基于UC3842的反激式开关电源设计_戴路 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言随着电源技术的快速发展，高效率的开关电源已得到广泛应用。开关电源具有效率高、损耗小、可靠性高、稳压范围宽、体积小和质量轻等特点。针对反激式开关电源的设计，高频变压器一直是设计的重点。顾伟康1提出了一种简单的设计方法，该方法统一了变压器工作在电流连续模式和断续模式下的计算公式，有效解决了原边电感值、线圈匝数、线径、磁芯大小等参数的设计问题，降低了设计难度，提高了设计效率；冯自成等2根据反激开关电源工作原理，改进了传统面积乘积法。实验结果表明，基于改进面积乘积法设计的反激高频变压器的电压调整率小于 25%，负载调整率小于0.25%，纹波系数小于 1%；赵科技等3提出了一种双 Buck-Boost 型直流变换器，该变换器具有较宽的输出电压范围，并且降低了功率器件的电流应力和直流链电容的电压；王强等4利用 Saber 软件对设计的开关电源进行仿真，模拟反激式电路的环路控制，仿真结果表明设计的两路直流输出电压效率高达 90%；王霜等5详细分析了开关电源电路的工作原理及控制电路的设计方法，并在仿真软件Multisim 中搭建了仿真电路，验证了设计的正确性。目前，反激式变换器的优化设计是研究重点。针对反激式开关变压器的原边漏感对电路性能及开关管产生的重要影响，在变压器原边添加 RCD 钳位电路可抑制由原边漏感产生的电压过充。高梦莹等6给出 RCD 钳位电路参数设计范围，强调超出这一参数设计范围会影响反激式开关电源变压器的能效；曹子轩等7设计了一款多路输出的反激式开关电源，为达到输出电压稳定、系统响应快以及增强电路抗干扰能力，设计了反馈环路补偿电路，并给出了电路设计步骤；朱彩莲等8以 UC3842 为控制芯片，设计了一种 AC-DC 开关电源，能对输出电压进行精确调节，从而满足设计需要。为解决开关元件的高频动作导致变压器在高频信号下出现的寄生电容问题，路染妮等9对反激变压器绕组进行建模，分析得出不同层之间的绕组均会形成寄生电容，且当绕组之间的间距增大时，寄生电容随之增大，反之寄生电容减小。最后通过实验得出差模干扰是传导干扰的主要组成部分，同时共模干扰doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.028基于 UC3842 的反激式开关电源设计戴路，张闽，刘欢，张永春（223003 江苏省 淮安市 江苏财经职业技术学院 智能工程学院）摘要 现代电子设备对直流电源的要求越来越高，为实现小功率开关电源的微型化、高效化和低成本，设计了一款基于 UC3842 的反激式开关电源。介绍了反激式拓扑结构和高频变压器的设计参数，控制芯片外围电路的功能及工作过程。实验结果表明，设计的开关电源可提供两路输出电压且具有稳定性好、纹波少的特点，验证了设计的正确性。关键词 开关电源；UC3842；高频变压器 中图分类号 TP273 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0133-04引用格式：戴路,张闽,刘欢,等.基于 UC3842 的反激式开关电源设计 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):133-136.Design of flyback switching power supply based on UC3842DAI Lu,ZHANG Min,LIU Huan,ZHANG Yongchun(School of Intelligent Engineering,Jiangsu Vocational College of Finance and Economics,Huaian 223003,Jiangsu,China)Abstract Modern electronic equipment has higher and higher requirements for DC power supply.In order to realize the miniaturization,high efficiency and low cost of low-power switching power supply,a flyback switching power supply based on UC3842 is designed.It introduces the flyback topology,the design parameters of high-frequency transformer,the function and working process of the peripheral circuit of the control chip.Experimental results show that the designed switching power supply can provide two output voltages and has the characteristics of good stability and less ripple,which verifies the correctness of the design.Key words switching power supply;UC3842;high-frequency transformer收稿日期：2022-01-11 134农业装备与车辆工程 2023 年是辐射干扰的主要组成部分；康立学等10对设计的功率主回路、驱动控制电路、输出反馈电路等分别进行设计和仿真，同时揭示开关电源的运行原理。开关电源具有效率高、体积小、输出电压稳定的特点，以 UC3842 为控制芯片，设计了一款单端反激式开关电源，输入电压为 280350 V，输出电压为 12 V 和 16 V，电压纹波小于 100 mV。