基于UC3842的降壓型DC-DC設計

基于UC3842的降壓型DC-DC設計設計課題：基于UC3842的降壓型DC-DC設計專業(yè)班級：B120409學生姓名：****9指導教師：*設計時間：2014年12月18日目錄TOC\o"1-2"\h\u31780摘要： 312771關鍵詞: 313542一、系統設計 3119291.1系統設計要求 3112021.2系統設計框圖 324110二、硬件電路設計 4202562.1輸入模塊 445702.2輸出模塊 5159832.3UC3842外圍電路 5312502.4反饋電路 6255842.5開關管控制電路 727957三、重要元件簡介 7259123.1UC3842 7185383.2PC817 9269013.3TL431 1025728四、計算 11185384.1續(xù)流二極管的選擇 11269014.2R6--R10 1125961五、原理圖、電路板及PCB圖 1299485.1原理圖 12172255.2電路板 12319815.3PCB圖 1313998六、測試結果及結果分析 13296936.1測試結果 13248436.2測試結果分析 1415582七、結論與心得 15基于UC3842的降壓型DC-DC設計摘要：為了研究基于UC3842的直流降壓斬波電路，選擇了以UC3842為脈寬控制核心的15V到8V的降壓變換為實例，詳細的說明UC3842的用法，外圍電路設計，以及反激直流變換器的直接降壓斬波工作原理。該方案里的UC3842可以直接驅動開關管，向負載提供電能。為了整體電路的穩(wěn)定，又在輸出端添加由TL431和PC817組成的反饋電路，對輸出電壓采樣，把輸出電壓反饋給UC3842，通過內部比較器，自動的調節(jié)脈寬，調節(jié)輸出電壓，以達到穩(wěn)定。關鍵詞:UC3842反饋電路濾波一、系統設計1.1系統設計要求表1系統要求輸入電壓輸出電壓工作效率功率15V8V80%以上10W以上1.2系統設計框圖本設計采用的是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片UC3842。該脈寬調制器能產生頻率固定而脈沖寬度可以調節(jié)的驅動信號，控制大功率開關管的通斷狀態(tài)來調節(jié)輸出電壓的大小，達到穩(wěn)壓目的，鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時鐘頻率信號，利用誤差放大器的電壓測定比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流測定、電流測定比較器構成電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)驅動信號的占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。假如電源電壓變化或負載發(fā)生變化使輸出電壓升高時，則脈寬調制器就會改變驅動信號的脈沖寬度，即減小輸出PWM波形的占空比，使大功率晶體管導通的時間變短，斬波后的電壓平均值下降，從而達到穩(wěn)壓目的。通過上面的解釋，在輸入模塊上輸入直流電壓15V，在輸送到變壓器上之前，進行了簡單的濾波電路。當開關管導通時，電源向負載供電負載電流成指數上升，當開關管關斷時，負載電流經過二極管（IN5822）續(xù)流，負載電壓近似為0，電流成指數下降，為了使電流連續(xù)切脈動小，電感L值要比較大。在輸出電路模塊中，為了穩(wěn)定輸出，我們又加入了反饋電路。通過PC817把輸出電路的電壓反饋到UC3842上，再控制脈寬的調控，實現電壓的穩(wěn)定，達到一個閉環(huán)的穩(wěn)定系統。系統框架圖如圖1所示，該方案主要有五個模塊構成，他們分別為輸入濾波模塊、反激變壓器模塊、輸出濾波模塊、反饋電路、UC3842主控器模塊。反激變壓器反激變壓器輸入DC輸出濾波電路UC3842主控制器反饋電路DC負載圖1系統總體框圖二、硬件電路設計2.1輸入模塊輸入模塊是15V輸入的地方，輸入設計簡單，不帶保護功能，通過接線端把15V的電壓加在輸入端，經過C1（220微法）的濾波后供給下面電路。輸入是為電路提供輸入通道的同時最小化的降低外界干擾，以免影響后面電路。圖2輸入模塊原理圖2.2輸出模塊設計 這個模塊式電路的輸出通道，外接負載的地方。輸出電路主要由續(xù)流二極管、儲能電容、電感、功率消耗電路組成。：圖3輸出模塊原理圖續(xù)流二極管通常和儲能元件一起使用，其作用是防止電路中電壓電流的突變，為反向電動勢提供耗電通路。