基于UC3842的开关电源设计.docx
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基于UC3842的开关电源设计
基于UC3842的开关电源设计
摘要
在现代经济和科技的飞速发展的时代，电源的运用已经变得非常常见。
目前，各种科技手段正在推动着电力电子技术和电源设备研发技术的快速发展，同时也促使电源设备向着高频化集成化方向发展。
电源供电设备的开发和运用已经成为电力电子这门技术的一个非常常见的应用手段。
相对于老式的线性稳压器，开关电源的研发与设计设计，虽然比较复杂，有些指标可能不会像线性稳压器，且噪声大，但由于体积小，重量轻，效率高，性能稳定等优点高频开关电源并已被广泛接受和使用。
在本文中，给大家详细介绍了一个基于UC3842芯片和反激式变压器的特性设计了一个可以提供两个输出电压，并且可以随着输入电压的变化来调整PWM输出，以确保稳定的输出电压的多输出反激式开关电源。
本文介绍了目前我们日常生活中较为常见的开关电源拓扑结构，并通过比较分析选择出适合本次设计的拓扑结构。
本文简要介绍了PWM控制芯片UC3842的结构，根据UC3842芯片的特点及应用方式给出了详细的电路参数设计和高频变压器的设计，包括最大占空比计算，初级和次级匝数计算，线径计算。
最后，通过PSIM软件对开关电源电路设计建模仿真和仿真波形，利用AD软件进行电路的设计和印刷电路板的设计。
关键词：
UC3842、反激式、开关电源、AD、PSIM
Abstract
Intheeraofrapideconomicandtechnologicaldevelopment,theuseofpowerhasbecomeverypopular.Currently,varioustechnologiesaredrivingtherapiddevelopmentofpowerelectronicsandpowerequipmentR&Dandtechnology,butalsotopromotethepowerofhigh-frequencyintegrateddirection.Developmentanduseofelectronicpowertechnologyhasbecomeaverycommonpowerapplicationmeans.Forolderlinearregulators,switchingpowersupplydesignanddevelopmentanddesign,althoughmorecomplicated,someindicatorsmaynotbeaslinearregulators,andnoise,butduetosmallsize,lightweight,highefficiency,high-frequencyperformanceandstabilityswitchpowersupply,andithasbeenwidelyacceptedandused.
Inthisarticle,theFoundationtoexplaintoyouisdesignedtoprovidethefeaturesandUC3842chipoutputvoltageflybacktransformer,andcanchangetheinputvoltagechangestoadjustthePWMoutputtoensurethatthemultiplexerthestabilityoftheoutputvoltageoutputflybackswitchingpowersupply.Thispaperdescribesthecurrentinourdailylivesmorecommonswitchingpowersupplytopologiesandchoosethetopologyofthisdesignwerecompared.ThispaperdescribesthestructureofthePWMcontrolchipUC3842,accordingtothecharacteristicsandhowtheproductisgivenadetailedcircuitparametersandhighfrequencytransformerdesign,includingthecalculationofthemaximumdutycycle,primaryandsecondaryturnscalculationapplicationchipUC3842Method.Finally,PSIMsoftwareswitchingpowersupplycircuitdesignandsimulationsoftwareformodelingandsimulationwaveformsusingADcircuitdesignandprintedcircuitboarddesign.
