UC3842設(shè)計的小功率開關(guān)電源

1、蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及創(chuàng)新，使得開關(guān)電源這一項技術(shù)也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新，由于這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端的移動，為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。設(shè)計論文主要是利用一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842。假如由于某種原因使輸出電壓升高時，脈寬調(diào)

2、制器就會改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，亦即占空比D，使斬波后的平均值電壓下降，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。UC3842可以直接驅(qū)動MOS管、IGBT等，適合于制作2080W小功率開關(guān)電源。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；UC3842；脈寬調(diào)制；占空比- I -AbstractAlong with the Power electronic technology development and innovation,it make that technology Switching power supply is always in the way of developing and innovating, whit

3、 the cost of inversion points increasingly to the low output power end mobile,make the Switch power supply provide a broad space for development.Switching power supply use the Modern electronic technology to control the turn-on and turn-off time ratio,maintain the stability of the output voltage of

4、Power supply.Switching power supply used by Pulse width modulation(PWM)Control IC and MOSFET. Switching power supply and Linear power comparison,they are cost's as the Output Power increases,But their growth is different.Linear power supply costs in Certain output power point,is higher than Swit

5、ching power supply.This point is called Cost inversion point.Design thesis is mainly using a kind of high performance current control Pulse width modulation UC3842.If some reasons make the output voltage rise,Pulse width modulator can change the drive signal pulse width,the Duty ratio D,the chopper

6、after the average voltage drop,to achieve the goal of stabilizing voltage,The reverse is also true.UC3842 Can directly drive MOSFET,IGBT and so on.Suitable for the production of 2080W Small power switch power supply.Key Words：Switching power supply，UC3842，Pulse width modulation，Duty ratio- III -目 錄摘

7、要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景與意義11.2 課題研究現(xiàn)狀11.3 本課題的研究內(nèi)容與目標12 開關(guān)電源的基本工作原理與電路結(jié)構(gòu)22.1 開關(guān)電源的概述22.1.1 開關(guān)電源的工作原理22.1.2 開關(guān)電源的組成32.1.3 開關(guān)電源的特點42.2 開關(guān)器件52.1.1 開關(guān)器件的特征52.1.2 器件TL43152.1.3 電力二極管62.1.4 光耦PC81773 主要開關(guān)變換電路83.1 濾波電路83.2 反饋電路83.2.1 電流反饋電路83.2.2 電壓反饋電路93.3 過電壓保護電路104 UC3842114.1 UC3842的簡介114.1.1 UC3842的

8、引腳及其功能114.1.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)124.1.3 UC3842的使用特點135 基于UC3842設(shè)計的小功率開關(guān)電源145.1開關(guān)電源設(shè)計指標145.1.1 元件的選擇145.1.2 電路結(jié)構(gòu)的選擇155.2 啟動電路165.3 PWM脈沖控制驅(qū)動電路175.4直流輸出與反饋電路185.5 開關(guān)電源總電路圖19結(jié) 論21致謝22參考文獻23蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論1.1 課題背景與意義電源向電子設(shè)備提供功率的裝置，把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置叫做電源。發(fā)電機能把機械能轉(zhuǎn)換成電能，干電池能把化學能轉(zhuǎn)換成電能。電池本身并不帶電，它的兩極分別有正負電荷，由正負電荷產(chǎn)生電

9、壓(電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的),電荷導體里本來就有，要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可，當電池兩極接上導體時為了產(chǎn)生電流而把正負電荷釋放出去，當電荷散盡時,也就荷盡流(壓)消了。因此人們把干電池等叫做電源。通過變壓器和整流器，把交流電整流成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號的電子設(shè)備叫做信號源1。電力電子技術(shù)的發(fā)展,特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性。開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一是為信息產(chǎn)業(yè)服務，信息技術(shù)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。 1.2 課題研究現(xiàn)狀電源是

