路子翔，李開宇，李 磊，石 玉，胡廣亮

（南京航空航天大學 自動化學院，南京211000）

電源是現(xiàn)代社會必不可少的設(shè)備，從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)，都離不開各式各樣的電源裝置。隨著科技的發(fā)展，人們對電源的體積、效率等有了更高的要求，因此促進了開關(guān)電源的誕生和發(fā)展。開關(guān)電源利用功率半導體器件作為開關(guān)，利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）技術(shù)，在轉(zhuǎn)變電源形態(tài)時對開關(guān)變換器實現(xiàn)自動閉環(huán)控制來穩(wěn)定輸出電壓。相比于傳統(tǒng)線性電源體積龐大笨重、轉(zhuǎn)換效率偏低的缺點，開關(guān)電源具有體積小、效率高、輸出功率大等優(yōu)點，因此成為應用面最廣，應用數(shù)量最多的電源[1]。根據(jù)電控系統(tǒng)的需要，設(shè)計功率150 W，輸出電壓3～100 V 連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源，其紋波電壓的峰峰值小于500 mV。

1 總體設(shè)計

本文設(shè)計的開關(guān)電源由變壓器、整流濾波模塊、PWM 控制模塊、boost 升壓電路、整流輸出模塊構(gòu)成。主要工作原理如下：220 V 市電通過變壓器降壓到約30 V，經(jīng)過AC-DC 整流濾波模塊變?yōu)橹绷麟?，主回路拓撲為boost 型電路，整流濾波后的直流電通過boost 電路，再經(jīng)過濾波后輸出穩(wěn)定的直流電。輸出的電壓通過反饋回路到PWM 控制芯片，控制boost 開關(guān)電源中開關(guān)管的關(guān)斷，從而通過控制開關(guān)的占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。在輸出端串聯(lián)一個小型采樣電阻，當采樣電流超過規(guī)定值，則切斷電路。開關(guān)電源原理圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源總體設(shè)計框圖Fig.1 Overall design block diagram of switching power supply

2 開關(guān)電源電路設(shè)計

2.1 整流濾波電路設(shè)計

交流電通過橋式整流電路，再經(jīng)過L1、L2、C1組成的濾波電路，變?yōu)榧s30 V 的直流電，整流濾波電路如圖2。在實際電路中，L1、L2繞制在一個磁芯上，構(gòu)成共模電感，抑制共模干擾。市電中混合了各種高頻成分，他們會產(chǎn)生大量電磁干擾（EMI），影響設(shè)備的正常工作。共模電感既可以抑制外部的EMI 信號傳入，又可以衰減線路自身工作時產(chǎn)生的EMI 信號，能有效地降低EMI 干擾強度[2]。

圖2 整流濾波電路Fig.2 Rectifier filter circuit

2.2 boost 型開關(guān)電源電路設(shè)計

為了實現(xiàn)30～100 V 的電壓輸出，需要對經(jīng)過變壓器降壓和整流濾波后的30 V 直流電進行升壓，因此主回路的拓撲為boost 型升壓電路，boost 型升壓電路是一種常見的開關(guān)直流升壓電路，它通過開關(guān)管導通和關(guān)斷來控制電感儲存和釋放能量，從而使輸出電壓比輸入電壓高[3]。如圖3所示，1 端口連接經(jīng)過變壓和整流濾波后約為30 V 的直流電，2 端口連接PWM 控制電路的輸出。其工作原理為

當開關(guān)導通時，電感L1兩端的電壓為UON=UIN，L1上的電流如式（1）所示：

在t=TON時達到最大值。當開關(guān)關(guān)閉時，電感L1兩端電壓為UOFF=UO-UIN，L1上電流如式（2）所示：

當t=TOFF時達到最小值。在穩(wěn)定狀態(tài)下，UONTON=UOFFTOFF，則占空比D 可計算為式（3）：

即輸出電壓為式（4）所示：

因為占空比0＜D＜1，所以輸出電壓大于輸入電壓。

在開關(guān)電路中，因為開關(guān)管的頻繁開斷，會引起很多尖刺的產(chǎn)生，圖中的二極管D1可以使開關(guān)管快速關(guān)斷，R3、C2串聯(lián)形成的RC 吸收電路，能起到很好的吸收尖刺的作用。由L2、C3、C4組成的濾波電路能對開關(guān)電源的紋波起到一定的濾除作用。

圖3 boost 型開關(guān)電源電路Fig.3 Boost switching power supply circuit

2.3 PWM 控制電路設(shè)計

本設(shè)計采用的PWM 控制芯片為UC3843。UC3843是一種性能優(yōu)良的固定頻率電流控制型PWM 控制芯片，該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型功率管（BJT）或MOS 管。它具有外部控制電路簡單、價格低、管腳少、性能好等優(yōu)點，內(nèi)部包含誤差放大器、PWM 比較器、PWM 鎖存器、振蕩器、內(nèi)部基準電源和欠壓鎖定等單元，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

