基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關電源的設計

楊紅梅，張 偉，趙建泉

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381）

0 引 言

開關電源是一種新式電能變換技術，由于其具有體積小、重量輕、耗能低、使用方便等優點，在移動通信、航空航天、儀器儀表、自動化、醫療機械、家用電器等領域應用廣泛。根據對開關電源的各種拓撲和控制方式的技術要求，工程實際的實現難易，電器性能及成本等指標的總結，本文應用雙環控制原理，采用電流控制型脈寬調制芯片UC1842，通過反激式電源拓撲來實現這款高可靠低紋波多路輸出的開關電源。

1 電流型PWM開關電源介紹

脈寬調制（PWM）控制電路是開關電源的重要組成部分，其作用是產生PWM信號，驅動開關功率管工作于高速開關狀態。在開關頻率不變的情況下，改變占空比來調節電源前端到后端的電能量，實現DC－DC變換［1］。如圖1所示，通過調節開關管VT的占空比，即可調節變壓器初級繞組儲存電能量的多少，進而調節變壓器T初級繞組傳遞到次級繞組的電能量，實現電源前端電能量傳遞到后端的電能量隨占空比變化而線性變化。

圖1 電流型PWM控制原理圖

現在PWM控制電路普遍采用單片集成PWM控制器，其型號較多，通常分為電壓型控制器和電流型控制器兩類，前者是一個單閉環電壓控制系統，系統響應慢，很難達到較高的線性調整率；而電流型控制器是一個電壓、電流雙閉環控制系統，較電壓控制型電路，具有快速的瞬態響應及較高的穩定性，可實現逐脈沖比較，因此響應速度較快［2］。電流型PWM控制時序圖如圖2所示。

電源輸出電壓Uo經過反饋電路，將反映輸出電壓值大小的電壓信號反饋至誤差放大器負輸入端，通過與誤差放大器正輸入端的基準電壓比較后，輸出一個動態誤差信號Uy。誤差信號又與周期性電流采樣信號URs比較后輸出一個周期性的復位信號UR，UR與周期時鐘Us信號通過R－S觸發器后產生一個固定周期。占空比隨輸出電壓Uo與采樣電壓URs變化驅動脈沖UQ。

圖2 電流型PWM控制時序圖

由于電流型PWM控制電路具有響應速度快，工作穩定的優點，因此本論文實現的高可靠低紋波多路輸出開關電源采用UC1842作為開關電源的PWM控制器。UC1842是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器，它具有外圍電路設計簡單；具有過流、過壓及欠壓保護功能；具有電壓外環，電流內環的雙環控制系統；具有工作穩定，體積小，效率高，紋波小及適用范圍廣的優點；所以非常適合本電源的設計要求。

2 電源的設計與實現

2.1 設計指標

基于UC1842的多路輸出開關電源設計指標：輸入電壓：DC48 V；

輸出三路電壓：U15 V/2 A、U29 V/0.7 A、U312 V/0.5 A；

輸出功率：23 W；

紋波峰峰值：≤40 mV；

負載調整率：≤1%；

電壓調整率：≤0.5%。

2.2 UC1842介紹

UC1842是高性能固定頻率電流型控制器，專為離線DC－DC變換器應用而設計，為設計人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。此芯片具有頻率可調、能進行精確的占空比控制、精準5 V帶隙參考源、高增益誤差放大器、一體化電流取樣比較器、大電流圖騰柱輸出，可直接驅動MOSFET開關管及具有過欠壓保護功能［4］。如圖3是基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關電源原理圖，可見UC1842只需很少外圍器件就可實現開關電源的控制。UC1842引腳1為誤差放大器的補償電路引腳，相當于圖1中Uy輸入端；引腳2為電壓反饋輸入端，相當于圖1中Ux輸入端；3腳為電流采樣輸入端，相當于圖1中URs輸入端；引腳4為振蕩器輸入端，相當于圖1中US輸入端；引腳5為芯片供電地；引腳6為PWM脈沖輸出端；引腳7為芯片供電端；引腳8為5 V基準電壓輸出端。

