基于UC3843的输出可调开关电源设计
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渊College of Automation袁Nanjing University of Aeronautics and Astronautics袁Nanjing 211000袁China冤 Abstract院Compared with the traditional linear power supply袁switch power supply has the advantages of high efficiency袁 large output power袁small volume袁light weight袁low cost and so on. In this paper袁pulse width modulation渊PWM冤 tech鄄 nique is used to control the switch off. Based on the current mode PWM modulation chip UC3843袁a switching power supply with over鄄current protection is designed袁which is small in volume袁simple in circuit袁adjustable in output袁strong in ripple suppression ability袁and has the function of over鄄current protection. The correctness of the design is verified by Multisim simulation袁and the switch power supply which conforms to the design index is made and debugged. Key words院pulse width modulation渊PWM冤曰switching power supply曰UC3843
电通过 boost 电路袁 再经过滤波后输出稳定的直流 电遥 输出的电压通过反馈回路到 PWM 控制芯片袁控 制 boost 开关电源中开关管的关断袁 从而通过控制 开关的占空比来实现稳压的作用遥 在输出端串联一 个小型采样电阻袁当采样电流超过规定值袁则切断 电路遥 开关电源原理图如图 1 所示遥
220 V 变压
106
粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶 圆园19,34穴6雪
创新与实践
(12)7 V CC
(9)5 GND
(7)4 RT /CT
(3)2 V FB
(1)1 COMP CURRENT (5)3 SENSE
34 V UVLO
16 V
5V
2.5 V
S/R
5V REF
INTERNAL BIAS
R1 10 k
图 4 UC3843 内部结构 Fig.4 UC3843 internal structure
图 6 过流保护电路 Fig.6 Overcurrent protection circuit
器频率由外接电阻 RT 和外接电容 CT 决定袁 计算公 式为 f =1.72/渊RT窑CT冤曰6 脚 OUTPUT 是输出端袁 驱动 能力是依1 A遥 根据上述 UC3843 各引脚功能袁其外部 电路设计如图 5 所示[5]遥
DOI院10.19557/ki.1001-9944.2019.06.023
创新与实践
基于 UC3843 的输出可调开关电源设计
路子翔袁李开宇袁李 磊袁石 玉袁胡广亮
渊南京航空航天大学 自动化学院袁南京 211000冤
摘要院相对于传统线性稳压电源袁开关电源具有效率高尧输出功率大尧体积小尧重量轻尧成本
是一种性能优良的固定频率电流控制型 PWM 控制
芯片袁该调制器单端输出袁能直接驱动双极型功率
管渊BJT冤或 MOS 管遥 它具有外部控制电路简单尧价
格低尧管脚少尧性能好等优点袁内部包含误差放大
器尧PWM 比较器尧PWM 锁存器尧振荡器尧内部基准电
源和欠压锁定等单元袁其结构如图 4 所示[4]遥
UC3843 采用 DIP鄄8 封装袁 其主要引脚功能如
下院1 脚 COMP 为内部误差放大器的输出端袁一般在
1 脚和 2 脚之间外接 RC 网络来改善误差放大器的 闭环增益和频率响应曰2 脚 VFB 是反馈电 压输入
端袁接在误差放大器反相端袁与同相端 2.5 V 基准电
压比较曰3 脚 CS 是电流检测输入端袁 当取样电压超
过 1 V 时停止输出脉冲曰4 脚 RT /CT 是定时端袁 振荡
