基于UC3842的开关稳压电源的设计说明.docx

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基于UC3842的开关稳压电源的设计说明

基于UC3842的开关稳压电源的设计

摘要

随着电力电子技术的发展以及创新，使得开关电源这一项技术也在不断地发展与创新，由于这一成本反转点日益向低输出电力端的移动，为开关电源提供了广阔的发展空间。

电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效小型开关电源又是开关电源发展的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关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）控制IC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。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

设计论文主要是利用一种性能优良的电流控制型脉宽调制器UC3842。

假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。

UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20～80W小功率开关电源。

关键词：

开关电源；UC3842；脉宽调制

Abstract

AlongwiththePowerelectronictechnologydevelopmentandinnovation,itmakethattechnologySwitchingpowersupplyisalwaysinthewayofdevelopingandinnovating,whitthecostofinversionpointsincreasinglytothelowoutputpowerendmobile,maketheSwitchpowersupplyprovideabroadspacefordevelopment.

Powerequipmentusedtoachievethepowerconversionandpowertransmission，whichisbasictothevariouselectronicdevicesworkingnormally,andthehighfrequencyandhighefficientsmallswitchingpowersupplyisaninevitabledevelopmenttrend,whichisusedmoreandmoreincommunications,militaryequipment,transportacilities,instrumentation,insustrialequipment,householdappliancesandotherares.

SwitchingpowersupplyusetheModernelectronictechnologytocontroltheturn-onandturn-offtimeratio,maintainthestabilityoftheoutputvoltageofPowersupply.SwitchingpowersupplyusedbyPulsewidthmodulation（PWM）ControlICandMOSFET.SwitchingpowersupplyandLinearpowercomparison,theyarecost'sastheOutputPowerincreases,Buttheirgrowthisdifferent.LinearpowersupplycostsinCertainoutputpowerpoint,ishigherthanSwitchingpowersupply.ThispointiscalledCostinversionpoint.

DesignthesisismainlyusingakindofhighperformancecurrentcontrolPulsewidthmodulationUC3842.Ifsomereasonsmaketheoutputvoltagerise,Pulsewidthmodulatorcanchangethedrivesignalpulsewidth,theDutyratioD,thechopperaftertheaveragevoltagedrop,toachievethegoalofstabilizingvoltage,Thereverseisalsotrue.UC3842CandirectlydriveMOSFET,IGBTandsoon.Suitablefortheproductionof20～80WSmallpowerswitchpowersupply.

KeyWords：

Switchingpowersupply，UC3842，Pulsewidthmodulation

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引言

电源在一个典型系统中担当者非常重要的角色。

从某种程度上，可以看成时系统的心脏。

电源给系统提供持续的，稳定的能量，是系统免受外部的侵扰，并防止系统对其自身作出伤害。

如果电源部发生故障，不应造成系统的故障。

电源，即提供电能的设备，主要分三类：

一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。

其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。

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以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，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度，后者，较电压控制型有不可比拟的优点。

上世纪八十年代，由于线性电源在成本和价格上比开关占有绝对优势，国高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干类设备上得到应用。

之后，由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源有显著减少，而且对整机多项指标有良好影响，因此它的应用得到广泛推广。

近年来许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。

究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件（五新）不断地出现并应用到开关电源的缘故。

不同的负载要求不同的电源装置，万能的电源至少今天还未出现。

一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本要求。

高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质，而安全可靠是必须加以保证的。

无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球围的热门话题，并由相关的国际和国家标准规进行约束。

有时特定的使用环境又要求电源具备一些额外的适应性能力，比如高温、高寒、高湿、抗辐射、抗振动、防爆、体积小、重量轻、智能化等。

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。

所谓电流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线圈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，是比较理想的新型的控制器。

第1章绪论

1.1课题背景与意义

电源向电子设备提供功率的装置，把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。

发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。

电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的）,电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即可，当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去，当电荷散尽时,也就荷尽流（压）消了。

