貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 袁智明 楊 晨

基于UC3842B直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)研究

貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 袁智明 楊 晨

直流開(kāi)關(guān)電源在集成電器、工業(yè)控制領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備、軍用設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，本文對(duì)基于UC3842B集成電路模塊設(shè)計(jì)的直流開(kāi)關(guān)電源展開(kāi)了研究。其電路結(jié)構(gòu)包括了三個(gè)部分：AC-DC轉(zhuǎn)換電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路和控制電路。通過(guò)該電路對(duì)輸入電壓的調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)了將輸入的220V/50Hz的交流電壓轉(zhuǎn)換為10V和5V的直流輸出電壓，并達(dá)到了對(duì)輸出負(fù)載的電壓電流的檢測(cè)和調(diào)控的作用。最后，本文還進(jìn)行了電壓特性及熱效應(yīng)的分析。

UC3842B；AC-DC轉(zhuǎn)換電路；DC-DC轉(zhuǎn)換電路；控制電路

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新型功率元器件的不斷出現(xiàn)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到飛速的發(fā)展，在計(jì)算機(jī)、通訊、電力、家用電器、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]，其高效的轉(zhuǎn)換率，簡(jiǎn)單的可控性使其占據(jù)了巨大的市場(chǎng)份額。相較于線(xiàn)性電源的體積大、重量重、轉(zhuǎn)換效率低、輸入電壓窄、需要較大的濾波電容[3]，開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子技術(shù)，通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源[4]。它具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[5]。UC3842B集成電路模塊具有檢測(cè)電壓電流，并將其信息傳入脈寬比較器，再通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）控制場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)占空比，從而控制輸出功率的大小的功能。故本電路原理如圖1所示，它是基于UC3842B集成電路模塊所設(shè)計(jì)的電路，其中 DC-DC轉(zhuǎn)換電路采用了單端正激變換器，相比于單端反激式變換器，其輸出功率較高[6]。其中，控制電路的電壓電流都是由單端正激變換器的感應(yīng)電勢(shì)提供，降低了開(kāi)關(guān)電源自身?yè)p耗，提高了轉(zhuǎn)換率。

圖1 直流開(kāi)關(guān)電源原理圖

1 開(kāi)關(guān)電源原理

直流開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)依據(jù)功能可以分為三個(gè)部分：AC-DC轉(zhuǎn)換電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路和控制電路。其中AC-DC轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入的電壓進(jìn)行變壓及濾波，使交流電變?yōu)橹绷麟?，但是，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺少保護(hù)電路，存在著安全隱患。所以，本電路基于UC3842B形成了控制回路，該電路主要是對(duì)輸出負(fù)載的電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)并通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)控，使負(fù)載用電器能夠在安全范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。而DC-DC轉(zhuǎn)換電路：(1)是接受控制回路的輸出負(fù)載調(diào)控信號(hào)；(2)是滿(mǎn)足多端輸出負(fù)載的要求。整個(gè)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

2 AC-DC轉(zhuǎn)換電路

AC-DC轉(zhuǎn)換電路是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的功能電路。如圖3所示，交流電通過(guò)變壓器進(jìn)行低頻變壓將220V/50Hz交流電變壓為55V/50Hz，再通過(guò)整流橋進(jìn)行整流使電路的波形由正弦波變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)波，最后通過(guò)電容濾波升壓形成了穩(wěn)定的直流電壓76V[7]。

(1)整流橋的耐壓，考慮最大輸入電壓：

(2)整流二極管的峰值電壓：UINMAX*1.414=80V

取50%的幅值裕量，得80V*1.5=120V，根據(jù)整流橋的實(shí)際電壓等級(jí)，選擇了3N256型號(hào)二極管。

(3)濾波電阻是對(duì)單向脈動(dòng)電壓中的噪聲進(jìn)行濾波，阻值相對(duì)較小，以減少元件功耗。

(4)濾波電容的容量值會(huì)影響整流濾波后輸出的波紋電壓，電容值過(guò)小時(shí)會(huì)使直流電壓中夾帶噪聲，影響后續(xù)電路對(duì)電壓的調(diào)控。根據(jù)波紋電壓的檢測(cè)結(jié)果和直流穩(wěn)壓電源設(shè)備輸出直流電壓的指標(biāo)本設(shè)計(jì)對(duì)電容的容量值和耐壓值進(jìn)行了設(shè)定。最終根據(jù)示波器顯示的結(jié)果對(duì)電容的參數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，選定300uF/100V的電容作為濾波電容[8]。

