基于UC3842的开关稳压电源的设计【一类特制】

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2080W小功率开关电源。关键词：开关电源；UC3842；脉宽调制AbstractAlong with the Power electronic technology development and innovation,it make that technology Switching power supply is always in the way of developing and innovating, whit the cost of inversion points increasingly to the low output power end mobile,make the Switch power supply provide a broad space for development.Power equipment used to achieve the power conversion and power transmission，which is basic to the various electronic devices working normally,and the high frequency and high efficient small switching power supply is an inevitable development trend,which is used more and more in communications,militaryequipment,transportacilities,instrumentation,insustrial equipment,household appliances and other ares.Switching power supply use the Modern electronic technology to control the turn-on and turn-off time ratio,maintain the stability of the output voltage of Power supply.Switching power supply used by Pulse width modulation(PWM)Control IC and MOSFET. Switching power supply and Linear power comparison,they are costs as the Output Power increases,But their growth is different.Linear power supply costs in Certain output power point,is higher than Switching power supply.This point is called Cost inversion point. Design thesis is mainly using a kind of high performance current control Pulse width modulation UC3842.If some reasons make the output voltage rise,Pulse width modulator can change the drive signal pulse width,the Duty ratio D,the chopper after the average voltage drop,to achieve the goal of stabilizing voltage,The reverse is also true.UC3842 Can directly drive MOSFET,IGBT and so on.Suitable for the production of 2080W Small power switch power supply.Key Words：Switching power supply，UC3842，Pulse width modulation目 录基于UC3842的开关稳压电源的设计I摘 要I目 录III插入图表V引 言VI第1章 绪论11.1 课题背景与意义11.2 课题研究历程与现状11.3 本课题的研究内容与目标2第2章 开关电源的基本工作原理与电路结构32.1 开关电源概述32.1.1 开关电源的工作原理32.1.2 开关电源的组成52.1.3 开关电源的特点52.2 DC-DC变换电路拓扑概述72.2.1 单端反激式电压变换器72.2.2 推挽式电压变换器72.2.3 单端正激式电压变换器82.2.4 半桥变换器92.2.5 全桥变换器9第3章 高频变压器设计113.1 “黑箱”预先估计113.2 设计反激式变压器11第4章 控制单元的选择144.1 UC3842的简介144.1.1 UC3842的封装形式144.1.2 UC3842内部电路框图介绍144.1.3 UC3842的工作原理154.1.4 UC3842功能介绍164.2UC3842外围电路设计174.2.1工作频率设计17第5章 开关电源设计185.1 开关器件的选择185.1.1 开关器件的特征185.1.2 器件TL431185.1.3 电力二极管195.1.4 光耦PC817205.2 启动电路和PWM脉冲控制驱动电路225.2.1启动电路设计225.2.2 PWM脉冲控制驱动电路设计225.3 输入滤波电路235.4 输出滤波电路的设计235.4.1输出滤波电容的设计235.4.2死区电阻的设计245.5 过流保护电路255.6 电压反馈电路255.7开关电源总电路图及工作过程分析275.7.1工作过程与原理分析27结论与展望29致谢30参考文献31附录A外文文献与译文32A.1 英文原文32A.2译文34附录B AWG导线规格表36插入图表图2-1 开关电源电路框图3图2-2 开关电源的工作原理4图2-3 