電感線圈可以經過它給負載提供持續(xù)的電流，以免負載電流突變，起到平滑電流的作用！下面的開關電源中，就能見到一個由二極管和電阻串連起來構成的的續(xù)流電路。當開關管關斷時，防止感應電壓過高，擊穿開關管。輸出端的電容，也是反激結構中電路中一個很重要的部分，最主要是濾波。2.3UC3842外圍電路圖4該電流型脈寬調制器有體積小、成本低、外圍元件少、電路簡單、可靠性高、故障率低等優(yōu)點。所以這種脈寬調制器被廣泛的使用，尤其是在顯示器的電源中，使用得比較普遍。UC3842構成的控制電路，既有電流負反饋控制環(huán)節(jié)，又有電壓負反饋控制環(huán)節(jié)，這樣使開關穩(wěn)壓電源的電壓穩(wěn)定性由很大的提高。振蕩器振蕩的頻率是由定時電阻R3和定時電容C4共同決定的。2.4反饋電路為了達到輸出的穩(wěn)定，輸出端采用了電壓反饋電路。這個反饋電路主要使用了TL431和PC817組成了外部誤差電壓放大器。就是對輸出電壓進行采樣，把電壓輸出的信號反饋給控制芯片UC3842，然后自動調節(jié)脈寬，達到穩(wěn)定。這樣使用的優(yōu)點在于實現了電氣隔離，最大限度的減少干擾，提高穩(wěn)定性。圖4反饋電路原理圖TL431有一個內部的2.5V基準源Vref，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同相端）的電壓時，三極管中才會有電流通過，隨著REF端電壓的變化，通過三極管的電流將從1mA到100mA變化。2.5開關管控制電路圖5為了使開關管能迅速關斷，所以在R2旁反并聯一個二極管，為功率管關斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，使得當開關管關斷時，將UC3842的第6腳上內外電路各個部件寄存的正電荷迅速的放掉，在這一瞬間有吸入電流流入，也就能使它控制的開關管迅速的截止。三、重要元件簡介3.1UC3842圖6UC3842實物圖UC3842為脈寬控制核心的反激變換器開關電源方案，所以UC3842的應用是方案成敗的關鍵。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，單端輸出，可直接驅動晶體管和MOSFET，具有管腳數量少、外圍電路簡單、安裝與調試簡便、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點，在100W以下的開關電源中有很好的應用前景。其內部邏輯如下圖7。圖圖7UC3842內部邏輯圖UC3842采用固定工作頻率脈沖寬度可控調制方式，共有8個引腳，各腳功能如下：①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V基準電壓進行比較，產生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；③腳為電流檢測輸入端，當檢測電壓超過1V時縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；④腳為定時端，內部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數決定，f=1.8/(RT×CT)；⑤腳為公共地端；⑥腳為驅動脈沖輸出端；⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；⑧腳為5V基準電壓輸出端，有50mA的負載能力。當基準穩(wěn)壓源有5V基準電壓輸出時，基準電壓檢測邏輯比較器即達出高電平信號到輸出電路。同時，振蕩器將根據④腳外接Rt、Ct參數產生f=/Rt.Ct的振蕩信號，此信號一路直接加到圖騰柱電路的輸入端，另一路加到PWM脈寬市制RS觸發(fā)器的置位端，RS型PWN脈寬調制器的R端接電流檢測比較器輸出端。R端為占空調節(jié)控制端，當R電壓上升時，Q端脈沖加寬，同時⑥腳送出脈寬也加寬（占空比增多）；當R端電壓下降時，Q端脈沖變窄，同時⑥腳送出脈寬也變變窄（占空比減?。?。②腳一般接輸出電壓取樣信號，也稱反饋信號。當②腳電壓上升時，①腳電壓將下降，R端電壓亦隨之下降，于是⑥腳脈沖變窄；反之，⑥腳脈沖變寬。③腳為電流傳感端，通常在功率管的源極或發(fā)射極串入一小阻值取樣電阻（即R2），將流過開關管的電流轉為電壓，并將此電壓引入境腳。當負載短路或其它原因引起功率管電流增加，并使取樣電阻上的電壓超過1V時，⑥腳就停止脈沖輸出，這樣就可以有效的保護功率管不受損壞。