基于UC3842的三路輸出小功率開關電源設計

王　俠，王進軍

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054; 2.陜西科技大學理學院，西安710021)

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基于UC3842的三路輸出小功率開關電源設計

王俠1*，王進軍2

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054; 2.陜西科技大學理學院，西安710021)

摘要:設計一種48 V轉+5 V，±15 V開關電源。以UC3842作為PWM控制器，采用電阻，TL431和線性光耦等元器件構成電壓采樣反饋電路。主輸出(+5 V DC@2 A)電壓精度0.5%，紋波0.4%;輔輸出1(15 VDC@500mA)電壓精度為2%，紋波0.13%;輔輸出2(－15 VDC@500mA)電壓精度2%，紋波0.33%。開關電源具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優點，可廣泛應用于各類小功率變換場合。

關鍵詞:開關電源; UC3842;脈沖寬度調制;電壓精度

電源是一切電子設備的動力心臟，其性能的優劣直接關系到整個系統的安全性和可靠性指標。開關電源以其效率高、體積小等優點，在通信、計算機及家用電器等領域得到廣泛應用，特別是目前便攜式設備市場需求巨大，DC－DC開關電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高［1－2］。因此設計和開發開高性能的開關電源具有很大的市場前景。本文以UC3842為PWM控制器設計了一種48 V轉+5 V，±15 V開關電源。

1　UC3842器件介紹及工作原理

UC3842是由Unitrode公司開發的新型控制器件，是國內應用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調制器，其結構原理圖如圖1所示［3－4］，主要由振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、脈寬調制鎖存器等功能模塊構成。由于結構上有電壓環、電流環雙環系統，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態響應特性都有提高，是比較理想的新型的控制器。

電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調制電路產生的脈沖信號經6腳輸出驅動外接的開關功率管工作。功率管工作產生的信號經取樣電路轉換為低壓直流信號反饋到3腳，維護系統的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經2腳送到內部的誤差比較放大器，與內部的基準電壓進行比較，產生的誤差信號送到脈寬調制電路，完成脈沖寬度的調制，從而達到穩定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關功率管的導通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網絡。所產生的鋸齒波送到脈沖寬度調制器，作為其工作周期，脈寬調制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。

圖1　UC3842結構原理圖

2　開關電源設計

本文所設計的小功率開關電源預定的技術指標如下:輸入電壓:Vin=48 V(允許20%的波動);主輸出:+5 V DC@2 A，電壓精度0.5%，紋波系數小于0.5%(峰峰值20 mV);輔助輸出1:+15 V DC@500 mA，電壓精度2%，紋波系數小于0.15%(峰峰值20 mV);輔助輸出2:－15 V DC@500 mA，電壓精度2%，紋波系數小于為0.35%(峰峰值50 mV);輸出功率:PO= 25 W;效率:η≥80%;開關頻率f = 50 kHz;最大占空比:40%。

圖2　系統原理圖

如圖2所示，電路采用典型的直流降壓斬波電路，主要由PWM主控器電路、功率管及驅動電路、輸出電路、電壓反饋電路、電流采樣及濾波電路以及上電切換電路等部分組成［5－6］。

2.1變壓器參數計算

根據指標要求，繞變壓器時為了給變壓器留有足夠的余量，電壓波動按20%計算，當輸入電壓+48 V時，則最小輸入電壓Vin(min)= 43.2 V，最大輸入電壓Vin(max)= 52.8 V。取開關頻率f=50 kHz，則T=20 μs。取轉換效率η= 80%，最大占空比Dmax= 40%。則tomax=20×40%=8 μs。

根據變壓器的斷續條件，變壓器原邊與副邊的匝數比KT與最大占空比Dmax的關系［1］:

式中:Vin(min)= 43.2 V，VO= 5 V+1 V(二極管壓降以及副邊線圈內阻分壓)，Dmax= 50%，計算得KT＞7.2，因此這里選取8。輸出功率PO= 25 W，假設開關管的導通壓降為1 V，由公式［1］:

可計算出原邊電感的峰值電流值和原邊電感值:IP=3.61 A，LP=95.73 μH。運用Ap法進行磁芯的選取，適合電路設計的磁芯的Ap值為［1］:

鐵心材料選為鐵氧體，取Bm=200 mT，Kf= 0.5，Kd=4 A/mm2。將這些數據代入式(3)中得Ap≥0.167 cm4。按照鐵氧體鐵心生產廠家提供的手冊，可以選擇鐵心型號為PC40EI25－Z的磁芯。

由變壓器原邊匝數計算公式［1］:

代入數據得IP= 3.61 A，LP= 95.73 μH，計算出變壓器原邊匝數N1=41.96

開關管在關斷時，瞬間會在源邊電感處產生一個大電壓，如果電壓過大，超過MOS管的耐壓值，會燒毀MOS管，所以在源邊電感處設計了一個RC的吸收電路［7］，如圖2所示。

2.2開關管選取

電力MOSFET是近年來發展最快的全控型電力電子器件之一。它的顯著特點是用柵極電壓來控制漏極電流，因此所需驅動功率小、驅動電路簡單;又由于是靠多數載流子導電，沒有少數載流子導電所需的存儲時間，是目前開關速度最高的電力電子器件，在小功率電力電子裝置中，是應用最為廣泛的器件，因此開關管選取電力MOSFET。

2.3整流二極管的選取

整流二極管的選取肖特基二極管，根據二極管承受的反相電壓的計算公式［1］:

