基于UC3842的反激式DC/DC隔离稳压电源研制

孙驷洲 程传节 胡耀聪

（安徽工程大学，安徽芜湖241000）

基于UC3842的反激式DC/DC隔离稳压电源研制

孙驷洲 程传节 胡耀聪

（安徽工程大学，安徽芜湖241000）

文章针对以柴油发动机为动力的工程车控制系统对直流5V电源需求，利用电流型PWM控制器UC3842设计一款24VDC转5VDC的直流稳压隔离电源。分析了主电路工作原理，设计元件参数及控制电路，并通过实验结果得到验证。

UC3842；反激式；高频变压器

1.引言

工程车一般是以柴油为燃料的发动机带动发电机给车载蓄电池充电，蓄电池向控制系统供电。蓄电池输出电压为24VDC，而控制系统的芯片电压为5VDC，发电机输出电压的波动对其有一定影响，所以蓄电池和控制系统之间必须加隔离转换电源装置。工程车的电控制系统供电电源的优劣直接关系到系统稳定与否，设计优良的隔离稳压电源对整个工程车至关重要。本文利用电流型脉宽调制芯片UC3842研制了24VDC/5VDC反激式隔离稳压电源，使蓄电池电压波动不影响控制系统。

2.隔离稳压电源系统结构及其工作过程

2.1 隔离稳压电源系统结构

电源原理图如图1所示，主电路包括：+24VDC输入、EMI滤波、电容滤波、高频开关管斩波、高频电压输出、输出滤波等；控制电路包括功率开关管的占空比调节、开关管驱动及过流过压保护电路、电流电压采样电路。

2.2 隔离稳压电源系统的工作过程

图1 反激式24VDC/5VDC隔离稳压电源原理图

Unitrode公司生产的新型控制器件UC3842能产生固定频率而脉冲宽度可调节的驱动信号，控制开关管MOSFET的通断状态实现输出电压稳压。24VDC/5VDC电源系统的拓扑图如图2所示。当MOSFET管Ql的栅极为高电平脉冲时，直流电压+ 24VDC加在变压器T1的一次侧绕组两端，一次侧绕组相位上正下负，而T1的二次侧绕组相位是上负下正，整流管D2反向偏置截止，变压器的一次侧绕组储存能量；当Ql栅极低电平脉冲时，Ql截止，变压器储存的能量经过D2向负载RL释放。

图2 反激式24VDC/5VDC系统的拓扑图

3.系统设计

3.1 器件的选择

（1）高频变压器磁性材料选择：MOSFET管工作频率为80kHz，高频变压器采用国产MXO-锰锌铁氧体EI-12结构磁芯，其磁导率为μ=2000，磁芯的有效面积Ae=1.44cm2。磁芯饱和磁通密度Bs=400T，为了防止磁饱和，实际使用时取磁通密度250T；

（2）功率开关管选择：正常情况下，系统输入电压在18VDC~30VDC范围内，为了安全，选择美国IR公司生产的IRFP150型MOSFET管，其漏源极耐压100V，最大漏极电流41A，最大功耗150W，完全能满足要求。二次侧整流二极管选用S30SC4M肖特基二极管，它具有反向最大45V、30A大电流、低功耗等特点，其最大正向压降为0.55V，反向恢复时间小于10nS。

（3）高频变压器绕组设计：开关管关断时，承受的最大应力电压Vms为50V，即使加上关断瞬间开关管上值为Vms的40%（即20V）的漏感尖峰，它仍有30V的电压裕度。其变压器变比：

式中：VINmax=30V，Vo=5V，得到n=Np/Ns=3.6。

设系统效率为0.85，则输入电流IIN：

一次侧负载电流IOR：

开关功率管的最大占空比Dmax：

原边绕组匝数：

取整数Np=11，NS=11/3.6=3；其辅助电源的自馈线圈匝数为：

取整数13匝。

（4）功率MOS管的开关频率设置：功率开关频率是由UC3842芯片内部的振荡器的频率决定，而振荡器的频率是由UC3842引脚4的外接元件R11=10kΩ和C8=2200pF的参数决定，其开关频率由式7计算：

f=1.73/（C2×R2）=78.6kHz≈80kHz（7）

3.2 辅助电源

当系统正常工作时，UC3842由自馈线圈、D4、R20、C11、ZD2构成的辅助电源供电。辅助电源设计应考虑：（1）启动电流；（2）启动延迟时间；（3）在最高和最低输入电压时的充电电流。UC3842的启动电流为30uA，工作最大电流3mA，启动电压16V，关闭电压为10V。R3为降压启动电阻，直流输入24V电压经R3给电容C11充电，当C11电压充到16V时，UC3842启动工作。

