单片集成开关电源系统的设计

给需要的人参考

单片集成开关电源系统的设计

方芳（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011）

指导老师：徐晓峰

摘要: 本文首先分析了隔离式开关电源工作原理及其组成模块；然后设计了一种基于PWM控制芯片

UC3842的开关电源，详细说明了电路的启动稳压过程、过流过压保护原理，开关管保护电路；并对UC3842

芯片的结构组成、引脚及其特点及UC3842的工作进行了描述。

关键词: 隔离式开关电源，脉宽调制集成电路，UC3842

1 引言

随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了

电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取

而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整

的稳定直流电压。

早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩

色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设

备对多种电压和电流的需求。

随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实、用化。而

半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要

求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开

关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳

压器系列。近年来高反压Mos大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一

200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前

所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在

体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在

20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，

其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成

本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

2 开关电源的基本理论

隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端

正激式等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素

来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式

高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组经脉冲电压整流滤波

而来。开关电源的基本功能方框如图1所示。

[2][1]

给需要的人参考

在图1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的。首先要经过整流、滤波电路

变成含有特定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功

率开关元件，比如开关晶体管、场效应管(MOsFET)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方

波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后

就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(PWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制

电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占

空比)，达到调整输出电压的目的。

在方波的上升沿和下降沿．有很多高次谐波，如果这些高次谐波反馈到输入交流线，就会对其它电

子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必须要设置无线频率干扰(REI)滤波器，把高频干扰减少到可

接收的范围。

此外，为了使整个电路安全可靠地工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等。

图l 隔离式开关电源的方框图

3 UC3842构成的开关电源电路

图2是由UC3842构成的开关电源电路，220v市电由C1、L1 滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电

阻Rt1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降压后加到UC3842的供电端（⑦脚），为UC3842 提

供启动电压，电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另

一方面经R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电

压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的R6、C8 决定了振荡频率，其振荡

频率的最大值可达到500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经R7、R8 分压后驱

动MOSFEF功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直

流电压供负载使用。电阻R10 用于电流检测，经R9、C9 滤滤后送入UC3842的③脚形成电流反馈环。所

以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统,电压稳定度非常高，当UC3842的③脚电压高于1V时振荡器

停振，保护功率管不至于过流而损坏。

给需要的人参考

图2 UC3842构成的开关电源

此电路的调试需要注意：一是调节电位器RP1使电路起振，起振电流在1mA左右；二是起振后变压

器③④绕组提供的直流电压应能使电路正常工作，此电压的范围大约为11～17V 之间；三是根据输出

电压的数值大小来改变R4，以确定其反馈量的大小；四是根据保护要求来确定检测电阻R10 的大小，通

常R10 是2W、1Ω以下的电阻。

3.1 启动过程

首先由电源通过启动电阻R1和RW1提供电流给电容C4 、C5充电，当C4电压达到UC3842的启动

电压门槛值16V时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由6端输出推动开关管工作，输出信号为高低

电压脉冲。高电压脉冲期间，场效应管导通，电流通过变压器原边，同时把能量储存在变压器中。根据

同名端标识情况，此时变压器各路副边没有能量输出。当6脚输出的高电平脉冲结束时，场效应管截止，根据楞次定律，变压器原边为维持电流不变，产生下正上负的感生电动势，此时副边各路二极管导通，向外提供能量。同时反馈线圈向UC3842供电。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。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R1，所以在R1上的功耗很小。

当然，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设计则工作比较便利。即当VCC

端电压为U伏时 U 17R K 1 (1) 2

给需要的人参考

3.2 稳压过程

从图2中可知，当场效应管导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：

IpmaxETon LP (2)

（2）式中：E——整流电压；Lp——变压器初级绕组电感；Ton——场效应管导通时间。在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为：

Ismax nImaxnETon Lp (3)

（3）式中：n——变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：

nETonU0Toff LpLS (4)

（4）式中：Ls——变压器次级绕组电感；Uo——输出电压；Toff——场效应管关闭时间。

因为Lp nLS2ETonU0Toff ,ETon nU0Toff, 则：nLLSs （5） U0ETon nToff (6)

（5）、（6）式说明，输出电压Uo与Ton成正比，与匝比n及Toff成反比。比如，由于电源电压变化或负载变化而引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。

UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载变化时仅调整占空比，控制场效应管的导通时间。反馈电压输入2脚，此脚电压与内部2.5V基准进行比较，产生控制电压，从而控制脉冲宽度；输出脉冲的频率由4脚外接定时电阻Rt及定时电容Ct决定。

f 1.8kHZRt Ct (7)

给需要的人参考

（7）式中f的单位取kΩ，Ct取μF。3脚为电感电流传感器端，当取样超过1V时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；6脚，输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅50ns，驱动能力为±1A；

3.3 过流保护原理

当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R9上的电压反馈至3脚(电压大于1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至使UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到保护功率管的目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。

3.4 过压保护原理

当因某种原因使输出电压过高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使2脚的电压过高，内部保护电路起动，使6脚输出脉冲高电平时间变短，或不输出高电平使开关管截止。

3.5 开关管保护电路

由D3、R10、C1及R11、C14、D4构成，消除由变压器漏感产生的反峰电压，从而使开关工作电压不至于太高而毁坏。

3.6 反馈绕组的设计

当UC3842启动后，若反馈绕组不能提供足够的UF，电路就会不停地起动 ，出现打嗝现象。另外，根据经验，若UF大于17.5V时， 也会引起UC3842工作异常，导致输出脉冲占空比变小，输出电压变低。故而反馈绕组匝数的 选取及其缠绕是非常重要的，一般可按13～15V设计，使UC3842正常工作时，7脚的电压维持在13V左右。

4 芯片介绍及所用技术

4.1 UC3842的原理与特点

UC3842 是开关电源用电流控制方式的脉宽调制集成电路【3】7脚，供电输入，起振后工作电压为10～13V，低于10V停止工作，功耗为15mW；8脚，内部基准5V(50mA)。 。与电压控制方式相比在负载响应和线性调整度等方面有很多优越之处。该电路主要特点有：内含欠电压锁定电路，低起动电流（典型值为0.12mA），稳定的内部基准电压源，大电流推挽输出（驱动电流达1A），工作频率可到500kHz，自动负反馈补偿电路，双脉冲抑制，较强的负载响应特性。

UC3842 内部工作原理简介：

图3示出了UC3842内部框图和引脚图，UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚,各脚功能如下：

①脚是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；

②脚是反馈电压输入端,此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压,从而控制脉冲宽度；

③脚为电流检测输入端,当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；

④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/(RT×CT)；

⑤脚为公共地端；

⑥脚为推挽输出端,内部为图腾柱式,上升、下降时间仅为50ns 驱动能力为±1A ；

⑦脚是直流电源供电端,具有欠、过压锁定功能,芯片功耗为15mW；

⑧脚为5V基准电压输出端,有50mA的负载能力。

给需要的人参考

单片集成开关电源系统的设计 第 6 页 共 9 页

图3 UC3842的内部原理框图

4.2 UC3842的工作描述

图4 UC3842的代表性框图

UC3842A，UC3843A系列是专门设计用于出线和直流—直流变换器应用的高性能、固定频率、电流模式控制器,为设计者提供使用最少外部元件的高性能价格比的解决方案。代表性的方框图如图4所示。振荡器频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由5．0V的参考电压通过电阻RT充电，充至约2.8V,再由一个内部的电流宿放电至1.2V。在CT放电期间，振荡器产生一个内部消隐脉冲保持“或非”门的中间输入为高电子,这导致输出为低状态，从而产生了一个数量可控的输出静区时间。注意尽管许多的Rt和Ct值都可以产生相同的振荡器频率,但只有一种组合可以得到在给定频率下的特定输出静区时间。振[5]

给需要的人参考

荡器门限是温度补偿的,放电电流在T=2 5℃叫被微调并确保在±1 0％之内,这些内部电路的优点使振荡器频率及晨大输出占空比的变化最小。

UC3842A，UC3843A作为电流模式控制器工作，输出开关导通山振荡器起始，当峰值电感电流到达误差放大甜输出／补偿(管脚1)建立的门限电平时中止。这样在逐周基础上差信号控制峰值电感电流。所用的电流取样比较器—脉宽调制锁存配置确保在任何给定的振荡器周期内，仅有一个单脉冲出现在输出端。电感电流通过插入一个与输出开关Q1的源极串联的以地为参考的取样电阻Rs转换成电压。此电压由电流取样输入(管脚3)监视并与来自误差放大器的输出电平相比较。在正常的工作条件下，峰值电感电流由管脚1上的电压控制，其中：