开关电源工作波形4图2-4 开关电源的基本组成5图2-5 开关型稳压电源的原理电路5图2-6 单端反激式电压变换电路7图2-7 推挽式电压变换电路8图2-8 单端正激式电压变换电路8图2-9 半桥变换电路9图2-10 全桥变换电路9图4-1 UC3842外形图和管脚排列图14图4-2 UC3842内部电路框图15图4-3 RT和振荡频率的关系曲线16图4-4 输出静区时间和振荡频率的关系曲线16图5-1 TL431的引脚19图5-2 TL431的功能模块示意图19图5-3 PC817的内部结构20图5-4 PC817集射电压Vce与正向电流If的关系21图5-5 与TL431配合的电源反馈电路21图5-6 启动和启动和PWM脉冲控制驱动电路22图5-7 输入滤波电路23图5-8 输出滤波电路24图5-9 电压反馈回路26图5-10 开关电源总电路图27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。如果电源内部发生故障，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，国内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范围的热门话题，并由相关的国际和国家标准规范进行约束。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，是国内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。各类材料第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 本课题的研究内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) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90270 V内变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范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。2.2 DC-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，但是变压器设计的好坏直接影响到电源能否正常工作，因此高频变压器的磁芯选择、原边电感、线圈匝数和气隙大小计算等问题都需要仔细考虑。本设计高频变压器所需要设计的绕组为一次侧初级绕组，二次侧包括主输出+5V绕组、以及给控制芯片UC3842供电的绕组。下面对本设计中高频变压器的主要参数计算过程进行详细介绍，3.1 “黑箱”预先估计变压器输出端最大功率： （3-1） 考虑变压器的工作时的能量损耗，实际变压器输入端功率： （3-2） 变压器输入端平均电流： （3-3）这个值决定变压器一次绕组的导线尺寸，从这个电流值可以看出，变压器一次侧绕组的绕线要用#22AWG的导线或采用其他规格的导线。输入峰值电流： （3-4）其中反激式电路的K值取5.5电源的工作频率选定为40KHz(即)3.2 设计反激式变压器 反激式变压器的工作与正激式变压器不同。正激式变压器两边的绕组式同时流过电流的，而反激式变压器先是通过一次绕组把能量存储在磁芯材料中，一次侧关断后再把能量传到二次回路。因此，典型的变压器阻抗折算和一次、二次绕组匝数比关系不能再这里直接使用。再进行设计是，再黑箱估计阶段，估计出了电流的峰值、磁芯尺寸和选择好磁芯材料。刚开始，在开关管导通时可以把一次绕组看作是一个电感器件，所以一次侧最大电感： （3-5）其中计算磁芯功率的吞吐量： （3-6）（满足要求）这里选用MPP环形磁芯，开关导通的每个周期中，存储在磁芯的能量为： （3-7） 据此估计所需的磁芯大小，选择磁芯为125的磁芯，其型号为55310-A2，这种磁芯的为90mH/1000匝。一次绕组的匝数为 （3-8） （取29匝） 输出电压（+5V）的二次绕组匝数 （3-9） （取7匝）其中为最大占空比，这里我们去50%。对UC3842供电的绕组匝数，考虑到正常工作时，该绕组要对UC3842供电所以其匝数应与一次侧相当，在这里取25匝。在这里，二次侧采用自耦变压器的结构，这样低电压输出端的绕组会包含在高电压输出端的绕组中。这些绕组的匝数和线规瑞如下：输出端 +5V ： 7匝 ， #17AWG输入端 +24V ： 29匝， #22AWGUC3842供电绕组 ： 25匝， #23AWG 第4章 控制单元的选择4.1 UC3842的简介UC3842电流型脉宽调制器是由美国Unitrode公司生产。UC384x系列是一种应用广泛的定频电流模式控制器，力求使用最少的外部元件获得最大的成本效益。其特点是价格低廉、性能良好、外接线路简单，并且具有温度补偿、欠压锁定、过流限制及过压保护等功能。能直接驱动双极型功率管或场效应管，由于在结构上具有电压、电流双闭环系统，开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，电压调整率可达0.01%，工作频率高达500KHZ，启动电流小于1mA，正常工作电流为15mA，并可利用高频变压器实现与电网隔离。它适用于无工频变压器的20-80W的小功率开关电源，其工作温度为0-+70，最高输入电压为30V，最大输出电流为1A，最大占空比100%，多用于反激式变换器，故本设计选用UC3842型控制芯片。4.1.1 UC3842的封装形式UC3842的封装形式有8脚双列直插（DIP-8）和14脚的表面贴（SO-14）两种。本设计采用的是DIP-8的封装形式，其外形和管脚排列如图4-1所示。图4-1 UC3842外形图和管脚排列图4.1.2 UC3842内部电路框图介绍图4-3为UC3842的内部电路框图，主要包括振荡器、脉宽调制锁存器、参考稳压器、电流检测比较器、误差放大器等。