实际取267k时则启动时间太长，本处R3取80kΩ。辅助电源中整流二极管选择HER107型快恢复二极管，额定整流电流为3A。

3.3 缓冲电路的设计

由于高频变压器漏电感及感性负载引起过高的开关应力，容易导致开关管的损坏，因此采用RCD缓冲网络来抑制开关应力，从而选用耐压值较低的开关管，降低了成本及系统损耗。RCD缓冲网络中电容C1和电阻R1按（9）选取：

式中：Ip为原边电流最大值，Vceo为所选择的的开关管耐压额定值，tf为集电极电流下降时间。

R1的取值必须保证在最大输入电压和最小负载电流时C1充分放电，其取值按式（10）选取：

R1=0.5toff/C2（10）

本电源系统中，D1采用肖特基二极管FR107，C1取值222/1kV，R1取值2.2kΩ/2W。

输出整流电路二极管即使采用快恢复肖特基二极管，仍然可能承受至少两倍的尖峰电压，同样需要有效的缓冲电路减少二极管应力，即在二极管两端并联RC缓冲电路。本电源系统中，C12取值103/1kV，R18取值5.1/1W。

3.4 过流、过压及欠压保护电路

电源对电路中出现短路、过压、欠压具有保护功能，由于某种原因输出端短路而产生过电流，开关管Q1的漏极电流将大幅度上升，通过脉冲变压器TC采集Q1源极电流，经D5二极管整流，R15两端的电压上升，UC3842的脚3上电压上升。当该脚电压超过正常值0.3V，达到1V时，UC3842内置PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭UC3842的脚6输出，功率MOS管Q1截止，关闭输出，保护了系统。

图3 输出整流电路

如果直流输入电压过高，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，脚2的电压也上升，关闭其脚6输出。如果输入电压低于18V，UC3842的脚1电压也下降，当降至1V以下时（正常值为3.4V），内置PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭UC3842的脚6输出。

4.试验结果及分析

对设计的电路进行了实验，图4为控制器UC3842的脚4三角波振荡波形，图5为系统空载时，控制器UC3842脚6输出的MOSFET驱动波形；图6为额定负载时控制器UC3842脚6输出MOSFET管的驱动波形。功率开关管驱动波形的PWM占空比随着负载加大而增大，以满足输出电压的需要。当空载时，驱动信号占空比约为7.7%；当额定负载时，其占空比约为23%。

图4 UC3842脚4三角波振荡波形图

图5 空载MOS管的驱动波形

图6 额定负载时MOS管的驱动波形

5.结论

本文采用电流型PWM控制芯片UC3842研制了一款24DC/5VDC直流隔离稳压电源，系统具有转换效率高，电源体积及纹波小，性价比高等特点。

[1]孙驷洲，郭兴众，陆华才，徐晓光．基于UC3846的24V/24V直流隔离电源研制[J].安徽工程大学学报，2011，（2）:59-61.

[2]房绪鹏，等．基于UC3842的反激式开关电源设计[J].山东科技大学校报，2011，（8）：99-105.

[3]陈铁军，王梓宇，黄峰茜.基于双电流控制模式的开关电源的设计[J].电源技术，2009，（2）:168-170.

[4]谬仲翠，张海明.基于UC3842直流斩波电源的设计[J].电源技术，2012，（12）:1887-1888.

[5]陈富军，衡耀付，季钢.新型开关稳压电源的优化设计与实现研究[J]，河南大学学报（自然科学版），2010，（7）:357-360.

（责任编辑：刘伟）

TM433

A

1671-752X（2015）03-0054-03

2015-05-25

孙驷洲（1976-），男，安徽和县人，安徽工程大学电气学院讲师。

安徽省大学生创新创业训练计划（编号：AH201310363231）；安徽省科技攻关计划项目（编号：1501021015）；芜湖市2014年度科技计划重点项目（编号：2014cxy06）。