基于UC3842的多路电源设计

安徽工业大学

毕业设计(论文)任务书

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基于UC3842的多路输出电源设计

电气与信息工程学院

毕业设计(论文)的主要内容及要求：

主要内容：

1. 开关电源的原理及拓扑结构； 2. UC3842的结构及工作原理； 3. 反激开关变换器设计； 4． 电路原理仿真； 5． 电路PCB设计。

指导教师签字：

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?摘??要?

在当代经济和科技高速发展的时代，电源起到了关键性的作用。电源设备是电力电子技术的一个重要应用领域。目前，随着电源技术的蓬勃发展，开关电源朝高频化、集成化的方向前进。与线性稳压器相比，虽然开关电源设计比较复杂，某些指标可能比不上线性稳压器，且噪声较大，但是高频开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定等突出优点而备受青睐，得到了广泛的应用。

本文利用反激式电路变压器的特点，基于UC3842设计了一种多路输出反激式开关电源，可提供三路输出电压，并且可以随着输入电压的变化而调节PWM输出保证输出电压稳定。论文介绍了几种常用的开关电源拓扑结构，通过分析，为本设计选择合适的拓扑结构。文中简单描述了PWM控制芯片UC3842的结构，并根据 UC3842 的特性给出了详细的电路参数及高频变压器的详细设计方法，包括最大占空比计算、原边与副边匝数计算、导线直径计算等。最后通过PSIM软件对所设计的开关电源电路进行了建模仿真，分析了其仿真波形图并设计了该电路的PCB。

关键词:反激变换器, UC3842, 高频变压器

Ⅰ

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?Abstract?

Power supply has played a key role in the era of rapid development of contemporary economic and technological. Power supply is an important application field of power electronics technology. At present, with the rapid development of power supply technology, switching power supply go toward the high-frequency integrated direction. Compared to linear regulators, switching power supply design is more complex, some indicators may not be good as linear regulator, and the noise is big, but because of its small size, light weight, high efficiency, stable performance and other prominent advantages, the high-frequency switching power supply is favored and used widely.

In this paper, taking full advantage of the characteristics of the flyback transformer, a multiport flyback switching power supply is designed based on the UC3842, which provides three output voltage and can adjust the PWM output to ensure stable output voltage as the input voltage changes. This paper introduces several commonly used switching power supply topology, the appropriate topology for this article is selected by analyzing. The dissertation briefly describes the structure of the PWM control chip UC3842, designs the detailed parameters of flyback and the computational process of transformer, including duty cycle, windings of primary and secondary, diameter of wire and so on. At last we use PSIM software to model and simulate the switching power supply, explain the simulation waveform and design the PCB of the circuit.

Keywords：Flyback , UC3842, High-frequency transformer

Ⅱ

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目录?

摘 要 ................................................................................................................................. Ⅰ?Abstract .............................................................................................................................. II?第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1?1.1 开关电源及发展现状 ................................................................................................... 1?1.2 开关电源分类及特点 ................................................................................................... 2?1.3 开关电源及发展趋势 ................................................................................................... 2?1.4 本文工作内容及结构 ................................................................................................... 4?第二章 开关电源的理论基础 ........................................................................................... 5?2.1 多端反激式开关电源的设计要求 ............................................................................... 5?

2.1.1 开关电源的功能要求 ....................................................................................... 5?2.1.2 开关电源的性能指标 ....................................................................................... 5?2.2 开关电源常用的拓扑结构 ........................................................................................... 6?2.3 反激开关电源的介绍 ................................................................................................... 7?

2.3.1 工作过程分析 ................................................................................................... 7?2.3.2 工作方式选取 ................................................................................................... 8?2.4 控制芯片的选型及主要功能 ....................................................................................... 9?2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 9?第三章 多端反激式开关电源硬件电路的设计 ............................................................. 10?3.1 UC3842芯片主要功能介绍 ........................................................................................ 10?3.2 启动电路及辅助供电电路设计 ................................................................................. 10?3.3 电压反馈与误差放大器电路设计 ............................................................................. 12?3.4 缓冲吸收电路设计 ..................................................................................................... 13?