芯片的各个引脚及用法介绍如下 图4-2 UC3842内部电路框图1脚COMP：输出/补偿端，误差放大器的输出端，外接阻容元件，主要用于对环路进行补偿；2脚VFB：反馈电压输入端，管脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行对比，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；3脚IS：电流检测输入端，通过一个和开关管串联的电阻将流过变压器初级的电流转换为电压信号，将此电压送入3脚，从而来调节脉冲宽度。并且当取样电压大于1V时，芯片停止工作，起到保护开关管作用；4脚RT/CT：定时器端，将RT和8脚Vref连接，CT和地相连，以确定振荡器的频率，f =1.72/（RT*CT）；5脚GND：公共地端；6脚OUTPUT：推挽输出端，图腾柱式输出，上升下降时间仅为50ns，驱动能力1A；7脚Vcc：直流电源供电端，该芯片的启动电压为16V，低压锁定门限10V；8脚Vref：基准电压输出端，提供5V基准电压，有50mA的带载能力。4.1.3 UC3842的工作原理在UC3842所构成的控制电路中，有电压、电流两个控制闭环回路，电压控制环是由反馈电压回馈到误差放大器。和芯片内部基准电压比较后产生误差电压；电流控制环是由变压器初级电流经采样电阻产生的采样电压与误差电压进行对比，产生脉宽调制信号，调节开关管的通断，当输出电压变低时，就会延长开关管的导通时间，增大占空比，达到稳定输出电压的目的。芯片内部具体工作过程分析：反馈电压与基准电压经误差放大器后，得到的误差电压作为门限电压Ve，与采样电阻上得到的采样电压Vs一起接到电流比较器，当VsVe时，比较器输出高电平给SR锁存器复位端R，则Q为高电平，此时或非门输出为低电平，开关管关断：随后R变为低电平，S也为低电平，所以Q保持高电平，开关管保持关断；当振荡器脉冲变为高电平时，或非门的输出将始终为低电平，开关管仍旧关断，但此时S为高电平Q将变为低电平；当振荡器脉冲再次变换为低电平时，由于S、R均为低电平信号，Q保持低电平状态，此时或非门输出为高电平，开关管再次导通。如此周期性调节，实现输出电压稳定。4.1.4 UC3842功能介绍（1）振荡频率的设置振荡器的频率是由定时元件RT和CT决定的。5V基准电压通过RT给CT充电，充到2.8V，在通过内部放电至1.2V，在CT放电过程中产生一个消隐脉冲保持或非门输入为高电平，致使输出低电平，产生一个长度可控的静区时间。图4-4是RT和振荡频率的关系曲线，图4-5是输出静区时间和振荡频率的关系曲线。需要注意的是虽然很多RT和CT的组合都能产生同一频率，但是只有一种组合可以满足在给定频率下的特定输出静区时间。 图4-3 RT和振荡频率的关系曲线图4-4 输出静区时间和振荡频率的关系曲线（2）误差放大器UC3842提供一个有可访问反向输入和输出的全补偿误差放大器。此放大器具有90dB的典型直流电压增益和具有57o相位余量的1.0MHz的增益为1带宽。同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。典型情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反向输入监视，最大输入偏置电流为2.0A，它将引起输入电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿。输出电压因两个二极管压降而失调（1.4V）并在连接至电流取样比较器的反向输入之前被三分。这将在管脚1处于其最低状态时，保证在输出（管脚6）不出现驱动脉冲。（3）电流取样比较器和脉宽调制锁存器UC3842作为电流模式控制器工作，输出开关导通由振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大器输出/补偿（管脚1）建立的门限电平时终止。这样在逐周基础上误差控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成电压。此电压由电流取样输入（管脚3）监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，当电源输出过载或者如果输出电压取样丢失时，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较门限将被内部箝位至1.0V。（4）欠压锁定UC3842采用了两个欠压锁定比较器来保证在输出级被驱动之前，集成电路已完全可用。正电源端（VCC）和参考输出（Vref）各由分离的比较器监视。每个都具有内部的滞后，以防止在通过他们各自的门限时产生误输出动作。VCC比较器上下门限分别为16V和10V。Vref比较器高低门限为3.6V和3.4V。（5）输出UC3842有一个单图腾柱输出级，是专门用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达1.0A的峰值驱动电流和典型值为50ns的上升、下降时间。还附加了一个内部电路，使得任何时候只要欠压锁定有效，输出就进入灌电流模式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。（6）参考电压5.0V带隙参考电压，在TJ=25时调整误差至：1.0%，它首要的目的是为振荡器定时电容提供充电电流。参考部分具有短路保护功能并能向附加控制电路供电，提供超过20mA的电流。4.2UC3842外围电路设计4.2.1工作频率设计振荡器频率由接在3842的4脚上的电阻RT和电容CT决定，频率为： (4-1)假若工作频率小于20kHz进入音频范围则噪声较大，纹波增大。若开关频率较高时，开关损耗增大，系统效率降低。因此确定工作频率时要折衷考虑，实际选择工作频率为40kHz。RT选值为220K，CT选值为200pF的电容。本文中RT、CT分别为R19、C16。第5章 开关电源设计5.1 开关器件的选择5.1.1 开关器件的特征同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。(2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。(5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。