基于UC3842的多路輸出型開關電源設計|壹芯微

電源作為各種裝置和設備的動力，是電子設備的重要部分。常用的是線性穩壓電源，而這種單一的固定電源模式，隨著電子技術的發展已無法滿足需求。通常所說的線性穩壓電源，是一種直流穩壓電源，該穩壓電源是最初被廣泛使用的。但該種電源仍存在著一定的問題，例如：體積大、工作效率低、操作繁瑣以及自保護性能差等，因此需設計出一種能符合現代化需求的電源。本文所設計開發的基于UC3842的多路輸出型開關電源效率較高，其開關電源采用控制集成電路和高頻變壓器的核心器件。具有輸出穩定、誤差小、自我修復能力強等優點。

1.UC3842的功能分析

UC3842是一種可固定頻率且可高效控制電流的芯片，該芯片可為電源設計者提供在盡可能少的外部原件需求下，仍可滿足高效益的設計和解決方案。其具有較強的保護特性，這些對應的電路中振蕩器可進行微調，能對真空比做出準確控制，且對溫補進行參考，誤差運算放大器也具有較高的增益，驅動功率MOSFE的理想器件是比較器以及大電流的柱式輸出，其保護特性還可進行輸出和輸入的壓力鎖定，對電流大小的限制、對編程時的輸出時間以及脈沖多個或一個的測量鎖定。

UC3842主要是一種電流型的控制器，其具有較多優點：如引腳少、電路設計簡單明了、性能穩定且性價比高等。其頻率穩定度也較好，具有較低的電壓調整率;此外對輸入端進行過壓保護，另具有電流保護，在電壓不足時進行電壓鎖定等功能。UC3842的引腳圖如圖1所示，其工作原理為：Vcc芯片的工作電壓端，接入+16V電壓對裝置進行啟動，引腳6是調制脈寬信號的輸出端，Vref將內部基準電壓進行引出，補償端接外部阻容元件，并對控制環路進行補償;引腳5為公共地，輸出電壓在被電阻分壓器分壓并獲得反饋電壓后，直接接入到反饋端;Rs為外部的電流檢測電阻，電流進行取樣后直接接入Rs，在開關管的電路中Rs起到的是串聯作用;RT/CT分別為外接定時電阻和電容的公共端。

圖1UC3842引腳圖

2.總體設計

該開關電源的總體結構圖如圖2所示。開關電源的主要電路由前置濾波電路、輸入整流電路、濾波電路、功率變換電路、高頻變壓器、PWM控制器電路以及輸出整流濾波電路等組成。開關電源的輔助電路由輸入輸出過欠壓保護電路、濾波電路、功率變換電路和高頻變壓器輸出短路保護電路組成。而交流/直流轉換電路的作用是對電路進行整流濾波。而直流/交流轉換器則是開關電源組成中最為重要的一部分，其分為較多的基礎類型，例如，綜合式、Push式、前進式、后退式、全部式和半部式的轉換器。系統中輸出電壓是否穩定也是開關良好與否的重要指標。而電源中電壓穩定則是靠控制器來保持的，其工作過程和線性控制器相比，有諸多相同之處，所以控制器可將功能模塊、電壓處理模塊和誤差分析與放大模塊的設計均參考線性調節器的方式來進行處理，而只需注意其唯一不同之處，就是要將一個電壓/脈沖寬度轉換單元放到誤差放大器的輸出功率管之前。

圖2開關電源組成圖

3.開關電源系統及各模塊設計

開關電源設計的整體結構如圖3所示，包括EMI濾波電路、整流濾波電路、箝位電路、吸收回路、控制電路、輸出整流濾波電路和反饋電路。另外，還有高頻變壓器與開關器件MOSFET。本文設計的開關電源運行過程為，輸入交流電壓V首先通過系統最前端的保護電路后，再進行濾波。這是因需要減少系統中自身對電網的干擾，同時也對電網內部的干擾進行控制，所以需通過EMI濾波，將交流電壓自動轉化為直流電壓，原因是為了使其可通過高頻的變壓器，并在此可改變電壓的大小，還可將電壓輸入到整流濾波電路中繼而得到所需的輸出電壓。在得到輸出電壓的過程中，會有大量的能量存儲在一次側中，為了對電路進行保護，需要加入一個箝位電路來保障整個電路正常運行。當確保正常工作后，需注意效率問題，故為提高電路的運行效率，還加入了一個吸收回路，其作用是針對在開關管開關過程中所造成的損耗，將其損耗將至最低。而在電路運行的過程中，還可能會出現由于波動等問題導致輸出電壓不穩定的情況，所以在電路輸出端加入一個反饋回路，其自動將輸出電壓進行分析并與標準電壓比較，然后通過分析控制PWM的占空比，對開關管的開與關進行控制，繼而保證電壓可平穩的輸出。

