基于UC3842的三路输出小功率开关电源设计

电源

电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。开关电源以其效率高、体积小等优点，在通信、计算机及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC－DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高。因此设计和开发开高性能的开关电源具有很大的市场前景。本文以UC3842为PWM控制器设计了一种48V转+5V，±15V开关电源。
1、UC3842器件介绍及工作原理

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器，其结构原理图如图1所示，主要由振荡器、误差放大器、电流取样比较器、脉宽调制锁存器等功能模块构成。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器。
电路上电时，外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下，芯片开始工作，脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚，维护系统的正常工作。电路正常工作后，取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器，与图2系统原理图内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到脉宽调制电路，完成脉冲宽度的调制，从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高，则2脚的取样电压也变高，脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄，则开关功率管的导通时间变短，输出电压变低，从而使输出电压稳定，反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波，其周期取决于4脚外接的ＲC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器，作为其工作周期，脉宽调制器输出的脉冲周期不变，而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。

图1 UC3842结构原理图

2、开关电源设计

本文所设计的小功率开关电源预定的技术指标如下：输入电压：Vin=48V（允许20%的波动）;主输出：+5VDC@2A，电压精度0．5%，纹波系数小于0．5%（峰峰值20mV）;辅助输出1：+15VDC@500mA，电压精度2%，纹波系数小于0．15%（峰峰值20mV）;辅助输出2：－15VDC@500mA，电压精度2%，纹波系数小于为0．35%（峰峰值50mV）;输出功率：PO=25W;效率：η≥80%;开关频率f=50kHz;最大占空比：40%。
如图2所示，电路采用典型的直流降压斩波电路，主要由PWM主控器电路、功率管及驱动电路、输出电路、电压反馈电路、电流采样及滤波电路以及上电切换电路等部分组成。

2．1、变压器参数计算

根据指标要求，绕变压器时为了给变压器留有足够的余量，电压波动按20%计算，当输入电压+48V时，则最小输入电压Vin（min）=43．2V，最大输入电压Vin（max）=52．8V。取开关频率f=50kHz，则T=20μs。取转换效率η=80%，最大占空比Dmax=40%。则tomax=20×40%=8μs。

2．2、开关管选取

电力MOSFET是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它的显著特点是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单;又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，在小功率电力电子装置中，是应用最为广泛的器件，因此开关管选取电力MOSFET。
所选取的MOSFET管的耐压值应大于：KTVo+Vin（max）=100．8V;平均电流：IAV=1/2*DIP=0．772A，综合考虑这里选择MOS开关管IＲF640，18A/200V的管子，其导通电阻为0．15Ω。
2．3、整流二极管的选取

整流二极管的选取肖特基二极管，根据二极管承受的反相电压的计算公式：

可以计算输出电压分别为+5V、±15V时二极管承受的反相电压116．0V、32．6V。因此选用型号为SＲ560和SＲ160肖特基二极管。
由肖特基二极管的结电容在几百皮法左右，结电容在导通时容易积累电荷，当副边电流减为零时，结电容会通过电感线圈放电，从而产生振荡。为了防止这种情况的发生，在+5V输出端肖特基二极管两端併上较大的电容，以增大振荡周期，减少高频振荡，如图2所示。
2．4、输出滤波电路

输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能，这里要采用π型滤波，取L=10μH，选用1000μF/35V的铝电解电容，如图2所示。
2．5、MOS管的驱动电路

MOS管驱动电路有栅极驱动电阻ＲG、下拉电阻Ｒ2、保护稳压二极管VD组成3部分组成，如图2所示。ＲG选用33Ω、1/4W的电阻。下拉电阻Ｒ2可以保证MOS管关断时的可靠关断，这里选取20K的电阻［9］。由于MOS管的|VGS|＜20V，因此这里选取18V的稳压管，1N4746。
2．7、上电电源切换电路

设计电源切换电路目的是为了减小uc3842串联的分压电阻的功耗，如图2所示。刚上电时由分压电阻Ｒ8给uc3842提供电源，此后当整个电路工作起来之后，由辅助线圈给uc3842提供电源，即当辅助线圈电压高于11V时，自动切断Ｒ8与uc3842的通路电源改由Vi提供。原理描述：Ｒ10与稳压管VD2串联构成15V、2mA的稳压源，给LM393提供15V的电源，Ｒ3、Ｒ6分压构成11V的比较电压，用于设定电压切换门限，V1、V2三极管这里起开关作用;Ｒ2为限流电阻，Ｒ1为开关管的基极偏置电阻;LM393用于比较辅助线圈与电压切换门限，当辅助线圈电压高于电压切换门限时LM393输出低电平控制开关管关断;VD3为18V稳压二极管为了保护uc3842钳位uc3842的电源电压，保证uc3842在18V以下工作;VD1为整流二极管，防止uc3842上电电源倒灌，Ｒ7为下拉电阻，防止D2反向漏电电流造成比较电路误操作，C1、C2、C10分别为去耦电容;Ｒ4、Ｒ5为限流电阻，防止外部强驱动电源直接接入。
3、测试结果与分析

（1）MOS栅极电压驱动波形如图3所示。图3MOS栅极电压驱动波形

（2）电流采样电阻上的电压波形如图4所示。

（3）+5V输出滤波之后的波形如图5、图6所示。从图5可以看出电压稳定在+5V;从图6可以看出电压纹波限制在50mV以内，满足指标要求。

（4）+15V输出滤波之后的波形如图7、图8所示。
从图7中可以看出电压稳定在+15V，精度已经达到了5%以内要求;从图8中可以看出此路的电压纹波也达到了20mV，达到了1%的纹波要求。

（5）－15V输出滤波之后的波形如图9、图10所示

从图9中可以看出电压稳定在－15V，精度已经达到了5%以内要求;从图9中可以看出此路的电压纹波也达到了50mV，达到了1%的纹波要求。
4、结论

针对小功率开关电源的要求，本文以UC3842为PWM控制器，采用电阻，TL431和线性光耦等元器件构成电压采样反馈电路，设计了一种48V转+5V，±15V开关稳压电源，性能达到了预期指标要求，该产品具有精度高、纹波小、效率高、性能可靠等优点，可广泛应用于各类小功率变换场合。

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