基于UC3842控制的芯片电泳电源设计
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现代测量与实验室管理
文章编号 : 1005- 3387( 2009) 03- 0009- 11
2009 年第 3期
基于 UC3842控制的芯片电泳电源设计
余文翰 颜流水 赵文龙 史蓉蓉
(南昌航空大学, 南昌
摘
330063)
要 : 基于 UC3842 高性能控制芯片 , 提出了一种小功率反激式电源设计方案 , 很适合芯片电泳等 精密电子仪 器的电源
表 1 U in ( V) 176 198 242 264 输入电压变化时各输出端的电流与电压 Uout1 ( V) U out2 ( V) Uout3 ( V) - 5. 0 - 5. 0 - 5. 1 - 5. 1 Io ut1 (A ) + 2. 0 + 2. 0 + 2. 0 + 2. 0 Iout1 ( A) + 2 . 0 + 2 . 0 + 2 . 0 + 2 . 0 Io ut1 ( A) - 2. 0 - 2. 0 - 2. 0
[ 4]
。实 际 选择 的 工作 频 率为
; 取样电压由自馈电上取得 ,
100kH z, 振 荡电阻 R 12阻值为 7 . 5 , 振荡电 容 C13
经过分压后就传递至芯片的第 2 脚, 同时 , 电流取样 信号由 R4 上获得后传递至芯 片的第 3 脚, 它们共 同确定占空比; 芯片第 6 脚输出具有一定占空比的 方波, 驱动开关管 Q 1 , 当 Q1 基级电压为正时, Q1导
系统。文章分析了电路原理 , 详细计算了电路中变压器的参数 , 并对电路性能进行了测试。 关键词 : UC3842; 反激 ; 开关电源 ; 变压器 中图分类号 : TM 12 文献标识码 : A
0 引言
在芯片电泳分析仪器、 医疗仪器等精密电子系 统中, 广泛使用了小功率电源。开关电源由于具有 效率高 , 体积小等诸多优点 , 近年来在此领域得到了 [ 1] 越来越多的应用 。在小功率的电源中, 传统的线 性电源效率较低 , 而许多开关电源其线路也比较复 杂。因此 , 本文提出了一种电路较简单, 成本低 , 易 于制作的反激式电源方案 , 非常适合在微分析系统 等精密电子仪器中用作小功率电源。本设计中使用 了高性能电流型 P WM 控制芯片 UC3842 , 它广泛应 用于各种中小功率开关电源中。
由磁芯材料特性曲线可查得 , 100 ! 时磁芯饱和 磁密越为 0. 37T, 0 . 3T < 0 . 37T, 因 此工 作时 留有 余量。
2 测试结果
在不同的输入电压下 , 测试电路各项参数 Βιβλιοθήκη Baidu 实验 结果如表 1 所示。从表 1 结果可知, 当输入电压在 一定范围 内变化 时, 各输出 端的 电压 与电流 均较 稳定。
参考文献 : [ 1] [ 2] + 12. 2 + 5. 1 - 2. 0 [ 3] 张占松 , 蔡宣 三 . 开关 电源 的原 理与 设计 [ M ]. 北 京 : 电子工业出版社 , 2004 慕丕勋 , 冯桂林 . 开关稳 压电源原 理与实 用技术 [M ]. 北京 : 科学出版社 , 2005 徐明 , 尹斌 . 基于 UC3842 的单端反激式开关稳压电源的 设计与分析 [ J]. 河海大学常州分校学报, 2005, 19( 3) [ 4] [ 5] 梁晓峰 , 柴 智渊 , 郭淳 . 基于 UC3842 的单端 反激 开关 电源设计 [ J]. 科技创新导报 , 2007, 34 杨玉岗 . 现代电力 电子的磁 技术 [M ] . 北 京 : 科 学出版 社 , 2005
B m ax =
B ac + B d c = 0 15+ 0 15= 0 3 T 2
表 2 输 入电压变化时 + 12 电压输出端的纹波电压与整 机效率 输入电压 ( V ) 176 198 242 264 纹波电压 ( mV ) 45 42 39 45 效率 (% ) 71. 2 72. 5 72. 8 73. 5
1 . 414
4
0 . 8=