10、各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標級能否安全可靠的工作。目前常用的直流穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩大類。由于開關(guān)電源本身消耗的能量低，電源效率比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍，被廣泛用于電子計算機、通訊、家電等各個行業(yè)。半個世紀以來，開關(guān)電源大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。早期的開關(guān)電源全部由分立元件構(gòu)成，不僅開關(guān)頻率低、效率不高，而且電路復雜，不易調(diào)試。在20世紀70年代研制出的脈寬調(diào)制器集成電路，僅對開關(guān)電源種的控制電路實現(xiàn)了集成化。20世紀80年代問世的單片開關(guān)穩(wěn)壓器，從本質(zhì)上講仍屬于AC/DC電源變換器。隨著各種類型單片開關(guān)電源集成電路的問世。AC/DC電源變換器的集成化

11、變?yōu)楝F(xiàn)實。1.3 本課題的研究內(nèi)容與目標集成小功率開關(guān)電源的研究與設(shè)計，本論文根據(jù)課題研究的需要，設(shè)計了一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842進行的開關(guān)電源，本設(shè)計利用UC3842組成的PWM脈沖控制驅(qū)動電路，輸出5V和12V兩個直流電源。電路分為四個模塊，整流濾波電路，為UC3842提供啟動電壓，UC3842組成的PWM脈沖電路，驅(qū)動MOSFET管為變壓器線圈提供脈沖，兩個輸出電路，以及一個電壓反饋電路。2 開關(guān)電源的基本工作原理與電路結(jié)構(gòu)2.1 開關(guān)電源的概述2.1.1 開關(guān)電源的工作原理開關(guān)電源主要是進行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率轉(zhuǎn)換的裝置，通過了對主變換回路以及控制

12、回路的控制完成一系列的變換2。主變換回路將輸入的交流電轉(zhuǎn)換后傳遞給了負載，所以它決定了開關(guān)電源電路的結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換要求以及負載能力等一系列的技術(shù)指標；而控制回路是按照輸入，輸出技術(shù)指標的要求來進行檢測，控制主變換回路的工作狀態(tài)。一般開關(guān)電源控制集成電路包括振蕩器、誤差放大器、PWM觸發(fā)器、狀態(tài)控制器等部分功能電路，高品質(zhì)開關(guān)電源還包括高電壓功率開關(guān)管、電流比較器，以及各種保護功能電路。在開關(guān)點的變換過程中，用高頻變壓器隔離稱為離線式開關(guān)變換器，常用AC/DC變換器就是離線式開關(guān)變換器。開關(guān)電源的工作原理框圖如圖2.1所示。圖2.1 開關(guān)電源電路框圖開關(guān)電源就是采用功率半導體器件作為開關(guān)元件，通

13、過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的工作原理可以用圖2.2進行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經(jīng)開關(guān)S加至輸出端，S為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān)S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。圖2.2 開關(guān)電源的工作原理上圖中，a圖為電路圖，b圖為波形圖。為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下： 公式(2.1)上式中，T表示開關(guān)S的開關(guān)重復周期；TON表示開關(guān)S在一個開關(guān)周期中的導通時間。開關(guān)電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關(guān)系： Uo

14、=UiD 公式（2.2）由式(2.1)和式(2.2)可以看出，若開關(guān)周期T一定，改變開關(guān)S的導通時間Ton，即可改變脈沖占空比D，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變Ton來實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬度調(diào)制(PWM)。由于PWM式的開關(guān)頻率固定，輸出濾波電路比較容易設(shè)計，易實現(xiàn)最優(yōu)化，因此PWM式開關(guān)電源用得較多。若保持Ton不變，利用改變開關(guān)頻率f=1/T實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出直流電壓Uo穩(wěn)壓的方法，稱做脈沖頻率調(diào)制(PFM)。由于該方式的開關(guān)頻率不固定，因此輸出濾波電路的設(shè)計不易實現(xiàn)最優(yōu)化。既改變Ton，又改變T，實現(xiàn)脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式稱做脈沖調(diào)頻調(diào)寬方式。在

15、各種開關(guān)電源中，以上三種脈沖占空比調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。2.1.2 開關(guān)電源的組成開關(guān)電源的基本組成如圖2.3所示。其中DC/DC變換器用以進行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進行放大和整形，以適應開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路產(chǎn)生，可以是PWM信號、PFM信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動、 過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣 功能指示等電路。反饋回