因此人们把干电池等叫做电源。

通过变压器和整流器，把交流电整流成直流电的装置叫做整流电源。

能提供信号的电子设备叫做信号源。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。

开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。

21世纪，人们提倡的是建设可持续发展的社会，提倡的是节约资源，提高能效，环境友好。

在这种大背景下，开关电源以其高效、环保、安全、体积小、重量轻等优点已成为人们争相研究的一个热点。

同时电源技术已经演变成为一个综合微电子技术、自动控制技术、材料科学、电力变换技术、电机工程等诸多学科相互渗透的综合学科。

从日常生活到尖端科技都离不开开关电源技术的参与和支持。

1.2课题研究历程与现状

1955年，美国科学家G.H.Royer成功研制出了第一台自激式晶体管直流变换器，从而取代了早期的机械振子式换流设备。

但是由于当时的微电子技术落后，生产出的晶体管耐压值低、开关速度慢，致使直流变换器输入电压低，而且电路中还含有笨重的工频变压器。

20世纪60年代末，得益于微电子技术的飞速发展，此时的开关管具有耐高压、耐大电流等优点。

直流变换器可以直接由电网供电，从而彻底甩掉了体积大、重量大、效率低的工频变压器，诞生了无工频变压器的开关稳压电源，并且凭借其高效率、体积小、重量轻而被迅速推广普及。

20世纪70年代以后，与开关电源相关的高频率、大电流、高反压的开关晶体管，快恢复二极管，高频变压器磁芯等元器件的出现，又进一步的加快了开关稳压电源的发展，开关电源被广泛的应用于航天、军事电子、计算机、通信设备等领域。

我国无工频变压器的开关电源开始于20世纪70年代初期，当时引进的开关电源技术还停留在高校和科研机构的实验开发阶段。

1974年，成功研制了我国第一台10kHz、输出5V的无工频变压器开关电源。

20世纪80年代中期，开关电源的产品开始应用和推广，此时开关电源特点是采用PWM技术，工作频率20kHz，效率在60%至70%。

20世纪90年代初期，我国成功研制出工作频率100至200kHz的高频开关电源。

目前，毫无疑问开关电源已广泛应用于几乎所有的电子设备中，成为电子信息产业必不可少的一种供电方式。

但是，随着科技的不断进步，人们对开关电源的要求将会更高，可以预见，高频化、小型化、高效率、模块化、高可靠性以及智能化是21世纪开关电源的发展趋势：

（1）小型化，高频化。

随着电子技术的飞速发展，大规模集成电路（IC）的出现，制约电子设备体积、重量的主要因素就是电源能否小型化。

而提高开关频率是减小体积的有效途径，他能有效减小电容和电感的体积和重量。

另外研究人员还致力于研制出体积更小，重量更轻的高频变压器，再或者通过别的方法来取代电源电路中的变压器，从而实现小型化。

（2）低噪声。

高频开关电源电路中的功率开关管工作在高速开关状态，而且由于元器件的容性、感性等特性，会产生尖峰电压和谐振噪声。

这些噪声干扰会影响邻近电子设备的正常工作，特别是一些高精度的仪器仪表。

采用辅助谐振开关电路在开关状态发生变化时发生谐振，对降低噪声干扰有一定效果。

如何有效地降低噪声干扰将是开关电源的一个发展方向。

（3）高可靠性。

由于开关电源电路中所用元器件较多，降低了电路的可靠性。

但是随着开关电源的模块化、集成化，电源电路将大幅简化，可靠性也将大大提高。

（4）高效率。

高效率永远是研究人员追求的目标，人们将通过各种技术来提高效率。

软开关技术可以有效减小开关的损耗，提高电源的效率；有源功率因数校正（APFC）可以提高功率因数，从而提高电源的整体效率。

（5）模块化。

模块化是开关电源的一个重要发展方向，通过把控制电路、反馈回路、驱动电路和保护电路集成化，最后实现电源整机的模块化，可以有效地减小体积、减轻重量、降低成本、增强可靠性，提高功率密度等等。

（6）智能化。

通过将微处理器和开关电源结合，使开关电源变得更智能化、人性化。

总之，伴随着越来越广阔的市场需求，人们对开关电源的各项性能要求也日益提高，研究人员需要对新技术、新材料、新控制方式以及电路拓扑进行优化整合，才能不断提高开关电源的各项性能，生产出市场需求的开关稳压电源。