248 . 9V, 根据下式可计算出原边绕组匝数: Np = 248 9 10 3 100 10 0 3 0 171
设额定工作时占空比为 0 . 25 , 取副边绕组压降 Uf 与整流二极管压降 Ud 均为 0 . 7V, 则可计算出各 副边绕组的匝数
[ 5]
。
+ 12V 的副边绕组匝数为 : (Uo - Ud + Uf ) ( 1- D ) Ns= U sD 10
1 . 1 电路设计要求 考虑到本电源主要是给芯片电泳高压智能电源 中的其他元件和芯片供电, 电源 功率设计为 44 W, 电网 输 入电 压 为 220V, 允 许 输入 电 压 波 动 最高 20% , 要求有 3 路 输出 , 供 电和 电流 等级 分 别为 : + 12V /2A, + 5V / 2A, - 5V /2A。 1 . 2 电路结构及工作原理 电路结构如图 1所示, 电路工作原理简述如下 : 在开机后, 220V 市电经过 D1~ D4 组成的整流桥和 滤波电容 C1 后, 转化为约 300V 的 直流电 ; C1 上 300V 的电压通过启动电阻 R2 给电容 C10 充电 , 当 C10 的 电 压 升 至 UC3842 的 电 压 启 动 门 限 后 , UC3842 便开始工作
通, 4个变压器副边绕组的感应电压均为上负下正, 整流二极管均不导通; 当驱动信号使 Q1 基极电压 降为负值后, Q1 关断此时磁芯中的能量开始转移到 副边 , 副边绕组均感应出上正下负的电压, 各路的输 出滤波电容 得到充 电, 各 路负 载也 从变 压器得 到 能量
[ 3]
。
1 电路原理与设计
4 4
A, 于是可以根据下式求出原边电感 : U sDT s 248 9 0 25 10 10- 6 Lp = = i 0 68 = 0 915mH 根据电感量计算气隙长度得 : 2 - 7 2 0N p A e 4! 10 121 lg = = Lp 0 915 = 0 34mm 1 4 5 校验最高工作磁密 计算交流磁通产生 的磁通密度变化幅值 B ac 和磁 通 密 度 直 流 成 分 B dc 可 得 到 磁 通 密 度 最 大 值 B m ax: UsDT s 248 9 0 25 10 = = 0 30 T N p Ae 121 17 1 -7 0N p Ip 1 4! 10 121 0 34 Bd c = = 0 15 T - 3= - 3 lg 10 0 34 10 B ac = 17 1
[ 2]
图 1 基于 UC3842 的反激式电源电 路原理图
1 . 3 工作频率设计 UC3842 输 出脉冲的频 率对 于开 关电源 电路 而言很关键 , 其他许多 元件参 数的 计算都 与此频 率有关。若频 率低于 20kH z, 则电 路会 发出 大量 音频噪 声 , 并 且 频率 过 低 也 会 使 得 波 纹 电 压 增 加 , 储 能元 件的 体积 也 将随 之增 加 , 而 若频 率过 高 , 则会增加开关损耗 , 降 低效率 , 因此工 作频率 的选择要 折 中考 虑 值为 2 . 2nF。 1 . 4 变压器参数计算 高频变压器是 开关电 源的 核心 部分 , 因 为不 同的开关电源其功 率 , 工作频 率和 工作原 理等许 9
多电路参 数都大不相同 , 而且很 难能在 市场上 买 到最合适 的变压器现成 品 , 一般 都需要 设计者 自 行计算与 制作 , 变 压器的 设计与 制作工 艺是否 合 理 , 对于电路本身 能否正常工作是至关重要的。 高频变压器的设计方法一般有两种, 本文采用 磁芯面积乘积法 ( AP 法 ) , 先计算出磁芯窗口面积 与磁芯有效截面积的乘积 , 选择出磁芯型号后再逐 步计算其他参数。 另外, 在反激式开关电源中 , 变压器的作用类似 于一个电感 , 是重要的储能元件 , 若工作在不完全能 量传递模式下, 其原边电流会有一个较大的直流部 分 , 容易导致磁芯饱和 ; 为了增大磁芯的储能能力 , 增加磁芯所能承受的磁场强度的值, 加气隙是很必 要的措施。 1 4 1 变压器磁芯型号选择 根据式 ( 1)可以计算出变压器所需要的 AP 值 , 通过查询磁芯参数表就可以选择出合适的磁芯。 P T 10 AP = K 0K f f sBw K j