Keywords：
UC3842、Flyback、SwitchingPowerSuppl、AD、PSIM
§.第一章绪论
§.1.1开关电源的发展现状
电源是能量变换及功率传递的重要设备，当代几乎所有电力电子设备的正常使用和可靠的直流电源是不可分离的，因此对我们所使用开关电源的各方面指标要求也越来越严格。
在日常生活中我们所使用的直流电源可以分为开关电源和线性稳压源。
开关电源是通过芯片产生脉冲来控制MOSFET的截止和导通，从而达到改变电压和电流的目的，也可以称为非工频变压器电源。
现在我们已经开始使用小体积的高频变压器来完成人们所需要的电压转变和电源隔离。
开关电源具有轻便小巧、工作效率高、产热低、工作性能稳定可靠等优点，代表了今后电源的发展趋势和电源供应的主力市场产品。
目前一些传统的线性稳压电源拥有很多的的集成模块、具有较高的稳定性、纹波电压小、可靠性高、使用方便等优点，其技术还较为成熟。
但其调整管功率消耗大、散热高、低效率，因为传统的线性稳压电源通常需要使用重量和体积都很大的电容器和高频变压器，而且调整管工作在线性放大状态。
美国航空航天局为搭载火箭开发了体积小、重量轻、效率高的开关电源，在20世纪50年代。
开关电源被称为高效节能的电源，它是当代稳压电源的发展趋势，开关电源目前已经成为占据市场绝大部分市场额的主流产品。
开关稳压器的研发和使用，完全改变了以前人们对稳压器的稳压概念的认识，开关电源其实是一个功率半导体元件（如N-MOSFET）的开关，通过芯片控制输出脉冲信号的占空比来控制MOSFET的关断与导通，最终可以调节输出电压的大小。
开关电源内部的关键部件（如高频电压器、N-MOSFET）通常均工作在高频状态，其自身的能耗是非常低的，所以可以保证机器不过度发热，进而提高了整个机器的稳定性和可靠性。
而其适应能力（主要是对电网的适应力）也有很大的提升，通常普通的串联稳压电源能够允许电网在220V—240V的范围内波动，但开关电源能适应电网电压变化的范围是110V—260V，并且可以得到稳定的输出电压。
我国开关电源的开发起始于20世纪60年代，直到60年代中期我国自主研发的开关电源进入了实质性应用阶段，到了70年代初我们已经可以自主研发无工频降压型开关电源，并且取得的一定的成功。
在过去的二十年中，我们的很多研究所、高等院校已成功研究出一系列的高频电源，其输出功率较低不足1Kw，广泛应用于各种电子设备（如电脑、播放器等），并且取得了巨大成就。
20世纪80年代初我国已经开始了高频开关电源的研发工作，至90年代初已初步取得成功，并已经开始进行实用性使用阶段，后来研究人员又开始进一步提高开关电源的工作频率。
多年来，虽然中国的各类研究机构和研究人员们在开关电源的研发工作中作出了巨大努力和贡献，但是目前中国在开关电源的研发技术和制造工艺方面仍然还不能达到国际先进水平。
目前，虽然在全球范围内开关电源已经有非常广阔的应用空间，但是开关电源技术还一直处于发展阶段。
各国都争先恐后的研发性能更加优良、稳定性更好、适用范围更大的开关电源。
就如今开关电源的发展现状和发展趋势来看，主要存在以下几个较为重要的问题：
（1）目前，在我们日常生活中所使用的开关电源依然存在较为严重的噪声干扰。
当MOSFET工作在开关状态时，会造成电路产生的高频交流电压和电流；这些高频交流电压和电流通过电路中的其他元件时会产生尖峰干扰和谐振噪声，会严重影响整个设备的工作稳定性和可靠性[21]。
（2）电源电路复杂和难以维护。
目前，我们研发的开关电源中所需要的电解电容、高反压大电流的功率管和电源中最重要的高频变压器磁性材料及其它部件仍处于研究、开发、试验阶段。
虽然，一些开关电源技术较为领先的国家在开关电源的研发工作上取得了一些进展，但在实际的使用中所表现出来的一些缺陷（包括设计缺陷和制造工艺所造成的缺陷）并不能完全令人满意。
这还透露了开关电源的一个缺点：
电路结构复杂，维修困难[22]。
（3）制作的成本较高且设备工作可靠性低。
因为我国的微电子应用技术、阻容器件的生产技术和磁性材料烧结技术还未达到国际先进水平行列，所以设备的成本不能进一步减少，这也影响其工作可靠性进一步增加。
§.1.2开关电源的分类和特点
随着现在人们生活质量的提高和科学技术的迅速发展，对供电电源的性能提出了更高的要求：
更加安全可靠的性能、功能的多样化、自动化的大规模应用、微型化、模块化，这使得能够满足上述人们对电源性能及其稳定性要求的开关电源得到人们的大力运用。