16、路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導體開關(guān)的通斷時間，從而調(diào)整輸出電壓。DC/DC變換器有多種電路形式，其中控制波形為方波的PWM變換器以及工作波形為準正弦波的諧振變換器應用較為普遍。開關(guān)電源的負載變換瞬態(tài)響應主要由輸出端LC濾波器的特性決定，所以可以通過提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC的方法來改善瞬態(tài)響應特性。圖2.3 開關(guān)電源的基本組成2.1.3 開關(guān)電源的特點開關(guān)電源具有如下特點：(1) 效率高。開關(guān)電源的功率開關(guān)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以調(diào)整管的功耗比較小，但是效率較高，一般在80%90%，高的甚至可達90%以上；(

17、2) 重量輕。由于開關(guān)電源省掉了笨重的電源變壓器，節(jié)省了大量的漆包線和硅鋼片，從而使其重量大大減輕，只有同容量線性電源的1/5，體積也在很大程度上縮小了；(3) 穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的交流輸入電壓在90270 V內(nèi)變化時，輸出電壓的變化在±2%以下。合理設(shè)計開關(guān)電源電路，還可使穩(wěn)壓范圍更寬并保證開關(guān)電源的高效率；（4）安全可靠。在開關(guān)電源中，由于可以方便地設(shè)置各種形式的保護電路，因此當電源負載出現(xiàn)故障時，能自動切斷電源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于開關(guān)電源的工作頻率高，一般在20KHz以上，因此濾波元件的數(shù)值可以大大減小，從而減小功耗；特別是由于功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)下，

18、因此損耗小，不需要采用大面積散熱器，電源溫升低，周圍元件不致因長期工作在高溫環(huán)境而損壞。因此采用開關(guān)電源可以提高整機的可靠性和穩(wěn)定性3。2.2 開關(guān)器件2.1.1 開關(guān)器件的特征同處理信息的電子器件相比，開關(guān)電源的電子器件具有以下特征：(1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力是開關(guān)器件最重要的參數(shù)，其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多遠大于處理信息的電子器件。(2) 開關(guān)器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)，導通時(通態(tài))阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；阻斷時阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，管子兩端電壓由外電路決定。(3) 開關(guān)器件的動態(tài)特性也是很重要的方面

19、，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替實際開關(guān)。(4) 電路中的開關(guān)器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是開關(guān)器件的驅(qū)動電路。(5) 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致開關(guān)器件溫度過高而損壞，不僅在開關(guān)器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時，器件上有一定的通態(tài)壓降；形成通態(tài)損耗阻斷時，開關(guān)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過；形成斷態(tài)損耗時，在開關(guān)器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗。對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成開關(guān)器件發(fā)熱的

20、原因之一。2.1.2 器件TL431TL431是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準電壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。TL431特點： （1）最大輸出電壓為36V； （2）電壓參考誤差：±0.4，典型值25（TL431B）；（3）低動態(tài)輸出阻抗，典型0.22 ； （4）負載電流能力1.0mA 100mA； （5）等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/典型； （6）溫度補償操作全額定工作溫度范圍； （7）低輸出噪

21、聲電壓。圖2.4 TL431的引腳2.1.3 電力二極管電力二極管可分為普通二極管, 快恢復二極管,肖特基二極管三種。(1) 普通二極管(General Purpose Diode)普通二極管又稱為整流二極管(Rectifier Diode)，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。其正向電流定額值和反向電壓定額值可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。(2) 快恢復二極管(FRD)快恢復二極管是恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短的二極管，簡稱為快速二極管?？焖俣O管在工藝上多采用了摻金措施，有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的

22、采用改進的PiN結(jié)構(gòu)。采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的快恢復外延二極管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，F(xiàn)RED)，其反向恢復時間更短(可低于50 ns)，正向壓降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐壓多在400 V以下?？焖俣O管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級，前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100 ns以下，有的甚至達到2030 ns。(3) 肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管(SBD)，簡稱為肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點很多，主要是：反向恢復時間很短(1040 ns)，正向恢復過程中不會有明顯的電壓過

23、沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的不足之處是：當反向耐壓提高時，其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200 V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。2.1.4 光耦PC817PC817是常用的線性光藕，在各種要求比較精密的功能電路中常常被當作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產(chǎn)生影響4。當輸入端加電信號時，發(fā)光器發(fā)出光線，照射在受光器上，受光器接受光線后導通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電-光-電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦

24、合器只能傳輸數(shù)字信號（開關(guān)信號），不適合傳輸模擬信號。線性光電耦合器是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，這樣隨著輸入信號的強弱變化會產(chǎn)生相應的光信號，從而使光敏晶體管的導通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同,PC817光電耦合器不但可以起到反饋作用還可以起到隔離作用。主要應用范圍：開關(guān)電源、適配器、充電器、UPS、DVD、空調(diào)及其它家用電器等產(chǎn)品。 圖2.5 PC817的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖中：1腳為陽極，2腳為陰極，3為發(fā)射極，4為集電極。3 主要開關(guān)變換電路3.1 濾波電路輸入濾波電路具有雙向隔離作用，它可抑制從交流電網(wǎng)輸入的干擾信號，同時也防止開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的

25、諧波和電磁干擾信號影響交流電網(wǎng)。圖3.1所示濾波電路是一種復合式EMI濾波器，L1、L2和C1構(gòu)成第一級濾波，共模電感L3和電容C2、C3進行第二級濾波。圖3.1 輸入濾波電路C1用于濾除差模干擾，選用高頻特性較好的薄膜電容。電阻R給電容提供放電回路，避免因電容上的電荷積累而影響濾波器的工作特性。C2、C3跨接在輸出端，能有效地抑制共模干擾。為了減小漏電流，C2、C3宜選用陶瓷電容器。3.2 反饋電路3.2.1 電流反饋電路電流互感器原理是依據(jù)電磁感應原理的。電流互感器是由閉合的鐵心和繞組組成。它的一次繞組匝數(shù)很少，串在需要測量的電流的線路中，因此它經(jīng)常有線路的全部電流流過，二次繞組匝數(shù)比較多

26、，串接在測量儀表和保護回路中，電流互感器在工作時，它的2次回路始終是閉合的，因此測量儀表和保護回路串聯(lián)線圈的阻抗很小，電流互感器的工作狀態(tài)接近短路。電流互感器的作用是可以把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途。如變比為400/5的電流互感器，可以把實際為400A的電流轉(zhuǎn)變?yōu)?A的電流。電流反饋電路采用電流互感器，通過檢測開關(guān)管上的電流作為采樣電流，原理如圖3.2所示。電流互感器的輸出分為電流瞬時值反饋和電流平均值反饋兩路，R2上的電壓反映電流瞬時值。開關(guān)管上的電流變化會使UR2變化，UR2接入UC3842的保護輸入端3腳，當UR21V時，UC384

27、2芯片的輸出脈沖將關(guān)斷。通過調(diào)節(jié)R1、R2的分壓比可改變開關(guān)管的限流值，實現(xiàn)電流瞬時值的逐周期比較，屬于限流式保護5。輸出脈沖關(guān)斷，實現(xiàn)對電流平均值的保護，屬于截流式保護。兩種過流保護互為補充，使電源更為安全可靠，采用電流互感器采樣，使控制電路與主電路隔離。圖3.2 電流反饋電路3.2.2 電壓反饋電路電壓反饋電路如圖3.3所示。輸出電壓通過集成穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器反饋到UC3842的1腳，調(diào)節(jié)R1、R2的分壓比可設(shè)定和調(diào)節(jié)輸出電壓，達到較高的穩(wěn)壓精度。如果輸出電壓UO升高，集成穩(wěn)壓器TL431的陰極到陽極的電流增大，使光電耦合器輸出的三極管電流增大，即UC3842的1腳對地的分流變大

28、，UC3842的輸出脈寬相應變窄，輸出電壓UO減小。同樣如果輸出電壓UO減小，可通過反饋調(diào)節(jié)使之升高。這種電路的優(yōu)點是電壓采樣電路簡單，缺點是輸入電壓和輸出電壓必須共地，不能做到輸入和輸出的電氣隔離。勢必引起電源布線的困難，而且電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，容易引起電磁干擾，必然帶來電路設(shè)計的困難，所以這種方法很少使用。這種電路的優(yōu)點是電壓采樣電路簡單，缺點是輸入電壓和輸出電壓必須共地，不能做到輸入和輸出的電氣隔離。勢必引起電源布線的困難，而且電源工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，容易引起電磁干擾，必然帶來電路設(shè)計的困難，所以這種方法很少使用。圖3.3中說明了TL431和光耦合器在電壓反饋電路中的作用。圖3.3