2 2 2 2
( 1)
式 ( 1) 中 , P T 为变 压 器视 在功 率 ; K 0 为窗 口 填充系数 , 一般取 0. 4 左右 ; K f 为 波形系数 , 对于 方波取 4; f s 为 开关 工 作 频率 ; B w 为 磁 芯最 高 工 作磁通密 度 , 一般 不超 过 0 . 5T; K j 为电流 密度 比 例系数 , 一般 取 400A / cm 左 右 ; X 为 常数 , 可 由 磁芯形状 确定。 最高工作磁密取 0 . 3T, 磁芯效率取 80 % , 则视 在功率为 110 W, 由式 ( 1)可得: AP = 0 4 4
4
1 1+ X
Np=
13 4 0 75 248 9 0 25
121= 19 5 匝
+ 5V 和 - 5V 的副边绕组匝数为 : ( Uo + Ud + Uf ) ( 1- D ) Ns = U sD Np= 6 4 0 75 248 9 0 25 121= 9 3 匝
实际取原边绕组为 121 匝 , 两个 + 12V 绕组为 20 匝, + 5V 和 - 5V 绕组为 10 匝。 1 4 3 各绕组所需线径计算 原边绕组平均 电流 为 0. 21A, 取电 流密 度为 4A /mm , 计算得原边导 线截面积 为 0 . 0525mm , 100kH z 时 穿 透 深 度 可 取 0. 2mm, 因 此 0. 0525mm 截面 积的导线可以单股 绕制 , 经 查导线 规格表选用 AW G31 号线。 + 12V 的副边 绕组平 2 均电流取 2A, 取 电流 密 度为 4A /mm , 计 算 得副 边导线截面积为 0. 5 mm , 其半 径超 过了穿 透深 度 , 需要多股并绕 , 通过查表选择 AWG 25 号线三 线并饶。 + 5V 和 - 5V 的 副边 绕 组 平 均 电流 取 2A, 同 理 可 计 算 得 其 导 线 为 AW G25 号 线 三 线 并绕。 1 4 4 气隙的计算 设原边电流最大值 Ip 2与最小值 Ip 1的比值为 3 , 在此情况下磁 芯工作较理想。则在开关管 导通的 ton时间内, 原边电流平均值 Iav e = Ip 2 - Ip 1 = 2 Ip 1, 每 周期 T s 的原边绕组平均电流 Is = 0 . 17A, 对应的 Iave 值为 : I ave = I sT s 0 17 1 = = 0 68A, 则 Iave / 2= 0 34A 0 25 ton i = 2 Ip 1 = 0 . 68
以上实验结果表明 , 当输入电压在给定范围内 变化时, 电源能够保证输出电压与电流基本不变 , 并 且电路工作稳定, 性能较好, 效率较高。
3 结语
本文设计充分利 用了芯片 UC3842 的引脚 少, 外围电路简单 , 性能好, 价格低等优点 , 以其为核心 开发了结构简单、 成本低廉、 性能稳定的反激式小功 率电源。这种电源性价比高, 非常适合小功率通用 场合 , 发展前景广阔。
+ 12. 0 + 5. 0 + 12. 1 + 5. 0 + 12. 1 + 5. 1
在不同的输入电压下, 测试 + 12V 端的纹波电 压与整机效率, 实验结果如表 2 所示。从表 2 结果 可知, 当输入电压在一定范围内变化时, + 12V 输出 电压纹波较小, 效率也较高。
4 2
110 10 3 200 10 0 3
4
1 1- 0 12
400
在 ton时间内电流的变化量为
= 0 0177c m 考虑到需要留有一定余量 , 选用 EE13 做磁芯 , 其 AP 值 为 0 . 0570 cm , 磁 芯有效 截面积 为 17 . 1 2 2 cm , 窗口面积为 33 . 35 cm 。 1 4 2 原副边绕组计算 最低输入直流电压为 Up = 220 Up 10 = K f f sB w A e 4 = 121 30 匝
文章编号 : 1005- 3387( 2009) 03- 0009- 11
2009 年第 3期
