基于UC3842的开关电源设计综述.docx

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基于UC3842的开关电源设计综述

基于UC3842的开关电源设计

摘要

论述了新型开关电源的产生和发展、结构和原理、特点以及开关电源的一些主要电器元件的工作原理和选用和电流控制型脉宽调制芯片UC3842的内部结构、管脚功能、特性和工作原理以及电流控制型脉宽调制芯片UC3842构成的开关电源的工作原理,分析了基于UC3842构成的它激式升压型开关电源和单端反击式开关电源,并对单端反激式开关电源电路系统启动电路、保护电路、输出整流滤波电路以及反馈电路四个部分进行了详细的分析,得出该开关稳压电源效率高、纹波小、输出电压稳定,性能优良,具有频响快、电压调整率和负载调整率高的特点，是一种性能较好的开关稳压电源，适合于仪器仪表的控制用电。

关键词：

开关稳压电源，UC3842，AC／DC变换器

SwitchingpowersupplydesignbasedonUC3842

ABSTRACT

Discussestheemergenceofnewswitchingpowersupplyanddevelopment,structureandprinciples,characteristics,andswitchingpowersupplysomeofthemajorelectricalcomponentsoftheworkingprinciplesandselectionandcurrent-controlledPWMchipUC3842'sinternalstructure,pinfunction,featuresandworkingprincipleandPWMcurrentcontroltypeswitchingpowersupplychipUC3842constitutetheworkingprincipleofitscompositionbasedonUC3842excitedboostswitchingpowersupplyandsingle-endedcounter-switchingpowersupply,andsingle-endedflybackswitchingpowersupplycircuitsystemstartupcircuit,protectioncircuit,outputrectifierfiltercircuitandfeedbackcircuitoffivepartsofadetailedanalysis,drawntothehighefficiencyswitchingpowersupply,ripple,outputvoltagestability,excellentperformance,withfastfrequencyresponse,voltageregulationandloadregulationcharacteristicsofthehighrateisabetterperformanceoftheswitchingpowersupply,controlinstrumentationforelectricity.

KEYWORDS:

switchingpowersupply，UC3842，AC/DCconverter

目　录

前　言

电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

新型开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换的电能可以满足各种用电要求。

由于其高效，节能所带来的巨大经济效益，从而得到了迅速的发展。

现今，新型开关电源技术主要向小型化、高频化、集成化、模块化、数字化及绿色化方向发展。

其中，自激式开关电源是目前广泛使用的基本电源之一，它是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，它的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路。

电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。

这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

然而，自激式开关电源电路中的开关管既是振荡管又是开关元件，这两种功能相互影响牵制，成为制约自激式开关电源性能提高的主要因素。

而它激式开关电源有独立的振荡器、激励级、脉宽调制器、供电保护系统等，因此其电路较自激式更复杂的多。

其开关管导通和截止所需要的基极开关脉冲由外振荡器供给，而脉宽调制在专设的振荡级进行。

目前大多数它激式开关电源都用集成化驱动器，将误差放大器、脉宽调制器、振荡器以及过电压、过电流保护集成在一体。

现已开发出了一系列功能完善、外电路也极简单的驱动器，使它激式开关电源有了极大的发展，我们通过研究和分析由UC3842控制的开关电源电路来更好更深的了解它激式开关电源。

第1章开关电源介绍

1.1开关电源的产生与发展

电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域。

程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源是利用现代电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

开关电源比普通的线性电源效率高，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。

显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。

取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。

它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。

早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。

这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。

随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。

而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。

目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。

近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高150～200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。

开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。

当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。

在70年代后期，功率在100W以上的开关电源是有竞争力的。

到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。

随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。

过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著。

当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。

此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

1.2开关电源概述

1.2.1开关电源的工作原理

开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。

图中输入的不稳定直流电压经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可以得到稳定的直流输出电压。

（a）原理图（b）波形图

图1-1开关电源的工作原理图

为了分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：

（1-1）

式中，T表示开关S的开关重复周期；表示开关S在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压U0与输入电压之间有如下关系：

（1-2）

由公式（1-1）和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。

T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫脉冲宽度调制（PWM）。

由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。

若保持不变，利用改变开关频率f=1／T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压稳定的方法，称作脉冲频率调制（PFM）。

由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不容易实现最优化，既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称作脉冲调频调宽方式。

在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用[1]。

1.2.2开关电源的组成

开关电源的基本组成如图1-2所示。

其中DC／DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图1-2开关电源工作组成图

DC／DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多地表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也得到改善。

开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。

1.2.3开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

（1）效率高：

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在百分之八十到百分之九十之间，高的可达到百分之九十以上。

（2）重量轻：

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1／5，体积也大大缩小了。

（3）稳压范围宽：

开关电源的交流输入电压在90～270V内变化时，输出电压的变化子啊20%以下。

合理设计开关电源电路，还可以使稳压范围变宽，并保证开关电源的高效率。

（4）安全可靠：

在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。

（5）功耗小：

由于开关电源的工作效率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.2.4开关电源的分类及控制方式

1．按开关电源的触发方式分类

（1）自激式开关电源

自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成反馈环路，来完成自激振