电源是现代社会必不可少的设备袁从日常生活 到工业生产袁都离不开各式各样的电源装置遥 随着 科技的发展袁人们对电源的体积尧效率等有了更高 的要求袁因此促进了开关电源的诞生和发展遥 开关 电源利用功率半导体器件作为开关袁利用脉冲宽度 调制渊PWM冤或脉冲频率调制渊PFM冤技术袁在转变电 源形态时对开关变换器实现自动闭环控制来稳定 输出电压遥 相比于传统线性电源体积庞大笨重尧转 换效率偏低的缺点袁开关电源具有体积小尧效率高尧 输出功率大等优点袁因此成为应用面最广袁应用数
市电
器
整流 boost型 滤波 开关电源
滤波 输出
PWM控 制芯片
反馈
采样
图 1 开关电源总体设计框图 Fig.1 Overall design block diagram of
switching power supply
2 开关电源电路设计
2.1 整流滤波电路设计 交流电通过桥式整流电路袁 再经过 L1尧L2尧C1 组
收稿日期院2019-02-27曰修订日期院2019-04-11 基金项目院国家重点研发计划项目渊2017YFF0107304冤曰国家科技部重大开发专项项目渊2016YFB1100205冤 作者简介院路子翔渊1993要冤袁男袁在读硕士研究生袁研究方向为测试计量仪器遥
圆园19,34穴6雪
105
创新与实践
低等优点遥 该文采用脉冲宽度调制技术渊PWM冤控制开关管的关断袁基于电流型PWM调制
芯片UC3843设计了一种体积小尧电路简单尧输出可调尧纹波抑制能力强尧带有过流保护功能
的开关电源袁通过Multisim仿真验证了设计的正确性袁并制作尧调试出符合设计指标的开关
电源遥
关键词院脉宽调制曰开关电源曰UC3843
D1 Bridge
交流电
L1 1 mH L2 1 mH
+ C1 1000 滋F
图 2 整流滤波电路
PGND
Fig.2 Rectifier filter circuit
2.2 boost 型开关电源电路设计
为了实现 30耀100 V 的电压输出袁需要对经过变
压器降压和整流滤波后的 30 V 直流电进行升压袁因
放大变为 1 V袁即电流超过 5 A 时 UC3843 电流检测
输入端电压超过 1 V袁从而实现过流保护功能遥 过流
保护电路如图 6 所示袁Isen 连接 UC3843 的电流检
测输入端渊3 脚 CS冤遥
2.5 可调式输出电路设计 输出电压幅值的调节通过 PWM 实现袁根据式渊4冤袁
输入电压 UIN 不变袁当脉冲占空比 D 改变时袁输出电 压 UO 随之改变遥 脉冲占空比 D 通过负反馈调节袁输 出端电阻 R1尧R2袁电位器 adj1 串联袁其中 R2 作为反馈 电阻袁R2 上的电压输入到 UC3843 的反馈端 VFB渊2 脚冤袁与内部 2.5 V 基准电压进行比较袁当 R2 上电压 大于 2.5 V袁脉冲占空比 D 减小袁输出电压减小袁R2 上电压减小袁 反之同理袁 因此 R2 上电压稳定在 2.5 V遥此时通过调节电位器的阻值就能调节电位器 adj1 和 R1 上电压的大小袁因此可以实现对输出电压大小 的调节遥 电路如图 7遥
此主回路的拓扑为 boost 型升压电路袁boost 型升压
电路是一种常见的开关直流升压电路袁它通过开关
管导通和关断来控制电感储存和释放能量袁从而使
输出电压比输入电压高[3]遥 如图 3 所示袁1 端口连接
经过变压和整流滤波后约为 30 V 的直流电袁2 端口
连接 PWM 控制电路的输出遥 其工作原理为
OSC
ERROR AMP
S 2R
R
R
PWM LATCH
1 V CURRENT
SENSE
COMPARATOR
7(11)
8(14) VREF 5.0 V 50 mA
6(10) OUTPUT
5(8)
Isen
R3 1k
R2 190 k
C1 100 nF
GND VO-
NE5532AP
7
+5
2 -
6
R4 0.01 R
量最多的电源[1]遥 根据电控系统的需要袁设计功率 150 W袁输出电压 3耀100 V 连续可调的开关电源袁其 纹波电压的峰峰值小于 500 mV遥
1 总体设计
本文设计的开关电源由变压器尧 整流滤波模 块尧PWM 控制模块尧boost 升压电路尧 整流输出模块 构成遥 主要工作原理如下院220 V 市电通过变压器降 压到约 30 V袁 经过 AC鄄DC 整流滤波模块变为直流 电袁主回路拓扑为 boost 型电路袁整流滤波后的直流
L1
L2
D2
VO+
1
80 滋H
2 mH
R1
Q1
2
30 R D1
C2
+ C3
+ C4
R2
100 nF
100 滋F
100 滋F
10 k
R3
1k
VO-
图 3 boost 型开关电源电路
Fig.3 Boost switching power supply circuit
