UC3842设计的小功率开关电源

1、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口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。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，二者的成木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 种原因使输岀电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信

2、号的脉冲宽度，亦即占空比d, 使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压冃的，反z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；占空比abstractalong with the power electronic technology development and innovationjt make that technology switching power supply is always in the way of developing and innovating, whit the cost of

3、inversion points increasingly to the low output power end mobile,make the switch power supply provide a broad space for development.switching power supply use the modem electronic technology to control the turn-on and turn-off time ratio,maintain the stability of the output voltage of power supply.s

4、witching power supply used by pulse width modulation(pwm)control ic and mosfet. switching power supply and linear power comparison,they are cost's as the output power increases,but their growth is different.linear power supply costs in certain output power point.is higher than switching power su

5、pply.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 aver

6、age voltage drop,to achieve the goal of stabilizing voltage,the reverse is also true.uc3842 can directly drive mosfetjgbt and so on.suitable for the production of 2080w small power switch power supply.key words： switching power supply> uc3842, pulse width modulation duty ratio摘 要abstract.1"v

7、匕1.1课题背景与意义1.2课题研究现状1.3本课题的研究内容与目标 开关电源的基本工作原理与电路结构2.1开关电源的概述2.1.1开关电源的工作原理2.1.2开关电源的组成2.1.3开关电源的特点2.2开关器件21iii 12.22.1.32.1.4开关器件的特征器件tl431电力二极管光耦pc817 5主要开关变换电路3.1滤波电路3.2反馈电路3.2.1电流反馈电路.3.2.2电压反馈电路.103.3过电压保护电路4 uc3842114uc3842的简介114.1.1 uc3842的引脚及其功能114.1.2 uc3842的内部结构124.1.3 uc3842的使用特点135基于uc38

8、42设计的小功率开关电源145开关电源设计指标145.1.1元件的选择145.1.2电路结构的选择155.2启动电路165 3p脉冲制驱动电路 1 75.4直流输出与反馈电路185.5开关电源总电路图19 21致 谢22参考文献231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 两极分别有止负电荷，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，耍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岀去

9、，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1gbt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。1.2课题研究现状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犬类。由于开关电

10、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h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。20卅纪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

11、调制器uc3842进行的开关电源，木设计利用uc3842组成的 pwm脉冲控制驱动电路，输出+5v和+ 12v两个直流电源。电路分为四个模块，整流 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，两个输出电路，以及一个电压反馈电路。2开关电源的基本工作原理与电路结构2.1开关电源的概述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2】。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

12、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 换冋路的工作状态。一般开关屯源控制集成电路包括振荡器、误差放人器、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

13、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岀电压uooauo(b)图2.2开关电源的工作原理上图屮，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：d =学公式(2.1)上式中，t表示开关s的开关重复周期；ton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：uo=uid公式(2.2)由式(2.1)和式(2.2河以看出，若开关周期t 一定，改变开关s的导通

14、时间tom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)o由于pwm式的开关频率固定，输岀滤波 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=l/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)o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。在各种开关电源屮，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。2.1.2开关电源的组成开

15、关电源的基本组成如图2.3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

16、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2.3开关电源的基本组成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，所以调整管的功耗比较 小，但是效率较高，一般在80%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

17、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，因此当 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

18、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开关器件2.1.1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。作电路分析吋，为简

19、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。2.1.2 器件 tl431tl43

20、1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0.2q,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。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°c (tl431b)；(3) 低动态输岀阻抗，典型0.22q ；(4) 负载电流能力1.0ma100ma；(5) 等效全范围温度系数50 ppm/°c典型;(6) 温度补偿操作全额定工作温度范围；(7) 低输岀噪

21、声电压。图2.4 tl431的引脚2.1.3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

22、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，有的其至达到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

23、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h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。2.1.4 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

24、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。上图屮：1脚为阳极,2脚为阴极,3为发射极，4为集电极。3主要开关变换电路3.1滤波电路输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防 止开关电源工作时产生的谐