基于 UC3842控制的芯片电泳电源设计
余文翰 颜流水 赵文龙 史蓉蓉
(南昌航空大学, 南昌
摘
330063)
要 : 基于 UC3842 高性能控制芯片 , 提出了一种小功率反激式电源设计方案 , 很适合芯片电泳等 精密电子仪 器的电源
表 1 U in ( V) 176 198 242 264 输入电压变化时各输出端的电流与电压 Uout1 ( V) U out2 ( V) Uout3 ( V) - 5. 0 - 5. 0 - 5. 1 - 5. 1 Io ut1 (A ) + 2. 0 + 2. 0 + 2. 0 + 2. 0 Iout1 ( A) + 2 . 0 + 2 . 0 + 2 . 0 + 2 . 0 Io ut1 ( A) - 2. 0 - 2. 0 - 2. 0
[ 4]
。实 际 选择 的 工作 频 率为
; 取样电压由自馈电上取得 ,
100kH z, 振 荡电阻 R 12阻值为 7 . 5 , 振荡电 容 C13
经过分压后就传递至芯片的第 2 脚, 同时 , 电流取样 信号由 R4 上获得后传递至芯 片的第 3 脚, 它们共 同确定占空比; 芯片第 6 脚输出具有一定占空比的 方波, 驱动开关管 Q 1 , 当 Q1 基级电压为正时, Q1导
系统。文章分析了电路原理 , 详细计算了电路中变压器的参数 , 并对电路性能进行了测试。 关键词 : UC3842; 反激 ; 开关电源 ; 变压器 中图分类号 : TM 12 文献标识码 : A
0 引言
在芯片电泳分析仪器、 医疗仪器等精密电子系 统中, 广泛使用了小功率电源。开关电源由于具有 效率高 , 体积小等诸多优点 , 近年来在此领域得到了 [ 1] 越来越多的应用 。在小功率的电源中, 传统的线 性电源效率较低 , 而许多开关电源其线路也比较复 杂。因此 , 本文提出了一种电路较简单, 成本低 , 易 于制作的反激式电源方案 , 非常适合在微分析系统 等精密电子仪器中用作小功率电源。本设计中使用 了高性能电流型 P WM 控制芯片 UC3842 , 它广泛应 用于各种中小功率开关电源中。
由磁芯材料特性曲线可查得 , 100 ! 时磁芯饱和 磁密越为 0. 37T, 0 . 3T < 0 . 37T, 因 此工 作时 留有 余量。
2 测试结果
在不同的输入电压下 , 测试电路各项参数 Βιβλιοθήκη Baidu 实验 结果如表 1 所示。从表 1 结果可知, 当输入电压在 一定范围 内变化 时, 各输出 端的 电压 与电流 均较 稳定。
参考文献 : [ 1] [ 2] + 12. 2 + 5. 1 - 2. 0 [ 3] 张占松 , 蔡宣 三 . 开关 电源 的原 理与 设计 [ M ]. 北 京 : 电子工业出版社 , 2004 慕丕勋 , 冯桂林 . 开关稳 压电源原 理与实 用技术 [M ]. 北京 : 科学出版社 , 2005 徐明 , 尹斌 . 基于 UC3842 的单端反激式开关稳压电源的 设计与分析 [ J]. 河海大学常州分校学报, 2005, 19( 3) [ 4] [ 5] 梁晓峰 , 柴 智渊 , 郭淳 . 基于 UC3842 的单端 反激 开关 电源设计 [ J]. 科技创新导报 , 2007, 34 杨玉岗 . 现代电力 电子的磁 技术 [M ] . 北 京 : 科 学出版 社 , 2005
B m ax =
B ac + B d c = 0 15+ 0 15= 0 3 T 2
表 2 输 入电压变化时 + 12 电压输出端的纹波电压与整 机效率 输入电压 ( V ) 176 198 242 264 纹波电压 ( mV ) 45 42 39 45 效率 (% ) 71. 2 72. 5 72. 8 73. 5
1 . 414
4
0 . 8=
248 . 9V, 根据下式可计算出原边绕组匝数: Np = 248 9 10 3 100 10 0 3 0 171
设额定工作时占空比为 0 . 25 , 取副边绕组压降 Uf 与整流二极管压降 Ud 均为 0 . 7V, 则可计算出各 副边绕组的匝数
[ 5]
。