圖3 AC-DC轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖

輸出電壓如圖4所示（左圖仿真，右圖實(shí)測(cè)），電壓值為76.4，誤差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)?？梢钥闯霾y電壓中的波紋很小，上下幅度不超過(guò)3%，這有利于后續(xù)電路DC-DC轉(zhuǎn)換電路對(duì)電壓的使用和調(diào)控。

圖4 AC-DC轉(zhuǎn)換電路輸出電壓

3 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

本文采用了單端正激變換器，同時(shí)也是多端輸出的隔離式變換器。如圖5所示為整個(gè)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)圖。由圖可以看出它是以變壓器為核心的多端輸出變換器。該變壓器四個(gè)端口皆為同源端，其中左上端的端口為初級(jí)輸入端，左下端為向控制電路提供電壓電流的輸出端，變壓器右邊為兩個(gè)輸出端：負(fù)載1、負(fù)載2。其中R3、C4和D1形成CR釋放回路。其作用是將變壓器中的感應(yīng)電流轉(zhuǎn)入到主回路當(dāng)中，其中R3是對(duì)二極管的電流的一個(gè)限流，電容可以使流過(guò)電阻的電流更快更穩(wěn)。D1、D2都是對(duì)輸出端的電流進(jìn)行濾波，其中D2濾波后的電壓為控制電路提供電源，同時(shí)也將負(fù)載輸出電壓變動(dòng)情況傳送給控制電路。負(fù)載1、2輸出端的二極管是高頻二極管，電容是對(duì)單向脈動(dòng)電壓進(jìn)行濾波使電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓。最后輸出如圖6、7所示（左圖仿真，右圖實(shí)測(cè)），分別為負(fù)載1（10V）和負(fù)載2（5V）兩個(gè)端口輸出的電壓。

圖5 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

圖6 負(fù)載1輸出端電壓

圖7 負(fù)載2輸出端電壓

4 控制回路

該控制電路是基于UC3842B集成電路模塊設(shè)計(jì)的，它具有檢測(cè)電壓電流，并且通過(guò)PWM對(duì)輸出負(fù)載進(jìn)行調(diào)控，使負(fù)載能夠在安全范圍內(nèi)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。

PWM控制型一般分為電壓控制型和電流控制型。電壓控制型是通過(guò)反饋電壓調(diào)節(jié)脈寬[7]，電流控制型是通過(guò)輸出電感線(xiàn)圈的電流信號(hào)與誤差放大器輸出的信號(hào)相比較來(lái)調(diào)節(jié)占空比[8]。UC3842B形成的控制電路就是電流型控制電路。該控制電路是通過(guò)軟啟動(dòng)的電路。如圖8所示，C1電容進(jìn)行蓄積電壓使輸入電路達(dá)到開(kāi)啟電壓16V，其中C2使對(duì)輸入的工作電壓進(jìn)行濾波，使單項(xiàng)脈動(dòng)電壓的電壓值穩(wěn)定在運(yùn)轉(zhuǎn)電壓的范圍內(nèi)（10V-30V）。

UC3842B的內(nèi)部工作方式是鋸齒波發(fā)生器提供恒定的時(shí)鐘頻率信號(hào)，利用誤差放大器和電流檢測(cè)比較器形成電壓閉環(huán)，利用電流檢測(cè)比較器構(gòu)成的電流閉環(huán)，在脈寬比較器的輸入端直接對(duì)電感電流與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，使輸出的負(fù)載功率改變[9]。

其外接電路有四部分：

(1)震蕩電路是由R10、C9和C7構(gòu)成。C9是確保UC3842B引腳8輸出的5V基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，當(dāng)C7上的電壓達(dá)到一定程度使UC3842B內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)泄壓，使引腳4上的電壓只變小，最終形成鋸齒波，當(dāng)R10＞5kΩ時(shí)，其頻率滿(mǎn)足f=1.8 / (C7*R9)。

(2)電壓檢測(cè)電路是對(duì)輸入控制電路的電壓進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)R2和R7對(duì)輸入的電壓進(jìn)行分壓將截取的電壓接入引腳2，該引腳端通過(guò)誤差放大器將電壓波動(dòng)導(dǎo)入脈寬比較器當(dāng)中，對(duì)PWM進(jìn)行調(diào)整。引腳2與引腳1之間接了并聯(lián)的電容和電阻是為了決定放大器的閉環(huán)增益和頻率響應(yīng)，使芯片穩(wěn)定工作[10]。

