使用UC3842设计的CUK降压电路无PCB电路板.docx

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使用UC3842设计的CUK降压电路无PCB电路板

使用UC3843设计的CUK降压电路

第一章开关电源简介

1.1开关电源原理分析

开关电源是通过脉宽调制或频率调制，控制MOS管导通时间，继而控制电感线圈的磁通量，同时又要保证电感线圈不会达到磁饱和状态，从而控制输出电压的高低。

同时通过反馈电路保证负载变化和输入电压变化时，输出电压仍能保证在一定范围内的稳定。

1.2、开关电源分类

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种：

一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用）；

二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（4）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

第二章3843设计的CUKDC-DC电路

2.1、3843性能介绍

The3842A（AM）/43A（AM）/44A（AM）/45A（AM）arefixedfrequencycurrentmodePWMcontroller.TheyarespeciallydesignedforOFF−LineandDCtoDCconverterapplicationswithaminimalexternalcomponents.Internallyimplementedcircuitsincludeatrimmedoscillatorforprecisedutycyclecontrol,atemperaturecompensatedreference,highgainerroramplifier,currentsensingcomparator,andahighcurrenttotempoleoutputideallysuitedfordrivingapowerMOSFET.Protectioncircuitryincludesbuiltundervoltagelockoutandcurrentlimiting.The3842A（AM）and3844A（AM）haveUVLOthresholdsof16V（on）and10V（off）.Thecorrespondingthresholdsforthe3843A（AM）/45A（AM）are8.4V（on）and7.6V（off）.TheMIK3842A（AM）andMIK3843A（AM）canoperatewithin100%dutycycle.The3844A（AM）andUC3845A（AM）canoperatewithin50%dutycycle.

The384XA（AM）hasStart-UpCurrent0.17mA（typ）.

Features

•LowStart-UpandOperatingCurrent

•HighCurrentTotemPoleOutput

•UndervoltageLockoutWithHysteresis

•OperatingFrequencyUpTo300KHz（384XA）500KHz（384XAM）

2.2、引脚定义

2.3、由3843设计的CUK降压电路原理图

2.4、工作原理介绍

当+12V通过D1加到U1的第7脚后，随着电容C2两端电压慢慢升高，当电压超过8.6V时，U1开始启动，第8脚输出+5V50MA稳压电源。

同时V1也经过D1和L1给电容C1充电，C1两端的电压达到Vi，且左+右-。

第8脚输出的+5V经R1加到U1第4脚，同时为电容C3充电。

这时R1和C3组成的RC振荡电路开始工作，为U1提供稳定的工作频率。

当RC振荡进入稳态后，U1的第6脚开始输出PWM脉冲，并给R4耦合给Q1的G极。

在Ton周期，Q1导通，输入电压Vi通过L1，Q1，为电容C充电，C为负载供电。

同时C1中的电能释放，通过L2和电容C沟成回路，对电容C充电，下正上负，同时部分电能转化为磁能存储在L2中。

电源管Q1中的电流有两个，一个是L1中的电流，另一个是C1中的电流。

在Toff周期Q1截止，输入电压Vi通过L1开始为C1充电，电容C1的电压上正下负。

同时L2的电流方向不变，通过二极管D，对电容C充电，磁通转化为电能，存储在电容C中。

二极管D中有两种电流，一个是对C1的充电电流，一个L2中的电流。

所以无论Q1导通与否，C在Ton期间和Toff期间都有连续的充电电流。

（2）、状态指示

R7和LED1为指示状态设置，当－5V电压输出时，LED1亮起，说明－5V电压已经产生。

当－5V负载过重或短路时，U1保护，第6脚停止输出PWM脉冲，－5V电压消失，LED1熄灭。

（3）、过流保护

电阻R6为过流取样电阻，该电阻有两个作用，一是当该电阻上的分压大于0.8V时，U1过流保护动作，第6脚停止输出PWM脉冲，输出电压－5V消失。

二是该电阻能够对每一个方波进行检测，当通过的方波开启时间过长时，U1能够强制停止第6脚的输出，防止意外干扰导致Q1长时间导通引起过热损坏。

所以R6不能使用导线短接，否则会引起U1长时间检测不到信号，而导致Q1长时间导通而过热损坏。

（4）、输出电压调整

CUK电路的输出为负压，而UC3843的BF反馈端要求输入的电压为-0.3V—5.5V，所以直接使用电阻分压取样是不符合要求。

所以需要利用TL431和光耦配合，将负压的反馈信号转为正向电压。

R1和VR1组成反馈取样电路，调整VR1的阻值，改变VR1与R1的分压比，把此电压输出到U1的第2脚，U1改变第6脚输出的PWM占空比的大小，从而改变输出电压的高低。