3.4.1 缓冲电路基本原理 ......................................................................................... 13?3.4.2 缓冲电路的参数设计 ..................................................................................... 13?3.5 无源RCD钳位吸收电路设计 ..................................................................................... 14?

3.5.1 无源钳位电路原理分析 ................................................................................. 14?3.5.1 无源RCD钳位电路参数计算 ......................................................................... 15?3.6 保护电路设计 ............................................................................................................. 16?3.7 本章小结 ..................................................................................................................... 17?

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第四章 开关电源高频变压器的设计 ............................................................................. 18?4.1 估算输出和输入功率 ................................................................................................. 18?4.2 计算最小和最大输入电压和电流 ............................................................................. 18?4.3 计算脉冲信号最大占空比 ......................................................................................... 18?4.4 估算峰值电流和纹波电流 ......................................................................................... 19?4.5 磁芯参数确定方法 ..................................................................................................... 19?

4.5.1 磁芯材料的选择 ............................................................................................. 19?4.5.2 磁芯尺寸的选择 ............................................................................................. 22?4.5.3 变压器绕组计算 ............................................................................................. 24?4.6 本章小结 ..................................................................................................................... 27?第五章 反激式开关电源的PSIM仿真与PCB设计 ....................................................... 28?5.1 建模仿真与结果分析 ................................................................................................. 28?

5.1.1 PSIM软件建模 ................................................................................................ 28?5.1.1 仿真结果分析 ................................................................................................. 28?5.2 PCB电路板设计 .......................................................................................................... 30?

5.2.1原理图及原理图库文件绘制 .......................................................................... 30?5.2.2 封装的选择与绘制 ......................................................................................... 32?5.2.3 生成网络表 ..................................................................................................... 32?5.2.4 PCB电路板绘制 .............................................................................................. 32?5.3 本章小结 ..................................................................................................................... 33?总结与展望 ......................................................................................................................... 34?参考文献 ............................................................................................................................. 36?致谢 ....................................................................................................... 错误!未定义书签。?

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?第一章??绪论?

1.1 开关电源及发展现状

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，现代电子设备离不开可靠的直流电源，并且对其各项指标要求也越来越高。在直流稳压技术中，电源分为线性稳压电源和开关电源。开关电源是通过开关管关断和导通实现电压和电流变换的装置，亦称无工频变压器的电源，利用体积很小的高频变压器来实现电压变化及电网隔离。开关电源具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点，代表着当今稳压电源

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的发展方向，已成为稳压电源的主导产品。

传统线性稳压电源的技术虽然比较成熟，并且已有大量集成化的稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠性强等优点，但通常都需要体积大且笨重的工频变压器和体积与重量都很大的滤波器，而且调整管工作在线性放大状态，导致了调整管的功耗较大、散热高、效率低。20世纪50年代，美国宇航局以体积小、重量轻、效率高为目标，为搭载火箭开发了开关电源。开关电源被誉为高效节能电源，它代表了稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关稳压器的出现，彻底改变了稳压器的稳压概念，开关电源是以功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比来调节输出电压。开关电源内部的关键器件工作在高频开关状态，其本身消耗的能量很低，因此机内温升也低，保证了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般的串联稳压电源允许电网波动范围为220V(1±10%)，但开关型稳压电源可以适应电网电压在110V～260范围内的变化，并

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且可以获得稳定的输出电压。

我国的开关电源在上个世纪六十年代初研发工作才开始起步，到六十年代中期进入了实用性阶段，七十年代初期能够自主研发无工频降压型开关电源。在近二十几年中，我国的许多研发中心、企业及大学己经成功制造出型号在20kHz左右工作频率的多种电源，其输出功率在一千瓦以下，并广泛用在电脑、手机无线设备、MP4视频播放器等方面，取得了较大的成果。上世纪八十年代初期开始研发工作频率为200kHz的高频开关电源，九十年代初就已研制成功，而且逐渐走向实用阶段和再进一步提高工作频率[3]。许多年来，虽然我国在开关电源方面作了很大的努力，并取得了较大的成果。但是，目前我国的开关电源方面的技术与一些先进的国家相比仍有相当大的差距。开关电源发展到现在，有了非常广泛的应用空间与成功实例，但开关电源技术并没有达到完全成熟的地步，就如今的发展现况来说，主要存在下面几个问题：