电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标级能否安全可靠的工作。

目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。

由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。

半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。

早期的开关电源全部由分立元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。

在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源种的控制电路实现了集成化。

20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于AC/DC电源变换器。

随着各种类型单片开关电源集成电路的问世。

AC/DC电源变换器的集成化变为现实。

1.3本课题的研究容与目标

集成小功率开关电源的研究与设计，本论文根据课题研究的需要，设计了一种性能优良的电流控制型脉宽调制器UC3842进行的开关电源，本设计利用UC3842组成的PWM脉冲控制驱动电路，输出＋5V直流电源。

电路分为五个模块，滤波电路，为UC3842提供启动电压，UC3842组成的PWM脉冲电路，驱动MOSFET管为变压器线圈提供脉冲，一个输出电路，以及一个电压反馈电路，和过流保护电路。

第2章开关电源的基本工作原理与电路结构

2.1开关电源概述

2.1.1开关电源的工作原理

开关电源主要是进行交流/直流、直流/直流、直流/交流功率转换的装置，通过了对主变换回路以及控制回路的控制完成一系列的变换。

主变换回路将输入的交流电转换后传递给了负载，所以它决定了开关电源电路的结构形式、转换要求以及负载能力等一系列的技术指标；而控制回路是按照输入，输出技术指标的要求来进行检测，控制主变换回路的工作状态。

一般开关电源控制集成电路包括振荡器、误差放大器、PWM触发器、状态控制器等部分功能电路，高品质开关电源还包括高电压功率开关管、电流比较器，以及各种保护功能电路。

在开关点的变换过程中，用高频变压器隔离称为离线式开关变换器，常用AC/DC变换器就是离线式开关变换器。

开关电源的工作原理框图如图2-1所示。

图2-1开关电源电路框图

开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图2-2进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui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Ui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得到稳定的直流输出电压Uo。

图2-2开关电源的工作原理

上图中，a图为电路图，b图为波形图。

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：

（2-1）

上式中，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Uo与输入电压Ui之间有如下关系：

（2-2）

由式（2-1）和式（2-2）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做脉冲宽度调制（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Ton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Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制（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做脉冲调频调宽方式。

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。

下图2-3是开关电源的工作波形图。

图2-3开关电源工作波形

2.1.2开关电源的组成

开关电源的基本组成如图2-4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。

反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。

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。

图2-4开关电源的基本组成

图2-5开关型稳压电源的原理电路

2.1.3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，所以调整管的功耗较小，但是效率较高，一般在80%至90%，高的甚至可达90%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，从而使其重量大大减轻，只有同容量线性电源的1/5，体积也在很大程度上缩小了；

（3）稳压围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计开关电源电路，还可使稳压围更宽并保证开关电源的高效率；

（4）安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此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频率高，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下，因此损耗小，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。

2.2DC-DC变换电路拓扑概述

2.2.1单端反激式电压变换器

如图2-6所示，单端反激式变换器是在Buck-Boost变换器的基础上演变而来的。

与正激变换器不同的是，在开关管导通时，能量先储存，到开关管关断时，再向输出端提供能量。

因此高频变压器不仅起到电气隔离作用，还具有储能作用。

反激式变换器的高频变压器为保证在能量不完全传递的情况下磁芯不饱和，必须加入气隙，而且又要满足在二次侧电流不连续，即在能量没有完全传送的条件下稳定输出电压Vout的要求，也必须增加气隙来调整电感量，而随之带来的缺点就是在开关管关断时会引起电压尖峰，损害开关管，因此必要时要在电路中增加吸收电路。

