基于UCC3802的開關電源設計

姜曉道，?，F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變、整流等一系列操作實現交流變直流的操作。當今社會科學技術不斷變化發展，在平時的日常生活、學習研究中人們已經習慣適應了電氣和電子設備。各種類的設備都離不開的就是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、新設備的建設中是非常關鍵的，推動著科學技術的進步。

1 國內外研究現狀

美國TI公司推出了一款新型的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）電流型控制芯片UCC3802，它是一種性能非常優秀的脈寬調制器，當某種特殊原因導致電源的輸出電壓變大時，UCC3802會調節驅動信號的脈沖占空比，使電壓調節到一個穩定的值，達到穩壓的目的。UCC3802可以直接驅動場效應管、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的低功率開關電源。當前很多家電、智能機房等均采用UCC3802為核心的開關電源作為電源解決方案。

2 高穩定性UCC3802的工作原理

電流型PWM控制器是基于電壓型PWM控制器設計而來，在電壓型PWM控制器的基礎上增加了電流反饋調節的設計，從而形成了電流型和電壓型雙調節的閉環控制器。如圖1所示，電流型PWM控制器設計有兩路控制閉環回路，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過電阻取樣后，產生的電壓與前面生成的誤差電壓相比較，產生PWM脈寬調制信號，使得誤差信號對電感輸出電壓產生反饋調節[3]。

圖1 電流型PWM控制器等效原理

若輸入電壓降低，經過電感遲滯后，輸出電壓下降。經過電壓誤差反饋調節后，PWM調節器調整占空比，使輸出電壓得到補償，從而將輸出電壓維持在一個穩定的值。

3 特性指標

此次設計的開關電源主要應用范圍為智能小家電，根據智能小家電對電源的要求，總結開關電源的設計指標如下。輸入電壓范圍為交流40～53 V，開關電源輸出頻率為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 系統整體設計方案與基礎知識

4.1 系統整體方案

以單端反激式為電源電路原型拓撲，其技術原理如圖2所示。

圖2 單端反激式開關電源拓撲原理

圖2中：變壓器兩側的繞組為N1和N2；變壓器電感分別為L1和L2；T為開關管；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 功率開關管選型

功率開關管選型上，綜合考慮其壽命和開關效率，采用MOS管作為功率開關管，其優勢如下文所述。

（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。

（2）導通電阻低，具有極低的傳導損耗。

（3）開關速度快，開關損耗低，特別適應PWM輸出模式。

（4）在電路設計上的靈活性大，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）整個開關管電能功耗低、開關管的開關性能十分穩定，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。

根據上述分析，采用IRF640功率MOS管作為電源的功率開關管。

4.3 整流濾波電路設計

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總能耗的20%左右，這將極大程度上對開關電源的設備工作效率產生影響。對于本次設計的開關電源，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，因此本次設計中整流二極管采用肖特基二極管。

對于開關電源的濾波方面，采用經典的LC濾波電路（π型），其結構拓撲如圖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構方面與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過C1時，其中的交流雜波被C1過濾。然后經過L和C2組成的電路中，流經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。經過C2時，又進行了一步濾波操作。經過上述的濾波操作，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 硬件電路整體設計

圖4為系統總體的硬件原理框圖，輸入的交流電源信號經過整流電路整流后，輸入到電路中。輸入的直流電壓經過MOS管斬波后，經過高頻變壓器后形成頻率為50 Hz的方波，經LC濾波電路整流濾波后得到一個穩定的直流輸出電壓。輸出電壓經過反饋，輸入到UCC3802內部，與基準電壓比較后，形成一個脈寬可調的PWM信號，開關管導通直接受PWM信號的控制，將輸出電壓控制在一個穩定的范圍內，保證了直流輸出電壓的穩定[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整，直接對開關管的控制極進行控制，調整輸出電壓保持在一個穩態的范圍。

圖4 系統總體硬件原理

4.5 采樣驗證電路設計

為了對開關電源進行測試和驗證，設計了基于AT89C51單片機的AD采樣電路，可適時采集開關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計中采用AT89C51單片機，其IO管腳豐富，滿足驅動AD芯片和驅動顯示芯片的要求。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先采用51單片機作為控制核心。本次開關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 控制器引腳結構

AT89C51單片機設計有40個IO引腳，其封裝形態與其他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單片機的最小系統電路設計

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產生精確的定時。AT89C51芯片的運行是以時鐘電路發出的振蕩信號為基準，每個指令的執行都有條不紊。時鐘的快慢直接決定單片機的運行速度，時鐘發生電路的設計質量也影響著整個控制系統的工作有效性。

4.6.2 單片機最小系統電路

單片機由中央處理器（含部分特殊功能寄存器）、內部RAM、程序存儲器、各種外設（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、芯片時鐘以及內部復位等組成。最小系統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轉換電路設計

模數轉換器是將電路采集的模擬信號轉換為數字信號的芯片，ADC0809芯片設計有8路模擬輸入采集，數字輸出的高精準ADC轉換芯片，芯片采用5 V供電，不需要額外提供基準電源。芯片完成一次轉換需128 μs，其轉換速度和轉換精度滿足開關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，即開關電源輸出的最終電壓值。為了使整個系統有直觀的顯示，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，其具有驅動方式簡單、易上手等特點，被廣泛應用于工業控制。

5 結 論

本文采用UCC3802芯片設計了一套單端反激式開關電源，經實驗證明整個電路的電源損耗率低，電路結構相對應較為簡單、易實現、成本較低，具有非常廣闊的應用前景。