基于UC3842的小型开关电源设计与仿真

龙志国

（中国电信股份有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430071）

0 引 言

线性电源是线性稳压电源（Linear Regulated Power Supply，LPS）的简称，其内部调整管工作在线性区，即相当于一个可变电阻，通过改变其阻值来达到调节输出电压大小的目的。线性电源的电路很简单且输出电压稳定，但由于其调整管工作时电动势降落很大，功耗随之较大，效率较低[1]。

开关电源则是开关稳压电源的简称，内部功率开关管工作在高频开关状态，以MOS管为例，导通时RDS一般在几欧姆左右，而关断时其漏-源极电阻很大，为断路状态，这也就是“开关”的名称由来。开关电源的优点是由于其内部工作在高频状态，自身功耗很低，电源效率也就比线性电源要高一倍左右；体积和质量要比相同输出功率的线性电源小很多。同样由于工作在高频状态，输出的纹波噪声大则是其最大的缺点[2]。

随着科技的不断发展与进步，各类电子产品对低功耗的要求越来越高，开关稳压电源因其体积小、效率高、稳定性好等突出的优点而逐渐代替了原来的线性稳压电源，也越来越普遍地被人们所使用,小到日常生活中的充电器适配器，大到智能电网及军工设备均有开关电源的应用，在未来会有更好的发展前景。

1 开关电源的原理

“开关”是开关电源重要的一部分，也即是功率管。为了控制其通断需要有一个控制电路，按照原理来分大致有脉冲宽度调制式（Pulse Width Modulation，PWM）、脉冲频率调制式（Pulse Frequency Modulation，PFM）、脉冲密度调制式（Pulse Density Modulation，PDM）和混合调制式。在实际生活中，以PWM控制器应用最广。

开关电源电路由输入整流滤波电路、功率开关管及高频变压器、控制电路（这里采用PWM控制）、输出整流滤波电路和反馈电路等5个部分构成。其工作原理如下：输入端的220 V交流电压首先通过输入整流滤波电路整流成直流电压，再由控制电路所控制通断的功率开关管的高频斩波之后经高频变压器降压，得到高频交变电压，最后经过输出整流滤波电路整流得到所需要的直流电压。而控制电路则根据反馈电路反馈回来的信号进行占空比调节，作为功率开关管的驱动信号，进而在每一个周期都能实时地调节输出电压，达到使输出电压稳定的目的。

2 单端反激式开关电源的设计

单端正激式与反激式开关电源在电路图上仅有很小的差别，主电路都是一个功率开关管、一个高频变压器和一个控制器，在高频变压器上只有同名端接法的区别，然而其原理上却有天差地别。

反激式开关电源线圈绕组相对极性是故意设计的，在MOS管导通时，初级电感线圈储存来自输入电源的能量，电动势为上正下负，次级线圈由于同名端相反，电动势上负下正使二极管反向偏置，没有电流流动，也即次级线圈不导通。而当MOS管关断后，由楞次定律可知，初级线圈上的电流不能突变，感应出的电动势反向，变为上负下正，高频变压器线圈储存的能量释放到输出侧，次级线圈电动势变为上正下负，导通二极管，经滤波后输出电压。

正激式开关电源同名端相同，其高频变压器的初级次级侧绕组同时导通，这也就是与反激式原理上最大的不同点，导致磁芯中的磁通几乎完全抵消，需要一个复位绕组在开关管关断时进行续流。而且，由于高频变压器仅仅起着变压的作用，因此在输出端还需串联一个电感作为能量的储存和传递元件。在MOS管导通时，初级线圈电动势上正下负，次级侧由于同名端相同也为上正下负，二极管导通；MOS管关断后，次级绕组同样关断，复位绕组则将其储存的能量释放出来，通过续流二极管继续输出电压。由于在每个周期内都必须保证变压器复位，因此正激式开关电源的占空比一定不能大于50%，该电路的实际应用很少。

