姜曉道，?，F(xiàn)染

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233000）

0 引 言

日常生活中，幾乎所有的電子器件與其直接相連的UCC3802裝置均會利用電壓轉(zhuǎn)變、整流等一系列操作實現(xiàn)交流變直流的操作。當今社會科學技術(shù)不斷變化發(fā)展，在平時的日常生活、學習研究中人們已經(jīng)習慣適應了電氣和電子設(shè)備。各種類的設(shè)備都離不開的就是UCC3802，并且對它的依賴也在逐步增長，對UCC3802的成效和平穩(wěn)性等各種目標的條件也在不斷增加[1,2]。UCC3802的拓展在新技術(shù)、新設(shè)備的建設(shè)中是非常關(guān)鍵的，推動著科學技術(shù)的進步。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國TI公司推出了一款新型的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）電流型控制芯片UCC3802，它是一種性能非常優(yōu)秀的脈寬調(diào)制器，當某種特殊原因?qū)е码娫吹妮敵鲭妷鹤兇髸r，UCC3802會調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的脈沖占空比，使電壓調(diào)節(jié)到一個穩(wěn)定的值，達到穩(wěn)壓的目的。UCC3802可以直接驅(qū)動場效應管、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等功率器件，非常適合應用于15～90 W的低功率開關(guān)電源。當前很多家電、智能機房等均采用UCC3802為核心的開關(guān)電源作為電源解決方案。

2 高穩(wěn)定性UCC3802的工作原理

電流型PWM控制器是基于電壓型PWM控制器設(shè)計而來，在電壓型PWM控制器的基礎(chǔ)上增加了電流反饋調(diào)節(jié)的設(shè)計，從而形成了電流型和電壓型雙調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制器。如圖1所示，電流型PWM控制器設(shè)計有兩路控制閉環(huán)回路，其中一路是輸出電壓取樣后返回到比較器中，與基準電壓比較后生成一個電壓誤差；另一路是變壓器的前級電感線圈中的電流經(jīng)過電阻取樣后，產(chǎn)生的電壓與前面生成的誤差電壓相比較，產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，使得誤差信號對電感輸出電壓產(chǎn)生反饋調(diào)節(jié)[3]。

圖1 電流型PWM控制器等效原理

若輸入電壓降低，經(jīng)過電感遲滯后，輸出電壓下降。經(jīng)過電壓誤差反饋調(diào)節(jié)后，PWM調(diào)節(jié)器調(diào)整占空比，使輸出電壓得到補償，從而將輸出電壓維持在一個穩(wěn)定的值。

3 特性指標

此次設(shè)計的開關(guān)電源主要應用范圍為智能小家電，根據(jù)智能小家電對電源的要求，總結(jié)開關(guān)電源的設(shè)計指標如下。輸入電壓范圍為交流40～53 V，開關(guān)電源輸出頻率為50 Hz，最大輸出功率為25 W，輸出電壓為15 V，輸出電流為1.6 A。

4 系統(tǒng)整體設(shè)計方案與基礎(chǔ)知識

4.1 系統(tǒng)整體方案

以單端反激式為電源電路原型拓撲，其技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 單端反激式開關(guān)電源拓撲原理

圖2中：變壓器兩側(cè)的繞組為N1和N2；變壓器電感分別為L1和L2；T為開關(guān)管；C為濾波電容。T導通時，D截止，負載由電容C供電，C放電；T阻斷時，D導通，負載由電源供電。

4.2 功率開關(guān)管選型

功率開關(guān)管選型上，綜合考慮其壽命和開關(guān)效率，采用MOS管作為功率開關(guān)管，其優(yōu)勢如下文所述。

（1）輸入阻抗非常高，因為MOS管柵極有絕緣膜氧化物，甚至可達上億歐姆，所以其輸入幾乎不取電流，可以用作電子開關(guān)。

（2）導通電阻低，具有極低的傳導損耗。

（3）開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低，特別適應PWM輸出模式。

（4）在電路設(shè)計上的靈活性大，柵偏壓可正可負可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負偏壓下工作[4]。

（5）整個開關(guān)管電能功耗低、開關(guān)管的開關(guān)性能十分穩(wěn)定，制造成本低廉、使用面積較小、高整合度。

（6）極強的大電流處理能力，可以方便地用作恒流源。

根據(jù)上述分析，采用IRF640功率MOS管作為電源的功率開關(guān)管。

4.3 整流濾波電路設(shè)計

電源輸出的整流電路采用整流二極管，整流二極管的性能損耗率為系統(tǒng)總能耗的20%左右，這將極大程度上對開關(guān)電源的設(shè)備工作效率產(chǎn)生影響。對于本次設(shè)計的開關(guān)電源，整流二極管最終選型為肖特基二極管，其反向恢復時間極短，可以有效降低反向恢復導致的損耗。另外，在消除電壓紋波方面，肖特基二極管的電路紋波相較于其他類型的二極管，紋波明顯降低，因此本次設(shè)計中整流二極管采用肖特基二極管。

