基于UC3842 的直流斩波变换器研究与设计＊

孙 强，徐嘉成，郭晓钰，李丹丹，吴亚辉，杜艳红，吕海英

（1.天津农学院 工程技术学院，天津300384；2.国网天津市电力公司宝坻供电分公司，天津301800）

直流斩波系统有体积小、质量轻、电路简单以及效率高等方面的优点，因此在便携式的电子产品、航空航天、电力电子器件以及工业控制等领域中得到广泛应用[1]。早期的电源一般都是工频整流线性电源，其体积大、功率小、能量密度低，且效率仅有30%～40%。但随着现代电力电子器件的发展，现有的直流斩波系统（DC-DC 开关电源）以MOSFET为开关器件，其工作频率为300～500 kHz。高频化使开关电源的效率提高，体积减小，能量密度增大，已经成为电源发展的趋势，同时高频化也可使经济效益达到最大化[2-3]。

1 直流斩波系统原理

直流斩波系统是目前电源中最重要的一种，它实现了输入端一种等级的直流到输出端另一种等级的直流的转化。本文设计的直流斩波系统工作流程如图1 所示，其主要模块由输入模块、输出模块、滤波模块、控制模块、稳压滤波模块、采样反馈模块组成。本设计中采用PWM 控制方式，实现了降压斩波功能。UC3842 是一款性能优良的电流控制型脉宽调制芯片，在电路正常工作后，取样电路反馈的低压直流信号会经过芯片的2 引脚进入误差比较放大器中，与其内部的基准电压进行比较，比较后产生的误差信号反馈给控制模块，实现闭环控制，从而达到稳定输出电压的目的。

图1 直流斩波系统工作流程图

2 直流斩波系统设计

控制模块中产生频率固定的驱动信号，实现调脉冲宽度调制的工作模式，控制MOS 管的通断，从而调节输出电压的大小，使输出电压趋于稳定。芯片的锯齿波发生器提供一个恒定的时钟频率信号，通过误差放大器的电压比较器形成电压闭，通过电流比较器形成电流闭环。在比较器的输入端接入输出电流的信号和误差放大器的输出信号进行比较，来调节MOS 管驱动信号的占空比大小，从而使输出的电流大小随着误差电压的变化而变化。当电源电压或者是负载变化导致输出电压Uo升高时，脉宽调制器将使占空比减小，在一个周期内减少MOS 管的导通时间，从而将输出电压的平均值降低，以趋近理想输出电压的大小，达到稳压的目的；反之当输出电压减小时，则使占空比增大，延长周期内MOS管的导通时间，使输出电压增大。斩波系统原理如图2 所示。

图2 直流斩波系统原理图

当电源输入75 V 的输入电压时，经过输入滤波模块，去掉谐波后进入直流斩波的主电路，当MOS 管导通时，电源对负载供电的电流上升，当MOS 管关断时，通过二极管进行续流，此时负载的电压接近于0 V，电流也快速下降，所以在电路中加入电感量L较大的电感。同时为了保护芯片以及功率开关管，在系统中接入回路将采样的电压、电流反馈到控制模块中，形成一个稳定的闭环系统。

3 斩波占空比计算

直流斩波系统中输入电压和输出电压的大小关系主要由控制芯片的占空比和频率来决定，当4 引脚外接的电容Ct经过8 引脚提供的Vref给Rt充电至2.8 V，在经过UC3842内部的一个恒流源Id给Ct放电至1.2 V。在充电时：

将τ=Rt×Ct代入式（1）即可得到：

放电时，由于电容在通过内部恒流源放电的同时也在通过Rt充电，所以：

经过下列推算：

可以得到频率公式：

占空比公式为：

由式（5）可以得知，最大占空比只与IDis和Rt的乘积有关，在IDis恒定的情况下，Rt越大时，最大占空比就越大。充电时间和放电时间的和即为振荡周期，从而可以计算出振荡频率，当UC3842 的3 引脚和4 引脚之间加入了RC 补偿，那么实际的振荡频率会低于计算的振荡频率。输入、输出电压波形如图3 所示。

图3 输入、输出电压波形

通过图3 可以看出，在系统输入+75 V 的直流电压时，可以输出+36 V 的直流电压，且上升时间较快，大约为3 ms。输出电压波形较为稳定，上升时间快、稳态误差小，并且超调量极小，所设计的直流斩波系统基本符合预定目标。

4 结论

通过对仿真结果的分析，本文所设计的直流斩波系统在可靠、稳定地完成所设定目标电压转换的前提下，具备一定的稳定性和抗干扰性，且响应较快。该直流斩波系统具有结构简单、安全可靠、输出电压稳定、纹波系数小、电能质量好以及转换效率高等优点，符合开关电源发展趋势，具有良好的应用前景。