25、波和电磁干扰信号影响交流电网。图3.1所示滤波电路是一 种复合式emi滤波器，li、l2和c1构成第一级滤波，共模电感l3和电容c2、c3进 行第二级滤波。l2rl3c1ac22qvc3图3.1输入滤波电路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给电容提供放电冋 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。3.2反馈电路3.2. 1电流反馈电路电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。 它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路

26、的全部电流 流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它 的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器 的工作状态接近短路。电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小 的二次电流，用來进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际 为400a的电流转变为5a的电流。电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图 3.2所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，r2上的电压 反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使ur2变化，ur2接入uc38

27、42的保护输入 端3脚，当ur2=1v时，uc3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节rl、r2的分压比 可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲 关断，实现对电流平均值的保护，屈于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更 为安全可靠，采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离。接主电路1/503.2.2电压反馈电路电压反馈电路如图3.3所示。输出电压通过集成稳压器tl431和光电耦合器反馈到 uc3842的1脚，调节rl、r2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。 如果输出电压uo升高，集成稳压器tl431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输

28、出的三极管电流增大，即uc3842的1脚对地的分流变大，uc3842的输出脉宽相应变 窄，输出电压uo减小。同样如果输出电压uo减小，可通过反馈调节使之升高。这种 电路的优点是电压采样电路简单，缺点是输入电压和输出电压必须共地，不能做到输入 和输出的电气隔离。势必引起电源布线的困难，而且电源工作在高频开关状态，容易引 起电磁干扰，必然带来电路设计的困难，所以这种方法很少使用。这种电路的优点是电 压采样电路简单，缺点是输入电压和输出电压必须共地，不能做到输入和输出的电气隔 离。势必引起电源布线的困难，而且电源工作在高频开关状态，容易引起电磁干扰，必 然带来电路设计的困难，所以这种方法很少使用。图

29、3.3中说明了 tl431和光耦合器在电压反馈电路中的作用。r29输胡uo r3r1jc1uc3842图3.3电压反馈电路3.3过电压保护电路图3.4所示为输出过电压保护电路。稳压管vs的击穿，电压稍人于输出电压额定 值，输出正常吋，vs不导通，晶闸管v的门极电压为零，不导通。当输岀过压吋，vs 击穿，v受触发导通，使光电耦合器输出三极管电流增大，通过uc3842控制开关管关 断。icl r3图3.4输出过电压保护电路4uc38424.1 uc3842的简介继mc1394. an5900 z后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出驱动集成电 路。其特点是除内部pwm系统外，还设有多路保护输入和

30、稳定的基准电压发生器，同 时还具有小电流启动功能。典型的uc3842就是其中的代表，它功能完善，性能可靠， 目前广泛被各种普通电源采用，还被用于有源因数改善电路和高压升压式开关电源中。 uc3842是美国unitrode公司牛产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片 60uc3842为8脚双列直插式封装，其内部原理框图如图4.1所示。主要由5.0v基准 电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、pwm锁存 器、高增益e/a课差放大器和适用于驱动功率mosfet的大电流推挽输岀电路等构成。 端1为comp端；端2为反馈端；端3为电流测定端；端4接rt、ct确定锯齿

31、波频率; 端5接地；端6为推挽输出端，有拉、灌电流的能力；端7为集成块工作电源电压端， 可以工作在840v；端8为内部供外用的基准屯压5v,带载能力50ma。4.1.1 uc3842的引脚及其功能653图4.1 uc3842的引脚如图4.1：1脚为内部误差放大器输岀端，外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性;2脚为误差放大器的取样电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5v基准电 压进行比较，产生误差电压，而控制脉冲宽度；3脚为pwm比较器的另一输入端，当检测电压超过iv时停止脉冲输出使电源处于 间歇工作状态；4脚为定吋电容ct端，内部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定， .8/

32、(rtxct)；5脚为接地端；6脚为推挽输岀端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1a；7脚为启动/工作电压输入端脚是直流电源供电端，具有欠压、过压锁定功能，芯片 功耗为15mw；8脚为内部5v基准电压输出端，有50ma的负载能力。4.1.2 uc3842的内部结构uc3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，其内部电路包括 振荡器、误差放大器、电流取样比较器、pwm锁存电路、5vc基准电源、欠压锁定电 路、图腾柱输出电路、输出电路等，见图4.2：uc3842的内汕结枸图图4.2 uc3842的内部结构(1) 5v的基准电源:内部电源，经衰减得到2.