(3)電流檢測(cè)電路如圖由R4、R5和C3組成，R4將流過(guò)電感線(xiàn)的電流轉(zhuǎn)換為電壓。由于MOSFET出于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以R4上的電壓不是穩(wěn)定的直流電壓，通過(guò)R5和C3的濾波使其變?yōu)榉€(wěn)定的電壓作為電流檢測(cè)的信息。

(4)MOSFET控制電路是以MOS管為核心通過(guò)PWM信號(hào)進(jìn)行控制的，由于其高速的開(kāi)關(guān)MOS管的漏極產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的噪聲[11]，C11、R1和D5構(gòu)成了緩沖電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，C11進(jìn)行蓄電，由于D5正向，所以較快，使場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電位不會(huì)產(chǎn)生噪聲。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，由于D5反向，R1電阻阻值相對(duì)較大，使電容的電流流出較慢，降低了噪聲的峰值。

圖8 基于UC3842B的控制電路

5 熱像分析

直流開(kāi)關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換率的高低是衡量其性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，而通過(guò)電路中的各元器件的功耗也可以分析電路存在的問(wèn)題和不足。如圖9所示為本電路的實(shí)物熱像儀掃描圖，由圖可以看出，電路中有些元件的溫度較高，說(shuō)明這些元件的功耗較高，電路設(shè)計(jì)有待調(diào)整。如圖顯示，最上面的兩個(gè)亮點(diǎn)是泄放回路中的電阻和電容，可以看出其功耗較大，根據(jù)整個(gè)電路的數(shù)據(jù)情況可以考慮將其用電感替換，接下來(lái)的幾個(gè)較亮的點(diǎn)都是二極管，說(shuō)明他們的型號(hào)有待調(diào)整。

圖9 電路板工作狀態(tài)下溫度掃描

6 數(shù)據(jù)檢測(cè)

在仿真過(guò)程中，所使用的元器件包括UC3842B集成電路模塊都存在著理想化，通過(guò)實(shí)物搭建，將現(xiàn)實(shí)電路的情況與理想的電路狀況的差距顯現(xiàn)出來(lái)。這里我對(duì)事物的主要幾個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，如表1所示。其中輸出的PWM的頻率受UC3842B輸入的電流影響最重，它會(huì)隨電流的增大而大幅度或成倍增長(zhǎng)。其余幾個(gè)數(shù)據(jù)也與預(yù)期參數(shù)有所差距，但都在可接受范圍內(nèi)。

表1 電路板各項(xiàng)指標(biāo)

7 總結(jié)

基于UC3842B的直流開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)綜上所述可以看出，其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于根據(jù)用電器用電的具體情況進(jìn)行更改，且對(duì)于輸出的電壓電流的檢測(cè)范圍尺度易于修改，其高頻率的PWM信號(hào)確保了基于UC3842B的控制電路對(duì)于輸出功率的精密調(diào)控。同時(shí)，高效的轉(zhuǎn)換率，和自身的低損耗，免除了過(guò)溫電路的設(shè)計(jì)需求。其簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的工作狀態(tài)滿(mǎn)足了各種用電器的需求，符合了市場(chǎng)的要求，符合了現(xiàn)在電子行業(yè)的發(fā)展方向。

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Design and research of DC switching power supply based on UC3842B

YUAN Zhi-ming，YANG Chen
（School of large data and information engineering，Guizhou University，Guizhou，Guiyang 550025，china）

DC switching power supply is widely used in the fi elds such as integrated electrical apparatus，industrial control，medical equipment，and military equipment .In this paper，the DC switching power supply based on UC3842B integrated circuit module is studied.The circuit structure is composed of three parts: AC-DC conversion circuit，DC-DC conversion circuit and control circuit.By regulation of the circuit of the input voltage，a DC switching power supply is implemented to convert 220V/50Hz AC input voltage into 10V and 5V DC output voltage，and realize the function of detection and regulation of load voltage and current output.Finally，voltage characteristics and thermal effects for the circuit are analyzed.

UC3842B；AC-DC conversion circuit；DC-DC conversion circuit；control circuit

國(guó)家自然科學(xué)基金（61604046）“半導(dǎo)體功率器件可靠性教育部開(kāi)放課題”。

袁智明（1994—），男，新疆農(nóng)二師人，學(xué)士，助理工程師，主要從事半導(dǎo)體工藝及集成電路研究。

楊晨（1932—），男，貴州貴陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事半導(dǎo)體測(cè)試，嵌入式開(kāi)發(fā)等工作。