5.1.2 器件TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2欧姆，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等。 其具体功能可用图5-2的功能模块示意。由图可看出，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放特性可知，只有当REF端的电压十分接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管，电流将从1到100mA变化，TL431需要最少1mA电流流过才能工作。TL431特点： （1）最大输出电压为36V； （2）电压参考误差：0.4，典型值25（TL431B）； （3）低动态输出阻抗，典型0.22欧姆； （4）负载电流能力1.0mA 100mA；（5）等效全范围温度系数50 ppm/典型； （6）温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压。图5-1 TL431的引脚图5-2 TL431的功能模块示意图 在开关电源设计中，一般输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。5.1.3 电力二极管 电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。 (1) 普通二极管(General Purpose Diode) 普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。 (2) 快恢复二极管(FRD) 快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多在400 V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，有的甚至达到2030 ns。(3) 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SBD)，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反向恢复时间很短(1040 ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。5.1.4 光耦PC817PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同,PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 主要应用范围：开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其它家用电器等产品。图5-3 PC817的内部结构上图中： 1脚为阳极，2脚为阴极，3为发射极，4为集电极。特点：电流传输比：CTR 最小50%在If=5mA，Vce=5V时输入和输出之间的隔绝电压高Viso（rms）:5.0KV图5-4 PC817集射电压Vce与正向电流If的关系图5-5 与TL431配合的电源反馈电路5.2 启动电路和PWM脉冲控制驱动电路5.2.1启动电路设计UC3842启动阈值电压为16V，输入为24V直流电，可直接启动UC3842工作，本次设计直接将24V输入经电阻接在芯片的7脚上，同时加上一个二极管，滤除芯片工作时产生的震荡，消除其对输入电压的影响。但是考虑到启动电压较高，电阻上的能耗较大，而工作时电压只需维持在10至16V即可，所以在变压器一端引入反馈回路，使在在芯片启动以后通过反馈回路供电。5.2.2 PWM脉冲控制驱动电路设计芯片启动以后，6脚输出PWM脉冲，驱动开关管的开通和关闭，为了使栅极电压稳定，加了稳压管和电阻构成的稳压电路，从而保证了开关管的正常工作。开关管的开通关断，使得一次侧变压器通电一次，在变压器磁芯中将能量存储起来。而输出端电压的改变，就是靠改变PWM输出波的占空比，继而影响一次侧变压器线圈的通电时间，也就是存储在磁芯中的能量发生改变，二次侧通过变压器耦合获得的能量就发生改变，表现在电压发生了调整，正是通过这种动态的不断调整，使得电压保持稳定。这也是本次设计的基本思路。启动和PWM脉冲控制驱动电路如下：图5-6 启动和启动和PWM脉冲控制驱动电路UC3842的电源软启动。当输入24V刚上电时，UC3842的7脚不会立刻达到工作电压，而是先对电容C11 和C5充电，当电容电压上升到开启阈值16V时UC3842才开始工作，此时R3上的电流将会迅速增加，C11和C5也开始放电，电压随之减小；但变压器反馈回路的工作将对C11和C5充电，使UC3842的7脚电压维持在工作电压。5.3 输入滤波电路为了使电压输出更稳定，在输出部分加入电容电感滤波。而选择合适的电容在反激式变换器中显得尤其重要，这是因为反激式变换器自身与整流器之间没有感性阻抗，使得有很大的瞬时电流流入和流出电容。较大的交流电流流过了电容的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感），ESR会导致电容发热，造成电容的使用寿命缩短，增加了输出电压纹波。ESL引起输出电压存在高频噪声。钽电容与铝质电解电容相比，具有较小的ESR和ESL。另外，大容量电容上要并联高频电容，这是由于铝电解电容和钽电容无法吸收加在其两端的高频电流分量，用0.1或0.01uF的陶瓷电容就可以达到这个目的。图5-7 输入滤波电路 （5-1） 用两个27uF、50V的铝电解电容和一个0.1uF的电容并联。C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。5.4 输出滤波电路的设计5.4.1输出滤波电容的设计为了使电压输出更稳定，在输出部分加入电容电感滤波。而选择合适的电容在反激式变换器中显得尤其重要，这是因为反激式变换器自身与整流器之间没有感性阻抗，使得有很大的瞬时电流流入和流出电容。较大的交流电流流过了电容的ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感），ESR会导致电