开关电源毕业设计设计

1、郑州航空工业管理学院（论文）开关电源设计摘 要电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，有电器的地方就有电源,现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流 电压。完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、

2、半桥、单端正激和单端反激等形式。本论文是基于芯片UC3842的小功率高频开关电源系统设计。关键词：开关电源,经济效益,uc3842，小功率高频SWITCHING POWER SUPPLY DESIGN BASED ABSTRACAT Power is to achieve power conversion and power transmission major equipment, where there are electrical appliances with power, modern electronic equipment in the circuit using a large

3、 number of semiconductor devices, semiconductor needs a few volts to tens of volts of DC power, in order to obtain required by the normal energy. Some of these chemical DC power supply, such as batteries and used batteries, but these can not be sustained in power. DC power supply method most electro

4、nic devices are AC power through transformer, rectifier, filter, voltage transformation for the required DC voltage. Completion of this task transform power into DC regulated power supply. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technol

5、ogical content, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic benefit. Many high-frequency transformation circuit switching power supply, commonly used with push-pull converter, full bridge, half bridge, forward and flyback etc. This paper is the design of small power high freq

6、uency switching power supply system based on UC3842 chip. KEY WORDS: Switching Power Supply，economic benefits ，uc3842，Small power high frequency 目录前言1第1章 开关电源简介21.1开关电源概述21.1.1 开关电源的概念21.1.2 开关电源的分类41.2开关电源的工作原理61.3开关电源的组成71.3开关电源中存在的问题8第2章 开关电源元器件的选用102.1 器件TL431102.2 电力二极管102.3 光耦PC817112.4 电力场效应晶

7、体管MOSFET12第3章 主要开关变换电路133.1滤波电路133.2反馈电路133.2.1 电流反馈电路133.2.2 电压反馈电路14第4章 UC3842的原理及功能特点164.1 UC3842原理与特点164.2 UC3842的引脚及其功能174.3 UC3842的内部结构184.4 UC3842的典型应用电路194.4.1 UC3842控制的同步整流电路194.4.2 UC3842控制的升压型开关电源21第5章UC3842保护电路的缺陷及改进245.1 UC3842保护电路的缺陷245.1.1 过载保护的缺陷245.1.2过流保护的缺陷245.1.3电路稳定性的缺陷255.2保护电路

8、的改进25结 论27谢 辞28参考文献29附 录1：总体电路图30附 录2：开关电源常用英文标志与缩写31外文资料译文32IV前 言随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技

9、术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破

10、。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。 第1章 开关电源简介1.1 开关电源概述电源是将各种能源转换成

11、为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。1.1.1开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就

12、用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）1。开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分组成，如图1-1所示。图1-1 开关电源工作原理框图第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分

13、进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，

14、达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。高频电子开关是电能转换的主要手段和方法。在一个电子开关周期（T）内，电子开关的接通时间与一个电子周期所占时间之比，叫接通占空比（D），D=。断开时间所占T的比例称为断开占空比（D'），。开关周期是开关频率的倒数，。例如：一个开关电源的工作频率是50kHz，它的周期（微秒）。很明显，接通占空比（D）越大，负载上的电压越高，表明电子开关接通时间越长，此时负载感应电压较高，工作频率也较高。这对于开关电源的高频变压器实现小型化有帮助，同时，能量传递的速度也快。但是，开关电源中断开关功率管、高频变压器、控制集成电路以及输

15、入整流二极管的发热量高、损耗大。对于不同的变换器形式，所选用的占空比大小是不一样的。开关电源与铁芯变压器电源以及其他形式的电源比较起来具有较多的优点：(1) 节能。绿色电源是开关电源中用途最为广泛的电源，它的效率一般可以达到85%，质量好的可以达到95%甚至更高，而铁芯变压器的效率只有70%或者更低。最近欧盟和美国消费者协会统计，美国一般家用电器和工业电气设备的单机能源消耗指数大于92%。美国的“能源之星”对电子镇流器、开关电源以及家用电器的效率都制定有很仔细的、非常严格的规章条款。(2) 体积小，重量轻。据统计，100W的铁芯变压器的重量为1200g左右，体积达350cm3，而100W的开关