1 反激电路工作原理开关电源是一种电能转换装置。利用电容和电感作为储能元件，依靠功率开关管的导通与关断，以磁场能的形式存储能量；经过整流滤波后将能量传递给负载，得到脉动小的直流电压，从而实现电压的转换。图 1 为反激式开关电源拓扑原理图。当PWM 信号输出高电平时，功率开关管导通，电流经初级绕组形成一个回路，次级侧同名端电压极性为负，整流二极管截止，能量无法传输到次级绕组，此时初级绕组存储能量。当 PWM 信号输出低电平时，开关管关断，此时次级绕组导通。由电磁感应原理可知次级绕组产生感应电压，经整流滤波后输出直流电。2 UC3842 简介电路控制芯片采用 UC3842，共有 8 个引脚，外接元件少，能直接驱动功率开关管。UC3842 的启动电流较低，与高频变压器配合可实现电网隔离。UC3842 的内部框图如图 2 所示。为保证电路的正常工作，供电电压不能过高或过低，供电端口有 36 V 的稳压管，表示其最高电压不能超过 36 V。电压过低会导致芯片内部欠压锁定，输出低电平使开关管停止工作。输出电压经过稳压后得到 5 V 参考输出电压，通过电阻RT为电容CT提供充电电流，使其产生一定频率的三角波，且参考输出电压经过分压电阻产生 2.5 V 作为误差放大器的正输入端，负输入端为接入的反馈电压。反馈电压和基准电压进行比较，二者产生压差时会对脉冲宽度进行调节。从误差放大器出来的另一路是 COMP 端，其外接阻容元件，用来改善误差放大器的增益性和频率特性。电流检测端和功率管的源极或发射极接入阻值较小的取样电阻，把取样电流信号转化成电压信号。取样电阻的电压一般在 1 V 以下，它的变化直接影响推挽输出脉冲宽度的变化。当电路中有短路负载或功率管电流增大时，导致取样电阻电压超过 1 V，此时输出端停止脉冲输出，从而有效保护了功率开关管不受损坏。3 电路设计与参数选择3.1 芯片供电电路UC3842 芯片采用供电绕组方式供电，但当电路未达到稳态时，供电绕组无法直接给芯片供电，需要设计一个启动电路，通常采用阻容电路提供启动电压。电阻值依据芯片的启动电流 1 mA 进行选取，电阻值过大会造成芯片不能正常启动，过小会导致流过电阻的电流过大，使功耗过大，造成整体电路功率下降。电压升至 16 V 后芯片开始工作。此后由于电阻提供的电流不足以使芯片正常工作，电容电压降至 14 V，此时芯片由供电绕组供电。3.2 高频变压器的设计高频变压器具有能量传递、电压调整、隔离绝缘的作用，其设计的好坏决定了电路工作性能的优劣。输入：280350 V；输出：16 V，1 A；12 V，1 A；占空比：0.4；变压器工作频率：50 kHz；电源工作效率：70%输出功率：PO=161+121=28 W (1)输入功率：WPP40in0=(2)根据面积乘积法（AP 法）确定磁芯型号，选取高频变压器的型号为 EE3528。初级侧峰值电流：.AIDUP20 71maxminininP=(3)初级侧电感量：.mHLIfDU3 15maxmaxinPP=(4)初级绕组匝数计算：图 1 反激式拓扑原理图Fig.1 Flyback topology schematic图 2 UC3842 内部结构框图Fig.2 UC3842 internal structure block diagram?135第 61 卷第 3 期NBAfDU132maxmaxinPe=(5)反射电压：VUDDU1187maxmaxmaxinOR=-=(6)根据反射电压与原边副边匝数比的关系，可得：.NNUU114 38OSPOR=+=(7)故次级绕组匝数：.N14 381329 18S=(8)供电绕组匝数：.N1211619 1812power=+=(9)式中：PO输出功率；Pin输入功率；电源工作效率；IP初级侧峰值电流；Dmax最大占空比；Uinmin最小输入电压；LP初级侧电感量；f开关频率；NP初级绕组匝数；B磁感应强度；Ae磁芯有效截面积；UOR反射电压；UO输出电压；NS侧级绕组匝数；Npower供电绕组匝数。3.3 PWM 控制电路PWM 控制电路采用芯片 UC3842。如图 3 所示，振荡器频率由 UC3842 引脚 4 外接的 R2 和 C3决定，它决定 PWM 输出脉冲信号的频率。采样电压（2 脚）与参考电压 2.5 V 进行比较，产生误差放大电压信号作为负输入端，而正输入端是变压器中初级绕组电流采样电阻的信号，两者经过比较产生 PWM 信号。电流控制模式具有 2 个反馈控制环，一是监测输出电压波动情况，二是监测初级电流并对每个周期进行过流控制，以此来实现过流保护。当 UC3842 工作后，PWM 锁存器在时钟脉冲的作用下置位，从锁存器的 Q 端输出高电平驱动信号使开关管导通，此时电路中的电流开始增大。当电流检测采样电阻上的压降超过取样电压与基准电压比较而形成的误差信号时，电流检测比较器翻转，锁存器从高电平复位，Q 端输出的驱动信号变为低电平，从而导致开关管关断，直至下一个时钟脉冲将 PWM 锁存器复位。3.4 电压反馈电路电压反馈电路决定 PWM 锁存器的输出驱动信号，由可调电压源 TL431 和光耦件 PC817 组成。TL431 输出电压在一定范围内可调，为电压反馈电路提供基准电压，其内部有一个误差放大器，用来放大输出电压和基准电压的误差信号。根据外接电阻大小可以输出不同电压值，线性关系见式（1）。光耦件以光为介质实现“电-光-电”的转换方式，故具有良好的电绝缘性和抗干扰能力。VVRR1Oref21=+()(10)式中：VO输出电压；Vref 参考电压；R1，R2分压电阻。电压反馈过程如下：当输出电压升高时，TL431 稳压值升高，导致流过光耦器中二极管的电流减少，光减弱，光电三极管中的电流也相应减小。电路图如图4所示。反馈电压送到UC3842的引脚1，经过 PWM 锁存器输出脉冲宽度变窄，驱动信号占空比减小，进而使输出的电压下降，确保输出的电压值稳定，反之亦然。3.5 钳位电路为降低