用UC3842进行开关电源的设计.docx
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用UC3842进行开关电源的设计
用UC3842进行开关电源的设计
一、设计目的
用UC3842新型集成开关电源芯片进行开关电源设计，市电输入采用无工频变压器设计，开关管的触发调整信号采用高频40KHZ的PWM（脉宽调制信号），达到额定输出为5V,7A的高精度稳压输出，电源轻便，简洁明快。
1、UC3842的性能特点：
（1）它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。
能通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。
（2）最高开关频率为500kHZ,频率稳定度达0.2%。
电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。
（3）部有高稳定度的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1V的偏差。
温度系数为0.2mV/℃。
（4）稳压性能好。
其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压器（例如LM317）相媲美。
启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。
（5）除具有输入端过压保护与输出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。
（6）最高输入电压
=30V，输出最大峰值电流
=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗
=1W,最大输出功率
=50W。
2、UC3842的引脚排列及部框图
UC3842采用DIP-8封装如上图1，管脚
、
、GND端分别接输入电压、输出电压、地。
为部5.0V基准电压引出端。
/
是外接定时电阻、定时电容的公共端。
UC3842部框图如图2,其主要包括5.0V基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路、门电路、输出级、34V稳压管。
二、总体电路框图及单元功能分析
1、输入单元
（1）电源噪声滤波器
电源噪声滤波器电路如图4
该滤波器有两个输入端，两个输出端和一个接地端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感L、滤波电容器C1~C4。
L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。
C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。
（2）整流滤波器
从电源噪省滤波器经过噪声滤波输出后的电压从整流滤波器（图5）输入，经过D1~D4进行桥式全波整流送往R1和C5组成的r型滤波电路进行滤波，得到+300V的非稳压的直流输出。
采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。
2、调整控制单元
（1）振荡电路
由R2、C7与UC3842部振荡器，+5.0V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。
+5.0V基准电压经过定时电阻R2给C7充电，然后C7再经过芯片部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。
由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到
、
上的噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C6。
（2）启动、反馈补偿电路
刚启动开关电源时，UC3842所需要的+16V工作电压暂由R6、C9电路提供。
+300V直流高压经过R6降压后加至UC3842的输入端
，利用C9的充电过程使
逐渐升至+16V以上，也就实现了软启动。
一旦开关管转入正常工作状态，自馈线圈N2上所建立的高频电压经D5、C9、C10滤波后，就作为芯片的工作电压。
至此启动过程结束。
启动电路中有一34V稳压管，一但输入端出现高压，此稳压管就被击穿，将
钳位于34V，保证芯片不至损坏。
输入电压锁定的目的是当输入欠压时，开关功率管自动关断，不至于欠压大电流运行。
由于噪声干扰的影响，开关功率管有可能超负荷工作而损坏，为此给芯片加了PWM锁存器。
其作用是保证在每个时钟周期只输出一个脉宽调制信号，能消除在过流检测比较器翻转时间产生的噪声干扰。
R4、C8用以调整误差放大器的增益和频率响应。
自馈线圈N2的输出电压
经过R5、R3分压后作为比较电压、与部5.0V基准电压经过误差放大器进行比较调整，使
为5.0V的稳定电压输出。
R8上的电流反馈信号，通过R7衰减从3脚过流检测入，送入电流检测比较器进行比较，使输出得到电流钳位目的，输出电流被限制在7A以下。
2、输出单元
由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842
PWM波调整，通过VT进行功率转换，+300V直流电压从T原边N1流经VT输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D7整流，C12滤波，使输出为平滑稳定的5.0V稳压输出。
输出电路见图8。
N2输出用作电压负反馈。
三、总电路原理图
图中220V交流电压经过3A/600V桥式整流和电阻R、电容C5滤波，得到大约+300V自流电压。
此直流高压被高频变压器T斩波和降压，变成频率为40KHZ的矩形波电压，再经过D7、C13整流滤波，就得到直流输出电压。