（8）

当电源输出过载或者如果输出电压取样丢失时，异常的工作条件将出现。在这些条件下，电流取样比较器门限将被内部箝位至1.0V。因此最大峰值开关电流为：

（9）

4.3 倍压整流技术

隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术，如图5所示。

在图5中，两种输入交流电压的转换由开关S1来完成，此外，本电路中的压敏电阻Rv和可控硅vs具有浪涌电流抑制、瞬间输入电压保护的功能。

电路工作过程如下：当开关S1闭合时．电路在115v交流输入电压下工作。在交流电的正半周，通过二极管vDl和电容器c1被充电到交流电压的峰值。即115v×1．4＝160v，在交流电的负半周，电容器c2通过二极管vD4也被充电到160v。这样，电路输出的直流电压应该是电容器c1和c2上充电电压之和．即160V十160V＝320V。当开关S1打开时，极管VDl—vD4组成了全桥式整流电路，对输入的交流230V进行整流，也同样产生320v的直流电压。

[5]

图5 隔离式开关电源倍压整流

输入保护器件，通常广泛采用的措施有两种，一种方法是利用电阻一双向可控硅并联网络；另一种方法是采用负温度系数(NTc)的热敏电阻。

给需要的人参考

输入阳间电压保护，在一般情况下，交流电网上的电压为115v或230v左右，但有时也会有高压的尖峰出现。比如电网附近有电感性开关，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰的因素。受严重的雷电影响，电网上的高压尖峰可达5kv。另一方面，电感性开关产生的电压尖峰的能量满足下面的公式： W 1L I2 （10） 2

(10）公式中，L是电感器的漏感，I是通过线圈的电流。由此可见，虽然电压尖，持续的时间很短，但是它确有足够的能量使开关电源的输入滤波器、开关晶体管等造成致命的损坏。所以必须要采取措施加以避免。

用在这种环境中最通用的抑制干扰器件是金局氧化物压敏电阻(MOV)瞬态电压抑制器。如图4所示，把压敏电阻Rv连在交流电压的输入端。压敏电阻起到一个可变阻抗的作用。也就是说，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时．它的阻抗急剧减小到一个低值，消除了尖峰电压使输入电压达到安全值。瞬间的能量消耗在压敏电阻上，在选择压敏电阻时应按下述步骤进行。

1．选择压敏电阻的电压额定值，应该比最大的电路电压稳定值大10％一20％；

2．计算或估计出电路所要承受的最大瞬间能量的焦尔数；

3．查明器件所需要承受的最大尖峰电流。

5 结束语

开关电源广泛应用于通信、LED显示屏、工业控制、广播电视、计算机网络、医疗器械、智能监控等领域。开关电源是一种效率很高的电源变换电路，此系统利用UC3842制作错的开关电源，力求线路简单，又能满足系统设计要求。通过对各单元电路的设计，此电路收到了良好的稳压效果，完成了设计要求的各项指标，具有一定的实际意义。

参考文献

[1] 金永镐、金山海，基于电解电容降压的无变压器小容量直流稳压电源[J]，信息技术，2006

[2] 王智昊、王志强，一种新颖的电容降压开直流稳压辅助电源[J],电源世界，2004

[3] 高曾辉,于相旭.单端反激式开关电源的稳定性分析.重庆大学学报.2001.01

[4] 朱小龙,滕国仁.脉宽集成控制器UC3842在开关电源中的应用.华北矿业高等专科学校学报. 2001.06

[5] 何希才.新型开关电源设计与应用［M］,北京,科学出版社，2001

[6] 沙占友.新型开关电源的设计与应用［M］,北京,电子工业出版社，2001

[7] Ferdinand C.Geerlings. SMPS Power Inductor Design and Trandsformer Design,Part 2.Power- Conversion International. January/February.1980

给需要的人参考

Design of a Practical Single-chip Switch Power Supply

Fangfang

(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal College,Anqing 246011)

Tutor: Xu Xiaofeng

Abstract:This paper analyzes the principe and composed of modules of isolated switching power,UC3842 chip composition,pin andcharacteristics;then designed switching power based on PWM control chip UC3842, detailed description of the circuit Start regulated processes,over voltage protection and over current principle,switch protection circuit ,and describe UC3842's work;points out the technology of isolated switching power; Finally,points out the strengths and weaknessesof this circuit.

Keywords:isolated switching power supply,pulse width modulation integrated circuit,UC3842

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qhhm.html