2.3 PWM 控制电路设计 本设计采用的 PWM 控制芯片为UC3843遥 UC3843
R2 10 k
C2 10 nF
GND
R1 100
C1 k 10
nF Isen
1 2 3 4
U1 COMP Vfb Isence Rt /Ct
Vref VCC Out GND
8 7 6 5
反馈
UC3843
GND
GND
C3+
Cap Pol1 1000 滋F +12 V
输出
图 5 UC3843 外围电路
ห้องสมุดไป่ตู้
Fig.5 UC3843 peripheral circuit
中图分类号院TN86 文献标志码院A
文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园19冤06鄄园105鄄园4
Design of Output Adjustable Switch Power Supply Based on UC3843
LU Zi鄄xiang袁LI Kai鄄yu袁LI Lei袁SHI Yu袁HU Guang鄄liang
当开关导通时袁电感 L1 两端的电压为 UON =UIN袁 L1 上的电流如式渊1冤所示院
iL
=ILmin
+
UON L
t
渊1冤
在 t=TON 时达到最大值遥 当开关关闭时袁电感 L1
两端电压为 UOFF =UO-UIN袁L1 上电流如式渊2冤所示院
iL
=ILPK
-
UOFF L
t
渊2冤
当 t=TOFF 时达到最小值遥在稳定状态下袁UONTON =
电压袁经过同相比例放大器 20 倍输入到 UC3843 电
流检测输入端袁 当输入电压超过 1 V 时停止输出脉
冲袁UC3843 停止工作遥 根据设计要求袁输出功率为
150 W袁输出电压为 30耀100 V袁则电路的最大输出电
流为 5 A袁采样电阻上电压即为 0.05 V袁放大器的同
相输入端电压为 0.05 V袁经过同相比例放大器 20 倍
2.4 过流保护电路设计
当电流超过电路额定电流大小时称为过流袁过
流会使得器件过热烧坏袁严重时会引起火灾袁因此
设计过流保护电路是十分有必要的遥 本设计中过流
保护是通过 UC3843 的电流检测输入端渊3 脚 CS冤实
现的袁在输出端 VO-和地之间串联一个 0.01 赘 的采
样电阻袁采样电阻上电压即为放大器的同相输入端
成的滤波电路袁变为约 30 V 的直流电袁整流滤波电 路如图 2遥 在实际电路中袁L1尧L2 绕制在一个磁芯上袁 构成共模电感袁抑制共模干扰遥 市电中混合了各种 高频成分袁他们会产生大量电磁干扰渊EMI冤袁影响设 备的正常工作遥 共模电感既可以抑制外部的 EMI 信 号传入袁又可以衰减线路自身工作时产生的 EMI 信 号袁能有效地降低 EMI 干扰强度[2]遥
UOFF TOFF袁则占空比 D 可计算为式渊3冤院
D=
TON TON +TOFF
越
UOFF UON +UOFF
越
UO -UIN UO
渊3冤
即输出电压为式渊4冤所示院
UO
越
员 1-D
UIN
渊4冤
因为占空比 0<D<1袁所以输出电压大于输入
电压遥
在开关电路中袁因为开关管的频繁开断袁会引
起很多尖刺的产生袁图中的二极管 D1 可以使开关管 快速关断袁R3尧C2 串联形成的 RC 吸收电路袁 能起到 很好的吸收尖刺的作用遥 由 L2尧C3尧C4 组成的滤波电 路能对开关电源的纹波起到一定的滤除作用遥
电通过 boost 电路袁 再经过滤波后输出稳定的直流 电遥 输出的电压通过反馈回路到 PWM 控制芯片袁控 制 boost 开关电源中开关管的关断袁 从而通过控制 开关的占空比来实现稳压的作用遥 在输出端串联一 个小型采样电阻袁当采样电流超过规定值袁则切断 电路遥 开关电源原理图如图 1 所示遥
220 V 变压
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粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶 驭 陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶 圆园19,34穴6雪
创新与实践
(12)7 V CC
(9)5 GND
(7)4 RT /CT
(3)2 V FB
(1)1 COMP CURRENT (5)3 SENSE
34 V UVLO
16 V
5V
2.5 V
S/R
5V REF
INTERNAL BIAS
R1 10 k
图 4 UC3843 内部结构 Fig.4 UC3843 internal structure
图 6 过流保护电路 Fig.6 Overcurrent protection circuit
