开关电源毕业设计设计(西交大)

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基于UC3842的开关电源设计

摘 要

电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能

源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电影产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。

UC3842是一种性能优良的电流控制型脉宽调制器。假如由于某种原因

使输出电压升高时，脉宽调制器就会改变驱动信号的脉冲宽度，亦即占空比D，使斩波后的平均值电压下降，从而达到稳压目的，反之亦然。UC3842可以直接驱动MOS管、IGBT等，适合于制作20～80W小功率开关电源。由于器件设计巧妙，由主电源电压直接启动，构成电路所需元件少，非常符合电路设计中“简洁至上”的原则。设计思路，并附有详细的电路图。

关键词：开关电源，uc3842，脉宽调制，功率，IGBT

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SWITCHING POWER SUPPLY DESIGN BASED ON

UC3842

ABSTRACAT

Power is to achieve power conversion and power transmission major equipment. In the information age, agriculture, energy, transportation, communications and other areas Power of the film industry make a greater and higher requirements，such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power workers have been exploring the technology for a variety of rural customs, the power to make the best products to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results.

UC3842 is an excellent current-controlled pulse width modulator. If for some reason, the output voltage increases, the pulse width modulator drive signal will change the pulse width, that is, the duty cycle D, so that the average voltage drop after the chopper to achieve the regulator end, and vice versa how ever.UC3842 can control direct drive MOS, IGBT, etc., suitable for the production of 20 ~ 80W low-power switching power supply. As the device is cleverly designed, launched by the main power supply voltage directly to form circuit components required for a small, very consistent with circuit design, "simplicity first" principle.

KEY WORDS: Switching Power Supply，uc3842，PWM，power，IGBT

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目 录

前 言 .................................................................................................. 1

第1章 开关电源的简介 ................................................................... 2

1.1 开关电源概述 ....................................................................... 2

1.1.1 开关电源的工作原理 ................................................. 2

1.1.2 开关电源的组成 ......................................................... 3

1.1.3 开关电源的特点 ......................................................... 4

1.2 开关器件 ............................................................................... 4

1.2.1开关器件的特征 .......................................................... 4

1.2.2器件TL431. ................................................................. 5

1.2.3电力二极管 .................................................................. 6

1.2.4光耦PC817 .................................................................. 6

1.2.5电力场效应晶体管MOSFET ...................................... 7

第2章 主要开关变换电路 ............................................................... 9

2.1 滤波电路 ............................................................................... 9

2.2 反馈电路 ............................................................................... 9

2.2.1电流反馈电路 .............................................................. 9

2.2.2电压反馈电路 ............................................................ 10

2.3电压保护电路 ...................................................................... 10

第3章 UC3842 ............................................................................... 12

3.1 UC3842简介 ....................................................................... 12

3.1.1 UC3842的引脚及其功能 .......................................... 12

3.1.2 UC3842的内部结构 .................................................. 13

3.1.3 UC3842的使用特点 .................................................. 14

3.2 UC3842的典型应用电路 .................................................... 15

3.2.1反激式开关电源 ........................................................ 15

3.2.2 UC3842控制的同步整流电路 .................................. 16

3.2.3升压型开关电源 ........................................................ 19

第4章 利用UC3842设计小功率电源 .......................................... 21

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4.1 电源设计指标 ..................................................................... 21

4.1.1元件的选择 ................................................................ 21

4.1.2电路结构的选择 ........................................................ 23

4.2 启动电路 ............................................................................. 23

4.3 PWM脉冲控制驱动电路 .................................................... 24

4.4 直流输出与反馈电路 ......................................................... 25

4.5 总体电路图分析 ................................................................. 26

结 论 ................................................................................................ 28

参考文献 .......................................................................................... 29

致 谢 ................................................................................................ 30

附 录1：总体电路图 ...................................................................... 31

附 录2：开关电源常用英文标志与缩写 ....................................... 32

外文资料译文 .................................................................................. 33

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前 言

电源[power supply; power source] 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。 电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

电力电子技术的发展,特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展,将开关电源的工作频率提高到相当高的水平,使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了开关电源技术的发展。

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第 1 章 开关电源的简介

1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开 关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图 1-1 进行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui 经开关 S 加至输出端，S 为 受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关 S 按要求改变 导通或断开

时间，就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压。这个脉冲 电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压 Uo。

(a) 电路图；(b) 波形图 图 1-1 开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下

D =

T ON T

(1-1)

式中，T 表示开关 S 的开关重复周期；TON 表示开关 S 在一个开关周 期中的导通时间。 开关电源直流输出电压 Uo 与输入电压 Ui 之间有如下关系： Uo=U i D (1-2)

由式(1-1)和式(1-2)可以看出，若开关周期 T 一定，改变开关 S 的导通 时间 T0 n ,即可改变脉冲占空比 D,从而达到调节输出电压的目的。T 不变， 只 改变 T0 n 来 实 现占 空 比 调 节的 稳 压 方式 叫 做 脉 冲宽 度 调 制(PWM)。 由于2