+ 12V 的副边绕组匝数为 : (Uo - Ud + Uf ) ( 1- D ) Ns= U sD 10
1 . 1 电路设计要求 考虑到本电源主要是给芯片电泳高压智能电源 中的其他元件和芯片供电, 电源 功率设计为 44 W, 电网 输 入电 压 为 220V, 允 许 输入 电 压 波 动 最高 20% , 要求有 3 路 输出 , 供 电和 电流 等级 分 别为 : + 12V /2A, + 5V / 2A, - 5V /2A。 1 . 2 电路结构及工作原理 电路结构如图 1所示, 电路工作原理简述如下 : 在开机后, 220V 市电经过 D1~ D4 组成的整流桥和 滤波电容 C1 后, 转化为约 300V 的 直流电 ; C1 上 300V 的电压通过启动电阻 R2 给电容 C10 充电 , 当 C10 的 电 压 升 至 UC3842 的 电 压 启 动 门 限 后 , UC3842 便开始工作
通, 4个变压器副边绕组的感应电压均为上负下正, 整流二极管均不导通; 当驱动信号使 Q1 基极电压 降为负值后, Q1 关断此时磁芯中的能量开始转移到 副边 , 副边绕组均感应出上正下负的电压, 各路的输 出滤波电容 得到充 电, 各 路负 载也 从变 压器得 到 能量
[ 3]
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1 电路原理与设计
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A, 于是可以根据下式求出原边电感 : U sDT s 248 9 0 25 10 10- 6 Lp = = i 0 68 = 0 915mH 根据电感量计算气隙长度得 : 2 - 7 2 0N p A e 4! 10 121 lg = = Lp 0 915 = 0 34mm 1 4 5 校验最高工作磁密 计算交流磁通产生 的磁通密度变化幅值 B ac 和磁 通 密 度 直 流 成 分 B dc 可 得 到 磁 通 密 度 最 大 值 B m ax: UsDT s 248 9 0 25 10 = = 0 30 T N p Ae 121 17 1 -7 0N p Ip 1 4! 10 121 0 34 Bd c = = 0 15 T - 3= - 3 lg 10 0 34 10 B ac = 17 1
[ 2]
图 1 基于 UC3842 的反激式电源电 路原理图
1 . 3 工作频率设计 UC3842 输 出脉冲的频 率对 于开 关电源 电路 而言很关键 , 其他许多 元件参 数的 计算都 与此频 率有关。若频 率低于 20kH z, 则电 路会 发出 大量 音频噪 声 , 并 且 频率 过 低 也 会 使 得 波 纹 电 压 增 加 , 储 能元 件的 体积 也 将随 之增 加 , 而 若频 率过 高 , 则会增加开关损耗 , 降 低效率 , 因此工 作频率 的选择要 折 中考 虑 值为 2 . 2nF。 1 . 4 变压器参数计算 高频变压器是 开关电 源的 核心 部分 , 因 为不 同的开关电源其功 率 , 工作频 率和 工作原 理等许 9
多电路参 数都大不相同 , 而且很 难能在 市场上 买 到最合适 的变压器现成 品 , 一般 都需要 设计者 自 行计算与 制作 , 变 压器的 设计与 制作工 艺是否 合 理 , 对于电路本身 能否正常工作是至关重要的。 高频变压器的设计方法一般有两种, 本文采用 磁芯面积乘积法 ( AP 法 ) , 先计算出磁芯窗口面积 与磁芯有效截面积的乘积 , 选择出磁芯型号后再逐 步计算其他参数。 另外, 在反激式开关电源中 , 变压器的作用类似 于一个电感 , 是重要的储能元件 , 若工作在不完全能 量传递模式下, 其原边电流会有一个较大的直流部 分 , 容易导致磁芯饱和 ; 为了增大磁芯的储能能力 , 增加磁芯所能承受的磁场强度的值, 加气隙是很必 要的措施。 1 4 1 变压器磁芯型号选择 根据式 ( 1)可以计算出变压器所需要的 AP 值 , 通过查询磁芯参数表就可以选择出合适的磁芯。 P T 10 AP = K 0K f f sBw K j
