用uc3842制作5V1A的開關(guān)電源

1、、引言開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能電源，它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開 關(guān)通斷時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源， 具有體積小，重量小，效率高， 功率小，紋波小，噪音低，已擴(kuò)容，智能化程度高等優(yōu)良特性。反激式開關(guān)電源 作為開關(guān)電源的一種， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本較低等優(yōu)點(diǎn)， 其拓?fù)湓谳敵龉β蕿?5W至150W的電源中應(yīng)用非常廣泛，本文采用UC3842進(jìn)行反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì), 輸出為5V/1A.1、輸出直流電壓（ Vout ）：5V2、輸出直流電流（ I）:1A、芯片概況1 、UC3842 的性能特點(diǎn)1 ）它屬于電流型單端 PWM 調(diào)制器，具有管腳數(shù)量少、外圍電路簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、

2、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。能通過(guò)高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，適 于構(gòu)成無(wú)工頻變壓器的 2050W 小功率開關(guān)電源。2）最高開關(guān)頻率為 500kHZ, 頻率穩(wěn)定度達(dá) 0.2%。電源效率高，輸出電流大，能直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率晶體管或 VMOS 管、 DMOS 管、 TMOS 管。（3）內(nèi)部有高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓源，典型值為5.0V，允許有± 0.1V的偏差。溫度系數(shù)為0.2mV/ C。（4）穩(wěn)壓性能好。其電壓調(diào)整率可達(dá)0.01%/V,能同第二代線性集成穩(wěn)壓（例如LM317 ）相媲美。啟動(dòng)電流小于1mA,正常工作電流為15mA 。5）除具有輸入端過(guò)壓保護(hù)與輸出端過(guò)流保護(hù)之外， 還設(shè)有欠壓鎖定電路，使工作穩(wěn)定、

3、可靠。6）最高輸入電壓 VIM =30V ，輸出最大峰值電流 IPM =1A, 平均電流為0.2A,本身最大功耗PDm =1W,最大輸出功率P=50W 。2、UC3842 的引腳排列及內(nèi)部框圖UC3842采用壓、輸出電壓、地。DIP-8封裝如上圖1，管腳IV、OV、GND端分別接輸入電REFV為內(nèi)部5.0V基準(zhǔn)電壓引出端。TR/TC是外接定時(shí)電阻、定時(shí)電容的公共端。UC3842內(nèi)部框圖如圖2,其主要包括5.0V基準(zhǔn)電源,振蕩器、誤差放大器，過(guò)流檢測(cè)電壓比較器、PWM鎖存器、輸入欠壓鎖定電路、門電路、輸出級(jí)、34V穩(wěn)壓管。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;

4、5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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，而控制脈沖寬度;5腳為PWM比較器的另一輸入端，當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)IV時(shí)停止脈沖輸出使電源處于間歇工作狀態(tài);5腳為定時(shí)電容CT端，內(nèi)部振蕩器工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定,f=1.8 /(RTXCT);5腳為接地端。5腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns驅(qū)動(dòng)能力為 ±IA;磔卩為啟動(dòng)/工作電壓輸入端腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能, 芯片功耗為15mW 0(8腳為內(nèi)部5V基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA的負(fù)載能力。四、總體電路框圖及單元功能分析1、輸入單元(1

5、)電源噪聲濾波器電源噪聲濾波器電路如圖4圖4該濾波器有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端和一個(gè)接地端，制作使用時(shí)外殼使用金 屬屏蔽并接地，電路包括共模電感L、濾波電容器C1C4 0 L對(duì)串模干擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)偶合后總電感量迅速增大，因此共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過(guò)。C3、C4跨接在輸出端，經(jīng)電容分壓后接地，能有效的抑制共模干擾。(2)整流濾波器從電源經(jīng)過(guò)噪聲濾波輸出后的電壓從整流濾波器 (圖5)輸入，經(jīng)過(guò)D1D4進(jìn)行橋式全波整流送往R1和C5組成的r型濾波電路進(jìn)行濾波，得到+300V的非穩(wěn)壓的直流輸出。采用橋式全波整流可省去笨重的輸入變壓器， 使設(shè)計(jì)

