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用uc3842制作5V1A的开关电源

精品资料
一、引言
开关电源被誉为高效节能电源，它是利用现代电力电子技术，通过控制开关通断时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，具有体积小，重量小，效率高，功率小，纹波小，噪音低，已扩容，智能化程度高等优良特性。反激式开关电源作为开关电源的一种，具有结构简单，成本较低等优点，其拓扑在输出功率为5W至150W的电源中应用非常广泛，本文采用UC3842进行反激式开关电源的设计，输出为5V/1A.
二、设计目的
1、输出直流电压（Vout）：5V
2、输出直流电流（I）:1A
三、芯片概况
1、UC3842的性能特点
（1它属于电流型单端PWM调制器，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点。能通过高频变压器与电网隔离，适于构成无工频变压器的20~50W小功率开关电源。 
（2）最高开关频率为500kHZ,频率稳定度达0.2%。电源效率高，输出电流大，能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管。 
（3）内部有高稳定度的基准电压源，典型值为5.0V，允许有±0.1V的偏差。温度系数为0.2mV/℃。
（4）稳压性能好。其电压调整率可达0.01%/V,能同第二代线性集成稳压（例如LM317）相媲美。启动电流小于1mA,正常工作电流为15mA。 
（5）除具有输入端过压保护与输出端过流保护之外，还设有欠压锁定电路，使工作稳定、可靠。 
（6）最高输入电压=30V，输出最大峰值电流=1A,平均电流为0.2A,本身最大功耗=1W,最大输出功率P=50W。
2、UC3842的引脚排列及内部框图
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UC3842采用DIP-8封装如上图1，管脚IV、OV、GND端分别接输入电压、输出电压、地。REFV为内部5.0V基准电压引出端。TR/TC是外接定时电阻、定时电容的公共端。UC3842内部框图如图2,其主要包括5.0V基准电源，振荡器、误差放大器，过流检测电压比较器、PWM锁存器、输入欠压锁定电路门电路、输出级、34V稳压管。
脚为内部误差放大器输出端，外接阻容元件可改善误差放大器的 增益和频率特性; 
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； 
脚为PWM比较器的另一输入端，当检测电压超过lV时停止脉冲输
出使电源处于间歇工作状态； 
脚为定时电容CT端，内部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8／(RT×CT); 
脚为接地端。
脚为推挽输出端 ，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±lA； 
脚为启动/工作电压输入端脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW。 
脚为内部5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。
四、总体电路框图及单元功能分析 

1、输入单元
(1)电源噪声滤波器 
电源噪声滤波器电路如图4

该滤波器有两个输入端，两个输出端和一个接地端，制作使用时外壳使用金属屏蔽并接地，电路包括共模电感L、滤波电容器C1~C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过偶合后总电感量迅速增大，因此共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。

(2)整流滤波器

从电源经过噪声滤波输出后的电压从整流滤波器（图5）输入，经过D1~D4进行桥式全波整流送往R1和C5组成的r型滤波电路进行滤波，得到+300V的非稳压的直流输出。采用桥式全波整流可省去笨重的输入变压器，使设计重量可大大减轻，输出也得到近似平滑的良好直流电压，转换效率相对较高。
2、调整控制单元 
(1)振荡电路
由R2、C7与UC3842内部振荡器，+5.0V基准电源一起完成振荡，产生高频信号。+5.0V基准电压经过定时电阻R2给C7充电，然后C7再经过芯片内部电路进行放电，从第4脚得到锯齿波电压。由于输出采用脉宽调制控制方式，考虑到Vi、Vref上的噪声电压也会影响输出脉冲宽度，振荡电路加了消噪电容C6。
（2）启动、反馈补偿电路 