29、電壓反饋電路3.3 過電壓保護電路圖3.4所示為輸出過電壓保護電路。穩(wěn)壓管VS的擊穿，電壓稍大于輸出電壓額定值，輸出正常時，VS不導通，晶閘管V的門極電壓為零，不導通。當輸出過壓時，VS擊穿，V受觸發(fā)導通，使光電耦合器輸出三極管電流增大，通過UC3842控制開關(guān)管關(guān)斷。圖3.4 輸出過電壓保護電路4 UC38424.1 UC3842的簡介繼MC1394、AN5900之后，人們又開發(fā)出功能更完善的它激單端輸出驅(qū)動集成電路。其特點是除內(nèi)部PWM系統(tǒng)外，還設(shè)有多路保護輸入和穩(wěn)定的基準電壓發(fā)生器，同時還具有小電流啟動功能。典型的UC3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前廣泛被各種普通電源采

30、用，還被用于有源因數(shù)改善電路和高壓升壓式開關(guān)電源中。UC3842是美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片6。UC3842為8腳雙列直插式封裝，其內(nèi)部原理框圖如圖4.1所示。主要由5.0V基準電壓源、用來精確地控制占空比調(diào)定的振蕩器、降壓器、電流測定比較器、PWM鎖存器、高增益E/A誤差放大器和適用于驅(qū)動功率MOSFET的大電流推挽輸出電路等構(gòu)成。端1為COMP端；端2為反饋端；端3為電流測定端；端4接Rt、Ct確定鋸齒波頻率；端5接地；端6為推挽輸出端，有拉、灌電流的能力；端7為集成塊工作電源電壓端，可以工作在840V；端8為內(nèi)部供外用的基準電壓5V，帶載能

31、力50mA。4.1.1 UC3842的引腳及其功能圖4.1 UC3842的引腳如圖4.1：1腳為內(nèi)部誤差放大器輸出端，外接阻容元件可改善誤差放大器的增益和頻率特性；2腳為誤差放大器的取樣電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度；3腳為PWM比較器的另一輸入端，當檢測電壓超過lV時停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài)；4腳為定時電容CT端，內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，f=1.8/(RT×CT)；5腳為接地端；6腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時間僅為50ns驅(qū)動能力為±lA；7腳為啟動/工作電壓輸入

32、端腳是直流電源供電端，具有欠壓、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；8腳為內(nèi)部5V基準電壓輸出端，有50mA的負載能力。4.1.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)UC3842為雙列8腳單端輸出的它激式開關(guān)電源驅(qū)動集成電路7，其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、PWM鎖存電路、5VC基準電源、欠壓鎖定電路、圖騰柱輸出電路、輸出電路等，見圖4.2：圖4.2 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1) 5V的基準電源:內(nèi)部電源,經(jīng)衰減得到2.5V作為誤差比較器的比較基準.該電源還可以提供外部5V/50mA；(2) 振蕩器:產(chǎn)生波振蕩.RT接在4RET 8腳之間,CT接4GND5之間. 頻率f=1.8/CTRT

33、,最大為500kHz；(3) 誤差放大器：由VFB端輸入的反饋電壓和2.5V做比較，誤差電壓COMP用于調(diào)節(jié)脈沖寬度。Comp端引出接外部RC網(wǎng)絡(luò),以改變增益和頻率特性；(4) 輸出電路：圖騰柱輸出結(jié)構(gòu)，電路1A，驅(qū)動MOS管及雙極型晶體管；(5) 電流取樣比較器：3腳ISENSE用于檢測開關(guān)管電流，可以用電阻或電流互感器采樣，當VISENSE>1V時，關(guān)閉輸出脈沖，使開關(guān)管關(guān)斷。這實際上是一個過流保護電路；(6) 欠壓鎖定電路VVLO：開通閾值16V，關(guān)閉閾值10V,具有滯回特性；(7) PWM鎖存電路：保證每一個控制脈沖作用不超過一個脈沖周期，即所謂逐脈沖控制。另外，VCC與GND之

