基于UC3842的小型開關電源設計與仿真

龍志國

（中國電信股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430071）

0 引 言

線性電源是線性穩壓電源（Linear Regulated Power Supply，LPS）的簡稱，其內部調整管工作在線性區，即相當于一個可變電阻，通過改變其阻值來達到調節輸出電壓大小的目的。線性電源的電路很簡單且輸出電壓穩定，但由于其調整管工作時電動勢降落很大，功耗隨之較大，效率較低[1]。

開關電源則是開關穩壓電源的簡稱，內部功率開關管工作在高頻開關狀態，以MOS管為例，導通時RDS一般在幾歐姆左右，而關斷時其漏-源極電阻很大，為斷路狀態，這也就是“開關”的名稱由來。開關電源的優點是由于其內部工作在高頻狀態，自身功耗很低，電源效率也就比線性電源要高一倍左右；體積和質量要比相同輸出功率的線性電源小很多。同樣由于工作在高頻狀態，輸出的紋波噪聲大則是其最大的缺點[2]。

隨著科技的不斷發展與進步，各類電子產品對低功耗的要求越來越高，開關穩壓電源因其體積小、效率高、穩定性好等突出的優點而逐漸代替了原來的線性穩壓電源，也越來越普遍地被人們所使用,小到日常生活中的充電器適配器，大到智能電網及軍工設備均有開關電源的應用，在未來會有更好的發展前景。

1 開關電源的原理

“開關”是開關電源重要的一部分，也即是功率管。為了控制其通斷需要有一個控制電路，按照原理來分大致有脈沖寬度調制式（Pulse Width Modulation，PWM）、脈沖頻率調制式（Pulse Frequency Modulation，PFM）、脈沖密度調制式（Pulse Density Modulation，PDM）和混合調制式。在實際生活中，以PWM控制器應用最廣。

開關電源電路由輸入整流濾波電路、功率開關管及高頻變壓器、控制電路（這里采用PWM控制）、輸出整流濾波電路和反饋電路等5個部分構成。其工作原理如下：輸入端的220 V交流電壓首先通過輸入整流濾波電路整流成直流電壓，再由控制電路所控制通斷的功率開關管的高頻斬波之后經高頻變壓器降壓，得到高頻交變電壓，最后經過輸出整流濾波電路整流得到所需要的直流電壓。而控制電路則根據反饋電路反饋回來的信號進行占空比調節，作為功率開關管的驅動信號，進而在每一個周期都能實時地調節輸出電壓，達到使輸出電壓穩定的目的。

2 單端反激式開關電源的設計

單端正激式與反激式開關電源在電路圖上僅有很小的差別，主電路都是一個功率開關管、一個高頻變壓器和一個控制器，在高頻變壓器上只有同名端接法的區別，然而其原理上卻有天差地別。

反激式開關電源線圈繞組相對極性是故意設計的，在MOS管導通時，初級電感線圈儲存來自輸入電源的能量，電動勢為上正下負，次級線圈由于同名端相反，電動勢上負下正使二極管反向偏置，沒有電流流動，也即次級線圈不導通。而當MOS管關斷后，由楞次定律可知，初級線圈上的電流不能突變，感應出的電動勢反向，變為上負下正，高頻變壓器線圈儲存的能量釋放到輸出側，次級線圈電動勢變為上正下負，導通二極管，經濾波后輸出電壓。

正激式開關電源同名端相同，其高頻變壓器的初級次級側繞組同時導通，這也就是與反激式原理上最大的不同點，導致磁芯中的磁通幾乎完全抵消，需要一個復位繞組在開關管關斷時進行續流。而且，由于高頻變壓器僅僅起著變壓的作用，因此在輸出端還需串聯一個電感作為能量的儲存和傳遞元件。在MOS管導通時，初級線圈電動勢上正下負，次級側由于同名端相同也為上正下負，二極管導通；MOS管關斷后，次級繞組同樣關斷，復位繞組則將其儲存的能量釋放出來，通過續流二極管繼續輸出電壓。由于在每個周期內都必須保證變壓器復位，因此正激式開關電源的占空比一定不能大于50%，該電路的實際應用很少。