图2-6单端反激式电压变换电路

工作原理：

当Q导通时，由于N1和N2的同名端关系，VD1承受反向电压截止，能量存在原边电感中，当Q关断时，N2极性反转，VD1导通，向负载R供电。

同时变压器磁芯也完成磁复位。

反激式变换器具有结构简单、成本低、驱动简单、可靠性高、适合多路输出等优点，多应用于150W以下的开关电源场合中。

2.2.2推挽式电压变换器

如图2-7所示，推挽变换器是由两个正激变换器组合而来。

之所以称为推挽变换器，是因为在其工作时变压器原边的两个绕组随各自串联开关管的导通而交替工作。

推挽变换器属于双极性变换器，变压器磁芯工作在磁化曲线的第一、三象限，可以独立完成磁化和磁复位。

图2-7推挽式电压变换电路

工作原理：

推挽变换器工作时相当于两个正激变换器交替工作，假设此时Q1导通Q2关断，那么能量将通过Q1，绕组N11、N21、VD1传送到电感L和负载R，当Q2导通Q1关断时亦是如此。

推挽变换器具有磁芯利用率高，脉动电压小等优点，缺点是由于两只开关管特性不能完全一致，变压器的磁通会发生偏移，造成直流磁偏现象致使磁饱和。

推挽变换器多应用于低输入电压场合，其输出功率可达1000W以上。

2.2.3单端正激式电压变换器

如图2-8所示，在Buck型变换器的开关管和续流二极管之间加入高频变压器就衍生为单端正激式变换器，其中高频变压器起到隔离输入和输出电路的作用。

之所以称之为正激变换器，是因为在开关管导通时，能量由输入端传送到输出端。

其高频变压器的铁芯只工作在磁化曲线第一象限，而且由于它是正激工作方式，本身不具有磁复位的功能，因此，为了能防止磁累积造成的磁饱和，需要添加磁复位电路。

图2-8单端正激式电压变换电路

工作原理：

当Q导通时，依据N1和N2的同名端关系，能量由副边绕组传到输出端，当Q关断时，一方面电感L和续流二极管VD2构成回路继续对负载R供电，一方面通过VD1将磁芯剩余能量传回电源，完成磁复位。

正激变换器具有开关管峰值电流小，损耗小，输出纹波电压小等优点。

但是由于变压器是单向励磁的，利用率低。

多应用于中小功率场合。

2.2.4半桥变换器

如图2-9所示，半桥变换器同推挽变换器一样，也是由两个正激变换器组合而来。

其中一个桥臂由两个功率开关管组成，另一个桥臂则由两个相同的电容器承担，所以称为半桥变换器。

半桥变换器也属于双极性变换器，但是因为电路器件的不对称性，也会产生直流偏磁，造成变压器磁饱和，所以也需要增加防偏磁措施。

图2-9半桥变换电路

工作原理：

由于C1=C2，每个电容上分得Vin的一半，当Q1导通Q2关断时，VD1正向偏置，工作原理和单端正激式相同；当Q2导通Q1关断时，亦是如此。

半桥变换器具有磁芯利用率高，和推挽相比开关管承受应力低等优点，缺点是会产生偏磁现象，适用于输入电压高，中等功率场合。

2.2.5全桥变换器

如图2-10所示，全桥变换器是由两个双管正激变换器组合而成。

它的每一桥臂上均有两个开关管，由两桥臂的中点引出的对角线接在高频变压器上，像一个电桥一样，故称为全桥变换器。

全桥变换器也是双极性变换器，可以自行磁复位，同时也存在偏磁现象。

图2-10全桥变换电路

工作原理：

当Q1、Q4同时导通，Q2、Q3关断时，此时VD1正偏而VD2反偏，电源通过N1、N21、VD1到达电感L和负载R，反之亦然。

全桥变换器虽然相对半桥、推挽电路复杂，但是开关管承受应力最小，且输出功率最大，故适用于高电压，大功率场合。

第3章高频变压器设计

磁性元件是开关电源中必不可少的一部分，根据其在电路中的作用不同，通常分为变压器和电感器，变压器主要起着升降压和隔离的作用，电感器主要起着储能和滤波的作用，而本设计所使用的反激式变换器，其高频变压器兼有变压和储能的作用。

在选择变压器时，由于其涉及到磁芯材料、漏感、功率大小、电感量、温升、电压电流等等，所以不像其他元器件一样可以在电子市场买到，设计人员必须根据实际情况自行设计。

这对初学者来说是一个很费神、费力的事，但是变压器设计