基于UC3842 的直流斬波變換器研究與設計＊

孫 強，徐嘉成，郭曉鈺，李丹丹，吳亞輝，杜艷紅，呂海英

（1.天津農學院 工程技術學院，天津300384；2.國網天津市電力公司寶坻供電分公司，天津301800）

直流斬波系統有體積小、質量輕、電路簡單以及效率高等方面的優點，因此在便攜式的電子產品、航空航天、電力電子器件以及工業控制等領域中得到廣泛應用[1]。早期的電源一般都是工頻整流線性電源，其體積大、功率小、能量密度低，且效率僅有30%～40%。但隨著現代電力電子器件的發展，現有的直流斬波系統（DC-DC 開關電源）以MOSFET為開關器件，其工作頻率為300～500 kHz。高頻化使開關電源的效率提高，體積減小，能量密度增大，已經成為電源發展的趨勢，同時高頻化也可使經濟效益達到最大化[2-3]。

1 直流斬波系統原理

直流斬波系統是目前電源中最重要的一種，它實現了輸入端一種等級的直流到輸出端另一種等級的直流的轉化。本文設計的直流斬波系統工作流程如圖1 所示，其主要模塊由輸入模塊、輸出模塊、濾波模塊、控制模塊、穩壓濾波模塊、采樣反饋模塊組成。本設計中采用PWM 控制方式，實現了降壓斬波功能。UC3842 是一款性能優良的電流控制型脈寬調制芯片，在電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號會經過芯片的2 引腳進入誤差比較放大器中，與其內部的基準電壓進行比較，比較后產生的誤差信號反饋給控制模塊，實現閉環控制，從而達到穩定輸出電壓的目的。

圖1 直流斬波系統工作流程圖

2 直流斬波系統設計

控制模塊中產生頻率固定的驅動信號，實現調脈沖寬度調制的工作模式，控制MOS 管的通斷，從而調節輸出電壓的大小，使輸出電壓趨于穩定。芯片的鋸齒波發生器提供一個恒定的時鐘頻率信號，通過誤差放大器的電壓比較器形成電壓閉，通過電流比較器形成電流閉環。在比較器的輸入端接入輸出電流的信號和誤差放大器的輸出信號進行比較，來調節MOS 管驅動信號的占空比大小，從而使輸出的電流大小隨著誤差電壓的變化而變化。當電源電壓或者是負載變化導致輸出電壓Uo升高時，脈寬調制器將使占空比減小，在一個周期內減少MOS 管的導通時間，從而將輸出電壓的平均值降低，以趨近理想輸出電壓的大小，達到穩壓的目的；反之當輸出電壓減小時，則使占空比增大，延長周期內MOS管的導通時間，使輸出電壓增大。斬波系統原理如圖2 所示。

圖2 直流斬波系統原理圖

當電源輸入75 V 的輸入電壓時，經過輸入濾波模塊，去掉諧波后進入直流斬波的主電路，當MOS 管導通時，電源對負載供電的電流上升，當MOS 管關斷時，通過二極管進行續流，此時負載的電壓接近于0 V，電流也快速下降，所以在電路中加入電感量L較大的電感。同時為了保護芯片以及功率開關管，在系統中接入回路將采樣的電壓、電流反饋到控制模塊中，形成一個穩定的閉環系統。

3 斬波占空比計算

直流斬波系統中輸入電壓和輸出電壓的大小關系主要由控制芯片的占空比和頻率來決定，當4 引腳外接的電容Ct經過8 引腳提供的Vref給Rt充電至2.8 V，在經過UC3842內部的一個恒流源Id給Ct放電至1.2 V。在充電時：

將τ=Rt×Ct代入式（1）即可得到：

放電時，由于電容在通過內部恒流源放電的同時也在通過Rt充電，所以：

經過下列推算：

可以得到頻率公式：

占空比公式為：

由式（5）可以得知，最大占空比只與IDis和Rt的乘積有關，在IDis恒定的情況下，Rt越大時，最大占空比就越大。充電時間和放電時間的和即為振蕩周期，從而可以計算出振蕩頻率，當UC3842 的3 引腳和4 引腳之間加入了RC 補償，那么實際的振蕩頻率會低于計算的振蕩頻率。輸入、輸出電壓波形如圖3 所示。

圖3 輸入、輸出電壓波形

通過圖3 可以看出，在系統輸入+75 V 的直流電壓時，可以輸出+36 V 的直流電壓，且上升時間較快，大約為3 ms。輸出電壓波形較為穩定，上升時間快、穩態誤差小，并且超調量極小，所設計的直流斬波系統基本符合預定目標。

4 結論

通過對仿真結果的分析，本文所設計的直流斬波系統在可靠、穩定地完成所設定目標電壓轉換的前提下，具備一定的穩定性和抗干擾性，且響應較快。該直流斬波系統具有結構簡單、安全可靠、輸出電壓穩定、紋波系數小、電能質量好以及轉換效率高等優點，符合開關電源發展趨勢，具有良好的應用前景。