（1）开关稳压电源存在着较为严重的开关噪声和干扰。在电源工作的过程中，功率管工作在开关状态，所产生的高频交流电压和电流通过电路中其他元件产生尖峰干扰与谐振噪声，会严重影响整机的工作。

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（2）电源电路结构复杂，难以维修。目前，在我国开关电源中的高温电解电容，高反压、大电流功率管，电源中的高频变压器的磁性材料等元器件还处在研究、开发、试制等状态。虽然，在一些发达国家，开关电源有了一定的发展，但是在实际应用当中还存在一定的瑕疵，不能完全尽如人意。这也揭露了开关电源的一个缺点：电路结构复杂，维修麻烦。

（3）成本高，可靠性低。微电子技术、阻容器件生产技术和磁性材料烧结技术等与发达国家相比，我国还存在一定的差距，所以开关电源的造价与成本不能够进一步降低，这也影响到电源的可靠性进一步的提高。

1.2 开关电源分类及特点

现代电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。 按激励方式划分可分为：他激式、自激式；

按调制方式划分可分为：脉宽调制型、频率调制型、混合调制型； 按开关管电流的工作方式划分：开关型、谐振型； 按开关晶体管的类型划分：晶体管型、可控硅型； 按储能电感与负载的连接方式划分：串联型、并联型；

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按晶体管的连接的连接方式划分：单端式、推挽式、半桥式、全桥式。 开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管输出脉冲信号的占空比调整输出电压。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，隔离型开关电源需要有高频变压器将初级的脉动直流感应至次级，由次级滤波器进行滤波稳压，输出稳定的直流电。由于开关电源的工作频率在几十千赫至上百千赫，滤波电容器、电感器的数值都较小。

因此开关电源具有重量轻、体积小、稳压范围高、纹波系数小、输入输出可隔离等多种特点。另外，由于效率高（可到70%至90%），功耗小，机内温升低，从而提高了整机的稳定性和可靠性。对电网的波动适应能力强，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V×(1±10%)，而开关型稳压电源在电网电压在110至260V范围内变化时，都可以获得稳定的输出电压。

1.3 开关电源及发展趋势

我国信息业、国防业、家电行业，特别是电信业的迅速发张，是电源市场的强大

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推动力。进入21世纪，开关电源技术将有更大的发展。

（1）功率半导体器件。可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其优点是：禁带宽，工作温度可达600度，导热性能好，通态电阻小，漏极电流极小，PN结耐压高。 （2）高频化磁技术。随着开关电源工作频率的增高，在低频下可以忽略的某些参数，在高频下会对电路的某些性能产生重要的影响，对磁性材料也有更高的要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。 （3）高频开关电源的电磁兼容技术。高频开关电源的电磁兼容问题具有特殊性。一般它涉及到开关过程产生的DI/DT和DV/DT，引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。这不但严重污染周围的电磁环境，对附近的电磁设备造成干扰，还可能危及到附近操作人员的安全。并且单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。在原理上，可以采用谐振变换技术，这样既能提高频率又可以降低噪声与干扰，所以电磁兼容技术也是开关电源又一发展方向。

（4）软开关技术。PWM式开关电源所采用的是一种“硬开关”技术。其特点是在开关管关断或者导通时，开关管的电压或者电流并不等于零，就会强迫开关管在电流不等于零时关断，或者在电压不等于零时导通，从而增加了开关损耗。由于开关损耗随开关频率的升高而增大，这不仅限制了高频电源的发展，还很容易产生电磁干扰。为了解决“硬开关”不足这个问题，需要引入软开关技术。软开关是指零电压开关ZVS 或零电流开关ZCS。利用软开关，可使功率开关管开关损耗降至最低，既可以提高电源效率，还对功率开光起到了保护作用。1994年，电力电子学会IEEE组织会议曾指出，高功率密度DC-DC零电压开关变换器和无源元件性能、开关器件性能以及封装技术都有很大关系。并推断，不久以后在保证开关管可靠性增加一倍的基础上，其电源功率变换器成本将降低一半，功率密度提高一倍。至今，有些开关变换器达到了这一目标。

