王　俠，王進軍

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054; 2.陜西科技大學理學院，西安710021)

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基于UC3842的三路輸出小功率開關(guān)電源設(shè)計

王俠1*，王進軍2

(1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054; 2.陜西科技大學理學院，西安710021)

摘要:設(shè)計一種48 V轉(zhuǎn)+5 V，±15 V開關(guān)電源。以UC3842作為PWM控制器，采用電阻，TL431和線性光耦等元器件構(gòu)成電壓采樣反饋電路。主輸出(+5 V DC@2 A)電壓精度0.5%，紋波0.4%;輔輸出1(15 VDC@500mA)電壓精度為2%，紋波0.13%;輔輸出2(－15 VDC@500mA)電壓精度2%，紋波0.33%。開關(guān)電源具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各類小功率變換場合。

關(guān)鍵詞:開關(guān)電源; UC3842;脈沖寬度調(diào)制;電壓精度

電源是一切電子設(shè)備的動力心臟，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和可靠性指標。開關(guān)電源以其效率高、體積小等優(yōu)點，在通信、計算機及家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是目前便攜式設(shè)備市場需求巨大，DC－DC開關(guān)電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高［1－2］。因此設(shè)計和開發(fā)開高性能的開關(guān)電源具有很大的市場前景。本文以UC3842為PWM控制器設(shè)計了一種48 V轉(zhuǎn)+5 V，±15 V開關(guān)電源。

1　UC3842器件介紹及工作原理

UC3842是由Unitrode公司開發(fā)的新型控制器件，是國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的一種電流控制型脈寬調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示［3－4］，主要由振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、脈寬調(diào)制鎖存器等功能模塊構(gòu)成。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關(guān)電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是比較理想的新型的控制器。

電路上電時，外接的啟動電路通過引腳7提供芯片需要的啟動電壓。在啟動電源的作用下，芯片開始工作，脈沖寬度調(diào)制電路產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)6腳輸出驅(qū)動外接的開關(guān)功率管工作。功率管工作產(chǎn)生的信號經(jīng)取樣電路轉(zhuǎn)換為低壓直流信號反饋到3腳，維護系統(tǒng)的正常工作。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號經(jīng)2腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。如果輸出電壓由于某種原因變高，則2腳的取樣電壓也變高，脈寬調(diào)制電路會使輸出脈沖的寬度變窄，則開關(guān)功率管的導通時間變短，輸出電壓變低，從而使輸出電壓穩(wěn)定，反之亦然。鋸齒波振蕩電路產(chǎn)生周期性的鋸齒波，其周期取決于4腳外接的RC網(wǎng)絡(luò)。所產(chǎn)生的鋸齒波送到脈沖寬度調(diào)制器，作為其工作周期，脈寬調(diào)制器輸出的脈沖周期不變，而脈沖寬度則隨反饋電壓的大小而變化。

圖1　UC3842結(jié)構(gòu)原理圖

2　開關(guān)電源設(shè)計

本文所設(shè)計的小功率開關(guān)電源預定的技術(shù)指標如下:輸入電壓:Vin=48 V(允許20%的波動);主輸出:+5 V DC@2 A，電壓精度0.5%，紋波系數(shù)小于0.5%(峰峰值20 mV);輔助輸出1:+15 V DC@500 mA，電壓精度2%，紋波系數(shù)小于0.15%(峰峰值20 mV);輔助輸出2:－15 V DC@500 mA，電壓精度2%，紋波系數(shù)小于為0.35%(峰峰值50 mV);輸出功率:PO= 25 W;效率:η≥80%;開關(guān)頻率f = 50 kHz;最大占空比:40%。

圖2　系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，電路采用典型的直流降壓斬波電路，主要由PWM主控器電路、功率管及驅(qū)動電路、輸出電路、電壓反饋電路、電流采樣及濾波電路以及上電切換電路等部分組成［5－6］。

2.1變壓器參數(shù)計算

根據(jù)指標要求，繞變壓器時為了給變壓器留有足夠的余量，電壓波動按20%計算，當輸入電壓+48 V時，則最小輸入電壓Vin(min)= 43.2 V，最大輸入電壓Vin(max)= 52.8 V。取開關(guān)頻率f=50 kHz，則T=20 μs。取轉(zhuǎn)換效率η= 80%，最大占空比Dmax= 40%。則tomax=20×40%=8 μs。

