基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计毕业设计论文之欧阳物创编

1 引言
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）等方面合适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，较电压控制型有不成比较的优点。

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响电流来调节脉宽的。

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年夜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更而变更。

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闭。

2 开关电源概述
2.1 开关电源的分类
开关型稳压电源的电路结构一般分类如下：
（1）按驱动方法分，有自激式和他激式。

（2）按DC/DC变换器的工作方法分：①单规矩激式和反激式、推挽式、半桥式、全桥式等；②降压型、升压型和升降压型等。

（3）按电路组成分，有谐振型和非谐振型。

（4）按控制方法分：①脉冲宽度调制(PWM)式；②脉冲频率调制(PFM)式；③PWM与PFM混合式。

2.2 开关电源的控制原理
开关电源是指电路中的电力电子器件工作在开关状态的稳压电源，是一种高频电源变换电路,采取直交直变换,能够高效率地产生一路或多路可调整的高品质的直流电压。

开关电源采取功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。

开关电源的基本构成如图2.1所示，其中DC/DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，另外还有起动、过流与过压呵护、噪声滤波等电路。

输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变更，与基准电压Ur比较，误差电压经过放年夜及脉宽调制（PWM）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压年夜小的目的。

图2.2是一种电路实现形式。

图2.1 开关电源的基本构成
图2.2 开关型稳压电源的原理电路
2.3 开关电源的优点
开关电源的电路结构比较庞杂，可是和线性电源相比有如下几个突出的优点：
(1)功耗小，效率高。

功率晶体管在激励信号的激励下，交替工作在饱和导通与截止的开关状态，转换速度很快，频率一般在几十到几百kHz。

这就使得功率晶体管的损耗较小，电源的效率可以年夜幅度地提高，其效率可以达到80%以上。

(2)体积小，重量轻。

由于没有采取粗笨的工频变压器，并且在功率晶体管上的耗散功率年夜幅降低后，又省去较年夜的散热片，因此开关稳压电源的体积和重量都可以获得减小。

(3)稳压规模宽。

开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变更也可以通过变频或调宽来进行赔偿。

在工频电网电压有较年夜变更或负载有较年夜变更时，它仍能包管有较稳定的输出电压，所以稳压规模宽、稳压效果好。

另外，修改占空比的办法有脉宽调制型和频率调制型两种。

这样，开关稳压电源不但具有稳压规
模宽的优点，并且实现稳压的办法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

(4)滤波的效率年夜为提高，使滤波电容的容量和体积年夜为减小。

开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的频率的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

在相同的纹波输出电压的要求下，采取开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1／500一1／1000。

(5)电路形式灵活多样。

例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式，等等。

设计者可以阐扬各种类型电路的特长，设计出能满足不合应用场合的开关稳压电源。

3 开关电源罕见的变换器
3.1 PWM变换器
脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。

它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种很是有效的技术，广泛应
用于丈量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方法，根据相应载荷的变更来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的修改，这种方法能使电源的输出电压在工作条件变更时坚持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的办法。

通过高辩白率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。

电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

其工作原理如图3.1
图3.1 PWM变换器的基本工作原理
大都负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号坚持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1修改成逻辑0或将逻辑0修改成逻辑1时，也才干对数字信号产生影响。

对噪声抵当能力的增强是PWM相对模拟控制的另外一个优点，并且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极年夜地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

3.2 DC/DC变换器
DC/DC变换器用于开关电源时，很多情况下要求输入与输出间进行电隔离。

这时必须采取变压器进行隔离，称为隔离变换器。

这类变换器把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流，经变压器升压或降压后，再经整流平滑滤波变成直流电压或电流。

因此，这类变换器又称为逆变整流型变换器。

DC/DC变换器有5种基本类型：单规矩激式、单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式转换器。

下面重点阐发隔离式单端反激转换电路，电路结构图如图3.2所示。

图3.2 电路结构图
电路工作过程如下：当M1导通时，它在变压器初级电感线圈中存储能量，与变压器次级相连的二极管VD处于反偏压状态，所以二极管VD截止，在变压器次级无电流流过，即没有能量传递给负载；当M1截止时，变压器次级电感线圈中的电压极性反转，使VD导通，给输出电容C充电，同时负载R上也有电流I流过。

