开关电源实验指导书

开关电源技术实验指导书

信息工程学院 电气及自动化教研室

2009.04.18

开关电源技术

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实验一 电流控制型脉宽调制开关稳压电源研究

一．实验目的

1．掌握电流控制型脉宽调制开关电源的工作原理，特点与构成。 2．熟悉电流控制型脉宽调制芯片UC3842的工作原理与使用方法。 3．掌握开关电源的调试方法与参数测试方法。

二．实验内容

1．利用芯片UC3842，连接实验线路，构成一个实用的开关稳压电源电路。 2．芯片UC3842的波形与性能测试 （1）开启与关闭阀值电压。

（2）锯齿波，包括周期、占空比、幅值等，并与理论值相比较。

（3）不同负载以及不同交流输入电压时的输出PWM波形，并与正确波形相对比。 （4）反馈电压端（即UC38422号脚）与电源端（即7号脚）波形。 （5）输出PWM脉冲封锁方法测试。 3．开关电源波形测试

（1）GTR集电极电流与集-射极电压波形。 （2）变压器原边绕组两端波形。 （3）输出电压VO波形。 4．开关电源性能测试

（1）电压调整率（抗电压波动能力）测试。 （2）负载调整率（抗负载波动能力）测试。 （3）缓冲电路性能测试。

三．实验系统组成及工作原理

电源装置是电力电子技术应用的一个重要领域。其中高频开关式直流稳压电源由于具有效率高，体积小和重量轻等突出优点，获得了广泛的应用。

开关电源的控制电路可分为电压控制型和电流控制型。前者是一个单闭环电压控制系统，后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。

具体实验原理可参见附录。 具体线路见图5—4。

四．实验设备和仪器

1．MCL-08直流斩波及开关电源实验挂箱 2．双踪示波器 3．万用表

五．实验方法

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1．认真阅读实验指导书，掌握开关电源的工作原理。 R2RP33C24RP3R1+R889RP16R3R4C4?220V52．开启阀值电压测试 将“10”与“11”、“6”与“9”、“12”与“13”、“14”与“15”相连。 10 6 12 14 11 9 13 15 电位器RP1和RP3都左旋到底。合上电源后，用示波器观察“7”与“16”（锯齿波）及“10”与“16”（UC3842电源电压）波形，将RP2顺时针慢慢旋转，直到锯齿波刚产生为止，用万用表测出“10”与“16”之间电压，该电压即为开启阀值电压UT。

UT=

3．芯片UC3842的波形与性能测试 （1）测试7端锯齿波的周期T，幅值T（ms）

Vp-p与占空比D。 Vp-p（V） D 3

RP4C37图5—4 电流控制型脉宽调制开关稳压电源1VTC121113C2S1RP21012通断RP2+C6C5R5R6+UC384262184537R7断14通通断1516开关电源技术

（2）不同直流输入电压时的输出PWM波形。

开关电源工作后，用万用表测“1”与“16”端间电压，该电压即为直流输入电压

Vd，用示波器观察

“12”与“16”及“7”与“16”之间波形，然后将RP1顺时针慢慢旋转，边旋转边观察，并记录输出PWM波形的变化情况，一直观察到Vd约减小20%时止，同时测量Vd变化前后的“8”与“16”及“10”与“16”间电压值。测试结束后，将RP1左旋到底。 Vd变化前 Vd V8.16 Vd变化后 V10.16

Vd V8.16 V10.16 （3）不同负载变化时的输出PWM波形

RP3左旋到底，观察波形同上。RP3顺时针慢慢旋转，边旋转边观察，并记录输出PWM波形的变化情况，一直观察到该电位器顺时针旋转到底为止，这时候负载增大了约25%，同时测量负载变化前后的“8”与“16”及“10”与“16”之间电压值。 负载变化前 V8.16

负载变化后 V8.16 V10.16 V10.16 (4)不同直流输入电压时的反馈电压端（8端）与电源端（10端）波形

减小直流输入电压Vd，同时观察并记录8与16及10与16间波形，直到Vd约减小20%时止，测试结束后，将RP1左旋到底。

(5)输出PWM脉冲封锁方法测试

a.改变3脚电压封锁输出脉冲，将“14”与“15”断开，“5”与“14”相连，电位器RP4左旋到底，用示波器观察“7”端锯齿波。将RP4顺时针慢慢旋转，直到锯齿波完全消失时止，测出“5”与“16”间电压，该电压即为3脚的输出脉冲封锁电压。