6、重量可 大大減輕，輸出也得到近似平滑的良好直流電壓，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高。2、調(diào)整控制單元? 5. 07振蕩器卜Rt/Ct應(yīng),1110K 1(1)振蕩電路C6 ± u0.01UCT 4470(feHIL圖6由 R2、C7 與 UC3842內(nèi)部振蕩器，+5.0V基準(zhǔn)電源一起完成振蕩，產(chǎn)生高頻信號(hào)。+5.0V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)定時(shí)電阻R2給C7充電，然后C7再經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部電路進(jìn)行放電，從第 4腳得到鋸齒波電壓。由于輸出采用脈寬調(diào)制控制方式，考慮到Vi、Vref上的噪聲電壓也會(huì)影響輸出脈沖寬度，振蕩電路加了消噪電容C6。(2)啟動(dòng)、反饋補(bǔ)償電路0. OluFM 150K tEE3 n甘卜僭;乩 TH

7、 yloopr”IIIIt 心IIIIIIIIIIII晌A屯圧«走T；：I1 IJ t Ri!0.怨 ciM剛啟動(dòng)開關(guān)電源時(shí)，UC3842所需要的+16V工作電壓暫由R6、C9電路提 供。+300V直流高壓經(jīng)過(guò)R6降壓后加至UC3842的輸入端Vi，利用C9的充 電過(guò)程使Vi逐漸升至+16V以上，也就實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)。一旦開關(guān)管轉(zhuǎn)入正常工 作狀態(tài)，自饋線圈N2上所建立的高頻電壓經(jīng)D5、C9、C10濾波后，就作為芯片的工作電壓。至此啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。啟動(dòng)電路中有一34V穩(wěn)壓管，一但輸入端出現(xiàn)高壓，此穩(wěn)壓管就被擊穿，將 Vi鉗位于34V，保證芯片不至損壞。輸入電壓鎖定的目的是當(dāng)輸入欠壓時(shí)，開關(guān)功

8、率管自動(dòng)關(guān)斷，不至于欠壓大 電流運(yùn)行。由于噪聲干擾的影響，開關(guān)功率管有可能超負(fù)荷工作而損壞，為此給 芯片加了 PWM鎖存器。其作用是保證在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只輸出一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)，能消除在過(guò)流檢測(cè)比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)間產(chǎn)生的噪聲干擾。R4、C8用以調(diào)整誤差放大器的增益和頻率響應(yīng)。自饋線圈N2的輸出電壓IV經(jīng)過(guò)R5、R3分壓后作為比較電壓、與內(nèi)部 5.0V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)誤差放大器進(jìn)行比較調(diào)整，使Vout為5.0V的穩(wěn)定電壓輸出。R8上的電流反饋信號(hào)，通過(guò)R7衰減從3腳過(guò)流檢測(cè) 入，送入電流檢測(cè)比較器進(jìn)行比較，使輸出得到電流鉗位目的，輸出電流被限制 在1A以下。3、輸出單元由于采用的是高頻調(diào)制信號(hào)的方法，故輸出

9、級(jí)電源變壓器很小，調(diào)整管采用 頻率響應(yīng)快的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，輸出級(jí)受 UC3842VoPWM 波調(diào)整，通過(guò)VT 進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，+300V直流電壓從T原邊N1流經(jīng)VT輸出變壓器原邊產(chǎn)生大 電流的PWM電壓波，經(jīng)過(guò)T變比偶合，使輸出端產(chǎn)生大電流的電壓，輸出通 過(guò)D7整流，C12濾波，使輸出為平滑穩(wěn)定的5.0V穩(wěn)壓輸出。輸出電路見圖8。N2輸出用作電壓負(fù)反饋。Vi一 R+3尺門b4.71Cll【N1IRFPCO?丄 T4.2k lOOOV IbOW五、總電路原理圖FU空2207 50EZR1 2門 4-3O0VRLlR6_J4財(cái) 2:rC8_OOP_SC6PSCTth UluI 1=rr：13?M +