M1导通与截止的等效拓扑如图3.3所示。

图3.3 M1导通与截止的等效拓扑
4 基于UC3842的单端反激式开关稳压电源的设计
4.1 UC3842的简介
4.1.1 UC3842的工作原理
UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流直至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得本钱效益高的解决计划。

这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度赔偿的参考、高增益误差放年夜器。

电流取样比较器和年夜电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

其他的呵护特性包含输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲丈量锁存。

这些器件可提供8脚双列直插塑料封装和14脚塑料概略贴装封装（SO14），如图4.1所示。

SO14封装的图腾柱式输出级有单独的电源和接地管脚。

图4.1 UC3842封装
UC3842的简易方框图如图4.2：
图4.2 UC3842的简易方框图
UC3842管脚连接如图4.3
图4.3 UC3842管脚连接图
各管脚功能简介如下：
（1）8脚双列直插塑料封装的器件：
1脚输出赔偿，内部误差放年夜器的输出，并可用于环路赔偿。

2脚电压反响，此脚是内部误差放年夜器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压，控制脉冲的宽度。

3脚电流取样，在外围电路中，在功率开关管(如Vmos 管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3脚，控制脉宽。

另外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增年夜，当取样电阻上的电压超出1V 时，UC3842就停止输出，有效地呵护了功率开关管。

4脚RT/CT，通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最年夜输出占空比可调。

工作频率可达500kHz。

5脚接地，为控制电路和电源的公共地。

6脚输出端，该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流经此管脚拉和灌。

7脚VCC，控制集成电路的正电源。

8脚Vref，基准电压的参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流，可输出精确的+5V基准电压，电流可达
50mA。

（2）14脚塑料概略贴装封装的器件：
1脚输出赔偿，内部误差放年夜器的输出，并可用于环路赔偿。

3脚电压反响，此脚是内部误差放年夜器反相输入，脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通，产生控制电压，控制脉冲的宽度。

5脚电流取样，在外围电路中，在功率开关管(如VMos 管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入5脚，控制脉宽。

另外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增年夜，当取样电阻上的电压超出1V 时，UC3842就停止输出，有效地呵护了功率开关管。

7脚RT/CT，通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最年夜输出占空比可调。

工作频率可达500kHz。

8脚电源地，一个连回到电源的别离电源地前往端，用于减少控制电路中开关瞬态噪声的影响。

9脚接地，控制电路的前往端，并被连回到电源地。

10脚输出端，该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.0A的峰值电流经此管脚拉和灌。

11脚Vc，输出高态（Voh）由加到此管脚的电压设定。

通过别离的电源连接，可以减小开关瞬态噪声对控制电路的影响。

12脚VCC，控制集成电路的正电源。

14脚Vref，基准电压的参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。

2脚,4脚,6脚,13脚空脚，内部没有连接。

4.1.2 UC3842的工作描述
UC3842是专门设计用于离线和直流—直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器，为设计者提供适应最少外部元件的高性能价格比的解决计划。

代表性方框图如图4.4所示：
图4.4 UC3842代表性方框图
（一）振荡器
振荡器频率由按时元件Rt和Ct选择值决定。

电容Ct由5.0V的参考电压通过电阻Rt充电，充至约2.8V，再有一个内部的电流宿放电至1.2V。

在Ct放电期间，振荡器内产生一个内部消隐脉冲坚持“或非”门的中间输入为高电平，这招致输出为低状态，从而产生一个数量可控的输出静区时间。

要注意的是尽管许多的Rt和Ct值都可以产生相同的振荡器频率，但只有一种组合可以获得在给定频率下的特定输出静区时间。

振荡器门限是温度赔偿的，放电电流在Tj=25摄氏度时被微调并确保在±10%之内，这些内部电路的优点使振荡器频率及最年夜输出占空比的变更最小。

结果显示在图4.5和图4.6中。

图4.5 振荡器放电电流与温度关系曲线
图4.6 最年夜输出占空比与按时电阻关系曲线在很多噪声敏感应用中，可能希望将变换器频率锁定在外部系统时钟上。

这可通过将时钟信号加到图4.7所示的电路来完成。

为了可靠的锁定，振荡器自振频率应设为比时钟频率低10%
左右。

图4.8所示为多单位同步的一种办法。

通过修整时钟波形，可以实现准确输出占空比箝位。

图4.7 外部时钟同步
图4.8 外部占空比箝位和多器件同步
（二）误差放年夜器
提供一个有可拜访反相输入和输出的全赔偿误差放年夜器。

同相输入在内部偏置于2.5V而不经管脚引出。

典范情况下变换器输出电压通过一个电阻分压器分压，并由反相输入监视。

最年夜输入偏置电流为2.0uA，它将引出输出电压误差，后者即是输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。