16、电源的重量只有250g，而且敞开式的电源更轻，体积不到铁芯变压器的1/4。(3) 开关电源具有各种保护功能，不易损坏。而其他的电源由于本身原因或使用不当，发生短路或断路的事故较多。(4) 改变输出电流、电压比较容易，且稳定、可控。(5) 根据人们的要求，可设计出各种具有特殊功能的电源，以满足人们的需要。1.1.2开关电源的分类目前开关电源的种类很多，从工作性质来分，大体上可分为“硬开关”和“软开关”两种。所谓硬开关，是指电子脉冲、外加控制信号强行对电子开关进行“开”和“关”，而与电子开关自身流过的电流以及两端施加的电压无关。显然，开关是接通和关断期间是有电流、电压存在的，因此，这种工作方式是有

17、损耗的。但是它比其他变换电源的形式简单的多，所以，硬开关在很多地方仍然在应用，如脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）器就属于硬开关。目前，很多开关电源都用PWM来控制。另一类叫做软开关，电子开关在零电压下导通，在零电流下关断。可见，电子开关是在“零状态”下工作的，所以，理论上它的损耗为零，对浪涌电压、脉冲尖峰电压的抑制能力很大，其工作频率可以提高到5MHz以上，开关电源的重量和体积则可进行更大的改变。为了实现零电压“开”和零电流“关”，我们常采用谐振的方法。从电子理论可知道，谐振就是容抗等于感抗，总的电抗为零，电路中的电流无穷大。如果正弦波电压加到并联的电感回路上，

18、这时电感上的电压就无穷大。利用谐振电路可实现正弦波振荡，当振荡倒零时，电子开关导通，称之为零电压导通（Zero Voltage Switching）。同样，流过电子开关的电流振荡到零时，电子开关关断，称之为零电流关断（Zero Current Switching）。总之，电子开关具有零电压导通、零电流关断的外部条件，这种变换器称为准谐振变换器。它是在脉宽调制器上附加谐振网络而形成的，固定电子开关导通时间，通过调整振荡频率，最终使电路产生谐振，从而获得准谐振变换器的模式。准谐振变换器开关电源的输出电压不随输入电压的变化而变化，它的输出电流也不随用电负载的变化而变化，这种开关电源的主变换器依靠开关

19、频率来稳定输出参数，我们称之为调频开关电源。调频开关电源没有脉冲调制开关电源那么容易控制，再加上准谐振电路电压峰值高，开关所受到的应力大，目前还没有得到广泛应用。DC/DC变换类型是开关电源变换的基本类型，它通过控制开关通、断时间的比例，用电抗器与电容器上蓄积的能量对开关波形进行微分平滑处理，从而更有效地调整脉冲的宽度及频率。从输入、输出有无变压器隔离来说，DC/DC变换分为有变压器隔离和没有变压器隔离两类。每一类有6种拓扑，即降压式（Buck）、升压式（Boost）、升压降压式（Buck-Boost）、串联式（Cuk）、并联式（Sepic）以及赛达式（Zata）。按激励方式分，有自激式和他激

20、式两种。自激式包括单管式和推挽式，他激式包括调频式（PWF）、调宽式（PWM）、调幅式（PAM）和谐振式（RSM）4种，我们用得最多的是调宽式变换器。调宽式变换器有以下几种：正激式（Forward Converter）、反激式（Feedback Converter Mode）、半桥式（Half Bridge Converter）、全桥式（Overall Bridge Mode）、推挽式（Push Draw Mode）和阻塞式（Ringing Choke Converter，RCC）等6种。按谐振方式分，有串联谐振式、并联谐振式和串并联谐振式；按能量传递方式分，有连续模式和不连续模式两种。凡是以

