基于UC3842的降压型DC-DC设计.doc

基于UC3842的降压 型DC-DC设计设计课题：基于UC3842的降压型DC-DC设计专业班级： B120409 学生姓名：* * * *9指导教师： * 设计时间： 2014年12月18日 目 录摘要：3关键词:3一、 系统设计31.1 系统设计要求31.2系统设计框图3二、硬件电路设计42.1 输入模块42.2 输出模块52.3 UC3842外围电路52.4反馈电路62.5开关管控制电路7三、重要元件简介73.1 UC384273.2 PC81793.3 TL43110四、计算114.1 续流二极管的选择114.2 R6-R1011五、原理图、电路板及PCB图12 5.1 原理图125.2 电路板12 5.3 PCB图13六、测试结果及结果分析136.1测试结果136.2 测试结果分析14七、结论与心得15基于UC3842的降压型DC-DC设计摘要：为了研究基于UC3842的直流降压斩波电路，选择了以UC3842为脉宽控制核心的15V到8V的降压变换为实例，详细的说明UC3842的用法，外围电路设计，以及反激直流变换器的直接降压斩波工作原理。该方案里的UC3842可以直接驱动开关管，向负载提供电能。为了整体电路的稳定，又在输出端添加由TL431和PC817组成的反馈电路，对输出电压采样，把输出电压反馈给UC3842，通过内部比较器，自动的调节脉宽，调节输出电压，以达到稳定。关键词: UC3842 反馈电路 滤波 一、系统设计 1.1 系统设计要求表1 系统要求输入电压输出电压工作效率功率15V8V80%以上10W以上1.2系统设计框图本设计采用的是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片UC3842。 该脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制大功率开关管的通断状态来调节输出电压的大小，达到稳压目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器的电压测定比较器形成电压闭环，利用电流测定、电流测定比较器构成电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。假如电源电压变化或负载发生变化使输出电压升高时，则脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，即减小输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，斩波后的电压平均值下降，从而达到稳压目的。通过上面的解释，在输入模块上输入直流电压15V，在输送到变压器上之前，进行了简单的滤波电路。当开关管导通时，电源向负载供电负载电流成指数上升，当开关管关断时，负载电流经过二极管（IN5822）续流，负载电压近似为0 ，电流成指数下降，为了使电流连续切脉动小，电感L值要比较大。在输出电路模块中，为了稳定输出，我们又加入了反馈电路。通过PC817把输出电路的电压反馈到UC3842上，再控制脉宽的调控，实现电压的稳定，达到一个闭环的稳定系统。系统框架图如图1所示，该方案主要有五个模块构成，他们分别为输入滤波模块、反激变压器模块、输出滤波模块、反馈电路、UC3842主控器模块。反激变压器输入DC输出滤波电路UC3842主控制器反馈电路DC负载图1 系统总体框图二、硬件电路设计2.1 输入模块输入模块是15V输入的地方， 输入设计简单，不带保护功能，通过接线端把15V的电压加在输入端，经过C1（220微法）的滤波后供给下面电路。输入是为电路提供输入通道的同时最小化的降低外界干扰，以免影响后面电路。图2 输入模块原理图 2.2 输出模块设计 这个模块式电路的输出通道，外接负载的地方。输出电路主要由续流二极管、储能电容、电感、功率消耗电路组成。：图3 输出模块原理图续流二极管通常和储能元件一起使用，其作用是防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路。电感线圈可以经过它给负载提供持续的电流，以免负载电流突变，起到平滑电流的作用！下面的开关电源中，就能见到一个由二极管和电阻串连起来构成的的续流电路。当开关管关断时，防止感应电压过高，击穿开关管。输出端的电容，也是反激结构中电路中一个很重要的部分，最主要是滤波。2.3 UC3842外围电路图4 该电流型脉宽调制器有体积小、成本低、外围元件少、电路简单、可靠性高、故障率低等优点。所以这种脉宽调制器被广泛的使用，尤其是在显示器的电源中，使用得比较普遍。UC3842构成的控制电路，既有电流负反馈控制环节，又有电压负反馈控制环节，这样使开关稳压电源的电压稳定性由很大的提高。振荡器振荡的频率是由定时电阻R3和定时电容C4共同决定的。2.4 反馈电路为了达到输出的稳定，输出端采用了电压反馈电路。这个反馈电路主要使用了TL431和PC817组成了外部误差电压放大器。就是对输出电压进行采样，把电压输出的信号反馈给控制芯片UC3842，然后自动调节脉宽，达到稳定。这样使用的优点在于实现了电气隔离，最大限度的减少干扰，提高稳定性。图4 反馈电路原理图TL431有一个内部的2.5V基准源Vref，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压时，三极管中才会有电流通过，随着REF端电压的变化，通过三极管的电流将从1mA到100mA变化。2.5 开关管控制电路图5为了使开关管能迅速关断，所以在R2旁反并联一个二极管，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，使得当开关管关断时，将UC3842的第6脚上内外电路各个部件寄存的正电荷迅速的放掉，在这一瞬间有吸入电流流入，也就能使它控制的开关管迅速的截止。三、重要元件简介3.1 UC3842图6 UC3842实物图UC3842为脉宽控制核心的反激变换器开关电源方案，所以UC3842的应用是方案成败的关键。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动晶体管和MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，在100W以下的开关电源中有很好的应用前景。其内部逻辑如下图7。