對于開關(guān)電源的濾波方面，采用經(jīng)典的LC濾波電路（π型），其結(jié)構(gòu)拓撲如圖3所示。

圖3 LC濾波電路拓撲

與RC型濾波電路相比，π型濾波電路在電路結(jié)構(gòu)方面與RC濾波電路相同。π型濾波電路相比于RC濾波電路僅僅是將電路中的電阻更改為電感。在元器件特性上，電感對交流電的感抗比直流電小，直流電傳輸過程中，不會因為電感的存在而影響直流電的傳輸效率。實際電流傳輸時，整流電路輸出的包含交流雜波和直流的電壓信號經(jīng)過C1時，其中的交流雜波被C1過濾。然后經(jīng)過L和C2組成的電路中，流經(jīng)L時，L對交流雜波的感抗非常大，L對直流電的感抗幾乎可以忽略，且電感L的電阻可以忽略不計，不會對直流信號造成衰減。經(jīng)過C2時，又進行了一步濾波操作。經(jīng)過上述的濾波操作，整流電路輸出的電壓信號中的交流成分幾乎被篩選干凈，直流信號可保持完好無損。

4.4 硬件電路整體設(shè)計

圖4為系統(tǒng)總體的硬件原理框圖，輸入的交流電源信號經(jīng)過整流電路整流后，輸入到電路中。輸入的直流電壓經(jīng)過MOS管斬波后，經(jīng)過高頻變壓器后形成頻率為50 Hz的方波，經(jīng)LC濾波電路整流濾波后得到一個穩(wěn)定的直流輸出電壓。輸出電壓經(jīng)過反饋，輸入到UCC3802內(nèi)部，與基準電壓比較后，形成一個脈寬可調(diào)的PWM信號，開關(guān)管導通直接受PWM信號的控制，將輸出電壓控制在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證了直流輸出電壓的穩(wěn)定[5]。若電源電壓變化，相對應的UCC3802通過對輸出的脈寬波形進行調(diào)整，直接對開關(guān)管的控制極進行控制，調(diào)整輸出電壓保持在一個穩(wěn)態(tài)的范圍。

圖4 系統(tǒng)總體硬件原理

4.5 采樣驗證電路設(shè)計

為了對開關(guān)電源進行測試和驗證，設(shè)計了基于AT89C51單片機的AD采樣電路，可適時采集開關(guān)電源的輸出電壓信號，并在顯示模塊中予以顯示，已達到電源測試目的。

4.5.1 控制器的概述

AT89C51是一種應用非常廣泛的單片機，本身編程采用C語言，其寄存器功能簡單且易上手，被很多初學者用作單片機入門。本次對采樣電路的設(shè)計中采用AT89C51單片機，其IO管腳豐富，滿足驅(qū)動AD芯片和驅(qū)動顯示芯片的要求。另外AT89C51單片機本身最高主頻有64 MHz，滿足電路采樣的所有功能和性能要求。AT89C51單片機價格低廉，很多對應用控制要求不高的場合中均優(yōu)先采用51單片機作為控制核心。本次開關(guān)電源的測試和驗證電路中，對測試和驗證電路要求有AD采集和顯示2個部分，AT89C51單片機的IO引腳滿足液晶驅(qū)動和ADC采集的所有要求，因此選用AT89C51單片機作為測試和驗證電路的主控制器。

4.5.2 控制器引腳結(jié)構(gòu)

AT89C51單片機設(shè)計有40個IO引腳，其封裝形態(tài)與其他51系列單片機兼容。引腳可分為電源線、I/O端口線、外接晶體線（時鐘線）、控制線4個部分。芯片的封裝包括雙列直插封裝和方形貼片式封裝2種形式，可以滿足不同的應用場合。

4.6 AT89C51單片機的最小系統(tǒng)電路設(shè)計

4.6.1 時鐘電路

時鐘電路的目的是通過晶振振蕩器和外圍的濾波電容，發(fā)出類似于時鐘相同的精確振蕩時序波形振蕩電路在通電時可持續(xù)輸出某個振蕩頻率，控制器等需要精確定時的芯片可以此振蕩電路為依據(jù)產(chǎn)生精確的定時。AT89C51芯片的運行是以時鐘電路發(fā)出的振蕩信號為基準，每個指令的執(zhí)行都有條不紊。時鐘的快慢直接決定單片機的運行速度，時鐘發(fā)生電路的設(shè)計質(zhì)量也影響著整個控制系統(tǒng)的工作有效性。

4.6.2 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機由中央處理器（含部分特殊功能寄存器）、內(nèi)部RAM、程序存儲器、各種外設(shè)（IO端口、定時器、串行接口、中斷處理電路等等）及對應控制寄存器、芯片時鐘以及內(nèi)部復位等組成。最小系統(tǒng)是指能保證單片機正常運行的最小電路，對于AT89C51單片機而言，時鐘、復位和電源3個子電路足以支持單片機正常運行。

4.7 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將電路采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的芯片，ADC0809芯片設(shè)計有8路模擬輸入采集，數(shù)字輸出的高精準ADC轉(zhuǎn)換芯片，芯片采用5 V供電，不需要額外提供基準電源。芯片完成一次轉(zhuǎn)換需128 μs，其轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度滿足開關(guān)電源的測量精度要求。

4.8 顯示電路模塊

顯示模塊主要用于顯示所測電壓值，即開關(guān)電源輸出的最終電壓值。為了使整個系統(tǒng)有直觀的顯示，選用常用的LCD1602液晶對采集到的電壓作實時顯示。LCD1602是一款非常通用的液晶顯示器，其具有驅(qū)動方式簡單、易上手等特點，被廣泛應用于工業(yè)控制。

5 結(jié) 論

本文采用UCC3802芯片設(shè)計了一套單端反激式開關(guān)電源，經(jīng)實驗證明整個電路的電源損耗率低，電路結(jié)構(gòu)相對應較為簡單、易實現(xiàn)、成本較低，具有非常廣闊的應用前景。