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二月 22 2020

基于UC3842的多路输出型开关电源设计

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产品图片产品型号制造商说明类别PWM类型
UC3842UC3842德州仪器(TI)转换器离线升压,降压,反激式,正激拓扑高达500kHz的8引脚PDIP集成电路(IC)电流模式

目录

1.UC3842的功能分析
2.总体设计
3.开关电源系统及各模块设计
4.仿真分析
总结

  电源作为各种装置和设备的动力,是电子设备的重要部分。常用的是线性稳压电源,而这种单一的固定电源模式,随着电子技术的发展已无法满足需求。通常所说的线性稳压电源,是一种直流稳压电源,该稳压电源是最初被广泛使用的。但该种电源仍存在着一定的问题,例如:体积大、工作效率低、操作繁琐以及自保护性能差等,因此需设计出一种能符合现代化需求的电源。本文所设计开发的基于UC3842的多路输出型开关电源效率较高,其开关电源采用控制集成电路和高频变压器的核心器件。具有输出稳定、误差小、自我修复能力强等优点。

  1.UC3842的功能分析

  UC3842是一种可固定频率且可高效控制电流的芯片,该芯片可为电源设计者提供在尽可能少的外部原件需求下,仍可满足高效益的设计和解决方案。其具有较强的保护特性,这些对应的电路中振荡器可进行微调,能对真空比做出准确控制,且对温补进行参考,误差运算放大器也具有较高的增益,驱动功率MOSFE的理想器件是比较器以及大电流的柱式输出,其保护特性还可进行输出和输入的压力锁定,对电流大小的限制、对编程时的输出时间以及脉冲多个或一个的测量锁定。

  UC3842主要是一种电流型的控制器,其具有较多优点:如引脚少、电路设计简单明了、性能稳定且性价比高等。其频率稳定度也较好,具有较低的电压调整率;此外对输入端进行过压保护,另具有电流保护,在电压不足时进行电压锁定等功能。UC3842的引脚图如图1所示,其工作原理为:Vcc芯片的工作电压端,接入+16 V电压对装置进行启动,引脚6是调制脉宽信号的输出端,Vref将内部基准电压进行引出,补偿端接外部阻容元件,并对控制环路进行补偿;引脚5为公共地,输出电压在被电阻分压器分压并获得反馈电压后,直接接入到反馈端;Rs为外部的电流检测电阻,电流进行取样后直接接入Rs,在开关管的电路中Rs起到的是串联作用;RT/CT分别为外接定时电阻和电容的公共端。

UC3842引脚图

  图1 UC3842引脚图

  2.总体设计

  该开关电源的总体结构图如图2所示。开关电源的主要电路由前置滤波电路、输入整流电路、滤波电路、功率变换电路、高频变压器、PWM控制器电路以及输出整流滤波电路等组成。开关电源的辅助电路由输入输出过欠压保护电路、滤波电路、功率变换电路和高频变压器输出短路保护电路组成。而交流/直流转换电路的作用是对电路进行整流滤波。而直流/交流转换器则是开关电源组成中最为重要的一部分,其分为较多的基础类型,例如,综合式、Push式、前进式、后退式、全部式和半部式的转换器。系统中输出电压是否稳定也是开关良好与否的重要指标。而电源中电压稳定则是靠控制器来保持的,其工作过程和线性控制器相比,有诸多相同之处,所以控制器可将功能模块、电压处理模块和误差分析与放大模块的设计均参考线性调节器的方式来进行处理,而只需注意其唯一不同之处,就是要将一个电压/脉冲宽度转换单元放到误差放大器的输出功率管之前。

开关电源组成图

  图2 开关电源组成图

  3.开关电源系统及各模块设计

  开关电源设计的整体结构如图3所示,包括EMI滤波电路、整流滤波电路、箝位电路、吸收回路、控制电路、输出整流滤波电路和反馈电路。另外,还有高频变压器与开关器件MOSFET。本文设计的开关电源运行过程为,输入交流电压V首先通过系统最前端的保护电路后,再进行滤波。这是因需要减少系统中自身对电网的干扰,同时也对电网内部的干扰进行控制,所以需通过EMI滤波,将交流电压自动转化为直流电压,原因是为了使其可通过高频的变压器,并在此可改变电压的大小,还可将电压输入到整流滤波电路中继而得到所需的输出电压。在得到输出电压的过程中,会有大量的能量存储在一次侧中,为了对电路进行保护,需要加入一个箝位电路来保障整个电路正常运行。当确保正常工作后,需注意效率问题,故为提高电路的运行效率,还加入了一个吸收回路,其作用是针对在开关管开关过程中所造成的损耗,将其损耗将至最低。而在电路运行的过程中,还可能会出现由于波动等问题导致输出电压不稳定的情况,所以在电路输出端加入一个反馈回路,其自动将输出电压进行分析并与标准电压比较,然后通过分析控制PWM的占空比,对开关管的开与关进行控制,继而保证电压可平稳的输出。

