状况电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商优势明显。国外开发电源管理芯片的厂商很多，主要有NCP、IR、MAXIM、ST、TI、PI 等，他们的产品都已经非常成熟能够提供高质量、全系列的电源管理芯片。在非隔离的 DC-DC 转换技术中，TI 公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步 BUCK，转换效率高达 97%，其中 TPS40071 等是其代表产品。在电源数字化方面走在前面的公司有 TI 和 Microchip，TI 公司已经用 TMS320C28F10制成了通讯用的 48V 输出大功率电源模块，其中 PFM 和 PWM 部分完全为数字式控制。1.2 国内开关电源的发展状况近 5 年来，在下游电子产品整机产量高速增长的带动下，中国电源管理芯片市场保持了快速的增长，从 2003 到 2007 年，市场复合增长率达到 25%。随着电源管理芯片技术门槛的降低，越来越多的 Fabless(芯片设计公司)开始涉及该领域，尤其是台湾和中国内地厂商，近年来发展快速，已经在中低端电源管理管理芯片领域取得较大成功。消费、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场最主要的应用领域，三大领域依然占据了中国电源管理芯片市场近 80%的市场份额。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通第三页共十六页 6讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。1.3 开关电源发展前景目前开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天，军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。可以说开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。据市场调研公司 Databcans 报道，2006 年模拟 IC 市场增长约 15，销售额从2005 年 319 亿美元增至 370 亿美元。在模拟领域的诸多产品种类中，电源管理芯片的市场空间最大，这主要源于电源管理芯片极为广泛的应用。电源管理约占整个模拟 IC 市场 312的份额，其中从销售收入来看，贡献最大的是开关电源 7。1.4 本论文主要工作目的电源管理芯片产品的发展趋势表现为多样化，包括同时提供多个不同的供电电压趋势、产品设计周期缩短趋势、产品面积缩小趋势以及低成本趋势等等。本论文就是按照这种趋势做的一种降压型DC-DC 电源的设计与研究。由系统性能研究开始，设计各模块电路。利用在 Protues 对各个子电路进行参数修正及仿真验证。基于以上的讨论分析，结合降压式 DC-DC 开关电源的实际应用，在本设计中首先设定了如下的设计目标：（1)电源电压输入为 15V。（2)输出电压在 5V。第三页共十六页 7最终将完成整体电路的设计与仿真，完成部分电路的版图设计和验证。为完成以上设计目标，建立的设计环境如下：在软件方面：Altium designer release 10，仿真工具是Protues；本论文主要介绍了电源管理的概念、开关电源的发展以及应用前景；对开关电源的工作原理进行了详细的介绍，作为后续的设计的理论基础；对降压式 DC-DC 开关电源整体电路结构进行设计，对整体电路进行仿真。2 开关电源基础理论2.1 稳压电源简介在开关电源出现之前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。而后，开关电源是作为线性稳压电源的一种替代品出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。线性稳压电源的基本原理框图如图 1 所示。第三页共十六页 8图 1 线性稳压电源2.2 隔离型开关电源简介开关电源就是为了克服线性稳压电源的缺点而出现的，而隔离型是其中一种类型的电路，应用于 AC-DC 开关电源中。其典型结构如图 2 所示， 图 2 AC/DC 开关电源2.3 非隔离型开关电源理论基础第三页共十六页 9非隔离型电路通常用于各种 DC-DC 转换器，这种电路的主要特点是功率管工作在开关状态。它利用电感元件和电容元件的能量存储特性，随着功率管不停地导通、关断，具有较大电压波动的直流电源能量断续地经过开关管，暂时以磁场能形式存储在电感器中，然后经电容滤波得到连续的能量传送到负载，得到经变换后的电压脉动较小的直流电能，实现 DC-DC 变换。DC-DC 转换器系统由主电路和控制电路组成，构成开关电源的主电路的元件，包括输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载，它们共同完成电能的转换和传递，合称为功率级；控制电路则通过控制功率开关管的通断实现调节输出电压恒定在设定值，从而控制主电路的工作状态，使主电路从输入电源处获得的能量和传送到负载的能量维持平衡。通常，当输入的电池电压及输出端的负载在一定范围内变化时，负载电压可以维持恒定。2.4 开关电源的基本构成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 4 所示。 3 实验名称及要求3.1 实验名称：DC-DC 降压电路第三页共十六页 103.2 实验要求：1、 输入 14V，输出 8V2、 掌 握 简 单 开 关 电 源 工 作 原 理3、 进 一 步 掌 握 制 版 、 电 路 调 制 等 技 能二、 实验器材清单： 元件名称 型号 数量电阻 0.15203904901K2K10K20K11112121电容 2204704722710411111二极管稳压管58224148TL431PC812UC374211111电感 L 1接头 2底座 2第三页共十六页 11场管 RFZ44 1UC3842 内部工作原理简介 上图示出了 UC3842 内部框图和引脚图，UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有 8 个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的 2.5V 基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端， 当检测电压超过 1V 时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RTCT)；脚为公共地端；脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为 50ns 驱动能力为1A ；第三页共十六页 12脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；脚为 5V 基准电压输出端，有 50mA 的负载能力。4 实验内容本电路主要包括变压器降压，桥式整流电路，滤波电路，降压电路，AD 转换电路构成。其中降压电路是一种高效的三增益开关电源DC-DC 降压变换器系统。本电源电路是实现把 15V 交流电源变换成 5V 的稳压电源，它的工作原理是：经过降压、整流、滤波、稳压后输出直流电压。其电路原理图如下图所示4.1 原理图 Q1IRFZAK2C3EUP870DN5mHLp.96GSVBOMT/Jeadr4.2 其 PCB 板如下图所示第三页共十六页 132 12 1212 1 2 1211221211232 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 3 48 7 6 511 24 34.3 DC-DC 降压电路的设计一、DC-DC 电路设计至少要考虑以下条件：1、外部输入电源电压的范围，输出电流的大小。2、DC-DC 输出的电压、电流、系统的功率最大值。4.4 整流电路该部分电路是采用桥式整流电路，把经过降压后的交流电变成单方向的直流电，因为相比于半波整流、全波整流电路，桥式整流电路的整流效率较高，其输出电压平均值即整流输出电压 U 在一个周期内的平均值：第三页共十六页 143-1max max0122()0.918USinwtdUV 在式 3-1 中，w 为市电频率 50Hz。4.5 滤波电路经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电路的工作性能。可利用电容的 “通交流， 隔直流” 的特性，在电路中并入并联电容 C 作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。以上交流电压转换、整流、滤波三部分统称为电源输入部分，将15V 交流电转换成为稳定的 5V 直流电作为电源的输入端，其电路图如下图所示。电源输入部分电路图4.6 电源电路仿真电源电路仿真主要应用了常用软件 Protues。 Proteus 是英国Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件，它可以仿真、分析各种模拟电路与集成电路，软件提供了大量模拟第三页共十六页 15与数字元器件及外部设备，各种虚拟仪器，特别是它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。4.7 电源电路输出电压波形仿真本设计采用 Proteus 中 ISIS 部分对主