圖3系統整體結構框圖

EMI濾波電路是整個電路中較為重要的一環，該濾波電路共有5個端口，分別為兩個輸入、輸出端口以及一個接地端口，其中接地端口的外殼在電路運行時要與地接通。電路中包括共模扼流圈L、濾波電容C1～C4，雖然共模電感對差模信號沒有作用，但其可較好地抑制共模干擾。耦合后的共模電感可增加電感量，這是因其磁通方向一致，繼而共模電感會產生較大的感抗，對通過的共模信號進行截斷作用。扼流圈可承受的電感量大小是系統穩定的關鍵，為使其可承受更大的電流，本文可增加共模圈的半徑，尤其是當流過的電流較大時，其另一個優點則是可大幅增強低頻衰減的特性。共模濾波器的作用是將線路與外部條件所產生的噪聲進行過濾，工作原理是濾波器中“變壓器”的繞組同相，但流過變壓器的電流則與繞組方向相反。因此，相反方向上的兩個電流在濾波器產生的交流磁感可相互消除。

高頻變壓器是設計的核心，在此輸出型開關電源中額外拓展的結構較多，以半橋式功率轉換電路為例，在運行時開關管進行相互的導通直到會生成頻率較高的脈沖波，再經過高頻變壓器對電壓進行轉換，最后會將不同的交流電壓輸出，而最終輸出電壓值的大小由變壓器中線圈的比例來決定。半橋式變壓電路是由3只高頻變壓器組成，這3只變壓器每一種的衡量標準均各不相同，這體現在磁芯直徑的要求上，磁芯直徑≥30mm的情況是主變壓器的功率在300W以上時;但若直徑15mm則將是功率低于300W時。變壓器的原理較為簡單，其是一種變換電壓、電流以及阻抗的工作器件，在初級的線圈中有交流的電流通過時，在磁芯(鐵芯)中會產生交流磁通，可使次級的線圈感應到電壓或電流;而變壓器是由線圈和磁芯組成，線圈有兩個繞組，其中與電源相接的一個繞組稱為初級線圈，其余繞組則稱為次級線圈。其在系統中之所以重要，是因為被主要使用在高頻率的開關電源上作為這一電源的變壓器;此外，功率器件的選擇也較為關鍵，通常若功率較大時，器件選擇IGBT，但因IGBT可能會發生關斷電流的滯留問題，繼而導致影響其的工作頻率。因此，若傳送的功率較小時，可采用MOSFET，此時其的工作頻率相比之前將有明顯提升。

4.仿真分析

文中使用Saber軟件，對所設計的電路進行仿真，并對電路分別進行DC、AC、數據、誤差等分析。通過仿真，可在軟件上直觀有效地觀察到系統中各個模塊的測試數據，為使用者提供了更為有效地參考，也為電路的改進起到了關鍵作用。影響輸出電壓穩定性最主要的原因就是電源中開關管的開關狀態及時間，為保證穩定性在仿真過程中，使導通的過程保持順利，并將誤差降到最小，必須加強對芯片輸出電壓的控制。圖4為所設計電路的占空比，將輸出電壓設置為約15V，并將此輸出電壓作為驅動電壓，從而得到占空比約為0.43。從中可看到，矩形波最上端的細小凹凸表示芯片輸出端峰值電流的電阻大小有待調整。此電路的主要輸出為偏置電路，其不僅為主控制芯片提供電壓，保證電路正常運行，還連接回路中的分壓電阻，確保電路可穩定的進行工作。通過觀察可發現，偏置電路輸出的電壓波形，可約在1.5ms時達到預算效果，同時可使其始終處于約16.997V這一穩定狀態。最終，將結果同之前的電壓進行對比后發現，誤差0.3%。

圖4測試界面圖

總結

文中總結了基于UC3842的多路輸出型開關電源設計方案，從而實現了±5V、±12V的多路電壓輸出。有以下總結點：(1)對系統進行試驗分析，將系統中各個器件的數據均做出了運算。(2)對電源的設計指標及整體結構進行確定，依據要求的基本原則對整體框架做出設計后，并對每個模塊也進行了相應設計，其中包括EMI濾波電路、整流濾波電路、控制電路以及高頻變壓器設計等。(3)針對每個模塊的應用要求、工作原理和所能達到的效果等進行了分析與計算，并與之前相關的設計經驗進行比較，選擇出了最適當的器件，得到了最終的設計原理圖。(4)利用Saber軟件進行仿真，對電路的各個運行過程進行實驗驗證，通過計算與分析電路產生的波形與參數得到的結果可發現，此開關電源各路輸出穩定，誤差1%(±12V)、2%(±5V);且工作效率也得到了大幅提升，達到了預期的設計要求。

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