基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计.docx
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基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计
基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计
摘要
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用,人们对其需求量日益增长,并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。
开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的线性电源。
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。
开关电源的高频变换电路形式很多,常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。
本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。
关键词：
开关电源半桥全桥推挽高频变压器
ABSTRACT
Withtheswitchpowersourceextensiveuseinthefieldofcomputer,communicatebyletter,aeronauticsandastronautics,instrumentappearanceanddomesticappliancesetc.,peopleincreasesbygraduallytowhoseneedamounts,havebroughtforwardhigherrequesttoaspectsuchaspowersourceefficiency,bulkfactorandreliability.Theswitchpowersourceissmallwithit’sefficiencyheightvolume，weightmakeslightoftowaitforadvantagetohavesubstitutedtheinefficient,bothstupidandseriouslinearitypowersourceinmanyaspectsstepbystep.Theelectricpowerelectronictechnologydevelopment,speciallyhighefficiencycomponentIGBTandtheMOSFETrapiddevelopment,enhancestheswitchingpowersupplyoperatingfrequencytothequitehighlevel,enableittohavethehighstabilityandGaoXingjiacomparesandsoonthecharacteristic.Oneofswitchingpowersupplytechnologymainusesisservesfortheinformationindustries.Theinformationtechnologydevelopmentalsosetahigherrequesttothepowersourcetechnology,thuspromotedtheswitchingpowersupplytechnologydevelopment.Switchpowersourcehighfrequencyalternationcircuitformmany,formssuchasalternationcircuitincommonusehavingthepush-pull,entirebridge,thebridge,onlyuprightexcitingandsingleendexcitingpartlyonthecontrary.ThispaperisbasedonUC3842chipoflowpowerfrequencyswitchingpowersupplysystemdesign.
Keywords:
SwitchingpowersupplyHalfbridgeThebridge
Thepush-pullHigh-frequencytransformer
1绪论
1.1课题研究的背景
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。
开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点：
①小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。
②提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间。
③随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向。
④提高电源装置和系统的电磁兼容性（EMC）。
⑤用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。
开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。
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，外接组件越来越少，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提高到150一200kHz，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，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组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研究的目的及意义
1.2.1课题研究的目的
随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。
本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。
1.2.2课题研究的意义
课题研究的意义在于：
当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。
电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。
1.3高频开关电源的发展情况
1.3.1开关电源的发展情况
目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。
国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。
当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。
20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。
20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。
经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。
新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）;软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。
1.3.2高频开关电源的主要新技术标志
新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。
微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。
新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。
目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。
此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。
另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。
通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。
集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。
目前。
总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！
在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。
在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。
经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。
现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。
这是我国开关电源技术不断成熟的表现。
从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：
（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能
功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz（AC-DC）和1MHz（DC-DC）的水平。
超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出（例如3V）开关电源的研制有了可能。
现在正在探索研制耐高温的高性能炭化硅功率半导体器件。
（2）软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能
PWM开关电源按硬开关模式工作（开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠），因而开关损耗大。
开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了（功率与频率成正比）。
为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）/零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术。
小功率软开关电源效率可以提高到80-85%。
70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80年代中），全桥ZVS-PWM、恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM（80年代末）、ZVS-PWM有源钳位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM（90年代初）；全桥移相ZV-ZCS-PWM（90年代中）等，我国己将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。
（3）控制技术研究的进展
例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
（4）有源功率因数校正技术（APFC）开发，提高了AC-DC开关电源功率因数
由于输入端有整流电容组件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网侧功率因数仅为0.65。
80年代用APFC技术后可以提高到0.95-0.99。
既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。