由于，开关电源在人们生活各个方面已被越来越广泛的应用，并且发挥着至关重要作用，这极大的促使人们去进一步研究性能更好的开关电源。
而且随着这几年的发展，在这方面的研究和生产的人员也越来越多，其性能也越来越好。
目前我们所使用的开关电源的类型各式各样，主要有以下几种类型：
他激式、自激式（按照激励方式来划分）；半桥式、全桥式、单端式、推挽式（按照晶体管连接方式来划分）；晶体管型、可控硅型（按照晶体管类型来划分）；开关型、谐振型（按照电流的工作方式来划分）；串联型、并联型（按照储能电感与负载的连接方式来划分）；脉宽调制型、混合调制型、频率调制型（按照调制方式来划分）。
开关电源的开关其实是一个功率半导体装置，通过控制输出脉冲信号的占空比来控制MOSFET的关断与导通来调节输出电压的大小。
开关电源可以直接对电网提供的交流电压进行整流、滤波、调整，然后通过高频变压器将原边的脉动直流感应到副边，通过副边上所接的电容器进行滤波稳压，最后可以稳定的输出直流电。
因为通常开关电源的工作频率较高，所以其两端接的滤波电容值和电感值均很小。
开关电源具有轻便小巧、较大稳压范围、很小纹波系数、输入和输出可以隔离等多种特性。
此外，由于效率高（可以达到70—90％）、耗能少、发热量小等优点从而改善了电源整体的运行稳定性和可靠性。
输入端能够允许接入电网波动较大的电压；一般而言，串联稳压电源输入端允许接入220V—240V范围内的电网供电电压波动；但是对于开关电源来说只要电网电压是110V—260V的范围内波动，开关电源就可以得到一个稳定的输出电压。
§.1.3开关电源的发展趋势
中国的信息产业，国防工业，家电行业，尤其是快速发展电信行业已经成为电源技术发展和市场发展的强大推动力。
在当前，开关电源的研发技术和制造工艺已经迎来一个黄金的发展时期。
（1）碳化硅功率半导体器件的使用。
其优点是：
禁带宽、耐高温、导热性强、通态电阻小、漏极电流很小、PN结耐高压。
可以肯定的是碳化硅功率半导体器件将会成为21世纪最可能被广泛应用并能取得较大成功的新型功率半导体器件。
（2）高频化磁技术。
目前，对开关电源所需要的磁性材料的生产有了更高的要求：
低损耗，良好的导热性能、磁特性优越。
是因为随着高频开关电源技术的高速发展，在低频开关电源电路中一些元件的参数可以被忽略。
而在电路的某些性能方面高频会对其性能产生很大的影响。
（3）高频开关电源的EMC技术。
目前高频开关电源的EMC技术还处于发展阶段，主要是由于电磁兼容性问题具有一定的特殊性。
它可能会产生强烈的电磁干扰和谐波传导障碍。
这是因为在切换过程中会产生的电压和电流突变，这会使得电源周围电磁环境受到严重污染，会使周围存在的电磁设备不能正常工作或者会损坏设备甚至可能危及附近操作人员的安全。
并且随着频率的增高噪声也会随之增加。
原则上，可以使用谐振变换器的技术，这样既能增加频率，并可以减少噪声和干扰，因此EMC技术的发展直接制约了今后开关电源的发展程度。
（4）软开关技术。
PWM开关电源使用一种叫“硬开关”技术。
由于开关电源的损耗会随着开关电源工作频率的升高而增大同时也大大的增加了电磁干扰的几率，这严重的制约了开关电源技术高频化发展。
为了解决“硬开关”技术带来的不足，研发人员们开始引入软开关技术。
软开关是指ZVS（零电压开关）或者ZCS（零电流开关）。
如果在开关电源中采用软开关技术，不仅可以使功率开关管的开关损耗降至最低，还提高了电源效率和对电源的开关起到保护作用。
20世纪90年代中，IEEE组织会议曾指出，无源元件性能、开关器件的性能和封装技术能够直接影响高功率密度的直流—直流零电压开关转换器的性能。
可以预见的是，在不久的将来电源功率变换器成本将降低至一半，但是开关管可靠性将会增加一倍，而且功率密度也将提高一倍以上。
目前，已经有研究所研发的一些开关变换器可以达到这个目的。
（5）在电容器技术发展方面，最新的技术进展是大容量超级电容器技术的研究和使用。
并联或串联超级电容器可以形成低压高储能元件或者超高压元器件，它具有充电快、存能大、充电电流灵活、适应性强、使用寿命长、无毒等许多优势，有较强的使用价值。
（6）采用计算机软件辅助技术。
如CAD软件可以用来对电路和磁性元件进行设计，设计出最新的拓扑结构使开关电源用最简单的结构完成最佳的工况。
Saber软件可以用来对电路进行仿真试验，可以根据仿真数据选定最佳的元件参数，实现了最佳的系统性能设计。