21、脉冲宽度来调制的电子开关变换器都叫PWM变换器。1.2 开关电源的工作原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图1-2进行说明。图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。(a) 电路图；(b) 波形图图1-2开关电源的工作原理为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下 (1-1)式中，T表示开关S的开关重复周期；

22、TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：Uo=UiD (1-2)由式(1-1)和式(1-2)可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，只改变来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制(PWM)。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得较多。若保持不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调制(PFM)。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优

23、化。既改变，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。1.3 开关电源的组成开关电源的基本组成如图1-3所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、 PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、 频率、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅

24、助电路，包括启动、 过流过压保护、 输入滤波、 输出采样、 功能指示等电路。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、 降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。图1-3 开关电源的基本组成1.4开关电源中存在的问题客观上讲，开关电源的发展是非常快的，这时因为它具有其他电源所无法比拟的优势。材

25、料之新、用途之广，是它快速发展的主要动力。但是，它离人们的要求、应用的价值还差得很远，体积、重量、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及使用的安全性都不能说是十分完美。目前要解决的问题有：(1) 器件问题。电源控制集成度不高，这就影响了电源的稳定性和可靠性，同时对电源的体积和效率来说也是一个大问题。(2) 材料问题。开关电源使用的磁芯、电解电容及整流二极管灯都很笨重，也是耗能的主要根源。(3) 能源变换问题。按照习惯，变换有这样几种形式：AC/DC变换、DC/AC变换以及DC/DC变换等。实现这些变换都是以频率为基础，以改变电压为目的，工艺复杂，控制难度大，始终难以形成大规模生产。(4) 软件问题。

26、开关电源的软件开发目前只是刚刚起步，例如软开关，虽然它的损耗低，但难以实现高频化和小型化。要做到“软开关”并实行程序化，更是有一定的困难。要真正做到功率转换、功率因数改善、全程自动检测控制实现软件操作，目前还存在很大的差距。(5) 生产工艺问题。往往在试验室中能达到相关的技术标准，但在生产上会出现各种问题。这些问题大多是焊接问题和元器件技术性能问题，还有生产工艺上的检测、老化、粘结、环境等方面的因素。 未来的开关电源像一只茶杯的盖子：它的工作频高达210MHz，效率达到95%，功率密度为36W/cm2，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高

27、标准就是对未来开关电源的挑战：第一，能不能全面通容电磁兼容性的各项技术标准；第二，在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产；第三，按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源；第四，能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（13V）、更大的输出电流（数百安）；第五，能不能实现更小的电源模块。34第2章 开关电源元器件的选用2.1器件TL431TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2，在很多应用中可以用它代替

28、齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。TL431特点： （1）最大输出电压为36V； （2）电压参考误差：±0.4 ，典型值25（TL431B）；（3）低动态输出阻抗，典型0.22 ； （4）负载电流能力1.0mA to 100mA； （5）等效全范围温度系数50 ppm/典型； （6）温度补偿操作全额定工作温度范围； （7）低输出噪声电压。图21tl431的外观和管脚2.2电力二极管电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。(1) 普通二极管(General Purpose Diode)普通二极管又称为整流二极管(Rectifier

29、Diode)，多用于开关频率不高(1 kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。 (2) 快恢复二极管(FRD)快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes，FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50 ns)，正向压降也很低(0.9 V左右)，但其反向耐压多

30、在400 V以下。快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100 ns以下，有的甚至达到2030 ns。(3) 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管(SBD)，简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反向恢复时间很短(1040 ns)，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200 V以下；反

31、向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 。2.3光耦PC817PC817是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响.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

32、也随之不同,PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。主要应用范围：开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其它家用电器等产品。图22PC817的外观和内部结构2.4电力场效应晶体管MOSFET(1) 电力场效应晶体管的特点电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。其特点是：用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10 kW的电源电子装置。(2) 电力场效应晶体管的结构和工作原理(a) N沟道内部结构断面示意图； (b) 电气图形符号图2-3电力MO

