单片集成开关电源系统的设计

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单片集成开关电源系统的设计

方芳（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011）

指导老师：徐晓峰

摘要: 本文首先分析了隔离式开关电源工作原理及其组成模块；然后设计了一种基于PWM控制芯片

UC3842的开关电源，详细说明了电路的启动稳压过程、过流过压保护原理，开关管保护电路；并对UC3842

芯片的结构组成、引脚及其特点及UC3842的工作进行了描述。

关键词: 隔离式开关电源，脉宽调制集成电路，UC3842

1 引言

随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了

电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取

而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。

隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整

的稳定直流电压。

早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩

色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设

备对多种电压和电流的需求。

随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实、用化。而

半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要

求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开

关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳

压器系列。近年来高反压Mos大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一

200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前

所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在

体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在

20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，

其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成

本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

2 开关电源的基本理论

隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端

正激式等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素

来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式

高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组经脉冲电压整流滤波

而来。开关电源的基本功能方框如图1所示。

[2][1]

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在图1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的。首先要经过整流、滤波电路

变成含有特定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功

率开关元件，比如开关晶体管、场效应管(MOsFET)等元件，高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方

波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后

就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(PWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制

电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关元件的开关时间比例(占

空比)，达到调整输出电压的目的。

在方波的上升沿和下降沿．有很多高次谐波，如果这些高次谐波反馈到输入交流线，就会对其它电

子设备产生干扰。因此，在交流输入端，必须要设置无线频率干扰(REI)滤波器，把高频干扰减少到可

接收的范围。

此外，为了使整个电路安全可靠地工作，还要设计辅助电路，主要包括过压、过流保护电路等。

图l 隔离式开关电源的方框图

3 UC3842构成的开关电源电路

图2是由UC3842构成的开关电源电路，220v市电由C1、L1 滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电

阻Rt1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器RP1降压后加到UC3842的供电端（⑦脚），为UC3842 提

供启动电压，电路启动后变压器的付绕组③④的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另

一方面经R3、R4 分压加到误差放大器的反相输入端②脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电

压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。④脚和⑧脚外接的R6、C8 决定了振荡频率，其振荡

频率的最大值可达到500KHz。R5、C6用于改善增益和频率特性。⑥脚输出的方波信号经R7、R8 分压后驱

动MOSFEF功率管，变压器原边绕组①②的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直

流电压供负载使用。电阻R10 用于电流检测，经R9、C9 滤滤后送入UC3842的③脚形成电流反馈环。所

以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统,电压稳定度非常高，当UC3842的③脚电压高于1V时振荡器

停振，保护功率管不至于过流而损坏。

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图2 UC3842构成的开关电源

此电路的调试需要注意：一是调节电位器RP1使电路起振，起振电流在1mA左右；二是起振后变压

器③④绕组提供的直流电压应能使电路正常工作，此电压的范围大约为11～17V 之间；三是根据输出

电压的数值大小来改变R4，以确定其反馈量的大小；四是根据保护要求来确定检测电阻R10 的大小，通

常R10 是2W、1Ω以下的电阻。

3.1 启动过程

首先由电源通过启动电阻R1和RW1提供电流给电容C4 、C5充电，当C4电压达到UC3842的启动

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