33、5v作为误差比较器的比较基准.该电源还 可以提供外部5v/50ma；(2) 振荡器:产生波振荡.rt接在4ret 8脚之间,ct接4gnd5之间.频率 匸 1.8/ctrt,最大为 500khz；(3) 误差放大器：由vfb端输入的反馈电压和2.5v做比较，误差电压comp用于 调节脉冲宽度。comp端引出接外部rc网络，以改变增益和频率特性；(4) 输出电路：图腾柱输出结构，电路1a,驱动mos管及双极型晶体管；(5) 电流取样比较器：3脚isense用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感 器采样，当visense>1v时，关闭输岀脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保 护电路；(

34、6) 欠压锁定电路vvlo：开通阈值16v,关闭阈值10v,具有滞回特性；(7) pwm锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲 控制。另外，vcc与gnd之间的稳压管用于保护，防止器件损坏冈。4.1.3 uc3842的使用特点(1) 采用单端图腾柱式pwm脉冲输出，输出驱动电流为±200ma,峰值可达±1 a。(2) 启动电压大于16 v,启动电流仅1 ma即可进入工作状态。处于正常工作状态 时，工作电压在1034 v之间，负载电流为15 ma。超出此限制，开关电源呈欠电压 或过电压保护状态，无驱动脉冲输出。(3) 内设5 v(50 ma)基准电压

35、源，经2 ： 1分压后作为取样基准电压。(4) 输出电流为200 ma,峰值为1 a,既可驱动双极型三极管也可驱动mosfet 管。若驱动双极型三极管，应加入开关管截止加速rc电路，同时将内部振荡器的频率 限制在40 khz以下。若驱动mosfet管，振荡频率由外接rc电路设定，工作频率最 咼可达500 khzo(5) 内设过流保护输入3脚和误差放大输入1脚两个pwm控制端。误差放大器输 入构成主pwm控制系统，可使负载变动在30%100%时输出负载调整率在8 %以下, 负载变动在70%100%时负载调整率在3%以下。(6) 过流检测输入端可对每个脉冲进行控制，直接控制每个周期的脉宽，使输出电

36、 压调整率达到0.01%/vo如果3脚电压大于1 v或1脚电压小于1 v, pwm比较器输出 高电平使锁存器复位，直到下一个脉冲到来时才重新置位。利用1脚和3脚的电平关系, 在外电路控制锁存器的开/闭，使锁存器每个周期只输岀一次触发脉冲。因此，电路的抗 干扰性极强，开关管不会误触发，提高了可靠性。(7) 内部振荡器的频率由4脚外接电阻与8脚外接电容设定。集成电路内部基准电 压通过4脚引入外同步。4脚和8脚外接rt、ct构成定吋电路，ct的充电与放电过 程构成-个振荡周期，其振荡频率可由下式近似得出：£ 1 1 1.8/ = 一 = (4 1)tc0.55/?tctrc5基于uc384

37、2设计的小功率开关电源5开关电源设计指标小型电源输入、输出参数如下：输入电压：ac 110/220v；输入电压变动范围：90240v；输入频率：50/60hz；输岀电压：12v；输出电流:2.5ao控制电路形式为它激式，采用uc3842为pwm控制电路。电源开关频率的选择决 定了变换器的特性。开关频率越高，变压器、屯感器的体积越小，电路的动态响应也越 好。但随着频率的提高，诸如开关损耗、门极驱动损耗、输出整流管的损耗会越来越突 出，而且频率越高，对磁性材料的选择和参数设计的要求会越苛刻。另外高频下线路的 寄牛参数对线路的影响程度难以预料，整个电路的稳定性、运行特性以及系统的调试会 比较困难。在