图4.9 锁定关断
误差放年夜器输出（管脚1）用于外部回路赔偿（图4.9）。

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相输入之前被三分。

这将在管脚1处于其最低状态时（Vol），包管在输出（管脚10）不呈现驱动脉冲。

这产生
在电源正在工作并且负载被取消时，或者在软启动过程的开始（图4.10，4.11）。

最小误差放年夜器反响电阻受限于放年夜器的拉电流（0.5mA）和达到比较器的1.0V箝位电平所需的输出电压（Voh）：
Rf（min）≈[3.0（1.0V）+1.4V]/0.5mA=8800Ω
图4.10 软启动电路
图4.11 带有软启动的箝位电平可调节缓冲降低（三）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，当峰值电感电流达到误差放年夜器输出/赔偿（管脚1）建立的门限电平时中止。

这样在逐周基础上误差信号控制峰值电感电流。

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，仅有一个单脉冲呈现在输出端。

电感电流通过拔出一个与输出开关Q1的源极串连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
视并与来自误差放年夜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，其中：Ipk(max)=[V(pin1)1.4V]/3Rs
当电源输出过载或者如果输出电压取样丧失时，异常的工作条件将呈现。

在这些条件下，电流取样比较器门限将被内部箝位至1.0V。

因此最年夜峰值开关电流为：
Ipk(max)=1.0V/Rs
当设计一个年夜功率开关稳压器时为了坚持Rs的功耗在一个合理的水平上希望降低内部箝位电压。

调节此电压的简双办法如图4.12所示。

使用了两个外部二极管来赔偿内部二极管，以便在温度规模内有固定箝位电压。

如果Ipk(max)箝位电压降低过多将招致由于噪声拾取而产生的不误操纵。

图4.12 箝位电平可调节降低
图4.13 电流波形尖脉冲抑制
通常在电流波形的前沿可以观察到一个窄尖脉冲，当输出负载较轻时，它可能会引起电源不稳定。

这个尖脉冲的产生是由于电源变压器匝间电容和输出整流管恢复时间造成的。

在电流取样输入端增加一个RC滤波器，使它的时间常数接近尖脉冲的继续时间，通常将消除不稳定性（拜见图4.13）。

（四）欠压锁定
采取了两个欠压锁定比较器来包管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）各由别离的比较器监视。

每个都具有内部的滞后，以避免在通过它们各自的门限时产生毛病输出举措。

Vcc比较器上下门限辨别为：UC3842 16V/10V。

Vref比较器高低门限为3.6V/3.4V。

（五）输出
这些器件有一个单图腾柱输出级，是专门设计用来直接驱动功率MOSFET的，在1.0nF负载下时，它能提供高达±1.0A 的峰值驱动电路和典范值为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，输出就进入灌模式，这个特性使外手下拉电阻不再需要。

SO14概略贴装封装为Vc（输出电压）和电源地提供了别离的管脚，恰本地应用可以显著地减小加到控制电路的开关瞬态噪声。

这在降低Ipk（max）箝位电平时特别有用。

别离的Vc电压输入允许设计者在不受Vcc影响而调节驱动电压时具有更多灵活性。

当在Vcc年夜于20V的系统中驱动功率MOSFET 时，通常在该输入端连接一个齐纳箝位。

（六）参考电压
5.0V带隙参考电压在Tj=25℃时调整误差至：±2.0%，它首要的目的是为振荡器按时电容提供充电电流。

参看部分具有短路呵护功能并能向附加控制电路供电提供超出20mA的电流。

4.2 主电路的设计
本设计以UC3842为核心控制部件，设计一款单端反激式开关稳压电源。

开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控
制系统。

变换器的幅频特性由双极点酿成单极点，因此，增益带宽乘积获得了提高，稳定幅度年夜，具有良好的频率响应特性。

主要的功能模块包含：启动电路、过流过压欠压呵护电路、反响电路、整流电路。

以下对各个模块的原理和功能进行阐发。

电路原理图如附录图1所示。

4.2.1 启动电路
如附录图1所示，交流电由CX1,RA+RB,LF1进行低通滤波，组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声；而CY3,CY4,CY5组成EMI滤波器，作为抗共模干扰电路，用于抑制共态噪声干扰。