UC3842是目前使用很广的一种电流型的单端反激式脉冲宽度调制控制器集成芯片，具有引脚少（DIP-8或者DIP-14封装）、外围电路简单、性能优良等优点。

UC3842内部电路及引脚如图1所示，当为DIP-8封装时，1号引脚COMP补偿端接外部阻容元件，可对控制回路进行补偿；2号引脚反馈端接开关电源输出电压反馈回来的信号，通过调节方波的占空比实现对功率开关管的控制；3号引脚电流检测端接外部电流检测电阻来对UC3842芯片进行限流保护，电流检测电阻串联在MOS管的源极与地之间，是一个组织很小的功率电阻；4号引脚/端是外接定时电阻和定时电容的公共端，也就是振荡器产生锯齿波周期的频率控制端；5号引脚GND为公共地端；6号引脚OUT为脉冲宽度调制信号的输出端，为单图腾柱式输出结构，输出级由两只晶体管串联控制且为交替工作；7号引脚为芯片的工作电压端，需要接入16 V以上的启动电压；8号引脚是UC3842内部5.0 V基准电压的引出端[3]。

图1 UC3842内部电路及引脚

从图1中可以看到，UC3842就是将误差放大器、比较器、振荡器、PWM锁存器等电路集成在一个芯片中，原理与开关电源的电流控制型电路相同。电流控制型电路与电压控制型电路相比较多了一个电流反馈回路，是从功率管下端所接电流检测电阻上反馈回去的电压，简单点说也就是双闭环反馈控制系统。输出端通过分压或者光耦合器隔离反馈回来的电压经过与基准电压进行误差放大后，再与电流检测电阻上的电压进行比较，输入到PWM锁存器的复位端口，而由振荡器产生的特定周期的锯齿波输入到PWM锁存器的置位端口，从PWM锁存器的输出端输出占空比随之而变化的方波，也就是PWM波。当高电平时导通功率开关管，低电平时关断开关管[4]。

本文设计的小型开关稳压电源要求是输入电压为50 Hz，220 V交流电，输出电压为连续可调的5～12 V直流电压，最大输出电流能达到3A。开关电源的整机电路如图2所示，可以看到开关电源由几大部分电路构成，分别为一次侧输入电路、二次侧输出电路、控制电路、反馈电路[5,6]。

在设计好各单元电路的具体参数之后，可以绘制出该开关电源设计的整机电路如图2所示[7]。

3 电路的仿真验证

用OrCAD画出开关电源的整机电路,如图2所示，输入220 V正弦交流经整流滤波后的直流电压如图3所示，平均值约为311 V；UC3842芯片公共定时端所产生的锯齿波波形如图4所示，其周期T约为10.373 μs，也即频率为96.4 kHz，与所设计参数基本一致；UC3842的反馈端波形如图5所示，为光耦反馈回来的信号；图6为UC3842输出端PWM波，也即是MOS管的控制信号，占空比未超过50%，为正常工作状态，无需增加斜坡补偿电路。

图2 开关电源整机电路

图3 输入端整流后直流电压波形

图4 UC3842产生锯齿波波形图

图5 UC3842反馈端波形图

图6 UC3842所产生PWM波

输出电压为12 V时的仿真结果如图7所示，5 V时仿真结果如图8所示，两者均为稳定输出。由于本开关电源的电路参数均是根据输出为12 V所设计，可以看到在输出为12 V时，电压纹波约为200 mV；而当输出电压为5 V时，电压纹波明显增大，约为500 mV。

图7 仿真输出12 V波形图

图8 仿真输出5 V波形图

4 结 论

在电路启动过程中，输出电压从0开始逐渐上升，因为电压一直低于12 V，此时对控制芯片来说是深度负反馈状态，开关管一直保持导通状态，从而电感电流逐渐增加，二次绕组上的电压也逐渐上升，直至达到12 V。

当输出电压达到12 V之后，电路整体进入稳态，反馈电路也进入到正常反馈状态。若输出电压升高到高于12 V，则精密光耦反馈电路反馈回UC3842的电压也相应升高，在内部经过误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器和门电路之后，使OUT端输出低电平，PWM波占空比减小，每个周期内功率开关管关断的时间增加，使次级的输出电压降低回到12 V；而当输出电压低于12 V时，同样根据反馈信号使得UC3842的输出为高电平，占空比增大，升高次级输出电压，从而使输出电压稳定在12 V。