基于UC3842反激式开关电源

“开关电源设计”课程设计报告设计课题：开关电源设计专业班级：2011级电子信息工程2班*名：***学号：**********设计时间：2014年11月18日设计课题题目：开关电源一、设计任务与要求采用隔离式电源结构，实现以下性能：a．输入直流电压范围为20~24Vb．输出电压可调范围为10~12Vc．最大输出电流为0.5Ad．电压调整率≤0.5%（输入电压变化范围内，空载到满载）e．负载调整率≤1%（最低输入电压下，满载）f．纹波电压（峰-峰值）≤10mV（最低输入电压下，满载）g．效率≥80%（输出电压10V、输入电压dc24V下，满载）h．具有过流及短路保护功能二、设计过程2.1、开关电源的选用(1)、输出电流的选择因开关电源工作效率高，一般可达80%以上，故在输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有较高的性价比。

通常输出计算公式为：(2)、保护电路开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或者是开关电源。

2.2、UC3842(1)、简介(2)、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成本效益高的解决方案。

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、温度补偿的参考、高增益误差放大器。

电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。

其他的保护特性包括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测量锁存。

UC3842简易方框图如下：各管脚功能简介如下：（1）8脚双列直插塑料封装的器件：1脚输出补偿，内部误差放大器的输出，并可用于环路补偿。

2脚电压反馈，此脚是内部误差放大器反相输入，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。

此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。

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

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。

(3)、UC3842的工作描述：①、振荡器振荡器频率由定时元件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保持“或非”门的中间输入为高电平，这导致输出为低状态，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得到在给定频率下的特定输出静区时间。

振荡器门限是温度补偿的，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大输出占空比的变化最小。

结果显示在下图：振荡器放电电流与温度关系曲线最大输出占空比与定时电阻关系曲线②、误差放大器提供一个有可访问反相输入和输出的全补偿误差放大器。

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，并由反相输入监视。

最大输入偏置电流为-2.0uA，它将引出输出电压误差，后者等于输入偏置电流和等效输入分压器源电阻的乘积。

锁定关断误差放大器输出（管脚1）用于外部回路补偿（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），保证在输出（管脚10）不出现驱动脉冲。

这发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）。

最小误差放大器反馈电阻受限于放大器的拉电流（0.5mA）和到达比较器的1.0V 箝位电平所需的输出电压（Voh）：Rf（min）≈[3.0（1.0V）+1.4V]/0.5mA=8800Ω③、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，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，电流取样比较器门限将被内部箝位至1.0V。

因此最大峰值开关电流为： Ipk(max)=1.0V/Rs当设计一个大功率开关稳压器时为了保持Rs的功耗在一个合理的水平上希望降低内部箝位电压。

调节此电压的简单方法如图4.12所示。

使用了两个外部二极管来补偿内部二极管，以便在温度范围内有固定箝位电压。

如果Ipk(max)箝位电压降低过多将导致由于噪声拾取而产生的不误操作。

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持续时间，通常将消除不稳定性。

④、欠压锁定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，以防止在通过它们各自的门限时产生错误输出动作。

Vcc比较器上下门限分别为：UC3842 16V/10V。

Vref比较器高低门限为3.6V/3.4V。

⑤、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，输出就进入灌模式，这个特性使外部下拉电阻不再需要。

SO-14表面贴装封装为Vc（输出电压）和电源地提供了分离的管脚，恰当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。

分离的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大于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。

⑥、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定时电容提供充电电流。

参看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。

2.3、主电路设计本设计以UC3842为核心控制部件，设计一款单端反激式开关稳压电源。

主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路。

以下对各个模块的原理和功能进行分析。

①、启动电路电源由直流电源产生的20~24V的直流电接入，经过启动电容，启动电阻组成的启动电路，当直流电通过启动电阻向电容充电，当电容的电压达到UC3842的启动电压门槛时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6脚输出驱动开关管工作。

随着UC3842的启动，启动电阻的工作也就基本完成，剩下的由反馈绕组向UC3842提供电压。

由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D7稳压管限定UC3842的输入电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。

②、短路过流、过压、欠压保护电路由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。

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大幅度上升，UC3842的脚3上的电压也上升。

当该脚的电压超过正常值0．3V达到1V(即电流超过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，从而保护了电路。

如果供电电压发生过压(在265V以上)，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，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、欠压三重保护。

③、反馈电路反馈电路采用精密稳压源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大器，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大器。

当输出电压升高时，取样电压VR5也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为2．5V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，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，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。

2.4、主要器件的选择及其功能TL431TL431是一个良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

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

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

其功能如下图TL431的功能模块示意图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。