基于UC3842的三路輸出小功率開關(guān)電源設(shè)計

電源是一切電子設(shè)備的動力心臟，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和可靠性指標(biāo)。開關(guān)電源以其效率高、體積小等優(yōu)點，在通信、計算機及家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是目前便攜式設(shè)備市場需求巨大，DC－DC開關(guān)電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高。因此設(shè)計和開發(fā)開高性能的開關(guān)電源具有很大的市場前景。本文以UC3842為PWM控制器設(shè)計了一種48V轉(zhuǎn)+5V，±15V開關(guān)電源。

UC3842是由Unitrode公司開發(fā)的新型控制器件，是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，主要由振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、脈寬調(diào)制鎖存器等功能模塊構(gòu)成。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器。

電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)6腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反饋到3腳，維護系統(tǒng)的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與圖2系統(tǒng)原理圖內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關(guān)功率管的導(dǎo)通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的ＲC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。

圖1 UC3842結(jié)構(gòu)原理圖

本文所設(shè)計的小功率開關(guān)電源預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：Vin=48V（允許20%的波動）;主輸出：+5VDC@2A，電壓精度0．5%，紋波系數(shù)小于0．5%（峰峰值20mV）;輔助輸出1：+15VDC@500mA，電壓精度2%，紋波系數(shù)小于0．15%（峰峰值20mV）;輔助輸出2：－15VDC@500mA，電壓精度2%，紋波系數(shù)小于為0．35%（峰峰值50mV）;輸出功率：PO=25W;效率：η≥80%;開關(guān)頻率f=50kHz;最大占空比：40%。

如圖2所示，電路采用典型的直流降壓斬波電路，主要由PWM主控器電路、功率管及驅(qū)動電路、輸出電路、電壓反饋電路、電流采樣及濾波電路以及上電切換電路等部分組成。

根據(jù)指標(biāo)要求，繞變壓器時為了給變壓器留有足夠的余量，電壓波動按20%計算，當(dāng)輸入電壓+48V時，則最小輸入電壓Vin（min）=43．2V，最大輸入電壓Vin（max）=52．8V。取開關(guān)頻率f=50kHz，則T=20μs。取轉(zhuǎn)換效率η=80%，最大占空比Dmax=40%。則tomax=20&TImes;40%=8μs。

電力MOSFET是近年來發(fā)展最快的全控型電力電子器件之一。它的顯著特點是用柵極電壓來控制漏極電流，因此所需驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單;又由于是靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子導(dǎo)電所需的存儲時間，是目前開關(guān)速度最高的電力電子器件，在小功率電力電子裝置中，是應(yīng)用最為廣泛的器件，因此開關(guān)管選取電力MOSFET。

所選取的MOSFET管的耐壓值應(yīng)大于：KTVo+Vin（max）=100．8V;平均電流：IAV=1/2*DIP=0．772A，綜合考慮這里選擇MOS開關(guān)管IＲF640，18A/200V的管子，其導(dǎo)通電阻為0．15Ω。

整流二極管的選取肖特基二極管，根據(jù)二極管承受的反相電壓的計算公式：

可以計算輸出電壓分別為+5V、±15V時二極管承受的反相電壓116．0V、32．6V。因此選用型號為SＲ560和SＲ160肖特基二極管。

由肖特基二極管的結(jié)電容在幾百皮法左右，結(jié)電容在導(dǎo)通時容易積累電荷，當(dāng)副邊電流減為零時，結(jié)電容會通過電感線圈放電，從而產(chǎn)生振蕩。為了防止這種情況的發(fā)生，在+5V輸出端肖特基二極管兩端併上較大的電容，以增大振蕩周期，減少高頻振蕩，如圖2所示。

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能，這里要采用π型濾波，取L=10μH，選用1000μF/35V的鋁電解電容，如圖2所示。

MOS管驅(qū)動電路有柵極驅(qū)動電阻ＲG、下拉電阻Ｒ2、保護穩(wěn)壓二極管VD組成3部分組成，如圖2所示。ＲG選用33Ω、1/4W的電阻。下拉電阻Ｒ2可以保證MOS管關(guān)斷時的可靠關(guān)斷，這里選取20K的電阻［9］。由于MOS管的|VGS|＜20V，因此這里選取18V的穩(wěn)壓管，1N4746。

設(shè)計電源切換電路目的是為了減小uc3842串聯(lián)的分壓電阻的功耗，如圖2所示。剛上電時由分壓電阻Ｒ8給uc3842提供電源，此后當(dāng)整個電路工作起來之后，由輔助線圈給uc3842提供電源，即當(dāng)輔助線圈電壓高于11V時，自動切斷Ｒ8與uc3842的通路電源改由Vi提供。原理描述：Ｒ10與穩(wěn)壓管VD2串聯(lián)構(gòu)成15V、2mA的穩(wěn)壓源，給LM393提供15V的電源，Ｒ3、Ｒ6分壓構(gòu)成11V的比較電壓，用于設(shè)定電壓切換門限，V1、V2三極管這里起開關(guān)作用;Ｒ2為限流電阻，Ｒ1為開關(guān)管的基極偏置電阻;LM393用于比較輔助線圈與電壓切換門限，當(dāng)輔助線圈電壓高于電壓切換門限時LM393輸出低電平控制開關(guān)管關(guān)斷;VD3為18V穩(wěn)壓二極管為了保護uc3842鉗位uc3842的電源電壓，保證uc3842在18V以下工作;VD1為整流二極管，防止uc3842上電電源倒灌，Ｒ7為下拉電阻，防止D2反向漏電電流造成比較電路誤操作，C1、C2、C10分別為去耦電容;Ｒ4、Ｒ5為限流電阻，防止外部強驅(qū)動電源直接接入。

（1）MOS柵極電壓驅(qū)動波形如圖3所示。圖3MOS柵極電壓驅(qū)動波形

（2）電流采樣電阻上的電壓波形如圖4所示。

（3）+5V輸出濾波之后的波形如圖5、圖6所示。從圖5可以看出電壓穩(wěn)定在+5V;從圖6可以看出電壓紋波限制在50mV以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求。

（4）+15V輸出濾波之后的波形如圖7、圖8所示。

從圖7中可以看出電壓穩(wěn)定在+15V，精度已經(jīng)達到了5%以內(nèi)要求;從圖8中可以看出此路的電壓紋波也達到了20mV，達到了1%的紋波要求。

（5）－15V輸出濾波之后的波形如圖9、圖10所示

從圖9中可以看出電壓穩(wěn)定在－15V，精度已經(jīng)達到了5%以內(nèi)要求;從圖9中可以看出此路的電壓紋波也達到了50mV，達到了1%的紋波要求。

針對小功率開關(guān)電源的要求，本文以UC3842為PWM控制器，采用電阻，TL431和線性光耦等元器件構(gòu)成電壓采樣反饋電路，設(shè)計了一種48V轉(zhuǎn)+5V，±15V開關(guān)穩(wěn)壓電源，性能達到了預(yù)期指標(biāo)要求，該產(chǎn)品具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各類小功率變換場合。