10、5.0V機(jī)。He %UC3342過(guò)滿檢測(cè)Rt/Ctfsnr-I OR、電容C5濾波，得圖中220V交流電壓經(jīng)過(guò)3A/600V 橋式整流和電阻到大約+300V自流電壓。此直流高壓被高頻變壓器 T斬波和降壓，變成頻率為40KHZ的矩形波電壓，再經(jīng)過(guò) D7、C13整流濾波，就得到直流輸出電壓。它PWM鎖采用固定頻率、改變脈沖寬度的調(diào)壓原理，其工作過(guò)程是首先對(duì)輸出電壓（N2反饋的電壓）進(jìn)行采樣，然后依次經(jīng)過(guò)誤差放大器、過(guò)流檢測(cè)比較器、存器、門電路和輸出級(jí)，去控制開關(guān)功率管的導(dǎo)通時(shí)間（ton ）和關(guān)斷時(shí)間（toFF），以決定高頻變壓器的通斷狀態(tài)，最終達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。（穩(wěn)壓流程：1、市電變化引起：市電

11、T f300V TV| T-比較tPWM ton變窄-VOUT ；實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓;反之：市電+300VVI比較tPWM ton變寬VOUT T實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；2 :負(fù)載變化引起：負(fù)載T fVi Jf比較tPWM ton變寬f Vout T實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；負(fù)載Jf Vi Tf比較tPWM ton變窄f VOUT J實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓）。UC3842屬于電流型脈寬控制器。所謂電流控制型是指，一方面把自饋線圈的輸出電壓Vi反饋給誤差放大器，在與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后，得到誤差電壓Vr ； 另一方面初級(jí)線圈中的電流在取樣電阻 R8上建立的電壓，直接加到過(guò)流比較器的同相輸入端，與Vr作比較，進(jìn)行控制脈沖的占空比，使流過(guò)開關(guān)功率管的最大

12、峰值電流I PM始終受誤差電壓Vr的控制，這就是電流控制型的原理，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整速度快，一旦+300V輸入電壓發(fā)生變化，就立即引起1 PM的變化，迅速調(diào)整輸出脈沖的寬度。因此采用電流控制型脈寬控制器，可以大大改善開關(guān)電源的電 壓調(diào)整率及電流調(diào)整率。(穩(wěn)流過(guò)程：1、電壓變化引起：+300V fflpM ffVr J f過(guò)流比較f PWM ton變窄f VOUT J實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流；+300V JPM jfUr ff過(guò)流比較f PWM ton變寬f VOUT f實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流；2、負(fù)載變化引起：負(fù)載ff I PM T過(guò)流比較f PWM ton變窄f VOUTPM J實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)流；負(fù)載1 PM過(guò)流 比較f PWM t

13、on變寬f VOUT ff1 PM T實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流)。六、選擇器件與參數(shù)計(jì)算1、噪聲濾波器器件選擇與參數(shù)計(jì)算L的電感量一般取幾毫亨至幾十毫亨，視電源噪聲濾波器的額定電流I而定。表1列出L與I的對(duì)應(yīng)關(guān)系額定電流1(A)136101215電感量范圍(mH )812240.40.80.20.30.10.150.070.08L 典型值(mH )82.50.780.220.110.0735C1、C2采用薄膜電容器，容量范圍大至是0.010.47Uf,主要用來(lái)消除串模C3、干擾。C3、C4跨接在輸出端，經(jīng)電容分壓后接地，能有效的抑制共模干擾。C4宜選用陶瓷電容器，容量范圍是22004700Pf,耐壓值為630

