基于UC3842B直流开关电源的设计研究

贵州大学大数据与信息工程学院 袁智明 杨 晨

基于UC3842B直流开关电源的设计研究

贵州大学大数据与信息工程学院 袁智明 杨 晨

直流开关电源在集成电器、工业控制领域、医疗设备、军用设备等领域具有广泛应用，本文对基于UC3842B集成电路模块设计的直流开关电源展开了研究。其电路结构包括了三个部分：AC-DC转换电路、DC-DC转换电路和控制电路。通过该电路对输入电压的调控，最终实现了将输入的220V/50Hz的交流电压转换为10V和5V的直流输出电压，并达到了对输出负载的电压电流的检测和调控的作用。最后，本文还进行了电压特性及热效应的分析。

UC3842B；AC-DC转换电路；DC-DC转换电路；控制电路

0 引言

随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用[1-2]，其高效的转换率，简单的可控性使其占据了巨大的市场份额。相较于线性电源的体积大、重量重、转换效率低、输入电压窄、需要较大的滤波电容[3]，开关电源是利用现代电子技术，通过控制场效应管的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源[4]。它具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围可调等优点[5]。UC3842B集成电路模块具有检测电压电流，并将其信息传入脉宽比较器，再通过脉宽调制技术（PWM）控制场效应管的开关占空比，从而控制输出功率的大小的功能。故本电路原理如图1所示，它是基于UC3842B集成电路模块所设计的电路，其中 DC-DC转换电路采用了单端正激变换器，相比于单端反激式变换器，其输出功率较高[6]。其中，控制电路的电压电流都是由单端正激变换器的感应电势提供，降低了开关电源自身损耗，提高了转换率。

图1 直流开关电源原理图

1 开关电源原理

直流开关电源的结构依据功能可以分为三个部分：AC-DC转换电路、DC-DC转换电路和控制电路。其中AC-DC转换电路是对输入的电压进行变压及滤波，使交流电变为直流电，但是，其电路结构简单，缺少保护电路，存在着安全隐患。所以，本电路基于UC3842B形成了控制回路，该电路主要是对输出负载的电压、电流进行检测并通过脉宽调制技术调控，使负载用电器能够在安全范围内运转。而DC-DC转换电路：(1)是接受控制回路的输出负载调控信号；(2)是满足多端输出负载的要求。整个电路结构如图2所示。

图2 直流开关电源设计

2 AC-DC转换电路

AC-DC转换电路是将交流电转换为直流电的功能电路。如图3所示，交流电通过变压器进行低频变压将220V/50Hz交流电变压为55V/50Hz，再通过整流桥进行整流使电路的波形由正弦波变为单向脉动波，最后通过电容滤波升压形成了稳定的直流电压76V[7]。

(1)整流桥的耐压，考虑最大输入电压：

(2)整流二极管的峰值电压：UINMAX*1.414=80V

取50%的幅值裕量，得80V*1.5=120V，根据整流桥的实际电压等级，选择了3N256型号二极管。

(3)滤波电阻是对单向脉动电压中的噪声进行滤波，阻值相对较小，以减少元件功耗。

(4)滤波电容的容量值会影响整流滤波后输出的波纹电压，电容值过小时会使直流电压中夹带噪声，影响后续电路对电压的调控。根据波纹电压的检测结果和直流稳压电源设备输出直流电压的指标本设计对电容的容量值和耐压值进行了设定。最终根据示波器显示的结果对电容的参数值进行调整，选定300uF/100V的电容作为滤波电容[8]。

图3 AC-DC转换电路结构图

输出电压如图4所示（左图仿真，右图实测），电压值为76.4，误差在设计允许范围内。可以看出波纹电压中的波纹很小，上下幅度不超过3%，这有利于后续电路DC-DC转换电路对电压的使用和调控。

图4 AC-DC转换电路输出电压

3 DC-DC转换电路

本文采用了单端正激变换器，同时也是多端输出的隔离式变换器。如图5所示为整个转换电路的设计图。由图可以看出它是以变压器为核心的多端输出变换器。该变压器四个端口皆为同源端，其中左上端的端口为初级输入端，左下端为向控制电路提供电压电流的输出端，变压器右边为两个输出端：负载1、负载2。其中R3、C4和D1形成CR释放回路。其作用是将变压器中的感应电流转入到主回路当中，其中R3是对二极管的电流的一个限流，电容可以使流过电阻的电流更快更稳。D1、D2都是对输出端的电流进行滤波，其中D2滤波后的电压为控制电路提供电源，同时也将负载输出电压变动情况传送给控制电路。负载1、2输出端的二极管是高频二极管，电容是对单向脉动电压进行滤波使电压变为稳定的直流电压。最后输出如图6、7所示（左图仿真，右图实测），分别为负载1（10V）和负载2（5V）两个端口输出的电压。

图5 DC-DC转换电路

图6 负载1输出端电压

图7 负载2输出端电压

4 控制回路

该控制电路是基于UC3842B集成电路模块设计的，它具有检测电压电流，并且通过PWM对输出负载进行调控，使负载能够在安全范围内稳定的运转。

PWM控制型一般分为电压控制型和电流控制型。电压控制型是通过反馈电压调节脉宽[7]，电流控制型是通过输出电感线圈的电流信号与误差放大器输出的信号相比较来调节占空比[8]。UC3842B形成的控制电路就是电流型控制电路。该控制电路是通过软启动的电路。如图8所示，C1电容进行蓄积电压使输入电路达到开启电压16V，其中C2使对输入的工作电压进行滤波，使单项脉动电压的电压值稳定在运转电压的范围内（10V-30V）。

