王　侠，王进军

(1.西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054; 2.陕西科技大学理学院，西安710021)



基于UC3842的三路输出小功率开关电源设计

王侠1*，王进军2

(1.西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054; 2.陕西科技大学理学院，西安710021)

摘要:设计一种48 V转+5 V，±15 V开关电源。以UC3842作为PWM控制器，采用电阻，TL431和线性光耦等元器件构成电压采样反馈电路。主输出(+5 V DC@2 A)电压精度0.5%，纹波0.4%;辅输出1(15 VDC@500mA)电压精度为2%，纹波0.13%;辅输出2(－15 VDC@500mA)电压精度2%，纹波0.33%。开关电源具有精度高、纹波小、效率高、性能可靠等优点，可广泛应用于各类小功率变换场合。

关键词:开关电源; UC3842;脉冲宽度调制;电压精度

电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标。开关电源以其效率高、体积小等优点，在通信、计算机及家用电器等领域得到广泛应用，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC－DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高［1－2］。因此设计和开发开高性能的开关电源具有很大的市场前景。本文以UC3842为PWM控制器设计了一种48 V转+5 V，±15 V开关电源。

1　UC3842器件介绍及工作原理

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器，其结构原理图如图1所示［3－4］，主要由振荡器、误差放大器、电流取样比较器、脉宽调制锁存器等功能模块构成。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器。

电路上电时，外接的启动电路通过引脚7提供芯片需要的启动电压。在启动电源的作用下，芯片开始工作，脉冲宽度调制电路产生的脉冲信号经6脚输出驱动外接的开关功率管工作。功率管工作产生的信号经取样电路转换为低压直流信号反馈到3脚，维护系统的正常工作。电路正常工作后，取样电路反馈的低压直流信号经2脚送到内部的误差比较放大器，与内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到脉宽调制电路，完成脉冲宽度的调制，从而达到稳定输出电压的目的。如果输出电压由于某种原因变高，则2脚的取样电压也变高，脉宽调制电路会使输出脉冲的宽度变窄，则开关功率管的导通时间变短，输出电压变低，从而使输出电压稳定，反之亦然。锯齿波振荡电路产生周期性的锯齿波，其周期取决于4脚外接的RC网络。所产生的锯齿波送到脉冲宽度调制器，作为其工作周期，脉宽调制器输出的脉冲周期不变，而脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。

图1　UC3842结构原理图

2　开关电源设计

本文所设计的小功率开关电源预定的技术指标如下:输入电压:Vin=48 V(允许20%的波动);主输出:+5 V DC@2 A，电压精度0.5%，纹波系数小于0.5%(峰峰值20 mV);辅助输出1:+15 V DC@500 mA，电压精度2%，纹波系数小于0.15%(峰峰值20 mV);辅助输出2:－15 V DC@500 mA，电压精度2%，纹波系数小于为0.35%(峰峰值50 mV);输出功率:PO= 25 W;效率:η≥80%;开关频率f = 50 kHz;最大占空比:40%。

图2　系统原理图

如图2所示，电路采用典型的直流降压斩波电路，主要由PWM主控器电路、功率管及驱动电路、输出电路、电压反馈电路、电流采样及滤波电路以及上电切换电路等部分组成［5－6］。

2.1变压器参数计算

根据指标要求，绕变压器时为了给变压器留有足够的余量，电压波动按20%计算，当输入电压+48 V时，则最小输入电压Vin(min)= 43.2 V，最大输入电压Vin(max)= 52.8 V。取开关频率f=50 kHz，则T=20 μs。取转换效率η= 80%，最大占空比Dmax= 40%。则tomax=20×40%=8 μs。

根据变压器的断续条件，变压器原边与副边的匝数比KT与最大占空比Dmax的关系［1］:

式中:Vin(min)= 43.2 V，VO= 5 V+1 V(二极管压降以及副边线圈内阻分压)，Dmax= 50%，计算得KT＞7.2，因此这里选取8。输出功率PO= 25 W，假设开关管的导通压降为1 V，由公式［1］:

可计算出原边电感的峰值电流值和原边电感值:IP=3.61 A，LP=95.73 μH。运用Ap法进行磁芯的选取，适合电路设计的磁芯的Ap值为［1］:

铁心材料选为铁氧体，取Bm=200 mT，Kf= 0.5，Kd=4 A/mm2。将这些数据代入式(3)中得Ap≥0.167 cm4。按照铁氧体铁心生产厂家提供的手册，可以选择铁心型号为PC40EI25－Z的磁芯。

由变压器原边匝数计算公式［1］:

代入数据得IP= 3.61 A，LP= 95.73 μH，计算出变压器原边匝数N1=41.96

开关管在关断时，瞬间会在源边电感处产生一个大电压，如果电压过大，超过MOS管的耐压值，会烧毁MOS管，所以在源边电感处设计了一个RC的吸收电路［7］，如图2所示。