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PWM 式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化， 因此 PWM 式开关电源用得较多。 若保持 T0 n 不变， 利用改变开关频率 f=1/T 实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压 Uo 稳压的方法，称做脉冲 频率调制(PFM)。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设 计不易实现最优化。既改变 T0 n ,又改变 T,实现脉冲占空比调节的稳压方 式称做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节 的稳压方式均有应用 [1] 。

1.1.2 开关电源的组成 开关电源的基本组成如图 1-2 所示。 其中 DC/DC 变换器用以进行功率 变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自 信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产 生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是 PWM 信号、 PFM 信 号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控 制开关信号的幅值、 频率、 波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比， 以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括 启动、 过流过压保护、 输入滤波、 输出采样、 功能指示等电路。反馈 回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放 大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从 而调整输出电压。DC/DC 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 PWM 变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。开关 电源的负载变换瞬态响应主要由输出端 LC 滤波器的特性决定，所以可以 通过提高开关频率、 降低输出滤波器 LC 的方法来改善瞬态响应特性。

图 1-2

开关电源的基本组成

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1.1.3 开关电源的特点 开关电源具有如下特点： (1) 效率高。开关电

源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整 管的功耗小，效率高，一般在 80%~90%,高的可达 90%以上； (2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的 漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5,体积也大大 缩小了； (3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90~270 V 内变化时，输 出电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽 并保证开关电源的高效率； (4)安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护 电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20 kHz 以上，因此 滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管 工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围 元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机 的可靠性和稳定性 [2] 。

1.2 开关器件1.2.1 开关器件的特征 同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重 要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处 理信息的电子器件。 (2) 开关器件一般都工作在开关状态，导通时(通态)阻抗很小，接近于 短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断 路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。 (3) 开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第 一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际4

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开关。 (4) 电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和 控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是 开关器件的驱动电路。 (5) 为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏， 不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有 微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换 过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动 电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。

1.2.2 器件 TL431. TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的 输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref(2.5V)到 36V 范围内的 任何值。该器件的典型动态

阻抗为 0.2 ,在很多应用中可以用它代替齐纳 二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等 [3] 。 TL431 特点： (1)最大输出电压为 36V; (2)电压参考误差：±0.4% ,典型值@25℃(TL431B) ; (3)低动态输出阻抗，典型 0.22 ;

(4)负载电流能力 1.0mA to 100mA; (5)等效全范围温度系数 50 ppm/℃典型； (6)温度补偿操作全额定工作温度范围； (7)低输出噪声电压。

图 1-3 tl431 的外观和管脚5

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1.2.3 电力二极管 电力二极管可分为普通二极管, 快恢复二极管,肖特基二极管三种。 (1) 普通二极管(General Purpose Diode) 普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode), 多用于开关频率不高(1 kHz 以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在 5 s 以上，这在开 关频率不高时并不重要。其正向电流定额值和反向电压定额值可以达到很 高，分别可达数千安和数千伏以上。 (2) 快恢复二极管(FRD) 快恢复二极管是恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短的二极管，简称 为快速二极管。快速二极管在工艺上多采用了掺金措施，有的采用 PN 结 型结构，有的采用改进的 PiN 结构。采用外延型 PiN 结构的快恢复外延二 极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes,FRED),其反向恢复时间更短(可低于 50 ns),正向压降也很低(0.9 V 左右),但其反向耐压多在 400 V 以下。快 速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级，前者反向恢复 时间为数百纳秒或更长，后者则在 100 ns 以下，有的甚至达到 20~30 ns。 (3) 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极 管(SBD),简称为肖特基二极管。肖特基二极管的优点很多，主要是：反 向恢复时间很短(10~40 ns),正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反 向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；其开关 损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的不 足之处是：当反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此 多用于 200 V 以下；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不 能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度 [4]。

1.2.4 光耦 PC817 PC817 [12] 是常用的线性光藕，在各种要求比较精密的功能电路中常常 被当作耦合器件，具有上下级电路完全隔离的作用，相互不产生影响. 当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接 受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。6

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普通光电耦合器只能传输数字信号(开关信

号) ,不适合传输模拟信号。线 性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压 或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使 光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同,PC817 光电 耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。 主要应用范围：开关电源、适配器、充电器、UPS、DVD、空调及其 它家用电器等产品 [6] 。

图 1-4 PC817 的外观和内部结构

1.2.5 电力场效应晶体管 MOSFET (1) 电力场效应晶体管的特点 电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的 MOS 型，简称电力 MOSFET。 其特点是：用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率 小，开关速度快，工作频率高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般 只适用于功率不超过 10 kW 的电源电子装置。 (2) 电力场效应晶体管的结构和工作原理

(a) N 沟道内部结构断面示意图；

(b) 电气图形符号

图 1-5 电力 MOSFET 的结构和电气图形符号

电力 MOSFET 的种类按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道，如图 1-5 所示。其中 G 为栅极，S 为源极，D 为漏极。电力 MOSFET 的工作原理是：7