刚启动开关电源时，UC3842所需要的+16V工作电压暂由R6、C9电路提供。+300V直流高压经过R6降压后加至UC3842的输入端Vi，利用C9的充电过程使Vi逐渐升至+16V以上，也就实现了软启动。一旦开关管转入正常工作状态，自馈线圈N2上所建立的高频电压经D5、C9、C10滤波后，就作为芯片的工作电压。至此启动过程结束。启动电路中有一34V稳压管，一但输入端出现高压，此稳压管就被击穿，将Vi钳位于34V，保证芯片不至损坏。
输入电压锁定的目的是当输入欠压时，开关功率管自动关断，不至于欠压大电流运行。由于噪声干扰的影响，开关功率管有可能超负荷工作而损坏，为此给芯片加了PWM锁存器。其作用是保证在每个时钟周期内只输出一个脉宽调制信号，能消除在过流检测比较器翻转时间产生的噪声干扰。R4、C8用以调整误差放大器的增益和频率响应。自馈线圈N2的输出电压IV经过R5、R3分压后作为比较电压、与内部5.0V基准电压经过误差放大器进行比较调整，使Vout为5.0V的稳定电压输出。R8上的电流反馈信号，通过R7衰减从3脚过流检测入，送入电流检测比较器进行比较，使输出得到电流钳位目的，输出电流被限制在1A以下。
3、输出单元 
由于采用的是高频调制信号的方法，故输出级电源变压器很小，调整管采用频率响应快的N沟道场效应管，输出级受UC3842VoPWM波调整，通过VT进行功率转换，+300V直流电压从T原边N1流经VT输出变压器原边产生大电流的PWM电压波，经过T变比偶合，使输出端产生大电流的电压，输出通过D7整流，C12滤波，使输出为平滑稳定的5.0V稳压输出。输出电路见图8。N2输出用作电压负反馈。

五、总电路原理图

图中220V交流电压经过3A/600V桥式整流和电阻R、电容C5滤波，得到大约+300V自流电压。此直流高压被高频变压器T斩波和降压，变成频率为40KHZ的矩形波电压，再经过D7、C13整流滤波，就得到直流输出电压。它采用固定频率、改变脉冲宽度的调压原理，其工作过程是首先对输出电压（N2反馈的电压）进行采样，然后依次经过误差放大器、过流检测比较器、PWM锁存器、门电路和输出级，去控制开关功率管的导通时间（）和关断时间（），以决定高频变压器的通断状态，最终达到稳压输出的目的。(稳压流程：1、市电变化引起：市电↑→+300V↑→↑→比较→PWM变窄→↓ 实现稳压；反之：市电↓→+300V↓→↓→比较→PWM变宽→↑ 实现稳压；2：负载变化引起：负载↑→↓→比较→PWM变宽→↑ 实现稳压；负载↓→↑→比较→PWM变窄→↓ 实现稳压)。
UC3842属于电流型脉宽控制器。所谓电流控制型是指，一方面把自馈线圈的输出电压反馈给误差放大器，在与基准电压进行比较后，得到误差电压；另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R8上建立的电压，直接加到过流比较器的同相输入端，与作比较，进行控制脉冲的占空比，使流过开关功率管的最大峰值电流始终受误差电压的控制，这就是电流控制型的原理，其优点是调整速度快，一旦+300V输入电压发生变化，就立即引起的变化，迅速调整输出脉冲的宽度。因此采用电流控制型脉宽控制器，可以大大改善开关电源的电压调整率及电流调整率。（稳流过程：1、电压变化引起：+300V↑→↑→↓→过流比较→PWM变窄→↓ 实现稳流；+300V↓→↓→↑→过流比较→PWM变宽→↑ 实现稳流；2、负载变化引起：负载↑→↑→过流比较→PWM变窄→↓→↓ 实现了稳流；负载↓→↓→过流比较→PWM变宽→↑→↑ 实现稳流
六、选择器件与参数计算
1、噪声滤波器器件选择与参数计算 
 L的电感量一般取几毫亨至几十毫亨，视电源噪声滤波器的额定电流I而定。 
表1列出L与I的对应关系
额定电流I（A）