（5）磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型（Lowprofile）变压器。
新型变压器如压电式，无磁心印制电路（PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。
（6）新型电容器和EMI滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。
（7）微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。
90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的远景。
如用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级（SingleSwitchSingleStage）或4S高功率因数AC-DC开关变换器；输出1V,50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。
1.4隔离式高频开关电源简介
隔离式开关电源的变换器具有多种形式。
主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。
在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。
各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。
隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。
开关电源的基本功能方框如图1.1所示。
AC
图1.1隔离式开关电源的方框图
在图1.1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的．首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。
高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，比如开关晶体管、场效应管（MOSFET）等组件，高频变换部分产生高频（20kHz以上）高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。
为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器（FWM）的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例（占空比），达到调整输出电压的目的，在方波的上升沿和下降沿。
有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。
因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰（RFI）滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。
2高频开关电源的总体设计
2.1主电路的选择
开关电源的电路组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
DC-DC变换有隔离和非隔离两种。
输入输出隔离的方式由于隔离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低，但是却很安全，而本论文没有要求输入输出隔离还是非隔离，为了提高开关电源的安全性，所以此设计选择隔离方式，我们知道非隔离型高频开关电源有五种可能形式：
单端反激式、单端正激式、半桥式、全桥式、推挽式，各种形势的开关电源对功率的要求是不一样的，根据功率的要求可知：
单端反激式功率范围：
1—100W；
单端正激式功率范围：
1—200W；
推挽式功率范围：
200—500W；
半桥式功率范围：
200—500W；
全桥式功率范围：
500—2000W；
根据论文要求，为小功率高频开关电源的设计，而单端反激式功率范围可以达到要求，，因为反激式开关电源中的变压器起着电感和变压器的双重作用，反激式变换器只需要滤波电容的选择，而不需要滤波电感的选择，由于它是电感，在开关电源中必然具有电感的一般规律，即具有电流连续，临界连续和断续三种工作模式，且电路结构不复杂。
鉴于上面分析，主电路选用单端反激式电路。
2.2控制电路的选择
2.2.1单片机控制电路分析
采用单片机或DSP控制产生PWM波,控制开关的导通与截止。
根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。
负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。
该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。
2.2.2芯片控制电路分析
采用电流模式脉宽调制控制器UC3842，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--500KHz，输出电压可达30V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达几百至几千mA，驱动能力较强。
UC3842芯片内部有一个误差比较器EA，一个振荡器OSC和一个电流比较器，一个PWM锁存器和PWM逻辑单元，一个互补功率放大输出单元，一个欠压保护电路，一个标准参考5V电压和其它一些辅助电路。
电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快，用这种芯片作为低功率开关电源的PWM的控制是很方便的它可以直接驱动双极管，MOSFET和IGBT，具有管脚少（8只引脚）外围电路简单、安装与调试方便、性能优良、价格合适等优点。
采用这种芯片控制所需元件也少应用广泛，特别适于构成无工频变压器的20—80W小功率开关电源。
鉴于上面分析，选用芯片控制电路。
2.3电流工作模式的方案选择
2.3.1电流连续模式分析
电流连续模式。
电流连续工作状态，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得倒及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小。
这种模式的设计要考虑电感的储能时间，不容易控制，所发实现起来是很复杂的。
2.3.2电流断续模式分析
电流断续模式。
断续模式下，电感能量释放完时，下一周期尚未到来，电容能量得不到及时补充，二极管的峰值电流非常大，对开关管和二极管的要求就非常高，二极管的损耗非常大，而且由于电流是断续的，输出电流交流成分比较大，会增加输出电容上的损耗。
由于对于相同功率的输出，断续工作模式的峰值电流要高很多，而且输出直流电压的纹波也会增加，损耗大。
但是这种模式工作设计不复杂。
鉴于上面分析，本设计采用电流断续模式。
2.4综合结构电路图
图2.1电路综合图
图2.1 是由UC3842 构成的单端反激式开关电源电路，220V 市电由C1、L1 滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻Rt1 限流，再经VC 整流、C2 滤波，电阻R1、电位器RP1 降压后加到UC3842 的供电端（⑦脚），为UC3842 提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842 提供正常工作电压，另一方面经R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为UC3842 提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。
④脚和⑧脚外接的R6、C8 决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。
R5、C6用于改善增益和频率特性。
⑥脚输出的方波信号经R7、R8 分压后驱动MOSFEF 功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。
电阻R10 用于电流检测，经R9、C9 滤滤后送入UC3842 的③脚形成电流反馈环. 所以由UC3842 构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842 的③脚电压高于1V 时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。
3开关电源输入电路设计
3.1电压倍压整流技术
3.1.1交流输入整流滤波电路原理
在前面已经提到，隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。
现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90——130V和180——260V的范围。
3.1输入滤波、整流电路原理
输入滤波电路：
C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。
当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。
因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
3.1.2倍压整流技术
为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图3.2所示。
在图3.2中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻RV和可控硅VS具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。
电路工作过程如下：
当开关S1闭合时．电路在115V交流输入电压下作用。
在交流电的正半周，通过二极管VD1和电容器C1被充电到交流电压的峰值。
即115v×1．414≈160v，在交流电的负半周，电容器C2通过二极管VD4也被充电到160v。
这样，电路输出的直流电压应该是电容器C1和C2上充电电压之和．即160V十160V＝320V。
当开关S1打开时，极管Val—VD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整流，也同样产生320V的直流电压。
图3.2倍压整流电路
3.2输入保护器件保护
3.2.1浪涌电流的抑制
隔离式开关电源在加电时，会产生极高的浪涌电流，设计者必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。
浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，在开关管开始导通的瞬间，电容对交流呈现出很低的阻抗，一般情况下，只是电容的ESR值。
如果不采取任何保护措施，浪涌电流可接近几百安培。
通常广泛采用的措施有两种，一种方法是：
利用电阻——双向可控硅并联网络；另一种方法是：
采用负温度系数（NTC）的热敏电阻。
用以增加对交流线路的阻抗，把浪捅电流减小到安全值。
电阻——双向可控硅技术：
采用此项浪涌电流限制技术时，将电阻与交流输入线相串联。
当输入滤波电容充满电后．由于双向可控硅和电阻是并联的，可以把电阻短路，对其进行分流。
这种电路结构需要一个触发电路，当某些预定的条件满足后，触发电路把双向可控硅触发导通。
设计时要认真地选择双向可控硅的参数，并加上足够的散热片，因为在它导通时，要流过全部的输入电流。
3.2.2热敏电阻技术分析
这种方法是把NTC（负温度系数）的热敏电阻串联在交流输入端或者串联在经过桥式整流后的直流线上。
图3.2中的RT1和RT2。
用了RTC热敏电阻的电阻—温度特性和温度系数的关系如图3.3所示。
图3.3热敏电阻的温度系数
在图3.3中，。
是RTC热敏电阻的温度系数，用每度百分比（％／c）表示。
当开关电源接通时，热敏电阻的阻值基本上是电阻的标称值。
这样，由于阻值较大，它就限制了浪涌电流。
当电容开始充电时，充电电流流过热敏电阻，开始对其加热。
由于热敏电阻具有负温度系数，随着电阻的加热，其电阻值开始下降，如果热敏电阻选
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