2.5、元件的选用与取值

对于电感L1、L2与耦合电容C1及输出电容C8的计算，需要假定一些条件和参数不变，如下图所示

Fig2.5

WhenMOSFETQ1switcheson,therighthandsideofinductorL1isshortedtoground.Thecurrentintheinductorrampsaccordingtotheequation

 whereVisthevoltageacrosstheinductor（inthiscaseitisequaltotheinputvoltage）,Listheinductorvalueanddi/dtisthechangeininductorcurrentwithtime.Thuswithafixedvoltageacrosstheinductorandafixedinductorvalue,thechangeincurrentwithtimeisconstant.

WhentheMOSFETQ1switchesoff,theinductortriestomaintainitscurrentflow.Itdoesthisbycreatingavoltageacrossitwheretherighthandsidetriestoflypositive（topushcurrentoutoftherighthandend）andthelefthandsidefliesnegative.Sincethelefthandsideoftheinductorisclampedtotheinputvoltage,therighthandsideoftheinductorfliespositivetoavoltageaboveVininordertomaintaincurrentflow.TheenergyfromtheinductorflowsintocapacitorC1chargingitwithapositivevoltage（whichishigherthanVin）.TherighthandsideofC1isclampedto+0.3VbydiodeD,butforthesakeofconveniencewewillignorethisvoltagedropandassumetherighthandsideofthecapacitorisclampedto0V.WewillworkoutlaterexactlywhatvoltageC1chargesto,butforthemomentitissufficienttoassumeitchargestoavoltagehigherthanVin.WewillcallthisvoltageVcap.

 SincethevoltageVcapishigherthanVin,thevoltageacrosstheinductornowhastheoppositepolaritytobefore.Theinductordischargesaccordingtotheequation

 whereVisthevoltageacrosstheinductor,thus

Itisinterestingtonotethatthevalueofdi/dtisdeterminedONLYbytheinductancevalueandthevoltageacrosstheinductor.ThecontrollerIChasnothingtodowithsettingtheinductorrampcurrent.

WhentheMOSFETswitchesonagainthevoltageonthedrainoftheMOSFETQ1goesfromVcapto0V.Sincethevoltageacrossacapacitorcannotchangeinstantaneously,anequalnegativegoingvoltageappearsontheanodeofdiodeDsothisnodetransitionsfrom0Vto–Vcap.Wenowhaveanegativeamplitudesquarewavevoltage（attherighthandnodeofC1）beingappliedtoanLCfilter（L2andC2）.TheLCfilteraveragesoutthissquarewavetoproduceaflatDCvoltagewhoseamplitudeissomewherebetween0Vand–Vcap.Thisamplitudeisdictatedbythedutycycleofthesquarewave.

 Wearenowgoingtocalculatethedutycycle（theratiooftheONtimeoftheMOSFETQ1tothetotalswitchingperiod）andthevoltage（Vcap）onthecouplingcapacitorC1.

 Theinductorchargeanddischargecurrentsareequalwhenthecircuitisinsteadystate.Therefore

wheredt1istheONtimeoftheMOSFETanddt2istheOFFtimeoftheMOSFET.Dividingbothsidesby（dt1+dt2）gives

IftheDutyCycle（DC）canberepresentedby

 then

so

HerewecanseetheDrainvoltagegoingfrom0VtoVcap（asyetuncalculated）andtheaccoupleddrainvoltageontheanodeofthediode.Thecapacitorhasremovedthedcoffsetandthediodehasclampedthepositiveexcursionstoroughly0V.

Now,whenthecircuitisregulatingtherewillbeaflatnegativedcvoltageontheoutput.Thus,whenV（diode）isat0VtherewillbeapositivevoltagefromV（diode）toV（out）andtheinductorcurrentinL2willrampinapositivedirection.WhenV（diode）isnegativetherewillbeanegativevoltagefromV（diode）toV（out）sotheinductorcurrentwillramptoamorenegativevalue.