38、木电源中，选定工作频率为85khz905.1.1元件的选择变压器和输出电感的设计：依据uc3842应用方式，选定定时电阻rt=1.8kq,定时电容ct=10pf。确定开 关频率 f= 85khz,周期 t=11.8pso设计单端控制开关电源吋，一般占空比d最犬不超过0.5,这里选择d = 0.5,贝ij：ton=txd = 5.9(s)公式(5.1)根据电源规格、输出功率、开关频率选择pq26/25磁芯，磁芯截面积s=1.13cm2, 磁路有效长度l=6.4cm,饱和磁通密度bs = 0.4to取变压器最大工作磁感应强度bmax = bs/3=0.133t,则电感系数a为：公式(5.2)a =

39、 (0.4/5/z)xl0-6 =4.44(“h/nj变压器原边线圈匝数n1为：n = u (ton / bmax)x s公式(53)式中，ui最小直流输入电压。交流输入电压的最小值约为90v, ui = 90x72u127(v),得出n1 =49.9匝，取50匝。 原边线圈电感l=an12=ll.l(mh)。副边线圈匝数为：2u几ax公式(5.4)式中:udf整流二极管vd1上的压降；ul输出电感l上的压降。 取udf+ul = 0.7v,代入式(5.4),得n2=10匝。副边线圈电感为：l2 = n；al = 444/h公式(5.5)反馈电线圈向uc3842提供u=12v的工作电压，按电容

40、c1上的电压uc=16v计 算，以保证有足够的供电电压给uc3842。由n3 = (uc/e)nl可得n3=2.67匝，取3匝。变压器副边电流为矩形波，其有效值为：y v dmax = 1.77 4公式(5.6)导线电流密度取4a/mm2,所需绕组导线截面积为1.77/40.44(mm2)o同样可选择 原边绕组导线，原边电流有效值为：n /尸拧人亦t = 0354a公式(5.7)所需绕组导线截面积为0.354/4 = 0.0885mm2,选用截面枳为0.09621 mm2的导线 ( 0.41 mm) o取输出电感的电流变化量il = 0.2io=0.5a,则输出电感为：u -j _ijl亠号：

41、f公式(58)式中：u2一副边线圈最小电压。计算得：u2 =吋=25.4(v)亠d公式(5.9)取udf=0.5v, uo=3v,代入式(6.8)可得l=140yh。根据输出电感上的电流il = 10,所需绕组导线截面积应为2.5/4 = 0.625mm2,选择截面积为0.6362mm2导线 ( 0.96mm)。5.1.2电路结构的选择小功率开关电源可以采用单端反激式或者单端正激式电路，电源结构简单，工作可 靠，成本低。与单端反激式电路相比，单端正激式电路开关电流小，输出纹波小，更容 易适应高频化。用电流型pwm控制芯片uc3842构成的单端正激式开关稳压电源的主 电路如图5.1所示。单端正激

42、式开关稳压电源加有磁通复位电路，以释放励磁电路的能量。在图4.1中, 开关管vt导通时vi导通，副边线圈n2向负载供电，v4截止，反馈电线圈n3的电 流为零；vt关断时vi截止，v4导通，n3经电容c1滤波后向uc3842的7脚供电， 同时原边线圈n1上产生的感应电动势使v3导通并加在rc吸收回路。由于变压器中的 磁场能量可通过n3泄放，而不像一般的rcd磁通复位电路消耗在电阻上，达到减少发 热，提高效率的目的。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，

43、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。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本 反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。0 0 0 d dlv1图5.1单端正激式开关电源的主电路图5.2启动电路图5.2输入220v交流电，经过cl、l、c2进行低通滤波，滤波后的交流电压经 di、d2、d3、d4桥式整流以及电解电容cl、c2滤波后变成了引0v的脉冲直流电压, 此电压经通过电阻r18分压给uc3842提供启动电压，当电压达到16v时达到芯片的启 动

44、电压，uc3842开始工作并提供驱动脉冲，uc3842的启动电压大于16v,启动电流仅1ma即可进入工作状态。处于正常工作状态吋，工作电压在1034 v之间，负载电流图5.2高频整流滤波电路5.3 pwm脉冲控制驱动电路r5 33 0rtlkuc3842c8 ri91r2100«c7o.oiur8lk片r37r60.5 oc180.0 illtr4js.lk图5.3 pwm脉冲控制驱动电路图5.3由分压电阻r18提供分得的电压接入uc3842的7 （vcc）管脚，uc3842启 动工作，由6端（output）输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电