AD软件可以用来对电路进行制作，不仅可以降低设计和制造成本，还可以做可制造性分析，计算机软件辅助技术是21世纪开关电源研究技术的发展方向之一。
目前，跟开关电源研发有关的各种新技术、新工艺和新设备如雨后春笋般不断问世，且随着人民生活水平的提高和社会环境的需求，开关电源已越来越受关注，可以预见的是未来开关电源供电的发展已呈现出越来越多不同的趋势：
开关电源的绿色供电。
绿色节能开关电源的使用是国情所要求，这有利于保护我们的生态环境和人文环境。
现在，国外许多著名的IC制造商都在大力开发低功耗、集成化的绿色节能开关电源。
飞利浦公司21世纪初推出“TEA1520”系列“绿色芯片”甚至将高效节能列在首位。
上世纪90年代，美国首先提出了ENERGYSTAR计划，以降低开关电源空载损耗为目的。
2005年，美国CEC委员会提出了具有强制性的能耗标准，并于2006年开始实施。
该标准要求厂家要利用相关的技术手段减少使用外部电源适配器或充电的电子产品的待机功耗和空载功耗。
开关电源数字智能化。
开关电源数字智能化是指由数字信号处理器或单片机（作为核心处理器）、数字电源驱动器和PWM控制器构成的一个电源控制系统。
该控制系统可以充分发挥核心处理器的优点，从而实现开关电源的模拟元件和数字元件的完美组合。
且高度集成化的单芯片电源系统，不仅便于实现了电源一体化，还促进了分布式数字电源系统的最佳组合。
智能数字电源系统以其良好的性能正在慢慢引起人们的关注。
开关电源可编程技术。
可调式开关电源是通过手动调节可变电阻器来改变其输出电压的，这种调整方式精度低并且不容易控制。
将可调电阻变成数字电位器即可由计算机程序来控制开关电源。
§.第二章开关电源理论
§.2.1开关电源的设计要求
一、开关电源的特点
随着现在人们生活中电子设备的类型和用途的增多，以及人们对它们的工作稳定性的要求越来越高，促使人们对开关电源设备的性能要求也提高了。
本文提到的开关电源的特点一一列出如下：
（1）宽输入的电压范围。
在正常情况下，开关电源要直接接入电网电压即输入电压为AC220V。
但是由于电网的电压不稳定，会在一定的范围内随机波动，这就要求开关电源可以确保在指定的范围内的电网电压波动，开关电源的输出电压总是稳定不变的。
（2）高精度输出电压。
衡量开关电源性能是否优越的重要指标之一就是其输出电压的精度大小。
随着电子产品日趋小型化、集成化（如精密仪器），对开关电源输出电压精度的要求变得越来越严格，一般输出电压不超过额定输出电压范围150mV或更小。
（3）良好的电压调节能力。
电压调节能力同样是衡量开关电源性能是否优越的重要指标之一。
其指的是在电源的输入电压发生改变时还能够保持一个稳定输出电压的能力。
较好的电压调节能力能够保证开关电源的工作稳定性，同样也能保证其供电设备的工作稳定性。
（4）纹波小。
电源输出电压中含有纹波容易使用电设备发生谐振，同时降低电源的效率。
较大的纹波还会引尖峰电压或电流的产生导致电气设备毁坏。
因此纹波越小越好。
（5）较高的供电效率。
在当今这个提倡效率优先的社会，开关电源的效率同样也是越高越好。
二、开关电源性能指标
在进行电源设计时，要充分收集用户要求电源工作时的各项技术指标，以便所设计的电源满足用户的要求。
目前，日常生活中经常使用到的开关电源所要求的性能指标主要有：
标准输入电压为：
AC220V，50Hz；输入端允许输入电压范围：
90V—240V；开关电源正常工作频率：
78KHz；输出端输出电压：
12V，5V；开关电源允许工作温度范围：
-25℃～80℃；开关电源最大输出电压准确度：
3%；开关电源最大电压调整率：
3%；输出电压最大输出纹波：
150mV；开关电源最大纹波系数：
2%；整体效率：
86%等技术指标。
§.2.2开关电源常用的拓扑结构
功率转换电路是开关电源的核心，整流后不同的直流电压功率转换电路有大量的拓扑结构类型，常见我已一一列出如下：
（1）降压变换拓扑结构
（2）升压变换拓扑结构
（3）升降压变换拓扑结构
（4）正激式变换拓扑结构
（5）反激式变换拓扑结构
（6）推挽式变换拓扑结构
在本次设计中，开关电源输入端接入电网（AC220V/50Hz）时，输出端输出功率小。
由于降压转换器和升压转换器无变压器、非隔离、没有更多的输出端，所以不考虑使用降压转换器和升压转换器。
正激电路有点很多，但正激变换器的变压器是不能够储存能量，经常使用在大功率的情况下，并且对MOSFET的要求较为严格。
反激更有优势，正好符合本文所要求的开关电源的设计路线，因此采用反激式转换器拓扑结构。