2.3 電源工作原理說明

輸入直流48 V電壓經過C1、L1及C2組成的濾波器，濾除48 V電壓中噪聲后，經過大電容C4的濾波，在變壓器初級繞組端形成穩定的直流電壓。通過UC1842控制的MOSFET開關管周期性的開通關閉，將變壓器初級繞組端的電能傳遞到變壓器二次繞組端，開關管每個周期開通時間長，傳遞到后端電能就多，反之開關管每個周期開通時間短，傳遞到后端的電能就少。圖3中光耦器件PS2501，TL431組成了本電源的反饋控制電路，而沒有采用圖1中電阻分壓的方式，目的是為了隔離輸入輸出端，提高電源可靠性［3］。當輸出5 V電壓U0發生波動時，通過取樣電阻R15、R16分壓后，就使TL431上的光耦輸入電流If產生相應的變化，進而使PS2501中光敏三極管輸出電流Ic改變，由于光敏三極管集電級連接在UC1842的8引腳，即5 V基準電壓，因此Ic的改變將使UC1842的引腳2處，即電壓反饋端電壓發生變化，同時由于采樣電阻R10處，電流的變化將使UC1842的引腳3處的即電流采樣端電壓發生變化。通過UC1842引腳2處電壓采樣和引腳3處電流采樣隨輸出電壓與輸出電能的變化，將使UC1842的6引腳輸出占空比變化的驅動脈沖，這樣就實現了開關電源的雙環控制。

圖3電源原理圖中R3與C7組成了圖1中所示的補償電路。R2、C5與D2組成了RCD吸收電路，此電路的功能是吸收因變壓器初級繞組在工作時產生的自感電勢，避免在開關管集電極截止瞬間出現過高的反峰高電壓損壞開關管而設置的。RT為熱敏電阻，防止電源帶重載時啟動電流過大而設置的。R1是UC1842的啟動電阻，在電源啟動瞬間，給UC1842提供16 V電壓及1 mA的啟動電流，之后由變壓器供電繞組經過D3整流C6濾波，給UC1842供電。本電路采用單端反激拓撲，是一種比較成熟的電源變換電路，變壓器既作為隔離器件，又作為儲能器件。

為了降低反激電源尖峰大的特點，特選用漏感小的RM型變壓器，初級線圈電感量制作在350μH，供電繞組電感量制作在150μH，副繞組1、2及3電感量分別制作為27μH、90μH及140μH。上述電感值根據不同廠家磁芯會略有不同，可適當調整。在繞制變壓器時，供電組要繞在變壓器骨架外圈，初級繞組均分兩組，一組在內，一組在外，可防止磁通飽和，影響電源工作。變壓器副繞組2和副繞組3分別通過D5和D6整流及C11和C14濾波后輸出脈動的直流電壓，脈動的直流電壓經過三端穩壓器件后可輸出穩定的直流電壓。由于三端穩壓器件是線性穩壓器件，因此輸出的電壓紋波非常小，經過實測小于20 mV，電源5 V輸出端紋波電壓小于40 mV。紋波測試采用示波器20 MHz帶寬，交流耦合方式，雙絞線引出法測試，波形見圖4中（a），（b）圖所示。

圖3 基于UC1842的高可靠低紋波多路輸出開關電源原理圖

2.4 開關電源波形圖

圖4（a）為開關電源中9 V與12 V輸出回路的紋波測試圖，從圖中可看出紋波小于20 mV，設計此回路時，三端穩壓器件輸入端電壓要高輸出電壓1.7 V以上2.5 V以下。對比圖4（b）5 V輸出回路紋波測試，可以明顯看出，線性穩壓器較開關電源具有較低的紋波，由于設計的變壓器采用RM型低漏感磁芯及RCD電路做處理，仍然使5 V電壓回路輸出紋波小于40 mV。

圖4 實測電源關鍵波形圖

圖4（c）是UC1842的6引腳輸出的PWM驅動波形。圖4（d）為此電源空載時，開關管漏極和源級兩點的輸出波形圖。圖4（e）為此電源半載時，開關管漏極和源級兩點的輸出波形圖。圖4（f）為此電源滿載時，開關管漏極和源級兩點的輸出波形圖，可以看出當負載從小變大時，PWM波形的周期沒變，而占空比變大，圖中示波器波形圖顯示了橫縱坐標參數。

3 結束語

根據圖3原理圖，進行了此電源設計并制作了電路板，經過老化、實際測試及應用，性能表現穩定。表1是在空載、半載及全載時所測得5 V、9 V及12 V三路輸出電壓值。

表1 開關電源測試數據表

此電源電路設計簡單、工作穩定，通過實際測試，各項指標符合設計要求，尤其紋波電壓小于40mV，因此可用于軍用、醫療及通信等高端電源系統中。

［1］ 張 偉.數字化電源控制器平臺的設計與實現［D］.天津：河北工業大學，2011.

［2］ 漆逢吉.通信電源系統［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［3］ Christophe Basso.開關電源環路中的 TL431［J］.電子設計應用，2009，7：97－102.

［4］ UC1842DATASHEET Manual［EB/OL］.http：//www.TI.com，2005.