（5）大电容技术超级电容器是电容器方面进来最新技术进展。它可以分为有机系与水系两个系列。超级电容器可以串联组成超高压组件或者并联组成低压高能量储存组件，它具有储能大充电快，充电电流可大可小，工作温度范围宽，无毒性，寿命长等居多优点，有很强的使用价值。

（6）采用计算机辅助设计与控制。CAD软件包括电路的分析和设计，有磁性元件设计等，设计最新的变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简洁结构和最佳工况。用基于仿真的专家系统进行开关电源的CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。 目前，各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源也不断日益普及。随着生活水平的提高和社会环境的需求，开关电源的发展也日趋不同，将来开关电源的发展趋势是：

开关电源绿色节能化。绿色节能型开关电源是各国国情所要求的，也是保护自然环境、人文环境的有力保证。现在国外许多著名的IC厂家都在大力开发功耗低、节

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能绿色的开关集成电源。荷兰的PHILIPS公司推出的TEA1520等系列的“绿色芯片”，将高效节能列在了首要位置。在20世纪90年代美国能源之星（ENERGY STAR）计划被制定出来，用来达到减少开关电源空载功耗的目的。美国CEC（能源委员会）制定了带有强制性的节能标准，且于2006年开始执行，用以大幅降低电子产品的待机功耗与空载功耗，该标准涉及到所有使用外部电源适配器或充电器的电子产品。 开关电源数字智能化。数字智能电源是以数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）为核心，将数字电源驱动器及PWM控制器作为控制对象而构成的电源系统，能充分发挥数字信号处理器与微控制器的优势，采用了“整合数字”技术，实现了开关电源中的模拟组件与数字组件的优化组合，其高集成化，实现了电源系统单片集成化，便于构成分布式数字电源系统。智能数字电源系统以其优良特性和完备的监控功能，引起人们的关注。此外，数字电源还可以通过远程诊断来确保系统长期安全可靠工作，包括故障处理、过电流保护以及避免停机等。

开关电源可编程化。可调式开关电源都是通过手动调节电阻来改变输出电压的，调节精度低，且使用也不方便。利用数字电位器(DCP)代替可调电阻，可构成由计算机控制的可编程开关电源。

1.4 本文工作内容及结构

本论文设计一款三路输出开关电源，主要工作如下： 第一章 绪论，主要介绍本文要介绍的开关电源及其发展现状、开关电源的分类及特点、开关电源及其应用技术的发展趋势。 第二章 开关电源的理论基础。介绍了开关电源的基本工作原理、开关电源常用的几种拓扑结构，简单介绍了反激式开关电源的各种特点并介绍了几种常用的反激式开关电源芯片的选型。 第三章 简单介绍了PWM控制芯片UC3842的结构，详细介绍了本设计中芯片UC3842的外围电路设计及系统的各个子电路设计，给出了系统的整个电路框图，并对其工作过程进行了详细描述。 第四章 总结了高频变压器的设计方法。分别从以下几个角度阐述了高频变压器的设计：估算输出和输入功率，计算最大和最小输入电压和电流，计算脉冲信号最大占空比，估算峰值电流和纹波电流，磁芯尺寸确定方法和AP法参数设计。 第五章 介绍了反激式开关电源的建模与仿真并对结果进行了分析，然后对其中各部分电路进行功能测试与分析，最后绘制并完成了PCB电路板设计。

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第二章??开关电源的理论基础?