34、間的穩(wěn)壓管用于保護，防止器件損壞8。4.1.3 UC3842的使用特點(1) 采用單端圖騰柱式PWM脈沖輸出，輸出驅(qū)動電流為±200mA，峰值可達±1 A。(2) 啟動電壓大于16 V，啟動電流僅1 mA即可進入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時，工作電壓在1034 V之間，負載電流為15 mA。超出此限制，開關(guān)電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，無驅(qū)動脈沖輸出。(3) 內(nèi)設(shè)5 V(50 mA)基準電壓源，經(jīng)21分壓后作為取樣基準電壓。(4) 輸出電流為200 mA，峰值為1 A，既可驅(qū)動雙極型三極管也可驅(qū)動MOSFET管。若驅(qū)動雙極型三極管，應加入開關(guān)管截止加速RC電路，同時將內(nèi)部振

35、蕩器的頻率限制在40 kHz以下。若驅(qū)動MOSFET管，振蕩頻率由外接RC電路設(shè)定，工作頻率最高可達500 kHz。(5) 內(nèi)設(shè)過流保護輸入3腳和誤差放大輸入1腳兩個PWM控制端。誤差放大器輸入構(gòu)成主PWM控制系統(tǒng)，可使負載變動在30100時輸出負載調(diào)整率在8 以下，負載變動在70100時負載調(diào)整率在3以下。(6) 過流檢測輸入端可對每個脈沖進行控制，直接控制每個周期的脈寬，使輸出電壓調(diào)整率達到0.01%/V。如果3腳電壓大于1 V或1腳電壓小于1 V，PWM比較器輸出高電平使鎖存器復位，直到下一個脈沖到來時才重新置位。利用1腳和3腳的電平關(guān)系，在外電路控制鎖存器的開/閉，使鎖存器每個周期只輸

36、出一次觸發(fā)脈沖。因此，電路的抗干擾性極強，開關(guān)管不會誤觸發(fā)，提高了可靠性。(7) 內(nèi)部振蕩器的頻率由4腳外接電阻與8腳外接電容設(shè)定。集成電路內(nèi)部基準電壓通過4腳引入外同步。4腳和8腳外接RT、CT構(gòu)成定時電路，CT的充電與放電過程構(gòu)成一個振蕩周期，其振蕩頻率可由下式近似得出： （4.1）5 基于UC3842設(shè)計的小功率開關(guān)電源5.1開關(guān)電源設(shè)計指標小型電源輸入、輸出參數(shù)如下： 輸入電壓：AC 110/220V； 輸入電壓變動范圍：90240V； 輸入頻率：50/60Hz； 輸出電壓：12V；輸出電流：2.5A。控制電路形式為它激式，采用UC3842為PWM控制電路。電源開關(guān)頻率的選擇決定了變換

37、器的特性。開關(guān)頻率越高，變壓器、電感器的體積越小，電路的動態(tài)響應也越好。但隨著頻率的提高，諸如開關(guān)損耗、門極驅(qū)動損耗、輸出整流管的損耗會越來越突出，而且頻率越高，對磁性材料的選擇和參數(shù)設(shè)計的要求會越苛刻。另外高頻下線路的寄生參數(shù)對線路的影響程度難以預料，整個電路的穩(wěn)定性、運行特性以及系統(tǒng)的調(diào)試會比較困難。在本電源中，選定工作頻率為85kHz9。5.1.1 元件的選擇變壓器和輸出電感的設(shè)計：依據(jù)UC3842應用方式，選定定時電阻RT1.8k，定時電容CT10F。確定開關(guān)頻率f85kHz，周期T11.8s。設(shè)計單端控制開關(guān)電源時，一般占空比D最大不超過0.5，這里選擇D0.5，則： 公式(5.1)