2 2 2 2
( 1)
式 ( 1) 中 , P T 为变 压 器视 在功 率 ; K 0 为窗 口 填充系数 , 一般取 0. 4 左右 ; K f 为 波形系数 , 对于 方波取 4; f s 为 开关 工 作 频率 ; B w 为 磁 芯最 高 工 作磁通密 度 , 一般 不超 过 0 . 5T; K j 为电流 密度 比 例系数 , 一般 取 400A / cm 左 右 ; X 为 常数 , 可 由 磁芯形状 确定。 最高工作磁密取 0 . 3T, 磁芯效率取 80 % , 则视 在功率为 110 W, 由式 ( 1)可得: AP = 0 4 4
4
1 1+ X
Np=
13 4 0 75 248 9 0 25
121= 19 5 匝
+ 5V 和 - 5V 的副边绕组匝数为 : ( Uo + Ud + Uf ) ( 1- D ) Ns = U sD Np= 6 4 0 75 248 9 0 25 121= 9 3 匝
实际取原边绕组为 121 匝 , 两个 + 12V 绕组为 20 匝, + 5V 和 - 5V 绕组为 10 匝。 1 4 3 各绕组所需线径计算 原边绕组平均 电流 为 0. 21A, 取电 流密 度为 4A /mm , 计算得原边导 线截面积 为 0 . 0525mm , 100kH z 时 穿 透 深 度 可 取 0. 2mm, 因 此 0. 0525mm 截面 积的导线可以单股 绕制 , 经 查导线 规格表选用 AW G31 号线。 + 12V 的副边 绕组平 2 均电流取 2A, 取 电流 密 度为 4A /mm , 计 算 得副 边导线截面积为 0. 5 mm , 其半 径超 过了穿 透深 度 , 需要多股并绕 , 通过查表选择 AWG 25 号线三 线并饶。 + 5V 和 - 5V 的 副边 绕 组 平 均 电流 取 2A, 同 理 可 计 算 得 其 导 线 为 AW G25 号 线 三 线 并绕。 1 4 4 气隙的计算 设原边电流最大值 Ip 2与最小值 Ip 1的比值为 3 , 在此情况下磁 芯工作较理想。则在开关管 导通的 ton时间内, 原边电流平均值 Iav e = Ip 2 - Ip 1 = 2 Ip 1, 每 周期 T s 的原边绕组平均电流 Is = 0 . 17A, 对应的 Iave 值为 : I ave = I sT s 0 17 1 = = 0 68A, 则 Iave / 2= 0 34A 0 25 ton i = 2 Ip 1 = 0 . 68
以上实验结果表明 , 当输入电压在给定范围内 变化时, 电源能够保证输出电压与电流基本不变 , 并 且电路工作稳定, 性能较好, 效率较高。
3 结语
本文设计充分利 用了芯片 UC3842 的引脚 少, 外围电路简单 , 性能好, 价格低等优点 , 以其为核心 开发了结构简单、 成本低廉、 性能稳定的反激式小功 率电源。这种电源性价比高, 非常适合小功率通用 场合 , 发展前景广阔。
+ 12. 0 + 5. 0 + 12. 1 + 5. 0 + 12. 1 + 5. 1
在不同的输入电压下, 测试 + 12V 端的纹波电 压与整机效率, 实验结果如表 2 所示。从表 2 结果 可知, 当输入电压在一定范围内变化时, + 12V 输出 电压纹波较小, 效率也较高。
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110 10 3 200 10 0 3
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在 ton时间内电流的变化量为
= 0 0177c m 考虑到需要留有一定余量 , 选用 EE13 做磁芯 , 其 AP 值 为 0 . 0570 cm , 磁 芯有效 截面积 为 17 . 1 2 2 cm , 窗口面积为 33 . 35 cm 。 1 4 2 原副边绕组计算 最低输入直流电压为 Up = 220 Up 10 = K f f sB w A e 4 = 121 30 匝