2.1 多端反激式开关电源的设计要求

2.1.1 开关电源的功能要求

随着电子设备种类的增多，且对他们的工作要求越来越高，所以对作为供电设备的开关电源的性能要求也增大了。本文设计的开关电源应用于LED驱动电路等电子设备，具有以下功能： （1）宽输入电压范围。一般情况下，开关电源的输入电压为交流220V，但来自电网的电压会出现波动，宽电压输入范围的开关电源能保证电网电压在规定范围内波动时，开关电源能稳定输出电压。 （2）高精度输出电压。输出电压精度是衡量开关电源性能优劣的基本指标之一。随着小型电子产品等精密仪器的出现，对开关电源的输出电压准确度更为严格，输出电压一般不能超出额定范围的150mV甚至更少。 （3）良好的电压调整率。电压调整率反映了电源输入电压发生改变时，输出电压维持稳定的能力。电压调整率越小，电源稳定输出电压的能力越强。 （4）纹波小。输出纹波容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害，同时降低了电源的效率。较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁电器。所以纹波越小越好。 （5）效率较高。在节能、环保型社会，开关电源的效率越高越好。

2.1.2 开关电源的性能指标

在设计电源时，要充分收集设计电源的各项技术指标，以便所设计的电源能符合用户的需求。根据设计具体需要，下面列出本文电源的性能指标。 （1）标准输入电压：交流电220V，50Hz。 （2）输入电压范围：90~240V。 （3）工作频率：50KHz。 （4）输出电压/电流：24V/2A，15V/0.5A（反馈绕组），5V/1.5A。 （5）工作温度：-25℃～80℃。 （6）输出电压准确度：≤3%。 （7）电压调整率：≤3%。 （8）输出纹波：≤150mV。 （9）纹波系数：≤2% （10）效率：86%。

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毕业设计（论文）说明书 2.2 开关电源常用的拓扑结构 功率变换电路是开关电源的核心部分，针对整流以后不同的直流电压功率变换电路有很多拓扑结构，各种拓扑结构及主要工作波形图2.1所示[4]。 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ (a) BUCK变换器拓扑 (b) BOOST变换器拓扑 (c) BUCK/BOOST变换器拓扑 (d) 正激变换器拓扑 共 38 页 第 6 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 毕业设计（论文）说明书 (e) 反激变换器拓扑 (f) 推挽变换器拓扑 图2.1功率变换电路各种拓扑结构 本论文设计的开关电源的输入是我们日常所用的交流电（220V），输出是小功率。因为buck变换器和boost变换器不用变压器，是非隔离式的，且不能多路输出，所以不考虑buck变换器和boost变换器。正激电路的优点很多，但是正激变换器的变压器是不能够存储能量的，并且采用双正激开关电路用在较大的功率场合，对MOSFET要求严格。反激变换器优点多，恰好符合本论文所设计的开关电源各项指标，因此采用反激式变换器的拓扑结构。 2.3 反激开关电源的介绍 2.3.1 工作过程分析 反激变换器的拓扑结构如图2.1(e)所示，主要由功率MOS管、高频变压器及输出整流电路组成。反激变换器由于电路简单，所用元件少，适用于多输出场合。工作原理是当开关管T被PWM脉冲激励而导通时，输入电压便施加到高频变压器的初级绕组上，由于变压器次级整流二极管D反接，次级绕组没有电流流过；当开关管T关断时，次级绕组上电压极性是上正下负，整流二极管D正偏导通，开关管T导通期间储存在变压器中的能量便通过整流二极管D向输出负载释放。反激变换器在开关管导通期间只存储能量，在截止期间才向负载传递能量，因为能量是单方向传递的，所以称为单端变换器。高频变压器在工作过程中既是变压器又相当于一个储能用电感。加在共 38 页 第 7 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

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输出端的电感器和电容组成一个低通滤波器，同时变压器初级还需加一个RCD无源钳位电路防止变压器漏感尖峰电压出现，以确保开关管T安全。

2.3.2 工作方式选取

单端反激电源主要有两种基本工作模式：(1)连续工作模式，简称CCM；(2)不连续工作模式，简称DCM。CCM的工作原理：PWM脉冲激励开关管导通，这时V加在原边绕组上，原边电感储存能量，在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量没有释放完全，使得次级电流没有降到零便开始了下一个过程。DCM的工作原理与CCM相比的不同点是在下一次脉冲到来之前，变压器储存的能量已经释放完全，次级电流已经降到零，下一个过程初级的电流又开始从零增加。所以CCM的特点是高频变压器在每个开关周期，都是从非零的能量储存状态开始的。DCM的高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉，如图2.2(a)所示，可以得出两种模式下纹波电流与峰值电流的不同关系。DCM的开关电流从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速