器频率由外接电阻 RT 和外接电容 CT 决定袁 计算公 式为 f =1.72/渊RT窑CT冤曰6 脚 OUTPUT 是输出端袁 驱动 能力是依1 A遥 根据上述 UC3843 各引脚功能袁其外部 电路设计如图 5 所示[5]遥
DOI院10.19557/ki.1001-9944.2019.06.023
创新与实践
基于 UC3843 的输出可调开关电源设计
路子翔袁李开宇袁李 磊袁石 玉袁胡广亮
渊南京航空航天大学 自动化学院袁南京 211000冤
摘要院相对于传统线性稳压电源袁开关电源具有效率高尧输出功率大尧体积小尧重量轻尧成本
是一种性能优良的固定频率电流控制型 PWM 控制
芯片袁该调制器单端输出袁能直接驱动双极型功率
管渊BJT冤或 MOS 管遥 它具有外部控制电路简单尧价
格低尧管脚少尧性能好等优点袁内部包含误差放大
器尧PWM 比较器尧PWM 锁存器尧振荡器尧内部基准电
源和欠压锁定等单元袁其结构如图 4 所示[4]遥
UC3843 采用 DIP鄄8 封装袁 其主要引脚功能如
下院1 脚 COMP 为内部误差放大器的输出端袁一般在
1 脚和 2 脚之间外接 RC 网络来改善误差放大器的 闭环增益和频率响应曰2 脚 VFB 是反馈电 压输入
端袁接在误差放大器反相端袁与同相端 2.5 V 基准电
压比较曰3 脚 CS 是电流检测输入端袁 当取样电压超
过 1 V 时停止输出脉冲曰4 脚 RT /CT 是定时端袁 振荡
电源是现代社会必不可少的设备袁从日常生活 到工业生产袁都离不开各式各样的电源装置遥 随着 科技的发展袁人们对电源的体积尧效率等有了更高 的要求袁因此促进了开关电源的诞生和发展遥 开关 电源利用功率半导体器件作为开关袁利用脉冲宽度 调制渊PWM冤或脉冲频率调制渊PFM冤技术袁在转变电 源形态时对开关变换器实现自动闭环控制来稳定 输出电压遥 相比于传统线性电源体积庞大笨重尧转 换效率偏低的缺点袁开关电源具有体积小尧效率高尧 输出功率大等优点袁因此成为应用面最广袁应用数
市电
器
整流 boost型 滤波 开关电源
滤波 输出
PWM控 制芯片
反馈
采样
图 1 开关电源总体设计框图 Fig.1 Overall design block diagram of
switching power supply
2 开关电源电路设计
2.1 整流滤波电路设计 交流电通过桥式整流电路袁 再经过 L1尧L2尧C1 组
收稿日期院2019-02-27曰修订日期院2019-04-11 基金项目院国家重点研发计划项目渊2017YFF0107304冤曰国家科技部重大开发专项项目渊2016YFB1100205冤 作者简介院路子翔渊1993要冤袁男袁在读硕士研究生袁研究方向为测试计量仪器遥
圆园19,34穴6雪
105
创新与实践
低等优点遥 该文采用脉冲宽度调制技术渊PWM冤控制开关管的关断袁基于电流型PWM调制
芯片UC3843设计了一种体积小尧电路简单尧输出可调尧纹波抑制能力强尧带有过流保护功能
的开关电源袁通过Multisim仿真验证了设计的正确性袁并制作尧调试出符合设计指标的开关
电源遥
关键词院脉宽调制曰开关电源曰UC3843
D1 Bridge
交流电
L1 1 mH L2 1 mH
+ C1 1000 滋F
图 2 整流滤波电路
PGND
Fig.2 Rectifier filter circuit
2.2 boost 型开关电源电路设计
为了实现 30耀100 V 的电压输出袁需要对经过变
压器降压和整流滤波后的 30 V 直流电进行升压袁因
放大变为 1 V袁即电流超过 5 A 时 UC3843 电流检测
输入端电压超过 1 V袁从而实现过流保护功能遥 过流
保护电路如图 6 所示袁Isen 连接 UC3843 的电流检
测输入端渊3 脚 CS冤遥
2.5 可调式输出电路设计 输出电压幅值的调节通过 PWM 实现袁根据式渊4冤袁
输入电压 UIN 不变袁当脉冲占空比 D 改变时袁输出电 压 UO 随之改变遥 脉冲占空比 D 通过负反馈调节袁输 出端电阻 R1尧R2袁电位器 adj1 串联袁其中 R2 作为反馈 电阻袁R2 上的电压输入到 UC3843 的反馈端 VFB渊2 脚冤袁与内部 2.5 V 基准电压进行比较袁当 R2 上电压 大于 2.5 V袁脉冲占空比 D 减小袁输出电压减小袁R2 上电压减小袁 反之同理袁 因此 R2 上电压稳定在 2.5 V遥此时通过调节电位器的阻值就能调节电位器 adj1 和 R1 上电压的大小袁因此可以实现对输出电压大小 的调节遥 电路如图 7遥
此主回路的拓扑为 boost 型升压电路袁boost 型升压
电路是一种常见的开关直流升压电路袁它通过开关
管导通和关断来控制电感储存和释放能量袁从而使
输出电压比输入电压高[3]遥 如图 3 所示袁1 端口连接
经过变压和整流滤波后约为 30 V 的直流电袁2 端口