UC3842是目前使用很廣的一種電流型的單端反激式脈沖寬度調制控制器集成芯片，具有引腳少（DIP-8或者DIP-14封裝）、外圍電路簡單、性能優良等優點。

UC3842內部電路及引腳如圖1所示，當為DIP-8封裝時，1號引腳COMP補償端接外部阻容元件，可對控制回路進行補償；2號引腳反饋端接開關電源輸出電壓反饋回來的信號，通過調節方波的占空比實現對功率開關管的控制；3號引腳電流檢測端接外部電流檢測電阻來對UC3842芯片進行限流保護，電流檢測電阻串聯在MOS管的源極與地之間，是一個組織很小的功率電阻；4號引腳/端是外接定時電阻和定時電容的公共端，也就是振蕩器產生鋸齒波周期的頻率控制端；5號引腳GND為公共地端；6號引腳OUT為脈沖寬度調制信號的輸出端，為單圖騰柱式輸出結構，輸出級由兩只晶體管串聯控制且為交替工作；7號引腳為芯片的工作電壓端，需要接入16 V以上的啟動電壓；8號引腳是UC3842內部5.0 V基準電壓的引出端[3]。

圖1 UC3842內部電路及引腳

從圖1中可以看到，UC3842就是將誤差放大器、比較器、振蕩器、PWM鎖存器等電路集成在一個芯片中，原理與開關電源的電流控制型電路相同。電流控制型電路與電壓控制型電路相比較多了一個電流反饋回路，是從功率管下端所接電流檢測電阻上反饋回去的電壓，簡單點說也就是雙閉環反饋控制系統。輸出端通過分壓或者光耦合器隔離反饋回來的電壓經過與基準電壓進行誤差放大后，再與電流檢測電阻上的電壓進行比較，輸入到PWM鎖存器的復位端口，而由振蕩器產生的特定周期的鋸齒波輸入到PWM鎖存器的置位端口，從PWM鎖存器的輸出端輸出占空比隨之而變化的方波，也就是PWM波。當高電平時導通功率開關管，低電平時關斷開關管[4]。

本文設計的小型開關穩壓電源要求是輸入電壓為50 Hz，220 V交流電，輸出電壓為連續可調的5～12 V直流電壓，最大輸出電流能達到3A。開關電源的整機電路如圖2所示，可以看到開關電源由幾大部分電路構成，分別為一次側輸入電路、二次側輸出電路、控制電路、反饋電路[5,6]。

在設計好各單元電路的具體參數之后，可以繪制出該開關電源設計的整機電路如圖2所示[7]。

3 電路的仿真驗證

用OrCAD畫出開關電源的整機電路,如圖2所示，輸入220 V正弦交流經整流濾波后的直流電壓如圖3所示，平均值約為311 V；UC3842芯片公共定時端所產生的鋸齒波波形如圖4所示，其周期T約為10.373 μs，也即頻率為96.4 kHz，與所設計參數基本一致；UC3842的反饋端波形如圖5所示，為光耦反饋回來的信號；圖6為UC3842輸出端PWM波，也即是MOS管的控制信號，占空比未超過50%，為正常工作狀態，無需增加斜坡補償電路。

圖2 開關電源整機電路

圖3 輸入端整流后直流電壓波形

圖4 UC3842產生鋸齒波波形圖

圖5 UC3842反饋端波形圖

圖6 UC3842所產生PWM波

輸出電壓為12 V時的仿真結果如圖7所示，5 V時仿真結果如圖8所示，兩者均為穩定輸出。由于本開關電源的電路參數均是根據輸出為12 V所設計，可以看到在輸出為12 V時，電壓紋波約為200 mV；而當輸出電壓為5 V時，電壓紋波明顯增大，約為500 mV。

圖7 仿真輸出12 V波形圖

圖8 仿真輸出5 V波形圖

4 結 論

在電路啟動過程中，輸出電壓從0開始逐漸上升，因為電壓一直低于12 V，此時對控制芯片來說是深度負反饋狀態，開關管一直保持導通狀態，從而電感電流逐漸增加，二次繞組上的電壓也逐漸上升，直至達到12 V。

當輸出電壓達到12 V之后，電路整體進入穩態，反饋電路也進入到正常反饋狀態。若輸出電壓升高到高于12 V，則精密光耦反饋電路反饋回UC3842的電壓也相應升高，在內部經過誤差放大器、電流檢測比較器、PWM鎖存器和門電路之后，使OUT端輸出低電平，PWM波占空比減小，每個周期內功率開關管關斷的時間增加，使次級的輸出電壓降低回到12 V；而當輸出電壓低于12 V時，同樣根據反饋信號使得UC3842的輸出為高電平，占空比增大，升高次級輸出電壓，從而使輸出電壓穩定在12 V。