根據(jù)變壓器的斷續(xù)條件，變壓器原邊與副邊的匝數(shù)比KT與最大占空比Dmax的關(guān)系［1］:

式中:Vin(min)= 43.2 V，VO= 5 V+1 V(二極管壓降以及副邊線圈內(nèi)阻分壓)，Dmax= 50%，計算得KT＞7.2，因此這里選取8。輸出功率PO= 25 W，假設(shè)開關(guān)管的導通壓降為1 V，由公式［1］:

可計算出原邊電感的峰值電流值和原邊電感值:IP=3.61 A，LP=95.73 μH。運用Ap法進行磁芯的選取，適合電路設(shè)計的磁芯的Ap值為［1］:

鐵心材料選為鐵氧體，取Bm=200 mT，Kf= 0.5，Kd=4 A/mm2。將這些數(shù)據(jù)代入式(3)中得Ap≥0.167 cm4。按照鐵氧體鐵心生產(chǎn)廠家提供的手冊，可以選擇鐵心型號為PC40EI25－Z的磁芯。

由變壓器原邊匝數(shù)計算公式［1］:

代入數(shù)據(jù)得IP= 3.61 A，LP= 95.73 μH，計算出變壓器原邊匝數(shù)N1=41.96

開關(guān)管在關(guān)斷時，瞬間會在源邊電感處產(chǎn)生一個大電壓，如果電壓過大，超過MOS管的耐壓值，會燒毀MOS管，所以在源邊電感處設(shè)計了一個RC的吸收電路［7］，如圖2所示。

2.2開關(guān)管選取

電力MOSFET是近年來發(fā)展最快的全控型電力電子器件之一。它的顯著特點是用柵極電壓來控制漏極電流，因此所需驅(qū)動功率小、驅(qū)動電路簡單;又由于是靠多數(shù)載流子導電，沒有少數(shù)載流子導電所需的存儲時間，是目前開關(guān)速度最高的電力電子器件，在小功率電力電子裝置中，是應(yīng)用最為廣泛的器件，因此開關(guān)管選取電力MOSFET。

2.3整流二極管的選取

整流二極管的選取肖特基二極管，根據(jù)二極管承受的反相電壓的計算公式［1］:

可以計算輸出電壓分別為+5 V、±15 V時二極管承受的反相電壓116.0 V、32.6 V。因此選用型號為SR560和SR160肖特基二極管。

由肖特基二極管的結(jié)電容在幾百皮法左右，結(jié)電容在導通時容易積累電荷，當副邊電流減為零時，結(jié)電容會通過電感線圈放電，從而產(chǎn)生振蕩。為了防止這種情況的發(fā)生，在+5V輸出端肖特基二極管兩端併上較大的電容［9］，以增大振蕩周期，減少高頻振蕩，如圖2所示。

2.4輸出濾波電路

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能，這里要采用π型濾波，取L=10 μH，選用1 000 μF/35 V的鋁電解電容，如圖2所示。

2.5采樣及采樣濾波電路設(shè)計

為了將占空比控制在40%以內(nèi)，需要采樣電阻來保證。前面變壓器部分計算得:40%占空比時IP= 3.61 A，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，此時的采樣電壓對應(yīng)1 V，即:

這里選取0.3 Ω電阻。

即此時的峰值電流是3.3 A。采樣電阻的功耗:

因為實際選取電阻應(yīng)該選取2倍以上的額定功率的功率電阻，這里選用1 W的0.3 Ω的采樣電阻，選用4只1.2 Ω 1/4 W的電阻并聯(lián)作為采樣電阻。

2.6 MOS管的驅(qū)動電路

MOS管驅(qū)動電路有柵極驅(qū)動電阻RG、下拉電阻R2、保護穩(wěn)壓二極管VD組成3部分組成，如圖2所示。RG選用33 Ω、1/4 W的電阻。下拉電阻R2可以保證MOS管關(guān)斷時的可靠關(guān)斷，這里選取20 K的電阻［9］。由于MOS管的|VGS|＜20 V，因此這里選取18 V的穩(wěn)壓管，1N4746。