45、流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据同名 端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出的高电平脉冲结朿时，场 效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势, 此时副边各路二极管导通，向外提供能量，同时反馈线圈向uc3842供电。uc3842内 部设有欠压锁定电路，其开启和关闭阈值分别为16v和10v,电源电压接通之后，当7 端电压升至16v时uc3842开始工作，启动止常工作后，它的消耗电流约为15mao如图5.3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 大幅度上升，r6两端的电压上升，其屮r19和c8组成滤波电路防

46、止脉冲尖峰使电路误 操作，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iv（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。 这吋，uc3842的脚6无输出，mos管s1截止，从而保护了电路。5.4直流输出与反馈电路当开关管导通时，整流电压加在变压器初级绕组上的电能变成磁能储存在变压器 屮，开关管截止后，能量通过次级绕组释放到负载上。由公式：uo=（ton/（n ）e公式（50）可以得出，输出屯压和开关管的导通时间及输入屯压成正比；与初，次级绕组的匝 数比及开关管的截止吋间成反比。cl 0 0.47ufl，i5<)uf

47、ttvvyan3cii loooiiffbkifcl 3loooufd5 丄 r7mur3020 ioqr9 470 <510rii470t(14p17 ti.43!1r7147k图5.4直流输出与反馈电路反馈电路采用精密稳压器tl431和线性光耦pc8u利用tl431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5.4输出电压经r9, r11分压后得到的取样电压，与tl431中的2.5 v带隙基 准电压进行比较。当输岀电压出现正误差，取样电压2.5 v, tl431的稳压值降低，光 耦控制端电流增大,uc3842的反馈端(vfb)电压值增大，输岀端的脉冲

48、信号占空比降低 开关管的导通时间减少，输出电压降低；反之，如果输出电压出现负误差，uc3842的 输出脉冲占空比增大，输出电压增高，达到稳压目的。5.5开关电源总电路图木设计利用uc3842组成的pwm脉冲控制驱动电路，输出+5v和+ 12v两个宜流 电源。电路分为四个模块，整流滤波电路，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，两个输出电路，以及一个电 压反馈电路。如图5.5所示：输入220v交流电，经过cl、l、c2进行低通滤波后的交流电压经 di、d2、d3、d4桥式整流以及电解电容cl、c2滤波后变成310v的脉冲直流电压，

49、 此电压经通过电阻r18分压给uc3842提供启动电压，当电压达到16v时达到芯片的启 动电压，uc3842开始工作并提供驱动脉冲，uc3842的启动电压大于16 v,启动电流 仅1 ma即可进入工作状态。当电路启动运行后，uc3842的启动电压由r7分压，再经 二极管整流后，得到的直流电压提供，此时第一模块的启动电路不再提供启动电压。再由分压电阻r18提供分得的电压接入uc3842的7 (vcc)管脚，uc3842启动工 作，由6端(output)输出推动开关管工作，输出信号为高低电压脉冲。反馈电路釆用 精密稳压器tl431和线性光耦pc81,利用tl431可调式精密稳压器构成误差电压放大

50、器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。输出电压经r9, r11分压后得到的取样 电压，与tl431中的2.5 v带隙基准电压进行比较。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，r6两端的电压上升，其中r19和c8组成 滤波电路防止脉冲尖峰使电路误操作，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iv(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。这吋，uc3842的脚6无输出，mos管s1截止，从 而保护了电路。当输岀电压岀现正误差，取样电压2.5v, tl431的稳压值降低，光耦 控制端电流增大，uc3842的反馈端(vfb)电压值增大，输出端的脉冲信号占空比降低, 开关管的导通时间减少，输出电压降低；反之，如果输出电压出现负误差，uc3842的 输岀脉冲占空比增大，输岀电压增高，达到稳压目的。图5.5利用uc3842设计的开关电源主电路结论本文主要以一种性能优良的电流控制型脉宽调制器uc3842来设计一个简单实用的 小功率开关电源，因为脉宽调制器能够改变驱动信号的脉冲宽度，所以能够达到稳压的