UC3843 采用DIP-8 封裝，其主要引腳功能如下：1 腳COMP 為內(nèi)部誤差放大器的輸出端，一般在1 腳和2 腳之間外接RC 網(wǎng)絡(luò)來改善誤差放大器的閉環(huán)增益和頻率響應；2 腳VFB 是反饋電壓輸入端，接在誤差放大器反相端，與同相端2．5 V 基準電壓比較；3 腳CS 是電流檢測輸入端，當取樣電壓超過1 V 時停止輸出脈沖；4 腳RT/CT是定時端，振蕩器頻率由外接電阻RT和外接電容CT決定，計算公式為f=1．72/（RT·CT）；6 腳OUTPUT 是輸出端，驅(qū)動能力是±1 A。根據(jù)上述UC3843 各引腳功能，其外部電路設(shè)計如圖5所示[5]。

圖4 UC3843 內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 UC3843 internal structure

圖5 UC3843 外圍電路Fig.5 UC3843 peripheral circuit

2.4 過流保護電路設(shè)計

當電流超過電路額定電流大小時稱為過流，過流會使得器件過熱燒壞，嚴重時會引起火災，因此設(shè)計過流保護電路是十分有必要的。本設(shè)計中過流保護是通過UC3843 的電流檢測輸入端（3 腳CS）實現(xiàn)的，在輸出端VO-和地之間串聯(lián)一個0．01 Ω 的采樣電阻，采樣電阻上電壓即為放大器的同相輸入端電壓，經(jīng)過同相比例放大器20 倍輸入到UC3843 電流檢測輸入端，當輸入電壓超過1 V 時停止輸出脈沖，UC3843 停止工作。根據(jù)設(shè)計要求，輸出功率為150 W，輸出電壓為30～100 V，則電路的最大輸出電流為5 A，采樣電阻上電壓即為0．05 V，放大器的同相輸入端電壓為0．05 V，經(jīng)過同相比例放大器20 倍放大變?yōu)? V，即電流超過5 A 時UC3843 電流檢測輸入端電壓超過1 V，從而實現(xiàn)過流保護功能。過流保護電路如圖6所示，Isen 連接UC3843 的電流檢測輸入端（3 腳CS）。

圖6 過流保護電路Fig.6 Overcurrent protection circuit

2.5 可調(diào)式輸出電路設(shè)計

輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)通過PWM 實現(xiàn)，根據(jù)式（4），輸入電壓UIN不變，當脈沖占空比D 改變時，輸出電壓UO隨之改變。脈沖占空比D 通過負反饋調(diào)節(jié)，輸出端電阻R1、R2，電位器adj1串聯(lián)，其中R2作為反饋電阻，R2上的電壓輸入到UC3843 的反饋端VFB（2腳），與內(nèi)部2．5 V 基準電壓進行比較，當R2上電壓大于2．5 V，脈沖占空比D 減小，輸出電壓減小，R2上電壓減小，反之同理，因此R2上電壓穩(wěn)定在2．5 V。此時通過調(diào)節(jié)電位器的阻值就能調(diào)節(jié)電位器adj1和R1上電壓的大小，因此可以實現(xiàn)對輸出電壓大小的調(diào)節(jié)。電路如圖7。

圖7 可調(diào)輸出電路Fig.7 Adjustable output circuit

3 開關(guān)電源Multisim 仿真

通過Multisim 仿真驗證開關(guān)電源的可行性。仿真中用信號發(fā)生器代替UC3843 以簡化電路。簡化后的仿真電路如圖8所示。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的占空比，就可以控制輸出電壓在30～100 V 之間變化，證明此設(shè)計方案是可行的。圖9 為Multisim 仿真結(jié)果。

圖8 Multisim 仿真電路Fig.8 Multisim simulation circuit

圖9 Multisim 仿真結(jié)果Fig.9 Multisim simulation result

4 開關(guān)電源調(diào)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計方案，制作了基于UC3843 的開關(guān)電源，其調(diào)試結(jié)果如表1所示。可實現(xiàn)輸出電壓30～100 V 無級調(diào)節(jié)，紋波峰峰值小于500 mV。

表1 開關(guān)電源調(diào)試結(jié)果Tab.1 Test results of switching power supply

5 結(jié)語

UC3843 是一種性能優(yōu)良的固定頻率電流控制型PWM 控制芯片，上述利用UC3843 設(shè)計的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，利用負反饋調(diào)節(jié)UC3843 輸出脈沖的占空比使得輸出電壓穩(wěn)定且幅值可調(diào)，具有過流保護的功能，使得電源安全性大大提升，電源還具有良好的紋波抑制效果。本文中設(shè)計的基于UC3843 的開關(guān)電源通過設(shè)計、仿真、制作和調(diào)試，得到了較理想的結(jié)果，符合設(shè)計的要求，具備一定的實際應用價值。