Insteadystate,whentheMOSFETswitchesONV（diode）isat–VcandthevoltageacrossinductorL2is（-Vout-（-Vcap））,thusthechangeincurrentisrepresentedby

 WhentheMOSFETswitchesOFF,thevoltageacrossL2is（0-（-Vout））,sothechangeincurrentisrepresentedby

 Equatingthevaluesofdigives

 Dividingbothsidesby（dt1+dt2）gives

 whereDCisthedutycycleasdefinedabove.

 Thus

 Frombeforeweknowthat

 So

 So

 Voutisthemagnitudeoftheoutputvoltage.Thisisbecauseintheabovederivation,wehaveignoredtheslopeofdi–itispositiveinL1whennegativeinL2,socannotstrictlyequatethe2statementsforDCwithoutconsideringthis.

 TheresultofknowingVcapisthatwenowknowthattheDrainoftheMOSFETisexposedtoavoltageequalto（Vin+|Vout|）andhastobesizedaccordingly（asdoesthecapacitor’sworkingvoltage）.

 Knowingthat

and

 WecanworkouttheDutyCycleintermsofVoutandVin.Thus

 Again,Voutisthemagnitudeoftheoutputvoltage.

 Thedutycycleissetbytheinputandoutputvoltagesonly.Theinductorvaluedoesnotfeatureinsettingthedutycycle,nordoesthecontrollerIC.

 Theaboveistrueaslongasthecurrentintheinductordoesnotfalltozero.ThisiscalledContinuousConductionMode（CCM）.Iftheinductorcurrentfallstozero,thedutycycleequationabovedoesnotholdandthecontrollerentersDiscontinuousConductionMode（DCM）.

InCCM,iftheloadcurrentincreases,thedutycycleremainsunchanged（insteadystate）.Thecircuitreactstotheincreaseinloadcurrentbykeepingthedutycycleconstant,butthemidpointoftheinductorcurrent（itsdcoffset）increases.Theswitchingfrequencyandtheamplitudeoftheinductorripplecurrentremainunchanged.

1）、IC的选择

根据设计要求和CUK电路原理计算公式，该电路输入电压12V，输出电压5V，输出电流500MA，所以可以计算出

占空比为DC==5/（5+12）=29%<50%

由于UC3843和UC3842的占空比可以达到100%，而UC3844和UC3845的占空比最高为50%。

同时UC3842和UC3844的开启电压为16V，而UC3843和UC3845的开启电压为8.4V，所以设计该电路时PWM控制IC可选择为UC3843或UC3845.

2）、InductorChoice电感L1与L2

Itisgooddesignpracticetokeeptheripplecurrentintheinductorat40%ofthetotalcurrent.Thisisagoodtradeoffbetweensmallinductorsizeandlowswitchinglosses.TheinductorontheoutputofaCukConverterisconfiguredidenticallytothatofabuckconverter.Withthebuckconverter,theaverageinductorcurrentisequaltotheoutputcurrent.Ontheinput,theCukConverterhasaninductorconfiguredidenticallytothatofaboostconverterandtheaverageinductorcurrentinaboostconverterisequaltotheaverageinputcurrent.

Withanoutputvoltageof5Vandaloadof0.5A,thisrepresentsanoutputpowerof2.5W.Allowingforanefficiencyof80%fortheconverter,thismeansourinputpowerhastobe3.125W.Withaninputvoltageof12V,thisrepresentsanaverageinputcurrentof260mA. 

Iftheinputinductorcurrentrippleis40%,thenthepeakinductorcurrentis260mAx1.2,or312mAandthetroughinductorcurrentis260mAx0.8,or208mA.

 Thechangeincurrentistherefore104mA.

V=12V,dt=（1/100KHZ）*29%=2.9US,

L=（12/0.104）*2.9US=33UH

Tocalculatetheoutputinductorvalue,wegothroughthesameprocedure.

 Weknowthat

 andweknowthevoltageontheanodeofDinFIG2.5isasquarewavewithamplitudeofVcap,weknowthattheoutputinductorhasavoltageacrossitofVcap–Vout（=Vin）whentheMOSFETisON,soforthesameONtimeouroutputinductorshouldbethesamevalueastheinputinductorforthesamechangeincurrent.Thepuristswouldarguethatsinceouroutputcurrentisdifferenttotheinputcurrentthenkeepingbothinductorvaluesthesamewillresultinadiffe