基于UC3842开关稳压电源的设计 - 全文

1、总体设计方案论证

　　开关电源由隔离变压器、整流滤波和DC—DC变换网络组成。设计的关键是DC～DC变换器，它包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功率器件和控制模块，而控制模块的设计又是DC～DC的核心，一般DC—DC变换的控制模块使用PWM调制的专用芯片，如TL494，UC3842等。芯片内部集成了振荡器(由外接电阻电容来决定频率)，误差比较器，PWM调制器等，有的甚至有保护电路和驱动电路。在此情况下用集成芯片外加少量的电路即可构成开关电源，稳定性能较好，控制简单，芯片功耗几乎可以忽略不计，且成本低。过流保护可以使用电流取样电阻串接在负载上。当取样的电流超过指定的范围，立即切断负载，或者降低输出电压，然后过一段时间再自动启动，接上负载，由继电器来控制负载的连通性。同时用A／D采样，经过单片机处理后显示当前输出电流和电压。还扩展了键盘来实现电压步进和预置，设置蜂鸣器实现过流时报警。

　　2、单元电路模块设计

　　开关稳压电源系统框图如图1所示。

 

 

 

　　

　　2.1 整流滤波电路设计

　　整流滤波电路如图2，在开机瞬间，滤波电容等效为短路，可串接0．1Ω限流电阻保护整流桥。此设计最大输出功率72瓦特，电网电压低到15V输入时(整流后可达到18V)，加上最不利效率为70％，则输入端功率经计算为102W，整流滤波后输出的电流约5.6A，取6A电流。用普通整流二极管不能满足要求，故用承受电流较大的硅桥。为达到可以接受的纹波系数，滤波电容的容值需要较大。考虑到其它无用功耗，取P=102W，经计算C≈30000uF，这时候纹波系数低至2.5％，但电容体积太大，DC—DC变换级对纹波系数的要求可以降低，取10000uF，纹波约8％，可以满足要求。大电容滤波还需并接瓷片电容，来抑制尖峰电压。

 

 

 

 

　　2.2 Boost升压型开关电源拓扑结构

　　主回路拓扑结构选择非隔离型中Boost型升压斩波电路，如图3。假设C和L足够大，输入输出电压，即为常数。据推理电感两端的电压值也为常数，记电感两端的电压值是VL，经过L的电流记为IL，电流变化正增量记为△i+，电流变化的负增量记为△i-。当开关闭合时，续流二极管关断，此时电源向电感充电储存能量，忽略开关管的压降。则由电感电流不可以突变、法拉第电磁感应公式和基尔霍夫电压定律推导出：增量电流△i+和时间△t成正比，呈线性上升趋势，与电感成反比。当开关管T关断时，续流二极管D导通，忽略续流二极管导通电压，输入端电源电压与电感器L中自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，同时对电容器C充电。同理推导出：负增量电流与电感值成反比，与关断时间成正比。下降是从上个时间充电后的电流点开始线形下降的。当动态平衡后，△i+=-△i-，经过占空比计算公式推导后得：在设计中输入15V～21V，整流滤波后可得约18V～25V的直流电压，而设计要求输出为30V～36V。那么当输入是18V变换到36V时，升压比最大，则占空比最大，记为α1，从25V变换到30V时，升压最小，则占空比最小，记为α2，经过推算：α2=1／6，α1=1／2。

 

 

 

 

　　3、电路设计及参数选择

　　此设计采用UC3842作为PWM控制芯片。它只需要很少的外部元件就可获得低成本高效益的解决方案。其内部框图如图4，UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件可改善误差放大器的增益和频率特性；②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2．5V基准电压进行比较，产生误差电压，而控制脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时停止脉冲输出使电源处于间歇工作状态；④脚为定时端，内部振荡器工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8／(RT×CT)；⑤脚为公共地端；⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。输入端接Rl再输入到芯片电源端，由于UC3842启动电压需要16V，输入经整流滤波后至少有18V左右，可保证正常启动。串联电阻Rl取100Ω或不用R1，直接接至18V电源也可正常工作。UC3842振荡器可以工作高达500kHz，经过计算选择较折中的频率40kHz取Rt=10k，Ct=4．7nF，Rt接在振荡端和参考电压8脚处，4脚退耦电容C3取0.1uF。

 

 

 

 

　　过流保护以及电压电流显示

　　用单片机和ADC0832来采样。采样电阻Rss=0.1Ω，用温度系数很小的绕线电阻，但不能直接采样Rss两端的电压，因为运放不能输入比电源电压大的信号，所以要设计恒降压电路，将Rss两端的电压同时减去一个常数，再进行差分放大，如图5。恒压源用TL431准确稳定在一个固定的电压，设置两个恒压源压降一致。由于运放采用12V单电源供电，所以将电压降到6V以下才能工作；又因为输出最大电压为36V，设计的恒压源压降为19V，那么下面两个电阻可用同样阻值的精密可调来实现抽头在中间位置，则U=36—19=8V进行l／2分压得4V。当电流为2A时Rss上压降为0．2V，则到差放上的电压差为O．1V，放大15倍后再经恒压源压降，保证变化范围在O～5V后送给0832采样，同时通过0832的另外一个通道采样得输出电压值。经过单片机计算电流电压后判断是否超过2．5A的电流，如果是，再利用继电器断开负载并用蜂鸣器报警，然后等待恢复。延时数秒后再次尝试接通负载，这就实现了过流保护和恢复后自动启动的功能。同时把采样到的电流、电压显示在数码管上。系统还设计了键盘设置电压增减的功能，该芯片采用ZLG7290键盘显示芯片可以简化设计复杂度。

 

 

 

 

　

　　4、测试结果和实现功能

　　5、结束语

　　开关电源是一种效率很高的电源变换电路，此系统利用软件硬件相结合，力求线路简单，又能满足系统设计要求。通过对各单元电路的设计、制作与测试，收到了很好的稳压效果，完成了设计要求的各项指标，具有一定的实际意义。