U3=

b．改变1脚电平封锁输出脉冲

“5”与“14”、“6”与“9”断开，“14”与“15”、“5”与“9”相连，RP4右旋到底。观察波形同上，将RP4逆时针慢慢旋转，直到锯齿波完全消失时止，测出“5”与“16”间电压，该电压即为1脚的输出脉冲封锁电压。

U1=

4．开关电源波形测试

将“5”与“9”断开，“6”与“9”相连

（1）用示波器观察“15”与“16”及“2”与“16”间波形。 （2）用示波器观察“1”与“2”间波形。 （3）用示波器观察输出电压VO波形。 5．开关电源性能测试

（1）电压调整率（抗电压波动能力）测试

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调节RP1使Vd减小20%，用万用表测量Vd改变前后的输出电压VO1和VO2，则电压调整率为VO1（V）

VO1?VO2VO1?100%。

VO2（V） 电压调整率 （2）负载调整率（抗负载波动能力）测试

将RP3左旋到底，用万用表测量输出电压（设为VO1），再将RP3右旋到底（负载增加约25%），测量输出电压（设为VO2），则负载调整率为

VO1（V）

VO1?VO2VO1?100%。

负载调整率 VO2（V） （3）缓冲电路性能测试

在开关S1合上（C1+C7=0.101μF）与断开（C1=1000P）条件下，观察“2”与“16”间波形变化。

六．实验报告

1．列出开启阀值电压值以及3脚与1脚的脉冲封锁电压值。 2．画出UC3842的4脚的锯齿波，并注明周期、幅值，占空比等。 3．画出所测的各点波形。

4．根据实际测量值，计算出电压调整率与负载调整率，并就这两个指标对实验系统这种类型的开关电源所适用的场合作出评价。

5．试分析直流输入电压Vd与负载变化时，开关电源的稳压调节过程。 6．你对实验中一些感兴趣现象的分析。 7．实验收获、体会和意见。

七．思考题

1．缓冲电路中的电阻R=2.2kΩ,您能否根据不同缓冲电容所观察的GTR集-射极波形,分析如何合理地选用缓冲电阻与电容值。

2．有人为了简化电路，不用反馈绕组，而是将电容C6增大，这时候系统能否稳定工作，为什么？

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（2） 测量19脚的波形，读取锯齿波的峰点与谷点电压及其周期时间。 （3） 将4脚与3脚（10端）对地短接，并用数字万用表和双线示波器测量：

a) 2脚的电压。

b) 14、13脚与20脚及9、8脚与20脚的波形，读取脉冲幅值、死区时间与周期时间。 c) 14与8脚及13与9脚的波形，记录其相位时序关系及占空比D值（即14与8脚同为高电平的时间与半个周期时间之比）。

（4） 将4脚对地的短接线去掉，用万用表和示波器测量：

a） 2、4、5脚的电压。

b) 14与8脚及13与9脚的波形，记录其相位时序关系及此时的最大占空比。 3．变换器波形测试。

将10端与地间的连线断开并与9端相连，再将6与7端相连，并将开关SW1与SW2断开。合上控制电源SW3与主回路电源SW0，观察系统工作是否正常，待系统工作正常后，合上SW1，调节反馈电位器RP1，使输出（即C与D两端）电压为5V左右。

（1） 将示波器的地线接S3端，其他两个探头分别接G3与A端，测量与描绘超前桥臂VT3的驱动波形与其漏源电压波形，仔细观察超前桥臂的零电压开与关的过程。

（2） 用示波器测量与描绘滞后桥臂VT4的驱动与其漏源电压波形，仔细观察滞后桥臂的零电压开与关的过程。

（3） 示波器地线接A端，另两个探头分别接7与B端，即可测量与描绘输出电压UAB与输出变压器原边电压UT1波形，仔细观察两个波形的脉冲宽度，其差值即为副边脉冲丢失部分。

（4） 测量与描绘输出变压器副边整流后的8与D端电压以及C与D端输出直流电压波形。 （5） 示波器地线接B端，另两端分别接A端与4端，即可同时测量与描绘输出电压UAB与原边电流iP的波形。

4．电路参数变化对实现零电压开关性能影响的测试。

系统工作在开环状态（即9与10端的连续断开），分别在下列情况下测量UAB与原边电压UT1、UAB

与原边电流iP以及滞后桥臂VT4的驱动与漏源电压波形。

（1） 改变谐振电感，即谐振电感用L1+L2或L2时。 （2） 改变负载大小，即将开关SW2合上或断开时。 （3） 改变主回路电源电压，即将开关SW1合上或断开时。