图7 UC3842内部逻辑图UC3842 采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8 个引脚，各脚功能如下：脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；脚是反馈电压输入端，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，从而控制脉冲宽度；脚为电流检测输入端， 当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RTCT)；脚为公共地端；脚为驱动脉冲输出端；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5V 基准电压输出端，有50mA 的负载能力。 当基准稳压源有5V基准电压输出时，基准电压检测逻辑比较器即达出高电平信号到输出电路。同时，振荡器将根据脚外接Rt、Ct参数产生f=/Rt.Ct的振荡信号，此信号一路直接加到图腾柱电路的输入端，另一路加到PWM脉宽市制RS触发器的置位端，RS型PWN脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为占空调节控制端，当R电压上升时，Q端脉冲加宽，同时脚送出脉宽也加宽（占空比增多）；当R端电压下降时，Q端脉冲变窄，同时脚送出脉宽也变变窄（占空比减小）。脚一般接输出电压取样信号，也称反馈信号。当脚电压上升时，脚电压将下降，R端电压亦随之下降，于是脚脉冲变窄；反之，脚脉冲变宽。脚为电流传感端，通常在功率管的源极或发射极串入一小阻值取样电阻（即R2），将流过开关管的电流转为电压，并将此电压引入境脚。当负载短路或其它原因引起功率管电流增加，并使取样电阻上的电压超过1V时，脚就停止脉冲输出，这样就可以有效的保护功率管不受损坏。3.2 PC817 图8 pc817实物图 pc817是常用的线性光藕，广泛用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器等电路之间的信号传输，常常在各种要求比较精密的功能电路中被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响。使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。 图9 pc817内部框图 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-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。光耦三极管侧的电路如总拓扑图中9所示，图中2脚应接地。光藕三极管直接接在UC3842的 COMP 端。当输出电压大于8 V时，TL431的REF端电压大于2.5V，Tl431可以流过电流，光藕的二极管导通，从而控制三极管导通。UC3842的2端接地，故1端为高电平，而当光偶的三极管导通时，1端电压被拉至低电平，导致UC3842输出关断，从而控制占空比。3.3 TL431图10 TL431实物图TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何值。 TL431的具体功能可以用图11的功能模块示意。由图可以看到，VI是一个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同向端）的电压高于VI（2.5V）时，三极管中才会有电流通过，同相输入电压少于2.5V时，三极管处于截止状态（理想状态下），随着REF端电压的微小变化，通过三极管的电流将从1到100mA变化。该图不是TL431的实际内部结构，但可用于分析理解电路。 图11 TL431等效分析图4、 计算4.1 续流二极管的选择 续流二极管应采用快恢复二极管 ,其具有开关特性好、 耐压高、 正向电流大等优点。根据计算，本设计采用快恢复二极管IN5822 正向电流：3A 反向耐压：40V 正向压降：反向漏电流： 满足设计要求。4.2 TL431 参考输入端的电流，一般此电流为2uA 左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R10的电流为参考段电流的100 倍以上，所以,又考虑到功耗问题，所以R10在的情况下尽量取大值,所以。 TL431 的死区电流为1mA，也就是R6 的电流接近于零时，也要保证TL431有1mA，所以。除此以外也是功耗方面的考虑R6 的取值要保证高压控制端取得所需要的电流，其CTR=0.8-1.6,取低限0.8，要求流过光二极管的最大电流,所以R6的值。光二极管能承受的最大电流在50mA 左右，TL431 为100mA，所以我们取流过R6 的最大电流为50mA，。 由于我们的输出电压是8V，要使R10端为TL431参考电压2.5V，故R8的值应为：。由于没有22K大小的电阻，可以通过串联来得到电阻值，选用 1.2V为光藕的二极管前向导通压降。一般没有特殊要求，光偶的二极管电流在10mA以下为宜。这里我们取8mA。则流过R7的电流为9mA。取Vk为最小值2.5V，则根据实际情况R6选择490。5、 原理图、电路板及PCB图5.1 原理图图125.2 电路板 图135.3 PCB图图14六、测试结果及结果分析6.1测试结果 加入负载之后的输入电压，输出电压及输出电流。表2 测试数据要求电压（V）15151515151515输出电流(mA)79890310041124126313861520实际输出电压(V)7.97.77.757.27.06.86.5由上表得：电路稳定后，输出功率基本上是在。图176.2 测试结果分析由上面两个图的对比可以明显发现，加入输出反馈后，电路明显比不加反馈稳定。如果电路未加入反馈电路，输出的电压就不能反馈给UC3843的引脚。因为电路在焊接后，各引脚的电阻电容都已经固定，那么他的频率和脉宽都是固定的了。当电路中电流增大，产生的影响也随之增大。由于不能反馈到控制芯片，他的脉宽就不能自动变化，输出的占空比也是一成不变的。虽然输出电路端虽然加入了反馈电路，但输出电压还是和要求输出电压有所不同。不过还好，误差都在允许范围内。由表可以得出，在输出端电流变大时，误差也在慢慢变大，他们之间成正比的关系。造成上面的误差有几个方面，比如漏磁、噪声、采样、器件分压等。任何变压器都存在漏感，但开关变压器的漏感对开关电源性能指标的影响特别重要。由于开关变压器漏感的存在，当控制开关断开的瞬间会产生反电动势，容易把开关器件过压击穿；漏感还可以与电路中的分布电容以及变压器线圈的分布电容组成振荡回路，使电路产生振荡并向外辐射电磁能量，造成电磁干扰。为当变压器最低振动频率（fundamental frequency）低于20KHz时，会产生音频噪声。另一个为用于RCD（电阻、电容、二极管）Snubbe之陶瓷电容具有压电特性，亦会产生音频噪声。而音频噪声强度与电流流过变压器及（或）Snubber电容的大小及最低振动频率有关。七、结论与心得首先我感觉到自己的另一个不足就是理论知识太缺乏了，后悔自己在以前的课程中没有认真学习，现在在设计时才发现自己懂得的东西实在太少了，以至于在寻