33、SFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道，如图2-3所示。其中G为栅极，S为源极，D为漏极。电力MOSFET的工作原理是：在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。第3章 主要开关变换电路3.1 滤波电路输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信号，同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。图3

34、-1所示滤波电路是一种复合式EMI滤波器，L1、L2和C1构成第一级滤波，共模电感L3和电容C2、C3进行第二级滤波。图3-1输入滤波电路C1用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻R给电容提供放电回路，避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。C2、C3跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3宜选用陶瓷电容器。3.2 反馈电路 3.2.1电流反馈电路电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电流，原理如图3-2所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平均值反馈两路，R2上的电压反映电流瞬时值。开关管上的电流变化会使UR2变化，UR2接

35、入UC3842的保护输入端脚，当UR21V时，UC3842芯片的输出脉冲将关断。通过调节R1、R2的分压比可改变开关管的限流值，实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对电流平均值的保护，属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更为安全可靠。采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率。图3-2电流反馈电路3.2.2电压反馈电路电压反馈电路如图3-3所示。输出电压通过集成稳压器TL431和光电耦合器反馈到UC3842的脚，调节R1、R2的分压比可设定和调节输出电压，达到较高的稳压精度。如果输出电压UO升高，集成稳压

36、器TL431的阴极到阳极的电流增大，使光电耦合器输出的三极管电流增大，即UC3842脚对地的分流变大，UC3842的输出脉宽相应变窄，输出电压UO减小。同样如果输出电压UO减小，可通过反馈调节使之升高10。图3-3电压反馈电路3.3电压保护电路图3-4所示为输出过电压保护电路。稳压管VS的击穿，电压稍大于输出电压额定值，输出正常时，VS不导通，晶闸管V的门极电压为零，不导通。当输出过压时，VS击穿，V受触发导通，使光电耦合器输出三极管电流增大，通过UC3842控制开关管关断。图3-4输出过电压保护电第4章 UC3842的原理及功能特点4.1 UC3842原理与特点UC3842 是开关电源用电流

37、控制方式的脉宽调制集成电路。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。（1）该电路主要特点有：（2）内含欠电压锁定电路（3）低起动电流（典型值为0.12mA）（4）稳定的内部基准电压源（5）大电流推挽输出（驱动电流达1A）（6）工作频率可到500kHz（7）自动负反馈补偿电路（8）双脉冲抑制（9）较强的负载响应特性UC3842 内部工作原理简介 图4-1显示出了UC3842 内部框图和引脚图，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：（1）脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误

38、差放大器的增益和频率特性；（2）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；（3）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；（4）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/(RT×CT)；（5）脚为公共地端；（6）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±1A ；（7）脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW； （8）脚为5V 基准电压输出端，有50

39、mA 的负载能力。  图4-1 UC3842 内部原理框图 4.2 UC3842的引脚及其功能图42UC3842的引脚如图4-2 ：（1）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;（2）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；（3）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；（4）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);（5）脚为接地端。（

40、6）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；（7）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。（8）脚为内部5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。4.3 UC3842的内部结构UC3842为双列8脚单端输出的它激式开关电源驱动集成电路，其内部电路包括振荡器、误差放大器、电流取样比较器、PWM锁存电路、5VC基准电源、欠压锁定电路、图腾柱输出电路15、输出电路等，见图4-3。图4-3 UC3842的内部结构(1) 5v的基准电源:内部电源,经衰减得到2.5v作为误差比较器的比较基准.该电源还可以提供外部

41、5v/50mA.(2) 振荡器:产生波振荡.RT接在4RET 8脚之间,CT接4GND5之间. 频率f=1.8/CTRT,最大为500kHz.(3) 误差放大器：由VFB端输入的反馈电压和2.5V做比较，误差电压COMP用于调节脉冲宽度。Comp端引出接外部RC网络,以改变增益和频率特性.(4) 输出电路：图腾柱输出结构，电路1A，驱动MOS管及双极型晶体管。(5) 电流取样比较器：脚ISENSE用于检测开关管电流，可以用电阻或电流互感器采样，当VISENSE>1V时，关闭输出脉冲，使开关管关断。这实际上是一个过流保护电路。(6) 欠压锁定电路VVLO：开通阈值16V，关闭阈值10V。具