§.2.3反激式开关电源的认识
一、工作核心原理
原理：
首先假设开关晶体管、二极管、电感、电容均为理想元件，输出电压中的纹波电压很小，可以忽略不计。
当PWM控制的N-MOSFET导通时，变压器原边绕组中的电感开始储存能量，且与变压器副边绕组相连的二极管VD处于反向偏置状态，变压器副边没有电流流动，即没有能量传递给负载。
当PWM控制的N-MOSFET截止时，变压器副边线圈中的电压极性反转，使得二极管VD导通，输出端接的电容器C开始被充电，且负载R也有电流I流过。
在电路中变压器不仅起到了变压器的作用，也起着电感储能的作用。
N-MOSFET导通和截止时的等效电路图如下：
二、工作方式的选取
目前，我们在日常生活中所使用的反激式电源主要有两种基本工作模式：
（1）连续工作模式，简称为CCM；
（2）不连续模式，简称为DCM。
CCM的工作原理：
PWM脉冲控制MOSFET被接通时，则电压V被施加到原边绕组上，原边绕组中的电感开始存储能量。
变压器电感中储存的能量还没来得及完全释放，下一脉冲就已经到来，从而副边绕组中的电流还没有下降到零它就开始下一个过程。
DCM与CCM相比，其不同点是变压器储存的能量被释放完全在下一个脉冲到达之前，且副边绕组中的电流已经降低到零，下一过程是从零开始增加。
因此在高频变压器的每一个开关周期，CCM都是从非零状态储能开始下一个过程，而DCM都是从零状态储能开始下一个过程。
CCM开关电流从一定的幅值开始的，上升到某一峰值后又迅速回到零，初级脉动电流IR和峰值电流IPK比例因子KRP<1.0，如图2.3（a）所示。
DCM开关电流从零增加至某一峰值后快速下降到零，KRP=1.0，如图2.3（b）所示。
（a）CCM（b）DCM
图2.3工作模式
事实上在CCM和DCM之间并没有严格的界限，他们之间只是存在一个过渡过程。
对于给定的交流输入范围，当KRP较小时，连续性好、初级电感大、IPK和IRSM较小，因此可以使用功率较小的控制器件和尺寸较大的高频变压器进行优化设计。
相反地，当KRP较大时，意味着其连续性差，初级电感小，IPK和IRSM较大，这个时候可以使用功率较大的控制器件和一个尺寸较小的高频变压器。
通过参照相关资料可知CCM模式的优点主要有：
损耗小、原边电流小、输出性能稳定等；缺点是该模式下所需要的变压器体积过大、所占空间过大、不利于电源小型化。
DCM模式与CCM模式刚好相反，其主要优点就是变压器体积小；具有初始副边电流大、输出性能一般、需要较大的LC滤波器、损耗大等缺点。
因此本次设计选择KRP<1，即工作在CCM模式。
§.第三章多端反激式开关电源硬件电路及PCB板设计
§.3.1UC3842芯片介绍
UC3842芯片是一种电流型PWM控制芯片且性能好、频率可以自己设定。
其频率由RC网络确定，最大占空比可高达100%。
并且它可以对每一个周期的电流进行限制，可以提供100瓦以下的输出功率，主要用于控制反激式转换器。
芯片内部有高度稳定的可以用于外部电路的参考电压源。
UC3842芯片通过“图腾柱”输出高达1A的电流，可以用来驱动多种晶体管。
UC3842芯片由于引脚少、性能稳定、外围电路简单、易于安装和调试、低廉的价格，因此它被广泛用于研发开关电源。
UC3842的内部结构图如图3.1所示。
从图中可以看出它的内部集成了误差放大器、振荡器、5V基准电源、脉冲调制锁存器、电流检测比较器等多种器件和一些辅助电路及元件。
图3.1
基于本次设计的开关电源的控制方式和其组成电路的拓扑结构，结合UC3842的上述特点，决定本次使用的芯片为UC3842。
UC3842的外型图如图3.2所示。
图3.2外型图
其引脚图如图3.3所示。
图3.3引脚图
引脚
符号
功能
引脚
符号
功能
1
CMP
误差放大器输入端
5
GND
接地
2
VFB
反馈电压输入端
6
OUT
输出端（图腾柱式输出）
3
ISen
电流检测输入端
7
VCC
电源
4
RT/CT
振荡端
8
Vref
参考电压输出端
§.3.2开关电源的总体设计框图
缓冲回
收电路
变换器
电压
反馈
电流取样与限
流
功率管
驱动电路
时钟振荡电路
芯片启动供电
电路
输出整
流滤波
高频
变压器
功率开
关管
输入整
流滤波
输入交流输出直流
控制电路
由上面框图可已看出整个开关电源电
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