3.2PC817圖8pc817實物圖pc817是常用的線性光藕，廣泛用在電腦終端機，可控硅系統設備，測量儀器等電路之間的信號傳輸，常常在各種要求比較精密的功能電路中被當作耦合器件，具有上下級電路完全隔離的作用，相互不產生影響。使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設計。圖9pc817內部框圖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，產生光電流從輸出端輸出，從而實現了"電-光-電"的轉換。普通光電耦合器只能傳輸數字信號（開關信號），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。光耦三極管側的電路如總拓撲圖中9所示，圖中2腳應接地。光藕三極管直接接在UC3842的COMP端。當輸出電壓大于8V時，TL431的REF端電壓大于2.5V，Tl431可以流過電流，光藕的二極管導通，從而控制三極管導通。UC3842的2端接地，故1端為高電平，而當光偶的三極管導通時，1端電壓被拉至低電平，導致UC3842輸出關斷，從而控制占空比。3.3TL431圖10TL431實物圖TL431是可控精密穩(wěn)壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Verf（2.5V）到36V范圍內的任何值。TL431的具體功能可以用圖11的功能模塊示意。由圖可以看到，VI是一個內部的2.5V的基準源，接在運放的反向輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同向端）的電壓高于VI（2.5V）時，三極管中才會有電流通過，同相輸入電壓少于2.5V時，三極管處于截止狀態(tài)（理想狀態(tài)下），隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。該圖不是TL431的實際內部結構，但可用于分析理解電路。圖11TL431等效分析圖計算4.1續(xù)流二極管的選擇續(xù)流二極管應采用快恢復二極管,其具有開關特性好、耐壓高、正向電流大等優(yōu)點。根據計算，本設計采用快恢復二極管IN5822正向電流：3A反向耐壓：40V正向壓降：反向漏電流：滿足設計要求。4.2TL431參考輸入端的電流，一般此電流為2uA左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R10的電流為參考段電流的100倍以上，所以,又考慮到功耗問題，所以R10在的情況下盡量取大值,所以。TL431的死區(qū)電流為1mA，也就是R6的電流接近于零時，也要保證TL431有1mA，所以。除此以外也是功耗方面的考慮R6的取值要保證高壓控制端取得所需要的電流，其CTR=0.8--1.6,取低限0.8，要求流過光二極管的最大電流,所以R6的值。光二極管能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以我們取流過R6的最大電流為50mA，。由于我們的輸出電壓是8V，要使R10端為TL431參考電壓2.5V，故R8的值應為：。由于沒有22K大小的電阻，可以通過串聯來得到電阻值，選用1.2V為光藕的二極管前向導通壓降。一般沒有特殊要求，光偶的二極管電流在10mA以下為宜。這里我們取8mA。則流過R7的電流為9mA。取Vk為最小值2.5V，則根據實際情況R6選擇490。原理圖、電路板及PCB圖5.1原理圖圖125.2電路板圖135.3PCB圖圖14六、測試結果及結果分析6.1測試結果加入負載之后的輸入電壓，輸出電壓及輸出電流。表2測試數據要求電壓（V）15151515151515輸出電流(mA)79890310041124126313861520實際輸出電壓(V)7.97.77.757.27.06.86.5 由上表得：電路穩(wěn)定后，輸出功率基本上是在。圖176.2測試結果分析由上面兩個圖的對比可以明顯發(fā)現，加入輸出反饋后，電路明顯比不加反饋穩(wěn)定。如果電路未加入反饋電路，輸出的電壓就不能反饋給UC3843的引腳。因為電路在焊接后，各引腳的電阻電容都已經固定，那么他的頻率和脈寬都是固定的了。當電路中電流增大，產生的影響也隨之增大。由于不能反饋到控制芯片，他的脈寬就不能自動變化，輸出的占空比也是一成不變的。雖然輸出電路端雖然加入了反饋電路，但輸出電壓還是和要求輸出電壓有所不同。不過還好，誤差都在允許范圍內。由表可以得出，在輸出端