42、有滞回特性。(7) PWM锁存电路：保证每一个控制脉冲作用不超过一个脉冲周期，即所谓逐脉冲控制。另外，VCC与GND之间的稳压管用于保护，防止器件损坏。图腾柱输出电路(Totem Pole)：由于此结构画出的电路图有点像印第安人的图腾柱，所以叫图腾柱式输出，也叫图腾式输出。输出极采用一个上电阻接一个NPN型晶体管的集电极，这个晶体管的发射极接下面管子的集电极同时输出；下晶体管的发射极接地。两晶体管的基极分别接前级的控制。就是上下两个输出晶体管，从直流角度看是串联，两晶体管联接处为输出端。上晶体管导通下晶体管截止，输出高电平；下晶体管导通上晶体管截止，输出低电平；上下两晶体管均截止，则输出为高阻

43、态。在开关电源中，类似的电路常称为“半桥电路”。4.4 UC3842的典型应用电路4.4.1 UC3842控制的同步整流电路图44为使用它激式驱动电路UC3842组成的5V10A开关稳压电源。其基本技术参数如下：输入电压816V，输出电压5V，最大负载电流10A，输出端脉冲纹波峰值<80mV，输入电压、负载电流以及环境温度在额定范围内变化时输出电压变动小于2 %，环境温度-10+70，变换器频率120KHz，在允许的输入电压范围内，负载电流最大时开关电源的平均效率95。设驱动脉冲在Tn期间，变换器开关管导通，向电感存储磁能。存储能量正比于Tn的脉冲宽度。在驱动脉冲Tn截止后，经过设定的死

44、区时间TD，脉冲间歇期的低电平输出通过控制电路，使续流二极管上并联的开关管导通。低内阻的MOSFET管DS极并联接入续流二极管，使电路等效内阻大幅度降低，储能电感能量释放电流增大，向负载放电。死区时间的设定，是为了避免两只不同功能开关管形成瞬间共态导通，造成供电电路短路损坏开关管。由于MOSFET管无存储效应，可以将死区时间TD设置短一些，更利于在稳压电路的控制下大范围改变脉宽速度，以实现更大的稳压范围。图44 基于同步整流技术的电源电路 UC3842采用脉冲宽度调制方式稳定输出电压，其各脚功能及外围元器件作用如下：（1）脚为内部误差比较器的误差检测输出端，在集成电路内部控制脉宽调制器。外电路

45、接入R2作为负反馈电阻，以稳定增益。C8作为频率特性校正，避免比较器产生自激。（2）脚为比较器正向输入端。稳压器输出5V电压，由R4、R1分压，正常稳压状态为2.5V取样电压。比较器的反向输入端在集成电路内部，由5V基准电压分压得到2.5V基准电压。（3）脚为高电平保护输入端，其输入电平保护阈值为1V。在1V以下，可以控制输出驱动脉冲的脉宽，达到1V，则瞬间关断输出脉冲。在图4-12中，由电流互感器T1对开关管VT2导通电流取样，经V1整流，R5、R6分压后，送入集成电路脚作为开关管过流保护。电容器C11为高次谐波旁路电容，以避免脉冲尖峰使保护电路误动作。（4）脚为内部振荡器的外接定时电路端子

46、，5V基准电压通过电阻向电容器C10充电。R3、C10设定振荡器的脉冲频率。该振荡器频率设定为120KHz。（5）脚为共地端。（6）脚为PWM驱动脉冲输出端，用以驱动P-N沟道对管VTl组成的移相驱动器。（7）脚为供电端，接入816V输入电压。该电路的同步整流器由VT1、VT2和VT3组成。开关管VT2为P沟道FET管IRF4905，其漏源极导通电阻为20M，关断时间80ns。开关管VT3为N沟道FET管IRF3205，其导通电阻8M，其漏一源极并联接在续流二极管V2两端。V2为反压10V、最大电流30A的肖特基二极管，当负载电流最大时，其饱和压降在0.5V左右。VT3导通后，与V2并联，将此