14、V 。為提高防潮、抗震動(dòng)與沖擊性能，元件裝入金屬殼后用環(huán)氧樹脂封固。2、震蕩頻率計(jì)算 震蕩頻率的計(jì)算公式為:f=1.8/(R2*C6 )(1.1 ) 將 R2=10K Q,C6=4700p 代入公式(1.1 ),f=38.3kHz,可近視 40kHz型號(hào)磁芯面積E-70.49E-121.44E-172.893、輸出高頻變壓器的計(jì)算(1)磁芯的選擇高頻變壓器的最大承受功率 Pm與磁芯截面積Sj (單位2cm)之間存在下述關(guān)系：Sj =0.15 (1.2)實(shí)際輸出功率為 Po=lo*Vo=5*1=5W 。設(shè)效率為=70% ,Pi=5/0.7=7.2W,留設(shè)計(jì)余量，取Pm=12W，代入公式(1.2)

15、得SJ =0.52 c rf ,查上表E-7 Sj =0.49c rf，與之最接近。E-7的飽和磁通密度為BS =350T，使用時(shí)為防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象損壞開關(guān)功率管，可取B=250T 。(2)計(jì)算脈沖最大占空比公式：Dmax=r*100%(1.3)取市電輸入范圍176-264V。經(jīng)全波整流和濾波后的直流輸入電壓 V|max360V , VImin 也0V。單端反激式開關(guān)電源中所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)e 170V,線圈漏感造成的尖峰電壓Vl=100V 。代入公式(1.3) Dmax =41.5%。3)初級(jí)線圈的電感量公式：L1= L1 =2(VIm in Dmax)2巴f_(1.4)將=70%,Vlm

16、i n=240V,Dmax=41.5%, Po=5W,f=40kHz代入(1.4)得 L1=17.4mH(4)求峰值電流和過(guò)載保護(hù)電流公式：lp=VIm in Dmax(1.5)Is=1.3* IP(1.6)因此 I P =0.143Als=0.186A在次級(jí)線圈上的儲(chǔ)能為W=0.5*L1*Is 2=0.3mJ(5)求初級(jí)線圈N1匝數(shù)2*107W公式：N1.Is= B*SjN1=130(6)N2，N3 計(jì)算公式：N=VF)(1 Dmax)VIm in DmaxN2=16;N3=8 4、周邊器件采用IRFPG40型(3A、1000V、150W)N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管作開關(guān)功率管。D1D4采用3A/1

17、000V 的FR305型快速恢復(fù)二極管。輸出整流濾波 D7選擇D80-004型肖特基二極管七、仿真電路圖及結(jié)果本次課程設(shè)計(jì)完成了基本要求，詳盡的闡述了設(shè)計(jì)依據(jù)、工作原理，并且用Simetrix實(shí)現(xiàn)對(duì)5V/1A開關(guān)電源的仿真設(shè)計(jì)，效果圖如下:I* -, IJ iMWi®iMJt7Fn I _t> _* AtlJ *二-亍匸TCITW TJi'±yMr.D»:1cc丄巴_切亠*丄口K. Qi一*哼g . _ m 齊Ml , =IH' .11 叮 o 0-ui f Ii-，rdff;Diww器.圖1仿真圖圖2直流電壓輸出圖3直流電流輸出八、實(shí)驗(yàn)心得進(jìn)行本次課程設(shè)計(jì)時(shí),開始覺得題目有一定的難度。后來(lái)能夠積極的查閱資料，和別人討論，采納別人的意見。對(duì)電路的工作原理、參數(shù)的基數(shù)過(guò)程，所用 器件的選擇都進(jìn)行了深入的研究。 發(fā)現(xiàn)這個(gè)題目是非常有意義的，讓我們接觸到 最前沿的電力電子技術(shù)。進(jìn)過(guò)兩個(gè)多星期的學(xué)習(xí)，深入研究課題所涉及的內(nèi)容, 希望此設(shè)計(jì)能夠?qū)_(dá)到其預(yù)期的效果。由于時(shí)間和自身水平的限制，我們所做的電路設(shè)計(jì)還有很多的不足之處。 但 通過(guò)這段時(shí)間