38、根據(jù)電源規(guī)格、輸出功率、開關(guān)頻率選擇PQ26/25磁芯，磁芯截面積S1.13cm2，磁路有效長度L6.4cm，飽和磁通密度BS0.4T。取變壓器最大工作磁感應強度BmaxBS/30.133T，則電感系數(shù)A為： 公式(5.2)變壓器原邊線圈匝數(shù)N1為： 公式(5.3)式中，UI最小直流輸入電壓。交流輸入電壓的最小值約為90V，UI90×2127(V)，得出N149.9匝，取50匝。原邊線圈電感LAN1211.1(mH)。副邊線圈匝數(shù)為： 公式(5.4)式中：UDF整流二極管VDl上的壓降； UL輸出電感L上的壓降。取UDF+UL0.7V，代入式(5.4)，得N210匝。副邊線圈電感為：

39、 公式(5.5)反饋電線圈向UC3842提供U12V的工作電壓，按電容C1上的電壓UC16V計算，以保證有足夠的供電電壓給UC3842。由N3(UC/e)N1可得N32.67匝，取3匝。變壓器副邊電流為矩形波，其有效值為： 公式(5.6)導線電流密度取4A/mm2，所需繞組導線截面積為1.77/40.44(mm2)。同樣可選擇原邊繞組導線，原邊電流有效值為： 公式(5.7)所需繞組導線截面積為0.354/40.0885mm2，選用截面積為0.09621mm2的導線(0.41mm)。取輸出電感的電流變化量IL0.2IO0.5A，則輸出電感為： 公式(5.8)式中：U2副邊線圈最小電壓。計算得：

40、公式(5.9)取UDF0.5V，Uo3V，代入式(6.8)可得L140H。根據(jù)輸出電感上的電流ILIO，所需繞組導線截面積應為2.5/40.625mm2，選擇截面積為0.6362mm2導線(0.96mm)。5.1.2 電路結(jié)構(gòu)的選擇小功率開關(guān)電源可以采用單端反激式或者單端正激式電路，電源結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低。與單端反激式電路相比，單端正激式電路開關(guān)電流小，輸出紋波小，更容易適應高頻化。用電流型PWM控制芯片UC3842構(gòu)成的單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路如圖5.1所示。單端正激式開關(guān)穩(wěn)壓電源加有磁通復位電路，以釋放勵磁電路的能量。在圖4.1中，開關(guān)管VT導通時V1導通，副邊線圈N2向負載

41、供電，V4截止，反饋電線圈N3的電流為零；VT關(guān)斷時V1截止，V4導通，N3經(jīng)電容C1濾波后向UC3842的7腳供電，同時原邊線圈N1上產(chǎn)生的感應電動勢使V3導通并加在RC吸收回路。由于變壓器中的磁場能量可通過N3泄放，而不像一般的RCD磁通復位電路消耗在電阻上，達到減少發(fā)熱，提高效率的目的。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)

42、點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。圖5.1單端正激式開關(guān)電源的主電路圖5.2 啟動電路圖5.2輸入220V交流電，經(jīng)過C1、L、C2進行低通濾波，濾波后的交流電壓經(jīng)D1、D2、D3、D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成了3l0V的脈沖直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻R18分壓給UC3842提供啟動電壓，當電壓達到16V時達到芯片的啟動電壓，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，UC3842的啟動電壓大于16V，啟動電流僅1 mA即可進入工作狀態(tài)。處于正常工作狀態(tài)時，工作電壓在1034 V之間

43、，負載電流為15 mA。超出此限制，開關(guān)電源呈欠電壓或過電壓保護狀態(tài)，無驅(qū)動脈沖輸出。圖5.2 高頻整流濾波電路5.3 PWM脈沖控制驅(qū)動電路圖5.3 PWM脈沖控制驅(qū)動電路圖5.3由分壓電阻R18提供分得的電壓接入UC3842的7（vcc）管腳，UC3842啟動工作，由6端（output）輸出推動開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖。高電壓脈沖期間，場效應管導通，電流通過變壓器原邊，同時把能量儲存在變壓器中。根據(jù)同名端標識情況，此時變壓器各路副邊沒有能量輸出。當6腳輸出的高電平脈沖結(jié)束時，場效應管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器原邊為維持電流不變，產(chǎn)生下正上負的感生電動勢，此時副邊各路二極管導通，向