它们的组合应用对电磁干扰有很强的衰减旁路作用。

滤波后的交流电压经D1～D4桥式整流以及电解电容C1滤波后酿成400V的脉动直流电压，此电压经R1A降压后给C2充电，当C2的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。

随着UC3842的启动，R1A的工作也就基本结束，余下的任务交给反响绕组
TLB，由反响绕组TLB产生电压给UC3842供电。

由于输入电压超出了UC3842的工作，为了避免意外，用D7稳压管限定UC3842的输入电压，不然将呈现UC3842被损坏的情况。

4.2.2 短路过流、过压、欠压呵护电路
由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会招致电路呈现短路、过压、欠压等晦气于电路工作的现象产生，因此，电路必须具有一定的呵护功能。

如附录图1所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将年夜幅度上升，R1两真个电压上升，UC3842的脚3上的电压也上升。

当该脚的电压超出正常值0．3V达到1V(即电流超出1．5A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM 锁存器复位，关闭输出。

这时，UC3842的脚6无输出，MOS 管Q1截止，从而呵护了电路。

如果供电电压产生过压(在265V 以上)，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压年夜年夜提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。

如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降lV(正常值是3．4V)以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。

因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重呵护。

4.2.3 反响电路
反响电路采取精密稳压源TL431和线性光耦PC817。

利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放年夜器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。

如图5.1所示，R13A,R13B,R13C 是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放年夜器。

当输出电压升高时，取样电压VR5也随之升高，设定电压年夜于基准电压(TL431的基准电压为2．5V)，使TL431内的误差放年夜器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放年夜器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的赔偿输入电流随之变更，促使片内对PWM比较器进行调节，修改占空比，达到稳压的目的。

4.2.4 整流滤波电路
输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的年夜小，影响输出电压的性能。

开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。

（1）输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。

解决的计划是在电源输入端加电容C8，以滤除此噪声干扰。

（2）高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必定会掺入高频的噪声干扰。

还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。

对这类高频噪声的解决计划是在输出端采取π型滤波的方法。

（3）采取快速恢复二极管DR整流。

基于高压、功耗低、年夜电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。

4.3 主要器件的选择及其功能
4.3.1 TL431
TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

外部有三极辨别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考端（REF）。

其芯片体积小、基准电压精密可调，输出电流年夜等优点，所以可以用来制作多种稳压器件。

其具体功能可用图4.14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真个电压十分接近VI时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，并且随着REF端电压的微小变更，通过三极管，电流将从1到100mA变更。

图4.14 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）反响并将误差放年夜，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获得的反响电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而获得一个稳定的直流电压输出。

4.3.2 PC817
PC817是一个比较经常使用的光电耦合器,内部结构如图4.15所示，其中脚1为阳极，脚2为阴极，脚3为发射极，脚4为集电极。

在开关电源中，当电流流过光二极管时，二极管发光感应三极管，对输出进行精确的调整，从而控制UC3842的工作。

同时PC817光电耦合器不单可以起到反响作用还可以起到隔离作用。

图4.15 PC817内部框图
4.3.3 场效应管MOSFET
本实验中运用的是N沟道增强型MOSFET,它具有几个明显的优点：工作频率高达200kHz以上，从而可进一步减小开关电源的体积和重量；同时它还具有工作速度快、功率年夜、耐压高、增益高，几乎不存在存储时间，没有热击穿等优点。

当功率MOSFET用作开关器件时，漏源极间电压降与漏极电流成正比。

也就是说，功率MOSFET工作在恒定电阻区，因此它实际上像电阻一样起作用。

4.3.4 高频变压器
PWM型开关稳压电源的高频变压器，其实不需要像脉冲变压器那样不失真地传递原边的脉冲波形，其主要作用是电压变换、功率传送、实现输入与输出之间的隔离。

PWM脉宽调制方法，也就是占空比控制方法，通常是在固定开关频率的条件下，。