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回零，初级脉动电流IR与峰值电流IPK的比例系数KRP<1.0。DCM的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零，KRP=1.0，如图2.2(b)所示。利用IR与IPK的比例关系KRP(0-1.0)的数值，可以定量地描述开关电源的工作模式，其中KRP的关系如式(2.1)所示。

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(2.1)

(a)CCM模式 (b)DCM模式

图2.2 反激变换器的工作模式

实际上CCM与DCM之间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入范围，KRP值较小时对应连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级峰值电流IPK和初级有效值电流IRSM值较小,这时可选用较小功率的控制器件和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之，KRP值较大，就表示连续程度较差，初级电感量较小，而IPK与IRSM较大，此时采用较大功率的控制器件和尺寸较小的高频变压器。 通过查阅相关文献可知CCM模式的主要优点是初次级电流比较小,同等条件下输

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出性能比较好,损耗小等;而缺点主要是变压器体积较大。DCM模式的主要优点是变压器体积较小;缺点主要是初次级电流较大,同等条件下输出性能没有CCM模式好,需要较大LC滤波器,损耗高等[9]。所以本设计选取KRP<1，即工作于CCM模式。

2.4 控制芯片的选型及主要功能

UC3842是一款高性能的固定频率电流型PWM控制芯片，其振荡频率是靠阻容网络设定的，最大占空比可达100%，并且可以逐个周期进行电流限制，一般多用于反激式变换器，输出功率在100瓦以下。芯片内部含有稳定度高的参考电压源，且可供外部电路使用。UC3842采用“图腾柱”输出电路，可达1A的输出电流，能够直接驱动双极型晶体管、MOSET和IGBT等，属于单端输出。由于具有引脚少、性能优良、外围电路简单、安装与调试方便、价格低等优点，其应用非常广泛，特别适用于构成无工频变压器的小功率开关电源。

UC3842的内部结构如图2.3所示，它的内部集成有一个误差放大器EA、一个电流检测比较器、一个PWM锁存器（由RC触发器实现）和PWM逻辑单元、一个振荡器OSC、一个互补功率放大输出单元、一个欠电压保护电路、一个标准的5V参考电源和其他一些辅助电路等。

图2.3 UC3842内部结构图

基于本章开关电源电路拓扑结构选择为反激式变换器，PWM控制电路为电流控制模式，结合UC3842的特点，故论文选择UC3842作为控制芯片。

2.5 本章小结

本章确定了本设计电源电气性能指标，介绍了开关电源的结构原理与基本拓扑结构，通过对比分析采取了适合本论文的反激式拓扑结构，并选取UC3842作为PWM控制芯片，同时选取PWM电流型作为电路的调制方式。

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第三章??多端反激式开关电源硬件电路的设计?

3.1 UC3842芯片主要功能介绍

从图3.1可以看出UC3842具有八个引脚，一般采用DIL（Dual-in-line）封装形式，引脚排列如图3.1所示，其具体功能如下：

图3.1引脚排列图

（1）脚1（COMP）：误差放大器输出端，用于外部回路补偿。 （2）脚2（VFB）：误差放大器反相输入端。闭环系统中，接输出电压反馈信号。 （3）脚3（ISENSE）：电流检测比较器输入端。该端接电压或电流检测信号，实现过电压和过电流保护。 （4）脚4（RT/CT）：振荡器定时元件接入端。通过时间电阻RT连接至参考引脚8以及电容CT连接至地，使最大占空比和振荡频率可调，振荡频率f=1.8/(RtCt)，工作频率能达500kHz。Rt的单位取kΩ,Ct取μF （5）脚5（GND）：信号地。该端与供电电源地端相连。 （6）脚6（OUTPUT）：输出端。该端通过一外接电阻与MOSFET的栅极相连，直接驱动功率MOSFET。 （7）脚7（VCC）：电源接入端（取值10~34V）。