六．实验报告

1．画出UC3875 16脚与19脚的实测波形，注明锯齿波的峰点、谷点电压与周期时间。 2．列出所测的UC3875的 2、3（10端）、4、5脚电压及超前与滞后桥臂的死区时间。 3．画出下列波形：

（1） 在最小移相角（即2脚电压为零）时的14、13、9、8脚与地间波形。 （2） 在最大移相角（即2脚电压为最大）时的14、13、9、8脚与地间波形。 （3） 超前桥臂VT3与滞后桥臂VT4的驱动及其漏源电压波形。

（4） 不同电路参数时的逆变桥输出电压UAB、输出变压器原边电压UT1与原边电流iP波形。 （5） 输出变压器副边整流后的电压与输出直流电压波形。 4．实验的收获、体会与改进意见。

七．思考题

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1．两个桥臂的开关管如何实现零电压关断。

2．为了可靠实现滞后桥臂的零电压开通应如何改变电路参数。 3．当主电源电压或负载大小变化时，试简述系统的闭环调节过程。 4．试分析副边占空比丢失与哪些参数有关，并对试验现象进行理论分析。

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174.54.516.5x5.5R126.5x5.546.5x5.5VinSW06.5x5.5SW26.5SW16.5R2G2C16.5x5.5L16.5x5.5L26.5x5.5G16.5x5.5SW06.5VT1VD16.5x5.5VT2VD2C26.5x5.557686.5x5.5L3C6.5x5.56.5x5.56.5x5.56.5x5.5S1G36.5x5.5AS2G46.5x5.5BSW1SW2VT3VD3R3C3VT4VD4C4C5R5R63.53.56.5x5.56.5x5.536.5x5.5S3S4R4T6.5x5.5DSW3SW36.5176.5x5.5VccG4CR79RP1R8DRP18.5116.5x5.51021114186.5x5.5R15S4G2T1S2G3C6R1019106.5x5.5R9R113126.5x5.5136.5x5.56.5x5.5R123.5420C7R131R1413R16S3G1T23.5UC387596.5x5.5185196202181216157R17C10R18C11R19C126.5x5.56.58.56.5x5.5S1226.5x5.5146.5x5.5156.5x5.5C8C9166.5x5.54.54.5PWM(PS-ZVS-PWM)图5-18 实验系统原理框图图图 开关电源技术

参考资料

电流控制型脉宽调制器

一般脉宽调制器是按反馈电压来调节脉宽的。所谓电流控制型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型的控制器。

一．UC3842脉宽调制器的工作原理及方框图

UC3842A是高性能固定频率电流型控制器。它们用于脱机和DC-DC的变换器，为设计人员提供了一种经济而所需外部元件又少的解决方案。这种集成电路的特点是有一个调定的振荡器，用来精确地控制占空比。有一个经过温度补偿的基准电压，一个高增益误差放大器、电流传感比较器和一个适用于驱动功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的大电流推挽输出。 Vcc地34V16V2.5V降压器6YS/RREF内部偏置负载85V5V基准50mART/CT 4VFBCOMP电流测定+E/A-振荡器2R1VRSR内流测定比较器PWM锁存器输出6图2-4 UC3842脉宽调制器方枢图它还具有一些保护功能，其中包括各有其滞后的输入和基准电压的欠电压锁定、逐个周期的电流限制、可控制的输出死区时间和用来记录单脉冲的锁存器。 图2－4示出UC3842的内部方框图。由图可知，其引脚有8个，但一样可以使用内部E／A误差放大器构成电压闭歪，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环。端8为内部供外用（一般当参考电压）的基准电压5V，带载能力50mA。端7为集成块工作电源VCC，可以在8~40V，端4接RT、CT，确定锯齿波频率。端5为地。端6为推挽输出端，有拉、灌电流的力。由于误差放大器控制着电感电流峰值（参见图2－5），因此也是电流型脉冲宽度调制器。

二．UC3842脉宽调制器优点

兹列下面几点分述之：

（1）电压调整率（抗电压波动能力）很好

利用这种型号的调制器很容易达到0.0l%／V的调整率。其原因是电压VS波动立即反映在电感电流的变化。不象其它方案要经过输出电压V0反馈到误差放大器的调节的复杂过程。所以响应快，如果波动是持续的，电压反馈环也起作用，所以可以达到较高的线性调整率精度。