2.7上電電源切換電路

設(shè)計電源切換電路目的是為了減小uc3842串聯(lián)的分壓電阻的功耗［10］，如圖2所示。剛上電時由分壓電阻R8給uc3842提供電源，此后當整個電路工作起來之后，由輔助線圈給uc3842提供電源，即當輔助線圈電壓高于11 V時，自動切斷R8與uc3842的通路電源改由Vi提供。原理描述:R10與穩(wěn)壓管VD2串聯(lián)構(gòu)成15 V、2 mA的穩(wěn)壓源，給LM393提供15 V的電源，R3、R6分壓構(gòu)成11 V的比較電壓，用于設(shè)定電壓切換門限，V1、V2三極管這里起開關(guān)作用; R2為限流電阻，R1為開關(guān)管的基極偏置電阻; LM393用于比較輔助線圈與電壓切換門限，當輔助線圈電壓高于電壓切換門限時LM393輸出低電平控制開關(guān)管關(guān)斷; VD3為18 V穩(wěn)壓二極管為了保護uc3842鉗位uc3842的電源電壓，保證uc3842在18 V以下工作; VD1為整流二極管，防止uc3842上電電源倒灌，R7為下拉電阻，防止D2反向漏電電流造成比較電路誤操作，C1、C2、C10分別為去耦電容; R4、R5為限流電阻，防止外部強驅(qū)動電源直接接入。

3　測試結(jié)果與分析

(1)MOS柵極電壓驅(qū)動波形如圖3所示。

(2)電流采樣電阻上的電壓波形如圖4所示。

(3)+5 V輸出濾波之后的波形如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出電壓穩(wěn)定在+5 V;從圖6可以看出電壓紋波限制在50 mV以內(nèi)，滿足指標要求。

(4)+15 V輸出濾波之后的波形如圖7、圖8所示。

圖3　MOS柵極電壓驅(qū)動波形

圖4　濾波前采樣電阻上的電壓波形

圖5　+5 V輸出LC濾波之后的波形(直流耦合)

圖6　+5 V輸出LC濾波之后的波形(交流耦合)

圖7　+15 V輸出濾波之后的波形(直流耦合)

圖8　+15 V輸出濾波之后的波形(交流耦合)

從圖7中可以看出電壓穩(wěn)定在+15 V，精度已經(jīng)達到了5%以內(nèi)要求;從圖8中可以看出此路的電壓紋波也達到了20 mV，達到了1%的紋波要求。

(5)－15 V輸出濾波之后的波形如圖9、圖10所示

圖9?。?5 V輸出LC濾波之后的波形(直流耦合)

圖10　－15 V輸出LC濾波之后的波形(交流耦合)

從圖9中可以看出電壓穩(wěn)定在－15 V，精度已經(jīng)達到了5%以內(nèi)要求;從圖9中可以看出此路的電壓紋波也達到了50 mV，達到了1%的紋波要求。

4　結(jié)論

針對小功率開關(guān)電源的要求，本文以UC3842 為PWM控制器，采用電阻，TL431和線性光耦等元器件構(gòu)成電壓采樣反饋電路，設(shè)計了一種48 V轉(zhuǎn)+5 V，±15 V開關(guān)穩(wěn)壓電源，性能達到了預期指標要求，該產(chǎn)品具有精度高、紋波小、效率高、性能可靠等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各類小功率變換場合。

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王　俠(1979－)，女，漢族，陜西楊凌人，碩士，西安科技大學電氣與控制工程學院，講師，主要從事開關(guān)電源設(shè)計方面的研究，wang98415123@163.com。

Design of Low-Voltage High-Current Power-Supply Based on ZVS Phase-Shifted Full Bridge Converter*

XU Pingfan1*，XIAO Wenxun2，LIU Chenxiang3
(1.School of Electronic information Engineering，Zhongshan Polytechnic，Zhongshan Guangdong 528404，China;
2.School of electric power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China;
3.Shenzhen Emerson Network Power LTC，Shenzhen Guangdong 518000，China)

Abstract:A low voltage and high current switching power supply based on ZVS Phase-shifted Full-bridge converter is proposed.And the design process and parameters of power supply are introduced.In order to solve the short circuit problem of bridge arms generated by the oscillation of the MOSFET gate，an improved design of driving circuit is proposed，which can eliminate the parasitic oscillation and voltage spikes effectively.Finally，a 3 kW(15 V/200 A)prototype converter is built and the experimental results verify the effectiveness of design.

Key words:ZVS phase-shifted full-bridge converter; the high frequency resonance; the short circuit problem of bridge arms; driving circuit; low-voltage high-current

doi:EEACC:121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.015

收稿日期:2014－10－14修改日期:2014－11－10

中圖分類號:TM564.8; TM91

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0785－05