（8）脚8（Uref）为基准电源输出端，可提供稳定性极好的基准电压。

3.2 启动电路及辅助供电电路设计

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图3.2 芯片及外围电路

刚启动时UC3842所需+16V电压由R2、C2电路提供。220V交流电经过桥式整流和电容虑波，得到+300V直流高压，再经R2降压后接UI逐渐升至+16V以上从而实现启动。当开关电源转入正常工作之后，反馈供电绕组N2上的高频电压经过VD1、C3整流滤波，作为芯片的工作电压。

UC3842内部设有欠压锁定电路,其开启和关闭阈值分别为16V和10V,如图3.3所示。在开启之前,UC3842消耗的电流在1mA以内。电源电压接通之后,当7端电压升至16V时UC3842开始工作,启动正常工作后,它的消耗电流约为15mA。因为UC3842的启动电流在1mA以内,设计时参照这些参数选取R2,所以在R2上的功耗很小。在启动电路中，电容C2储存的能量要能满足电源开始正常工作的需要,使得UC3842第7脚有稳定、充足的输入供给。即电容C2的放电时间要大于UC3842输出脉冲的高电平持续时间。否则,电源将出现“打嗝现象”。因此,电容C2的容量和质量的选取非常重要。

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图3.3 UC3842启动时电流变化图

若VCC端电压较小时,在R1上的压降很小,全部供电工作都可由R1降压后来完成。但是,通常情况下,VCC端电压都比较大,这样完全通过R1来提供正常工作电压就会使R1自身功耗太大,对整个电源来说效率太低。一般来说,随着UC3842的启动,R1的工作也就基本结束,余下的任务交给反馈供电绕组,由反馈绕组产生电压来为UC3842供电。故R1的功率不必选得很大,1W、2W就足够了。虽然理论上UC3842启动电流在1mA以内,但实际应用时,按1.6～2.0mA设计则工作比较可靠。

3.3 电压反馈与误差放大器电路设计

此电路主要用来反馈电压给UC3842，使其能稳定输出电压。误差放大电路的基本简化电路如图3.4所示。F接反馈绕组。在误差放大器的同相l输入端接有2.5(1±2%)V的基准电压，该放大器输出端（芯片UC3842引脚1）与反相输入端（芯片UC3842引脚2）之间有补偿网络，这样便于控制闭环频率响应。反馈补偿网络在回路传输特性的??????0.5????????????处将产生一个极点。选择适当数值的R4和C10，可以消除功率电路中滤波电容等效串联电阻产生的零点，R3和R4固定低频增益。加入补偿网络，可以改善放大器的动态响应，从而提升开关电源的稳定性。误差放大器的输出电流为0.5mA，灌电流为2mA。通常开关电源设计中，取R3=20K，R5=4.5KΩ，保持R3/R5约

[4]

等于4。

图3.4 误差放大器的基本电路

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3.4 缓冲吸收电路设计

3.4.1 缓冲电路基本原理

缓冲电路又称为吸收电路。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗。开关损耗会导致器件的发热甚至损坏，对于功率晶体管(GTR),还可能导致器件的二次击穿。实际电力电子电路中，还常由于二极管、晶闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流，由于感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的感应电压。采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件。

缓冲吸收电路结构如图3.5所示，缓冲元件直接安装在MOS功率开关管器件的源极与漏极之间，电路中电容器的端电压不能突变，当MOS管关断时，形成的尖峰电压脉冲能量转移到电容器中储存，然后电容器的储能通过电阻消耗或返回电源，起到了缓冲吸收电压尖峰的作用。S接芯片UC3842的电流取样电路，G接芯片的6号引脚(OUT)。

图3.5 MOS管的缓冲吸收电路

3.4.2 缓冲电路的参数设计

（1）缓冲电容C??容量的计算。缓冲电容器的容量C??根据能量守恒定律，可由式

[4]

(3.1)求得：

C????????

????????????????????????????

?????? (3.1)

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式中，V??????为直流供电电源电压。

??V??????为MOS管关断时的浪涌尖峰电压值，它可由式(3.2)计算：

V????????V????????V??????L??