47、电压降低到100mV，大大降低了开关管的损耗。为了实现VT2、VT3的轮流导通，电路中由双场效应管VT1组成驱动脉冲相位分离电路。VT1内部由P沟道和N沟道FET对管组成。当IC1脚输出驱动脉冲为高电平时，VT1内部P沟道FET管截止，N沟道FET管导通，VT2栅极通过R7、VT1脚和脚得到电压，VT2导通，输入电压通过VT2源一漏极加到L2左端，由电源向L2存储磁能，同时向负载供电。电流呈线性增长。当驱动脉冲达到截止点时，Cl2充电电压最大。在VT2导通的同时，VT1导通，其脚和脚将VT3栅源极短路，使VT3截止。在L2存储能量期间，VT2也反偏截止。在驱动脉冲的截止期，IC1脚输出低电平，

48、VT1内部P沟道FET管导通，将VT2的栅源极短路。此时VT1的N沟道FET管截止。使VT2也截止，L2释放磁场能量，V2正偏导通，VT1脚漏极输出高电平经过R7，使VT3导通，其漏源极低内阻并联在续流二极管V2两端，使L2的释放电流增大。此部分电路中，利用MOS FET管的快速开关特性对VT2、VT3的导通截止进行控制，使VT2、VT3开关损耗进一步降低。由于L2在磁-电的存储释放过程中难免形成开关脉冲纹波，因此电路中滤波电容C12为6只100F的电容并联，以有效地降低电解电容的分布电感，使其高次谐波的滤波性能更好。4.4.2由UC3842控制的升压型开关电源由UC3842组成的它激式升压开

49、关电源电路见图4-5。储能电感L5、 开关管VT7组成斩波式开关稳压器，UC3842构成开关控制电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4，成为直流电压，正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时，输入整流电压经L5、VT7漏源极、R6完成回路，输入整流电压全部加在L5两端，从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时，L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接，通过升压二极管V6、 电容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量，因此，控制VT7通断占空比，可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入，取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。图4-5 由UC3

50、842组成的它激式升压开关电源电路在图4-5中，升压电路由UC3842为核心，构成它激式开关电路。为了提高升压电路的可靠性，UC3842采用多路取样的控制方式形成保护电路。UC3842在该开由UC3842组成的它激式升压开关电源电路见图3-5。储能电感L5、开关管VT7组成斩波式开关稳压器，UC3842构成开关控制电路。输入经负温度系数电阻NTC、桥式整流器、电容C4，成为直流电压，正极经L5并联接入VT7。当VT7导通时，输入整流电压经L5、VT7漏源极、 R6完成回路，输入整流电压全部加在L5两端，从而使电能变为磁能存储于L5。当VT7截止时，L5产生的自感电势与输入整流电压串联连接，通过

51、升压二极管V6、 电容C7向负载供电。VT7导通时间正比于L5存储能量，因此，控制VT7通断占空比，可以控制升压幅度。这种升压电路适合不同输入电压输入，取代了传统的交流输入110/220 V自动切换电路。为了使振荡频率稳定，C12的充电电压取自UC3842脚内部的5 V基准电压。如果电路故障使UC3842输出驱动脉冲占空比过大时，VT7导通时间将变长，截止时间将缩短，其漏源极平均电流增大，致使过流取样电阻R6、 R7压降增大，此时UC3842脚电压升高，通过内部比较器控制触发器，使驱动脉冲占空比减小。如果过流取样电压达到1 V左右，则自动持续关断驱动脉冲，避免输出电压超高损坏负载电路和开关管。