UC3842B的内部工作方式是锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和电流检测比较器形成电压闭环，利用电流检测比较器构成的电流闭环，在脉宽比较器的输入端直接对电感电流与误差放大器的输出信号进行比较，从而调节驱动信号的占空比，使输出的负载功率改变[9]。

其外接电路有四部分：

(1)震荡电路是由R10、C9和C7构成。C9是确保UC3842B引脚8输出的5V基准电压的稳定，当C7上的电压达到一定程度使UC3842B内部就会出现泄压，使引脚4上的电压只变小，最终形成锯齿波，当R10＞5kΩ时，其频率满足f=1.8 / (C7*R9)。

(2)电压检测电路是对输入控制电路的电压进行检测，通过R2和R7对输入的电压进行分压将截取的电压接入引脚2，该引脚端通过误差放大器将电压波动导入脉宽比较器当中，对PWM进行调整。引脚2与引脚1之间接了并联的电容和电阻是为了决定放大器的闭环增益和频率响应，使芯片稳定工作[10]。

(3)电流检测电路如图由R4、R5和C3组成，R4将流过电感线的电流转换为电压。由于MOSFET出于高频开关状态，所以R4上的电压不是稳定的直流电压，通过R5和C3的滤波使其变为稳定的电压作为电流检测的信息。

(4)MOSFET控制电路是以MOS管为核心通过PWM信号进行控制的，由于其高速的开关MOS管的漏极产生了较为严重的噪声[11]，C11、R1和D5构成了缓冲电路，当开关断开时，C11进行蓄电，由于D5正向，所以较快，使场效应管的漏极电位不会产生噪声。当开关导通时，由于D5反向，R1电阻阻值相对较大，使电容的电流流出较慢，降低了噪声的峰值。

图8 基于UC3842B的控制电路

5 热像分析

直流开关电源的功率转换率的高低是衡量其性能的一个重要标准，而通过电路中的各元器件的功耗也可以分析电路存在的问题和不足。如图9所示为本电路的实物热像仪扫描图，由图可以看出，电路中有些元件的温度较高，说明这些元件的功耗较高，电路设计有待调整。如图显示，最上面的两个亮点是泄放回路中的电阻和电容，可以看出其功耗较大，根据整个电路的数据情况可以考虑将其用电感替换，接下来的几个较亮的点都是二极管，说明他们的型号有待调整。

图9 电路板工作状态下温度扫描

6 数据检测

在仿真过程中，所使用的元器件包括UC3842B集成电路模块都存在着理想化，通过实物搭建，将现实电路的情况与理想的电路状况的差距显现出来。这里我对事物的主要几个数据进行了分析，如表1所示。其中输出的PWM的频率受UC3842B输入的电流影响最重，它会随电流的增大而大幅度或成倍增长。其余几个数据也与预期参数有所差距，但都在可接受范围内。

表1 电路板各项指标

7 总结

基于UC3842B的直流开关电源设计综上所述可以看出，其电路结构相对简单，易于根据用电器用电的具体情况进行更改，且对于输出的电压电流的检测范围尺度易于修改，其高频率的PWM信号确保了基于UC3842B的控制电路对于输出功率的精密调控。同时，高效的转换率，和自身的低损耗，免除了过温电路的设计需求。其简易的结构和稳定的工作状态满足了各种用电器的需求，符合了市场的要求，符合了现在电子行业的发展方向。

[1]杨镇遥,胡越黎,杨文荣．一种锂电池充电电路的设计[J]．电子技术与软件工程,2014,(24):91-93．

[2]朱世盘,张永超,史忠诚．智能变电站中高频开关电源技术应用[J]．中国电力,2015,(01):142-145．

[3]杨法．线性电源VS开关电源[OL]．科技园地,2013．

[4]赵东．电动汽车车载充电器设计[D]．北京交通大学,2015．

[5]邵联合,黄桂梅．直流开关稳压电源的设计[J]．轻工科技,2014,(03):42-43．

[6]王伊笑．多路输出DC/DC模块电源的设计与实现[D]．西京学院,2015．

[7]张凤运,段书凯,王丽丹,钟宇平,李波．单相AC-DC变换电路设计[J]．西南大学学报(自然科学版),2015,(01):155-162．

[8]谢潇磊,刘亚东,孙鹏,盛戈皞,江秀臣．基于电容分压法的配网线路智能电压传感器[J]．仪器仪表学报,2016,(05):1000-1009．

[9]肖铁．基于UC3842输出DC5V/5A的开关电源设计[J]．科技展望,2016,(19):166．

[10]金花．基于UC3842的过压过载保护电路研究[J]．产业与科技论坛,2016,(23):40-41．

[11]赵希洋．大电流可并联直流开关电源模块研究[D]．西安石油大学,2014．

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

国家自然科学基金（61604046）“半导体功率器件可靠性教育部开放课题”。

袁智明（1994—），男，新疆农二师人，学士，助理工程师，主要从事半导体工艺及集成电路研究。

杨晨（1932—），男，贵州贵阳人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事半导体测试，嵌入式开发等工作。