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在截止状态，漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P 基区与 N 漂移区 之间形成的 PN 结反偏，漏源极之间无电流流过；在导电状态，在栅源极 间加正电压 UGS,栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正 电压会将其下面 P 区中的空穴推开，而将 P 区中的电子吸引到栅极下面的 P 区表面。

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第 2 章 主要开关变换电路

2.1 滤波电路输入滤波电路具有双向隔离作用，它可抑制从交流电网输入的干扰信 号， 同时也防止开关电源工作时产生的谐波和电磁干扰信号影响交流电网。 图 2-1 所示滤波电路是一种复合式 EMI 滤波器，L 1 、L 2 和 C 1 构成第一级 滤波，共模电感 L 3 和电容 C 2 、C 3 进行第二级滤波

图 2-1 输入滤波电路

C1 用于滤除差模干扰，选用高频特性较好的薄膜电容。电阻 R 给电 C2、 容提供放电回路， 避免因电容上的电荷积累而影响滤波器的工作特性。 C3 跨接在输出端，能有效地抑制共模干扰。为了减小漏电流，C2、C3 宜 选用陶瓷电容器 [7] 。

2.2 反馈电路2.2.1 电流反馈电路 电流反馈电路采用电流互感器，通过检测开关管上的电流作为采样电 流，原理如图 2-2 所示。电流互感器的输出分为电流瞬时值反馈和电流平 均 值 反馈 两 路 ，R 2 上 的 电压 反 映 电 流 瞬 时 值 。开 关 管 上 的 电 流 变 化会 使 UR2 变化，U R2 接入 UC3842 的保护输入端⑶脚，当 U R2 =1V 时，UC3842 R 芯片的输

出脉冲将关断。 通过调节 R 1 、 2 的分压比可改变开关管的限流值， 实现电流瞬时值的逐周期比较，属于限流式保护。输出脉冲关断，实现对 电流平均值的保护，属于截流式保护。两种过流保护互为补充，使电源更 为安全可靠。采用电流互感器采样，使控制电路与主电路隔离，同时与电 阻采样相比降低了功耗，有利于提高整个电源的效率 [1] 。9

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图 2-2 电流反馈电路

2.2.2 电压反馈电路 电压反馈电路如图 2-3 所示。输出电压通过集成稳压器 TL431 和光电 耦合器反馈到 UC3842 的⑴脚，调节 R 1 、R 2 的分压比可设定和调节输出电 压，达到较高的稳压精度。如果输出电压 UO 升高，集成稳压器 TL431 的 阴极到阳极的电流增大， 使光电耦合器输出的三极管电流增大， UC3842 即 ⑴脚对地的分流变大，UC3842 的输出脉宽相应变窄，输出电压 U O 减小。 同样如果输出电压 U O 减小，可通过反馈调节使之升高 [10] 。

图 2-3 电压反馈电路

2.3 电压保护电路图 2-4 所示为输出过电压保护电路。稳压管 VS 的击穿，电压稍大于 输出电压额定值，输出正常时，VS 不导通，晶闸管 V 的门极电压为零， 不导通。当输出过压时，VS 击穿，V 受触发导通，使光电耦合器输出三极 管电流增大，通过 UC3842 控制开关管关断。

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图 2-4 输出过电压保护电

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第 3 章 UC3842

3.1 UC3842 简介继 MC1394、AN5900 之后，人们又开发出功能更完善的它激单端输出 驱动集成电路。其特点是除内部 PWM 系统外，还设有多路保护输入和稳 定的基准电压发生器，同时还具有小电流启动功能。典型的 UC3842 就是 其中的代表，它功能完善，性能可靠，目前广泛被各种普通电源采用，还 被 用 于 有 源 因 数 改 善 电 路 和 高 压 升 压 式 开 关 电 源 中 。 UC3842 是 美 国 Unitrode 公 司 [14] 生 产 的 一 种 高 性 能 单 端 输 出 式 电 流 控 制 型 脉 宽 调 制 器 芯 片。 UC3842 为 8 脚双列直插式封装，其内部原理框图如图 1 所示。主要 由 5.0V 基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流 测 定比 较 器 、PWM 锁 存器 、 高 增益 E/A 误 差放 大 器 和适 用 于 驱动 功 率 MOSFET 的大电流推挽输出电路等构成。 1 为 COMP 端； 2 为反馈端； 端 端 端 3 为电流测定端；端 4 接 Rt、Ct 确定锯齿波频率；端 5 接地；端 6 为推 挽输出端，有拉、灌电流的能力；端 7 为集成块工作电源电压端，可以工 作在 8~40V;端 8 为内部供外用的基准电压 5V,带载能力 50mA。

3.1.1 UC3842 的引脚及其功能

图 3-1 UC3842 的引脚

如图 3-1 :1 ○ 脚为内部误差

放大器输出端，外接阻容元件可改善误差放大器的增

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