52、第5章UC3842保护电路的缺陷及改进 5.1UC3842保护电路的缺陷5.1.1 过载保护的缺陷当电源过载或输出短路时，UC3842的保护电路动作，使输出脉冲的占空比减小，输出电压降低，UC3842的供电电压也跟着降低，当低到UC3842不能工作时，整个电路关闭，然后通过R6扦始下一次启动过程。这种保护被称为“打嗝”式(hiccup)保护。在这种保护状态下，电源只工作几个开关周期，然后进入很长时间(几百ms到几s)的启动过程，因此，它的平均功率很低。但是，由于变压器存在漏感等原因，有的开关电源在每个开关周期都有很高的开关尖峰电压，即使在占空比很小的情况下，辅助供电电压也不能降到足够低，所以不

53、能实现理想的保护功能。5.1.2过流保护的缺陷UC3842的过流保护功能是通过脚3实现的。当脚3上检测的电压高于lV时，就会使UC3842内部的比较器翻转，将PWM锁存器置零，使脉冲调制器处于关闭状态，从而实现了电路的过流保护。由于检测电阻能感应出峰值电感电流，所以自然形成逐个脉冲限流电路，只要检测电阻上的电平达到lV，脉宽调制器立即关闭，因此这种峰值电感电流检测技术可以精确限制输出的最大电流，使得开关电源中的磁性元件和功率器件不必设计较大的余量，就能保证稳压电源的工作可靠。但是，通常我们采用的采样电阻都是金属膜或氧化膜电阻，这种电阻是有感的，当电流流过取样电阻时，就会感生一定的感性电压。这个

54、电感分量在高频时呈现的阻抗会很大，因此它将消耗很大的功率。随着频率的增加，流过取样电阻的电流有可能在下一个振荡周期到来之前还没放完，取样电阻承受的电流将越来越大，这样将会引起UC3842的误操作，甚至会引起炸机。因此，UC3842的这种过流保护功能有时难以起到很好的保护作用，存在着一定的缺陷。5.1.3电路稳定性的缺陷 在图5-l所示的电路中，当电源的占空比大于50，或变压器工作在连续电流条件下时，整个电路就会产生分谐波振荡，引起电源输出的不稳定。图2表示了变压器中电感电流的变化过程。没在t0时刻，开关开始导通，使电感电流以斜率m1上升，该斜率是输入电压除以电感的函数。t1时刻，电流取样输入达

55、到由控制电压建立的门限，这导致开关断开，电流以斜率m2衰减，直至下一个振荡周期。如果此时有一个扰动加到控制电压上，那么它将产生一个I，这样我们就会发现电路存在着不稳定的情况，即在一个固定的振荡器周期内，电流衰减时闸减少，最小电流开关接通时刻t2上升了I+Im2/m1，最小电流在下一个周期t3减小到(I+Im2/m4)(m2/m1)，在每一个后续周期，该扰动m2m1被相乘，在开关接通时交替增加和减小电感电流，也许需要几个振荡器周期才能使电感电流为零，使过程重新开始，如果m2m1大于l，将会不稳定。因此，图l所示的电路在某状态下存在着一定的失稳隐患。 5-1电感电流波形图5.2保护电路的改进针对上

56、述分析，改进电路如图5-2所示。5-2改进的UC3842应用电路结 论UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作2080W小功率开关电源。由于器件设计巧妙，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。谢 辞本次设计是在何老师的指导下完成的，从最初我对本次设计的不了解到能够整体把握再到比较顺利的完成本次设计，这一步一步的走来，其中都包含了何老师耐心的指引和教导。通过本次设计，我从了解了uc3842的功用，对于小功率电源的设计有了初步的认识。此外还要感谢我们宿舍的同学，在他们的帮助下我才慢慢地完成毕业设计，在设计的整个过程中，我们相互讨论，也解决了一定的问题，从你们身上我看到了“认真”二字，在无形中也促使我更加用心的完成本次设计。在设计的过程中，也得到了许多其他同学宝贵的