可以計算輸出電壓分別為+5 V、±15 V時二極管承受的反相電壓116.0 V、32.6 V。因此選用型號為SR560和SR160肖特基二極管。

由肖特基二極管的結電容在幾百皮法左右，結電容在導通時容易積累電荷，當副邊電流減為零時，結電容會通過電感線圈放電，從而產生振蕩。為了防止這種情況的發生，在+5V輸出端肖特基二極管兩端併上較大的電容［9］，以增大振蕩周期，減少高頻振蕩，如圖2所示。

2.4輸出濾波電路

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能，這里要采用π型濾波，取L=10 μH，選用1 000 μF/35 V的鋁電解電容，如圖2所示。

2.5采樣及采樣濾波電路設計

為了將占空比控制在40%以內，需要采樣電阻來保證。前面變壓器部分計算得:40%占空比時IP= 3.61 A，根據對應關系，此時的采樣電壓對應1 V，即:

這里選取0.3 Ω電阻。

即此時的峰值電流是3.3 A。采樣電阻的功耗:

因為實際選取電阻應該選取2倍以上的額定功率的功率電阻，這里選用1 W的0.3 Ω的采樣電阻，選用4只1.2 Ω 1/4 W的電阻并聯作為采樣電阻。

2.6 MOS管的驅動電路

MOS管驅動電路有柵極驅動電阻RG、下拉電阻R2、保護穩壓二極管VD組成3部分組成，如圖2所示。RG選用33 Ω、1/4 W的電阻。下拉電阻R2可以保證MOS管關斷時的可靠關斷，這里選取20 K的電阻［9］。由于MOS管的|VGS|＜20 V，因此這里選取18 V的穩壓管，1N4746。

2.7上電電源切換電路

設計電源切換電路目的是為了減小uc3842串聯的分壓電阻的功耗［10］，如圖2所示。剛上電時由分壓電阻R8給uc3842提供電源，此后當整個電路工作起來之后，由輔助線圈給uc3842提供電源，即當輔助線圈電壓高于11 V時，自動切斷R8與uc3842的通路電源改由Vi提供。原理描述:R10與穩壓管VD2串聯構成15 V、2 mA的穩壓源，給LM393提供15 V的電源，R3、R6分壓構成11 V的比較電壓，用于設定電壓切換門限，V1、V2三極管這里起開關作用; R2為限流電阻，R1為開關管的基極偏置電阻; LM393用于比較輔助線圈與電壓切換門限，當輔助線圈電壓高于電壓切換門限時LM393輸出低電平控制開關管關斷; VD3為18 V穩壓二極管為了保護uc3842鉗位uc3842的電源電壓，保證uc3842在18 V以下工作; VD1為整流二極管，防止uc3842上電電源倒灌，R7為下拉電阻，防止D2反向漏電電流造成比較電路誤操作，C1、C2、C10分別為去耦電容; R4、R5為限流電阻，防止外部強驅動電源直接接入。

3　測試結果與分析

(1)MOS柵極電壓驅動波形如圖3所示。

(2)電流采樣電阻上的電壓波形如圖4所示。

(3)+5 V輸出濾波之后的波形如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出電壓穩定在+5 V;從圖6可以看出電壓紋波限制在50 mV以內，滿足指標要求。

(4)+15 V輸出濾波之后的波形如圖7、圖8所示。

圖3　MOS柵極電壓驅動波形

圖4　濾波前采樣電阻上的電壓波形

圖5　+5 V輸出LC濾波之后的波形(直流耦合)

圖6　+5 V輸出LC濾波之后的波形(交流耦合)

圖7　+15 V輸出濾波之后的波形(直流耦合)

圖8　+15 V輸出濾波之后的波形(交流耦合)

從圖7中可以看出電壓穩定在+15 V，精度已經達到了5%以內要求;從圖8中可以看出此路的電壓紋波也達到了20 mV，達到了1%的紋波要求。

(5)－15 V輸出濾波之后的波形如圖9、圖10所示

圖9　－15 V輸出LC濾波之后的波形(直流耦合)

圖10　－15 V輸出LC濾波之后的波形(交流耦合)

從圖9中可以看出電壓穩定在－15 V，精度已經達到了5%以內要求;從圖9中可以看出此路的電壓紋波也達到了50 mV，達到了1%的紋波要求。

4　結論

針對小功率開關電源的要求，本文以UC3842 為PWM控制器，采用電阻，TL431和線性光耦等元器件構成電壓采樣反饋電路，設計了一種48 V轉+5 V，±15 V開關穩壓電源，性能達到了預期指標要求，該產品具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優點，可廣泛應用于各類小功率變換場合。

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王　俠(1979－)，女，漢族，陜西楊凌人，碩士，西安科技大學電氣與控制工程學院，講師，主要從事開關電源設計方面的研究，wang98415123@163.com。

Design of Low-Voltage High-Current Power-Supply Based on ZVS Phase-Shifted Full Bridge Converter*

XU Pingfan1*，XIAO Wenxun2，LIU Chenxiang3
(1.School of Electronic information Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan Guangdong 528404，China;
2.School of electric power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;
3.Shenzhen Emerson Network Power LTC，Shenzhen Guangdong 518000，China)

Abstract:A low voltage and high current switching power supply based on ZVS Phase-shifted Full-bridge converter is proposed.And the design process and parameters of power supply are introduced.In order to solve the short circuit problem of bridge arms generated by the oscillation of the MOSFET gate，an improved design of driving circuit is proposed，which can eliminate the parasitic oscillation and voltage spikes effectively.Finally，a 3 kW(15 V/200 A)prototype converter is built and the experimental results verify the effectiveness of design.

Key words:ZVS phase-shifted full-bridge converter; the high frequency resonance; the short circuit problem of bridge arms; driving circuit; low-voltage high-current

doi:EEACC:121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.015

收稿日期:2014－10－14修改日期:2014－11－10

中圖分類號:TM564.8; TM91

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0785－05