它采用固定频率、改变脉冲宽度的调压原理，其工作过程是首先对输出电压（N2反馈的电压）进行采样，然后依次经过误差放大器、过流检测比较器、PWM锁存器、门电路和输出级，去控制开关功率管的导通时间（
）和关断时间（
），以决定高频变压器的通断状态，最终达到稳压输出的目的。
（稳压流程：
1、市电变化引起：
市电↑→+300V↑→
↑→比较→PWM
变窄→
↓实现稳压；反之：
市电↓→+300V↓→
↓→比较→PWM
变宽→
↑实现稳压；2：
负载变化引起：
负载↑→
↓→比较→PWM
变宽→
↑实现稳压；负载↓→
↑→比较→PWM
变窄→
↓实现稳压）。
UC3842属于电流型脉宽控制器。
所谓电流控制型是指，一方面把自馈线圈的输出电压
反馈给误差放大器，在与基准电压进行比较后，得到误差电压
；另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R8上建立的电压，直接加到过流比较器的同相输入端，与
作比较，进行控制脉冲的占空比，使流过开关功率管的最大峰值电流
始终受误差电压
的控制，这就是电流控制型的原理，其优点是调整速度快，一旦+300V输入电压发生变化，就立即引起
的变化，迅速调整输出脉冲的宽度。
因此采用电流控制型脉宽控制器，可以大大改善开关电源的电压调整率及电流调整率。
（稳流过程：
1、电压变化引起：
+300V↑→
↑→
↓→过流比较→PWM
变窄→
↓实现稳流；+300V↓→
↓→
↑→过流比较→PWM
变宽→
↑实现稳流；2、负载变化引起：
负载↑→
↑→过流比较→PWM
变窄→
↓→
↓实现了稳流；负载↓→
↓→过流比较→PWM
变宽→
↑→
↑实现稳流）。
四、选择器件与参数计算
1、噪声滤波器器件选择与参数计算
L的电感量一般取几毫亨至几十毫亨，视电源噪声滤波器的额定电流I而定。
表1列出L与I的对应关系。
表1电感量与额定电流的关系
额定电流I（A）
1
3
6
10
12
15
电感量围（mH）
8~12
2~4
0.4~0.8
0.2~0.3
0.1~0.15
0.07~0.08
L典型值（mH）
8
2.5
0.78
0.225
0.11
0.073
C1、C2采用薄膜电容器，容量围大至是0.01~0.47Uf,主要用来消除串模干扰。
C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。
C3、C4宜选用瓷电容器,容量围是2200~4700Pf,耐压值为630V。
为提高防潮、抗震动与冲击性能，元件装入金属壳后用环氧树脂封固。
2、震荡频率计算
震荡频率的计算公式为：
f=
（1.1）
将R2=10KΩ，C6=4700p代入公式（1.1），f=38.3kHz,可近视40kHz。
3、输出高频变压器的计算
型号
磁芯面积
E-7
0.49
E-12
1.44
E-17
2.89
（1）磁芯的选择
高频变压器的最大承受功率
与磁芯截面积
（单位
）之间存在下述关系:
=0.15
（1.2）
实际输出功率为
=
=5*7=35。
设效率为
=70%，
=0.7*35=50W,留设计余量,取
=80W,代入公式（1.2）得
=1.34
查上表E-12
=1.44
与之最接近。
E-12的饱和磁通密度为
=400T，使用时为防止出现磁饱和现象损坏开关功率管，可取B=250T。
（2）计算脉冲最大占空比
公式：
=
.100%（1.3）
取市电输入围176-264V。
经全波整流和滤波后的直流输入电压
≈360V，
≈240V。
单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈170V,线圈漏感造成的尖峰电压
=100V。
代入公式（1.3）
=41.5%。
（3）初级线圈的电感量
公式:
=
（1.4）
将
=70%,
=240V,
=41.5%,
=35W,f=40kHz代入（1.4）得
=2.48mH。
（3）求峰值电流和过载保护电流
公式：
=
（1.5）
=1.3
（1.6）
求出
=
=1.0A
=1.3A
在次级线圈上的储能为W=
=2.1mJ
（4）求初级线圈N1匝数
公式:
N1.
=
（1.7）
将W=2.1mJ,B=250mT,
=1.44
代入（1.7）,得N1.
=116.7安匝。
固N1=89.7匝,取90匝。
（4）N2，N3计算
公式：
N=
（1.8）
式中
—线圈两端的电压；
—整流二极管的正向压降。
N2=
=11.1匝取11匝
N3=
=2.85匝
鉴于当输出电流
达7A时,线圈的铜阻和输出引线电阻上均会产生较大的压降,会造成输出电压的失落,应当提升
增加N3的匝数,可取4匝。
用4股
1.0高强度漆包线绕制。
（5）计算空气隙
=
=
=0.6mm
4、周边器件
采用IRFPG407型（4.3A、1000V、150W）N沟道功率场效应管作开关功率管。
D1~D4采用3A/1000V的FR305型快速恢复二极管。
输出整流滤波D7选择D80-004型肖特基二极管。
五、结论
通过本例采用UC3842设计的开关电源输出电压稳压精度高，对电压波动反映迅速，负载适应性强，负载短路能迅速限流保护，不至烧坏元件。
小巧轻便，简洁明快。
缺点：
1、电源噪声滤波器由于是基本电路，滤波效果只能满足普通应用无特殊干扰的场合，如需要在特殊强干扰场合使用，可设计成3级滤波形式电路。
2、变压器设计复杂，绕制工作量大，设计电路时尽可能设计与市面成品变压器相近参数，以便成品直接选用。
六、本设计所参考书籍
《电子技术基础设计》中央广播电视大学
任为民主编
《智能化UPS供电系统原理与检修》电子工业安
成章主编
《新型特种集成电源及应用》人民邮电
沙占友等编著
《电子技术实验指导》中央广播电视大学
郭淑珍编
《通用集成电路速查手册》科学技术
王新贤主编
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