连接 PWM 控制电路的输出遥 其工作原理为
OSC
ERROR AMP
S 2R
R
R
PWM LATCH
1 V CURRENT
SENSE
COMPARATOR
7(11)
8(14) VREF 5.0 V 50 mA
6(10) OUTPUT
5(8)
Isen
R3 1k
R2 190 k
C1 100 nF
GND VO-
NE5532AP
7
+5
2 -
6
R4 0.01 R
量最多的电源[1]遥 根据电控系统的需要袁设计功率 150 W袁输出电压 3耀100 V 连续可调的开关电源袁其 纹波电压的峰峰值小于 500 mV遥
1 总体设计
本文设计的开关电源由变压器尧 整流滤波模 块尧PWM 控制模块尧boost 升压电路尧 整流输出模块 构成遥 主要工作原理如下院220 V 市电通过变压器降 压到约 30 V袁 经过 AC鄄DC 整流滤波模块变为直流 电袁主回路拓扑为 boost 型电路袁整流滤波后的直流
L1
L2
D2
VO+
1
80 滋H
2 mH
R1
Q1
2
30 R D1
C2
+ C3
+ C4
R2
100 nF
100 滋F
100 滋F
10 k
R3
1k
VO-
图 3 boost 型开关电源电路
Fig.3 Boost switching power supply circuit
2.3 PWM 控制电路设计 本设计采用的 PWM 控制芯片为UC3843遥 UC3843
R2 10 k
C2 10 nF
GND
R1 100
C1 k 10
nF Isen
1 2 3 4
U1 COMP Vfb Isence Rt /Ct
Vref VCC Out GND
8 7 6 5
反馈
UC3843
GND
GND
C3+
Cap Pol1 1000 滋F +12 V
输出
图 5 UC3843 外围电路
ห้องสมุดไป่ตู้
Fig.5 UC3843 peripheral circuit
中图分类号院TN86 文献标志码院A
文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园19冤06鄄园105鄄园4
Design of Output Adjustable Switch Power Supply Based on UC3843
LU Zi鄄xiang袁LI Kai鄄yu袁LI Lei袁SHI Yu袁HU Guang鄄liang
当开关导通时袁电感 L1 两端的电压为 UON =UIN袁 L1 上的电流如式渊1冤所示院
iL
=ILmin
+
UON L
t
渊1冤
在 t=TON 时达到最大值遥 当开关关闭时袁电感 L1
两端电压为 UOFF =UO-UIN袁L1 上电流如式渊2冤所示院
iL
=ILPK
-
UOFF L
t
渊2冤
当 t=TOFF 时达到最小值遥在稳定状态下袁UONTON =
电压袁经过同相比例放大器 20 倍输入到 UC3843 电
流检测输入端袁 当输入电压超过 1 V 时停止输出脉
冲袁UC3843 停止工作遥 根据设计要求袁输出功率为
150 W袁输出电压为 30耀100 V袁则电路的最大输出电
流为 5 A袁采样电阻上电压即为 0.05 V袁放大器的同
相输入端电压为 0.05 V袁经过同相比例放大器 20 倍
2.4 过流保护电路设计
当电流超过电路额定电流大小时称为过流袁过
流会使得器件过热烧坏袁严重时会引起火灾袁因此
设计过流保护电路是十分有必要的遥 本设计中过流
保护是通过 UC3843 的电流检测输入端渊3 脚 CS冤实
现的袁在输出端 VO-和地之间串联一个 0.01 赘 的采
样电阻袁采样电阻上电压即为放大器的同相输入端
成的滤波电路袁变为约 30 V 的直流电袁整流滤波电 路如图 2遥 在实际电路中袁L1尧L2 绕制在一个磁芯上袁 构成共模电感袁抑制共模干扰遥 市电中混合了各种 高频成分袁他们会产生大量电磁干扰渊EMI冤袁影响设 备的正常工作遥 共模电感既可以抑制外部的 EMI 信 号传入袁又可以衰减线路自身工作时产生的 EMI 信 号袁能有效地降低 EMI 干扰强度[2]遥
UOFF TOFF袁则占空比 D 可计算为式渊3冤院
D=
TON TON +TOFF
越
UOFF UON +UOFF
越
UO -UIN UO
渊3冤
即输出电压为式渊4冤所示院
UO
越
员 1-D
UIN
渊4冤
因为占空比 0<D<1袁所以输出电压大于输入
电压遥
在开关电路中袁因为开关管的频繁开断袁会引
起很多尖刺的产生袁图中的二极管 D1 可以使开关管 快速关断袁R3尧C2 串联形成的 RC 吸收电路袁 能起到 很好的吸收尖刺的作用遥 由 L2尧C3尧C4 组成的滤波电 路能对开关电源的纹波起到一定的滤除作用遥