基于UC3842 單端反激電源的設計與仿真分析

楊彬彬，黃磊，楊鯤，胡猛，項卓

（1.國營蕪湖機械廠；2.安徽省航空設備測控與逆向工程實驗室，安徽 蕪湖 241007）

脈寬調制（PWM）開關電源，具有較高的效率和靈活性。通常應用于要求高效率和多組電源電壓輸出的場合。開關電源的重量輕，散熱效果好。本文基于UC3842設計了一款單端反激開關電源，輸入電壓為交流220V，輸出電壓為直流12V 電流2A，電壓紋波<±50mV。

1 芯片介紹

UC3842 是Unitrode 公司推出的一款高性能的固定頻率電流型脈寬調制器，為8 腳雙列直插式封裝，內置的功能電路包括欠壓鎖定電路、可微調振蕩電路、精密基準電路、高增益誤差放大器、觸發操作邏輯電路、PWM 比較器。具有引腳數量少、外圍電路簡單、性能優良和價格低廉等特點，采用大電流推挽輸出，適用于N 溝道MOSFET，工作頻率高達500kHz，啟動電流小于1mA，它適用于無工頻變壓器的20 ～80W 的小功率開關電源，其工作溫度為0 ～+70℃，最高輸入電壓為30V，最大輸出電流為1A，是驅動MOSFET 的理想器件。其內部原理框圖如圖1 所示。

圖1 UC3842 的內部結構圖

2 總體設計原理

單端反激開關電源的總體設計原理框圖如圖2 所示，主要分為功率電路和控制電路兩部分。功率電路主要由交流輸入橋式全波整流及濾波電路、DC/DC 開關變換器以及輸出整流濾波電路組成。

圖2 總體設計框圖

控制電路由電壓、電流采樣電路以及PWM 控制電路組成，通過電壓電流雙閉環反饋，控制調節占空比，從而保證輸出電壓符合要求。

3 設計原理

3.1 輸入整流濾波電路設計

輸入整流濾波電路采用單相橋式整流濾波電路，如圖3 所示，輸入電壓經過橋式整流電路后變成脈動直流電壓，再經過大容量濾波電容得到直流高壓電。輸入額定電壓為220V，電壓最大值為311V，考慮2 倍裕量，選擇整流二極管1N4005（600V/1.0A），輸出側可選擇容值為80μF 電解電容。

圖3 穩壓電源原理圖

3.2 反饋回路設計（圖4）

圖4 反饋回路

反饋回路采用精密穩壓源TL431 和線性光耦4N25A。光耦工作在線性放大區，其電流放大系數傳輸比CTR 為20%。

表1 開關電源技術指標

其中，Uo=12V，Uref=2.5V，Udio= 0.7V，IFmax=10mA。

3.3 UC3842 外圍電路設計

工作頻率為f=150kHz

選取R17=1.2kΩ,C12=10nF。

假設開關電源效率為75%，則晶體管電流峰值為

其中，Dmax=0.45,Vin_min= 0.8Um

此時，芯片的電流檢測端取樣電阻的電壓需要高于1V，芯片才能正常工作, 所以采樣電阻R18、R19取3.3Ω。

3.4 其他開關元件選型

考慮到變壓器副邊電壓不超過45V，D6可選用FR102。考慮到Q1需承受反向耐壓，可選擇IFR820（500V/2.5A）。

3.5 變壓器設計（表2）

表2 變壓器技術指標

選磁芯材料和型號。

選用軟磁鐵氧體JP4、罐形鐵芯，取鐵芯磁感應強度的變化量△B=1700GS。

磁芯填充系數：KC=1；

銅的填充系數：Kμ=0.3；

電流密度：J=500A/cm2；

選用P 型（ 罐形）2213， 磁芯Ae1=0.635cm2，Ae1=0.297cm2，Ae1Aw1=0.189cm4。

計算變壓器初級電感量。

DCM 模式在最大輸出功率時，電流臨界連續：

計算鐵芯上所開氣隙的長度δ：

計算變壓器原邊繞組匝數：

取68 匝，計算匝比，確定各副邊繞組匝數：

1V 為輸出整流二極管壓降。

取5 匝，計算變壓器原副邊繞組電流有效值。

變壓器原邊電流峰值為：

變壓器各副邊電流峰值為：

變壓器原邊電流有效值為：

變壓器各副邊電流有效值為：

確定原副邊導線線徑和股數。

取J=5A/mm2，根據S=I/J 可得，

原副邊導線截面積為：

S1=0.0368mm2，S2=0.6388mm2。

考慮集膚效應，在導線100℃時，穿透深度：

N1選用d=0.25mm，S=0.0492mm2，取1 根。

N2選用d=0.45mm，S=0.1590mm2，取5 根。

校核窗口系數

可以繞得下。

4 仿真結果

電路仿真波形如圖5 所示。

圖5 仿真波形

（1）滿載時輸出電壓波形如圖5（a）所示。

（2）滿載時UC3842 內部振蕩電路輸出、MOSFET 驅動電壓、電流采樣電阻上的電壓波形如圖5（b）所示。

（3）滿載時Vfb 引腳電壓波形如圖5（c）所示。

（4）滿載時整流輸出電壓如圖5（d）所示。

（5）變壓器原副邊電壓如圖5（e）所示。

從測試結果可以看出，輸出電壓穩定在+12V，輸出電壓的紋波限制在±50mV 內，滿足設計要求。

5 結語

本文設計了一種基于UC3842 的單端反激開關電源，介紹了UC3842 內置電路和開關電源總體設計思路，在此基礎上詳細介紹了該開關電源的各部分電路參數設計方法，經仿真驗證切實可行，效果良好，具有一定的實用價值。