系统整体结构框图

  图3 系统整体结构框图

  EMI滤波电路是整个电路中较为重要的一环,该滤波电路共有5个端口,分别为两个输入、输出端口以及一个接地端口,其中接地端口的外壳在电路运行时要与地接通。电路中包括共模扼流圈L、滤波电容C1~C4,虽然共模电感对差模信号没有作用,但其可较好地抑制共模干扰。耦合后的共模电感可增加电感量,这是因其磁通方向一致,继而共模电感会产生较大的感抗,对通过的共模信号进行截断作用。扼流圈可承受的电感量大小是系统稳定的关键,为使其可承受更大的电流,本文可增加共模圈的半径,尤其是当流过的电流较大时,其另一个优点则是可大幅增强低频衰减的特性。共模滤波器的作用是将线路与外部条件所产生的噪声进行过滤,工作原理是滤波器中“变压器”的绕组同相,但流过变压器的电流则与绕组方向相反。因此,相反方向上的两个电流在滤波器产生的交流磁感可相互消除。

  高频变压器是设计的核心,在此输出型开关电源中额外拓展的结构较多,以半桥式功率转换电路为例,在运行时开关管进行相互的导通直到会生成频率较高的脉冲波,再经过高频变压器对电压进行转换,最后会将不同的交流电压输出,而最终输出电压值的大小由变压器中线圈的比例来决定。半桥式变压电路是由3只高频变压器组成,这3只变压器每一种的衡量标准均各不相同,这体现在磁芯直径的要求上,磁芯直径≥30 mm的情况是主变压器的功率在300 W以上时;但若直径15 mm则将是功率低于300 W时。变压器的原理较为简单,其是一种变换电压、电流以及阻抗的工作器件,在初级的线圈中有交流的电流通过时,在磁芯(铁芯)中会产生交流磁通,可使次级的线圈感应到电压或电流;而变压器是由线圈和磁芯组成,线圈有两个绕组,其中与电源相接的一个绕组称为初级线圈,其余绕组则称为次级线圈。其在系统中之所以重要,是因为被主要使用在高频率的开关电源上作为这一电源的变压器;此外,功率器件的选择也较为关键,通常若功率较大时,器件选择IGBT,但因IGBT可能会发生关断电流的滞留问题,继而导致影响其的工作频率。因此,若传送的功率较小时,可采用MOSFET,此时其的工作频率相比之前将有明显提升。

  4.仿真分析

  文中使用Saber软件,对所设计的电路进行仿真,并对电路分别进行DC、AC、数据、误差等分析。通过仿真,可在软件上直观有效地观察到系统中各个模块的测试数据,为使用者提供了更为有效地参考,也为电路的改进起到了关键作用。影响输出电压稳定性最主要的原因就是电源中开关管的开关状态及时间,为保证稳定性在仿真过程中,使导通的过程保持顺利,并将误差降到最小,必须加强对芯片输出电压的控制。图4为所设计电路的占空比,将输出电压设置为约15 V,并将此输出电压作为驱动电压,从而得到占空比约为0.43。从中可看到,矩形波最上端的细小凹凸表示芯片输出端峰值电流的电阻大小有待调整。此电路的主要输出为偏置电路,其不仅为主控制芯片提供电压,保证电路正常运行,还连接回路中的分压电阻,确保电路可稳定的进行工作。通过观察可发现,偏置电路输出的电压波形,可约在1.5 ms时达到预算效果,同时可使其始终处于约16.997 V这一稳定状态。最终,将结果同之前的电压进行对比后发现,误差0.3%。

测试界面图

  图4 测试界面图

  总结

  文中总结了基于UC3842的多路输出型开关电源设计方案,从而实现了±5 V、±12 V的多路电压输出。有以下总结点:(1)对系统进行试验分析,将系统中各个器件的数据均做出了运算。(2)对电源的设计指标及整体结构进行确定,依据要求的基本原则对整体框架做出设计后,并对每个模块也进行了相应设计,其中包括EMI滤波电路、整流滤波电路、控制电路以及高频变压器设计等。(3)针对每个模块的应用要求、工作原理和所能达到的效果等进行了分析与计算,并与之前相关的设计经验进行比较,选择出了最适当的器件,得到了最终的设计原理图。(4)利用Saber软件进行仿真,对电路的各个运行过程进行实验验证,通过计算与分析电路产生的波形与参数得到的结果可发现,此开关电源各路输出稳定,误差1%(±12 V)、2%(±5 V);且工作效率也得到了大幅提升,达到了预期的设计要求。

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