1

3

6

10

12

15
电感量范围（mH）

8~12

2~4

0.4~0.8

0.2~0.3

0.1~0.15

0.07~0.08
L典型值（mH）

8

2.5

0.78

0.225

0.11

0.073
C1、C2采用薄膜电容器，容量范围大至是0.01~0.47Uf,主要用来消除串模干扰。C3、C4跨接在输出端，经电容分压后接地，能有效的抑制共模干扰。C3、C4宜选用陶瓷电容器,容量范围是2200~4700Pf,耐压值为630V。为提高防潮、抗震动与冲击性能，元件装入金属壳后用环氧树脂封固。
2、震荡频率计算  震荡频率的计算公式为： 
f=1.8/（R2*C6）  （1.1） 将R2=10KΩ，C6=4700p代入公式（1.1），f=38.3kHz,可近视40kHz
3、输出高频变压器的计算
型号
磁芯面积
E-7
0.49
E-12
1.44
E-17
2.89
（1） 磁芯的选择 
高频变压器的最大承受功率Pm与磁芯截面积 (单位2cm)之间
存在下述关系: 
=0.15 (1.2) 
实际输出功率为Po=Io*Vo=5*1=5W。设效率为hh=70%，Pi=5/0.7=7.2W,留设计余量,取Pm=12W,代入公式(1.2)得=0.52c㎡,查上表E-7=0.49c㎡,与之最接近。E-7的饱和磁通密度为=350T，使用时为防止出现磁饱和现象损坏开关功率管，可取B=250T。
（2） 计算脉冲最大占空比     
公式：=*100%       (1.3) 
取市电输入范围176-264V。经全波整流和滤波后的直流输入电压≈360V，≈240V。单端反激式开关电源中所产生的反向电动势e≈170V,线圈漏感造成的尖峰电压=100V。代入公式（1.3）=41.5%。
3)初级线圈的电感量  
 公式：L1==       (1.4) 
将h=70%,VImin=240V,Dmax=41.5%,Po=5W,f=40kHz代入(1.4)
得L1=17.4mH
（4）求峰值电流和过载保护电流
公式：= (1.5)
Is=1.3* (1.6)
因此=0.143A Is=0.186A
在次级线圈上的储能为W=0.5*L1*Is²=0.3mJ
（5）求初级线圈N1匝数 
公式：N1
N1=130
（6）N2，N3计算
公式：N=
N2=16;N3=8
4、周边器件
采用IRFPG40型（3A、1000V、150W）N沟道功率场效应管作开关功率管。D1~D4采用3A/1000V的FR305型快速恢复二极管。输出整流滤波D7选择D80-004型肖特基二极管
七、仿真电路图及结果
本次课程设计完成了基本要求，详尽的阐述了设计依据、工作原理，并且用Simetrix实现对5V/1A开关电源的仿真设计，效果图如下：

图1仿真图

图2 直流电压输出

图3 直流电流输出

八、实验心得
进行本次课程设计时，开始觉得题目有一定的难度。后来能够积极的查阅资料，和别人讨论，采纳别人的意见。对电路的工作原理、参数的基数过程，所用器件的选择都进行了深入的研究。发现这个题目是非常有意义的，让我们接触到最前沿的电力电子技术。进过两个多星期的学习，深入研究课题所涉及的内容，希望此设计能够对达到其预期的效果。
由于时间和自身水平的限制，我们所做的电路设计还有很多的不足之处。但通过这段时间以来的实践，掌握了很多的经验和教训。在这里要感谢老师能够很耐心地解答我们的疑问，同学之间能够提出很好的建议。
通过这次课程设计，懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了合作，坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作铺展了道路。另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是本次课程设计的一大收获。也学到很多待人处事的道理，想这在我以后的工作和学习中将是我的宝贵财富。
九、参考文献
《电子技术基础设计》中央广播电视大学出版社 任为民 主编
《通用集成电路速查手册》山东科学技术出版社 王新贤 主编
网络资料