2.2开关管选取

电力MOSFET是近年来发展最快的全控型电力电子器件之一。它的显著特点是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小、驱动电路简单;又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，是目前开关速度最高的电力电子器件，在小功率电力电子装置中，是应用最为广泛的器件，因此开关管选取电力MOSFET。

2.3整流二极管的选取

整流二极管的选取肖特基二极管，根据二极管承受的反相电压的计算公式［1］:

可以计算输出电压分别为+5 V、±15 V时二极管承受的反相电压116.0 V、32.6 V。因此选用型号为SR560和SR160肖特基二极管。

由肖特基二极管的结电容在几百皮法左右，结电容在导通时容易积累电荷，当副边电流减为零时，结电容会通过电感线圈放电，从而产生振荡。为了防止这种情况的发生，在+5V输出端肖特基二极管两端併上较大的电容［9］，以增大振荡周期，减少高频振荡，如图2所示。

2.4输出滤波电路

输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能，这里要采用π型滤波，取L=10 μH，选用1 000 μF/35 V的铝电解电容，如图2所示。

2.5采样及采样滤波电路设计

为了将占空比控制在40%以内，需要采样电阻来保证。前面变压器部分计算得:40%占空比时IP= 3.61 A，根据对应关系，此时的采样电压对应1 V，即:

这里选取0.3 Ω电阻。

即此时的峰值电流是3.3 A。采样电阻的功耗:

因为实际选取电阻应该选取2倍以上的额定功率的功率电阻，这里选用1 W的0.3 Ω的采样电阻，选用4只1.2 Ω 1/4 W的电阻并联作为采样电阻。

2.6 MOS管的驱动电路

MOS管驱动电路有栅极驱动电阻RG、下拉电阻R2、保护稳压二极管VD组成3部分组成，如图2所示。RG选用33 Ω、1/4 W的电阻。下拉电阻R2可以保证MOS管关断时的可靠关断，这里选取20 K的电阻［9］。由于MOS管的|VGS|＜20 V，因此这里选取18 V的稳压管，1N4746。

2.7上电电源切换电路

设计电源切换电路目的是为了减小uc3842串联的分压电阻的功耗［10］，如图2所示。刚上电时由分压电阻R8给uc3842提供电源，此后当整个电路工作起来之后，由辅助线圈给uc3842提供电源，即当辅助线圈电压高于11 V时，自动切断R8与uc3842的通路电源改由Vi提供。原理描述:R10与稳压管VD2串联构成15 V、2 mA的稳压源，给LM393提供15 V的电源，R3、R6分压构成11 V的比较电压，用于设定电压切换门限，V1、V2三极管这里起开关作用; R2为限流电阻，R1为开关管的基极偏置电阻; LM393用于比较辅助线圈与电压切换门限，当辅助线圈电压高于电压切换门限时LM393输出低电平控制开关管关断; VD3为18 V稳压二极管为了保护uc3842钳位uc3842的电源电压，保证uc3842在18 V以下工作; VD1为整流二极管，防止uc3842上电电源倒灌，R7为下拉电阻，防止D2反向漏电电流造成比较电路误操作，C1、C2、C10分别为去耦电容; R4、R5为限流电阻，防止外部强驱动电源直接接入。

3　测试结果与分析

(1)MOS栅极电压驱动波形如图3所示。

(2)电流采样电阻上的电压波形如图4所示。

(3)+5 V输出滤波之后的波形如图5、图6所示。

从图5可以看出电压稳定在+5 V;从图6可以看出电压纹波限制在50 mV以内，满足指标要求。

(4)+15 V输出滤波之后的波形如图7、图8所示。

图3　MOS栅极电压驱动波形

图4　滤波前采样电阻上的电压波形

图5　+5 V输出LC滤波之后的波形(直流耦合)

图6　+5 V输出LC滤波之后的波形(交流耦合)

图7　+15 V输出滤波之后的波形(直流耦合)

图8　+15 V输出滤波之后的波形(交流耦合)

从图7中可以看出电压稳定在+15 V，精度已经达到了5%以内要求;从图8中可以看出此路的电压纹波也达到了20 mV，达到了1%的纹波要求。

(5)－15 V输出滤波之后的波形如图9、图10所示

图9　－15 V输出LC滤波之后的波形(直流耦合)

图10　－15 V输出LC滤波之后的波形(交流耦合)

从图9中可以看出电压稳定在－15 V，精度已经达到了5%以内要求;从图9中可以看出此路的电压纹波也达到了50 mV，达到了1%的纹波要求。

4　结论

针对小功率开关电源的要求，本文以UC3842 为PWM控制器，采用电阻，TL431和线性光耦等元器件构成电压采样反馈电路，设计了一种48 V转+5 V，±15 V开关稳压电源，性能达到了预期指标要求，该产品具有精度高、纹波小、效率高、性能可靠等优点，可广泛应用于各类小功率变换场合。

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王　侠(1979－)，女，汉族，陕西杨凌人，硕士，西安科技大学电气与控制工程学院，讲师，主要从事开关电源设计方面的研究，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

中图分类号:TM564.8; TM91

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0785－05