（2）负载调整率改善明显

因为误差放大器E／A可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化，负载调整率好。一般调制器在轻载时输出电压V0会有一定的升高，使用本调制器可明显的减小。例如，从100％的负载卸载2／3时，负载调整率只有8％，卸载1／3时，负载调整率只有3％。

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（3）误差放大器E／A补偿电路（1、2端间RC）简化，频响特性好，稳定幅度大。

由于电感电流是连续的，所以RS（可参见图2－35b）上所检测的电流峰值能代表平均电流，整个电路可以当成一个误差电压控制的电流源。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此增益带宽乘积提高，稳定幅度大，频率响应特性改善。

（4）过流限制特性好

从RS测得的电流峰值信号快速参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。事实上只要RS的电平达到1V，电流测定比较器立即动作，输出端6立即使导通管Tr关断。由于能精密地灵敏地限制输出最大电流，高频变压器功耗，晶体开关管的功耗幅度都可以减小，因此，对整个开关电源成本、重量、体积都将有良好的影响。

（5）过压保护和欠压锁定功能

当工作电压VCC大于34V时稳压管稳压（参见图2－34），使内部电路在小于34V下可靠工作。 当欠压时有锁定电路。其开启阀值为16V，关闭阀值为10V。在VS小于16V时，整个电路耗电1mA。开启和关闭阀值有6V的回差，可有效地防止电路在阀值电压附近工作时的跳动。由于开启阀值16V，在16V以下只耗电很小因此降压电阻功耗很小。一般设置自供电的感应绕组，当开关电源正常工作后，转由自供电给1842，电流将升至15mA。在此之前可设置储能电容，推动建立电压。储能电容也就不用选得很大了。

三．UC3842脉宽调制器振荡器及输出端

振荡器频率由RT，CT 设定。4端与8端之间接RT；4端与地（5端）接CT，8是Vref＝5V，因此，5V基准源经RT向CT电容充电。充、放电时间分别为tc和td，频率f0

f0?1

tc?td当RT＞5kΩ时，td<

使电路输出端关闭的方法有二： ①将3脚电压升高到1V以上； ②将1脚电压降低到1V以下。

上述两种情况都使电流测定比较器输出高电平，PWM锁存器复位，关闭了输出端，直至下一个时钟脉冲将PWM锁存器置位为止。

根据上述原理，可以控制1、3脚电平的变化，实现各种必要的保护，具体线路不作一一介绍了。

四．UC3842脉宽调制器驱动电路

驱动MOS管，双极型晶体管和直接式或隔离式都一样方便，可参考图3－35（a）所示。

对MOS管来说工作频率可高达500kHz，但一般建议用到250kHz较易获得稳定；而且用来驱动双极型晶体管时，工作频率尚应降到40kHz以下。

图2－35（b）示出构成开关电源的电路图。图中R2、(C2＋C4)构成启动电路，在（C2＋C4）上电压超过15V时电路启支，然后由NS2、D2、C4构成的自馈电电路供电，启动电流＜1mA，正常工作电流15mA左右。高频变压器和晶体管开关均接有缓冲器RCD电路，用于吸收尖峰电压，防止开关晶体管的损坏。RS上电压控制了当前工作周波电流峰值。VCCS电压除是芯片工作电压外，也是电压闭环的信号电压。

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五．UC3842脉宽调制器参数

极限参数 参 数 符 号 值 单 位 总电源电流和齐纳电流 （IOC＋IZ） 30 mA 输出电流，源或吸人 IO 1.0 A 输出能量（每周期容性负载） W 5.0 μJ 电流传感和电压反馈输入 Vin －0.3~＋5.5 V 误差放大输出吸入电流 IO 10 mA 最大耗散功率@TA=25℃ PD 862 mW 热阻结到大气 RθJA 145 ℃/W 工作结温 TJ ＋150 ℃ 工作环境温度 TA 0~＋70 ℃ 存放温度范围 Tstg －65~＋150 ℃ 12-36V12-36VC71-5Ω71-5ΩVCCOUT6R1VCCOUT6R1R2R2R23842100K3842100K5518-36V7VCC0.22μF0.47μFOUT15V38425（a）C10.01+5VR2NPNS1FR105-220K0C4D2NSVCC20kC20.0127C820PR1COMPOUT6Tr2.5k810K3BU3804RT/CT5C5R53.6k0.010.850.047 (b)图2-5 用UC3842驱动开关电源构成开关电源的原理图开关电源技术

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y7ef.html