??????????

(3.2)

式中L??为线路中的引线电感，V????为缓冲二极管VD3的正向恢复电压，通常600V的快速二极管为20～30V，1200V的快速二级管为40～60V，I??为MOS管关断时的源极电流。

（2）缓冲电阻R????阻值的计算。缓冲电阻的作用是MOSFET关断动作时将缓冲电容器积累的电荷放掉，以放电90%的积累电荷为条件，由式(3.3)求缓冲电阻R????的阻值。

????????

????.??????????

(3.3)

??????的阻值不能取的过小，否则可能引起缓冲电路中的电流振荡。在满足上式的条件下，尽可能选取??????阻值大些为好，式中的????为开关频率。缓冲电阻的损耗????????与电阻无关,由式(3.4)获取：

??????????

????????????

(3.4)

由于缓冲二极管正向恢复电压V????是关断尖峰电压V??????的组成部分，因此VD3应选用V????小的快速二极管，同时要选用反向恢复时间短且最好的具有软恢复特性的二极管

以减少损耗和可能出现的振荡。同时，缓冲电容应选高频特性好的低损耗电容器。所以根据上式可求得C??=820pF/600V，??????=3KΩ/2W。

3.5 无源RCD钳位吸收电路设计

3.5.1 无源钳位电路原理分析

在实际应用中，由于变压器初级线圈的漏感是不能忽视的。因为，这个漏感产生

[10]

的反电动势不能通过次级整流滤波电路对其进行限幅。从参考文献结论可知，这个反电动势的峰值非常大。因此，在变压器初级线圈回路中还要另设一个限幅电路，如图3.6所示。

图3.6 RCD吸收电路

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图中L0为变压器初级线圈的漏感（一般为5~10%，与初次级线圈的绕法有关），L0产生的反电动势会迭加在初级线圈Np产生的半波平均值电压上。通过VD2、C9、R12的作用可以对L0产生的反电动势进行限幅，其半波平均值的大小，可以通过调整R12和C9的大小来改变，使之不要超过Np产生的半波平均值的5%。

引入钳位电路，目的是消耗漏感对主电路的影响，但如果选择不合适，有可能消耗初级电感能量。所以钳位电路参数R12、C9的取值对反激变换器的性能好坏有重要的影响。当钳位电路连接到电路中时，即当功率MOS管关断时，二极管VD2导通时，C9被充电，电压上升。这时对R12、C9取值的考虑分为以下几种情况：

(1)当C9取值较大时，C9上的电压缓慢上升,次级反激过冲小，变压器初级能量不能迅速传递到次级。

(2)当C9值特别大时，电压峰值小于次级反射电压，这时钳位电容C9上的电压值将一直保持在次级反射电压值左右，即钳位电阻变为死负载，在整个过程中将一直消耗磁芯的能量，降低变压器效率。

(3)当R12、C9值过小时，因为R12、C9时间常数小，在开关管下一次开通时，C9上的电压很快会降到次级反射电压，钳位电阻都将成为死负载，消耗变压器的能量。 (4)当R12、C9取值合适时，C9上电压在开关管截止瞬间迅速上升，二极管VD2截止，电容C9通过电阻R12放电，在下一次开关管开通瞬间，C9上电压放到接近次级反射电压，在下一次导通时，C9上的能量恰好可以完全释放完。这时取值钳位效果较好，但电容峰值电压大，器件应力大，对选择功率MOS管应特别注意，注意留好余量。

3.5.1 无源RCD钳位电路参数计算

(1) 确定钳位电阻??????

[10]

设定钳位电容的峰值最大电压为??????????????，其中系数0.9是降额使用系数，计算公式为(3.5)：

????????????????0.9?????????????????????????????????? (3.5) 其中计算漏源间电压的经验公式为(3.6)：

??????????????????????????????????????1.4??1.5??????????20 (3.6) 通过计算可以得到：

??????????????????340????1.4??1.5??135????20??643.5

代入式(3.7)可得：

????????????????0.9??643.5??340??239.15

钳位电路的电容损耗计算公式为(3.7)：

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