44、外提供能量，同時反饋線圈向UC3842供電。UC3842內(nèi)部設(shè)有欠壓鎖定電路，其開啟和關(guān)閉閾值分別為16V和10V，電源電壓接通之后，當7端電壓升至16V時UC3842開始工作，啟動正常工作后，它的消耗電流約為15mA。如圖5.3所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R6兩端的電壓上升，其中R19和C8組成濾波電路防止脈沖尖峰使電路誤操作，UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V(即電流超過1.5A)時，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出。這時，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而

45、保護了電路。5.4直流輸出與反饋電路當開關(guān)管導通時，整流電壓加在變壓器初級繞組上的電能變成磁能儲存在變壓器中，開關(guān)管截止后，能量通過次級繞組釋放到負載上。由公式： Uo=(Ton/(n )E 公式（5.10）可以得出，輸出電壓和開關(guān)管的導通時間及輸入電壓成正比；與初，次級繞組的匝數(shù)比及開關(guān)管的截止時間成反比。圖5.4 直流輸出與反饋電路反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC81。利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。如圖5.4輸出電壓經(jīng)R9，R11分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準電壓進行比較。當輸出電壓出現(xiàn)正誤差，

46、取樣電壓>2.5 V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關(guān)管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩(wěn)壓目的10。5.5 開關(guān)電源總電路圖本設(shè)計利用UC3842組成的PWM脈沖控制驅(qū)動電路，輸出5V和12V兩個直流電源。電路分為四個模塊，整流濾波電路，為UC3842提供啟動電壓，UC3842組成的PWM脈沖電路，驅(qū)動MOSFET管為變壓器線圈提供脈沖，兩個輸出電路，以及一個電壓反饋電路。如圖5.5所示：輸入220V交流電，經(jīng)過C1、L、

47、C2進行低通濾波后的交流電壓經(jīng)D1、D2、D3、D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3l0V的脈沖直流電壓，此電壓經(jīng)通過電阻R18分壓給UC3842提供啟動電壓，當電壓達到16V時達到芯片的啟動電壓，UC3842開始工作并提供驅(qū)動脈沖，UC3842的啟動電壓大于16 V，啟動電流僅1 mA即可進入工作狀態(tài)。當電路啟動運行后，UC3842的啟動電壓由R7分壓,再經(jīng)二極管整流后，得到的直流電壓提供，此時第一模塊的啟動電路不再提供啟動電壓。再由分壓電阻R18提供分得的電壓接入UC3842的7（vcc）管腳，UC3842啟動工作，由6端（output）輸出推動開關(guān)管工作，輸出信號為高低電壓脈沖

48、。反饋電路采用精密穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC81，利用TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過線性光耦對輸出進行精確的調(diào)整。輸出電壓經(jīng)R9，R11分壓后得到的取樣電壓，與TL431中的2.5 V帶隙基準電壓進行比較。如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過流，開關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R6兩端的電壓上升，其中R19和C8組成濾波電路防止脈沖尖峰使電路誤操作，UC3842的腳3上的電壓也上升。當該腳的電壓超過正常值0.3V達到1V(即電流超過1.5A)時，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復位，關(guān)閉輸出。這時，UC3842的腳6無輸出，MOS管S1截止，從而保護了電路。當輸出電壓出現(xiàn)正誤差，取樣電壓>2.5 V，TL431的穩(wěn)壓值降低，光耦控制端電流增大，UC3842的反饋端(VFB)電壓值增大，輸出端的脈沖信號占空比降低，開關(guān)管的導通時間減少，輸出電壓降低；反之，如果輸出電壓出現(xiàn)負誤差，UC3842的輸出脈沖占空比增大，輸出電壓增高，達到穩(wěn)壓目的。圖5.5 利用UC3842設(shè)計的開關(guān)電源主電路結(jié) 論本文主要以一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制器UC3842來設(shè)計一個簡單實用的小功率開關(guān)電源，因為脈寬調(diào)制器能夠改變驅(qū)動信號的脈沖寬度，所以能夠達到穩(wěn)壓的目的，非常適合用于開關(guān)電源的制作。而且由于器件設(shè)計巧妙，構(gòu)成電路所需元件少，非常